晋煤天庆公司“30·52·5”项目(30万t/a合成氨、52万t/a尿素、5亿m3/a燃气)气化采用碎煤连续加压气化技术,净化采用低温甲醇洗九塔工艺联合液氮洗工艺。液氮洗装置将来自上游低温甲醇洗工序的净化气体进一步脱除气体中的CH4、CO、Ar等成分,并用氮气配制成H2/N2=3∶1的纯净合成气用于合成氨生产,分离后的富甲烷气、富CO气等经减压、分离和复热后作为副产品销售和回收。
1.流程简述
来自低温甲醇洗工序的原料气首先进入吸附器,将其中含有的微量甲醇和二氧化碳脱除,之后原料气依次进入冷箱中的1#、2#原料气冷却器,并在2#原料气冷却器中部引出进入原料气分离罐分离液态甲烷,同时在1#原料气冷却器和2#原料气冷却器内被返流的合成气、燃料气、液氮流股气和甲烷富液冷却,然后进入氮洗塔下部。在氮洗塔塔釜,原料气中的液态甲烷得到进一步分离,气相通过升气帽进入塔中部,其中所含的CO、Ar和CH4等在氮洗塔中被顶部来的液氮洗出,净化后的氮洗气自氮洗塔塔顶离开,经2#原料气冷却器复热后与高压氮气管线来的氮气配比为H2/N2=3∶1的氢氮气,再经1#原料气冷却器复热,其中一部分送至低温甲醇洗工序,交回由原料气自低温甲醇洗工序带来的冷量;另一部分继续在高压氮气冷却器中复热至环境温度后出冷箱,并与来自低温甲醇洗工序复热后的合成气汇合,再经精配氮实现正确的氢氮气化学配比后作为产品气体送入氨合成工序。
高压氮气来自界区外的空分装置,经高压氮气冷却器和 1#原料气冷却器被返流气体冷却后,其中大部分经节流直接与自氮洗塔顶部来的氮洗气混合,基本达到氢氮气化学配比3∶1,其余部分继续在2#原料气冷却器中冷却并液化,液氮进入氮洗塔顶部作洗涤剂用。
氮洗塔升气帽底部的液体减压后,依次经2#、 1#原料气冷却器和高压氮气冷却器复热后出冷箱,经加压后送变换装置回收利用。
氮洗塔塔釜排出的富含CH4的气体与从原料气分离器排出的液相混合,依次经2#、1#原料气冷却器和高压氮气冷却器复热后出冷箱,经富甲烷气压缩机升压后送至天然气管网。
空分装置来的液氮流股流经2#、1#原料气冷却器和高压氮气冷却器为系统补充冷量,复热后出冷箱放空。
2.液氮洗装置运行概况
液氮洗装置操作压力3.25 MPa,原料气温度-54.5 ℃,设计处理进气量77280 m3/h,产品气(H2/N2=3∶1)量90413.8 m3/h,操作弹性为设计负荷的65%~130%,即处理气量在50232~100464 m3/h之间。原料气组分要求为: H2 88.21%;CO 2.72%;CO2≤20×10-6;CH4 8.11%;N2 0.69%;(H2S+COS)≤0.1×10-6;C2H6 0.27%;CH3OH≤50×10-6。
液氮洗装置自投产以来,总体运行稳定,基本满足了生产要求,但由于操作或设备上的原因,也出现了一些问题,造成了生产的波动,影响了系统的稳定运行。主要表现为:当原料气进气量在允许负荷范围之内时,氮洗塔压差(<30 kPa)与原料气系统压差(<0.08 MPa)均在指标范围之内,当气量接近设计上限(100464 m3/h)时,氮洗塔压差与原料气系统压差均接近指标上限,同时工况开始波动,难以控制;当气量超过设计上限时,氮洗塔压差与原料气系统压差突然增大并超指标运行,工况逐渐恶化,此时须立即降低系统负荷至允许范围之内,工况可逐渐恢复。
1 a多来系统曾出现的波动具体如下:操作调整不当造成2#原料气冷却器甲烷冻堵;气化炉跳车,系统负荷波动,加量时调整不及时,以及原料气氮气含量高(达8%),造成微量超标;液氮泵汽蚀,高压氮气压力低,调节氢氮比时幅度过大,造成进气量低联锁停车;原料气CO2含量超标造成管道冻堵。
