合成氨原料气氨冷器泄漏的原因分析及对策

杨 超，钟富生，熊永军，梁红兵

（昊华鸿鹤化工有限责任公司，四川自贡 643000）

合成氨原料气氨冷器泄漏的原因分析及对策

杨 超，钟富生，熊永军，梁红兵

（昊华鸿鹤化工有限责任公司，四川自贡 643000）

原料气氨冷器是合成氨厂净化工序的重要设备。从生产工艺和生产操作角度分析原料气氨冷器发生泄漏的原因，寻求有效的对策。

原料气氨冷器；泄漏；冰堵；原因分析；防范措施

1 概 述

昊华鸿鹤化工有限责任公司有新老两套合成氨系统，新老系统分别始建于1989年和1973年，液氨设计生产能力分别为50 kt／a和46．5 kt／a，新老系统分别于2003年和2007年在转化工序实施“双一段炉”节能扩能新技术，将生产能力提高到90 kt／a和70 kt／a。由此，合成氨装置总产能达到160 kt／a，为满足联碱500 kt／a的生产要求奠定了坚实的基础。

我公司是以天然气为主要原料生产合成氨，采用加压蒸汽转化法制气，中低温一氧化碳变换，热钾碱液脱除CO2，甲烷化法除微量的CO和CO2，32 MPa中压氨合成的工艺。合成的液氨经氨库计量，再返回到合成岗位的氨蒸发器，得到的气氨送联碱装置使用。

新系统甲烷化以及原料气水冷器后增设分离器流程简介如下。

合格的碱洗气经甲烷化换热器和中变换热器加热到320℃左右进入甲烷化炉，甲烷化炉出来的原料气经甲烷化换热器和水冷器降温之后，进入氨冷器入口分离器，分离冷凝水后，再进入原料气氨冷器进一步降温，之后进入原料气分离器，分离冷凝水后，送氢氮气压缩机加压至32 MPa送入合成工序，其工艺流程如图1所示。

图1 增设分离器后新系统工艺流程

2 原料气氨冷器的作用

甲烷化合格的原料气经过甲烷化换热器和水冷器降温后，其温度仍高达40～50℃。由于温度高，原料气湿度较高，使进入高压机一段缸的有效气体量下降，不仅降低了氢氮气压缩机的打气量，而且增加了气体的压缩功耗。随着扩能改造，系统生产能力的提高，在原料气水冷器之后安装和使用氨冷器。氨冷器的投运，对稳定生产起到非常重要的作用：经氨冷器后，原料气的温度可以降到10～20℃，甚至更低，原料气的水汽浓度降到10 mg／m3。由于原料气的湿度大大降低，其体积明显下降，大大提高了氢氮气压缩机的输气能力，也使吨氨电耗下降。

增设氨冷器前原料气温度取45℃，即T1＝318 K；增设氨冷器后原料气温度取15℃，即T2＝288 K，忽略气体温度变化带来压力的变化，则增设氨冷器后原料气体积缩减（1－T2／T1）× 100%＝（1－288／318）×100%＝9．43%。即仅氨冷器的投运，可使氢氮气压缩机能力提高约9%。原料气氨冷器结构见图2。其设备参数见表1。

图2 原料气氨冷器的设备结构

表1 原料气氨冷器的设备参数

3 原料气氨冷器泄漏的判定

在实际运行过程中，若氨冷器发生泄漏，将导致生产消耗上升；泄漏严重时，原料气进入气氨总管，会引起联碱厂吸氨波动。

（1）原料气氨冷器泄漏，系统压力会下降。在转化工艺负荷未发生变化，氢氮气压缩机进口未提压的情况下，系统压力会下降，可以从新老总控系统压力显示和记录表上直接反映出来。

（2）吨氨天然气消耗会明显上升。我公司长期坚持消耗动态跟踪核算，特别是班组一级，吨氨天然气消耗坚持到每小时的核算，从前后两次消耗数据的变化程度，就可以初步判定联合压缩机天然气水冷器、氢氮气压缩机水冷器和原料气氨冷器三者之一出现泄漏的可能。用联合压缩机入口天然气压力初步计算天然气输气量与总控工艺天然气流量显示数据进行比较，就可以判定联合压缩机水冷器是否泄漏。之后再进行原料气氨冷器是否泄漏的判定，最后进行氢氮气压缩机水冷器是否泄漏的判定。

