KBR氨合成塔催化劑筐損壞原因分析與處理

黃天江

(云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

KBR氨合成塔催化劑筐損壞原因分析與處理

黃天江

(云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

KBR臥式氨合成塔投產運行7年后發生了催化劑筐損壞等問題。通過對氨合成塔氣體流向及結構分析，確定了催化劑筐損壞的位置，提前制定了大修方案。檢修后，氨合成裝置各項運行參數恢復正常，系統消耗大幅下降，與設計參數基本相符。

氨合成塔；催化劑筐；原因分析

云南天安化工有限公司合成氨裝置的主工藝流程為：殼牌干煤粉氣化→耐硫變換→林德低溫甲醇洗→林德液氮洗→KBR氨合成，裝置設計能力1 667 t/d。該裝置于2005年4月開工建設，2008年6月投產。2015年6月，合成氨裝置出現合成回路反應不正常現象，經診斷確認是催化劑筐損壞，并于2016年6月15日停車進行大修。

1 合成回路出現的問題及初步分析

該合成氨裝置的氨合成回路在2015年以前基本正常。由于氣化用煤與設計煤種偏差較大，受煤氣化裝置制氣能力的制約，合成氨裝置自投產以來平均負荷只能達到90%。在完成煤氣化裝置冷激氣壓縮機擴能改造后，自2015年1月開始，合成氨裝置逐漸加滿負荷，液氨日產量最高達到設計能力的102%。負荷增加后，氨合成回路壓力逐漸上升，氨凈值逐漸下降，循環氣量遠超設計值，有關運行數據見表1。

表1 2015年1月至6月合成系統運行數據

至2015年6月，合成塔催化劑已使用7年，同時在每次停車后再開車都會出現初始幾天合成塔反應情況不好的現象，因此首先把催化劑活性下降作為主要考慮因素，并于2015年6月15日對合成塔運行工況進行調整。經3次調整，運行情況均無明顯改善，基本現象是各催化劑床層溫升很大、合成回路循環氣量大、合成塔壓力高，遂開始懷疑催化劑筐出現損壞而造成氣體走短路。

2 KBR臥式合成塔工藝流程

KBR臥式合成塔為三床兩換熱器結構，合成塔除壓力殼體外的其他部分被制造成完整的整體，即催化劑筐用軌道安裝于壓力殼體內，并用內部接管與外部工藝管道相連。KBR臥式合成塔內部結構及流程示意見圖1。

經合成塔進出口換熱器預熱后的合成氣分成三路進入合成塔，其中：B線經HV1044調節由后端封頭進入合成塔，從催化劑筐與壓力殼體之間的環隙流向合成塔前端，用以隔離催化劑筐與壓力殼體，使塔壁保持在較低的溫度，該股氣體經內部管道引入1床出口換熱器122- C1，經預熱后到達1床入口；A線由HV1025調節，直接從前端封頭進入合成塔，并由管道引至1床入口；C線氣體也從后端封頭進入合成塔，并經由內部管道引入2床出口換熱器122- C2，換熱后繼續用管道引至1床入口。上述3股氣體在1床入口混合均勻以后，依次經過1床、1床出口換熱器122- C1、2床、2床出口換熱器122- C2、3A床、3B床，最后出合成塔。

圖1 KBR臥式合成塔內部結構及流程示意

3 KBR臥式合成塔熱量平衡及運行工況分析

3.1 熱量平衡分析

與傳統的冷激式合成塔不同，KBR臥式氨合成塔為純換熱式合成塔，進合成塔的氣體全部通過3個催化劑床層。由熱平衡可知，在催化劑筐內部無泄漏的情況下，理論上3個床層的溫升之和應等于合成塔溫升。KBR臥式合成塔的設計參數為1床溫升136.8 ℃、2床溫升69.6 ℃、3床溫升38.9 ℃，3個床層合計溫升245.3 ℃。而合成塔設計進口氣體溫度為198.0 ℃，出口氣體溫度為441.5 ℃，合成塔設計溫升為243.5 ℃，3個床層溫升之和高于合成塔溫升1.8 ℃，相對偏差0.73%。筆者認為此偏差并不是計算誤差，而是考慮散熱損失后的數據，同時合成塔凈溫升略低于3個床層溫升之和，也說明散熱損失導致溫升減小。

通過對KBR臥式合成塔結構特點的分析可知，從各床層溫升之和與合成塔總溫升的偏差，結合系統壓力、循環量的變化情況，可以準確判斷合成塔是否存在內漏。

3.2 運行工況分析

為了分析合成塔是否存在內漏，收集了從2015年1月至6月合成塔溫度數據，如表2所示。

從表2可看出：在5個月的時間內，1床和2床溫升雖有上升趨勢但幅度并不大，1床上升了5.56%，2床上升了6.89%，而3床溫升增幅非常明顯，從2015年1月5日到6月5日上升了99.78%；三床總溫升從1月5日的266.1 ℃升至6月5日的325.8 ℃,增加幅度達22.4%；而合成塔溫升變化趨勢卻相反，從1月5日的230.1 ℃下降至211.7 ℃，下降幅度達8.0%；三床總溫升與合成塔溫升的偏差從1月5日的15.6%上升至53.9%。

