合成氨系统停车后氧含量升高的原因分析
余士良
(云天化国际化工股份有限云峰分公司 宣威 655413, [摘要], 本文介绍了在合成氨系统短期,在八小时以内,停车检修后开车时煤气系统存在的氧含量高的问题,并从循环洗涤水中的解吸氧,气化炉开车时下吹煤气管道内的填充空气,清理洗气箱过程带入的空气,煤气总管温度降低后易形成负压而吸入的空气等四个方面进行原因分析、计算和论证。分析并提出了解决合成氨系统停车及开车时氧含量高的原因及采取的措施,并在实际生产中得到了充分的证明和体现,解决了合成氨系统停车检修后开停车过程因O2%含量高而长期捆扰的问题。
[关键词],合成氨系统 停开车过程 氧含量高
解决方法 原因分析
前言:合成氨生产用原料气中O%含量的控制是合成氨生产的2
重要关键指标和安全生产指标,在正常生产时半水煤气中O%含量一2般都能控制在指标(?0.5%)以内。但半水煤气中O%的存在,对2变换系统操作及触媒影响极大,并消耗一定量有效气体和大量的蒸汽,若O%升高超标,对安全生产是一极大的威胁。 NH系统停车23检修后开车时,半水煤气中O%的控制十分重要,为确保安全,在合2
成氨系统开车过程中,必须对煤气风机进口及压缩机进口O%含量进2行控制,取样分析,确保在指标范围内方可启动。但每次系统停车检
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修后开车时往往出现半水煤气中O%升高超标达0.7—1.0%,偶尔甚2
至高达1.2%。得多次对气柜及煤气管道中的半水煤气进行放空置换,影响系统的开车进度并浪费大量气体,对消耗及职业健康都是不利的。
一、 存在问题及现象
公司合成氨生产系统是上世纪60年代末建厂70年代初投产的老
装置,存在系统管线特别长,各工序装置分散等特点,在运行过
程中,因设备、管道故障、电仪故障等而进行系统短期停车检修
频次较高,每次检修后开车时,半水煤气中O%含量难以控制,2
刚开车送气时,气柜中O%含量每次都超过0.5%的指标,生产2
管理部门及生产调度责怪煤气发生炉岗位及相关管理人员不重
视,未取样分析就将O%含量超标的水煤气送出。而煤气发生炉2
岗位及工艺管理人员觉得十分委屈,在每次停车、开车时都感到
神情紧张,厌倦系统停车,每次停车后开车时都小心翼翼地对煤
气炉进行反复升温,并联系质量检验人员取样分析合格后(O%2
含量小于或等于0.4%),由质量检验人员向生产调度汇报后才开
车送气,但当煤气送到气柜后,气柜O%逐渐升高超标达0.7—2
1.0%,只有停止送气,气柜进行放空置换。公司领导、部门、分
厂领导十分着急,组织部门、分厂工艺人员、仪表人员及管理人
员召开多次现场分析和集中讨论会,从多方面,多角度进行原因
分析,针对产生O%含量的可能的原因采取相应的措施。在20092
年9月25日、2010年2月10日、2010年4月2以及2010年3
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月5日,合成氨生产系统停车检修后开车时得到了较为满意的结
果:系统停车过程中,气柜及煤气总管的O%含量一直保持在2
0.4%以下,开车时气柜中O%含量控制在0.5%以内,使合成氨2
系统在开车后转入正常生产的时间提前2,3小时。下面就NH3
系统停车检修后,开车时O2%高的原因及控制措施以及合成氨
系统正常生产时原料气(半水煤气)中O%量产生的原因及其控2
制措施作一些初步的分析和论述。
二、 合成氨系统停车检修后开车过程氧含量升高的原因分
析
根据多方取样取证和认真的思考,排除了各个疑点,笔者认为导致合成氨系统停车后开车时水煤气中O%高的原因有以下几个方面。 2
1、 煤气发生炉系统停炉后,清理洗气箱时对开车时O%2
的影响
合成氨系统进行短时停车检修时,为确保安全,气柜作为一个独立单元,在进出口加水封,循环水系统正常运行,煤气发生炉各炉洗气箱出口阀关闭,气化工序趁停车之机,对各炉洗气箱进行清理。中氮流程中,每台发生炉均配置一台洗气箱,其结构为上部为圆筒形,内径3000mm,高1950mm;下部为圆锥形,内径3000mm,高度1150mm.
