（四川天華股份有限公司，四川瀘州 646207）

布朗工藝300 kt/a 合成氨裝置設(shè)計(jì)噸氨能耗7.24 Gcal，處于同行業(yè)領(lǐng)先水平。其中的甲烷化爐（R-4）裝置及氨合成塔（R-5/6/7）分別采用的是鎳鋁系甲烷化催化劑及加促進(jìn)劑的鐵催化劑，其正常活性溫度范圍為：甲烷化：250～510℃；合成塔：300℃的活性溫度。通常情況下開車時，要使甲烷化催化劑溫度達(dá)到足以保證甲烷化反應(yīng)開始的溫度260～290℃，通常需要5～6 h。而合成塔則需要6.5 h。這樣，未合格的工藝氣就只有放掉，這無疑使系統(tǒng)能耗大大增加。這個時間對于裝置來說是比較長的，有必要對其進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)[1]。

經(jīng)過分析與研究，針對嚴(yán)重影響開車進(jìn)度的兩個單元：甲烷化爐（R-4）和氨合成塔，項(xiàng)目組采取提前暖管、維持較高的高壓蒸汽壓力、及時調(diào)整甲烷化爐（R-4）下游6″放空流量、改變甲烷化爐（R-4）和合成塔升溫流程等多種手段，最終實(shí)現(xiàn)縮短甲烷化爐開車時間4.5 h，每次開車節(jié)約成本75.5 萬元；縮短合成催化劑工藝氣升溫時間5.5 h，每次開車過程節(jié)約成本88.73 萬元以上。

1 技術(shù)方案、完成情況及實(shí)現(xiàn)效果

項(xiàng)目分兩步進(jìn)行。

1.1 縮短甲烷化爐（R-4）的升溫時間、減少排放

R-4 升溫流程如圖1所示。

1.1.1 確立研究目標(biāo)

在大型氨廠，甲烷化爐的升溫是等工藝氣到來時才逐漸升溫，未合格的工藝氣在下游放空，這無疑是巨大的浪費(fèi)。甲烷化爐（R-4）升溫耗時平均為6 h，升溫時間是比較長的，很有必要對其進(jìn)行攻關(guān)。項(xiàng)目組經(jīng)過集思廣益，決定將甲烷化爐（R-4）升溫時間縮短，并先將目標(biāo)值定為2 h，如圖2所示。

1.1.2 原因分析

影響甲烷化爐（R-4）升溫時間的因素是多方面的，小組成員進(jìn)行了認(rèn)真分析和研究，決定主要從以下幾方面查找原因，用因果圖表示（如圖3所示）。

1.1.3 要因確認(rèn)

影響甲烷化爐（R-4）升溫時間的因素是多方面的，項(xiàng)目組進(jìn)行了認(rèn)真分析和研究，在充分論證的基礎(chǔ)上，確定以下幾方面是其升溫時間較長的主要原因：

圖2 現(xiàn)狀值、目標(biāo)值Fig.2 Present value and target value diagram

（1）高壓蒸汽壓力低，升溫速率慢。由于合成回路還沒運(yùn)行，蒸汽產(chǎn)量低，高壓蒸汽的壓力較低，使得升溫速率有限，達(dá)不到要求的25℃/ h。

（2）對甲烷化爐（R-4）下游6″放空流量未及時調(diào)整。

（3）蒸汽加熱器（E-28）未提前暖管。

（4）操作人員認(rèn)識不夠，新頂崗主控及現(xiàn)場人員較多，調(diào)整力度不夠。

（5）催化劑未提前升溫。甲烷化爐（R-4）的開車都是等待二氧化碳吸收塔T1 工藝氣導(dǎo)氣后，再投用蒸汽加熱器（E-28），按程序升溫，這個過程通常需要6 h。

