合成氨生產(chǎn)過(guò)程中若干問(wèn)題的經(jīng)濟(jì)處理

王紹周

（山東棗莊化肥廠，山東棗莊 277100）

合成氨工藝較為復(fù)雜，它包含了化工工藝過(guò)程的諸多單元。我國(guó)化肥工業(yè)經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，生產(chǎn)技術(shù)已臻完善。生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題，能否采用有效而又經(jīng)濟(jì)的辦法去解決，關(guān)系到裝置能否安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，是值得我們?nèi)ヌ剿鞯摹Ｏ到y(tǒng)止逆閥，問(wèn)題便可經(jīng)濟(jì)而有效地解決。此外，入爐蒸汽帶水，不但損壞內(nèi)襯，而且降低爐溫，降低蒸汽分解率，增加消耗，雖然多數(shù)企業(yè)都設(shè)有汽水分離器，但效果不理想；采用合適的分離容器，或用新型高效分離器內(nèi)件對(duì)原設(shè)備加以改造，問(wèn)題即可妥善解決。

1 制氣過(guò)程蒸汽消耗問(wèn)題

2 工藝氣油水分離問(wèn)題

各單位對(duì)此非常重視，降低蒸汽消耗的舉措如采用優(yōu)質(zhì)燃料、制氣過(guò)程微機(jī)控制、提高吹風(fēng)強(qiáng)度、提高蒸汽分解率等，這無(wú)疑都是對(duì)的，卻往往會(huì)忽視一些 “小”問(wèn)題，例如，在不制氣時(shí)，因蒸汽系統(tǒng)止逆閥泄漏，高壓蒸汽不時(shí)竄入低壓系統(tǒng)，為了保持系統(tǒng)蒸汽壓力，必需增加鍋爐燃料消耗，凸顯蒸汽消耗增高；擇機(jī)更換蒸汽

工藝氣中的油水分離大家都比較注意。常用的油水分離器，因工廠生產(chǎn)能力擴(kuò)大未經(jīng)改造繼續(xù)使用，往往不能滿足要求。某廠壓縮機(jī)二段出口高溫氣體進(jìn)入以焦炭為過(guò)濾介質(zhì)的總油分，擴(kuò)產(chǎn)后因氣流空速大大提高，出口氣體中油霧夾帶嚴(yán)重，飽和塔填料被油泥粘附，阻力增大，飽和塔出口氣體帶水嚴(yán)重，循環(huán)熱水總固型物又較高，導(dǎo)致?lián)Q熱器進(jìn)口端列管腐蝕，結(jié)垢堵塞，阻力增大，危及正常生產(chǎn)。經(jīng)計(jì)算，在正常操作條件下，對(duì)該廠壓縮機(jī)二段出口總油分進(jìn)行改造，采用原油分外殼，取消焦炭填料，改變氣體流向，安裝二層不銹鋼絲網(wǎng)作為分離煤介，層間距0.4m；投用后，油分出口氣體取樣，用白紙檢查顏色不變，設(shè)備大修時(shí)檢查飽和塔填料干凈無(wú)油漬，換熱器進(jìn)口管端未見(jiàn)結(jié)垢，油分內(nèi)壁及不銹鋼絲網(wǎng)干凈如初。由此，每年可節(jié)省三次更換焦炭的費(fèi)用及時(shí)間，效果良好。

3 催化劑表層結(jié)塊問(wèn)題

生產(chǎn)過(guò)程中，工藝氣帶有的油水霧滴和粉塵等雜物進(jìn)入反應(yīng)器被催化劑層截留，是催化劑表層結(jié)塊的重要原因。因此，氣體進(jìn)反應(yīng)器之前必需認(rèn)真處理。在飽和塔出口管段增設(shè)高效分離器，問(wèn)題便可解決。如原設(shè)有分離器但效率不高，只要容器尺寸合適，改變氣體流向，采用新型高效分離器設(shè)計(jì)原則對(duì)內(nèi)件改造便可達(dá)到目的。某廠中溫變換催化劑，幾年來(lái)每更換一次僅能用4個(gè)月，往后則活性下降、床層阻力大增，直至無(wú)法維持正常生產(chǎn)，必需處理或更換；改造壓縮機(jī)二段出口總油分，以及飽和塔出口原氣水分離器改造后，中變催化劑使用時(shí)間已達(dá)2a，情況良好。如果工廠其他部位的氣液分離器都采用高效分離器結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行改造，一條龍生產(chǎn)將更為穩(wěn)定，綜合效益會(huì)更好。

