低温甲醇洗装置氨冷却器泄漏原因分析及应对措施

 

低温甲醇洗是德国林德公司和鲁奇公司联合开发，以工业甲醇作为吸收剂，基于低温物理吸收气体的净化方法。 主要用在大型合成氨、 合成甲醇、制氢等工业装置中作为酸性气体脱除（脱硫和脱碳）工艺。低温甲醇洗的冷量一部分是采用汽轮机驱动的离心式氨压缩机组制冷技术获得的，该氨压缩机组制冷技术是通过氨的压缩、冷凝、节流和蒸发，形成一个循环过程，从而使液氨在低温甲醇洗氨冷却器内发生相变实现制冷。 但受到前后装置的影响， 氨压缩机段间冷却器内漏或低温甲醇洗氨冷却器内漏，会造成水、甲醇、二氧化碳等进入到氨冷却器的氨侧。 二氧化碳气体与氨冷却器的氨发生化学反应生成碳铵，碳铵结晶为固体，会积聚在氨冷却器下部， 堵塞氨冷却器下部法兰和管线，从而堵塞氨冷却器液位计等，zui终影响整个系统的运行［1］。如何判断氨冷却器泄漏，以及如何处理应对才能维持装置运行是摆在现代煤化工技术人员面前的难题。

 

1 低温甲醇洗氨系统及氨压缩机工艺流程

河南龙宇煤化工有限公司二期项目低温甲醇洗装置采用德国鲁奇八塔闪蒸再生工艺流程，装置设计额定处理能力（干基）161 423 m3 ／ h 的原料气进行脱硫、脱碳，同时产生二氧化碳产品气和克劳斯酸性气体，其操作弹性范围为 50％～110%；对应氨压缩机由沈阳鼓风机集团股份有限公司设计提供， 该氨压缩机对来自低温甲醇洗的气氨进行压缩，把低压气氨进行升压至可冷凝的压力，从而为低温甲醇洗装置提供充足的冷量。 该离心式氨压缩机型号为 MCL607+2MCL607， 分 2 缸、14 级三段压缩， 轴端密封采用带中间迷宫的串联式干气密封。

 

低温甲醇洗装置设计有 5 台氨冷却器， 为原料气和甲醇提供冷量降温。 从氨储槽来的液氨分为两路， 一路送原料气深冷器降低进入低温甲醇洗装置原料气的温度； 一路通过液氨过冷器和低温甲醇洗界区内 CO2 产品气换热降温后， 通过液位调节阀门分别送到富碳甲醇中间冷却器（E04）、闪蒸甲醇深冷器（E08）、原料气终冷器（E25）、硫化氢吸收段甲醇深冷器（E26）进行蒸发降低煤气和循环甲醇的温度。四台氨冷却器蒸发的气氨（温度为-38 ℃、压力（绝压，下同）为 0.063 kPa）进入氨冰机低压缸，经 7 级压缩中间换热后，与低温甲醇洗装置氨冷却器蒸发的气氨 （温度 0 ℃， 压力 0.42MPa）混合，一起进入高压缸的 8～11 级叶轮压缩中间换热， 再继续经过 12～14 级压缩到 107 ℃、1.66MPa 排出后，其中一小部分气氨去干气密封系统，作为工艺气进行一级密封。 大部分气氨经过防喘振冷却器后分为两路： 一路气氨为了防喘振需要经2 个防喘振控制阀去一段分离器、 二段分离器；另一路气氨经氨冷凝器冷却为液氨至氨贮槽，为低温甲醇洗装置提供冷却剂。工艺流程如图 1 所示。

2 氨冷却器泄漏现象及分析判断

2017 年 10 月低温甲醇洗装置正常运行中发现氨冷却器 E25、E26 液位出现波动， 随后其余 3台氨冷却器液位也出现大幅度波动，5 台氨压缩机冷却器进氨阀门手动控制以后， 氨压缩机一段分离器液位快速上涨。 启动液氨泵后一段分离器液位恢复正常，氨贮槽液位有明显上涨，分析判断气氨带液进入一段分离器。 在装置随后的运行时间里氨冷却器制冷效果不断下降， zui后 E25 和 E26的进出物料没有明显的温差， 其余氨冷却器物料出口温度与正常时相比升高 5～8 ℃，低温甲醇洗装置冷端洗涤甲醇温度不断上升， 气氨带液发生的频次越来越大，液氨泵启动越来越频繁，越来越困难，存在气缚现象。与此同时，氨贮槽的压力在缓慢上涨， 各氨冷却器液位和氨压缩机一段分离器液位出现漂移和指示不准确的情况， 工艺联系仪表对远传液位计检查调校。 发现远传液位计附着有固体物质，对附着物质清理，用水冲洗能迅速溶解，经过分析是碳铵结晶和少量铁锈及硅、钙等无机盐的混合物质；对氨储槽惰性气体分析，发现含有氢气、一氧化碳；对液氨进行分析，其蒸发后的残液中平均含水约 10%，含甲醇约 60%。根据此现象确定氨冷器有泄漏。

