S-300 型氨合成塔催化劑卸裝應(yīng)用

萬棋棋，袁仁華

（貴州天福化工有限責任公司，貴州 福泉 550501）

0 引言

貴州天福化工有限責任公司以貴州豐富的煤炭資源為原燃料，采用世界先進干粉粉煤加壓氣化技術(shù)、高水氣比變換工藝、低溫甲醇洗脫硫脫碳、分子篩及液氮洗氣體精制、低壓氨合成、中壓甲醇合成等技術(shù)，建成年產(chǎn)30 萬t 合成氨、25 萬t 甲醇、15 萬t 二甲醚等項目，該套裝置于2010 年建設(shè)完成，10 月一次投料試車成功。氨合成塔采用的是丹麥托普索公司S-300 徑向流反應(yīng)器。S-300 型氨合成塔總高23.33 m，直徑2.5 m，內(nèi)件質(zhì)量54 t，總體結(jié)構(gòu)為3 層，層間換熱形式。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，從上至下包括：1 床層觸媒框、1 床層換熱器、冷激氣軟管、2 床層觸媒框、2床層換熱器、3 床層觸媒框、中心管7 部分。

1 工藝流程（圖1）簡述

圖1 合成氨工藝流程簡圖

液氮洗洗滌合格的合成氣與氨閃蒸罐的閃蒸氣混合經(jīng)合成氣壓縮機做功，再與循環(huán)氣混合進入三段做功后進入熱交換器，在熱交換器里新鮮合成氣與中壓鍋爐水換熱后分3 路進入合成塔。第一路合成氣由A1、A2 入口進入，氣體沿合成塔外筒與觸媒筐間的環(huán)隙自下而上進入合成塔頂部管口，氣體通過第一床間換熱器中心管進入換熱器底部管板，向上進入管程，冷卻一床出口反應(yīng)氣，控制進入第二床層反應(yīng)氣溫度。另一路合成氣從塔底部中心管口經(jīng)A3 入口進入，經(jīng)中心管進入第二床間換熱器底部管板，向上進入管程，冷卻二床出口反應(yīng)氣，控制進入第三床的反應(yīng)氣溫度。第三路由塔頂冷激口A4 進入，在合成塔頂部管內(nèi)與來自兩個床間換熱器管程的兩股氣體混合，冷激氣用來控制第一床催化劑進口合成氣的溫度。混合后的氣體徑向通過各催化劑床層進行反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體經(jīng)中心管B 口流出。反應(yīng)釋放的熱量經(jīng)高壓鍋爐水預(yù)熱器、中壓鍋爐給水預(yù)熱器換熱回收后，再經(jīng)過冷交換器，第一氨冷器、第二氨冷器冷卻至0 ℃，在氨分離器分離液氨和未反應(yīng)工藝氣，底部液氨進入氨閃蒸槽閃蒸回收氫氣和氮氣，底部成品液氨輸送至儲罐儲存。

2 氨合成工藝特點

2.1 優(yōu)點

1）進入氨合成塔的合成氣先經(jīng)過外筒與內(nèi)筒的環(huán)隙，減少向外筒散熱，外筒只承受高壓，不承受高溫，可以采用低合金鋼制作。內(nèi)件雖在高溫下工作，但只承受環(huán)隙氣體與內(nèi)件氣流的壓差，因此只承受高溫，不承受高壓，可以采用不銹鋼制作；

2）操作靈活，能通過床層入口控制閥開度控制各床層的熱點溫度，接近最適宜溫度曲線，出口氨凈值高；

3）采用徑向流和層間換熱形式，合理回收熱量，轉(zhuǎn)換率高，產(chǎn)量大；

4）催化劑顆粒為1.5～3 mm，能有效減小氣體通過觸媒框的阻力，節(jié)省壓縮機蒸汽消耗[1]。

2.2 缺點

1）氨合成塔催化劑更換周期長，需用150 t 大型起重設(shè)備裝卸內(nèi)件；

2）氨合成塔安裝高度較高，更換催化劑時，存在交叉作業(yè)，可能引起機械傷害、起重傷害、中毒窒息等事故；

3）合成氣為徑向流動，其流動截面和氣量速度不斷變化，可能引起工藝氣偏流現(xiàn)象，影響催化劑利用率；

4）氨合成塔內(nèi)件與內(nèi)筒間隙小，要求安裝精確度高[2]。

3 氨合成催化劑卸出及內(nèi)件拆除順序主要流程（見圖2）

圖2 氨合成催化劑卸出及內(nèi)件拆除順序主要流程

4 氨合成催化劑裝填及內(nèi)件安裝順序主要流程（見圖3）

圖3 氨合成催化劑裝填及內(nèi)件安裝順序流程

5 催化劑卸裝過程中安全、質(zhì)量管理措施

5.1 安全管理方面

開工前檢查準備：每天進氨合成塔作業(yè)前，對催化劑作業(yè)人員，鏟車師傅、吊車師傅進行安全技術(shù)交底；按時作受限空間分析；空壓機、空呼長管、面罩等設(shè)備常規(guī)檢查。

