低温甲醇洗系统异常工况原因分析及解决方案

蔡 航

（陕西渭河煤化工集团有限责任公司，陕西渭南 714000）

1 概 述

陕西渭河煤化工集团有限责任公司（简称陕西渭化）一期大化肥项目设计产能为300kt／a合成氨、520kt／a尿素，1996年5月建成投产，生产线采用当时世界上先进的德士古水煤浆气化、林德低温甲醇洗及液氮洗、丹麦托普索氨合成以及东洋工程ACES尿素生产工艺。

陕西渭化合成氨装置与尿素装置于2019年8月进行年度计划检修后一次开车成功，但在随后的加负荷过程中遇到了问题，主要表现为：①低温甲醇洗系统甲醇换热器（E07）前的分离罐液位居高不下，导致甲醇循环量受限，明显低于检修前；②E07换热效果较检修前远逊，系统冷量不能得到有效回收，即使用于补充冷量的氨冷器的负荷已达极限，低温甲醇洗系统冷区温度仍较检修前偏高。低温甲醇洗系统的异常工况导致合成氨装置生产负荷不能达到100%，当时的各项工艺调整措施均无效，且随着系统运行时间的延长，E07对甲醇循环量的限制越来越大，其换热效果也更加糟糕，迫使合成氨装置负荷逐渐调低，系统运行的经济性受到严重影响。

2 异常现象及原因分析

甲醇换热器（E07）为绕管式换热器，两股富甲醇流体逆流换热——管程介质为甲醇洗涤塔（C01）脱硫段来的富甲醇，换热后进入循环气闪蒸罐 （V02）；壳程介质为经CO2闪蒸罐（V07）分离出的富甲醇，由CO2给料泵（P02）送入E07壳程换热后进入CO2解吸塔（C02）。从低温甲醇洗系统检修前后各工艺参数的比较中筛选出变化明显的两处，具体如下。

2.1 甲醇换热器换热效率下降

近年甲醇换热器（E07）运行数据见表1。与检修前运行数据相比，2019年9月低温甲醇洗系统重启后，E07管程进口与壳程进口／出口温度数据变化不大，但管程出口温度有较大回升，从检修前后E07各温度点的分析可以看出，其对数平均温差增大趋势明显，表征其换热效率下降。

表1 近年甲醇换热器（E07）运行数据摘选

2.2 CO2闪蒸罐液位持续高报

2.2.1 初步分析

CO2闪蒸罐（V07）液位持续高报，设置在CO2给料泵（P02）出口的流量调节阀已全开，泵出甲醇量不足，形成对低温甲醇洗系统中甲醇循环量的限制。期间曾采取P02-1和P02-2同时运行（设计上P02为一开一备）、关闭泵回流阀、泵启动前充分排气等措施，均未见效。

收集近年来CO2给料泵（P02）入口、出口压力及流量调节阀开度、泵出流量等数据（见表2），通过时间轴进行纵向比较，可以发现P02进出口压力的变化并不明显，但其运行状态大致可分为四个阶段，三个时间节点分别如下。

表2 近年CO2给料泵（P02）运行数据摘选

（1）2016年11月（节点一）之前E07运行正常，P02单泵运行且其出口流量调节阀开度在60%左右即可满足系统100%负荷运行所需；2016年11月（节点一）之后，P02单泵运行但其出口流量调节阀全开方能满足系统100%负荷运行所需。结合2017年6月系统停车检修过程中发现CO2闪蒸罐（V07）上游绕管式换热器（E06）内漏的情况，可初步判断，2016年11月（节点一）前后P02运行状态的变化与E06内漏有直接关联。

（2）2017年6月（节点二）检修后，P02需双泵运行才能满足系统甲醇循环量的需求，初期P02出口流量调节阀开度仍有余量，后来P02出口流量调节阀需全开方能满足系统100%负荷运行所需。此时对问题的判断导向已倾向于将P02出口流量不足与E06内漏相关联，加之当时E07换热效果正常，导致对甲醇循环量受限的问题判断不准确。

