張衛(wèi)波

（天津堿廠(chǎng)合成氨甲醇分廠(chǎng)，天津 300000）

1 液氮洗裝置簡(jiǎn)介

天津堿廠(chǎng)合成氨甲醇分廠(chǎng)凈化工序采用的是林德液氮洗技術(shù)。液氮洗裝置的分離過(guò)程屬于物理過(guò)程，沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)。此過(guò)程是利用H2與CO、CH4、N2等的沸點(diǎn)相差較大，CO、CH4的沸點(diǎn)比 N2、H2的沸點(diǎn)高的特點(diǎn)，將CO、CH4從氣相液化溶解到液氮中，從而達(dá)到脫除CO、CH4等氣體雜質(zhì)的目的。

來(lái)自低溫甲醇洗裝置的合成氣經(jīng)過(guò)液氮洗裝置的吸附器，以除去合成氣中甲醇和CO2，防止甲醇和CO2進(jìn)入到冷箱中形成固體而堵塞板翅式換熱器。之后進(jìn)入低溫液氮洗冷箱中，在與第一高壓氮深冷器E04302和第二高壓氮深冷器E04303換熱冷卻后進(jìn)入到氮洗滌塔C04301的底部。

來(lái)自空分裝置的中壓氮?dú)猓ㄔO(shè)計(jì)溫度為40℃）其主要作用為液氮洗滌和為合成氨裝置控制氫氮比，經(jīng)過(guò)高壓氮冷卻器E04301、第一高壓氮深冷器E04302換熱冷卻后，低溫氮?dú)夥譃閮晒桑阂还蛇M(jìn)入特殊管式合成氣混合器YMI001中與E04303的凈化氣混合以調(diào)節(jié)產(chǎn)品合成氣中的氫氮比，另一股進(jìn)入第二高壓氮深冷器E04303后由氣相變成液相，進(jìn)入到氮洗滌塔C04301的頂部。在氮洗滌塔C04301中液氮吸收氣體中的Ar,CO和CH4，和一小部分H2。凈化后的合成氣從C04301的塔頂排出。

氮洗塔C04301塔底的液體首先進(jìn)入回收氣閃蒸罐S04301閃蒸，閃蒸出的氣相主要為氫氣（我們稱(chēng)為“粗氫氣”），粗氫氣依次在E04303、E04302和E04301換熱，回收冷量后返回到低溫甲醇洗的壓縮機(jī)單元K04201進(jìn)行氫氣回收。而閃蒸罐S04301底部的液相則與液氮混合并為一股，在E04303中加熱氣化，隨后進(jìn)入依次進(jìn)入E04302和E04301中加熱，回收冷量后作為燃料氣離開(kāi)冷箱，進(jìn)入到燃料氣壓縮機(jī)壓縮，壓縮后送至燃料氣管網(wǎng)。

凈化后的合成氣經(jīng)過(guò)E04303換熱后與一股中壓氮?dú)饣旌线M(jìn)行粗配氮，混合后進(jìn)入E04302，出E04302后分成兩股，一股送往低溫甲醇洗為它提供冷量，另一股則繼續(xù)進(jìn)入E04301。各自升溫后的兩股合成氣再次在冷箱外混合。最終凈化氣出口有一管線(xiàn)連接中壓氮?dú)?，可以通過(guò)調(diào)節(jié)氮?dú)饬窟M(jìn)行精配氮，使最終合成氣氫氮比為3∶1.出口的CO含量小于1.0×10-4%。液氮洗裝置流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 液氮洗裝置流程圖

2 合成氣中氮?dú)夂扛邔?duì)操作的影響

2.1 合成氣氮?dú)夂扛叩脑?/h3>

我廠(chǎng)煤氣化裝置采用的是殼牌煤氣化工藝，在開(kāi)車(chē)或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，煤粉采用氮?dú)廨斔停?dāng)?shù)蜏丶状枷凑＿\(yùn)行后就會(huì)生產(chǎn)CO2，并通過(guò)CO2壓縮機(jī)壓縮后送往煤氣化來(lái)代替氮?dú)廨斔停蛊浜铣蓺庵械獨(dú)夂拷档?，低溫甲醇洗出口的凈化合成氣中氮?dú)夂康脑O(shè)計(jì)值為1.4%。造成合成氣氮?dú)夂扛叩脑蛴幸韵聨讉€(gè)方面：

1)煤氣化低負(fù)荷運(yùn)行。由于煤氣化負(fù)荷比較低，產(chǎn)生的CO2就很低，達(dá)不到CO2壓縮機(jī)最低負(fù)荷開(kāi)車(chē)的條件，或所產(chǎn)生的CO2不足，不能完全代替煤氣化爐中的氮?dú)?，造成氮?dú)夂烤痈卟幌隆?/p>

