曾晓波，刘建英，李强
（海洋石油富岛有限公司，海南 东方572600）
［摘 要］海洋石油富岛有限公司化肥一期1 000 t/d气头合成氨装置采用ICI-AMV节能工艺，会大量连续排放弛放气，其弛放气氢回收采用德国林德制冷技术（冷箱），而氢回收冷箱是否正常生产会影响约12%～15%的氨产量。针对弛放气氢回收冷箱大修后重启过程中开车时间长（耗时约28～29 h，原始开车耗时约30 h）尤其是制冷时间长的问题，从冷箱制冷原理和制冷过程中冷量的变化着手，对制冷初期（冷箱温度由常温降至-160 ℃）、制冷中期（冷箱温度由-160 ℃降至-186 ℃）、制冷后期（冷箱温度-186 ℃下返氢操作）、转入正常生产等四个阶段进行分析与探讨，找到了各阶段节约冷箱制冷时间的可行措施。一系列操作优化措施落实后，效果良好，可节约3～4 h的冷箱开车时间，实现了系统的节能降耗。
［关键词］合成氨装置；弛放气氢回收冷箱；开车时间长；冷箱工作原理；冷量变化分析；操作优化；效益分析
［中图分类号］TQ113.26+6.6 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）02-0040-05
0 引 言
海洋石油富岛有限公司化肥一期1 000 t/d合成氨装置（简称富岛一期合成氨装置），以南海海底开采的天然气为原料气，采用ICI-AMV节能工艺，主要具有一段（转化）炉负荷低、二段（转化）炉加过量空气、燃机驱动空气压缩机、氨合成压力低等工艺特点，装置于1996年10月投产，整体运行稳定，综合能耗较低。其工艺特点之一为二段炉加入过量约20%的空气，将一段炉转化负荷部分移至二段炉，以节约一段炉燃料气消耗并利于系统废热的回收，但此举导致合成回路较多的惰性气积累（设计惰性气含量≤8.4%），为维持氨合成系统效率，采用大量连续排放弛放气的方法（满负荷生产时弛放气量大致在22.5～23.8 km3/h，弛放气氢含量约62%～65%、氨含量约1.5%～2.0%），虽然降低了系统内的惰性气含量，但同时排放了大量的原料氢气及氨。为回收弛放气中的氢气，采用德国林德制冷技术（冷箱）——合成气压缩机循环段出口弛放气（压力约10.4 MPa），经水洗塔水洗回收氨（氨回收采用水循环吸收，再生提纯的氨经提压送至合成回路氨受槽）并经分子筛干燥后，通过冷箱实现组分分离，将氢气回收（氢回收率大致在90%）至合成气压缩机循环段入口。有经验表明，冷箱能否正常生产会影响约12%～15%的氨产量[1]，因此，冷箱及时投运和长时间稳定运行对合成氨装置的能耗影响巨大。针对富岛一期合成氨装置弛放气氢回收冷箱大修后重启过程中开车时间长尤其是制冷时间长的问题，从冷箱制冷原理和制冷过程中冷量的变化着手进行分析，找到了节约冷箱制冷时间的措施，2024年2月一系列操作优化措施落实后，效果良好，实现了系统的节能降耗。以下对有关情况作一介绍。
1 弛放气氢回收冷箱系统概述
1.1 冷箱系统流程简介
回收氨后的弛放气，自上而下通过分子筛吸附器（11R001A/B，2台分子筛吸附器轮流吸附、再生，切换周期为24 h）将其中的水分和氨除至均小于0.1×10-6后进入冷箱换热器（11E001），与减压后的膨胀的富氢气、弛放气尾气（冷箱出口尾气）逆流换热，11E001热端出口温度（TI11031）降至-190 ℃左右，然后进入原料气分离器（11F001），将液态的CH4、Ar、N2分离，而提纯的富氢气经减压膨胀并在11E001中被加热后返回合成回路（此路富氢气简称返氢），富氢气流量由压力调节阀（PC11030）控制；11F001底部液体经节流阀（LV11032）减压，在11E001复热后作为燃料气送往一段炉燃烧。此外，设置冷箱辅助制冷阀（HV11034），在系统开车或冷箱工况不佳时投用，但投用HV11034会造成部分富氢气减压至冷箱弛放气尾气中（尾气送往一段炉燃烧或放空）。弛放气氢回收冷箱系统工艺流程如图1。
弛放气氢回收冷箱换热器（11E001）为一壳体外径964 mm、高8 135 mm的直立式换热器，内部有规格Φ6 mm×1 mm的双螺旋缠绕管，11E001弛放气绕管、返氢绕管换热面积分别为605 m2、302 m2，热负荷2 642 kW。11E001与原料气分离器（11F001）整体上组成一台塔器置于冷箱中，夹层充满珍珠岩，并通过充氮气维持珍珠岩夹层为微正压，以防湿空气进入冷箱内结冰并减少冷损。
1.2 冷箱系统开车优化研究背景
