低溫甲醇洗裝置氨冷卻器泄漏原因分析及應對措施

 

低溫甲醇洗是德國林德公司和魯奇公司聯合開發，以工業甲醇作為吸收劑，基于低溫物理吸收氣體的凈化方法。 主要用在大型合成氨、 合成甲醇、制氫等工業裝置中作為酸性氣體脫除（脫硫和脫碳）工藝。低溫甲醇洗的冷量一部分是采用汽輪機驅動的離心式氨壓縮機組制冷技術獲得的，該氨壓縮機組制冷技術是通過氨的壓縮、冷凝、節流和蒸發，形成一個循環過程，從而使液氨在低溫甲醇洗氨冷卻器內發生相變實現制冷。 但受到前后裝置的影響， 氨壓縮機段間冷卻器內漏或低溫甲醇洗氨冷卻器內漏，會造成水、甲醇、二氧化碳等進入到氨冷卻器的氨側。 二氧化碳氣體與氨冷卻器的氨發生化學反應生成碳銨，碳銨結晶為固體，會積聚在氨冷卻器下部， 堵塞氨冷卻器下部法蘭和管線，從而堵塞氨冷卻器液位計等，zui終影響整個系統的運行［1］。如何判斷氨冷卻器泄漏，以及如何處理應對才能維持裝置運行是擺在現代煤化工技術人員面前的難題。

 

1 低溫甲醇洗氨系統及氨壓縮機工藝流程

河南龍宇煤化工有限公司二期項目低溫甲醇洗裝置采用德國魯奇八塔閃蒸再生工藝流程，裝置設計額定處理能力（干基）161 423 m3 ／ h 的原料氣進行脫硫、脫碳，同時產生二氧化碳產品氣和克勞斯酸性氣體，其操作彈性范圍為 50％～110%；對應氨壓縮機由沈陽鼓風機集團股份有限公司設計提供， 該氨壓縮機對來自低溫甲醇洗的氣氨進行壓縮，把低壓氣氨進行升壓至可冷凝的壓力，從而為低溫甲醇洗裝置提供充足的冷量。 該離心式氨壓縮機型號為 MCL607+2MCL607， 分 2 缸、14 級三段壓縮， 軸端密封采用帶中間迷宮的串聯式干氣密封。

 

低溫甲醇洗裝置設計有 5 臺氨冷卻器， 為原料氣和甲醇提供冷量降溫。 從氨儲槽來的液氨分為兩路， 一路送原料氣深冷器降低進入低溫甲醇洗裝置原料氣的溫度； 一路通過液氨過冷器和低溫甲醇洗界區內 CO2 產品氣換熱降溫后， 通過液位調節閥門分別送到富碳甲醇中間冷卻器（E04）、閃蒸甲醇深冷器（E08）、原料氣終冷器（E25）、硫化氫吸收段甲醇深冷器（E26）進行蒸發降低煤氣和循環甲醇的溫度。四臺氨冷卻器蒸發的氣氨（溫度為-38 ℃、壓力（絕壓，下同）為 0.063 kPa）進入氨冰機低壓缸，經 7 級壓縮中間換熱后，與低溫甲醇洗裝置氨冷卻器蒸發的氣氨 （溫度 0 ℃， 壓力 0.42MPa）混合，一起進入高壓缸的 8～11 級葉輪壓縮中間換熱， 再繼續經過 12～14 級壓縮到 107 ℃、1.66MPa 排出后，其中一小部分氣氨去干氣密封系統，作為工藝氣進行一級密封。 大部分氣氨經過防喘振冷卻器后分為兩路： 一路氣氨為了防喘振需要經2 個防喘振控制閥去一段分離器、 二段分離器；另一路氣氨經氨冷凝器冷卻為液氨至氨貯槽，為低溫甲醇洗裝置提供冷卻劑。工藝流程如圖 1 所示。

2 氨冷卻器泄漏現象及分析判斷

2017 年 10 月低溫甲醇洗裝置正常運行中發現氨冷卻器 E25、E26 液位出現波動， 隨后其余 3臺氨冷卻器液位也出現大幅度波動，5 臺氨壓縮機冷卻器進氨閥門手動控制以后， 氨壓縮機一段分離器液位快速上漲。 啟動液氨泵后一段分離器液位恢復正常，氨貯槽液位有明顯上漲，分析判斷氣氨帶液進入一段分離器。 在裝置隨后的運行時間里氨冷卻器制冷效果不斷下降， zui后 E25 和 E26的進出物料沒有明顯的溫差， 其余氨冷卻器物料出口溫度與正常時相比升高 5～8 ℃，低溫甲醇洗裝置冷端洗滌甲醇溫度不斷上升， 氣氨帶液發生的頻次越來越大，液氨泵啟動越來越頻繁，越來越困難，存在氣縛現象。與此同時，氨貯槽的壓力在緩慢上漲， 各氨冷卻器液位和氨壓縮機一段分離器液位出現漂移和指示不準確的情況， 工藝聯系儀表對遠傳液位計檢查調校。 發現遠傳液位計附著有固體物質，對附著物質清理，用水沖洗能迅速溶解，經過分析是碳銨結晶和少量鐵銹及硅、鈣等無機鹽的混合物質；對氨儲槽惰性氣體分析，發現含有氫氣、一氧化碳；對液氨進行分析，其蒸發后的殘液中平均含水約 10%，含甲醇約 60%。根據此現象確定氨冷器有泄漏。