2)煤氣化爐燒嘴不穩(wěn)。在煤氣化運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)燒嘴異常熄滅的情況，據(jù)觀(guān)察，煤氣化爐跳一個(gè)燒嘴，氮?dú)夂繒?huì)增加2%～5%左右。

3)煤氣化爐跳車(chē)。正常情況下，煤氣化裝置應(yīng)為雙爐運(yùn)行，但是由于煤氣化爐運(yùn)行不穩(wěn)，煤氣化爐經(jīng)常跳車(chē)，使其單爐運(yùn)行，這使CO2量不足，必須要引入氮?dú)膺M(jìn)行輸送煤粉，造成氮?dú)夂科摺?/p>

4)1#爐對(duì)合成氨氮?dú)夂坑绊戄^大。在雙爐運(yùn)行時(shí)，雖然兩臺(tái)煤氣化爐產(chǎn)生的氣合并到一起，但混合并不均勻，1#爐的氮?dú)夂恐苯佑绊懞铣砂毖b置的氮?dú)夂俊Ｒ簿褪钦f(shuō)如果1#爐的氮?dú)夂枯^高，2#爐的氮?dú)夂侩m然很低，但最終進(jìn)入液氮洗裝置的合成氣氮?dú)夂恳廊惠^高。

2.2 氮?dú)夂扛邔?duì)液氮洗的影響及分析

2.2.1 進(jìn)洗滌塔的中壓氮?dú)夂秃铣蓺鉁囟壬仙?/p>

我廠(chǎng)液氮洗裝置的操作壓力為30bar，正常操作時(shí)合成氣的設(shè)計(jì)溫度為-186.6℃，入塔洗滌氮溫度為-186.6℃。氮?dú)夂繛?.4%時(shí)，合成氣中氮?dú)獾姆謮簽?.42bar，其氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為-192.4℃；氮?dú)夂繛?2%時(shí)，合成氣中氮?dú)獾姆謮簽?.6bar，其氮?dú)獾姆悬c(diǎn)為-183.1℃。當(dāng)合成氣中氮?dú)夂扛邥r(shí)，經(jīng)過(guò)三個(gè)換熱器后冷卻后，里面的氮?dú)鈺?huì)變成液氮，而由于氮?dú)庾兂梢旱栉沾罅康睦淞浚摕幔?，第三換熱器的換熱面積一定，必然會(huì)使合成氣入C04301塔溫度會(huì)上升，使洗滌效果變差；當(dāng)?shù)獨(dú)夂可仙龝r(shí)，合成氣吸收了大量的冷量，這使洗滌氮所需的冷量不足，致使洗滌氮的溫度偏高，洗滌效果變差；所以現(xiàn)在需要更多冷量來(lái)冷卻合成氣和洗滌氮。如果冷量增加不能及時(shí)跟上，CO含量將超標(biāo)。

2.2.2 洗滌塔和閃蒸罐液位升高，底部閥門(mén)開(kāi)度增大

由于合成氣是從塔底進(jìn)入，合成氣中的液氮與合成氣分離，從而不能達(dá)到凈化合成氣的目的，但它卻使塔底液位和閃蒸罐S04301的液位增加，從而需開(kāi)大兩個(gè)液位閥（LV 043055和TV 043065）才能把液位排出。

2.2.3 E04302和E04303換熱器出口溫度下降

當(dāng)開(kāi)大兩個(gè)液位閥（LV 043055和TV 043065）把液位排出，這樣雖可以為E04303提供更多冷量，但由于換熱器的換熱能力是一定的，合成氣、中壓氮?dú)夂蛢艋铣蓺狻⑽矚獠荒艹浞謸Q熱，這能使E04302和E04303之間的溫度降低。當(dāng)溫度降低到-158℃時(shí)，冷箱就會(huì)跳車(chē)（目的是為了防止進(jìn)入E04302的氣體帶液，也就是不可使氮?dú)庠贓04302中液化，如果這樣E04302溫度局部溫差過(guò)大而損壞換熱器）?，F(xiàn)在補(bǔ)充液氮也同樣會(huì)把E04302和E04303之間的溫度降下來(lái)而可能引起跳車(chē)。