表2 2015年1月至6月合成塔溫度數據

注：1)三床總溫升為3個床層溫升的累加值； 2)合成塔溫升為合成氣經過合成塔后的溫升； 3)溫升偏差為三床總溫升與合成塔溫升之間的偏差

該合成塔設計氨凈值為16.73%，相應的合成塔溫升為243.5 ℃，即每1%氨凈值的溫升為14.55 ℃。2015年6月，合成塔氨凈值平均值在14.2%左右，據此可計算出合成塔實際溫升應為206.7 ℃左右，與測量溫升211.7 ℃基本吻合，而與3個床層累計溫升偏差巨大。

4 催化劑筐損壞部位的分析判斷

KBR臥式合成塔3個床層溫升之和應近似等于合成塔進出口氣體的溫差，而實際偏差最高達53.9%。結合循環氣量和合成塔壓力大幅上升的實際情況，可以推斷催化劑筐出現了內漏，并且從5個月內3個床層溫升與合成塔溫升之差不斷擴大的趨勢判斷，內漏一直在發展。根據1床和2床溫升基本沒有變化，而3床溫升大幅上升的情況，可以進一步推斷通過1床和2床的氣體均被旁路，3床溫升大幅上升應是3床入口氣體中氨含量被大幅稀釋，加劇了3床反應的結果。因此，從主氣流流向上看，泄漏的部位應發生在1床和2床之后。結合氨合成塔的結構，泄漏點應該在C線處于3床附近的部位，最大的可能是2#和3#膨脹節損壞。在此后的一次開車過程中，發現增大C線流量時造成3床垮溫，這說明冷氣體直接進入了3床，進一步確認了之前對泄漏部位的分析判斷。

5 檢查方案制定

在確定是催化劑筐損壞泄漏后，即開始著手制定合成塔檢修方案。2016年6月15日，合成氨裝置停車檢修，18日開啟后端封頭人孔，發現C線進入封頭處的1#膨脹節損壞。由于該膨脹節不在催化劑筐內，因此可在不抽催化劑筐的情況下更換膨脹節，將大大縮短檢修時間，并節省更換催化劑費用。但仔細分析后發現，該膨脹節損壞后僅會造成環隙氣體向C線泄漏(環隙壓力高于C線壓力)，與人為調整B線和C線之間的氣體分配并沒有本質差別，不符合泄漏點在C線上位于3床附近的推斷，因此決定抽出催化劑筐并卸出催化劑。在抽出催化劑筐的過程中，陸續發現2#和3#膨脹節均已損壞。

6 損壞原因分析與修復過程

同一管線上3個膨脹節均損壞有些令人不可思議。由于該合成塔專利商并非第1次設計類似合成塔，設計存在問題的可能性不大，3個膨脹節都存在制造質量問題也過于牽強。結合3個膨脹節固定蝴蝶夾均有松脫的現象推斷，膨脹節損壞的原因應是安裝存在問題，致使蝴蝶夾在運行過程中因振動及熱應力的作用而發生松脫，導致膨脹節出現泄漏，且泄漏的氣量達到一定程度后振動加劇，造成膨脹節損壞。

在確定了膨脹節損壞的原因后，制定了具體的檢修方案，即將固定膨脹節的蝴蝶夾緊固后，全部點焊固定，防止再次發生松脫。

7 處理效果

合成塔修復后，各項運行參數恢復正常，系統消耗大幅下降。合成塔修復后運行數據見表3。

表3 合成塔修復后運行數據

從表3可看出，合成塔檢修后，循環氣量大幅下降，合成塔溫升大幅提高，與設計參數基本相符，表明檢修完全成功。以2016年7月19日及8月17日的運行數據為例，根據合成塔溫升計算的氨凈值分別為17.54%和17.33%，實際分析得到的平均氨凈值為17.20%，兩者基本相符。3個床層累計溫升比合成塔溫升低了12.1%，因沒有任何設備缺陷能夠導致此種異常現象，應屬于測量偏差，由于不影響本文的分析及結論，在此不進行討論。

8 結語

在生產設備發生問題時，應進行全面系統的分析，制定經濟可行的處理方案。以此次合成塔的分析處理為例，不僅在2015年大修準備階段決定合成塔是否抽催化劑筐需要正確決策，而且發現1#膨脹節損壞后是否繼續抽催化劑筐檢查成了更大的“風險”決策。如果催化劑筐不存在問題，就只需更換1#膨脹節；如錯誤地抽出催化劑筐檢查并更換催化劑，將損失10 d以上的生產時間，加上催化劑更換以及還原的費用，損失將達到數千萬元。反之，如果存在其他方面的問題，僅更換1#膨脹節后就恢復開車，合成塔的問題根本沒有解決，系統還將長期在低負荷、高消耗下運行，甚至被迫再次停車大修，損失將十分巨大。通過全面收集數據，并在掌握工藝、設備結構原理的基礎上進行系統分析，可以把“風險”決策變成科學決策，給企業帶來巨大的效益。

AnalysisofCausesofCatalystBasketDamageinKBRAmmoniaConverterandHandling

HUANG Tianjiang

(Yunnan Tian′an Chemical CO., Ltd., Anning 650309， China)

Seven years after KBR horizontal ammonia converter put into operation, problems of catalyst basket damage and others have arisen. Through analysis of gas flow direction and structure of the ammonia converter, the location of catalyst basket damage is determined and overhaul plan is made in advance. After the overhaul, all operating parameters have gone back to normal, system consumption reduces greatly, showing basically consistent with the design parameters.

ammonia converter; catalyst basket; cause analysis

黃天江(1962—)，男，碩士，高級工程師，長期從事合成氨及煤化工技術管理工作；1320393465@qq.com

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：1006- 7779(2017)03- 0049- 04

2016- 09- 20)