4 氨合成工段冷量平衡問(wèn)題

有些合成氨廠冷量平衡不太好，特別是夏天，靠開(kāi)冰機(jī)維持，電耗很大。筆者在指導(dǎo)我市電大化工班畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，曾對(duì)某廠合成氨工藝系統(tǒng)冷量平衡進(jìn)行計(jì)算與論證，做了有益的改進(jìn)與嘗試，當(dāng)年付諸實(shí)施并取得成功。后來(lái)被一些工廠采用，效果良好。有關(guān)情況簡(jiǎn)述如下。

合成水冷器因諸多原因冷卻效果差，出氣溫度偏高，液氨分離量少，氨冷器進(jìn)氣溫度偏高，液氨用量增大，冷量入不敷出。如果把水冷器出口氣液混合物引入冷交管內(nèi)，利用冷交管外（即殼程）的低溫氣液混合物的冷量把它初步冷卻后，冷交管內(nèi)出口氣液混合物的去向有二個(gè)方案（如圖1、2所示），一是與新鮮合成補(bǔ)充氣一起進(jìn)入氨冷器管內(nèi)，經(jīng)管外液氨蒸發(fā)吸熱二次冷卻，溫度進(jìn)一步降低，氨冷器管內(nèi)出口低溫氣液混合物再進(jìn)入冷交管外，自下而上進(jìn)行液氨分離并與管內(nèi)氣體混合物進(jìn)行冷量交換，然后進(jìn)入循環(huán)機(jī)，液氨一次性從冷交下部分離。二是進(jìn)入氨分離器，液氨分離后，出氨分的氣體和新鮮補(bǔ)充氣一起進(jìn)入氨冷器管內(nèi)，經(jīng)深度冷卻后，再進(jìn)入冷交管外，所產(chǎn)液氨經(jīng)冷交和氨分二次冷卻二次分離。上述方案有以下優(yōu)點(diǎn)；① 充分利用冷交管外的冷量，顯著提高合成水冷后合成氣中氨的分離量，減輕氨冷器負(fù)荷，冷量平衡有余，又可節(jié)省1臺(tái)氨分離器；② 工藝氣進(jìn)氨冷器前，先分離經(jīng)冷交冷卻析出的液氨，減輕了氨冷器的負(fù)荷；③分離出來(lái)的液氨溫度較低，一定程度上減少了氨冷器的用氨量。

圖1 冷交管程物料至氨冷器流程示意

圖2 冷交管程物料至氨分離器流程示意

綜上所述，采用新流程，冷量平衡有余，可長(zhǎng)年不開(kāi)冰機(jī)，盈氨10%左右，節(jié)電顯著，有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。合成塔出口增設(shè)廢熱鍋爐和氣－氣預(yù)熱器后，水冷出口氣溫度有較大程度降低，液氨分離量有所提高，冷量平衡有很大改善，在這種情況下按上述方案進(jìn)行改進(jìn)，效果更佳。

