李强，曾晓波，杜坤桥，周立彬
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］海洋石油富岛有限公司300 kt/a气头合成氨装置氨合成系统弛放气和液氨储罐闪蒸气回收包含氨回收单元 + 分子筛吸附器 + 氢回收单元，生产中一旦氢回收单元冷箱出现故障，将对氨合成系统的运行造成严重影响。以2022年4月二段转化炉退富氧后系统维持运行阶段氢回收单元冷箱结冰（冷箱需退出系统并进行化冰操作，弛放气被迫由氨回收单元出口送至放空火炬燃烧后排放）、2022年12月氢回收单元冷箱出现工况恶化而逐步将冷箱退出系统为例，分析与探讨冷箱故障产生的原因，并制定了相应的处理措施及预防措施；同时，针对冷箱解冻末期回温速率慢的问题，从解冻所需热源、氮气气量分布、冷箱低温死角等方面进行工艺操作优化，缩短了冷箱故障退出检修的时间，取得了较好的效果。
［关键词］氨合成系统；氢回收单元；冷箱结冰；原因分析；处理措施；冷箱解冻；工艺操作优化
［中图分类号］TQ113.26+6.6 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）02-0023-04
0 引 言
海洋石油富岛有限公司（简称富岛公司）化肥一部300 kt/a气头合成氨装置采用ICI-AMV工艺，其氨合成系统回收单元是林德公司按ICI工艺制成的一种成套装置，主要作用是回收氨合成系统弛放气［设计流量28 125 m3/h（标态，下同），设计上弛放气含H2 60.06%（摩尔分数，下同）、CH4 8.77%、NH3 2.38%］和液氨储罐闪蒸气（设计流量531 m3/h，设计上闪蒸气含H2 25.18%、CH4 19.16%、NH3 40.96%）中的氨和氢，以控制合成回路中惰性气浓度及循环气的氢氮比（H2/N2）。其中，氢回收单元采用深冷工艺（冷箱），基于H2与弛放气（弛放气与闪蒸气汇合后统称为弛放气）中其他组分（液态）沸点相差较大（在氨合成塔操作压力10.13 MPa下，弛放气各组分的沸点分别为O2 -183 ℃、N2 -193 ℃、Ar -186 ℃、H2 -253 ℃、He -269 ℃、CH4 -161 ℃、CO2 -78.5 ℃）的特点，在深冷工况下依次部分冷凝，分离出较高沸点的CH4、Ar以及部分N2的冷凝液，而获得H2含量较高的回收气。实际生产中，若氢回收单元冷箱因故障等而切出处理（简称冷箱退出），弛放气将被迫由氨回收单元出口送至放空火炬燃烧后排放，将直接影响氨合成系统的氢氮比，影响氨合成反应及氨产量，不利于节能减排。为此，分析与探讨氢回收单元冷箱故障产生的原因，尽量避免或减少冷箱故障，以及不同工况下冷箱退出后如何保证系统的稳定运行与操作调整尤为重要。
1 氨合成系统回收单元工艺流程简介
氨合成系统弛放气与液氨储罐闪蒸气汇合后（统称为弛放气）进入氨吸收塔用脱盐水吸收，氨吸收塔塔釜稀氨水送氨再生塔蒸出气氨，气氨冷凝成液氨后并入液氨储罐；氨吸收塔塔顶弛放气通过分析仪（AR10008）严格控制氨浓度（严禁不合格气体进入后系统）后进入分子筛吸附器（2台分子筛吸附器并联运行，1台吸附、1台再生，切换运行）进一步干燥（脱除水分），通过其出口露点仪（AR11001）监控气体露点，以免不合格气体进入氢回收单元冷箱导致结冰故障；合格气体经冷箱入口阀（PV11030）进入氢回收单元冷箱，冷箱的氢回收率达87%、H2纯度达92%，回收的H2引至工艺气压缩机入口加压后并入氨合成气中，尾气送至一段转化炉掺烧。
