高壓氨合成塔內件升級改造總結

張 明

(陜西興化集團有限責任公司 陜西興平 713100)

1 改造前氨合成裝置工藝流程

圖1 改造前氨合成裝置氣體主線工藝流程

如圖1所示，陜西興化集團有限責任公司1#高壓氨合成裝置原采用中置式廢熱鍋爐流程、塔外換熱、一級水冷、一級氨冷、二級分氨、塔前補壓流程，其中新鮮合成氣補充位置在三合一設備的冷卻端入口。氨合成塔采用DN 1 000 mm二軸一徑型內件，3層催化劑總裝填量約20.43 t，內置電爐功率為800 kW，設計合成氨產量為80 kt/a，最高氨產量約260 t/d，系統運行壓力約30.00 MPa，設計入塔氣量為125 000 m3/h(標態)，氨凈值在12%左右。

1.1 設備參數

如表1所示，氨合成塔內件催化劑裝填量約6.5 m3，噸催化劑生產強度一般在40 t/(d·m3)，合成氨理論產量可達到260 t/d，是典型的80 kt/a合成氨裝置。經核算，輔機完全滿足小時產氨10.8 t的能力。

1.2 運行概況

氨合成裝置最大負荷運行參數如表2所示。

表1 氨合成裝置主要設備參數

設備名稱規格和結構特征介質操作條件主要材質氨合成塔內件DN 1 000 mm,H=16 000 mm,二軸一徑型,催化劑框容積6.5 m3合成氣535 ℃,設計壓差0.60 MPa06Cr19Ni10廢熱鍋爐DN 1 100 mm,換熱面積70 m2管程:合成氣殼程:水蒸氣管程:360 ℃殼程:225 ℃16MnR10MoWVNb塔外換熱器DN 1 000 mm,換熱面積700 m2管程:熱氣殼程:冷氣管程:250 ℃殼成:200 ℃16MnR水冷器管殼式,DN 1 100 mm,L=9 000 mm,換熱面積688 m2管程:循環水殼程:合成氣管程:30～40 ℃殼程:100～40 ℃16MnR氨分離器DN 700 mm,V=1.5 m3合成氣、液氨40 ℃16MnVR循環氣壓縮機2D20-10/279-314型,進氣壓力27.90 MPa,排氣壓力31.40 MPa,排氣量10 m3/min工況下電機功率900 kW循環合成氣組合件三合一設備DN 1 000 mm,H=13 149 mm,冷卻段換熱面積267 m2,氨冷段換熱面積228 m2,氨分離容積2.5 m3 合成氣冷卻管殼程:30～40 ℃殼程:-8～8 ℃16MnR

表2 氨合成裝置最大負荷運行參數

項目運行參數項目運行參數氨產量/(t·h-1)10.8氨冷器溫度/℃0新鮮氣量/(m3·h-1,標態)32 000塔二次出口氣體溫度/℃302入塔氣量/(m3·h-1,標態)132 000廢熱鍋爐出口氣體溫度/℃205第1催化劑床層溫度/℃500水冷器入口氣體溫度/℃82第2催化劑床層溫度/℃495水冷器出口氣體溫度/℃28第3催化劑床層溫度/℃470循環氣含甲烷體積分數/%4塔入口氣體壓力/MPa30.00合成塔阻力/MPa0.83塔二次進口氣體溫度/℃175系統阻力/MPa2.30塔壁溫度/℃38循環機入口氣體溫度/℃41副產蒸汽量/(t·h-1)8.1循環機出口氣體溫度/℃44氣氨壓力/MPa0.26

1.3 運行情況評價

該氨合成裝置最大產能可達260 t/d，計算得噸氨氣體循環量122 000 m3(標態)、副產蒸汽量為0.75 t、消耗新鮮原料氣量2 960 m3(標態)；根據氨冷器溫度，計算得入塔氣含氨體積分數約為3.2%；根據噸氨循環量和入塔氣氨含量，計算得出塔氣含氨體積分數為15.7%，則氨凈值為12.5%。