5 合成補(bǔ)充氣補(bǔ)入位置的選擇

合成補(bǔ)充氣補(bǔ)于冷交管內(nèi)物料出口到氨冷進(jìn)口的管段上。這樣做有很多優(yōu)點(diǎn)：① 可使合成補(bǔ)充氣中微量有毒成分被冷交出口低溫混合氣中液氨洗滌除去，有利于對(duì)合成催化劑的保護(hù)；②消除冷交管內(nèi)堵塞，有利于系統(tǒng)長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；③補(bǔ)充氣補(bǔ)入位置在氨冷器進(jìn)口管，在線循環(huán)機(jī)的負(fù)荷似乎增加了，但是，這部分氣體經(jīng)過(guò)冷交出口氣液混合物的初步冷卻后又經(jīng)過(guò)氨冷器管外液氨蒸發(fā)吸熱深度冷卻，體積大大縮小，只要控制得當(dāng)，經(jīng)計(jì)算，幾乎對(duì)循環(huán)機(jī)吸氣量沒(méi)有影響；④ 補(bǔ)入的新鮮氣幾乎不含氨，可將合成塔進(jìn)口氣氨含量降至2%以下，有利于提高氨合成率和合成氨產(chǎn)量；⑤ 原流程補(bǔ)氣位置為油分離器進(jìn)口，是合成系統(tǒng)壓力最高點(diǎn)，改進(jìn)后補(bǔ)氣位置接近循環(huán)機(jī)進(jìn)口，是合成系統(tǒng)壓力最低處，有利于降低壓縮機(jī)電耗及其安全運(yùn)行。

6 新型高效氣液分離器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

6.1 幾種常用氣液分離器的主要特點(diǎn)

（1）重力沉降式分離器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，生產(chǎn)能力小，占地面積大，少數(shù)場(chǎng)合仍有使用。

（2）填料類分離器。某種填料在一定條件下有一定的使用空速范圍，生產(chǎn)能力擴(kuò)大，空速超過(guò)允許范圍或因填料堵塞時(shí)容易產(chǎn)生二次夾帶而無(wú)法使用，填料需定期清理。

（3）離心式分離器。以旋風(fēng)分離器為代表，效率高，占地面積小，但需較高的進(jìn)口速度，因此有一定的阻力損失，高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生二次夾帶。

（4）電除塵器。去除粉塵和油霧，效率高，在一定的條件下方能使用。

6.2 新型高效氣液分離器應(yīng)具有的性能

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；分離效果好；阻力小；消除二次夾帶；投資小；操作彈性大；內(nèi)件清理方便，使用周期長(zhǎng)。據(jù)此，設(shè)計(jì)基本原則是：① 氣液分離器進(jìn)口管道中氣體的流速和容器內(nèi)部氣流空速維持在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)；② 氣體進(jìn)入容器后立即進(jìn)行氣液分離，氣體在容器內(nèi)流動(dòng)阻力盡量小；③分離介質(zhì)中的液體在工作條件下積集于器底，達(dá)到氣液分離的目的；④ 如果生產(chǎn)能力擴(kuò)大，進(jìn)口管內(nèi)氣速猛增，為防止器底液體被氣流吹翻發(fā)生二次夾帶，在容器中下部位設(shè)置防二次夾帶裝置；⑤ 為使進(jìn)氣管道出口處氣流沿管道截面均衡分布、確保氣流均布不致把它沖壞，在管道出口處設(shè)置氣體分布器；⑥ 容器下部要留有一定的分離空間。

多年來(lái)，按上述原則進(jìn)行新型高效氣液分離器的設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)踐表明，新型高效氣液分離器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，投資少，效果好，其內(nèi)件各廠可自行制作安裝，應(yīng)用非常廣泛。對(duì)于老廠改造，可在現(xiàn)場(chǎng)因地制宜進(jìn)行設(shè)計(jì)，節(jié)約費(fèi)用；對(duì)新建廠而言，采用這種結(jié)構(gòu)的氣液分離器，可防止因工藝氣夾帶給毗連設(shè)備或下工序造成的危害。這種新型高效氣液分離器在高、中、低壓條件下使用都取得了良好的效果，如在工廠全面采用，將為整套裝置的安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

7 工藝放空氣的集中回收

合成氨裝置造氣至合成各工序之間因多種原因不時(shí)造成的工藝氣排放，其回收利用往往沒(méi)有引起足夠的重視，由此造成不小的浪費(fèi)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，一般排放量約占總氣量的1%～3%。通常，回收方案有二：一是常壓回收到氣柜進(jìn)口；二是按壓力等級(jí)和氣體成分分級(jí)回收。

