CO深冷分离系统高负荷运行中冷箱工况波动原因分析及优化调整

武红旗

（河南龙宇煤化工有限公司，河南 永城 476600）

0 引 言

河南龙宇煤化工有限公司（简称龙宇煤化）二期项目包括400kt/a醋酸装置、200kt/a乙二醇装置及其配套工程，项目以煤为原料，配套2台五环炉生产粗煤气，粗煤气经变换系统调整氢碳比，之后进入低温甲醇洗系统脱除变换气中的H2S和CO2，得到的净化气进入CO深冷分离系统冷箱进行气体分离，产出合格的CO和H2供下游醋酸装置和乙二醇装置使用。其中，CO深冷分离系统采用法液空公司的技术，利用不同液化气体沸点的差异，通过物理降温精馏的方式使各组分得以分离；CO深冷分离系统设计CO产能54440m3/h，系统操作弹性50% ～110%。2016年深冷分离系统正常开车，系统负荷一直维持在80%左右，由于运行前期装置负荷较低，深冷分离系统运行比较稳定，2020年随着新建乙二醇装置的投运，深冷分离系统需要高负荷运行以满足后系统的用气需求，系统负荷达到110%，运行中出现了一系列问题，通过采取相应的优化调整措施，CO深冷分离系统实现了高负荷稳定运行。以下对有关情况作一介绍。

1 CO深冷分离系统工艺流程简述

低温甲醇洗系统来的净化气，首先进入CO深冷分离系统前端净化单元分子筛，脱除净化气中微量的甲醇和CO2等杂质（以免这些杂质在深冷设备中结冰形成冻堵）后进入换热器，复热后的净化气进入冷箱，经原料气冷却器（E031）和原料气冷凝器（E032）换热后进入高压合成气分离器（V031），气液在V031中进行分离：分离出的气相经换热后出冷箱，作为富氢气去变压吸附系统提纯H2；分离出的液相经节流阀膨胀后进入中压解吸气缓冲罐（V033），在V033中，大部分的H2和部分CO减压闪蒸分离出来，闪蒸气换热后回收利用，出V033的液相则分为两股，一股直接进入精馏塔（C031）中部作为进料进行气体分离，另一股进入精馏塔塔底再沸器（E038）作为热源，之后通过CO流量控制阀（FV315）调节并换热后去往C031中部。

精馏塔（C031）底部的纯CO输送至塔顶CO储罐（V309），从V309出来的CO经原料气冷凝器（E032）和原料气冷却器（E031）换热后作为CO产品气进入CO压缩机。V309中的液体CO通过精馏塔顶冷凝器（E039）对塔顶气进行冷凝，塔顶气冷凝后，一部分作为回流液返回C031，一部分作为尾气经换热后出冷箱外排。

进入CO压缩机的CO产品气温度为30℃、压力为0.05MPa，压缩后的气体温度为30℃、压力为0.85MPa，出CO压缩机的CO气作为循环气返回冷箱，循环气经原料气冷却器（E031）换热后分成三股：一股通过中压CO冷凝器（E034）冷凝后进入精馏塔塔顶 CO 储罐（V309），为精馏塔塔顶气冷凝提供冷量；一股通过原料气冷凝器（E032）换热后进入精馏塔（C031）底部，为C031塔底再沸器提供热量；一股通过原料气冷凝器（E032）换热后进入CO储罐（V309），以平衡系统冷量。

CO深冷分离系统工艺流程简图见图1。

图1 CO深冷分离系统工艺流程简图

2 深冷分离系统运行中存在的问题

随着龙宇煤化2020年新建乙二醇装置的投运，深冷分离系统运行中多次出现冷箱工况大幅波动，系统波动时精馏塔压力从正常时的0.34 MPa最高上涨至0.60MPa，精馏塔出口排放的尾气量激增，放空阀全开也无法维持正常压力，造成精馏塔塔压快速上涨，然后又快速下降，短时间、高频次地来回震荡造成精馏塔的压力大幅波动，塔压的波动又造成塔顶CO储罐（V309）液位不稳定，影响外送CO气的压力，进而影响进入冷箱循环气的压力，进一步造成冷箱系统工况紊乱，当冷箱工况出现波动时，后系统不得不降负荷运行，严重时甚至造成后系统停车，给整个生产系统的运行带来很大的影响，并造成一定的经济损失。

