氢回收装置冷箱列管内部结冰原因分析及解决措施

张明良

(海洋石油富岛有限公司, 海南东方 572600)

海洋石油富岛有限公司化肥一期(简称化肥一期)合成氨装置于1996年投产,采用英国ICI-AMV工艺,以南海天然气为原料,设计生产能力为1 000 t/d无水液氨[1]。弛放气氢回收装置采用德国LINDE AE工艺,设有分子筛A/B储罐、再生气加热器和冷箱等设备,主要用于回收氨合成塔弛放气中的氢气,可增加合成氨主装置液氨产量约130 t/d。化肥一期合成氨装置建设投产以来,弛放气氢回收装置冷箱内部的螺旋式换热器列管多次出现结冰堵塞,氨合成回路系统及氨合成塔工况变差,氢回收装置被迫停车退出生产系统,冷箱停车解冻后开车运行需要耗时36 h以上,给合成氨装置的节能降耗和安全生产带来一定影响。

1 氢回收装置工作原理

氢回收装置工艺流程见图1。经过氨回收装置水洗除去大量氨气的弛放气,由2个交替吸附/再生的分子筛A/B储罐除水和除微量氨气(水和氨的体积分数均小于0.1×10-6),一个分子筛储罐吸附时,另一个分子筛储罐再生。从分子筛出来的纯净弛放气以压力为10.13 MPa的条件进入冷箱,在螺旋式换热器与气液分离器底部的液相冷产品进行换热后被冷却,依据气体液化温度(T氮气=-193 ℃、T氩气=-186 ℃、T氢气=-253 ℃、T甲烷=-161 ℃、T氦气=-269 ℃)的不同进行深冷分离处理(设计温度为-192 ℃),大部分的氮气、甲烷、氩气和少许氢气被冷凝为液相,并在气液分离器中储存下来,产品氢气(设计体积分数为91.29%)由气液分离器上部经过返氢调节阀返回至氨合成回路压缩机入口,到氨合成塔进行反应回收。被冷凝的液相产品作为冷箱的冷量来源[2],通过液位调节阀将液相节流减压膨胀至0.354 MPa的尾气,在螺旋式换热器中将冷量传递给弛放气,冷箱出口排放的尾气(φ氢气=21.16%、φ甲烷=17.47%、φ氮气=57.82%、φ氩气=3.55%)一部分作为分子筛的再生气,再生后的气体和水洗后的氨气混合后送往一段炉作为燃料气燃烧[3]。

图1 氢回收装置工艺流程

2 结冰现象及判断

引起冷箱螺旋式换热器列管内部结冰的物质冷凝点较低,主要集中在液相制冷一端;列管内壁结冰后,内部流通面积降低,冷箱下部排放的尾气流量减少,尾气的制冷量不足导致冷箱温度出现上涨。螺旋式换热器列管为氨合成塔弛放气的通道,结冰堵塞会造成氨合成塔弛放气流量下降,氨合成回路主要表现为压力上涨、氨合成塔出口温度下降和氨产量下降。为了维持氨合成塔正常反应工况,开大返氢调节阀增加弛放气流量,降低氨合成回路压力。由于冷箱流通量和制冷量不足,冷箱返回氨合成塔入口氢气的流量和纯度出现持续下降,氢氮比失调会降低氨合成塔的化学反应转化率。

螺旋式换热器列管内部结冰初期,通过打开氢回收装置旁路调节阀,退出冷箱部分弛放气,降低冷箱生产负荷,可缓解冷箱温度上涨的速率。但是因列管内部的结冰问题一直存在,冷箱内部的温度上涨至-185 ℃时,气液分离器上部返回氨合成塔入口的氢气纯度不再满足生产工艺指标,冷箱应做停车查明结冰堵塞原因,进行解冻检修处理。

3 原因分析

3.1 氨进入冷箱列管

3.1.1 氨回收装置负荷高

弛放气经过氨回收装置水洗除氨气(氨体积分数小于100×10-6),获得的液氨产品送往氨储罐。在尿素装置开停车期间,合成氨装置冷冻回路系统生成的热氨流量增加,闪蒸出的氨气较多,系统无法冷却多余的氨气;送往氨回收装置的闪蒸氨气量增加,贫液再生效果下降。氨吸收塔负荷偏高时,水洗后的弛放气中氨体积分数超出100×10-6,超出指标的这部分氨气无法被氢回收装置的分子筛吸附,在冷箱内部列管持续累积出现结冰冻堵。

3.1.2 氨回收装置设备故障

氨回收装置再生塔底部的贫富液换热器列管腐蚀穿孔,贫液中掺混进入了部分富液,贫液水洗除去弛放气中氨气的能力下降,进入冷箱的氨气含量增加;氨回收装置贫液泵为往复泵,输送贫液的压力较高,泵损坏未及时检修处理时,一旦运行泵出现故障就会导致贫液流量下降,贫液水洗吸收氨气效果降低,氨吸收塔出口氨含量超标。