制度管理：嚴格執(zhí)行《危險化學(xué)品特殊作業(yè)規(guī)范GB 30871—2022》中的技術(shù)、管理措施。執(zhí)行《受限空間作業(yè)票》、《臨時用電票》、《動火作業(yè)票》、《盲板抽堵作業(yè)票》等安全管理制度，作業(yè)人員、工器具進出合成塔執(zhí)行簽字確認程序[3-6]。

物的管理：合成塔高、低壓氮氣管線上的閥門專人負責。定期監(jiān)控低壓氮氣管網(wǎng)壓力大于0.3 MPa、空分1 000 m3液氮儲存量情況，確保卸催化劑過程中合成塔內(nèi)催化劑自始至終處于氮氣環(huán)境微正壓狀態(tài)，防止與空氣接觸氧化釋放熱量，損壞合成塔內(nèi)件，造成人員傷亡。

催化劑卸出前，鏟車鏟斗提前裝水，轉(zhuǎn)運至安全空地，專人定期給催化劑澆水冷卻，防止催化劑氧化局部過熱，發(fā)生火災(zāi)事故。

人的管理：作業(yè)人員在氨合成塔內(nèi)部卸催化劑期間，執(zhí)行雙監(jiān)護制度，并定期發(fā)內(nèi)部作業(yè)人員圖片、視頻，不定時測量催化劑表層溫度，確保作業(yè)人員安全。

應(yīng)急措施：為防范突發(fā)事故，防止人員中毒窒息、催化劑著火損壞合成塔內(nèi)件，現(xiàn)場緊急備有120 救護車、119 消防車、消防設(shè)施、應(yīng)急工藝專家，防止事故擴大。

環(huán)境管理：氨合成塔催化劑裝填及內(nèi)件吊裝作業(yè)，安排在白天作業(yè)，確保安全、高效、文明施工。

管理措施：用高清布控球、移動攝像頭等監(jiān)控設(shè)備對催化劑卸裝作業(yè)過程，執(zhí)行全員、全過程、全方位、全天候管理，出現(xiàn)違章行為及時制止。

5.2 質(zhì)量控制管理方面

嚴格管控催化劑粉塵過篩質(zhì)量。篩網(wǎng)尺寸為1mm×1 mm，嚴格控制作業(yè)人員每桶催化劑過篩速度、篩網(wǎng)表層厚度，確保過篩質(zhì)量。

現(xiàn)場隨時備用篷布，防止因天氣變化降雨淋濕催化劑，因為水可能會溶解促進劑，導(dǎo)致活性損失，且促進劑可能會對合成塔材料造成苛性應(yīng)力腐蝕，防止催化劑機械強度、內(nèi)件損壞。

催化劑裝填過程，對重要節(jié)點執(zhí)行現(xiàn)場確認制度。如1/2/3 床層管口密封、催化劑裝填高度測量、各床層催化劑填滿、頂部冷激管坡度等完成情況檢查。

催化劑裝填過程執(zhí)行動態(tài)、清單化管理。催化劑裝填過程采用蓬頭式密相裝填技術(shù)，初期一斗一測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，改為三斗一測量數(shù)據(jù)。當堆密度出現(xiàn)偏差時，按照催化劑供貨方的裝填密度控制值，及時調(diào)整，要求作業(yè)人員嚴格控制第1/2/3 床層裝填速度及堆密度，確保催化劑裝填質(zhì)量，第一、二、三床層裝填數(shù)據(jù)如圖4～圖6。

圖4 第1 床層裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖5 第2 床層裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

圖6 第3 床層裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

催化劑裝填、內(nèi)件安裝完后按照《氨合成塔回路置換、氣密、保壓方案》對回路系統(tǒng)進行置換、氣密、保壓工作。裝置停車期間認真記錄催化劑床層溫度、壓力參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常及時處理。

5.3 氨合成塔催化劑裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計（見表1）

表1 氨合成塔催化劑裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

6 結(jié)語

托普索S-300 型氨合成塔工藝是一種典型的采用內(nèi)部床層間換熱器結(jié)構(gòu)形式，具有熱回收效率高、氨凈值高的工藝流程。從氨合成塔催化劑裝填數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中可以看出，此次催化劑裝填堆密度平均值滿足供貨方催化劑堆密度控制值要求。托普索S-300 型氨合成工藝內(nèi)件安裝、催化劑的順利裝填安裝將對后期液氨日產(chǎn)量、合成塔系統(tǒng)壓降、噸氨耗有效氣、噸氨耗蒸汽等控制指標有顯著的優(yōu)化。