冷箱开车最关键的环节为冷箱制冷，系统大修后冷箱重启由常温到工作温度（约-190 ℃）耗时约28～29 h，原始开车时耗时约30 h[2]，而理论上冷箱降温时间在21 h左右（设计降温速率≤10 ℃/h）。另外，富岛一期合成氨装置操作规程中关于冷箱的开车相对于主装置开车来说描述比较简洁，其指导意义大打折扣；同时，工艺人员对冷箱制冷原理的理解不一带来操作思路不同，加之主装置出氨后操作人员容易出现懈怠心理等，都会影响冷箱开车或冷箱制冷进度。为此，拟开展冷箱开车优化研究，其目的是节约3～4 h的开车时间，实现合成氨装置的节能降耗。
2 冷箱工作原理及获取低温的方法
2.1 冷箱工作原理
回收氨后的弛放气中含有氢气、氮气、甲烷及氩气等，其中氢气的含量最高，由于任何气体在提高压力和降低温度时都可变为液态，不同的气体其液化温度不同，冷箱即是利用其在某一压力下液化温度不同而实现气体分离的。弛放气中氢气的冷凝温度最低、最难冷凝，弛放气中各组分冷凝温度由低到高的顺序为氢气、氮气、氩气、甲烷。
2.2 冷箱获取低温的方法
工业上获取低温的方法主要有两种，一种是不对外做功的绝热膨胀（等焓膨胀），另一种是对外做功的绝热膨胀（等熵膨胀）。实际生产中，气体不对外做功的绝热膨胀存在摩擦、泄漏、冷损等各种损失，不可能是等熵过程，而是熵增大的不可逆过程，故实际上绝热膨胀过程产生的温度降较等熵膨胀产生的温度降要小。在气体混合物的分离过程中，通常采用节流的方法来达到降低混合气体温度的目的——流体通过节流元件时，压力降低，体积膨胀，流体分子间距离增大，分子间动能减小、位能增大，而动能减小的表征为温度降低。
富岛一期合成氨装置弛放气氢回收冷箱制冷节流过程用的是节流阀（LV11032），其结构简单，也便于操作，类似等焓膨胀。而富岛二期1 500 t/d合成氨装置采用KBR工艺，冷箱设置在甲烷化系统后[3]，其冷箱节流过程使用的是膨胀机（回收膨胀功发电）。节流阀适用于气体和液体，而膨胀机仅适用于气体，不允许气体在膨胀过程中出现液体，否则膨胀机叶轮将加速磨损。富岛一期合成氨装置弛放气氢回收冷箱制冷时气液非均相状态通过节流阀，久而久之存在对节流阀阀芯磨损伤害的可能。2009—2021年，冷箱原料气分离罐一直无液位控制，不仅造成LV11032阀芯磨损，而且造成尾气中氢含量比设计值高出20%左右，导致有效成分损耗较大[4]。
3 冷箱开车过程冷量变化分析
从冷箱系统的工艺流程和冷箱换热器（11E001）结构来看，热端为弛放气进11E001管程，冷端由两部分组成，一部分为热端管线缠绕的管程（走返氢），另一部分为11E001壳程（走弛放气尾气），冷箱开车冷量变化需要考虑过程中这两部分冷量的变化。而对于究竟有没有提供冷量，有一条标准为流体经过该处时是否有压力变化或有没有节流膨胀。据冷箱工作原理及制冷原理，冷箱由常温制冷至正常工作温度，返氢完毕，在这个过程中，其冷量的提供实际上有一个变化过程。通过分析数次冷箱开车操作以及开车过程中出现的现象，将冷箱开车过程冷量变化分为四个阶段。
3.1 制冷初期（冷箱温度由常温降至-160 ℃）
制冷初期，冷箱无相变制冷。系统大修后重启过程中，当分子筛干燥器出口微量（露点）合格后，用充压小旁路对冷箱进行充压，充压平衡后，打开冷箱入口阀（TV11009），冷箱并入系统，稍开节流阀（LV11032）或富氢气流量调节阀（PC11030），冷箱开始制冷，PC11030后返氢放空阀全开，弛放气尾气后管道压力[即去一段炉燃烧尾气压力（自动控制），多余尾气放空]只有约0.2 MPa，此时LV11032和PC11030前后压差均非常大，两处均在节流膨胀，共同为冷箱制冷提供冷量，过程中只有气相减压膨胀制冷，无相变。此阶段系统弛放气量由弛放气放空阀（PC10008，氢回收冷箱系统未开车时弛放气由PC10008放空）、PC11030、LV11032的开度共同决定，冷箱辅助制冷阀（HV11034）因前后几乎无压差，打开实际上无意义，并不能提供冷量。冷箱温度由常温降至-160 ℃的过程中，降温速率≤10 ℃/h。
3.2 制冷中期（冷箱温度由-160 ℃降至-186 ℃）
当冷箱换热器（11E001）热端出口温度（TI11031）达-160 ℃时，弛放气中的甲烷开始冷凝，随着温度逐渐降低，冷凝量越来越多，冷箱原料气分离器（11F001）开始出现液位，此时通过节流阀（LV11032）的流体中既有气相也有液相，通过节流减压时，液相闪蒸膨胀为气相，过程中会吸收周围热量而发生相变制冷。此阶段制冷量相较于制冷初期来说更多了，但需要认识到的是，TI11035（离开11F001进11E001尾气温度）、TI11033（离开11F001进冷箱返氢温度）与TI11031越来越接近，温差与正常工作时更接近了，降温速率变慢，降温更加困难。
3.3 制冷后期（冷箱温度-186 ℃下返氢操作）
更多内容详见《中氮肥》2025年第2期