圖3 R-4 升溫時間長因果圖Fig.3 R-4 cause and effect diagram of long heating time

1.1.4 對策及措施

（1）對策

通過對要因的確認(rèn)，制定對策計(jì)劃表（如表1所示），對癥下藥，解決問題。

表1 對策計(jì)劃表Tab.1 Table of countermeasures and plans

（2）具體措施

改變甲烷化爐（R-4）升溫流程。

確定了對甲烷化爐（R-4）預(yù)升溫的思路后，問題的關(guān)鍵就在于從哪里選流程，選擇何種介質(zhì)以及加熱源的選擇。既然是“預(yù)升溫”，則意味著主裝置處于停車狀態(tài)，那么首先確定加熱源只能使用外供3.5 MPa的中壓蒸汽；而催化劑處于活化狀態(tài)，那么加熱介質(zhì)也就只能選擇惰性氣體——氮?dú)狻＿@樣，就只剩下流程的選擇了。

裝置原設(shè)計(jì)有低變爐（R-3）的預(yù)升溫流程，該流程使用氮?dú)鉃榧訜峤橘|(zhì)，加熱源為外供3.5 MPa的中壓蒸汽和0.35 MPa的低壓蒸汽，使用兩個換熱面積分別為146 m2、129.5 m2的兩個列管換熱器，經(jīng)計(jì)算符合換熱要求，可將催化劑床層加熱至220℃左右。這個溫度恰好是避免甲烷化爐催化劑與CO 生成羰基鎳而中毒的安全溫度，雖然離甲烷化的反應(yīng)溫度還差40℃左右，但已可以大大縮短其升溫時間了。于是，在這些研究的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組決定利用現(xiàn)有的低變爐（R-3）升溫流程，在低變爐（R-3）的進(jìn)出口管線上各增加一支線與甲烷化爐（R-4）的進(jìn)出口相連接，如此即形成R-3 與R-4類似電路中并聯(lián)的格局，如圖4所示。這樣實(shí)施后縮短升溫時間4 h。

當(dāng)裝置還沒有引入天然氣時，由于園區(qū)內(nèi)有電廠送來的蒸汽，空分裝置可提供氮?dú)猓蚨迷蠚鈮嚎s機(jī)輸送氮?dú)庾鳛檩d熱體，利用低變升溫所用的換熱器供熱，使R-4 床層提前加熱至活化溫度成為可 能。

圖4 R-4 氮?dú)馍郎亓鞒蘁ig.4 R-4 heating process of nitrogen

在大修后開車中，于大管網(wǎng)來天然氣前2 天啟動原料氣壓縮機(jī)開始低變爐（R-3）升溫，R-3 升溫合格后，將甲烷化爐（R-4）系統(tǒng)充壓，緩慢打開R-4氮循環(huán)的進(jìn)出口閥，然后關(guān)閉低變爐（R-3）氮循環(huán)的進(jìn)出口閥，主控通過監(jiān)視壓縮機(jī)的出口壓力和段間流量，確認(rèn)甲烷化爐（R-4）的氮循環(huán)回路暢通，如此開始甲烷化爐（R-4）的升溫。通過調(diào)節(jié)兩個換熱器E-6、E-7的蒸汽量，控制甲烷化爐（R-4）的升溫速率為30℃/h。我們經(jīng)過查找關(guān)于甲烷化催化劑的資料后得知，在傳統(tǒng)升溫方法中易生成羰基鎳的情況，用氮?dú)馍郎鼐涂梢员苊?，因?yàn)轸驶嚨纳尚枰狢O，而用來作載氣的氮?dú)庵袥]有CO，所以無需擔(dān)心劇毒羰基鎳的生成。因受換熱器能力的限制，本次R-4 用氮?dú)馍郎氐淖詈鬁囟葍H達(dá)到了215℃，繼續(xù)循環(huán)已無價值，故將升溫系統(tǒng)切出，保溫保壓待用。在后來主線流程的開車升溫時，僅用了1.5 h 就將催化劑床溫升到了280℃。因此，該流程的改造節(jié)約了開車升溫時間4 h。通過采取以上措施，R-4 升溫時間明顯縮短[2]。

