關于低變進口溫度波動的分析及改進措施的研究

曾鑫 鄭剛 余亮（四川美豐（集團）有限責任公司，四川 射洪629200）

合成氨作為基礎化工經過了幾十年的運作，工藝成熟，但在實際生產中仍需要進行部分小改小革，我公司20萬噸合成氨項目自2009 年開車投料以來發現日負荷高于56 萬時，低溫變換爐（以下簡稱低變）進口溫度波動大，導致低變觸媒熱點溫度一起波動，出口一氧化碳微量超標。

1 工藝介紹

我公司現有20 萬噸合成氨裝置以天然氣為原料采用兩段蒸汽轉化法制氫，經高、低溫變換工序、脫碳甲烷化制得合格氮氫氣進入合成塔進行合成反應制成液氨。其中高變氣經甲一換、高變廢鍋、高變鍋爐給水預熱器回收熱量后進入低變爐，并通過高變鍋爐給水預熱器（以下簡稱高變給水預熱器）及其副線調節溫度控制低變進口溫度TI-220≥190℃，確保195℃≤低變觸媒熱點溫度≤220℃，低變出口一氧化碳微量≤0.35%。（見圖1）

當負荷為天然氣60 萬m3/d 時低變進口氣體流量為5766Kmol/h，其中含一氧化碳126Kmol/h，水蒸氣1652Kmol/h，二氧化碳630Kmol/h，氫氣2442Kmol/h，氮氣891Kmol/h 和微量氬氣、甲烷。

我公司甲烷化爐催化劑已到活性末期，甲烷化進口溫度控制310℃，凈化氣經甲一換由高變氣加熱至310℃回收熱量后為使低變進氣溫度達到控制指標，通過控制高變給水預熱器副線TV-220 及高變給水預熱器出口蝶閥調節，現制高變給水預熱器副線TV-220已開至100%，高變給水預熱器出口蝶閥只能開3～5%(該閥不允許全部關閉)

圖1

2 低變進口溫度波動情況介紹

當合成氨負荷在60 萬m3/d 時，低變進口溫度TI-220 在174～198℃之間波動，低變熱點溫度在185～215℃之間波動，出口一氧化碳微量最高達到0.45。現場管道震動增加，低變進口溫度波動曲線：

低變床層溫度波動曲線：

3 原因分析

3.1 低變進口氣體成分

物料流量kmol/h CO2 630．8 84 CO 126．03 2 H2 2441．5 66 N2 891．71 6 H2O 1651．6 91 AR 10．95 3 CH4 13．16 9總量5766．0 1

3.2 低變氣中水蒸汽分壓計算

根據混合氣總i 組份的分壓計算公司Pi=XIP總(XI為混合氣總i組份的摩爾分數)

根據飽和蒸汽溫度壓力對照表查詢得知在該壓力下水蒸氣的飽和溫度在173.466。

圖2

3.3 分析結果

主要是高負荷時為提高低變進口溫度TI-220≥190℃，高變鍋爐給水預熱器出口蝶閥開度過低，大量高變氣經高變鍋爐給水預熱器副線進入低變爐，導致氣體與鍋爐給水換熱后低于該壓力下水蒸汽冷凝溫度，凝結成水，隨氣體進入低變爐，從而低溫變換爐溫度波動大，出口微量超標。

3.4 低變進口帶水的危害

①低變觸媒溫差變化大，易導致觸媒粉化，觸媒壽命縮短，設備壓差增加，能耗上升。

②由于水蒸氣凝結成水，與氣體流速出現較大差異，導致出口管道震動增加，并對管道形成沖刷腐蝕。

③氣體中二氧化碳與冷凝水形成腐蝕性介質，導致出口彎頭壁厚減薄，存在爆炸的危險。

4 處理結果

由于我公司低變催化劑為新更換催化劑，處于其活性初期，活性較好，通過開大高變鍋爐給水預熱器出口蝶閥，使更多高變氣經高變鍋爐給水預熱器主線換熱后進入低變爐，降低低變進口溫度TI-220 至185℃，低變床層熱點溫度降至193℃，提高高變鍋爐給水預熱器出口溫度。

經調整后取得良好效果，低變進口溫度及低變床層溫度均表現平穩其溫度曲線如下：

低變進口溫度曲線：

低變床層溫度曲線：

但是由于降低了低變床層溫度，使低變出口微量CO 含量上升，導致甲烷化負荷增加，致甲烷化氣中甲烷含量上升。如果低變催化劑到其活性末期將無法通過降低低變床層溫度的辦法進行調整。

低變出口CO含量曲線：

5 改造基本流程

基于以上問題，經過摸索增設一20#鋼Φ159×9 給水副線，副線上安裝調節閥HIC-736，主線增設一DN150閘閥。使用調節閥HIC-736及主線閥門控制進入高變給水預熱器水量，保證低變進口溫度。（見圖2）

6 改造后情況

低變爐進口溫度TI-220穩定在187℃，管道無震動，低變觸媒熱點溫度≥202℃，出口CO 微量在0.22%～0.26%之間，完全滿足安全低耗生產要求。