水浴式液体CO2汽化器应用技改小结

毛运秋

(安阳化学工业集团有限责任公司，河南 安阳 455133)

0 引 言

河南能源化工集团安阳园区是河南能源化工集团根据转型发展改革需要、以安阳化学工业集团有限责任公司(简称安化集团)为管理主体成立的化工园区，安阳九天精细化工有限责任公司(简称九天公司)是园区的一个重要法人单位，成立于2004年12月，现为我国中部地区重要的甲胺/二甲基甲酰胺(DMF)生产基地，主要产品有混甲胺、DMF，混甲胺又分为一甲胺、二甲胺、三甲胺。经过多年来的持续发展，目前安阳园区已形成涵盖液氨/尿素、复合肥、甲醇、甲胺、DMF、二甲基乙酰胺(DMAC)、乙二醇、聚酯等多产品的化肥、精细化工和新材料产业链，安阳园区在生产技术、成本、品牌、区位等方面优势明显。

九天公司DMF装置采用二甲胺与CO在甲酸钠催化剂作用下的一步法合成DMF，一步法具有原料来源广、工艺先进、节约能源、产品纯度高等优点。其中，原料CO是用CO2作为气化剂通过富氧气化炉造气而得，其气化剂CO2根据安阳园区资源综合整体利用方案有三方面来源：一是富氧气化炉制备原料CO过程中副产，但副产CO2量不能满足2套DMF装置的生产所需；二是园区合成氨装置副产；三是园区乙二醇装置副产。各套工艺装置物料的配置设计可在园区减排CO2的同时实现资源的综合利用，从而实现园区产业链相关生产系统的环保、优质运行。

但随着国家能源政策的变化，2018年12月河南省政府办公厅出台了《河南省传统煤化工行业转型发展行动方案(2018—2020年)》、2020年2月河南省污染防治攻坚战小组办公室印发了《河南省2020年大气污染防治攻坚战实施方案》，指出“到2020年，淘汰固定床间歇式气化炉，有序退出单套装置300 kt/a以下的合成氨产能”。

根据地方政府文件精神，安阳园区的固定床间歇式气化炉(为合成氨装置和乙二醇装置提供煤气)和合成氨装置属于政策要求淘汰范围，而一旦副产CO2的合成氨装置或乙二醇装置长期停运，将导致九天公司DMF装置因无(足量)原料而无法生产运行。为此，安阳园区未雨绸缪，通过综合评估与论证，决定新增1套液体CO2汽化装置，以有效应对淘汰落后产能政策落地带来的DMF装置停运风险。以下对有关情况作一简介。

1 液体CO2汽化器的选型

液体CO2汽化器的作用是把液态CO2转化成气态CO2。液体CO2汽化工艺主要有空冷式、间接换热循环利用式和水浴式3种。结合安阳园区的资源和各生产装置的工艺特点，对3种液体CO2汽化工艺进行对比分析，具体如下。

1.1 液体CO2空冷式汽化工艺

液体CO2空冷式汽化工艺，其加热介质为空气，利用空气自然对流加热换热管内的低温液体CO2而将其转化成气态CO2。优点：换热设备简单，安装维护方便，汽化介质无需成本投入。缺点：气温低时存在汽化不完全的问题，导致汽化量不能满足生产所需；冬季运行状况差，所需设备换热面积大，常需备用设备，投资大；适宜间断供气工况。按照2套DMF装置CO2需求量，若采用空冷式汽化工艺，液体CO2汽化装置占地面积约100 m2，投资约70万元。

1.2 液体CO2间接换热循环利用式汽化工艺

液体CO2间接换热循环利用式汽化工艺，其加热介质为常温水、乙二醇盐水溶液、工艺热源，通过乙二醇盐水溶液、常温水等来加热汽化液体CO2，工艺系统主要包括蒸发器、气液分离器、第一换热器、水储罐、第二换热器、乙二醇盐水溶液储罐等。优点：加热介质主要利用水系统的余热，以乙二醇盐水溶液作为加热介质，低温下不易结冰堵塞。缺点：工艺相对复杂，流程长、设备多，占地面积大，投资较大；各介质工艺关联性强；需获取外部热源换热，控制复杂。按照2套DMF装置CO2需求量，若采用间接换热循环利用式汽化工艺，液体CO2汽化装置占地面积约110 m2，投资约65万元。