1.1.5 效果

通過以上措施后甲烷化爐（R-4）升溫時間大大縮短，升溫平均耗時為1.5 h。比采取措施前縮短4.5 h，效果非常明顯，如圖5所示。

圖5 R-4 升溫時間對比Fig.5 R-4 heating time comparison chart

1.1.6 鞏固措施

（1）繼續(xù)對甲烷化爐（R-4）裝置及流程進(jìn)行更加深入細(xì)致的了解。

（2）繼續(xù)加強(qiáng)對開車過程中各項(xiàng)工藝操作的學(xué)習(xí)，及時調(diào)整。

（3）繼續(xù)加強(qiáng)對新人員的培訓(xùn)，加深對裝置的了解，嚴(yán)格執(zhí)行崗位頂崗制度。

（4）加強(qiáng)操作員思想教育，提高工作熱情，嚴(yán)格遵守操作規(guī)程，優(yōu)化操作。

1.2 合成塔升溫流程改造

合成回路流程如圖6所示。

1.2.1 現(xiàn)狀調(diào)查，確立目標(biāo)

每次檢修后合成催化劑的升溫都要花6 h 左右的時間，這個時間較長，很有必要對其進(jìn)行攻關(guān)，項(xiàng)目組初步確定目標(biāo)：決定將合成催化劑工藝氣升溫時間縮短至1 h 以內(nèi)，目標(biāo)值定為1 h，如圖7所示。

1.2.2 原因分析

因?yàn)楹铣伤歉邷馗邏涸O(shè)備，壓力高達(dá)15 MPa，溫度達(dá)510℃，介質(zhì)是氫氣和氮?dú)?，為了防止設(shè)備及管道發(fā)生氫脆現(xiàn)象，工藝上嚴(yán)格要求對合成塔進(jìn)行暖塔升溫操作，升溫速率為每小時小于50℃，到達(dá)300℃需要6 h的升溫時間是必不可少的，因果圖如圖8所示。

1.2.3 要因確認(rèn)

圖6 合成回路流程Fig.6 Flow of amonnia loop

圖7 現(xiàn)狀值、目標(biāo)值Fig.7 Present value and target value diagram

圖8 合成觸媒工藝氣升溫時間長因果圖Fig.8 Cause and effect diagram of long heating time of amonnia process gas

通過對以上原因的分析，在充分論證的基礎(chǔ)上，項(xiàng)目組確定以下幾方面是造成合成塔工藝氣氣升溫時間較長的主要原因。

（1）循環(huán)加熱氣體流量小。暖塔期間，氣體量的大小由放空的多少決定，在升溫期間由壓縮機(jī)C-2轉(zhuǎn)速決定。

（2）加熱爐H2火焰調(diào)整不及時。在升溫期間，由于升溫速率的要求，要及時調(diào)整H2的火。

（3）燃燒天然氣壓力低。天然氣壓力低影響加熱爐H2燃燒氣量。

（4）壓縮機(jī)C-2 轉(zhuǎn)速偏低。升溫升壓時，壓縮機(jī)C-2 轉(zhuǎn)速偏低引起循環(huán)氣量減少，經(jīng)過觸媒的空速相應(yīng)減小。

（5）加熱爐H2的能力。燒嘴堵塞會影響能力。

（6）操作人員調(diào)整力度不夠。因?yàn)殚_工加熱爐是利用天然氣作為燃料，調(diào)整火的大小與操作人員水平有關(guān)。

1.2.4 主要措施

（1）利用爐水同時對三塔觸媒進(jìn)行升溫

本裝置三個合成塔分別與三個廢熱鍋爐（E-53、E-42、E-43）相連，正常運(yùn)行時利用合成反應(yīng)熱給爐水加熱而產(chǎn)生高壓蒸汽，在合成暖塔期間，爐水溫度達(dá)到300℃，利用爐水給工藝氣流程加熱，只要將溫度調(diào)節(jié)閥SBV2/SBV3/SBV6 關(guān)完，這樣使三個塔的溫度同時得到提升，節(jié)約了升溫時間。

（2）增大循環(huán)氣量

循環(huán)氣量的大小由放空閥HV108 放空的大小控制，在HV108 開完的情況下就無法增大循環(huán)氣量了，項(xiàng)目組通過對整個合成回路流程的仔細(xì)研究，發(fā)現(xiàn)還可以通過弛放氣流量調(diào)節(jié)閥FV153 及其旁路加大循環(huán)氣量，只是FV153 由壓縮機(jī)C-2 停車聯(lián)鎖動作，項(xiàng)目組選擇開其旁路的方法來增大循環(huán)氣量。