（3）2019年8月（节点三）检修中将CO2闪蒸罐（V07）上游换热器（E06）内漏问题消除，但2019年9月合成氨装置重启后，低温甲醇洗系统运行情况进一步恶化，P02双泵运行且其出口流量调节阀全开的情况下甲醇循环量仍持续下降。

基于上述分析，初步认为E07壳程通道堵塞是导致低温甲醇洗系统甲醇循环量持续下降的主要原因。

2.2.2 问题诊断

陕西渭化组织技术人员对E07壳程通道堵塞原因进行分析，得出如下结论。

（1）绕管式换热器具有换热面积大、空间利用率高、流场发展充分等优点，适用于在小温差下需要传递较大热量且管内介质操作压力较高的场合；但E07多年未曾清洗，因其绕管结构紧凑的特点，流体中的悬浮物一旦进入绕管式换热器壳程，在交错密布的管束间极易堆积，久而久之不但影响其整体换热效果，严重时也将对介质流通量形成限制。

（2）P02入口滤网因历史原因取出，在其后10多年的运行中均未对E07运行造成明显影响，使得技术人员对其存在的必要性考虑不到，导致滤网长时间缺位。

（3）从P02运行状态变化的三个时间节点进行分析，前两次合成氨装置年度停车检修中，因检修项目涉及动火作业，均对部分甲醇流通管线进行了水冲洗置换，存在置换水排放不彻底而在系统重启后进入循环甲醇中的可能，在H2S存在的情况下，金属腐蚀物脱落进入E07；加之自2017年以来甲醇再生塔（C04）回流冷凝器数次内漏，循环水进入了循环甲醇系统，导致循环甲醇中水含量＞2%，这对E07壳程通道堵塞也有较大贡献。

（4）2019年8月系统检修中，对CO2闪蒸罐（V07）上游绕管式换热器（E06）进行了换热管堵漏处理，期间E06管程／壳程流通空间在水冲洗置换之余，在相当长的时间内均暴露在空气中，设备本体表面硫化物保护层氧化脱落，且在设备检修结束复位后亦未对设备内空间进行惰性气置换和化学处理，E06检修过程中设备本体的脱落物在系统重启后进入甲醇中随之循环，流入并积存在下游的E07壳程通道而形成堵塞。

综上所述，E07壳程通道堵塞问题的形成非一日之功，而在合成氨装置维持运行的情况下，如何最大限度提升系统负荷成为当时生产运行控制的关键所在。

3 在线维护方案

基于上述分析，提升低温甲醇洗系统甲醇循环量成为首要考虑的问题。技术人员经过讨论，提出3条思路——增设甲醇换热器（E07）旁路管线、提高P02扬程及对E07壳侧鼓入氮气进行扰流疏通、提高E07壳程流通量及换热效果；再综合考虑装置现有条件、改造实施的难易程度、设备订货周期、系统运行稳定性等因素，陕西渭化决定按照上述思路的先后顺序逐步予以实施，以一步步观察效果。

3.1 E08壳程排气管线改造

3＃贫甲醇换热器（E08）壳程介质来自H2S浓缩塔上塔，经复热后进入CO2闪蒸罐（V07）进行气液分离，液相再经P02泵出进入E07壳程。此次改造利用既有E08壳程排气管线和H2S浓缩塔（C03）补甲醇管线，通过配管连接此两段管线，利用上下游流体的压差将小部分富甲醇直接从E07上游的E08壳侧引至其下游设备C03，目的在于增加循环甲醇流量，以提升系统生产负荷。

2019年9月底本项改造实施后，循环甲醇流量提升约10m3／h，但这股富甲醇未经复热解吸，难以回收气体解吸冷量，造成冷损较大，因而对系统负荷提升的作用有限。

3.2 P02排气管线改造

虽3＃贫甲醇换热器（E08）壳程排气管线改造冷损过大、效果不佳，但甲醇换热器（E07）设置小旁路的做法值得肯定——自P02排气管线配管至H2S浓缩塔，将小部分闪蒸解吸后的富甲醇送出，此举相较于E08壳程排气管线改造有两个优点：一是冷量损失小；二是P02出口压力高，小旁路可调流量大，约20m3／h。