該二軸一徑內件使用6年后(2010年初)，頂蓋填料函存在問題，冷熱氣體會出現互竄現象，使第1催化劑床層同平面溫差過大，達到60 ℃，氨產量下滑至9 t/h；同時，氨合成塔下部換熱器也存在問題，導致廢熱鍋爐入口氣體溫度偏低。由于當時處于硝酸銨銷售旺季，無法停車檢修，為了縮小同平面溫差，啟用塔內電爐補充熱量，使同平面溫差保持在30 ℃以內，此時合成氨產量約在10 t/h。2017年8月，利用停車機會對氨合成塔進行了檢修，但未能從根本上解決問題。考慮到該內件使用時間已久，可能存在其他內部缺陷[1]，故決定更換內件。

2 改造過程

2.1 內件形式的選擇

鑒于氨合成塔內件存在氨凈值低、阻力大、操作不穩定、能耗高等問題，且氨合成裝置的輔機和附屬設備完全可以滿足日產260 t氨的要求，因此決定采用一軸二徑型內件取代原有的二軸一徑型內件，并充分利用高壓外筒，盡可能增大催化劑框容積[2]。采用一軸二徑型內件的原因：①由于反應初期反應速率快，保留1個軸向層可起到均布反應氣體的作用，防止因氣流分布不均而導致的轉化率差異過大，進而引起同平面溫差過大；②采用2個徑向層是為了降低氣體流動速率，延長氣體停留時間，同時可增加小顆粒催化劑的裝填量，有利于提高氨凈值[3]。

一軸二徑型內件的技術關鍵是徑向層氣體的分布與混合。由于徑向層流道大，很容易出現氣體偏流現象，因此決定徑向段催化劑床層設置橋型分布器。一軸二徑型內件主要技術參數如表3所示。

表3 一軸二徑型內件主要技術參數

項目技術參數工作壓差/MPa0.20設計壓差/MPa0.60工作溫度/℃515/430主要受壓元件材質06Cr19Ni10催化劑框容積/m3 總容積6.7 第1催化劑床層(軸向層)1.7 第2催化劑床層(第1徑向層)2.1 第3催化劑床層(第2徑向層)2.9換熱面積/m2 上換熱器30.17 下換熱器80.73

2.2 內件安裝和催化劑升溫還原

利用2018年1月下旬計劃檢修機會對氨合成塔內件進行更換，首先打開氨合成塔頂部大蓋，吊出原有內件催化劑框并倒出催化劑；一軸二徑型內件的安裝嚴格按照供應商的要求進行，安裝前先對塔內換熱器進行充壓試漏，確認無泄漏后方可安裝，上、下筒體對接根據定位銷分段裝入。本次選用了寬溫區活性更好的A301型催化劑，其中：第1催化劑床層裝填粒徑3.3～4.7 mm催化劑4.8 t，軸徑向界面裝填粒徑4.7～6.7 mm催化劑0.7 t，第2和第3催化劑床層分別裝填粒徑1.5～2.5 mm催化劑6.2 t和8.6 t，整個催化劑框共裝填催化劑20.3 t。小顆粒催化劑全部裝填在徑向層，占催化劑總裝填質量的73%。

計劃檢修完畢之后，先用氮氣將系統充壓至0.60 MPa并用氮氣進行置換，分析確認系統含氧體積分數<0.2%后，繼續用新鮮氣充壓至12.00 MPa。催化劑采用分層還原法還原，還原期間根據循環氣的水汽濃度進行提壓，還原主出水期控制水汽質量濃度<3.0 g/m3(標態)，定期排出氨水并統計出水量。當還原度達到97%以上且水汽質量濃度<0.2 g/m3(標態)時，將系統壓力提高至16.00 MPa轉入輕負荷運行階段，同時停用電爐并打開層間換熱冷氣閥調節催化劑床層溫度至475 ℃左右。輕負荷運行3 d后，轉入正常生產操作階段。