1.3 液体CO2水浴式汽化工艺

液体CO2水浴式汽化工艺，其加热介质为电、蒸汽或热水，通过蒸汽或电提供热源来加热水，或直接由热水来间接换热汽化CO2。优点：工艺简单，设备少、占地面积小，投资小；汽化量及输送稳定；可有效利用工艺装置余热降低运行成本。缺点：需要有稳定的热源连续供应。按照2套DMF装置CO2需求量，若采用水浴式汽化工艺，液体CO2汽化装置占地面积约30 m2，投资约47万元。

1.4 液体CO2汽化工艺的确定

通过对3种汽化工艺的综合对比，认为液体CO2汽化装置采用水浴式汽化工艺较为经济合理，且同类型装置考察结果也表明，水浴式液体CO2汽化装置具有操作方便、气体输送稳定、技术成熟、占地面积小等优点。那么，水浴式汽化工艺换热介质选用电、蒸汽或热水哪种更为经济呢？结合液体CO2汽化的实际需求和安阳园区资源综合利用整体情况，确定使用九天公司富余的蒸汽冷凝液作为液体CO2汽化器的加热介质。

最终，本技改项目选用了型号为DSQ-3000的水浴式液体CO2汽化器。该汽化器主要由换热列管与外壳两部分组成，设计工作压力1.7～2.0 MPa；换热列管材质采用06Cr19Ni10不锈钢，列管规格为φ25 mm×2 mm，内部列管分为8程，为四进四出结构；管程介质为CO2，壳程介质为蒸汽冷凝液，管程内液体CO2被加热汽化为气体CO2，经2次减压后送至DMF装置气化系统作为气化剂，壳程内凝液回收利用。

2 工艺方案及技术特点

九天公司DMF装置气化系统有4台富氧连续气化炉，其DMF装置正常生产负荷下CO2耗量在5 600～6 000 m3/h，除4台富氧连续气化炉运行过程中自循环的CO2量外，气化系统需从外部接收的CO2气量为2 600～3 000 m3/h——压力为3～8 kPa的常温CO2气体进鼓风机入口，加压后进气化炉作为气化剂，以制取DMF生产所需的CO原料气。

2.1 工艺流程

CO2槽车运来的液体CO2先存放在2台容积均为100 m3的液体CO2储罐内，生产时，压力为2.2 MPa、温度为-20 ℃的液体CO2从储罐送出，经调节阀进入九天公司新增的水浴式液体CO2汽化器换热列管内，在管内被汽化器壳体中来自主生产装置冷凝液总管的蒸汽冷凝液(压力1.0 MPa、温度90 ℃)加热后，汽化为压力2.2 MPa、温度50 ℃的CO2气体，之后CO2气依次经一级减压阀减压至0.6 MPa、二级减压阀减压至3～8 kPa；经过2次减压后压力为3～8 kPa、温度为30～40 ℃的CO2气通过管道输送至气化系统CO2缓冲罐，经缓冲后作为气化剂连续稳定地供应给气化炉；汽化器中与液体CO2换热后的蒸汽冷凝液温度降至约40 ℃，送至凝液回收管线，作为安化集团450循环水水池补水。液体CO2汽化器操作过程中，汽化器内部凝液将整个列管淹没，为淹没式满液位操作。

2.2 技术特点

(1)汽化器换热列管采用多重盘管排列技术，设备体积小、占地面积小，减小了安装空间，可为用户创造隐形价值。

(2)汽化器换热列管采用优质不锈钢，可有效避免盘管腐蚀泄漏，从而延长设备的使用寿命。

(3)本技改只需对原有装卸车系统增设旁路管道和截止阀等，技改投资小、工期短。

(4)汽化后的气体CO2输送管线上有2套减压阀组(一开一备)，汽化器采用远传水温及出口温度检测，可据汽化器水温自动控制冷凝液阀组的开度，实现自动调节，并设置有联锁保护，从而可提升水浴式液体CO2汽化装置运行的安全性与稳定性。

(5)液体CO2汽化装置的应用，不仅可化解淘汰落后产能政策落地带来的DMF装置停运风险，而且可有效地回收利用主生产装置蒸汽冷凝液的余热，实现园区资源的综合利用，从而可降低主生产装置的运行成本。

