晋煤天庆合成氨装置液氮洗系统优化技改总结

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）

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［300kt／a合成氨、520kt／a尿素、3×108m3／a燃气（煤制天然气）］之一期项目（300kt／a合成氨、520kt／a尿素）于2015年1月18日投产；二期项目［3×108m3／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0.6MPa蒸汽富裕20～30t／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138.3m3／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0.11～0.12MPa（控制指标为80kPa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。

表1 净化气（低温甲醇洗出口气）各组分含量（体积分数）

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10000m3／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0.02MPa提压至6.5MPa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0.6MPa蒸汽富裕20～30t／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＜0.01mg／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3000kW，驱动蒸汽压力为0.6MPa，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206m3／min、压力0.01～0.04MPa、温度35～40℃，经四级压缩后，出口气压力达4.0～5.8MPa，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

组织对汽轮机、压缩机生产厂家进行实地考察，招标设计单位及设备制造企业，厂房土建等施工工作接近尾声时，定制的设备也陆续到达现场，随即全面展开设备安装和配管施工等工作。

经过近3个月的紧张施工，汽轮机、压缩机组安装就位对中找正及附属设备管线等施工结束，紧接着对主蒸汽管线进行循环酸洗、蒸汽爆破吹扫，甲烷气外送管线氮气吹扫、压缩机油路管线冲洗，以及机组内部管线的吹扫、试压、置换等（通过临时管线实施），通过第三方组织的质量验收，具备试车条件。压缩机主蒸汽管线、一段进口管线、四段出口管线甩头配管完成，具备系统停车碰头条件。

2018年4月合成氨装置停车大修，对液氮洗系统泄压、置换，分析合格工艺交出，清理冷箱珠光砂后，将原料气分离器（S61601）排液管线液位自调阀（LV005）更换为DN50阀门，同步完成2＃富甲烷气压缩机组主蒸汽管线、一段进口管线、四段出口管线、氮气和循环冷却水管线等的碰头、配管。2018年5月合成氨装置重启后，2＃富甲烷气压缩机试车，经过一段时间的调试后稳定运行至今。

4 技改后系统运行情况

4.1 技改成效

（1）2＃富甲烷气压缩机组汽轮机用（蒸）汽量达到20t／h左右，基本上可消纳完富裕的0.6MPa蒸汽，0.6MPa蒸汽管网放空逐渐关闭（恢复至正常状态），生产系统脱盐水使用量相应减少20～25t／h。

（2）2＃富甲烷气压缩机的打气量相比1＃富甲烷气压缩机增加67.7m3／min，原料气分离器（S61601）冷凝分离下来的液态甲烷能及时送出系统，S61601和氮洗塔下塔液位处于正常可视液位（约80%），液氮洗系统压差降至0.07～0.08MPa，液氮洗系统入口气量由110000m3／h提高至约118000m3／h，系统出口合成气气量由116000m3／h提高至约124000m3／h，合成氨产量增加约3t／h。

（3）原料气换热器（S61601）的换热效果好转，出S61601的气相温度恢复至-168℃，进氮洗塔的气相温度降至-179℃，液氮洗系统冷量恢复至平衡状态，技改达到了预期效果。

4.2 技改后出现的新问题及解决措施

4.2.1 汽轮机运行方面的问题

技改后，汽轮机主蒸汽分离器的冷凝液全部回收至冷凝液水箱，由冷凝液泵外送至除氧站处理后循环使用。因汽轮机主蒸汽采用饱和蒸汽，所配管线在0.6MPa蒸汽管线的末端，进汽轮机入口主蒸汽分离器的低压饱和蒸汽温度在167℃左右，分离的大量冷凝液回收到冷凝液水箱，导致汽轮机运行真空度由-80kPa升至-60kPa，排汽温度的升高使汽缸产生动、静摩擦，引起转子对中热态偏差，汽轮机轴系参数因振动大而联锁跳车，液氮洗系统工况恶化；同时，蒸汽冷凝液量过大造成汽轮机主蒸汽分离器液位超过50%～67%的正常值，冷凝液易被带入气缸形成液击，影响机组的安全稳定运行。

处理措施：切断冷凝液回冷凝液水箱管线，将汽轮机主蒸汽分离器冷凝液、各导淋疏水重新配管送至脱盐水箱回收，从而彻底解决了蒸汽带水、汽轮机运行真空度不足、排汽温度高而致汽轮机联锁跳车的问题。

4.2.2 2＃富甲烷气压缩机组运行方面的问题

因2＃富甲烷气压缩机组属于后来增加的设备，而循环水系统的冷量是一定的，循环水冷却塔填料老化破碎堵塞压缩机段间冷却器换热管、油冷器换热管，运行过程中各段水冷器出口温度升高，致使2＃富甲烷气压缩机二段排气温度高达132～140℃（控制指标为110℃以下），各段填料函的温度也超标（指标为60℃），润滑油温度升至44～47℃，油温高使得形成的刚性润滑油膜薄、质量差，压缩机传动部件大小头瓦块干磨而提前损坏，未达到使用寿命（周期），2＃富甲烷气压缩机检修频次较高。

处理措施：在2＃富甲烷气压缩机各级段间冷却器的循环水上水管线上增加反洗阀门，定期对各段水冷器进行反冲洗，同时适当关小其他装置冷却器循环水上水阀，对循环水系统进行整体优化调整后，机组各级排气温度、润滑油温度有效降低；同时，为保证机组的长周期稳定运行，将2＃富甲烷气压缩机的计划检修周期由1次／a调整为2次／a。

5 结束语

晋煤天庆富裕0.6MPa低压饱和蒸汽回收并新增汽轮机驱动的2＃富甲烷气压缩机后，随着2＃富甲烷气压缩机的稳定运行，2019年下半年至投稿之时，期间多产天然气4000～5000m3／h，天然气价格按1.5元／m3计，每小时可增效6000～7500元；2＃富甲烷气压缩机采用汽轮机驱动，每小时节电约1800kW·h，电价按0.67元／（kW·h）计，每小时可节约电费约1200元。上述两项合计日增效益约18万元，按年运行300d计算，年创效益达5000余万元；除去增加的运行成本、设备折旧、维护费用等，并考虑天然气价格下降等因素，年效益也有2000～3000万元。此外，技改后液氮洗系统处理气量由110000m3／h增至约118000m3／h，液氮洗系统的瓶颈问题得以有效解决，满足了氨合成系统高负荷运行的需要，合成氨增产约3t／h。总之，上述技改实施后，达到了预期的目的，开创了双系统（合成氨系统、天然气系统）高负荷稳定运行、天然气连续供应下游用户的新局面，取得了明显的经济效益。