3 原因分析及优化调整措施

3.1 净化气中N2含量的影响

3.1.1 原因分析

进冷箱净化气N2含量设计值为1.96%，实际运行中会根据工况的变化进行适当地调整。龙宇煤化二期项目气化系统配套2台五环炉，为400kt/a醋酸装置和200kt/a乙二醇装置提供气源；龙宇煤化一期项目气化系统配套1台壳牌气化炉，为500kt/a甲醇装置提供气源。为增加整个生产系统运行的稳定性和抗风险能力，龙宇煤化一、二期项目气化系统互联互通（即粗煤气可以相互联通）。二期项目五环炉产出的粗煤气经处理后得到的净化气中N2含量约1.3%，一期项目产出的粗煤气经处理后得到的净化气中N2含量约2.5%；正常运行过程中，二期400 kt/a醋酸装置和200kt/a乙二醇装置采用五环炉供气，当五环炉单炉运行或供气量不足时，一期壳牌气化炉往二期装置倒气，净化气中的N2含量会随着倒气量的增加而增大。

另外，在二期项目气化炉（五环炉）烧嘴跳车时，会对系统补入氮气，也会造成系统的N2含量瞬时增加：当CO深冷分离系统冷箱低负荷运行时，由于增加的氮气总量偏少，系统操作弹性大，CO深冷分离系统运行比较稳定；但当冷箱高负荷（110%）运行而前系统气体组分中N2含量超出设计值时，系统操作调节弹性小，产生的解吸气总量超出系统的排放能力，就会造成系统压力波动，最终造成CO深冷分离系统工况紊乱。

3.1.2 优化调整措施

（1）控制前系统气体组分中的N2含量，尽量保证净化气中的N2含量在设计值范围内，当前系统气体组分中的N2含量超出设计值时，CO深冷分离系统最好采取降负荷的措施，以保持系统工况的稳定。

（2）控制精馏塔（C031）底部热源的稳定，控制阀（FV319和FV315）不能进行大幅度地开关调节，开度调节要平稳；当净化气中的N2含量高时，控制适宜的放空阀开度，既要保证精馏塔尾气的外排量，又要防止尾气外排量激增，以免造成C031工况波动。

3.2 精馏塔工况的影响

3.2.1 原因分析

精馏塔顶部CO储罐（V309）内的液体CO通过精馏塔顶冷凝器（E039）对塔顶气进行冷凝，通过控制V309的液位来控制精馏塔的回流量。前期CO深冷分离系统冷箱负荷低，V309的液位控制较低，精馏塔的回流量小，有利于提高CO的纯度；后期CO深冷分离系统冷箱负荷提升后，若V309的液位未及时调整，就会造成精馏塔负荷、精馏塔塔底加热量、精馏塔塔顶回流量三者之间不匹配，精馏塔回流量过小、解吸气放空量大增，当放空量超过设计排放量时，精馏塔压力就无法控制，造成CO深冷分离系统冷箱工况的波动，加之CO深冷分离系统精馏塔未设计温度和压力测点，这就给精馏塔的操作带来了很大困难（经交流，法液空后来设计的精馏塔都带有温度和压差测点）——当精馏塔工况发生变化时（如精馏塔塔底加热量偏大或精馏塔塔顶回流量偏小），不能做到及时发现并及时进行调整，都会造成精馏塔工况波动，进一步造成冷箱系统工况紊乱。

3.2.2 优化调整措施

（1）生产中，当冷箱在80%及以下负荷时，精馏塔顶部CO储罐（V309）的液位基本控制在约35%；当冷箱负荷提高至110%时，在增加精馏塔塔底热量的同时提高V309的液位——控制V309液位在45%左右，加大精馏塔的回流量，使精馏塔负荷、精馏塔塔底加热量、精馏塔塔顶回流量三者匹配。V309液位调整前后解吸气组分（亦即放空尾气组分）的对比见表1。可以看出，提高V309液位后，放空尾气中的CO含量降低、N2含量增加，放空尾气组分接近设计值，增大了精馏塔的操作弹性，有利于CO深冷分离系统工况的稳定。因此，生产中解吸气组分（亦即放空尾气组分）可以作为精馏塔工况调整的重要参考。

表1 V309液位调整前后放空尾气组分对比%

（2）利用精馏塔设计预留口，增加精馏塔远传压力表，通过DCS组态增加精馏塔压差值作为精馏塔工况调整的参考，以便对精馏塔工况及时进行调整，确保精馏塔工况与冷箱负荷匹配。

3.3 尾气中氢含量的影响

3.3.1 原因分析

由表1可以看出，V309液位调整后放空尾气组分有了明显改善，但尾气中的H2含量仍较设计值偏高，分析认为主要原因是低温甲醇洗系统来的净化气氢碳比较设计值偏高——由于净化气的氢碳比偏高，进入中压解吸气缓冲罐（V033）液相中的H2含量偏高，经闪蒸后V033液相中的H2进入精馏塔，最终进入精馏塔的放空尾气中，放空尾气量的增加减小了精馏塔的操作弹性，高负荷时易造成精馏塔压力波动。

