刘洋
（新疆锦疆化工股份有限公司，新疆 奎屯833200）
［摘 要］某400 kt/a煤基合成氨装置于2012年6月投产，实际生产中其液氮洗系统冷量过剩，只能将部分燃料气（液态）通过氢气分离罐底部导淋排出系统，送至火炬气加热器加热后排入火炬管网，不仅消耗大量的加热蒸汽，而且造成火炬气加热器壳体挂霜结冰等。经分析与研究，采取了一系列操作调整与优化改进措施——调整冷箱洗涤氮、粗配氮、精配氮用量，降低燃料气中N2含量并减少燃料气的产生量；新增气提氮气冷却器，将氢气分离罐底部导淋排出的燃料气（液态）与分子筛吸附器再生氮气换热后再送至火炬气加热器，冷却后的再生氮气则作为气提氮气送至低温甲醇洗系统进一步回收剩余冷量。此举回收了燃料气冷量，减少了火炬气加热器蒸汽消耗，不仅降本增效成果显著，而且保证了系统的安全稳定运行。
［关键词］氮洗系统；冷量过剩；燃料气排放；原因分析；优化改进；配氮调整；低温甲醇洗系统；冷量回收利用
［中图分类号］TQ113.26+4.3 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）04-0036-04
0 引 言
国内某煤基尿素项目设计产能为400 kt/a合成氨、700 kt/a尿素，采用美国GE水煤浆气化、华烁科技耐硫变换（钴钼系变换催化剂）、大连理工低温甲醇洗（六塔流程，含H2S/CO2洗涤塔、CO2解吸塔、H2S浓缩塔、热再生塔、甲醇水分离塔、尾气水洗塔）、杭州中泰液氮洗、瑞士卡萨利低压氨合成、改进型CO2汽提法尿素生产工艺等；配套1套55 000 m3/h空分装置，采用杭州杭氧深冷精馏工艺（氮氧内压缩流程）。项目于2012年6月投产，总体运行情况较好。
煤基合成氨装置液氮洗系统的主要任务是除去净化气中微量的CH3OH、H2S、CO2、CO、CH4、Ar等以保证氨合成系统的安全稳定运行。实际生产中，该合成氨装置液氮洗系统冷量过剩，为平衡系统冷量，只能将部分燃料气（液态）通过氢气分离罐底部导淋排出系统，送至火炬气加热器加热后排入火炬管网；因氢气分离罐底部导淋排出的燃料气（液态）携带大量冷量，大量低温气体排入火炬气加热器后，不仅需要消耗大量的加热蒸汽，而且造成火炬气加热器壳体挂霜结冰等，严重影响火炬管网的安全运行，既浪费了燃料气，又增加了蒸汽消耗与生产成本。为此，组织专业技术人员进行分析与研究，实施一系列操作调整与优化改进后，取得了明显成效。以下对有关情况作一介绍。
1 液氮洗系统工艺流程简介
低温甲醇洗系统H2S/CO2洗涤塔来的压力5.5 MPa、温度-62.6 ℃的净化气进入液氮洗系统分子筛吸附器（A/B，2台吸附器切换使用），其中的CO2、CH3OH等高沸点杂质被除去，分子筛吸附器使用低压氮气进行再生，再生后的低压氮气经氮气冷却器冷却后作为气提氮气送至低温甲醇洗系统H2S浓缩塔；出分子筛吸附器的净化气进入冷箱，之后依次经1#原料气冷却器、2#原料气冷却器与冷产品物流（合成气、循环氢气、燃料气）逆流换热，然后进入液氮洗涤塔底部；在液氮洗涤塔内，净化气被自上而下的液氮洗涤，其中的CO、CH4、Ar等杂质冷凝、溶解于液氮中，汇集于塔底作为尾液，尾液中还溶解有少量的H2，液氮洗涤塔顶部得到N2含量约8.3%的氢氮气（即合成气）。液氮洗涤塔塔顶的合成气进入2#原料气冷却器复热，在2#原料气冷却器热端用比例调节方式配入N2（粗配氮），初步调节合成气氢氮比。初配氮后的合成气进入1#原料气冷却器继续回收冷量后分成两路，一路直接出冷箱去低温甲醇洗系统作冷源，被加热至30 ℃后返回液氮洗系统；另一路经中压氮气冷却器回收冷量，在冷箱外经最终配氮后与从低温甲醇洗系统返回的合成气汇合，然后通过精配氮将合成气氢氮比调整为3.1后送氨合成系统。