2 冷箱故障现象及处理
冷箱退出原因有很多，除正常生产情况下为系统检修作准备外，主要就是因故障而退出：氨回收单元出口气微量（氨含量）超标引起冷箱堵塞；前系统分子筛吸附器干燥剂粉化致粉尘等进入冷箱，导致冷箱内螺旋管式换热器表面附着粉尘、管路堵塞等引起其换热效率下降，需对冷箱进行升温及解冻处理。若出现冷箱堵塞，必须将冷箱退出并进行解冻处理，冷箱堵塞常见原因一类为水结冰，另一类为NH3结冰。
2.1 冷箱故障案例一
2.1.1 背景介绍
富岛公司化肥一期合成氨装置自2016年原料天然气气源合同到期更换为高含N2气源后，原料天然气CH4含量由83%降至61%、N2含量由0.95%升至16.8%，为适应合成氨装置二段转化炉工况所需采用了富氧工艺，向二段转化炉内加入浓度99.9%的富氧空气（基本上就是纯氧）2 600 m3/h，富氧空气由富岛公司四期20 000 m3/h空分装置提供。2022年4月，发现四期空分装置冷箱内部换热器出现泄漏，四期空分装置被迫停车更换新的换热器，为保证合成氨装置的稳定运行，二段转化炉只能进行退富氧操作。二段转化炉担负着原料气转化、副产蒸汽、氨合成塔配N2、调整氨合成塔入口气氢氮比等任务，退出富氧后，整个合成氨装置的热平衡将受到影响，工艺上通过增大弛放气量、调整氢氮比（氢氮比由3.0%降至1.9%）保证氨合成塔正常反应压力等，以保持氨合成塔的正常运行，当时维持了系统的稳定运行，而氢回收单元冷箱的稳定运行起了至关重要的作用。
2.1.2 冷箱停车及前系统的操作调整
在二段转化炉退富氧后系统维持运行阶段的2022年4月30日04:00，工艺上发现系统弛放气量逐渐减少，弛放气量（FC09001）由31.0 km3/h逐渐降至29.5 km3/h，氨合成塔压力（PR08001）由10.51 MPa涨至10.66 MPa，合成气压缩机循环量（FI07002A）由550 km3/h涨至556 km3/h，合成气压缩机段间压差（PDI07008A）由0.83 MPa逐渐涨至0.93 MPa（PDI07008A达1.1 MPa时压缩机联锁跳车）；氢回收单元冷箱工况逐渐恶化，冷箱温度（TI11031）由-191 ℃逐渐涨至-172 ℃，冷箱返氢量开始慢慢下降，主控（人员）不断开大冷箱入口阀（PV11030）至超出正常阀位20%（正常阀位约60%，当时阀位已达80%），弛放气流量并没有上涨，冷箱温度仍然持续上涨。由于弛放气无法正常送出，氨合成塔压力开始上涨，氨合成反应开始恶化。工艺人员据事故现象判断冷箱出现了结冰故障，冷箱需退出系统并进行化冰操作。
冷箱平稳退出系统前，将氨合成塔入口温度由198 ℃提高至220 ℃，维持氨合成塔的反应温度；上游脱硫系统加氢反应器（脱除有机硫）加氢无法满足（正常生产时加氢反应器所需H2来自工艺气压缩机），只能通过外部装置引1 000 m3/h的H2维持；工艺气压缩机由于氢氮比较低，压缩机段间压差持续上涨，主控保持压缩机二段防喘振阀微开，防止段间压差持续上涨而触发联锁跳车；弛放气在氨回收单元后送至火炬燃烧后放空，氨合成塔压力稳定在10.19 MPa；同时，氨合成塔开工加热炉做好点火准备，防止氨合成塔出现垮温现象；由于氨产量严重不足，下游尿素装置减负荷运行。2022年5月14日，四期空分装置重启后，化冰操作后的氢回收单元冷箱逐步恢复正常运行。
更多内容详见《中氮肥》2024年第2期