3.3.2 优化调整措施

据CO深冷分离系统的工况，2020年10月对中压解吸气缓冲罐（V033）的设计压力进行了调整——从0.675MPa调整到0.670MPa。调整后，精馏塔放空尾气中的H2含量有所降低，有利于冷箱高负荷下精馏塔的稳定运行。下一步还将对低温甲醇洗系统来净化气的氢碳比进行调整——降低净化气中的H2含量，尽量保证净化气的氢碳比与设计值一致，以降低精馏塔放空尾气中的H2含量。

3.4 精馏塔底部流量控制阀（FV315）的影响

3.4.1 原因分析

生产中，进入精馏塔塔底再沸器（E038）的CO流量控制阀（FV315）为蝶阀，操作中有卡涩现象，推断是FV315的保冷效果差；另外，精馏塔操作中，多次出现FV315开关操作而工况无变化的情况，以及当FV315开关到某个阀位时阀门开始大幅动作的情况（由于前期开关FV315工况无变化，因而进行过多次开关FV315的操作），由于FV315控制精馏塔底部热源，阀门的大幅动作直接影响精馏塔的工况，造成工况出现大幅波动的情况；而由于生产负荷高，冷箱系统操作弹性较小，FV315的小幅度变化都可能引起精馏塔工况的大幅波动。

3.4.2 优化调整措施

（1）在调节精馏塔塔底再沸器CO流量控制阀（FV315）时，幅度不能太大，开关阀门后要观察工况的变化，尤其是在高负荷运行时，提前预判可能出现的工况变化，小幅度进行调整。

（2）打开冷箱外CO流量控制阀（FV315）的保冷箱，对阀门周边进行保冷，减少由于跑冷造成的阀门卡涩。

3.5 循环气压力的影响

3.5.1 原因分析

来自CO压缩机的循环气压力为0.85MPa，经控制阀（FV319）进入精馏塔（C031）底部作为加热气。2020年初，CO压缩机组汽轮机调节系统出现故障——调速系统出现卡涩，造成汽轮机转速波动大，CO压缩机出口循环气压力波动大（正常波动范围在20kPa左右），导致进入冷箱的循环气流量波动，影响C031底部的热负荷，高负荷下更是造成冷箱工况波动。

3.5.2 优化调整措施

（1）调整CO压缩机的运行工况，尽量保证其出口循环气压力稳定，进而保证进入冷箱的循环气压力稳定，确保精馏塔底部热量供应稳定。

（2）利用检修机会对CO压缩机组调速系统进行检修，以彻底解决CO压缩机组运行状况不良导致的循环气压力波动，避免对CO深冷分离系统精馏塔工况的影响。

3.6 冷箱系统换热效果的影响

3.6.1 原因分析

冷箱内原料气冷却器（E031）和原料气冷凝器（E032）的设计压差为50kPa。2019年9月更换了前端净化单元分子筛吸附剂，2019年10月装置开车运行，随着运行时间的延长，E031与E032的压差逐渐增大，2020年10月系统负荷在80%左右时，E031与E032的压差在85kPa左右；2020年11月份开始系统负荷提升至110%，E031与E032的压差涨至105kPa左右，而此时分子筛出口指标在正常范围内，即分子筛出口无（甲醇和CO2等杂质）穿透现象。分析认为，虽然前端净化单元分子筛无穿透现象，但随着系统的长周期、高负荷运行，微量的CO2和甲醇仍然会逐渐累积在换热器表面［液态CO热虹吸罐（V032）底部的微量CO2在线分析仪有数值显示，可以佐证CO2在系统中有累积这一判断］，使换热器的压差逐渐增大，当E031与E032的压差增大至一定程度时，冷箱内换热器的换热效果受到明显影响，进而导致CO深冷分离系统冷箱工况紊乱。

3.6.2 优化调整措施

（1）尽量保持前系统工况的稳定，避免工况的大幅波动造成分子筛瞬时穿透。

（2）尽量控制进入冷箱净化气组分在设计值范围内，并稳定系统负荷，减小系统波动。

（3）据冷箱工况的变化，及时调整冷箱系统设备的液位，尽量保持稳定，通过液态CO热虹吸罐 （V032）外排一部分液态产品，防止CO2在系统内的累积。

（4）利用停车检修机会对冷箱进行复温，彻底解决冷箱内换热器换热效果差的问题。

4 结束语

龙宇煤化针对2020年以来二期项目CO深冷分离系统高负荷运行中出现的问题——冷箱系统工况紊乱，从多方面进行原因分析，找到了造成冷箱工况波动的原因，并采取了相应的优化调整措施。经过一系列的优化调整，自2021年以来，CO深冷分离系统高负荷运行中再未出现冷箱工况波动的情况，问题基本得到解决，为下一步CO深冷分离系统高负荷下的长周期、稳定运行积累了操作经验并奠定了基础。