 

通过拆检和疏通低温甲醇洗装置各氨冷却器液位计， 发现 E25、E26 远传液位计存在大量碳铵结晶，且在疏通清理 4～5 d 内，产生结晶又会堵塞DN50 mm 的 2 个阀门腔体和 DN50 mm、L=250 mm的空间；从制冷效果来看 E25、E26 几乎不制冷，其余 3 台氨冷却器进出物料还存在温度差； 从分析氨压缩机惰性气体成分来看， 氨贮槽惰气分析中CO 含量zui高达到 8.94%，H2 含量zui高达到 6.35%，且含有甲醇；而 E25 为氨与原料气换热，其压差高达 3.3 MPa，原料气易漏入氨系统；E26 为氨与富硫化氢甲醇换热，其压差与 E25 类似。从 E25、E26 设备材质来看， 其管子采用 09 MnD， 壳层采用的是09MnNiDR 均为低温钢类，易与原料气中存在的酸性气体， 特别是 H2S 与设备发生腐蚀生成 FeS，在设备制造薄弱处出现泄漏； 而其余 3 台氨冷却器换热管均采用 S304 不锈钢材料。综上所述，认为E25、E26 内漏的可能性极大， 但是不排除其他氨冷却器也存在内漏的可能。

 

3 氨冷却器泄漏对系统运行危害

氨冷却器泄漏对氨压缩机和低温甲醇洗系统造成了很大的安全隐患并提高了运行成本。

 

3.1 对氨冷却器及氨系统管路的危害

氨冷却器泄漏后煤气中的 H2S 和 CO2 等酸性物质会加速氨系统管线设备的腐蚀，扩大泄漏点，其带的煤灰等细小固体颗粒冲蚀磨损氨系统管线设备， 加速泄漏氨冷却器的腐蚀， 缩短其使用寿命。氨系统的固体物质增多，原料气中的 CO2 与氨生成的碳铵结晶混合系统固体物质， 堵塞远传和现场液位计， 造成低温甲醇洗装置各氨冷却器液位波动较大且指示不准确。

 

3.2 对氨压缩机的危害

氨系统固体结晶堵塞氨气相管线， 惰性气体的累积造成氨压缩机出口压力升高， 导致运行过程中氨系统液氨损耗增加， 进一步可能会造成机组喘振，威胁机组安全运行。 氨压缩机一级气相入口带液，严重威胁机组安全，严重时可能发生机组停车和损坏机组叶轮的恶性事故。 碳铵结晶和固体杂质的存在， 会使一小部分颗粒通过一级干气密封的过滤器而进入到干气密封的动静部分的接触面发生摩擦，甚至损坏干气密封部件，成为影响整个氨压缩机运行的隐患［2］。

 

3.3 对低温甲醇洗装置运行的危害

低温甲醇洗冷量提供不足， 装置无法高负荷稳定运行， 可能造成低温甲醇洗出口净化气不合格， zui终去下游工段工艺气中 H2S 和 CO2 含量增高，严重时使下游分子筛损坏、冷箱冻堵停车。

 

4 氨冷却器泄漏后采取应对措施

氨冷却器 E25、E26 泄漏后， 依据其他几台氨冷 却 器 的 材 料 和 咨 询 同 类 型 装 置 设 备 情 况 ，对E25、E26 的 管 束 材 质 进 行 了 更 换 ， 提 升 材 质 为S304 不锈钢进行采购。在新管束到来前，采取了一些应对措施确保装置正常运行。

 

4.1 优化工艺运行条件和工况

4.1.1 低温甲醇洗操作调整补充系统冷量

针对氨冷却器泄漏和低温甲醇洗装置冷量不足的问题，在下游工况允许的条件下，通过变换装置适当提高原料气中 CO2 含量，降低有效气含量，提高低温甲醇洗装置闪蒸压缩机负荷， 降低入口压力，提高 CO2 闪蒸带来的冷量。同时加大甲醇水系统负荷来提高洗涤甲醇纯度， 增加甲醇循环量来保证低温甲醇洗装置出口净化气指标合格。通过调整操作， 可保证净化气中 S 含量在控制指标0.1×10-6 以下；到运行后期，氨系统工况恶化，基本可维持指标在 0.2×10-6；zui后到氨压缩机入口压差上涨时，该指标zui高达到 0.38×10-6。从氨系统工况恶化发展到氨压缩机入口压差上涨，只需要 2 d 时间，该段时间的 S 含量超标，分子筛出口可以保证净化气工艺指标达标。另外，操作调整后由于过量闪蒸，CO2 产品气 中 的 总 硫 含 量 升 高 ， zui 高 达 到107×10-6。由于 CO2 产品气用于煤气化的充压吹扫和煤粉输送，其满足工艺使用条件，操作调整除减少了出口净化气量外，几乎没有其他影响。