（1）常壓回收。于氣柜附近，設(shè)一低壓回收塔，固定在設(shè)備基礎(chǔ)上。各工藝放空部位，增設(shè)放空閥和止逆閥，放空氣分別排入總管，互不干擾；原有的放空閥供原始開(kāi)車排凈之用。回收塔下部設(shè)有液位計(jì)和溢流水封，放空氣總管入回收塔前設(shè)一放空閥，供管道排空之用；入塔后插入水封內(nèi)600～800mm，其管口離塔底板400mm，因放空混合氣中往往含氨，為防止水封和排水管道結(jié)垢，塔內(nèi)應(yīng)間斷加軟水，維持水封液面高度（防止跑氣）。塔上部設(shè)放空閥，供開(kāi)車排凈和事故放空之用。

（2）按壓力等級(jí)和氣體成分分段回收到相應(yīng)的工序，最低一級(jí)壓力的氣體回收至氣柜進(jìn)口管。各放空點(diǎn)應(yīng)多設(shè)一個(gè)放空閥，以備置換之用。采用此種方案，有利于能量合理利用和氣體充分回收，不需增設(shè)回收塔。

某廠曾實(shí)施上述常壓回收方案，增加產(chǎn)量約為總產(chǎn)量的5%，投資小，操作簡(jiǎn)單，安全可靠，效益顯著。操作中，造氣工序應(yīng)注意控制氣體成分和氣柜高度；遇事故集中排放時(shí)，排氣量大的部位臨時(shí)關(guān)閉進(jìn)回收系統(tǒng)閥門，直接排放，以免發(fā)生事故。

8 工藝管道與容器穿孔的帶壓焊接

在日常生產(chǎn)過(guò)程中，工藝管道和容器的腐蝕或固定處松動(dòng)磨損穿孔導(dǎo)致氣體泄漏時(shí)，必需及時(shí)焊補(bǔ)。通常的做法是切出有關(guān)部位，卸壓，用蒸汽置換空氣排凈，分析氧含量為21%后，方可在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行焊補(bǔ)；焊好后用空氣吹除積水、蒸汽置換，工藝氣氧含量小于0.2%后，方可投入使用。此方法費(fèi)時(shí)費(fèi)工影響生產(chǎn)。帶壓焊接可免除以上過(guò)程，只要把事故管段或設(shè)備切出，安一臺(tái)U形水柱壓力計(jì)，將壓力維持在40～60mmH2O柱，專人負(fù)責(zé)控制；現(xiàn)場(chǎng)預(yù)備相應(yīng)消防器材，然后點(diǎn)火，應(yīng)看見(jiàn)小火苗，檢查泄漏情況及范圍，由專業(yè)人員施焊，焊完，焊接處冷卻后按要求進(jìn)行試壓，合格后投運(yùn)。多家企業(yè)實(shí)踐表明，這種維修法可節(jié)約用料，節(jié)約維修時(shí)間80%以上，是一種安全可靠省時(shí)省工高效低耗的維修方法。如果泄漏面積較大，應(yīng)提早預(yù)備一塊比焊口稍大的材料到現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照直至合適為止，并在其上焊一手柄，以便施焊時(shí)人為固定方便。某廠壓縮機(jī)冷排管U形螺栓固定松動(dòng)磨損穿孔，按常規(guī)辦法處理要4h，采用帶壓焊接只用40min，效率高效益好，獲得好評(píng)。

9 結(jié)束語(yǔ)

筆者退休后，多年來(lái)從事對(duì)外技術(shù)服務(wù)工作。本文所述內(nèi)容，是在原單位和對(duì)外技術(shù)服務(wù)期間遇到的一些問(wèn)題，采取上述措施后，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。值得一提的是，文中所述的新型高效氣液分離技術(shù)，是筆者幾十年來(lái)經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單新穎，阻力特別小，無(wú)二次夾帶，操作彈性大，清理頻次少，投資少等優(yōu)點(diǎn)，用途十分廣泛。

［1］國(guó)家醫(yī)藥管理局上海醫(yī)藥設(shè)計(jì)院編.化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工出版社，1986.

［2］金國(guó)淼主編.除塵設(shè)備設(shè)計(jì) ［M］.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1985.

［3］《化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.高壓設(shè)備 ［M］.上海：上海人民出版社，1973.