氨合成雙塔串并聯工藝技術發展和應用

龔傳艮

(南京國昌化工科技有限公司，江蘇南京 210061)

1 概述

合成氨生產是一種高能耗工業，投資較大。多年來，人們致力于開發節能的合成氨新工藝，國外著名的化工工程公司開發的ICI-AMV工藝、布朗(C.F.Braun)工藝等，均是節能型合成氨工藝，其噸氨綜合能耗為6.9×106kJ，僅為我國20世紀70年代引進的Kellogg工藝的71.88%。

我國有近200家中、小型合成氨廠，隨著企業自身的發展和應用技術的進步，大多數企業的綜合能耗已有較大幅度的下降，但與國外先進水平相比，仍存在不小的差距。

我國國民經濟的發展表明，化肥在農業生產中的作用越來越重要，需求量也逐漸增加，很多化肥企業正在擴大或準備擴大生產能力，以滿足市場需求和提高企業的市場競爭力。但如果仍以高能耗的舊工藝進行擴能改造，顯然不符合國家提出的降低能耗、提高產能比的國策要求。因此，研發節能型的氨合成工藝作為擴大生產能力的技術基礎，是一件十分重要且有社會意義的工作。

南京國昌化工科技有限公司(簡稱國昌化工)一直致力于節能型氨合成反應器及氨合成工藝的研發，2006年在山東瑞星首次成功運行氨合成節能全徑向串塔新工藝;為了滿足多種工況，在河北東光化工有限公司(簡稱河北東光)采用了2臺合成塔既可串可并又可串并聯同時使用的工藝技術，也得到成功的運行。

2 氨合成擴能途徑

擴大合成氨生產能力有多種方法，主要有以下幾種。

(1) 建設新的大型合成氨裝置

建設新的大規模合成氨裝置，就是放棄原有的高能耗、低產能的氨合成系統，重新設計、建設一套新裝置。這種棄舊建新的方法，目前有不少企業正在采用，但其投資費用高、建設周期長。以河北東光為例，從日產氨量700t擴大到800t，并降低壓力到約22MPa運行，僅氨合成系統就必須新建一個大約直徑(Φ)為2 200mm的大型合成塔及配套的氨冷器、冷交換器、水冷器、氨分離器、熱交換器等整套裝置，連同占地的征用和土建等，總投資至少約5 000萬元。

(2) 并聯建設一套小裝置

保留原有的裝置，并聯建設一套新的補充裝置，使產量達到要求。建設一套較小規模的氨合成裝置，以上例進行分析，要日產氨量增加100～200t，預計需增加一個Φ1 000mm的氨合成塔及其配套的動、靜設備，占地面積也較大，預估總投資約1 700萬元以上，而且能耗仍然較高。

(3)采用串并塔工藝

保留原合成系統，在已有的Φ2 000mm氨合成塔后串并聯一個新的Φ2 000mm合成塔，形成“雙塔串并聯”工藝，采用提高循環量、降低運行壓力、增加氨凈值的方法來達到提高產量并節能的目的。這一工藝方法，僅需要在原有合成氨系統中，增加一個精心設計的合成塔，在串并聯的工藝上進行特殊的設計，以方便操作，其他設備均利用原有合成塔系統的設備，因而具有投資省、建設周期短、見效快、占地少等特點。

國昌化工采用上述工藝對河北東光原有的Φ2 000mm氨合成系統進行改造，達到了擴產、節能的目的。整個投資費用約為1 400萬元，分別為前兩種方案費用的28%和82%。

3 串并聯工藝

3.1 工藝流程

串并聯工藝流程見圖1。其中虛線為需要增加的管線。

圖1 串并聯工藝流程簡圖

改造后整個系統中需要增加10個閥門V1～V10，2個8字盲板。

(1)串聯合成塔部分流程簡述

循環機油分(S1001)出口管線分三路，分別進入1#合成塔環隙冷卻塔壁、2#合成塔環隙冷卻塔壁(新增PG1101)、塔前換熱器與出塔氣換熱。塔前換熱器中冷氣換熱后先進入1#合成塔反應(出塔溫度約300 ℃)，然后進入2#合成塔繼續反應(出塔溫度約350 ℃)，再進入廢鍋副產蒸汽。

