何伏牛，段奇峰，喻明杰，余辉
（河南晋煤天庆煤化工有限责任公司，河南 沁阳454592）
［摘 要］河南晋煤天庆煤化工有限责任公司“30·52·3” 项目[300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、3×108 m3/a燃气（煤制天然气）]之一期项目（300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素）2015年1月投产，随着2016年8月二期3×108 m3/a燃气（煤制天然气）项目的投运，以及2017年CFB锅炉蒸汽供热系统、低温甲醇洗系统设备的扩能改造，气化炉由五开一备改为六开无备，6台气化炉运行成为“新常态”，使得气化系统及硫回收系统废热锅炉副产的0.6 MPa低压蒸汽富裕20～30 t/h而经常连续放空；同时，高负荷工况下液氮洗系统因富甲烷气管线、调节阀、富甲烷气压缩机能力等瓶颈问题影响氨合成系统负荷的提升，且液氮洗系统的富甲烷气压缩机无备机，机组检修时导致下游供气（天然气）中断。为此，晋煤天庆对液氮洗系统进行了优化技改，通过新增1台汽轮机驱动的往复式压缩机及其他配套技改，解决了低压蒸汽的回收和液氮洗系统的瓶颈问题，满足了系统提产高效运行的需要，取得了可观的经济效益。
［关键词］合成氨装置；低压蒸汽放空；液氮洗系统；瓶颈问题；富甲烷气压缩机；优化技改；运行情况
［中图分类号］TQ113.26+4.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2021）04-0018-03
0 引 言
河南晋煤天庆煤化工有限责任公司（简称晋煤天庆）“30·52·3” 项目[300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素、3×108 m3/a燃气（煤制天然气）]之一期项目（300 kt/a合成氨、520 kt/a尿素）于2015年1月18日投产；二期项目[3×108 m3/a燃气（煤制天然气）]于2016年8月1日与一期项目并网运行。2017年随着CFB锅炉供热系统、低温甲醇洗系统设备的扩能改造，加之二期项目的投运，气化炉（鲁奇碎煤加压气化炉）由五开一备改为六开无备，使得气化系统及硫回收系统废热锅炉副产的0.6 MPa蒸汽富裕20～30 t/h，即使关闭锅炉的第三减温减压装置，低压蒸汽仍然连续放空（形成噪音污染），管网经常处于微超压状态；此外，高负荷工况下，即使原料气分离器（S61601）的液位自调阀（LV005）和氮洗塔下段液位调节阀（LV001）全开，原料气分离器（S61601）和氮洗塔下塔也长时间处于满液位状态，导致液氮洗系统压差增大，不但影响原料气换热器的换热效果，使冷量发生偏移，造成液氮洗系统工况恶化，而且还影响到氨合成系统负荷的提升，成为高负荷生产的瓶颈问题。
1 液氮洗系统工艺流程简述
1.1 冷却洗涤流程
低温甲醇洗系统来的净化气经液氮洗系统进口分子筛吸附脱水后，进入冷箱中的1#、2#原料气换热器 （E61605和E61606），与出冷箱的氢氮气、燃料气、甲烷气换热后被冷却降温；2#原料气换热器（E61606）抽出的气体经原料气分离器（S61601）分离掉液态甲烷后再次进入2#原料气换热器（E61606）冷却降温，之后进入氮洗塔（T61601）。在氮洗塔下段分离出的液体甲烷经复热回收部分冷量后送出界区，送入燃气管网供下游用户使用；氮洗塔下段分离出的气相经升气帽进入氮洗塔上段，其中的一氧化碳、氩、甲烷等在氮洗塔（T61601）中被配入的液氮洗涤，净化后的气体自塔顶引出，经2#原料气换热器（E61606）复热并与高压氮气按照3∶1配比后，经1#原料气换热器（E61605）再次复热后送低温甲醇洗系统，以平衡净化气自低温甲醇洗系统带来的冷量，再经精配氮后作为原料气送往氨合成系统；被氮洗塔上段液氮洗涤下来的一氧化碳、氩等，经减压、复热后送至燃料气系统用于发电。
1.2 高压氮气流程