 

通過拆檢和疏通低溫甲醇洗裝置各氨冷卻器液位計， 發現 E25、E26 遠傳液位計存在大量碳銨結晶，且在疏通清理 4～5 d 內，產生結晶又會堵塞DN50 mm 的 2 個閥門腔體和 DN50 mm、L=250 mm的空間；從制冷效果來看 E25、E26 幾乎不制冷，其余 3 臺氨冷卻器進出物料還存在溫度差； 從分析氨壓縮機惰性氣體成分來看， 氨貯槽惰氣分析中CO 含量zui高達到 8.94%，H2 含量zui高達到 6.35%，且含有甲醇；而 E25 為氨與原料氣換熱，其壓差高達 3.3 MPa，原料氣易漏入氨系統；E26 為氨與富硫化氫甲醇換熱，其壓差與 E25 類似。從 E25、E26 設備材質來看， 其管子采用 09 MnD， 殼層采用的是09MnNiDR 均為低溫鋼類，易與原料氣中存在的酸性氣體， 特別是 H2S 與設備發生腐蝕生成 FeS，在設備制造薄弱處出現泄漏； 而其余 3 臺氨冷卻器換熱管均采用 S304 不銹鋼材料。綜上所述，認為E25、E26 內漏的可能性極大， 但是不排除其他氨冷卻器也存在內漏的可能。

 

3 氨冷卻器泄漏對系統運行危害

氨冷卻器泄漏對氨壓縮機和低溫甲醇洗系統造成了很大的安全隱患并提高了運行成本。

 

3.1 對氨冷卻器及氨系統管路的危害

氨冷卻器泄漏后煤氣中的 H2S 和 CO2 等酸性物質會加速氨系統管線設備的腐蝕，擴大泄漏點，其帶的煤灰等細小固體顆粒沖蝕磨損氨系統管線設備， 加速泄漏氨冷卻器的腐蝕， 縮短其使用壽命。氨系統的固體物質增多，原料氣中的 CO2 與氨生成的碳銨結晶混合系統固體物質， 堵塞遠傳和現場液位計， 造成低溫甲醇洗裝置各氨冷卻器液位波動較大且指示不準確。

 

3.2 對氨壓縮機的危害

氨系統固體結晶堵塞氨氣相管線， 惰性氣體的累積造成氨壓縮機出口壓力升高， 導致運行過程中氨系統液氨損耗增加， 進一步可能會造成機組喘振，威脅機組安全運行。 氨壓縮機一級氣相入口帶液，嚴重威脅機組安全，嚴重時可能發生機組停車和損壞機組葉輪的惡性事故。 碳銨結晶和固體雜質的存在， 會使一小部分顆粒通過一級干氣密封的過濾器而進入到干氣密封的動靜部分的接觸面發生摩擦，甚至損壞干氣密封部件，成為影響整個氨壓縮機運行的隱患［2］。

 

3.3 對低溫甲醇洗裝置運行的危害

低溫甲醇洗冷量提供不足， 裝置無法高負荷穩定運行， 可能造成低溫甲醇洗出口凈化氣不合格， zui終去下游工段工藝氣中 H2S 和 CO2 含量增高，嚴重時使下游分子篩損壞、冷箱凍堵停車。

 

4 氨冷卻器泄漏后采取應對措施

氨冷卻器 E25、E26 泄漏后， 依據其他幾臺氨冷 卻 器 的 材 料 和 咨 詢 同 類 型 裝 置 設 備 情 況 ，對E25、E26 的 管 束 材 質 進 行 了 更 換 ， 提 升 材 質 為S304 不銹鋼進行采購。在新管束到來前，采取了一些應對措施確保裝置正常運行。

 

4.1 優化工藝運行條件和工況

4.1.1 低溫甲醇洗操作調整補充系統冷量

針對氨冷卻器泄漏和低溫甲醇洗裝置冷量不足的問題，在下游工況允許的條件下，通過變換裝置適當提高原料氣中 CO2 含量，降低有效氣含量，提高低溫甲醇洗裝置閃蒸壓縮機負荷， 降低入口壓力，提高 CO2 閃蒸帶來的冷量。同時加大甲醇水系統負荷來提高洗滌甲醇純度， 增加甲醇循環量來保證低溫甲醇洗裝置出口凈化氣指標合格。通過調整操作， 可保證凈化氣中 S 含量在控制指標0.1×10-6 以下；到運行后期，氨系統工況惡化，基本可維持指標在 0.2×10-6；zui后到氨壓縮機入口壓差上漲時，該指標zui高達到 0.38×10-6。從氨系統工況惡化發展到氨壓縮機入口壓差上漲，只需要 2 d 時間，該段時間的 S 含量超標，分子篩出口可以保證凈化氣工藝指標達標。另外，操作調整后由于過量閃蒸，CO2 產品氣 中 的 總 硫 含 量 升 高 ， zui 高 達 到107×10-6。由于 CO2 產品氣用于煤氣化的充壓吹掃和煤粉輸送，其滿足工藝使用條件，操作調整除減少了出口凈化氣量外，幾乎沒有其他影響。

