低温甲醇洗系统净化气CO2含量超标的原因排查与处理

余 顺

(鄂尔多斯市西北能源化工有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010321)

鄂尔多斯市西北能源化工有限责任公司(以下简称西北能化)主营业务为煤制甲醇，项目一期规划产能30万t/a，已于2016年9月建成投产。项目主要生产装置采用了西北化工研究院多元料浆气化技术、大连理工大学低温甲醇洗工艺、华东理工大学催化合成反应器、氨法脱硫脱硝和超滤加反渗透水处理等技术。

近年来，随着石油和天然气资源的日趋紧张，以煤为原料发展煤化工备受重视，煤化工也成为了我国经济发展与能源安全的长远战略。其中，煤气化制取合成气是非常重要的工艺流程，H2S、CO2、COS等酸性气体净化是煤气化制取合成气工艺过程中的重要环节之一，低温甲醇洗技术在煤制合成氨、甲醇、天然气等煤化工领域的应用变得尤为重要[1-2]。

在西北能化低温甲醇洗工序中，合格的变换气通过低温甲醇的物理吸收溶解[3]，将变换气中的酸性气脱除，使净化气中CO2体积分数≤3.115%±0.200%，总硫质量分数<0.1 μg/g后送往甲醇合成工序。2020年 12月19日16∶00，出CO2吸收塔(C-2201)的净化气量开始逐步上长，18∶00时CO2吸收塔的净化气量超流量计上限，CO2在线分析数值[4]也随之上长。为控制CO2指标含量，C2201塔顶甲醇质量流率由初始的152 t/h增加至188 t/h，贫液泵电流由初始的55.89A上调至59.8A，但CO2含量增长仍无法控制。结合西北能化的实际情况，通过对CO2含量的超标现象逐一排查分析，最终确定CO2含量超标原因，并对泄漏设备进行了处理。

1 低温甲醇洗工艺流程

西北能化低温甲醇洗工艺流程[5-6]如图 1所示。图中编号为贫-富甲醇换热器编号。从C-2202塔底部出来的含有H2S和少量CO2的甲醇被3号甲醇液泵抽出。经富甲醇过滤器过滤后，在1号贫甲醇冷却器(E-2209)和热再生塔进料加热器中加热后进入热再生塔(C-2203)，经甲醇蒸汽加热气提再生后，硫化物和残余CO2随甲醇蒸汽由塔顶排出，部分冷凝下的甲醇分离下来，升温后送至界外硫回收。经C-2203再生后的甲醇由塔底送出。塔底由隔板将其分为冷区和热区，热区侧有热再生塔再沸器提供热量，冷热区在塔外有连通管，热区的甲醇溶液经热再生塔底泵抽出，在贫甲醇过滤器中过滤，然后大部分甲醇溶液与从冷区底出来的甲醇液汇集在热再生塔进料加热器中换热降温后到贫甲醇罐(V-2204)，V-2204中的甲醇被P-2204升压后，在水冷器E-2218、E-2209及其他换热器中换热降温至约-54℃，进入C-2201塔顶部作为洗涤液。

图1 低温甲醇洗工艺流程示意

2 CO2含量超标过程中生产运行指标排查分析

2.1 甲醇热再生塔效果差

在此期间，热再生塔液位持续维持在74%高液位，去V2204罐调节阀开度由原来40%开至85%，液位仍无明显下降趋势。热再生塔底由隔板将其分为冷区和热区，热区侧由热再沸器提供热量，再生热源由工厂2.5 MPa蒸汽提供，热再生塔操作压力为0.21 MPa，极有可能因热再沸器内漏造成蒸汽凝液大量窜入，再生甲醇水含量超标，致使贫甲醇吸附能力下降，净化气CO2含量超标。后经现场取样分析贫甲醇水含量正常，排除了热再沸器的影响。

2.2 CO2吸收塔塔内件脱落

如果低温甲醇洗系统接变换气时太快，变换气在吸收塔内流动速度过快，容易将塔板吹翻或者塔板上浮阀吹落造成液体短路，气-液不能有效接触，吸收洗涤效率明显降低，可导致净化气中CO2含量超标[7-8]。当C2201液位降至26%时无法维持，故将塔顶洗涤甲醇流量由初始的152 t/h增加至188 t/h[9]，贫甲醇泵电流由初始的55.89 A上调至59.8 A，CO2含量仍无法控制；气化炉减至70%负荷，系统CO2含量仍居高不下；后采取变换后放空查找原因，C2201甲醇液落塔后，液位仍达不到正常液位，再通过加大补液量收小排液阀，仍不见好转。C2201塔的全容积为320 m3，当进液量188 t/h，排液量为71 t/h的计算，仅需2.2 h就可将C2201塔灌满，可排除塔内件损坏造成CO2超标。