（3）现场将原料气氨冷器切除进行泄漏与否的判定。首先，将氨冷器的气氨副线阀全部打开，再将氨冷器的气氨进出口阀关闭，与此同时，密切关注氨冷器的气氨压力表，若此时氨冷器泄漏小，气氨压力表的指示值会慢慢增大（需要一段时间才能观察到压力表指示的变化）；若氨冷器泄漏大，气氨压力表的指示值会迅速增大。若发现气氨压力表数值升高，就可以判定原料气氨冷器有泄漏。一旦确定原料气氨冷器泄漏，立即将氨冷器切出运行系统交付检修。务必注意气氨副线阀先全开，再进行气氨进出口阀门的操作；否则，就会引起合成工段气氨压力升高，联碱装置吸氨困难，严重时会引发事故。

（4）由氢氮气压缩机入口原料气温度变化进行判定。由于原料气本身温度高，而且其压力高，非常容易漏入氨冷器的气氨一侧，无形中阻止了进入氨冷器的气氨量，氨冷器冷量减少，氨冷器之后气体温度就会有所升高。

4 原料气氨冷器发生泄漏的原因分析

经过反复分析及查证，导致氨冷器列管破裂的主要原因如下。

（1）原料气经过水冷器降温之后，被冷凝下来的冷凝水未及时分离出来，随原料气一同进入氨冷器，在通过氨冷器时，特别是在气氨温度较低时，冷凝水迅速凝固成冰块；水结冰后，冰块体积将是水体积的1．11倍，由此会使氨冷器列管出现胀管而破裂。这是导致氨冷器泄漏的主要原因。

在转化工艺负荷7600 m3／h时，甲烷化炉入口气体中CO含量为0．2～0．3%、CO2含量为0．15～0．25%，它们在甲烷化炉内发生反应；据初步计算，甲烷化反应生成的水（气态）为245 kg／h。这部分水（气态）随气体一起，首先经过甲烷化换热器，再经过原料气水冷器降温到40～50℃后，据计算，可以得到220 kg／h的液态水。这220 kg／h的液态水将随气体进入原料气氨冷器，在氨冷器中进一步冷却降温，有部分液态水将被凝固成冰块，在氨冷器最下部的列管内形成冰堵。此时若氨冷器工艺气副线阀全关，就可能出现氨冷器前后系统压差增大，据此就可判定氨冷器发生了冰堵（但并不意味着氨冷器出现了泄漏）。

（2）负荷大幅度下降时，没有及时调整气氨近路阀开度，致使原料气进一步骤冷，使冷凝的水迅速在列管的内壁形成小冰块，长时间如此，就容易使部分列管出现堵塞，甚至发生破裂。

（3）氨冷器发生冰堵时，处理方法欠妥。氨冷器发生冰堵时，将氨冷器工艺气副线迅速打开，此处理法可行，但是，若工艺气副线开度非常大，将使通过氨冷器的高温气体大幅度减少，而气氨一直不断地给氨冷器提供冷量，加剧冷凝水受冷形成冰块的可能性，使氨冷器列管破裂的几率增大。

（4）原料气氨冷器入口分离器分离得到的水排放不及时时，分离器液位高，发生气液夹带，夹带的液体进入氨冷器后迅速降温形成冰块而使列管胀破。

（5）新系统停车时，工艺气率先被切除，但是多数时候没有立即将氨冷器的气氨流程切除，这样，冷量一直通过氨冷器，而此时没有热的工艺气通过氨冷器了。若停车在原料分离器之后进行甲烷化系统泄压，物料流速增大，可能会把氨冷器入口分离器中的水带入氨冷器，这部分水会凝固成冰，也容易造成氨冷器列管破裂。

（6）氨冷器经过长时间的使用，设备本身受到腐蚀，列管壁厚减薄，在原料气高压的情况下，列管壁薄的部位最容易发生破裂。若在设备运行过程中反复出现冰堵，其列管反复膨胀和收缩，抗疲劳性减弱，也容易发生破裂。