22其体积为:V=V+V=πrh+1/3πrh 圆柱圆锥12
223=(3.14159×1.5×1.95)+(1/3×3.14159×1.5×1.15)=16.49 m (1) 若洗气箱清理时水全部清空,加水时未开放空阀,则清理洗气
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3箱过程带入的O总量为:16.49×21%=3.46m。煤气发生炉洗气箱出2
口煤气总管至洗涤塔进口(仪表测量点)距离共90m,管径为φ1220
3×10,其体积为101.8 m,则洗涤塔进口处瞬间O%最高可达: 2
3.46/101.8=3.4%。
送入气柜后可使气柜O%量升高:3.46/6000×100%=0.06% 2
3(停车后气柜高度一般控制在6000m),
若果3台炉送气,则影响气柜O%升高0.18%,加上原气柜中的氧含2
量0.40%,则气柜出口氧可达0.58%。
(2)若洗气箱清空后加水时,开放空排气,则带入的O量为: 2
223 πrh×21%=3.14159×1.5×0.66×0.21=0.98m3
(洗气箱加水正常后,上部气体空间高度为660mm) 当开车送气时,将影响洗涤塔进口处瞬间O%高达: 2
0.98,101.8 ×100%=0.96%
送入气柜后将影响气柜出口氧量升高:
0.98,6000 ×100%=0.016%
若3台发生炉送气将影响气柜O%升高0.048%,加上原气柜中的煤2
气O%含量0.40%,则气柜出口氧含量可达0.448% 。 2
2(发生炉送气时,因下吹煤气温度低导致开车时O%升高 2
中氮肥厂发生炉工艺流设置煤气三通阀,下行煤气没有经过废热回收装置而直接进入洗气箱,下行煤气不能放空置换。在正常生产时,下行煤气温度均在230,300?左右,在上吹阶段,下行煤气管内由200,250?蒸汽进行填充,当转入吹风阶段时,炉底下行煤气管不会
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有空气残存。而系统停车后,开炉时,下行煤气管内温度只有50,60?,在上吹阶段进入下吹管的填充蒸汽被冷却,在吹风阶段,因下行煤气管内蒸汽被冷却,体积缩小而导致空气进入下行煤气管作填充气体,当进入下一个循环的下吹阶段时,下行煤气管道内的填充空气被赶入洗气箱,经洗涤塔洗涤后进入气柜。因此,出现发生炉停车后升温送气时单炉O%分析合格(均在0.5%以内),但洗涤塔进口的2
O%却高达1.0,1.5%,主要原因之一就是下行煤气管内的填充空气2
被赶入煤气总管所致。
φ3000发生炉下行煤气管规格为:φ770×10,长度为15米。则
23体积为:(0.75/2)×3.14159×15=6.62m
因空气填充进入下行煤气管道带入的O量为: 2
36.62×21%=1.39m。
则每个循环在下吹阶段因下行煤气管填充进空气而导致洗涤塔进口瞬间O%可达:1.39/101.8 ×100%=1.36% 2
则影响气柜出口氧升高:1.39/6000 ×100%=0.023%
当转入上吹阶段时,洗涤塔进口氧含量将恢复正常(0.3,0.4%)。因此,在实际系统停车后升温送气前一段时间内,洗涤塔进口在线监测O%含量在0.3,1.6%之间呈跳跃式峰谷趋势,待运行一2
段时间后,下行煤气温度升高到正常温度值时,洗涤塔进口在线监测O%表将降至0.20,0.40%。 2
3(当系统停车,煤气总管温度降低后易形成负压状态
(1)合成氨系统短期停车检修时,避免各工序之间的相互影响,
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气柜进出口水封加水封住,发生炉各炉洗气箱煤气出口阀关闭。即发生炉出口至气柜进口间的煤气总管被隔离开。在正常运行时。经洗涤塔洗涤后,出口煤气温度在40,45?(根据季节气温变化而有差异),系统停车后,煤气管道温度将逐渐降低至室温(20?左右),所以煤气管道内气体压力下降,因气柜及煤气管道内压力较低,所以煤气管道内的低压气体更近似于理想气体,则根据理想气体状态方程:
PV,T=PV,T111222
因管道体积未变,属于等容过程。则有:P,T=P,T。 1122而系统刚停车时(气柜进口水封未封住),煤气管道内的压力主要来源于气柜自重产生的压力及作用于气柜顶部的大气压力,则:
P=P+P=10330×0.8+300 气压表1
其中:0.8——当地大气压(0.8atm)
300——煤气总管压力(300?H2O)
10330——1 atm=10330?