3.存在问题及解决措施
(1)装置运行中,系统冷量损失较大,需持续补充液氮保证系统的稳定运行。这主要是两方面原因造成的:一是由于生产负荷高,高压氮气用量大,已经超出空分高压氮气的生产能力,导致提供冷量的高压氮气压力低(设计值4.7 MPa,实际4.2~4.3 MPa),经过节流后产生的冷量不足,难以抵偿系统冷箱的保冷损失和板翅式换热器的传热温差损失;二是从低温甲醇洗来的原料气温度较高(设计值-54.5 ℃,实际-40~-45 ℃),本身带来的冷量偏少,液氮洗装置返回到低温甲醇洗的冷量大于低温甲醇洗提供给液氮洗的冷量。
针对高压氮气用量大的问题,公司在空分增加了1台液氮泵,将空分液氮储槽内的液氮加压并通过水浴式汽化器气化后并入高压氮气管网,以始终保持高压氮气管网压力在4.2 MPa以上,保证液氮洗装置的需求。实施后,效果明显,通过增加高压氮气用量和保证氮气管网压力,增加了冷量供给,保证了配氢的氮气用量,提高了液氮洗装置的生产能力。
针对低温甲醇洗来的原料气温度较高的问题,通过对低温甲醇洗和液氮洗工序的调整来逐步优化,主要方法有二:一是根据运行工况逐步优化甲醇洗涤量,降低贫甲醇温度,使出低温甲醇洗装置的气体带走相对少的冷量;二是在保证出液氮洗装置气体温度的前提下,尽可能多地将合成气送去低温甲醇洗交换冷量,以减少冷量损失。
(2)运行过程中,由于原料气N2含量高,发生过一次微量超标事故,导致系统负荷波动。生产中,从氮洗塔中部排出的富含CO的燃料气被循环利用,经加压后汇入进液氮洗原料气中,由于其中N2含量达50%左右,长时间回收后导致进液氮洗原料气中N2含量升高,而N2含量高会导致进洗涤塔的中压氮气和合成气温度上升,洗涤塔和闪蒸罐液位升高,洗涤塔温度升高,洗涤效果变差,同时1#、2#原料气冷却器之间的温度也会下降,尤其是分子筛再生切换时,原料气流量会瞬间增加,会使入冷箱的原料气温度升高6~8 ℃,此时如原料气N2含量高,会加大操作难度,使系统不稳定。因此,实际操作中,要加强对进液氮洗装置原料气气体成分的分析,通过控制燃料气的回收量确保原料气中N2含量不超过2%。
(3)原料气中的CH4要进行提纯销售,因此要求富甲烷气CH4含量≥90%、热值≥8000 kcal,但实际操作中经常会出现富甲烷气热值降低的情况。常压下,甲烷的沸点为-161 ℃,由于液氮洗装置操作压力在3.25 MPa,且原料气中甲烷含量在10%~11%,故甲烷开始冷凝的温度是要偏离-161℃的。液氮洗装置为提高甲烷馏分的纯度,采取了“分段回收”的方法,即在-160~-170 ℃时先在原料气分离器中抽出进行第一次分离,然后再将原料气继续冷却到-188 ℃,导入氮洗塔塔釜对CH4进行第二次分离,2股分离出的CH4混合复热后送出装置。由于第一次分离时甲烷纯度高,第二次分离时甲烷纯度低,因此,在实际生产中,当富甲烷气热值低时,可通过增减氮洗塔塔釜排液量来提高富甲烷气中CH4的含量,从而提高富甲烷气的热值,满足用户要求。
针对液氮洗装置生产运行中出现的问题,除采取上述措施解决以外,日常生产管理中还需注意以下问题:①严格执行工艺指标,发生偏离时及时调整,避免工况恶化;②系统加减负荷应提前调整工况,加减气量应平稳缓慢进行,控制好速度,防止气量大幅波动;③操作中密切关注氮洗塔塔釜液位,当氮洗塔塔釜液位升高时,首先是增加液氮洗装置返回低温甲醇洗装置的气量,其次再减少高压氮气的流量,尽量不要通过氮洗塔塔釜的排液来解决;④加强员工培训,提高员工处置和应对异常情况的能力。
(天庆化工 赵杰丰 李慧鹏 田腾军)