高 霞 ，田 鵬

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中新化工有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000)

淺談Ф1500氨合成塔內(nèi)件的改進(jìn)及應(yīng)用

高 霞 ，田 鵬

(河南煤業(yè)化工集團(tuán)中新化工有限公司，河南新鄉(xiāng) 453000)

對(duì)氨合成塔內(nèi)件使用過程中存在的塔壁超溫、同平面溫差大、軸向溫升低、3#冷激存在冷管效應(yīng)等問題進(jìn)行分析，針對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的情況提出改進(jìn)措施并實(shí)施，同時(shí)采用新型的低溫高效A301型催化劑及A110－2型氨催化劑，對(duì)催化劑快速?gòu)氐走€原，解決了合成高壓圈原有的問題，穩(wěn)定了操作，提高了產(chǎn)量，同時(shí)降低了能耗，并對(duì)該塔型在今后的應(yīng)用提出了建議。

合成塔內(nèi)件;技術(shù)改造;催化劑還原;應(yīng)用

1 前言

原公司改擴(kuò)建工程氨合成塔原先采用Ф 1200mm卡薩利全徑向內(nèi)件，1999年元月投用以來，該設(shè)備暴露出了一些問題，造成合成系統(tǒng)壓力高，放空量大，產(chǎn)量低，消耗高。經(jīng)過我公司研究論證，決定對(duì)氨合成塔實(shí)施整體更新，首次采用Ф 1500mm GC型一軸三徑氨合成塔內(nèi)件，并于2001年10月實(shí)施改造。改造后取得了明顯的效果，消耗大幅度下降，氨產(chǎn)量明顯上升，氨凈值在11% ～12%，最高日產(chǎn)高達(dá)402.6t。但隨著生產(chǎn)能力的進(jìn)一步提高，合成塔也逐漸暴露出一些問題，直接影響到系統(tǒng)的生產(chǎn)，制約著產(chǎn)量的進(jìn)一步提高。為了節(jié)能降耗，找出問題所在，充分發(fā)揮裝置能力，進(jìn)一步提高產(chǎn)量，我公司決定對(duì)Ф 1500mm GC型氨合成塔內(nèi)件進(jìn)行改造更新，并于2005年8月對(duì)其改造。改造后日產(chǎn)氨平均達(dá)到425t(滿負(fù)荷、不含兩氣回收)以上，噸氨電耗下降53～55kW·h，系統(tǒng)壓力下降2～3MPa，增產(chǎn)節(jié)能效果顯著，取得良好效益。

2 合成塔內(nèi)部流程簡(jiǎn)介

從冷凝塔二次出口來的20%氣體作為塔壁保護(hù)氣由合成塔上部進(jìn)入，順合成塔高壓外筒與內(nèi)件環(huán)隙下行帶走熱量，至塔底出塔與冷凝塔二次出口來的氣體匯合后成為主氣，進(jìn)入塔外換熱器加熱。加熱后的氣體由二進(jìn)進(jìn)入合成塔，在合成塔底部換熱器管間與出塔氣換熱后，經(jīng)提升管進(jìn)入到中心管上行至觸媒層零米，自上而下進(jìn)入第一床軸向?qū)?，然后從第一徑向?qū)拥闹行姆植脊茏岳锵蛲馔ㄟ^觸媒層，再經(jīng)外集氣筒流出，進(jìn)入第二徑向?qū)油猸h(huán)隙，從外向里徑向流過觸媒層，從內(nèi)收集器集中，再向下流，進(jìn)入第三徑向?qū)觾?nèi)分布器，自里向外通過觸媒層，最后氣體經(jīng)下部換熱器管內(nèi)換熱后，氣體溫度降至340℃左右出塔，進(jìn)入中置鍋爐回收熱量。

合成塔副線，從塔頂部進(jìn)入與主線氣混合，調(diào)節(jié)第一床層入口溫度;1#冷激、2#冷激、3#冷激的冷激氣，從塔頂進(jìn)入分別對(duì)第一、第二、第三徑向?qū)拥挠|媒溫度加以調(diào)節(jié)和控制。