则 P = PT,T=(10330×0.8+300) ×(273+20)/(273+45)2122
=7891 mmHO 2
当地气压按0.8atm计(8264 mmHO)。经计算说明煤气温度降低后,2
煤气总管压力下降到低于大气压,并形成负压,其负压数值为:
7893-8264=-373 mmHO。 2
(2)在正常生产过程中,煤气中均含有部分水蒸汽,煤气经过洗气箱,洗涤塔洗涤后的煤气称湿煤气,湿煤气中含水汽量为45?
333时为68.7g/Nm,40?时为51.2g/Nm,20?时为17.4g/Nm(摘自《造
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气技术问答》一书)。正常生产时,煤气温度为45?,煤气中水蒸汽
3含量为68.7 g/Nm,换算成体积比为:
33368.7/18 ×22.4=85.52L/ Nm=0.0855m/ Nm=8.55%
20?时,煤气中的水蒸汽量换算为体积比为:
17.4/18 ×22.4/1000 ×100%=2.16%
根据理想气体状态方程:
PV=nRT, 则有P= nRT/V。
P= nRT/V P= nRT/V 11112222
其中P、T为刚停车时煤气总管的压力和温度。 11
P、T为停车后煤气总管温度将到常温时的压力和温度。 22
P=1.013×0.8+300/10330=0.8394atm 1
V= nRT/P V= nRT/P11112222
因是等容过程,V= V 12
3即气柜前煤气总管及洗涤塔的容积,经测量计算为900 m
则nRT/P= nRT/P 则 P= nRT P/ nRT 111222222111
其中n1= V1 P1/ RT=0.8394×900?(0.08206×318)=28.95kmol1
n= n,900×(8.55%,2.16%)?22.4=28.95,2.57=26.38 kmol 21
则P= nRT P/ nRT= nT P/ nT 22211122111
=(26.38×293×0.8394) ?(28.95×318)=0.705atm
说明温度降低到20?时,因温度降低,气体体积缩小及6.39%的水蒸汽被冷凝成水排出后,煤气总管内的绝对压力只有0.705atm,低于当地大气压(0.8atm)0.095atm,即形成负压状态。形成负压后,
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经过煤气总管水封阀门填料、导淋、取样点以及煤气发生炉洗气箱出口阀填料(因煤气出口阀开关时,容易松动填料产生泄漏,当存在负压时,最容易从此处吸入空气),如果不及时处理或未发现,则吸入的空气最大量可根据理想气体状态方程PV=nRT计算:
即当煤气总管内压力与大气压相等时的气体摩尔数为:
n= PV/RT=0.8×900?(0.08206×293)=29.95kmol 平
则可能吸入的最大空气量为:29.95,26.38=3.57 kmol
3 3.57×22.4=80.0m
3吸入的空气的氧量为:80.0×21%=16.8 m
则煤气总管内的O%最高可达:16.8/900 ×100%=1.86% 2
即因温度降低及部分水蒸汽冷凝后,体积收缩形成负压吸入空气后,可使发生炉至气柜间煤气总管的氧含量升高到1.86%。若开车时送入气柜,将使气柜出口氧含量升高0.28%,加上正常时煤气总管及气柜中0.40%的氧含量,则气柜出口O%将达(0.40%+0.28%)=0.68% 2
4. 循环洗涤水中的解吸氧对半水煤气中O%含量的影响 2
系统停车后为保持洗气箱及洗涤塔水封有正常溢流水,循环水系统多保持正常运行,洗气箱及洗涤塔正常上水。而根据温度的不同,水中一般含有5,14mg/L的溶解氧。在同样的温度和压力下,不同的气体在水中的溶解度有很大的差别,而O、CO等气体在水中的22
溶解度很小,是难溶气体。而亨利定律适用于难溶、较难溶的气体。因此煤气的洗涤过程适用于亨利定律。即
P*=EXAA
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即溶质气体在溶液面上方的平衡分压与溶质在溶液中的摩尔分率
成正比。
其中: P*——溶质在液面上的平衡分压 A
E——亨利常数,单位与压力相同