（3）提高壓縮機(jī)C-2 轉(zhuǎn)速

在合成回路升溫升壓期間，前系統(tǒng)負(fù)荷控制較低，因?yàn)樵谶@段時間工藝氣在放空，負(fù)荷越高放空越多，開車消耗越大，所以進(jìn)入合成的工藝氣只有正常的50%左右，我們利用壓縮機(jī)C-2 升轉(zhuǎn)，直到入口放空閥關(guān)完，這樣就以當(dāng)前最大循環(huán)氣量給合成升溫。

（4）提前用氮?dú)鈱铣伤郎?/p>

目前暖塔的載氣必須要等到系統(tǒng)工藝氣到了合成氣壓縮機(jī)進(jìn)口才具備，前系統(tǒng)升溫到合成氣進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)口約需要20 h。能否采用其他已有載氣對合成觸媒進(jìn)行升溫而縮短工藝氣升溫的時間，于是項(xiàng)目組查閱大量資料，進(jìn)行各種論證，最終確定提前用氮?dú)鈱铣纱呋瘎┥郎豙3]。

A、載氣的選擇

合成催化劑的毒物主要是氧氣和含氧化合物，而氮?dú)馐且环N惰性氣體，對合成催化劑及管線都無不良影響，升溫流程與工藝氣升溫流程一樣，針對裝置現(xiàn)有公用氮?dú)鈮毫s0.6 MPa，但是生產(chǎn)的量不大，只有采用合成氣壓縮機(jī)循環(huán)壓縮氮?dú)饨o合成塔暖塔才能保證氣量，所以只要合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行后保證補(bǔ)充氮?dú)饬看笥谙到y(tǒng)泄漏量和其他損失量，就不會對循環(huán)量造成影響，也能保證機(jī)組正常運(yùn)行需要的氣體流量，現(xiàn)有流程中沒有外供氮?dú)?，所以必須增加外供氮?dú)夤?，?xiàng)目組利用大修機(jī)會，在合成壓縮機(jī)進(jìn)口閥旁路處增設(shè)了一根2"硬管，與氮?dú)饪偣芟噙B，并增加了一道閥門，保證氮?dú)馍郎貢r的補(bǔ)充量，在工藝氣到來后也可隨時將氮?dú)馇谐到y(tǒng)[3]。

B、壓縮機(jī)C-2 動力蒸汽的選擇

合成氣壓縮機(jī)正常運(yùn)行時采用的是12.5 MPa，520℃的高壓蒸汽，而合成裝置未運(yùn)行時是沒有高壓蒸汽的，唯有動力中心供給的4 MPa的中壓蒸汽，也就是說，在升溫初期壓縮機(jī)C-2的動力改為中壓蒸汽，在原始試車時已經(jīng)試驗(yàn)過，是可行的[4]。

C、壓縮機(jī)C-2 轉(zhuǎn)速的確定

合成氣壓縮機(jī)C-2 正常工況下額定轉(zhuǎn)速11 250 r/ min，壓縮介質(zhì)是75% H2和25% N2以及小于5×10-6的CO 及含氧化合物，進(jìn)口壓力2.35 MPa，改為純氮?dú)夂螅橘|(zhì)的摩爾質(zhì)量由8.5 kg/mol 提高到了28 kg/mol，那么在同一轉(zhuǎn)速下，壓縮氮?dú)獾膲罕缺葔嚎s合成氣的壓比高，而壓比升高后機(jī)組每段排氣溫度也要升高，所以在氮?dú)夤r下不允許超過正常轉(zhuǎn)速的55%（小于6 187 r/min），而C-2 臨界轉(zhuǎn)速是4 000 r/min 至5 000 r/min，所以轉(zhuǎn)速選擇兩種結(jié)果：要么小于4 000 r/min，要么在大于5 000 r/min 且小于6 187 r/min，還要考慮轉(zhuǎn)速的波動，再結(jié)合裝置氮?dú)饪偣軌毫Φ?，入口壓力相?yīng)低，所以確立氮?dú)馍郎仄陂g壓縮機(jī)C-2 運(yùn)行轉(zhuǎn)速選低限3 700 r/min 左右，啟動前還要聯(lián)系儀表旁路入口壓力低聯(lián)鎖，正常工況聯(lián)鎖值為1.5 MPa[4]。