3 合成塔運(yùn)行情況及存在的問題

3.1 合成塔運(yùn)行情況

2001年10月份Ф1500mm合成塔投用后，運(yùn)行較平穩(wěn)，調(diào)節(jié)手段豐富，系統(tǒng)壓力控制在28～31MPa，較改造前下降1～2MPa。最高日產(chǎn)達(dá)402.6t，生產(chǎn)比以前穩(wěn)定可靠。經(jīng)測(cè)算，每年可增產(chǎn)合成氨7600多噸，增產(chǎn)節(jié)能，取得良好經(jīng)濟(jì)效益;但是該塔型是國(guó)昌公司首次設(shè)計(jì)制造，在國(guó)內(nèi)合成氨企業(yè)的應(yīng)用也是首例，在設(shè)計(jì)和制造上存在不少缺陷，致使在使用過程中出現(xiàn)了不少問題。

3.2 存在的問題

經(jīng)過三年多的生產(chǎn)實(shí)踐和操作，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制造上存在的問題如下:

3.2.1 第一軸向?qū)訂栴}

設(shè)計(jì)第一軸向?qū)?270mm，催化劑裝填6t。據(jù)觀察，軸向?qū)虞^短，造成氣體在軸向?qū)臃磻?yīng)較少，軸向?qū)訙厣^低，僅50～65℃，導(dǎo)致下層觸媒反應(yīng)量較多，溫度過高。使合成塔溫度控制較難，反應(yīng)達(dá)不到最佳。

3.2.2 同平面溫差大

軸向?qū)又苯永浼?，小蓋上的副線、冷激線、中心管填料漏氣導(dǎo)致觸媒第一層軸向段同平面溫差大，零米同平面溫差超過20℃，熱點(diǎn)同平面溫差50～60℃，嚴(yán)重影響了合成氨反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致合成塔副線無法實(shí)現(xiàn)正常調(diào)節(jié)。另外二段床間菱形分布器分布不均勻，偏流比較嚴(yán)重，也影響溫度控制。

3.2.3 塔壁溫度較高

合成塔壁溫度高，經(jīng)常出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，被迫開大保護(hù)氣量。這種狀況不僅不利于合成塔高壓外筒的安全運(yùn)行，也不利于氣量合理分配，更不利于熱量回收。導(dǎo)致這種情況出現(xiàn)的根本原因在于合成塔高壓外筒制造時(shí)上端環(huán)焊縫未銑光，致使高壓外筒與內(nèi)件之間環(huán)隙過小，造成塔壁過氣量偏少，氣體流速不均，甚至有的地方?jīng)]有氣量通過，帶不走熱量。也可能內(nèi)件保溫皮脫落，造成輻射嚴(yán)重，傳熱過快導(dǎo)致塔壁超溫。

3.2.4 內(nèi)件上下段焊接口精度要求高

內(nèi)件上、下段現(xiàn)場(chǎng)塔口組對(duì)焊，要求內(nèi)件總直線度≤5mm，總長(zhǎng)度允許誤差為 ±8mm，圓度為3mm。對(duì)接找正要求精度高，焊接技術(shù)難度大。稍有偏差，影響塔環(huán)隙氣體分布。

3.2.5 3#冷激線位置設(shè)計(jì)存在的問題

3#冷激使用冷氣(35℃左右)冷激，在調(diào)節(jié)使用時(shí)，冷激氣由中心管外環(huán)隙從軸向?qū)酉蛳轮恋谌斡|媒層出口，直接影響第一、二段觸媒層入口溫度，還造成中心管周圍觸媒不能充分反應(yīng)，反應(yīng)不好，造成冷管效應(yīng)。另外3﹟冷激與中心管迷宮密封連接漏氣，導(dǎo)致1﹟冷激氣直接進(jìn)入第四段觸媒層，3﹟冷激無法打開，影響溫度控制。

4 技術(shù)改造及措施

對(duì)上述問題認(rèn)真分析、討論，特制定出相應(yīng)的改進(jìn)措施，然后在改造更新時(shí)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)改造。