5 氨冷器冰堵的处理

首先，将氨冷器的原料气近路阀打开少许，缩小氨冷器前后原料气的压差以利于稳定生产，并把氨冷器气氨副线阀全部打开，只关闭氨冷器的气氨进口阀，停止气氨通过氨冷器，即停止向氨冷器提供冷量，利用热的工艺气将凝结的冰块融化。氨冷器内的冰块是否全部融化，可以逐渐关小直至关闭氨冷器的原料气副线阀，若氨冷器前后系统的压差无明显变化，就表明氨冷器冰块已全部融化。这时，就可以将气氨引入氨冷器，即缓慢打开氨冷器气氨进口阀，当气氨进口大阀全开后，逐渐关小或者关闭氨冷器气氨副线阀，恢复正常生产。

此过程需要注意的是，在氨冷器气氨副线阀打开后，气氨进口阀关闭，但不能将气氨出口阀关闭，否则原料气继续通过氨冷器，其热量不断传给氨冷器的壳程，使壳程内压力升高，存在不安全因素，同时也不易使堵塞的冰块迅速融化。原料气氨冷器的原料气近路阀保持少许开度，可防止冰堵严重而诱发事故。

6 氨冷器的正确使用及防范措施

图3 新增原料气入口分离器结构示意

（1）在净化系统原料气水冷器之后，增设一台氨冷器入口分离器（其工艺流程见图1），将原料气水冷器冷凝下来的水及时分离出系统，切断氨冷器冰块形成的源头，减少或者杜绝造因列管破裂而发生的泄漏。原料气入口分离器结构如图3所示。原料气水冷器之后增设氨冷器入口分离器，实际运行中效果非常好，基本上解决了氨冷器换热列管的破裂，使氨冷器的效能得到充分发挥。

（2）氨冷器的投用方法。当氨冷器具备投用条件时，关闭工艺气管路所有导淋，打开氨冷器工艺气进出口大阀，逐渐关闭氨冷器工艺气近路阀，让工艺气率先通过氨冷器；再打开氨冷器气氨进出口大阀，逐渐关小（原则上不得关死）氨冷器的气氨副线阀，其开度应视氨冷器出口气体温度而定，此温度最好控制在10℃以上。

（3）氨冷器的退出方法。当氨冷器需检修或者临时停用时，全开氨冷器的气氨副线阀，关闭氨冷器气氨入口大阀（非紧急时），待氨冷器的冷量彻底利用完后，再关闭气氨出口大阀；然后，逐渐打开氨冷器工艺气副线阀，待其全开后，关闭氨冷器工艺气进出口大阀，打开工艺气管路导淋进行卸压；最后，打开氨冷器气氨管路导淋缓慢进行卸压。

（4）当氨冷器发生冰堵时，应立即按上文所述方法进行处理。

（5）提高原料气水冷器的降温效果，定期对水冷器进行清洗或者用空气对水冷器的水侧进行吹扫。

（6）加强对氨冷器入口分离器液位的有效控制，此分离器最高液位应控制在50%以下，同时，增设该分离器液位上限报警系统。

（7）当系统停车时，应及时将氨冷器的气氨流程切出系统，待开车正常后按正常方式投运。

（8）氨冷器使用一定时间后，应对其腐蚀情况进行检测。

（9）年度大修应拆开氨冷器入口分离器人孔，检查分离器气体出口的除沫网是否完好。

Leakage Causes Analysis and Countermeasures of Ammonia Cooker for Raw Gas

YANG Chao,ZHONG Fu-sheng,XIONG Yong-jun,LIANG Hong-bing
（Haohua Honghe Chemical Co．，Ltd．，Zigong Sichuan 643000，China）

Ammonia cooker for raw gas is an important device in the purification unit of the ammonia plant．From both views of the process and operation，analyze the ammonia cooker leakage causes to seek the effective countermeasures．

ammonia cooker for raw gas；leakage；ice plugging；causes analysis；countermeasures

TQ113．26＋4．3

B

1003-6490（2014）01-0016-03

2013-08-19

杨 超（1971－），男，四川自贡人，工程师，生产主任，从事合成氨生产技术管理。