2.3 贫-富甲醇换热器E2209内漏

通过贫甲醇泵电流由初始的55.89 A上调至59.8 A可判断洗涤甲醇流量为真实值，贫-富甲醇换热器E2209去热再生塔温度由原来的31 ℃上调至41 ℃，很有可能管程中的高压高温贫甲醇液窜入壳程低压富甲醇管线，判断E2209发生内漏[10]，导致贫甲醇溶液内部打循环。通过分析E2209富甲醇管线进口和出口甲醇中H2S含量，进口为1 400 μL/L，出口为350 μL/L，说明出口富液因设备泄漏被贫甲醇稀释近4倍。从以上现象及分析数据进一步判断该换热器存在内漏现象。

3 贫-富甲醇换热器E2209泄漏的处理措施

通过查询设计员，E2209换热器换热面积是按130%的设计，余量充足。为了尽快恢复生产，采用的处理方式为焊接锲形堵头，对泄漏列管两端进行封堵，对检测出的漏点及泄漏原因分析进行预防性堵管，即对壁厚减薄或容易发生泄漏的列管进行堵管。

2020年12月20日工艺装置停车，甲醇洗部分装置排液，同步配置换用中压和低压氮气管，将E2209系统进行盲板隔绝，12月22日9∶00 E2209置换合格。9∶55封头切割：开始封头切割划线，原封头管口安装位置做标记，划线结束后11∶00进行封头切割，上封头切割用时2 h，下封头切割用时2 h，均使用等离子切割机LGK-100，外接工厂空气进行作业。15∶00两封头切割结束(两封头两组人同时切割)，16∶00封头挪出设备进行坡口加工。16∶30管箱送加工厂进行坡口加工，加工时间一天(上管箱2020年12月23日8∶00返厂，下管箱12∶00返厂)。壳程充入中压氮气将压力升至1.0 MPa查漏，发现一根列管泄漏，采用的处理方式为焊接锲形堵头，并对其周围壁厚减薄或容易发生泄漏的列管进行预防性堵管，共堵管11根。

图2 E2209堵管现象

封头焊接：12月23日下午3∶00准备吊装上封头，准备焊接材料，调试焊机，氩气，5∶30开始焊接上封头和垂直管一道口，上封头采用的是短节与管箱直接V型口焊接，24日凌晨两点焊接结束上管箱。下封头采用加垫板的焊接工艺，23日16∶00开始下管箱的就位工作，下管箱通过电葫芦作业，就位时间较长，24日凌晨3∶00下管箱与短节对接完毕，开始施焊作业，焊接从24日3∶00持续到中午1：30结束。14∶00开始射线探伤，17∶00探伤结果合格。

4 贫-富甲醇换热器E2209泄漏原因分析

对E2209泄漏原因[11]进行分析，主要有以下几方面。

(1)甲醇溶液中杂质冲刷磨损变换工段触媒粉化、瓷球破碎、变换气夹带煤粉均会导致变换气粉尘含量超标，经甲醇洗涤脱除后，固体小颗粒会在循环甲醇中不断沉降，累积到系统中，造成冲刷磨损。

图3 E2209绕管换热器

(2)绕管在制作过程中过度弯曲及焊接工艺形成的原始隐患，在操作条件不稳定的情况下，因疲劳积累形成缺陷扩展，导致绕管断裂。

(3)因绕管在固定过程中，部分管因卡箍松动，在装置启动阶段，由于贫甲醇管线由常压充到5.5 MPa压力，且富甲醇与贫甲醇温差达到70 ℃，过程存在温差应力及管线抖动，造成列管破裂[12]。

5 结 语

针对低温甲醇洗装置净化气CO2含量超标的原因进行分析，并对生产运行指标异常现象进行逐一排查分析，最终判定为E2209绕管换热器泄漏造成。对E2209泄漏的原因进行了详细的分析，并提出了相应的处理措施。在实际生产过程中，要有排查问题、消除问题、预防问题的思路和方法。在日常工作中对设备维修要做到提前预判，做到预防性检修及更换才是保证系统长周期稳定运行的根本。