2019年10月初P02排气管线改造实施后，甲醇循环量增至200m3／h，合成氨装置运行负荷提升明显，由93%提升至99%。

3.3 P02叶轮改造

考虑到甲醇换热器（E07）壳程通道流通阻力大，理论上通过提升P02扬程可提高出口甲醇流通量。经过P02泵厂工程师实地考察及参数计算，确认P02叶轮半径可稍增大以增大其扬程，而蜗壳及进口管径不变。

2019年10月底，订制的新叶轮到货，陕西渭化更换了P02-1的叶轮。P02-1换装新叶轮后，与P02-2的出口压力、电机电流、出口调节阀开度等参数进行观察与比较，发现P02-1对P02-2形成流量压制，这一点从电机电流上得到体现，且P02单泵运行与P02双泵运行相比，泵出甲醇流量并无差异（见表2有关数据）。简言之，本项改造实施后效果不佳，下游E07壳程流通阻力才是制约甲醇循环量的关键因素。

3.4 甲醇换热器（E07）壳程鼓氮

上述P02排气管线改造实施后，在前两周内对合成氨装置运行负荷的提升作用明显，但随着运行时间的延长，甲醇换热器（E07）壳程通道堵塞愈发严重，在恢复运行30d后，低温甲醇洗系统甲醇循环量又降至184m3／h，合成氨装置负荷从99%逐渐降至92%左右，甲醇循环量降低的趋势已不可逆转。

经分析与论证，在生产装置不停车的前提下，E07壳程鼓氮扰流是唯一可行的手段。鼓氮扰流即通过在E07壳侧底部导淋管线接入高压氮气，利用高压氮气快速减压形成的密集气泡扰动E07壳侧液体的流动状态，使换热管束间积存的杂质松动而重新进入液体中循环而被带出，但鼓氮操作可能对系统的稳定运行造成较大的冲击，且其效果存在不确定性，因此本项措施被放在最后考虑（选用）。

鼓氮管线源自6.0MPa氮气管网，鼓氮操作前需对系统内各塔罐液位进行调整，适当降低CO2闪蒸罐 （V07）液位，提高甲醇再生塔（C04）及贫甲醇罐（V04）液位，以应对鼓氮操作时E07上、下游容器内液位出现的较大波动；现场用手动阀门控制鼓氮管线内氮气的压力，使之稳定在1.2～1.6MPa，氮气用量在1000m3／h左右；鼓氮操作时长由中控（人员）视工况变化而定，一般在10～15min。

在尽量控制对CO2产品气品质不良影响的前提下对E07执行鼓氮操作，时间跨度约60d。鼓氮前期效果较好，对甲醇循环量的提升有较明显助力，甲醇循环量增至200m3／h，随后逐渐降至190m3／h，鼓氮效果每次持续时间约2～3d，鼓氮频次3次／周；鼓氮操作到了中期，效果呈下降趋势，每次甲醇循环量增加效应的持续时间也缩短，此阶段延长鼓氮操作时间可起到一定的效果；鼓氮操作进入末期，鼓氮时采取增大氮气压力及流量、阶跃式变压操作、延长鼓氮时间等措施，但基本上观察不到甲醇循环量的增加，鼓氮频次调整为1次／周，以尽可能地减缓甲醇循环量下降的速率。

技术小组分析讨论认为：从鼓氮前期、中期、末期各阶段的表现来看，多次鼓氮后，沉积在E07壳程绕管间隙内的杂质重新分配且已较为稳定，固定点位鼓氮不能实现对整个换热器壳体内的全面扰流，因而鼓氮效果渐差；而多点鼓氮不具备条件，E07壳程流道已堵塞严重，暂无其他物理解决方法，需待生产装置停车后对其进行化学清洗。

