氨合成催化劑氮氣升溫技術總結

龔世偉,江 星,黃本波

(宜昌星興藍天科技有限公司, 湖北宜都 443311)

1 概述

宜昌星興藍天科技有限公司40萬t/a合成氨升級改造項目中，氨合成裝置采用瑞士卡薩利公司的專利技術及內件，日產液氨1 250 t；氣體的壓縮與循環采用蒸汽驅動的離心式合成氣壓縮機。從新鮮氣分析合格接氣開始計時，按照40 K/h的升溫速率，從常溫升至催化劑活性溫度330 ℃以上需8 h左右。在低溫階段時，因未達到催化劑的活性溫度條件，無產品液氨生成。在此期間，使用氫氮氣升溫時，單臺氣化爐70%負荷運行，會造成體積流量約為40 000 m3/h的精制氣長時間放空，增加開車成本。為節省開車時間及降低成本，擬采用氮氣升溫。通過對合成氣壓縮機的運行工況分析，模擬氮氣的操作條件，合成接氣前進行氮氣升溫，取得了良好的經濟效益，合成氨系統工藝流程見圖1。

圖1 合成氨工藝系統流程圖

2 氮氣升溫可行性分析

2.1 確定氮氣升溫流程及條件

催化劑氮氣升溫仍采用新鮮氣升溫流程，但氮氣補充氣源則從中壓氮氣管線進界區處增加了一條至新鮮氣管線的專用置換或氮氣升溫氣源管線，避免由液氮洗補充中壓氮氣時與液氮洗接氣開車過程沖突[1]。開工加熱爐燃料氣使用天然氣。

2.2 合成氣壓縮機氮氣運行工況分析

合成氣壓縮機是由汽輪機驅動的雙缸三段離心式壓縮機。通過分析壓縮機空氣單機試車數據和廠家提供的設計資料，認為該機組能在氮氣工況下運行。壓縮機氮氣運行指標見表1。

表1 合成氣壓縮機氮氣運行工況控制指標

2.3 開工加熱爐氮氣運行工況分析

開工加熱爐為圓筒立式輻射型加熱爐，換熱管為螺旋盤管式，采用四管程進出換熱，配備6臺天然氣燃燒器，主要數據見表2。

表2 開工加熱爐運行數據表

氨合成催化劑升溫條件(7.00 MPa、20～380 ℃)與氮氣升溫條件(2.00 MPa、20～380 ℃)的平均熱容相近；升溫時通過開工加熱爐氮氣體積流量控制在18 000～30 000 m3/h較為合適。

3 改造實施過程

根據開車時間節點，合成接氣升溫至催化劑活性溫度，按照40 K/h的升溫速率，需要9 h，合成氣壓縮機沖轉需要2 h。所以，在變換接氣后，合成氣壓縮機需要在進入開車步驟前做好聯鎖試驗，并建立凝液循環及合格的真空。沖轉合格后點燃開工加熱爐，對合成催化劑進行氮氣升溫。

3.1 氮氣升溫氮氣升溫具體步驟

(1)氮氣補氣流程暢通，將合成氣壓縮機缸體充壓至1.50 MPa，通過出口放空控制缸體壓力。

(2)按汽輪機沖轉步驟開啟合成氣壓縮機，轉速升至7 882 r/min。系統內循環維持壓縮機一段進口壓力為0.30～1.00 MPa[2]。

(3)點燃一對開工加熱爐長明燈及主火嘴，預熱開工加熱爐。打開開工加熱爐工藝氣進口大閥，控制進口體積流量18 000～30 000 m3/h。

(4)調節開工加熱爐的主火嘴天然氣壓力為0.20 MPa，控制開工加熱爐工藝氣出口溫度的升溫速率為40 K/h。

(5)合成氣壓縮機崗位控制入口壓力為0.33 MPa。當一段進口壓力下降時，微開氮氣補充閥門，循環段出口壓力通過出口放空調節閥控制在1.50～2.00 MPa。

(6)當催化劑一床溫度升至400 ℃以上，以及開工加熱爐工藝氣出口溫度達到450 ℃時，通過調節主火嘴天然氣壓力來控制出口溫度恒溫。通過循環將熱量往催化劑二、三床移動，待催化劑二床溫度升至350 ℃以上時，結束升溫。

(7)液氮洗精制氣合格后，緩慢接氣置換，待床層產生反應熱后減小開工加熱爐熱負荷直至主火退出，合成系統產出液氨，高中低壓氨分離器均放氨操作。

(8)根據新鮮氣壓力及放空情況，合成氣壓縮機逐步升速加量至系統負荷加滿，然后轉入正常生產。

3.2 合成氣壓縮機運行數據

氮氣升溫時，合成氣壓縮機轉速維持在7 882 r/min。防喘振閥一般情況下保持全開狀態，通過一級密封氣漏氣、一段進口補氣及循環段出口放空，控制合成氣壓縮機運行平穩，以及軸振動、位移及各段出口溫度達標(見表3)。

表3 改造后合成氣壓縮機氮氣運行工況控制指標

4 操作注意事項

(1)合成氣壓縮機缸體補充純氮氣后，缸體內壓力不宜過高，一般情況下不超過2.00 MPa。若壓力較高，則應通過出口放空進行控制[3]。

(2)氮氣升溫期間，出口壓力達不到一級密封氣切換條件時不能切換。

(3)液氮洗精制氣合格后，合成接氣前必須取樣分析，接氣后應適當開啟放空，對系統進行置換，確保氫氮比合格。

(4)氮氣升溫只適合系統長期停車或大修后開車，以及床層溫度降至330 ℃以下時進行。

(5)在接氣時，要注意反應熱與開工加熱爐熱負荷之間的調整，合理分配進塔氣量。

(6)當床層產生反應熱后，監控氨冷溫度，當發現其上漲時，緩慢投用氨冷器，并對高壓、中壓、低壓氨分離器進行放氨操作。

5 經濟效益

合成系統冷態開車采用氮氣升溫的方法，提前對合成催化劑進行升溫，節省開車放空時間，使得精制氣合格后迅速接氣產氨，避免新鮮氣長時間放空。按照氣化爐70%負荷進行計算，新鮮氣放空會損失約26.2 t/h的液氨產量，提前8 h完成開車，節約開車成本為102.28萬元[4]。

6 結語

結合氨合成催化劑氮氣升溫的研究，采用氮氣升溫的方法切實可行，不僅降低開車成本，而且為后期合成系統冷態開車提供了實際參考數據。