空分装置来的高压氮气，经高压氮气换热器（E61604）和1#原料气换热器（E61605）被出冷箱的气体冷却后，其中的一小股按照1∶3的混合配比配入出塔的氮洗气，大部分继续进入2#原料气换热器（E61606）中冷却并被出冷箱的气体液化成液态氮，经减压节流膨胀进入氮洗塔（T61601）内，自上而下地对逆流的原料气进行冷却洗涤，以除去原料气中的杂质。
2 技改方案
2.1 技改方案的确定
通过对工艺气的成分进行分析，发现系统正常运行情况下净化气（低温甲醇洗出口气）中的甲烷含量与设计值相比偏差4%～6%（见表1），6台气化炉高负荷运行时，液氮洗系统受原料气分离器（S61601）底部液位调节阀管径小和富甲烷气压缩机（技改后称作1#富甲烷气压缩机）设计输气量小（输气能力138.3 m3/min）的影响，即使S61601的液位自调阀（LV005）和氮洗塔下段液位调节阀（LV001）全开，冷凝分离下来的液体甲烷也无法及时送出系统，使得S61601和氮洗塔下塔液位长时间处于100%的状态，液氮洗系统压差增至0.11～0.12 MPa（控制指标为80 kPa以下），影响原料气换热器的换热效果，冷量发生偏移，出S61601的气相温度达-170～-172 ℃（设计值为-165 ℃），进氮洗塔的气相温度却只有-177 ℃左右（设计值为-179 ℃），液氮洗系统极易发生甲烷冻堵情况，形成极大的安全隐患，且液氮洗系统压差的增大还影响氨合成系统负荷的提升。
此外，液氮洗系统产生的富甲烷气经富甲烷气压缩机（无备机）加压后送入燃气管网供下游用户使用，生产运行中存在以下问题：富甲烷气压缩机检修期间，因无备机，大量的富甲烷气不得不直接送往全厂火炬燃烧放空，给企业造成巨大经济损失的同时，下游供气（天然气）中断还导致客户供需关系紧张；因富甲烷气压缩机最大输气能力约10 000 m3/h，6台气化炉加满负荷运行后，液氮洗系统阻力大，气化炉安全阀因系统阻力高而启跳，气化炉被迫减量运行，生产任务和利润目标双双受到影响。
为此，协调液氮洗系统原设计单位（杭州中泰深冷技术股份有限公司）、富甲烷气压缩机生产厂家（宝鸡市博磊化工机械有限公司）等单位召开专题会，反复讨论，决定增加1台富甲烷气压缩机（技改后称作2#富甲烷气压缩机）：把富甲烷气从0.02 MPa提压至6.5 MPa送往燃气管网，可供选择的机型有电驱动往复式压缩机、电驱动离心式压缩机、蒸汽驱动往复式压缩机和蒸汽驱动离心式压缩机，这4种机型均为工业化成熟机型，结合晋煤天庆气化系统及硫回收系统废热锅炉副产0.6 MPa蒸汽富裕20～30 t/h，以及电价因淘汰落后产能等原因已取消优惠，首先，电驱动压缩机不予考虑；其次，考虑到原富甲烷气压缩机为电驱动往复式压缩机，为减少机组的备品备件（使新上压缩机备件与原富甲烷气压缩机备件基本一致），最终决定新上的富甲烷气压缩机采用蒸汽驱动往复式压缩机（即汽轮机驱动的往复式压缩机组）。此外，合成氨装置还将进行如下技改：在出口富甲烷气总管上配置油过滤器，以降低富甲烷气中的油含量，满足外输天然气含油量＜0.01 mg/m3的要求；将冷箱内原料气分离器（S61601）排液管线液位自调阀（LV005）由DN40更换为DN50，确保系统高负荷运行时液态甲烷的彻底、及时排出。
2.2 新上富甲烷气压缩机组简况
气化系统及硫回收系统废热锅炉副产的0.6 MPa低压饱和蒸汽进入汽轮机做功后，导入空冷器换热降温，冷凝液在冷凝液水箱收集，经冷凝液泵加压送化工除氧站处理后循环使用。
选用青岛捷能汽轮机集团股份有限公司生产的型号为N3-0.6的汽轮机，功率为3 000 kW，驱动蒸汽压力为0.6 MPa，汽轮机通过减速箱连接6M-206/0.3-64型往复式压缩机。压缩机共有4段（一、二段为双吸入），压缩机一段入口气流量206 m3/min、压力0.01～0.04 MPa、温度35～40 ℃，经四级压缩后，出口气压力达4.0～5.8 MPa，经四级冷却器冷却降温至40 ℃以下后并入燃气管网，供下游用户使用。
3 技改项目实施情况
更多内容详见《中氮肥》2021年第4期