采用液氮进行液氮洗冷箱的裸冷及其效益分析
王克星，蒲昭廷，荆三伟
（阳煤集团太原化工新材料有限公司，山西 清徐 030400）
［摘 要］ 介绍采用液氮进行液氮洗冷箱裸冷的改进方案及其操作要点，并进行能耗及效益分析。实践表明，采用液氮进行液氮洗冷箱裸冷的方案可节约大量的物料和能源，裸冷效果良好，实用性强。
［关键词］ 液氮洗；冷箱裸冷；中压氮气节流制冷；水浴装置；液氮汽化；操作要点；效益分析
［中图分类号］ TQ 113.26+4.3 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2017）02-0009-02
1 液氮洗工序简介
阳煤集团太原化工新材料有限公司400 kt/a合成氨项目配套的合成气精制工序采用杭氧股份有限公司设计的液氮洗装置。液氮洗技术主要应用于合成氨装置中，利用CO、Ar、CH4与H2的沸点相差较大以脱除粗氢气中的CO、Ar、CH4等杂质，使净化气中的CO含量小于1×10-6，从而达到净化粗氢气的目的。脱除了CO、Ar、CH4等杂质的净化气中配入N2，调整H2/ N2=3∶1，以满足下游氨合成工序的需要。
液氮洗冷箱内的主要设备有：3台多股流板翅式换热器（高压氮气冷却器、1#原料气冷却器、2#原料气冷却器）、氮洗塔、氢气分离器、气液分离器、液氮罐。由于换热器和塔等设备在低温环境下运行，为减少冷量损失，低温设备安装在冷箱内，冷箱空隙内填充隔热材料珠光砂。
液氮洗装置于2016年1月安装结束，进入试车阶段；2016年4月22日开始冷箱裸冷。裸冷指在系统管路、阀门及现场设备全部安装完毕并进行吹扫及气密性试验后，在冷箱尚未装填保温材料的情况下进行冷却。裸冷的目的主要是：① 检查设备、管线、阀门的焊接质量，防止低温状态下出现泄漏；② 检查设备、管线、阀门及其支架在低温状态下的变形及补偿能力；③ 检查设备、管线、阀门是否畅通，安装是否符合要求；④ 检查仪表系统在低温状态下是否正常。
2 液氮洗冷箱裸冷的一般方法
液氮洗冷箱裸冷的主要原理是通过高压气体节流膨胀产生焦耳-汤姆逊效应（J-T效应）进行制冷降温。冷箱内阀门有FV-09、FV-10、LV-01、TV-39，裸冷时主要通过FV-09和FV-10的节流膨胀产生冷量，将冷箱内的设备和管道冷却下来。裸冷时保持氮洗塔压力在0.5~1.0 MPa，随着装置内整体温度的降低，及时调节合成气、原料气、循环氢、燃料气和放空氮气放空阀的开度，以调整冷量的分配，确保各设备和管道都被均衡地冷却，保证板翅式换热器各通道同步冷却，并控制板翅式换热器端面温差不大于50 ℃。当某通道的冷却速度超过20 ℃/h时，可通过减少其放空量来调节此通道的冷却速度，反之亦然。
采用上述裸冷方法中压氮气耗量及能耗特别高，而且需要空分装置中压氮气系统具备投用条件，会使系统开车进度推迟；另外，由于系统裸冷时主要依靠中压氮气节流产生的冷量使系统降温，在中低压液氮洗系统中，当中压氮气压力较低时，制冷效果会不明显，加之低压流程设备体积大，系统冷量损失大，系统温度下降速率非常缓慢，尤其是夏季的白天，冷箱内设备和管线无法全部结霜，裸冷效果会大打折扣。
3 外购液氮进行冷箱裸冷
3.1 裸冷方案
针对中低压液氮洗系统只能依靠中压氮气节流制冷的不足及空分装置中压氮气不具备投用条件的情况，我公司2016年4月22日液氮洗冷箱裸冷进行了大胆的创新与尝试，采用外购液氮汽化为系统提供冷量的方法进行冷箱裸冷。具体方案如下：增加1台水浴装置，将外购的液氮汽化、升温后通过原料气管线送入冷箱。其中，水浴装置包括水浴汽化器和水浴加热器，汽化器入口接液氮车，加热器出口与原料气进冷箱管线连接；水箱中通入0.5 MPa蒸汽，通过DN50阀控制蒸汽流量；水浴装置设有旁通管线，用来控制其出口低温氮气的温度，避免温度波动过大而产生过大应力损坏设备。
更多内容详见《中氮肥》2017年第2期