X——溶质在溶液中的摩尔分率。 A
其中 XC/ C E=C / H A=A
C——为混合物的总摩尔浓度
C——为溶液中溶质A的摩尔浓度 A
3 H——溶解度系数,是温度的函数,单位为kmol/m.Pa
3或kmol/m. atm
水中的溶解氧量的大小与温度变化的关系较大,即温度升高时,水中溶解氧量将下降。锅炉使用的除氧软水或脱盐水就是利用这一原理进行除氧(热力除氧原理)。但水中氧含量除与温度有关以外,还与水接触的气体中氧的分压有关,即解吸除氧。
根据亨利定律:即氧在水中的溶解度与水接触的气体中氧的分压力成正比,而气体中氧的分压又与气体中氧的含量成正比,故将待除氧的水与无氧或贫氧的气体强烈搅拌混合,则水中的溶解氧则快速扩散到气体中,使水脱氧,达到解吸除氧的目的。
煤气的洗涤、冷却、降温过程正好符合上述现象。即与大气相接触的水中含有5,14mg/L的溶解氧。当进入洗涤塔经过喷头喷射,并与洗涤塔内的瓷环高速冲击时,产生强烈的飞溅混合,而与洗涤塔接触的半水煤气中的氧含量只有0.3,0.4%(属贫氧气体)远远小于
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空气中的氧含量(21%)。因此,水中的溶解氧将解吸到半水煤气中,使半水煤气中O%升高。下面通过计算证明该过程的解吸动力及对半2
水煤气中O%的影响程度。 2
(1)与大气接触的循环水中溶解氧的计算
a(正常生产时,进洗涤塔的水温在30?,出洗涤塔的水温在45?。洗涤塔处半水煤气压力为450mmHO,大气压为0.8atm。查《化2
工原理》可知:30?时,氧的亨利系数为:
4E=4.75×10 atm。 O2
根据亨利定律 P=EX 则 X=P/E
则水中氧的最大浓度C计算为: O2
4-6X=(0.8×0.21)?(4.75×10) =3.537×10 O2
-6而X=C/C 则C=X?C=3.537×10×55.56 O2O2O2
-43 =1.965×10 kmol/m
-4=1.965×10mol/L
= 6.288mg/L
3其中 55.56 kmol/m——为溶液的摩尔浓度。可近似地看为水的密度和平均分子量。即 C=ρ/M S
3 =1000/18=55.56 kmol/m
X——为O2在溶液(水中)的摩尔分率。 O2
C——为溶液(水中)O2的摩尔浓度。 O2
b(当系统停车一段时间后,进出洗涤塔的水温将下降到20?,洗涤塔处半水煤气压力降到300 mmHO。 2
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查《化工原理》可知:
420?时,氧的亨利系数E=4.01×10 atm O2
根据亨利定律 P=EX 则 X=P/E
4-6X =(0.8×0.21)?(4.01×10) =4.19×10 O2
-6而X=C/C 则C=X?C=4.19×10×55.56 O2O2O2 O2
-43 =2.328×10 kmol/m
-4=2.328×10 mol/L 换算为质量浓度为:
-4-32.328×10×32=7.45×10g/L。
即C=7.45 mg/L O2
(2)(计算证明煤气的洗涤过程伴随有水中氧的解吸
判断煤气洗涤过程是O的吸收还是解吸,要看水中O的平衡22
*分压P是否低于煤气中O的分压P。 O22O2 a( 因系统停车后,洗涤塔处的煤气(煤气中O含量为0.4%)压力2
主要来自气柜自重及作用于气柜的大气压力。
停车后,煤气压力为300 mmHO,大气压为0.8atm。 2
则P=101.34×0.8,2.94=84 kPa 总
其中300×9.81=2.94 kPa
煤气中O的分压为: P=84×0.4%=0.336 kPa 2O2
b(求20?时,水中氧的平衡分压
*根据亨利定律:P=EXX=C/C O2 O2O2
4而20?时, E = 4.01×10 atm
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3C=ρ/M=1000/18=55.56 kmol/m S S
C——为20?与空气接触的水中的氧的摩尔浓度。 O2
-4 -6即:X=C/C=2.328×10/ 55.56=4.19×10 O2O2