D、壓縮機(jī)C-2 啟動時間的確定

由于受到氮?dú)饬康南拗?，通過催化劑的氣量遠(yuǎn)不如工藝氣量，按工藝氣升溫速率50℃/h是不可能的，項(xiàng)目組根據(jù)氮?dú)饬看笮〈_定合成催化劑的升溫速率小于25℃/h，加上準(zhǔn)備時間和考慮富余時間，要想在工藝氣進(jìn)入壓縮機(jī)C-2 進(jìn)口前催化劑達(dá)到活性溫度300℃，必須比以前提前12 h 啟動C-2，從大氮升溫開始到工藝氣進(jìn)入壓縮機(jī)C-2 有20 h 空余時間，在大氮升溫時就啟動壓縮機(jī)C-2 能夠大大滿足氮?dú)馍郎貢r間要求，所以選擇在前系統(tǒng)大氮升溫期間啟動壓縮機(jī)C-2。

1.2.5 效果及鞏固措施

（1）效果

通過以上各項(xiàng)措施的實(shí)施落實(shí)后合成催化劑的工藝氣升溫時間大大縮短，特別是采用氮?dú)馓崆吧郎匦Ч铒@著，采取措施后，合成催化劑的工藝氣升溫時間縮短了5.5 h，如圖9所示。

（2）鞏固措施

① 繼續(xù)對合成裝置及流程進(jìn)行更加深入細(xì)致的了解。

② 繼續(xù)加強(qiáng)對開車過程中各項(xiàng)工藝操作的學(xué)習(xí)，及時調(diào)整，優(yōu)化操作。

③ 繼續(xù)加強(qiáng)對新人員的培訓(xùn)，加深對裝置的了解，嚴(yán)格執(zhí)行崗位頂崗制度。

2 總體性能指標(biāo)

總體性能指標(biāo)（以單次開車為準(zhǔn)）：

開車過程中，兩個工段合計(jì)節(jié)約開車時間＞10 h。

圖9 合成催化劑工藝氣升溫時間對比Fig.9 Comparison chart of heating time of amonnia catalyst process gas

開車階段系統(tǒng)負(fù)荷通常為30%～50%，同時，一段轉(zhuǎn)化爐、燃?xì)廨啓C(jī)使用的燃料天然氣平均約8 000 m3/h，這樣，因縮短開車時間可節(jié)約天然氣＞2×105m3。

計(jì)算各大型機(jī)泵如循環(huán)冷卻水風(fēng)機(jī)、泵等合計(jì)每次開車可節(jié)約用電＞10 萬度。

系統(tǒng)未自產(chǎn)高壓蒸汽前靠外補(bǔ)中壓蒸汽，縮短開車時間即可降低外補(bǔ)蒸汽量。估計(jì)可節(jié)約蒸汽（脫鹽水）＞200 t。

3 總論

本項(xiàng)目大大縮短了甲烷化爐R-4和合成催化劑工藝氣升溫時間，但受蒸汽加熱器E-7 能力的限制，甲烷化爐R-4 用氮?dú)馍郎氐淖詈鬁囟戎荒苓_(dá)到215℃，催化劑還未能達(dá)到活化溫度。還有潛力可挖，是否可在鞏固現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入研究，是否可從前系統(tǒng)引出溫度較高的工藝氣對床層升溫，或?qū)⒓淄榛癄tR-4 與轉(zhuǎn)變系統(tǒng)一起進(jìn)行大氮循環(huán)升溫，使系統(tǒng)能耗進(jìn)一步減少，進(jìn)一步縮短整個裝置的開車時間。同時，對氨合成塔，可否在鞏固現(xiàn)有成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步對合成氣壓縮機(jī)運(yùn)行安全進(jìn)行深入的研究，能否將氮?dú)馍郎貢r的轉(zhuǎn)速提得更高從而提高氮?dú)庋h(huán)量，提升催化劑升溫速率，這些都是今后繼續(xù)努力的方向，實(shí)現(xiàn)為企業(yè)盡可能地不斷節(jié)能降耗的目的，為提高產(chǎn)品市場競爭力打下更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。