 

4.1.2 优化氨冷却器，提升其制冷效果

针对氨冷却器 E25 泄漏， 一方面加强氨贮槽中惰性气体含量的分析， 根据分析结果定时定量进行惰气排放， 避免氨压缩机出口和入口压力升高影响氨冷却器制冷； 同时尽可能减少液氨的损耗，根据情况及时补充液氨。另一方面，向 E25 内少量补入液氨， 让漏入氨系统中的 CO2 等易与氨反应形成的结晶物质在该冷却器中结晶， 避免在氨系统其余地方结晶堵塞管线和设备， 影响气氨的流动输送。

 

针对氨冷却器 E26 泄漏， 采用关闭液氨补充阀门的方式切断氨与富 H2S 甲醇的接触， 减少氨反应结晶物的产生。 同时安装负压排氨系统和取样系统， 确保漏入氨系统的甲醇液体可以顺利排放出来，避免甲醇进入氨贮槽污染液氨、降低其余3 台氨冷却器的效果。正常运行的 3 台氨冷却器也通过该系统按时取样分析， 发现氨纯度下降就进行负压排污， 确保提供充足的冷量供低温甲醇洗装置使用。负压排氨系统和取样系统如图 2 所示。

4.1.3 改造液氨泵并监控运行，消除运行风险

虽然采取了一些措施确保装置运行， 但还是有氨的反应结晶物在氨系统中生成， 直观的表现就是氨压缩机一级分离器中经常性的积液， 严重影响机组运行。 正常工艺流程为液氨泵输送积液到氨贮槽， 运行过程中由于存在氨的反应结晶物经常发生液氨泵入口过滤器堵塞，排气管线、冷泵管线堵塞，泵不打量，备泵启动前排气排不完气的现象出现。 针对这些情况在液氨泵的入口导淋管线上接入反吹氮气管线，避免入口管线堵塞。新增加了一路排气管线与原排气管线并联， 定时对液氨泵的入口过滤器进行清理疏通； 并在液氨泵出口安装负压真空罐，利用蒸汽抽真空，确保液氨泵排气完全，冷泵温度降到控制指标，保证了液氨泵顺利启动输送介质。此外，还在液氨泵出口管线处新增了一路金属软管临时管线， 在一级分离器中液氨不纯的时候进行排放， 避免不纯的液氨送入氨贮槽，造成低温甲醇洗氨冷却器制冷效果下降。

 

4.2 清理氨系统及修复泄漏氨冷却器

从 2017 年 10 月发现氨冷却器泄漏后， 对系统进行了 3 次检修清理， 分别在 2017 年 12 月，2018 年 3 月底和 2018 年 9 月。前两次检修对氨冷却器 E25、E26 进行了氮气查漏和漏点消除， 两次分别采用了堵漏焊接和堵头堵漏焊接加局部防腐涂层的办法来对氨冷却器管束进行修复。 从检修完运行时间上来看，第一次检修后运行 3 个多月，第二次检修后运行 5 个多月。 可以看出采用堵头堵漏焊接后再用金属修复剂加环氧树脂局部防腐涂层的方法，可以提高检修质量，延长装置运行时间。第三次对 E25、E26 管束进行了更换，彻底消除了氨系统泄漏的隐患。3 次检修除对氨冷却器消漏和更换管束外， 还对氨系统有结晶的地方进行了疏通清理，重点是氨压缩机低压缸入口过滤器、一级分离器和二级分离器的丝网进行杂质的清理，更换修复变形或损坏的丝网， 保证其良好的过滤与分离效果，使气氨能够顺利吸入与通过，保证低温甲醇洗的冷量充足。

 

5 总结

氨系统的泄漏会造成腐蚀加剧， 而对氨冷却器现场抢救式的修复几乎都是暂时性的， 确保氨系统长时间稳定运行要在装置开始建设时就选用合适的材质来抵抗腐蚀， 在装置运行时控制腐蚀产生的条件确保系统干净。 按照要求建立设备管线使用寿命台账，按时进行专业性检查检测，才能更好更长周期的运行。 通过这几次对低温甲醇洗及配套氨系统工况优化和工艺调整摸索， 积累了一些延长氨系统运行时间的宝贵经验， 为今后再次发生类似问题提供了借鉴。