4.1 對(duì)觸媒層高度進(jìn)行調(diào)整

通過進(jìn)行熱量衡算，增加第一段軸向?qū)佑|媒層高度。將軸向?qū)痈叨仍龈?00mm，由原來的1650mm增高至2150mm;第四段觸媒層高度相應(yīng)減少500mm，保持內(nèi)件總高不變。這樣增大軸向溫升，提高一段的合成率，在保持一段熱點(diǎn)不變的情況下，降低入塔“零米”溫度，有利于整塔溫度的調(diào)節(jié)控制，盡可能加大循環(huán)量，提高產(chǎn)量。

4.2 副線增設(shè)氣體分布器

為避免氣體偏流，消除軸向?qū)油矫鏈夭睿垢本€的低溫氣體與主線氣能夠充分混合，并均勻地分布后進(jìn)入到觸媒層零米，特意在觸媒筐頂部增設(shè)副線氣體再分布器。同時(shí)采用新型密封材料，解決了冷激管、中心管、熱偶管在小蓋處連接法蘭螺栓易斷、易松動(dòng)的問題，同時(shí)也避免了漏氣和氣體走短路的問題。

4.3 增大塔壁與內(nèi)件之間的環(huán)隙

保溫層固定應(yīng)牢固，嚴(yán)防脫落，同時(shí)增大內(nèi)件與高壓外筒環(huán)隙。為了有效避免塔壁溫度偏高，更好的回收熱量，應(yīng)采用隔熱效果良好的新型保溫材料。同時(shí)合成塔內(nèi)件上段(即第一層、第二層觸媒筐)，內(nèi)件外筒和觸媒筐直徑相應(yīng)各減少10mm，適當(dāng)增大內(nèi)件與高壓外筒環(huán)隙，保證內(nèi)件與高壓外筒環(huán)隙單邊＞10mm，解決高壓外筒制造缺陷造成的內(nèi)件與高壓外筒塔口部位環(huán)隙小的問題。

4.4 改造3#冷激位置

現(xiàn)有3﹟冷激氣管的引入位置由一段中部移至第三段中上部，并且與下部組合徑向筐在出廠時(shí)即為一體，避免現(xiàn)場(chǎng)焊接，同時(shí)在調(diào)節(jié)第四段觸媒層時(shí)更為直接、有效。這樣就避免了3#冷激對(duì)一、二、三床觸媒局部溫度影響。同時(shí)解決3﹟冷激與中心管迷宮密封連接漏氣，導(dǎo)致1﹟冷激氣直接進(jìn)入第四段觸媒層，3﹟冷激無法打開，避免因開啟3#冷激而導(dǎo)致整塔反應(yīng)惡化的問題。

5 觸媒裝填與升溫還原

本爐催化劑采用浙江上虞催化劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的低溫高活性A301(屬于亞鐵系)和A110－2無定型強(qiáng)化磨角兩種觸媒，因?yàn)锳301和A110－2兩種催化劑的還原溫度控制有所不同，因此采用分層還原、逐步推進(jìn)、低溫強(qiáng)化出水高效還原法。

5.1 觸媒的裝填

5.1.1 觸媒裝填

催化劑的裝填和內(nèi)件安裝質(zhì)量是影響催化劑還原質(zhì)量和生產(chǎn)能力的重要因素之一。因此催化劑在裝填時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照觸媒裝填規(guī)程操作，另還應(yīng)注意A301型具有易還原、還原快的特點(diǎn)。本爐催化劑總裝填量為47.0t，其中 A301觸媒10.8t，A110－2觸媒36.2t，大部分為 A110－2觸媒，型號(hào) 2.2～3.3mm的小顆粒觸媒，約占總量的75%。整個(gè)觸媒筐共四層，分上下兩段，一、二層為上段，三、四層及塔底部換熱器為下段。