3 運行效果及經濟效益

3.1 運行效果

改造后氨合成裝置最大負荷運行參數如表4所示。

從表4可以看出，氨合成裝置產能達到了314 t/d的水平，計算得噸氨氣體循環量9 880 m3(標態)、副產蒸汽量為0.79 t、消耗新鮮原料氣量2 700 m3(標態)；根據氨冷器溫度，計算得入塔氣含氨體積分數約為3.6%；根據噸氨氣體循環量和入塔氣氨含量，計算得出塔氣含氨體積分數為19.5%，則氨凈值為15.9%。

運行結果表明，改造達到了增產節能的目的，產能提高至300 t/d以上的水平。據統計，由于系統運行壓力和合成回路阻力下降，合成氣壓縮機和循環氣壓縮機的運行電流分別下降了20 A和10 A，節能效果顯著。本次改造選用的一軸二徑型內件不足之處：①由于內件設計壓差較小，僅為0.60 MPa，且塔內件與外環隙設計間距過小，導致通氣阻力增大，被迫開啟塔近路，使塔壁溫度比改造前提高30 ℃左右，造成少部分熱量損失。②由于氨產量增加2.3 t/h，相當于廢熱鍋爐熱負荷增加7.1×106kJ/h(1.7×106kcal/h)，受廢熱鍋爐換熱面積的限制，導致部分熱量后移，使得水冷器入口氣體溫度提高近12 ℃，水冷器出口氣體溫度提高了4 ℃。但由于水冷后的氣量比改造前少，與原工況相比，沒有造成額外熱量后移至氨冷器，因此冰機負荷沒有變化。

表4 改造后氨合成裝置最大負荷運行參數

項目運行參數項目運行參數新鮮氣量/(m3·h-1,標態)35 370氨冷器溫度/℃3.42入塔氣量/(m3·h-1,標態)129 500塔二次出口氣體溫度/℃339氨產量/(t·h-1)13.1廢熱鍋爐出口氣體溫度/℃219第1催化劑床層溫度/℃475水冷器入口氣體溫度/℃94第2催化劑床層溫度/℃465水冷器出口氣體溫度/℃33第3催化劑床層溫度/℃465循環氣含甲烷體積分數/%16塔入口氣體壓力/MPa26.20合成塔阻力/MPa0.55塔二次進口氣體溫度/℃190系統阻力/MPa1.80塔壁溫度/℃65循環機入口氣體溫度/℃33副產蒸汽量/(t·h-1)10.5循環機出口氣體溫度/℃35氣氨壓力/MPa0.28

3.2 經濟效益

改造后，合成氣壓縮機運行功率由3 271 kW降至2 992 kW，循環氣壓縮機運行功率由560 kW降至467 kW，噸氨實際副產蒸汽量增加0.04 t。按氨產量13.1 t/h、電價0.52元/(kW·h)、蒸汽70元/t、年運行時間330 d計，則年可降低生產成本約182萬元。由于反應效果好，循環氣中甲烷體積分數可提高至16%，系統放空量很少，減少了有效氣體的損失，使噸氨消耗的原料氣下降。在總氨產量不變的條件下，1#氨合成裝置產能增加后分流了一部分新鮮氣，使2#氨合成裝置的壓力降低、循環氣量減少，2臺新鮮合成氣壓縮機的電流分別下降了20 A和15 A，經測算，2#氨合成裝置年可降低生產成本約134萬元。本次改造投資僅130萬元(包含催化劑)，不到半年即可收回全部投資。

4 結語

本次氨合成裝置改造僅對氨合成塔內件進行了更換，采用了阻力小、氨凈值高的一軸二徑型內件。在高壓氨合成裝置采用此種內件時，一定要對系統輔機的能力進行核算，尤其是廢熱鍋爐、塔外熱交換器、水冷器的能力，防止熱量出現后移而加重氨冷器的負荷，否則若冰機能力不夠，將會導致入塔氣氨含量升高，從而影響氨凈值的提高。因此，在采用該內件改造前，必須全面核算系統輔機的能力，根據計算結果適當填平補齊輔機能力，從而確保改造達到預期目標。