空分装置来的5.5 MPa中压氮气在液氮洗冷箱外分成两路：一路对合成气进行最终配氮，以调节合成气氢氮比；另一路进入冷箱在中压氮气冷却器与出1#原料气冷却器的冷产品物流（合成气、循环氢气、燃料气）逆流换热后又分成两路——一路配入出液氮洗涤塔经2#原料气冷却器复热后的合成气中以初步调节合成气的氢氮比，另一路进入2#原料气冷却器进一步冷却后进入液氮洗涤塔顶作为洗涤液。
液氮洗涤塔底出来的尾液减压后进入氢气分离罐进行气液分离，分离出的气相依次经2#原料气冷却器、1#原料气冷却器、中压氮气冷却器回收冷量，氢气被复热至30 ℃后送往低温甲醇洗系统循环气压缩机；底部分离出的液相（称为燃料气）依次经2#原料气冷却器、1#原料气冷却器、中压氮气冷却器回收冷量被复热至30 ℃后送往燃料气管网。
2 液氮洗及低温甲醇洗工艺原理概述
煤基合成氨装置低温甲醇洗系统主要根据H2S、CO2、COS、CH4、CO、H2、N2等气体在甲醇中溶解度不同，利用高压低温吸收、减压闪蒸解吸、低压N2气提、精馏加热分离等方法对变换气中的H2S、CO2、COS、CH4、CO、H2、N2等气体进行分离，得到合格的净化气（H2S+COS含量≤0.1×10-6、CO2含量≤10×10-6）、CO2产品气（CO2含量≥99.07%、H2S+COS含量≤0.1×10-6）、酸性气（H2S含量＞25%）分别送至液氮洗系统、尿素装置、生物脱硫系统利用。在甲醇吸收H2S、COS、CO2过程中会释放大量的溶解热，而CO2在减压解吸和N2气提过程中会释放出大量的冷量，理想状态下吸收—解吸过程遵循能量守恒，但实际生产过程中仍需通过循环水冷却器、氨冷器、液氮洗系统合成气向低温甲醇洗系统补充冷量，以维持其正常运行。
液氮洗系统主要分为分子筛吸附单元和液氮洗涤分离单元。分子筛吸附单元主要是将来自低温甲醇洗系统净化气中含有的微量H2S、COS、CO2、甲醇等物质去除，以防这些物质在冷箱深冷状态下聚集凝固，堵塞冷箱内部的管道与设备而影响冷箱的正常运行；液氮洗涤分离单元主要是将与N2沸点相接近的CO、Ar、CH4用液氮洗涤吸收，这些被吸收的气体以液态形式排出液氮洗涤塔外，从而在液氮洗涤塔顶部得到可满足氨合成系统生产需求的合成气。冷箱内的冷量主要来源于冷箱内中压氮气（液化后）的洗涤与配氮，通过节流膨胀原理获取冷量，并依托各路出冷箱物料的冷量回收以及进冷箱净化气自身携带的冷量来维持液氮洗系统的正常运行。
3 液氮洗系统冷量过剩对装置运行的影响
自液氮洗系统原始开车正常运行以来，1#原料气冷却器与2#原料气冷却器之间出1#原料气冷却器净化气温度、中压氮气温度、出2#原料气冷却器合成气温度均在-120 ℃左右（设计值-130 ℃），循环氢气温度、燃料气温度均在-130 ℃左右（设计值-140 ℃），各物料温度均略高于设计值。实际运行过程中，为保证液氮洗系统的安全稳定运行、防止出现工况波动现象，氢气分离罐液位一般通过其罐底调节阀进行控制，调节阀开度一般控制在60%左右，调节阀开度过大，会造成1#原料气冷却器与2#原料气冷却器之间各物料温度下降15～20 ℃左右，中压氮气冷却器与1#原料气冷却器之间各物料温度下降20～25 ℃左右。1#原料气冷却器与2#原料气冷却器之间、中压氮气冷却器与1#原料气冷却器之间各物料温度过低，表明系统冷量过剩，会导致燃料气中的CH4凝固在管道、设备表面，使燃料气缓冲罐及其他设备或管道堵塞，造成1#原料气冷却器与2#原料气冷却器之间各管线温度升至-90 ℃左右及氢气分离罐液位升高。为维持正常生产，只能通过打开氢气分离罐底部导淋将部分液态燃料气排至火炬气加热器，经火炬气加热器加热后约有3 000 m3/h（标态，下同）的燃料气排入火炬管网，此过程中即使火炬气加热器加大蒸汽用量，其表面仍然存在严重的挂霜结冰现象，严重影响系统的安全稳定运行。
4 液氮洗系统冷量过剩原因分析
更多内容详见《中氮肥》2025年第4期