3.1.3 氢回收装置液位调节阀内漏

氢回收装置液位调节阀用于调节气液分离器的液位和冷箱的制冷量,将分离器底部液相的压力由10.13 MPa减压至0.35 MPa,为螺旋式换热器提供冷量来源,阀门前后的压差高达9.78 MPa。高压差给液位调节阀带来的冲击和振动较大[4],阀体自身产生的振动引起阀芯与阀杆的连接螺纹松动,阀芯在高压气流的冲击下与阀座发生持续撞击,阀芯末端出现了较深的磨损凹槽,液位调节阀在关闭状态时,阀芯与阀座无法完全密封闭合(见图2)。

图2 阀芯与阀座磨损出现凹槽

由于氨回收装置水洗后的氨气排放管道与氢回收装置出口的尾气管道共用,氨回收装置开车投运期间,水洗后的氨气由此排放,当冷箱液位调节阀出现内漏时,带有一定压力的氨气由冷箱尾气出口管道倒流进入冷箱列管内部,待到冷箱开车制冷降温时,氨气在列管内部出现结冰堵塞。

3.2 水进入冷箱列管

3.2.1 分子筛程序运行参数设置不当

氢回收装置分子筛的工作压力为0.20～10.13 MPa,分子筛A/B储罐充压、泄压切换过程中的时间和速率由程序运行参数自动控制。若充压和泄压速度的程序参数设置不当,如压力变化的速率过快,会使得分子筛内部发生结构损坏,分子筛出现粉化破碎,缩短使用工作寿命,使活性下降。另外,分子筛粉化生成的粉尘容易堵塞分子筛出口的水分微量检测仪,造成检测分析数据指示失真,分子筛出口弛放气水分含量超标后难以被发现。

3.2.2 冷箱入口切断阀内漏

分子筛备用罐开车投运前,应先除去材料内部含有的结晶水,一般需要加热再生运行24 h以上。运行罐分子筛内部的压力为10.13 MPa,其出口的弛放气水分含量不合格,如有水分含量不合格的弛放气由冷箱入口切断阀泄漏进入冷箱列管内部,会引起冷箱的压力出现上涨,而较高的压力不利于冷箱下一步开车制冷,需要打开放空管线阀门将对冷箱的压力泄压排放至放空总管,泄压过程中会带入更多水分含量不合格的弛放气进入冷箱列管内部,待到冷箱制冷开车时便会出现结冰堵塞。

4 处理措施

4.1 降低氨回收装置负荷

在尿素装置开停车期间,将部分来自冷冻回路的氨气退出氨回收装置,降低氨回收装置负荷,提高再生塔底部温度,增加吸收塔贫液的再生度。通过调节贫富液换热器旁路阀的流通量,适当降低贫液的温度,提高贫液水洗吸收氨气的能力。

4.2 优化生产管理方式

加强氨回收装置的溶液管理,将氨回收工艺指标纳入生产管理系统,增加贫富液换热器进出口浓度分析数据,定期对再生塔贫液、吸收塔出口弛放气氨含量进行手动取样分析检验,及时优化调整工况,检修损坏的泵设备。

4.3 加固阀芯与阀杆连接

利用冷箱停车检修机会,更换氢回收装置液位调节阀阀芯和阀座,对阀芯和阀杆的连接方式进行加固,在原设计的螺纹连接基础上增加4处环形点焊,防止阀芯在高压差液相尾气的冲击下出现松动脱开,降低阀芯与阀座撞击磨损的概率(见图3)。

4.4 变更程序运行参数

优化变更分子筛程序充压和泄压控制参数,测试分子筛程序在不同参数下的充压和泄压速率,将压力变化速率控制在0.2 MPa/min以内,分子筛充压时间由900 s延长至2 680 s,泄压时间由1 100 s延长至1 750 s,保证在程序运行规定的时间内完成分子筛在各个阶段的运行步骤,延长分子筛的使用寿命。

4.5 优化不合格弛放气排放操作

氢回收装置开车期间如发现冷箱压力持续上涨,应及时排查是否有不合格弛放气从冷箱入口切断阀内漏进入冷箱,从冷箱入口切断阀导淋阀处排放不合格弛放气,从源头避免水分超标的弛放气进入冷箱螺旋式换热器列管内部。

5 结语

ICI-AMV工艺弛放气氢回收装置具有氢气回收率高、公用工程消耗低等特点,氢回收装置冷箱正常运行时,制得的氢气产品可直接补充到氨合成塔入口,氢氮比的合理调配有效提高了氨合成塔的氨净值,生产经济效益显著。本文通过总结归纳化肥一期氢回收装置投产以来冷箱列管内部结冰堵塞的原因,采取有效措施降低装置停车次数,保证了装置长周期安全稳定运行,为同类生产装置提供参考。