冀淑军
（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州036800）
［摘 要］山西中煤平朔能源化工有限公司300 kt/a合成氨装置液氮洗系统采用法液空公司工艺包，在制取氨合成原料气的同时副产LNG，设计上将液氮洗尾气提压至3.2 MPa后返回变换系统予以回收（传统上液氮洗尾气直接用作燃料气）。实际生产中，液氮洗尾气回收后，变换系统、低温甲醇洗系统工况正常，但对液氮洗系统的影响较大，表现为同等生产负荷下氮洗塔温度回升而甲烷回收塔过冷，系统冷量不平衡，造成氨合成气中CO含量超标、副产品LNG纯度降低等风险或问题。结合液氮洗系统工艺流程及工况，分析认为是液氮洗尾气回收情况下液氮洗系统原料气中的N2不断积累所致。为此，采取了一系列的优化调控措施，消除或减轻了上述问题带来的不利影响，保证了系统的稳定、长周期、优质运行。
［关键词］液氮洗系统；液氮洗尾气回收；氮洗塔温度回升；甲烷回收塔过冷；外供冷量减小；原因分析；优化措施
［中图分类号］TQ113.26+4.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）01-0031-03
0 引 言
山西中煤平朔能源化工有限公司（简称平朔能化）300 kt/a合成氨装置液氮洗系统采用法液空公司工艺包，在制取CO含量＜5×10-6、氢氮比为3∶1的氨合成气的同时副产LNG。由于采用了膨胀机提供冷量，液氮洗尾气中CO、H2、CH4等含量高达80%以上（尾气中各组分的设计值为CO 74%、H2 8%、N2 15%、CH4 1%、Ar 1%，实测值为CO 65%、H2 13%、N2 19%、CH4 2%、Ar 1%），因此，设计上将液氮洗尾气（压力0.08 MPa，流量5 488 m3/h）通过MW-80/0.64-32型往复式压缩机提压至3.2 MPa后返回变换系统，以回收利用尾气中的CO、H2、CH4等有效气成分，相较于传统的液氮洗工艺将尾气直接作为燃料气，该设计有着明显的节能优势。
实际生产中，液氮洗尾气回收后，变换系统只需适当加大蒸汽量保证原料气的水气比满足变换反应所需即可，低温甲醇洗系统工况无明显变化，影响最大的是液氮洗系统，主要表现为在同等生产负荷下氮洗塔温度回升而甲烷回收塔过冷，系统冷量不平衡，存在氨合成气中CO含量超标、副产品LNG纯度降低等不利于液氮洗系统安全、稳定运行的风险。后通过一系列优化调整，实现了系统的稳定、长周期运行。以下对有关情况作一简介。
1 液氮洗系统工艺流程简介
平朔能化液氮洗系统工艺流程如图1，主要包括纯化单元、CO洗涤和LNG回收单元、中压氮气单元及氮气循环回路。
1.1 纯化单元
来自低温甲醇洗系统的净化气，在分子筛吸附器中脱除微量的CO2和CH3OH，使其含量均小于0.1×10-6，作为液氮洗系统的原料气。2台分子筛吸附器内装13X型分子筛，当一台吸附器净化原料气时，另一台吸附器用低压氮气加热再生，交替运行或再生。
1.2 CO洗涤和LNG回收单元
分子筛吸附器出口气经原料气冷却器冷却至-182 ℃，进入气体提纯分离器进行气液分离，分离出的气相至氮洗塔中与塔顶喷淋下来的液氮逆流接触；出氮洗塔顶的富氢气经原料气冷却器复热后，一部分去低温甲醇洗系统为其提供部分冷量，一部分继续经氮气冷却器复热后与低温甲醇洗系统返回的热合成气汇合；合格合成气送往氨合成系统。