串聯流程閥門的控制：閥門V1～V3、V5打開，V4、V6～V10關閉，盲板1關閉，盲板2打開。

(2)并聯合成塔部分流程簡述

循環機油分(S1001)出口管線分三路，分別進入1#合成塔環隙冷卻塔壁、2#合成塔環隙冷卻塔壁(新增PG1101)、塔前換熱器與出塔氣換熱。塔前換熱器冷氣出口分兩路，一路進入1#合成塔反應，一路進入2#合成塔反應，1#、2#合成塔反應后同時進入廢鍋副產蒸汽。

并聯流程閥門的控制：閥門V5關閉，V1～V4、V6～V12打開，盲板1、2都打開。

并聯運行時，2臺合成塔可以按相同工況運行，2#合成塔采用4段床層結構形式，V7～V10為2#合成塔冷激氣閥調節催化劑各床層溫度。V3和V4分別調節1#、2#合成塔二次入塔氣量。兩個合成塔進出都設置有閥門或者盲板，以實現對兩個合成塔生產氣量的控制，另外可以做到只運行任意一臺合成塔。改造后調節比較靈活。

3.2 關鍵技術

在氨合成裝置中，氨合成塔是整個裝置的核心，當操作條件基本確定后，氨的凈值和產量與氨合成塔的結構、所裝填的催化劑量及其性能有密切的關系。

3.2.1 需解決的關鍵技術問題

(1)2個反應器氣量的分配

圖1所示為2塔串聯流程、并聯流程及其閥門的控制。在2塔切換并串聯的情況下，采用閥門控制可以很好地分配氣量。

(2)阻力

由于新增一個氨合成塔，當2臺塔串聯時，系統的阻力必然增大；如果阻力增長過大，受循環機原有能力的限制會影響循環氣量的增加，進而影響擴能改造效果。因此優化設計、控制系統阻力的增長，盡可能降低合成塔的阻力是串塔工藝的關鍵。這與合成塔內件的選型有直接關系，一般軸向結構合成塔的阻力為0.5～0.8MPa，串聯運行時，2#合成塔的冷激氣適當關閉，主要利用徑向層，減少合成塔阻力，串聯運行提高氨凈值，循環氣量減少，其他設備阻力也相應減少；當2臺合成塔并聯時，其氣量平均分配，單臺塔的催化劑量相對較大，氨凈值會增大，氣量比較小，合成塔阻力明顯減小，系統阻力也相應減小。

(3) 多種工況下的操作

實現串并塔后，由于兩個氨合成塔的操作條件不同，催化劑的使用周期也不相同，可能存在一個氨合成塔的催化劑的活性已衰退，必須進行更換，而另一個氨合成塔的催化劑性能仍然十分良好，當更換催化劑的氨合成塔進行還原時，將會對另一個合成塔的催化劑產生不良的影響，C.F.Braun流程的某廠，曾因第一個合成塔(R5)更換催化劑，還原后的水汽帶入后面兩個合成塔(R6、R7)，連續影響三個月的生產。因而確保不同工況下，系統均能正常操作是串塔工藝的一個關鍵問題。

由于改造流程布置是在原有的合成塔框架和新建一個2#合成塔框架之間，合成塔出口工藝管線均為高溫管線，且都為雙管線，必須要滿足為解決多種工況下的操作問題、熱量平衡及分配問題。

3.2.2 工藝設計對策

解決上述技術問題主要從氨合成塔內件的結構、催化劑的選擇和工藝流程的特殊設計方面來優化考慮。根據河北東光提供的原1#合成塔有關運行數據，計算出2#合成塔的設計條件見表1。

表1 改造1#、2#合成塔設計條件

(1)優化催化劑選型

增加催化劑量可以進一步深化合成反應。若要氨凈值提高3%～4%，催化劑的選擇是一個重要因素。不同的催化劑具有不同的性能，其動力學數據對催化反應具有很大的影響,特別是催化劑的頻率因子和活化能，對催化劑的使用溫度和反應的進行均有重要的影響。國昌化工以在國內外具有權威性的“REACTOR”氨合成反應器計算程序為藍本，結合我國不同催化劑的動力學反應方程式，根據國昌化工長期的經驗，對催化劑的類型進行選擇，優選出最適合的催化劑型號，并計算得出塔內反應所需催化劑數量。

經過仔細研究和反復計算，選用小顆粒預還原催化劑GA206-H鐵鈷雙活型氨合成催化劑，其還原速度是A110-1型催化劑的1.6倍，活性比A110-1型催化劑的高，而且使用預還原型催化劑還能保證整體的還原質量，從而保證2#合成塔最佳的氨合成反應條件。