5.1.2 床層溫度點(diǎn)分布

本塔共設(shè)21個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，3根熱電偶套管，兩根有8個(gè)熱電偶，一根有5個(gè)熱電偶。一段4個(gè)，二段5個(gè)，三段6個(gè)，四段6個(gè)，其中1、2點(diǎn)3、4點(diǎn)在同平面。

5.2 觸媒的升溫還原

我們根據(jù)A301和A110－2型觸媒說明書要求，結(jié)合我公司實(shí)際情況制訂了升溫還原方案。

還原過程中注意事項(xiàng)如下:①升溫過程中嚴(yán)禁超溫。在實(shí)際還原操作過程中要嚴(yán)格按升溫還原方案進(jìn)行，并特別注意不能超溫。②采用低溫還原法。由于A301型催化劑具有低溫出水較快、還原速度較快的特點(diǎn)，應(yīng)采用抑制其還原速度的“低溫還原法”。③采用階梯式升溫還原方式。為防止升溫過快造成出水過猛，還原A301型催化劑采用“升溫—恒溫—升溫……”階梯式升溫還原方式。強(qiáng)化低溫出水，防止升溫過快，造成催化劑晶粒增長(zhǎng)過快，比表面積減小，活性降低。④采用低壓還原。還原初期，壓力要低(控制在6.0MPa)，有利于催化劑的還原。還原主期、后期，為彌補(bǔ)電爐不足，需提壓利用反應(yīng)熱提高底部溫度時(shí)，要特別注意平面溫差。盡可能利用電爐的熱量，最大可能不提壓。⑤采用分層還原。因?yàn)锳301和A110－2兩種催化劑的還原溫度控制有所不同，因此采用分層還原、逐步推進(jìn)的方法。同時(shí)也避免下層催化劑被還原所產(chǎn)生的水蒸氣反復(fù)氧化而降低活性。⑥還原要徹底。從升溫期直接進(jìn)入還原主期，A301出水主期為400～450℃，A110－2為430～485℃。但為了保證最底層觸媒還原徹底，A301型觸媒最終還原溫度360℃，A110－2型觸媒最終還原溫度為500℃。⑦嚴(yán)格控制水汽濃度。在整個(gè)還原過程中，盡量增大空速，嚴(yán)格控制水汽濃度不超過3.0g/m3(標(biāo)態(tài))。

還原實(shí)施情況:本爐催化劑于2010年8月28日凌晨4:00開電爐升溫，9月3日10:00，轉(zhuǎn)入輕負(fù)荷生產(chǎn)，共歷時(shí)約150h。其中因前系統(tǒng)及電系統(tǒng)故障因素影響15h，實(shí)際升溫還原用時(shí)135h。最終觸媒層溫度均提到500℃，連續(xù)三個(gè)水汽濃度合格，累計(jì)出水量達(dá)到理論出水量的90%以上，整個(gè)還原過程均按低溫、低壓、低水汽濃度、高氫、高空速的原則，以水汽濃度作為操作的主要依據(jù)來進(jìn)行，最后連續(xù)三個(gè)水汽濃度合格，還原結(jié)束，轉(zhuǎn)為輕負(fù)荷生產(chǎn)。

6 改造后合成塔運(yùn)行效果及存在問題

系統(tǒng)轉(zhuǎn)入正常后，運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)操作彈性大，手段多，合成塔阻力較低，壓力下降。在生產(chǎn)滿負(fù)荷循環(huán)量達(dá)到24×104Nm3/h時(shí)，合成塔壓差≤0.4MPa，系統(tǒng)阻力≤1.6MPa，合成系統(tǒng)壓力由31MPa降至28.5MPa左右，有效氣體放空量由原來的2500Nm3/h降低到1000Nm3/h，循環(huán)CH4可控制在16% ～19%，噸氨電耗由原來的1000kW·h下降至944kW·h，噸氨節(jié)電56kW·h，合成氨產(chǎn)量明顯提高，由原來的平均日產(chǎn)395.6t增長(zhǎng)到425t以上，最高日產(chǎn)達(dá)到436.8t。整體節(jié)能效果明顯，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。改造前后主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見表1。