氮洗塔底部溶解有CO、H2等的液氮，送至甲烷回收塔（即甲烷精馏塔）上部进行闪蒸；气体提纯分离器底部富甲烷液由中部进入甲烷回收塔精制提纯；甲烷回收塔顶部尾气经原料气冷却器、氮气冷却器复热后，经尾气压缩机提压至3.2 MPa后送变换系统；甲烷回收塔塔釜LNG产品由甲烷泵输送，经过冷器降温后送至综合罐区LNG储罐；甲烷回收塔底部物料由再沸器加热，其热源为增压机提压后经氮气冷却器、原料气冷却器降温后的一股4.8 MPa氮气。
1.3 中压氮气单元
空分装置来的3.68 MPa中压氮气，经氮气冷却器、原料气冷却器冷却成为液氮，一部分进入冷合成气中作为冷配氮，一部分送至氮洗塔顶作为洗涤氮。
1.4 氮气循环回路
氮气循环压缩机三段出口3.07 MPa的氮气，经增压机进一步提压至4.8 MPa，再经增压机后水冷器、氮气冷却器、原料气冷却器冷却后分为三股：第一股进入膨胀机减压至0.4 MPa，在原料气冷却器、氮气冷却器内释放冷量后返回氮气循环压缩机一段入口；第二股进入甲烷回收塔塔底再沸器进一步冷却后，一部分去与过冷器相连的热虹吸罐，作为过冷器的冷源，继续降温后再膨胀至2.07 MPa，另一部分通过节流阀直接膨胀至2.07 MPa，复热后去氮气循环压缩机二段入口；第三股直接节流膨胀至2.07 MPa，与第二股中压氮气汇合。
2 尾气回收后液氮洗系统工况变化及影响
2.1 氮洗塔温度回升
空分装置来的3.68 MPa氮气，经氮气冷却器、原料气冷却器冷凝为液氮后，在氮洗塔中与原料气中的CO进行传热传质，CO被冷凝为液态的同时部分液氮汽化为N2。液氮洗属于物理洗涤过程，氮洗塔顶部富氢气的温度反映了原料气中CO的冷凝程度，顶部富氢气的设计温度指标为-192 ℃。液氮洗尾气回收后，氮洗塔顶部富氢气温度回升约2 ℃，这表明原料气中CO冷凝程度下降，有可能造成外送合成气中的CO超过5×10-6的设计指标（上限），会致使氨合成催化剂中毒而中断合成氨的生产。
2.2 甲烷回收塔过冷致LNG纯度降低
液氮洗尾气回收后，在氮洗塔温度回升的同时甲烷回收塔却表现为过冷，具体现象及影响如下：① 甲烷回收塔顶部气相（尾气）温度降低，经复热后尾气温度较之前正常生产时降低10 ℃左右，热端温差增大，正常值为2～3 ℃，现上涨至15 ℃左右；② 甲烷回收塔塔釜LNG温度降低，即使增加再沸器的加热氮气量，也难以维持塔釜LNG温度在-153 ℃的正常指标，LNG中轻组分增多，LNG纯度仅能达到98%左右，在线分析表直观地反映出LNG纯度较液氮洗尾气回收前降低1.5%左右。
2.3 外供低温甲醇洗系统的冷量减少
平朔能化液氮洗系统由氮气循环压缩机、增压膨胀机组成的氮气循环回路外供冷量，冷量相对充足，但为维持甲烷回收塔不至于过冷，外供低温甲醇洗系统的冷量较液氮洗尾气回收前是减少的：① 在膨胀机喷嘴、回流阀阀位一定的情况下，氮气循环压缩机出口压力反映了制冷系统负荷的大小，液氮洗尾气回收后，氮气循环压缩机出口压力较之前降低约0.15 MPa，表明系统外供冷量减少了；② 出原料气冷却器的-60 ℃左右的冷合成气（约2/3的气量，剩余约1/3的气量经氮气冷却器继续复热），不经氮气冷却器继续复热，而送低温甲醇洗系统对变换气进行冷却，即液氮洗系统为低温甲醇洗系统提供部分冷量,液氮洗尾气回收后，去低温甲醇洗的冷合成气温度上升3～4 ℃，意味着液氮洗系统外供低温甲醇洗系统的冷量减少了。
更多内容详见《中氮肥》2021年第1期