2.2.4 中壓氮?dú)舛緶囟绕?/p>

根據(jù)林德設(shè)計(jì)，中壓氮?dú)獾脑O(shè)計(jì)溫度為40℃，而管線(xiàn)并無(wú)保溫材料。夏季的溫度能達(dá)到35℃左右，而到了冬季，中壓氮?dú)獾臏囟戎荒艿?0℃左右。中壓氮?dú)馐侵饕臒嵛锪现?，如果它的溫度太低，?huì)使E04302和E04303之間的溫度降低。由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)獨(dú)夂繛?.5%左右時(shí)，夏季正常操作時(shí)E04302和E04303之間的溫度為-110～-120℃左右，而到冬季，其溫度降至-125～-135℃。若氮?dú)夂可?，很有可能?huì)導(dǎo)致跳車(chē)。

2.2.5 兩個(gè)液位閥（LV 043055和TV 043065）截流膨脹效果變差

根據(jù)Joule-Thomson效應(yīng)，當(dāng)溫度在-180～-190℃時(shí)，μ1（氫氣的J-T系數(shù)）＞μ2（氮?dú)獾腏-T系數(shù)），氫氣的截流效果比氮?dú)庖?，如圖2所示。

此外當(dāng)?shù)獨(dú)夂可仙龝r(shí)，閃蒸罐和洗滌塔中的氮?dú)夂吭黾?，氫氣含量減少，使經(jīng)過(guò)TV 043065后的截流膨脹效果不好（由實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)可知，當(dāng)?shù)獨(dú)夂康蜁r(shí)閥后的溫度能到-190℃，當(dāng)?shù)獨(dú)夂扛邥r(shí)閥后的溫度到-186℃），使換熱效果降低。

圖2 不同氣體的轉(zhuǎn)化曲線(xiàn)

2.2.6 分子篩順控的影響

當(dāng)分子篩順控用合成氣冷卻時(shí)，分子篩出口（即冷箱入口）的溫度會(huì)比其他步驟時(shí)溫度升高6～8℃，也會(huì)使入塔的合成氣溫度升高，此時(shí)如果合成氣氮?dú)夂扛撸瑫?huì)加劇操作難度。

2.3 應(yīng)對(duì)措施

2.3.1 中壓氮?dú)夤芫€(xiàn)加設(shè)保溫

由于中壓氮?dú)怆S環(huán)境溫度的變化而變化，我們可以在中壓氮?dú)夤芫€(xiàn)上加設(shè)保溫材料；同時(shí)冬季操作時(shí)，應(yīng)讓凈化后的冷物料盡可能多的走去低溫甲醇洗裝置（即與E04218換熱），以保證E04302和E04303之間的溫度盡可能的接近設(shè)計(jì)溫度。

2.3.2 合成氣管線(xiàn)上加氫氣在線(xiàn)分析儀

由于合成氣的主要成份為氫氣和氮?dú)?，目前氮?dú)夂吭诰€(xiàn)分析儀市場(chǎng)上沒(méi)有廠(chǎng)家供貨，所以我們可以在合成氣管道上安裝一個(gè)氫氣含量的在線(xiàn)分析儀，這樣可以及時(shí)觀(guān)察合成氣的氮?dú)庾兓闆r，來(lái)摸索氮?dú)夂亢拖礈斓昧康膶?duì)應(yīng)關(guān)系。

2.3.3 適當(dāng)提高塔壓

根據(jù)相平衡原理,若完全除去合成氣中的CO,就要求系統(tǒng)中氣相的CO分壓P大于液相CO濃度對(duì)應(yīng)下的平衡分壓P*。而且,吸收速度的快慢取決于吸收推動(dòng)力△P=P-P*的大小,△P越大,吸收速度越快。因此,如果適當(dāng)提高系統(tǒng)內(nèi)操作壓力,那么氣相CO分壓變大,液氮對(duì)CO的吸收能力變強(qiáng),也就是CO在液氮中的溶解度變大,這樣就會(huì)使合成氣中的CO含量減少。

3 結(jié)束語(yǔ)

原料中氮?dú)夂可撸梢允挂旱此囊何缓烷W蒸罐液位升高、洗滌塔溫度升高、洗滌效果變差,同時(shí)E04302和E04303之間的溫度也會(huì)下降。氮?dú)夂扛邔?duì)操作人員的操作有很高要求，操作工需提前進(jìn)行操作盡可能將CO超標(biāo)抑制在萌芽階段，此時(shí)可降低生產(chǎn)負(fù)荷，開(kāi)大TV 043065，或稍微提高一點(diǎn)塔壓，這樣可緩解氮?dú)夂扛邔?duì)操作的影響。需注意的是，無(wú)論采用何種調(diào)節(jié)手段都不能徹底解決，最根本的解決辦法還是要保持煤氣化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。