3 生产中可能存在的风险及预防/处理措施

新增液体CO2汽化装置的技改于2020年5—9月实施，2020年10月液体CO2汽化装置顺利投运，投运1 a多以来，水浴式液体CO2汽化器运行非常稳定，没有出现过任何异常，实现了DMF装置气化系统CO2气化剂的稳定供应和平稳过渡，确保了九天公司甲胺/DMF装置及其气化系统的稳定运行，这主要得益于项目建设前期准备工作较好、日常操作维护的科学合理、运行操作经验的不断积累，以及对可能存在的风险的预判与相应的预防措施。

3.1 汽化器换热列管焊缝泄漏的预防措施

(1)液体CO2汽化器制作过程中，技术人员现场盯守，汲取业内的经验教训，加强设备选材、列管煨弯及焊接处理等方面的把关，注重内部列管制作细节，确保制作质量。

(2)正常生产中液体CO2汽化器管程温度约-20 ℃，壳程温度约90 ℃，温差达110 ℃，开停车过程中及生产负荷波动时，管/壳程温差会更大，易出现冷热相击、气液相击等现象，可能造成设备焊口开裂泄漏事故的发生，因此，液体CO2汽化器投运或停运时一定要控制适宜的升/降温速率，且CO2调节阀和蒸汽冷凝液阀门调节时切忌幅度过大，尽量微调。

3.2 液体CO2储罐卸车误操作的预防措施

液体CO2储罐原本只用于接收生产装置来的产品以及产品装车，新增水浴式液体CO2汽化装置后，液体CO2储罐增加液体CO2槽车卸车功能，液体CO2槽车增设副线由原装车改变用途为卸车，为防范误操作，编制相应的操作规程，组织员工和运输司机学习掌握并做好配合，液体CO2卸车时关闭装车泵进出口阀，用槽车上的卸车泵卸车，以防装车泵反转而致损坏。

3.3 减压阀故障的预防/处理措施

(1)水浴式液体CO2汽化装置气体CO2输送管线上设计采用2套减压阀组，一开一备，当在运减压阀组故障时可及时切换，以防减压阀故障造成的CO2气量波动。

(2)减压阀后设置有安全阀，当减压阀故障造成CO2输送管线超压时，安全阀启跳放空。

(3)当CO2气输送管线上减压阀出现故障时，及时关闭液体CO2储罐出口紧急切断阀，停止往液体CO2汽化器送液，并及时通知后工序做好相应的处理。

3.4 干冰堵塞阀门的预防/处理措施

当水浴式液体CO2汽化器壳程蒸汽冷凝液流量不足或冷凝液调节阀故障造成液体CO2汽化效果差时，易出现干冰堵塞阀门现象。因此，生产运行中需注意稳定系统负荷，及时调整送液体CO2汽化器的蒸汽冷凝液流量及温度；一旦出现干冰堵塞阀门，及时关闭液体CO2储罐出口紧急切断阀，停止往液体CO2汽化器送液，并用热源对阀门或管道进行浇淋升温，使干冰汽化，以使阀门或管道得到疏通；若是因冷凝液调节阀故障造成液体CO2汽化效果差继而导致的干冰堵塞阀门，应立即组织人员对蒸汽冷凝液阀门进行检修。

4 结束语

安化集团积极响应国家号召，按照河南省、安阳市政府部门关于大气污染防治攻坚战实施方案的要求，于2020年9月30日政策性停运了固定床间歇式气化炉，并有序退出了单套产能不足300 kt/a的合成氨装置，为地方的节能减碳做出了贡献。在有序淘汰落后产能的同时，鉴于安阳园区的精细化工产品线——甲胺/DMF装置仍在继续运行，DMF装置所需原料CO制备需要气化剂CO2，通过对整个安阳园区产品、原料的统筹谋划，在淘汰装置停运前九天公司实施了液体CO2汽化器应用技改。液体CO2汽化装置于2020年10月投运，1 a多的运行实践表明，水浴式液体CO2汽化器操作方便、气体输送稳定、技术成熟，几乎没有出现过影响系统生产的故障或问题，其作为DMF装置气化系统CO2气化剂的补充供应装置，完全可满足九天公司DMF装置的生产所需，此举不仅化解了合成氨或乙二醇装置长期停运导致DMF装置缺少原料而无法生产的难题，而且实现了安阳园区物料的供需平衡与平稳过渡，为九天公司DMF装置的稳定运行奠定了基础。