4 彻底解决措施

为彻底解决合成氨装置运行负荷提升的瓶颈问题，在确定甲醇换热器（E07）化学清洗厂家及化学清洗方案后，陕西渭化于2020年1月初安排系统临时停车检修。绕管式换热器的化学清洗操作较为成熟，此处不再赘述。

为尽量减少化学清洗时间，采用多项省时举措：①只隔离、排放E07壳程介质，管程及上游设备内介质不作排放处理；②停车过程中就对低温甲醇洗系统进行了复热处理；③E07壳程既有连接管线只在设备法兰处加装盲板隔离，化学清洗配管利用设备壳程手孔与底部导淋排放管线；④E07与化学清洗设备位差不大，化学清洗配管采用软管连接；⑤记录E07壳程充液量，通过数据比较确认化学清洗消融的完成程度；⑥做好化学清洗导致换热管内漏的检修准备工作，制定工艺处理方案时加入查漏步骤。

E07壳程化学清洗结束后，合成氨装置重启，装置负荷提升至100%，P02单泵运行足以满足甲醇循环流量的要求，且其出口流量调节阀有较大余量，E07换热效果回归正常水平并接近设计值。

5 经验教训与启示

总结本次甲醇换热器（E07）壳程通道堵塞问题的发现、在线维护及解决过程，陕西渭化得出如下经验教训与启示。

（1）循环甲醇中水含量控制。要严格控制低温甲醇洗系统循环甲醇中的水含量，水含量过高，在H2S存在的条件下会导致设备腐蚀速率加快，而腐蚀物脱落造成的堵塞问题对绕管式换热器的影响难以有效防控；但水含量也不宜过低，否则会增加甲醇流失量。

（2）停车期间的设备保护。设备内部与氧气的接触主要发生在系统停车后，易致设备本体表面保护层氧化脱落，因此停车期间要做好对设备的保护工作，如设备密闭、隔离充氮气以及避免“开胸验肺”式检修等。对如大型绕管式换热器消漏检修过程中的工艺处理，必要时需考虑加上化学清洗或钝化处理等后处理手段。

（3）设置过滤设施的必要性。除加强循环甲醇中水含量的控制，在绕管式换热器前设置过滤器是很有必要的，泵吸入口的管道设置滤网也可起到相同的作用，考虑到泵运行的切换清理频次，其过滤精度需根据需要调整。

（4）化学清洗决策。绕管式换热器因其结构特点，壳程管束间易沉积杂质，这种影响首先表现在换热效果上，若非出现上游腐蚀性杂质大量脱落进入壳程的情况，绕管式换热器的单位温差换热能力变化趋势是一个很好的预测参考，有助于提前制定化学清洗的时间计划，故日常生产中应注重收集有关数据。考虑到设备运行（服役）时间较长，腐蚀控制风险很大，而换热器内部垢样难以在运行中取出，有针对性地配制清洗剂的难度较大，可参考业内的清洗实践；再者，为防止化学清洗可能导致的换热管内漏，可提前做好工艺处理、查漏的检修方案，做足准备。

（5）鼓氮操作要点。绕管式换热器（壳程）堵塞的有效解决方法首选化学清洗，缺点是系统停车后方能实施；物理方法虽然可以在线实施，但作用有限，其中，鼓氮操作可视为一种争取处理时间（维持系统运行）的有效手段。鼓氮操作中，中控与现场（人员）及下游工段（人员）需紧密配合与协作，中控实时监控工况变化，控制调整鼓氮操作进程；鼓氮操作结束后，CO2闪蒸罐（V07）液位调整及下游塔罐液位调整以平稳为准，避免大量甲醇急送至甲醇再生塔（C04），以免造成再生工况异常而引起低温甲醇洗系统工艺指标超标；同时，鼓氮操作对CO2纯度影响较大，需同步关注下游尿素装置CO2压缩机的运行工况；此外，在工况调整稳定前不宜连续进行鼓氮操作。