*4-6P= EX=4.01×10×4.19×10=0.168 atm O2
*P=0.168×101.34×0.8=13.62 kPa O2
*通过计算P(13.62 kPa)远大于P(0.336 kPa),说明煤气的O2
洗涤降温过程伴随有水中氧的解吸(或脱吸)。 (3)计算与煤气接触的水中的氧的浓度(即水中的氧脱吸后水中氧
的浓度)
a(正常开车时,出洗涤塔水中氧的浓度计算
正常开车时出洗涤塔水温为45?,煤气压力为450 mmHO, 则2
4E=5.35×10 atm O2
煤气总管压力:P=0.8,450/10330=0.844 atm 总
按亨利定律:P=EX
4-8 则X=P/E=(0.844×0.004)/5.35×10=6.31×10 O2O2
由因X=C/C 则C=X?C O2 O2 O2 O2
-8-6 C=6.31×10×55.56=3.506×10 O2
-6-4换算为质量浓度: C=3.506×10×32=1.12×10g/L=0.112 mg/L O2
b(系统停车后,出洗涤塔水中氧浓度计算 出洗涤塔水温为20?,煤气压力为300mmHO 2
420?时,E=4.01×10 atm, O2
煤气总管压力: P=0.8,300/10330=0.829 atm 总
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按亨利定律:P=EX 则X=P/E O2O2
4-8X=(0.829×0.004)/4.01×10=8.27×10 O2
由X=C/C 则C=X?.C O2O2O2 O2
-8C=8.27×10×55.56 O2
-6 C=4.595×10mol/L O2
-6换算为质量浓度: C=4.595×10×32 O2
-4C=1.47×10g/L O2
C=0.147 mg/L O2
c, 系统正常开车时,煤气洗涤、降温、除尘过程与水直接接触时,每立方米水将解吸出O量为:6.288,0.112,6.176g 进入半水煤气2
3中。而正常生产时,每小时经过洗涤塔煤气总量为51000m/h、循环
3洗涤水量为600 m/h,则因水中氧脱吸导致半水煤气中的O%含量的2升高量为:
7-5 (6.176×600/32) ×22.4/51000×10=2594/5.1×10=5.1×10
=0.0051%
由计算可知,系统正常开车时,煤气洗涤、降温、除尘等与水直接接触过程中,从水中解吸到半水煤气中的O含量为0.0051%,占2
正常生产中O含量(0.40%)的百分之一,可以说系统正常开车时从2
水中解吸到半水煤气中的O含量可以忽略或视为0。 2
d, 当系统停车后,洗涤塔正常循环上水时,每立方米水将解吸出O量为:7.45,0.147=7.303g 2
进入煤气总管后,则因水中氧量脱吸到煤气总管及洗涤塔中O的体2
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3积量为:(7.303/32) ×600×22.4,3067L=3.067m/h 而停车后,无气体送出,脱吸出的氧全部富积在煤气总管内(体积
3900m),将导致煤气总管内O含量的升高量为: 2
3.067/900×100%=0.34%
即系统停车后,循环水正常运行时,停车初期,煤气总管及洗涤塔中氧含量以每小时0.34%的幅度增加,随着煤气总管的O%升高,2O分压升高,出洗涤塔水中的氧浓度逐渐升高,煤气总管中的氧含2
量的升高幅度逐渐呈递减趋势,如《停车时间与煤气总管O%及出洗2涤塔水中的氧浓度趋势图表》,。
因此,停车后,未停循环水是导致半水煤气中O%升高的主要原2
因之一。
如果不及时处理或不开放空进行置换,停车后循环水长时间运行,当洗涤塔出口水中氧含量与进水中氧含量相等时,氧的吸收和脱吸达到平衡,经计算,此时煤气总管和洗涤塔内的氧分压将达0.168atm,煤气总管内的氧含量将会达20.6%。如果这部分气体送入气柜,将会使气柜O%含量升高2.06%。具体祥见下面《停车时间与煤气总管2
O%及出洗涤塔水中的氧浓度趋势计算图表》。 2
每m3水中
煤气总管出洗涤塔解吸出的使煤气总煤气总管停车时间O2%初期水中O2%浓O2量管O2%升高累计升高(小时) (%) 度(mg/L) (g/m3) 量(%) 量(%)