 

4.1.2 優化氨冷卻器，提升其制冷效果

針對氨冷卻器 E25 泄漏， 一方面加強氨貯槽中惰性氣體含量的分析， 根據分析結果定時定量進行惰氣排放， 避免氨壓縮機出口和入口壓力升高影響氨冷卻器制冷； 同時盡可能減少液氨的損耗，根據情況及時補充液氨。另一方面，向 E25 內少量補入液氨， 讓漏入氨系統中的 CO2 等易與氨反應形成的結晶物質在該冷卻器中結晶， 避免在氨系統其余地方結晶堵塞管線和設備， 影響氣氨的流動輸送。

 

針對氨冷卻器 E26 泄漏， 采用關閉液氨補充閥門的方式切斷氨與富 H2S 甲醇的接觸， 減少氨反應結晶物的產生。 同時安裝負壓排氨系統和取樣系統， 確保漏入氨系統的甲醇液體可以順利排放出來，避免甲醇進入氨貯槽污染液氨、降低其余3 臺氨冷卻器的效果。正常運行的 3 臺氨冷卻器也通過該系統按時取樣分析， 發現氨純度下降就進行負壓排污， 確保提供充足的冷量供低溫甲醇洗裝置使用。負壓排氨系統和取樣系統如圖 2 所示。

4.1.3 改造液氨泵并監控運行，消除運行風險

雖然采取了一些措施確保裝置運行， 但還是有氨的反應結晶物在氨系統中生成， 直觀的表現就是氨壓縮機一級分離器中經常性的積液， 嚴重影響機組運行。 正常工藝流程為液氨泵輸送積液到氨貯槽， 運行過程中由于存在氨的反應結晶物經常發生液氨泵入口過濾器堵塞，排氣管線、冷泵管線堵塞，泵不打量，備泵啟動前排氣排不完氣的現象出現。 針對這些情況在液氨泵的入口導淋管線上接入反吹氮氣管線，避免入口管線堵塞。新增加了一路排氣管線與原排氣管線并聯， 定時對液氨泵的入口過濾器進行清理疏通； 并在液氨泵出口安裝負壓真空罐，利用蒸汽抽真空，確保液氨泵排氣完全，冷泵溫度降到控制指標，保證了液氨泵順利啟動輸送介質。此外，還在液氨泵出口管線處新增了一路金屬軟管臨時管線， 在一級分離器中液氨不純的時候進行排放， 避免不純的液氨送入氨貯槽，造成低溫甲醇洗氨冷卻器制冷效果下降。

 

4.2 清理氨系統及修復泄漏氨冷卻器

從 2017 年 10 月發現氨冷卻器泄漏后， 對系統進行了 3 次檢修清理， 分別在 2017 年 12 月，2018 年 3 月底和 2018 年 9 月。前兩次檢修對氨冷卻器 E25、E26 進行了氮氣查漏和漏點消除， 兩次分別采用了堵漏焊接和堵頭堵漏焊接加局部防腐涂層的辦法來對氨冷卻器管束進行修復。 從檢修完運行時間上來看，第一次檢修后運行 3 個多月，第二次檢修后運行 5 個多月。 可以看出采用堵頭堵漏焊接后再用金屬修復劑加環氧樹脂局部防腐涂層的方法，可以提高檢修質量，延長裝置運行時間。第三次對 E25、E26 管束進行了更換，徹底消除了氨系統泄漏的隱患。3 次檢修除對氨冷卻器消漏和更換管束外， 還對氨系統有結晶的地方進行了疏通清理，重點是氨壓縮機低壓缸入口過濾器、一級分離器和二級分離器的絲網進行雜質的清理，更換修復變形或損壞的絲網， 保證其良好的過濾與分離效果，使氣氨能夠順利吸入與通過，保證低溫甲醇洗的冷量充足。

 

5 總結

氨系統的泄漏會造成腐蝕加劇， 而對氨冷卻器現場搶救式的修復幾乎都是暫時性的， 確保氨系統長時間穩定運行要在裝置開始建設時就選用合適的材質來抵抗腐蝕， 在裝置運行時控制腐蝕產生的條件確保系統干凈。 按照要求建立設備管線使用壽命臺賬，按時進行專業性檢查檢測，才能更好更長周期的運行。 通過這幾次對低溫甲醇洗及配套氨系統工況優化和工藝調整摸索， 積累了一些延長氨系統運行時間的寶貴經驗， 為今后再次發生類似問題提供了借鑒。