(2) 2#合成塔內件特殊設計

選用國昌化工的Φ2 000 mmGC-R212YZB型氨合成塔內件，和原1#合成塔結構形式一樣，可以滿足1#合成塔檢修，2#合成塔單獨運行的工況，由軸徑向催化劑筐、一個層間換熱器和一個下部換熱器構成，催化劑筐分成四段，層間和下部換熱器是列管式的。選用分兩段軸向和兩段徑向結構，目的在于使氣體多段反應，氣固相得到更好的接觸，更有利于氨合成反應的進行，同時配用低溫、高活性的小粒度催化劑，可提高催化劑的活性系數，有利于氨的合成反應，以提高氨凈值。徑向結構可以降低催化劑床層的阻力，使合成塔的阻力得到有效控制。

(3)串塔回路熱平衡的保持

當串聯運行時2#合成塔熱量要求比較高，由于進入2#合成塔的氨濃度較高，氨合成反應相對接近平衡，其氨合成反應熱較少，為了保證進入催化劑層氣體的溫度，1#合成塔出口氣直接進入2#合成塔，相當于提高了2#合成塔的下部換熱器的面積，另設置冷副線，以確保零米溫度的可調性。保證串塔回路的熱平衡。

(4)2塔進出口管線的分隔

1#合成塔和2#合成塔催化劑的使用壽命不相同，為方便兩塔催化劑的更換和升溫還原操作，用閥門分別隔開2臺氨合成塔所有進出口管線，以滿足不同工況下的特殊操作要求。

4 改造裝置的運行

4.1 催化劑還原

由于預還原催化劑還原時間短，理論總出水量僅2 t左右，不影響液氨的使用。為了盡可能不影響生產，利用大修時間升溫催化劑。采用1#合成塔停車、2#合成塔還原的升溫還原方法。

在壓力約5 MPa，2#合成塔開始送電， 2#合成塔第一軸向催化劑表面溫度約200 ℃時，試放物理水，溫度達260 ℃時分析水汽含量，控制其質量濃度≤1.0 g/m3(標態)，還原主期控制溫度在260 ℃以下，一段主期后，二段軸向可提高到主出水期，用同樣的方法控制二段到還原主期，溫度為320～380 ℃，緩慢提壓，提升系統壓力為5.0～5.5 MPa，循環氫體積分數≥72%。用同樣的方法還原二段徑向催化劑層。

底部催化劑層溫度也逐漸提高，底部溫度最終超過490 ℃達8 h以上；水汽質量濃度連續分析4次低于0.2 g/m3；同平面溫度低于15 ℃，還原結束。將各段的熱點溫度降至480 ℃以下，逐漸關小電爐，開冷激氣調節溫度至完全自然運行，將系統各控制點調到指標值，進入輕負荷生產48 h，催化劑升溫還原結束，轉入正常生產。

在整個還原過程中，塔內件及整個系統均運行正常。

4.2 運行效果

串并聯工藝投入運行后，獲得良好的經濟效益，主要表現在以下幾個方面。

(1)產量明顯提高

使用串并聯工藝后，氨產量大幅度提高，根據改造前后的報表可知，2臺合成塔氨產量由原來的日產氨量720 t提高到840 t，總產量提高了16.6%，增產十分明顯。

表2 2塔的設計與運行技術指標比較

(2) 提高了氨凈值3.8%

由入塔氨含量，氨冷出口溫度-10 ℃，壓力17.5 MPa，得出此時y入=2.5%；加入新鮮氣后，氨含量降低，多組運行報表平均入塔氨含量為y入=2.25%，出塔氨含量為y出=14.8%，氨凈值y凈=12.55%。入塔平均溫度t入=160 ℃，出塔平均溫度t出=310 ℃，溫升達到150 ℃，另外一部分熱量損失，證明氨凈值可以達到12.55%。改造前，原有氨塔出口氨含量y出=11.0%，氨凈值增加了3.8%。

(3)系統阻力減少0.05 MPa

串并塔工藝增加了一臺氨合成塔，改造氨合成塔采用兩軸兩徑帶層間換熱器結構，氣體相對均衡地通過兩臺合成塔，單塔氣量相對減少，催化劑床層的阻力降低，即使在輔助系統未改造而循環量增加的情況下，系統阻力從1.6 MPa減小到1.55 MPa，阻力減少0.05 MPa。