0 0.40 0.112 6.176 0.0051 0.405
1 0.40 0.147 7.303 0.340 0.74
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2 0.74 0.272 7.178 0.335 1.08
3 1.08 0.396 7.054 0.329 1.41
4 1.41 0.517 6.933 0.324 1.73
5 1.73 0.636 6.814 0.318 2.05
6 2.05 0.753 6.697 0.313 2.36
7 2.36 0.867 6.583 0.307 2.67
8 2.67 0.981 6.469 0.302 2.97
9 2.97 1.092 6.358 0.297 3.27
10 3.27 1.202 6.248 0.292 3.56
11 3.56 1.308 6.142 0.287 3.85
12 3.85 1.415 6.035 0.282 4.13
…… …… …… …… …… ……
98 / 7.450 0.000 / 20.60
根据上表数据可得:
停车时间与煤气总管O%及出洗涤塔水中的氧浓度趋势计算图 2
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计算条件:循环水量600m3/h;煤气总管体积900m3 4.500%
4.000%
3.500% 出洗涤塔水中O2%浓度
(mg/L) 3.000%
2.500%
使煤气总管O2%升高量(%) 2.000%
1.500%
煤气总管累计升高量(%) 1.000%
0.500%
0.000% 小时
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
三、 合成氨系统停车后开车时O%升高的原因分析汇总 2
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序影响洗涤塔进% 影响气柜O2号 原因分析 口O%升高量 升高量 2
(%) (%) 1 清理洗气箱带入系统O2
0.96/炉 0.016/炉
量
2 发生炉送气时,下吹管带
1.36/炉 0.023/炉
入系统O量 2
3 系统降温,水汽冷凝后形
1.86% 0.68%
成微负压
4 系统停车后,循环水脱吸递增0.34%,小2.06%(要有足够
的氧 时 长时间,98小时
以上)
从上表的原因分析汇总可知,清理洗气箱带入系统O量及发生2炉送气时,下吹管带入系统O量只有在系统开车过程才会反映出来。2
而系统降温,水汽冷凝后形成微负压及系统停车后,循环水脱吸出的氧在停车过程中就直接反映出来,系统降温,水汽冷凝后形成微负压时,则使系统(洗涤塔进口)氧含量迅速大幅升高;循环水脱吸出的氧则使系统(洗涤塔进口)氧含量缓慢升高(洗涤塔进口氧含量递增0.34%,小时)。
四、解决系统停车后开车时O%高的措施 2
根据上述原因分析,我们在系统停车后采取以下措施 (1)(合成氨系统停车后,必须停循环水,并保持洗涤塔出口水封有
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足够高度,确保水封不冲破或关闭水封出口阀门。 (2)(从气柜进口管处增设一根φ108附线管至煤气总管,停车后利用
气柜中的煤气及自身重力,保持煤气总管处于正压状态。 (3)(改变系统停车时清理洗气箱的习惯,正常开车后各炉再轮流清
理,清理后进行短时置换。
(4)(针对中氮发生炉流程下行煤气无放空的缺点。在下行煤气管道
上增设蒸汽吹净,将下吹管内填充的空气赶入发生炉系统与碳进
行气化反应。
五、结论
2009年9月25日、2010年2月10日、2010年4月2日系统停车检修后开车以及2010年3月5日系统停电紧急停车后开车时,我们采取以上措施进行控制氧含量,效果比较明显。开车过程气柜O%2含量均控制在0.5%以内,使合成氨系统在开车后转入正常生产的时间提前2,3小时。同时,杜绝了因O%高而置换放空的气体损失,2
彻底解决了长期以来捆扰合成氨系统停车检修后开车时氧含量高的难题,对节能减排及安全生产具有重大意义。
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