兖矿国宏化工有限公司50万t/a甲醇项目酸性气脱除系统采用德国鲁奇公司低温甲醇洗工艺,该工艺设计理念比较成熟,自投入使用以来运行一直比较稳定,但在细节设计方面仍有很多不当之处。
在正常生产中,我们发现了这样一个问题:尾气洗涤塔温度波动比较大,一般情况下,最低温度约4 ℃,最高温度约20 ℃,系统稳定时,保持在10 ℃左右。由于尾气洗涤塔的洗涤液为水,若塔内温度过低,极易造成尾气洗涤塔结冰,导致低温甲醇洗及后系统紧急停车。
系统停车后,立即对系统进行了全面排查,发现尾气洗涤塔已经结冰,低压闪蒸塔闪蒸出的尾气已无法进入尾气洗涤塔。
各段情况及原因分析
根据吸收及解吸的原理可知,富硫甲醇及富碳甲醇在低压闪蒸塔中闪蒸时会吸收大量的热量,同时降低低压闪蒸塔的温度,正常情况下低压闪蒸塔的温度可降至-60 ℃左右。这个过程所产生的冷量也是整个低温甲醇洗系统的主要冷量来源,通过计算,将冷量合理地分配到各个冷量回收点,以确保低压闪蒸塔各段所产生的冷量进入尾气洗涤塔前都能被完全吸收。按照设计,各段尾气最终的混合温度为11 ℃。
调出18:45低压闪蒸塔各段尾气的相关数据,发现事故发生时低压闪蒸塔各段尾气的指标与正常情况相比都有很大的变化。
(1)第一段尾气压力从0.5 MPa降至0.21 MPa、流量从4690 m3/h降至3223 m3/h,证明该段所产生的尾气排放受阻。最终温度升至12 ℃(正常情况下为5 ℃)因为流量降低使携带的冷量减少所致。
(2)第二段压力也从0.2 MPa降至0.19 MPa,而流量、温度的变化却很反常。结合液位为100%,我们可以推测该段尾气携带了大量的甲醇,这部分甲醇不同于平时少量的甲醇蒸气,过多的甲醇没过了尾气排放口,甲醇直接流入尾气管道进入尾气洗涤塔,并在管道及尾气洗涤塔内闪蒸,因此第二段尾气气量由3655 m3/h升高到5669 m3/h,同时经过回收冷量的尾气温度仍然达到了-22 ℃(正常情况下为6 ℃),导致尾气洗涤塔及其液封同时结冰。
(3)第三段数据变化同第一段,尾气压力从0.3 MPa涨至0.19 MPa、流量从5655 m3/h降至4110 m3/h,是尾气洗涤塔结冰、尾气排放受阻所致。
根据上述分析我们得出以下结论。
(1)由于来自主洗塔脱硫段的甲醇控制阀门故障,人为地改变了富硫甲醇和富碳甲醇的比例,导致进入低压闪蒸塔第二段的富碳甲醇过多,且来不及排到第三段,于是这些多余的甲醇进入尾气管线,并最终进入尾气洗涤塔,最后随着这部分甲醇闪蒸出CO2、H2S等,迅速地降低了尾气洗涤塔的温度,最终导致尾气洗涤塔结冰。
(2)低压闪蒸塔所闪蒸的尾气除了进入尾气洗涤塔外,只能通过冲破液封排放。这个设计针对尾气洗涤塔塔盘堵塞是比较有效的,而对于目前这个情况来说,就很难起到作用了。因为液封的密封介质是水,尾气洗涤塔结冰的同时,液封也同样会结冰。
(3)尾气洗涤塔前没有任何保护措施,使得低压闪蒸塔闪蒸出的尾气经过冷量回收后直接进入尾气洗涤塔。这样还存在另一个隐患,即系统不需要这么多冷量时,尾气的温度会变得很低。比如,蒸汽管网压力波动时,热再生塔所闪蒸出的酸性气体会大幅度减少,在这种情况下,低压闪蒸塔第三段的尾气所携带冷量将会有很大盈余,无法在低压闪蒸塔第二段出口换热器中将冷量回收完全,最后这些冷量将会被带到尾气洗涤塔,同样会导致结冰冻堵事故的发生。
改造措施
1. 取消液封设计,改成可人为调节的阀门,作为尾气洗涤塔的短接副线,同时在尾气洗涤塔的出口和入口各加1个阀门,用于紧急情况下方便地停用尾气洗涤塔。改造后,即使尾气洗涤塔出现故障,也不影响整个系统的运行。由于这个设计使尾气不经过洗涤直接排入大气,不但浪费了甲醇,还会污染环境,因此只能在紧急情况下使用,不可长期投用。
2.尾气洗涤塔前增加1个分离器。改造后,可根据分离器的液位直观判断尾气中甲醇的携带量,并及时作出调整,避免过多的甲醇进入尾气洗涤塔闪蒸;同时增加的分离器可将尾气中的液态甲醇分离下来,进一步保证尾气洗涤塔的安全。
3. 在分离器和尾气洗涤塔之间配蒸汽管线。正常情况下,蒸汽阀门关闭;系统因波动、阀门故障等各种原因引起的尾气温度过低时,可以用蒸汽补偿这部分热量,保证尾气洗涤塔的正常运行。