表1 改造前后主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比表

6.1 運(yùn)行效果

①同等條件下產(chǎn)量增加。改造后生產(chǎn)強(qiáng)度提高、能力增大，氨產(chǎn)量明顯提高，在同樣的四機(jī)滿負(fù)荷情況下，產(chǎn)量已達(dá)到日產(chǎn)430多噸。② 阻力減小，壓力降低。從操作情況看合成塔阻力減小了，也大大降低了系統(tǒng)壓力，系統(tǒng)壓力由31MPa降低到28.5MPa，進(jìn)一步降低了壓縮機(jī)能耗，節(jié)能效果好。③觸媒層溫度分布更加合理，同平面溫差減小。各床層溫度控制正常，同平面溫差小于10℃，整個(gè)合成塔能夠維持自熱平衡。一段溫升在80℃以上，其他三段溫升都比以前有不同程度的提高，并且同平面溫差?。?0℃。④解決了難題。解決了合成塔

觸媒層的偏流、副線冷氣分布不均、3#冷激影響整個(gè)觸媒層熱量均衡以及塔壁超溫等問題。⑤冷激線分布更加合理。改造后冷激線調(diào)節(jié)正常，易于操作控制。3#冷激管的位置改造，避免了一、二段催化劑的冷管效應(yīng)。⑥操作彈性大。改造后操作彈性大，調(diào)節(jié)手段多，調(diào)節(jié)容易，由于設(shè)計(jì)一軸三徑結(jié)構(gòu)，可任意關(guān)閉一冷激實(shí)現(xiàn)一軸二徑運(yùn)行操作。

6.2 存在問題

①催化劑對(duì)H2/N2較為敏感。催化劑對(duì)H2/N2較為敏感，H2/N2的變化對(duì)合成反應(yīng)影響較大，氫氣過高過低對(duì)合成氨反應(yīng)均為不利，因此要加強(qiáng)對(duì)H2的調(diào)節(jié)。②內(nèi)件上下段焊接要求精度高。內(nèi)件上、下段現(xiàn)場(chǎng)塔口組對(duì)焊，對(duì)接找正要求精度高，焊接技術(shù)難度大。稍有偏差，影響塔環(huán)隙氣體分布，以后要加以改進(jìn)。③冷凝溫度偏高。由于生產(chǎn)能力的提高，合成氨蒸發(fā)、冰機(jī)配套系統(tǒng)能力較小，造成氨冷溫度偏高，影響生產(chǎn)，以后要加以改造。④合成塔壓差易波動(dòng)。合成塔壓差受氣體分布及氣體組分變化的影響，易出現(xiàn)波動(dòng)，開停車操作中必須嚴(yán)格注意。⑤直接冷激影響平衡氨含量。目前合成塔各段的冷激氣都是直接混合冷激，直接影響反應(yīng)后的平衡氨含量，對(duì)整個(gè)合成塔熱量的回收不利?？筛臑殚g接冷激，有利于回收熱量。

7 結(jié)論

改造后的合成內(nèi)件經(jīng)過三年多的生產(chǎn)實(shí)踐證明，改造是成功的，并且達(dá)到了改造的目的。系統(tǒng)工藝指標(biāo)全部得到優(yōu)化，冷激線分布合理，易于操作控制，操作彈性大，系統(tǒng)壓力較低，合成氨產(chǎn)量明顯提高，并解決了制約生產(chǎn)的薄弱環(huán)節(jié)，節(jié)能降耗效果顯著，主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)得到進(jìn)一步優(yōu)化，系統(tǒng)達(dá)到了高負(fù)荷經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)，企業(yè)取得良好效益。以后我們還要在生產(chǎn)操作中逐步摸索，認(rèn)真總結(jié)，把Ф1500mm內(nèi)件的潛能發(fā)揮出來，爭(zhēng)取更大的經(jīng)濟(jì)效益。

TQ053.5

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1003－3467(2011)01－0050－03

2010－09－25

高 霞(1977－)，女，助理工程師，從事化工工藝管理工作，電話:15893886805。