(4) 氫回收裝置的負荷減輕30%以上

采用串并聯工藝進行改造后，入塔氣甲烷含量從原11%～12%提高到16.5%～17.5%，放空氣量減少30%以上。

(5)噸氨降低電耗90 kW·h

改造后系統操作壓力由原來的27 MPa降至20 MPa，壓縮機功耗降低約15%；且系統阻力減少0.05 MPa左右；噸氨醇電耗從1 380 kW·h(含尿素用電)降低到1 290 kW·h(含尿素用電)，減少90 kW·h。

(6) 投資省、建設周期短、見效快

改造在全系統停車檢修時完成，串并聯工藝改造從停車到出產品僅用6 d，且已包括68 h的催化劑升溫還原，因此對生產基本沒有影響。

河北東光串并聯工藝改造工程，投資僅增加一臺氨合成塔及部分儀表和管道，在保證原來系統生產的前提下，充分利用原有的設備，使投資的費用遠低于其他擴大生產規模的方案。改造工程量少，占地面積小，利用原有生產設備的空隙，現場施工量減少。建設周期縮短，從設計、施工至投產僅用7個月的時間，不到新建一套裝置時間的一半。

5 經濟效益分析

(1)改造后日產氨量每天可以增加120 t，以每噸液氨純利潤200元、每年300天計，年增加利潤720萬元。

(2) 由于噸氨電耗下降90 kW·h左右，每年可節電2 268萬kW·h，以0.5元/(kW·h)計，電的費用節省1 134萬元。

僅以上兩項，每年增加收入達1 854萬元，投資可在半年多得到收回。

6 串并聯工藝展望

隨著大型氨合成塔的發展，氨合成圈已成為降低合成氨綜合能耗的主要單元，除研制高活性催化劑外，還應重視工藝流程的組合、合成壓力的優化、氨的冷凝分離以及新鮮氣的干燥凈化和加入位置等方面的研究，達到高效節能，已成為當今合成氨工業的共同目標。國外知名公司推出的節能型流程如布朗(C.F.Braun)公司的三塔三床層三廢鍋流程、托普索(Haldor Tops?e)公司兩塔三床流程(S-250系統)在工藝流程組合應用中，尤其是在改造或新建的1 000～2 000 t/d大型合成裝置中，均取得了很好的效果。

國昌化工在國內中型氨合成裝置改造中多次成功運行“雙塔串聯”工藝和“雙塔并聯”工藝，并成功推出“雙塔串并聯”工藝，完全符合當今世界合成氨工業發展方向及國家《“十一五”化學工業科技發展綱要》中大力發展節能型氨合成技術的要求，在國內應用前景十分廣闊。該串并聯工藝滿足以下幾種擴產改造需求。

(1)適用于我國目前產量中、小規模氨廠的改造，在應用串并聯工藝后產量可以增加15%～30%以上。而投資要比新建一套系統少25%以上，噸氨的能耗也有較大幅度的降低。另外原有的分離設備和管道都比較小，僅利用串并聯工藝來增加產量，在不增加循環氣量的情況下，反而使系統阻力降低。

(2)適用于新建一套高產量的氨合成系統，如果新建氨產量達到200 kt以上，就需要上一套Φ2 000 mm以上裝置或兩套Φ1 400 mm以上的裝置，在投資和占地面積上都需要很大的投入，而應用串并聯工藝可減少投資和占地面積。

(3) 適用于在300～600 kt大型氨廠的改造及新建工程。采用串并聯工藝可減少大量的投資費用和解決能耗高等問題，同時解決大型設備制造和運輸的難度，以實現國產化。

7 結論

(1)串并塔工藝出口氨凈值提高3%～4%、在不增加能耗的同時把產量提高16.6%以上、系統阻力減小0.05 MPa，能耗下降噸氨90 kW·h左右。阻力降低有利于提高循環量來達到提高氨產量的目的，經濟效益十分明顯。改造成串并聯工藝后調節方便，操作簡便，運行穩定。

(2)采用軸徑向結構內件是串并聯工藝的核心，2臺合成塔可完全單獨運行、單獨檢修，不影響正常生產。

(3)實踐證明串并聯工藝在合成氨系統增產節能改造中，符合當前國家提出的“節能降耗、提高產能比”的政策要求，對合成氨工業的發展有重大的意義，是一種值得推廣應用的節能新工藝。

國昌化工“串并聯工藝”在河北東光的成功實踐，是我國氨合成工藝的又一個突破點，為我國大、中型氨合成裝置以增產降耗為目的的改造開拓了一條新路子，同時為進一步開發具有我國自主知識產權的多塔串并聯工藝和發展我國自主開發的大型制氨裝置，提供了寶貴的實踐經驗和設計依據。