Φ2 200 mm氨合成系統(tǒng)節(jié)能技術改造總結

徐 國　向 超　譚 暢（湖北三寧化工股份有限公司 湖北三寧443206）

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Φ2 200 mm氨合成系統(tǒng)節(jié)能技術改造總結

徐 國向 超譚 暢
（湖北三寧化工股份有限公司 湖北三寧443206）

0　前言

湖北三寧化工股份有限公司（以下簡稱三寧公司）尿素廠于2008年11月建成投產，該氨合成系統(tǒng)配套的中壓醇烴化凈化流程包括2套醇化系統(tǒng)和1套烴化系統(tǒng)，醇化塔和烴化塔均為Φ1 600 mm軸徑向塔，操作壓力為13 MPa。合成塔內件選用湖南安醇公司的ⅢJD2000型Φ2 200 mm氨塔內件，結構為3層4段、1軸2徑式，最高工作壓力26 MPa，配置副產2.5 MPa蒸汽的廢熱鍋爐。該裝置在投產初期日均產氨的最高達928 t，后由于多方面原因導致產量逐步下降，系統(tǒng)經常超壓，尤其是從2011年6月開始，氨合成系統(tǒng)阻力逐步上漲，到2011年10月，系統(tǒng)阻力由起初的1.9 MPa上升至2.8 MPa，為保護設備的安全運行，氨合成系統(tǒng)被迫減量運行，日均產氨量最低時不足800 t。

氨合成系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1　氨合成系統(tǒng)工藝流程

1　產能下降的原因分析

1.1 氨合成塔催化劑活性衰退

氨合成塔催化劑總填裝量147 t（50 m3）。開車初期，由于操作經驗不足，經常大幅超溫，對催化劑活性影響較大；由于對催化劑的保護不當，多次發(fā)生醇醚類物質致催化劑中毒現(xiàn)象；此外，上層催化劑本身在升溫還原中還原質量不好，且有因催化劑填裝不均發(fā)生沉降的現(xiàn)象，導致上層催化劑活性差、溫升小、平面溫差大，整個床層熱點溫度由上層軸向段下移至徑向層冷管段，氨合成反應差，最終也導致了系統(tǒng)壓力高，動力消耗高、嚴重制約了氨合成系統(tǒng)產能的提高。該塔催化劑使用僅僅3年，熱點溫度已經由最初的478℃逐步提至500℃。

1.2阻力上漲

醇烴化系統(tǒng)長期超負荷運行，醇化和烴化催化劑活性均有不同程度的衰退，而受脫碳工藝的影響，醇化系統(tǒng)進口氣體中φ（CO2）長期超標2%左右，導致烴化出口氣體中φ（CO2）為15×10-6，CO2含量偏高的補氣與含氨的循環(huán)氣匯合，最終在氨合成系統(tǒng)入合成塔前段設備內生成銨鹽結晶而堵塞了氣體通道，引起系統(tǒng)阻力上漲。測試的氨合成系統(tǒng)阻力對比見表1。

表1　測試的氨合成系統(tǒng)阻力對比MPa

由表1可見，系統(tǒng)阻力增大主要分布在氨分-冷交段，而這段恰恰是氨合成新鮮氣通過的位置，由此可以判斷阻力上升的根本原因是因新鮮氣中CO2含量長期過高與氨反應生成銨鹽結晶引起的。

1.3循環(huán)機故障頻繁

2010年5月起，循環(huán)機連桿大、小瓦拉瓦經常發(fā)生，尤其是系統(tǒng)阻力上升后幾臺循環(huán)機電流長期超標，額定電流64 A，而最高電流達到70 A，拉瓦事故頻繁發(fā)生，嚴重時2臺循環(huán)機同時發(fā)生故障，系統(tǒng)被迫減量運行。為延長循環(huán)機的運行周期和維持正常生產的持續(xù)進行，開氨合成系統(tǒng)大近路1～2格，以減輕循環(huán)機負荷，這樣就不可避免對氨合成產量造成一定影響。選用2D-25-13.7/235～260型平衡對稱式循環(huán)機，排氣量為13.7 m3/min（標態(tài)），3開1備，因氣缸為單作用式結構，活塞受力大，出口氣流脈沖大，導致循環(huán)機負荷重、振動大、故障頻發(fā)，同時系統(tǒng)阻力高進一步加劇了循環(huán)機的磨損。

2　解決措施

針對上述問題，經認真分析研究，采取了相應的技術措施，從根源上解決了一系列導致氨合成產能持續(xù)下降、動力消耗高及設備維修成本高的難題。

2.1更換部分催化劑

針對上層催化劑活性衰退的現(xiàn)象，于2011年底將上層部分催化劑更換為還原態(tài)催化劑。此次填裝采用氮氣降溫、氮氣保護、真空抽吸催化劑、干法分離操作方法，即把降溫后的催化劑用羅茨風機通過管道抽出，抽出的催化劑與保護介質氮氣分離后，立即用水沖洗氧化降溫后運走，氮氣經水冷器降溫后返回，并從合成塔塔頂零米催化劑表面進入塔內，形成氮氣循環(huán)氣路（注意真空度，防止誤操作抽入空氣），在塔底主出氣口補入氮氣。共抽取上層舊催化劑約18 t，實際裝入還原態(tài)催化劑17.8 t，占整個氨塔催化劑填裝總量的12%。開車時，用φ（H2）為70%的氫氮氣對上層催化劑進行8 h的升溫還原，首先將零米催化劑溫度提高至480℃，然后將上層催化劑熱點溫度提高至500℃恒溫4 h即結束對新催化劑的升溫還原。

氨合成系統(tǒng)投運后，上層催化劑的活性得到了顯著發(fā)揮，零米溫度395℃，熱點485℃，整個床層熱點溫度重新回到上層，相同工況下系統(tǒng)壓力下降近1.0 MPa，日均氨產量達到1 015 t。2013年3月22日，日產氨1 040.53 t，達到歷史最高記錄。

2.2消除阻力

針對氨合成系統(tǒng)阻力上升的現(xiàn)象，采取了2項措施：①先加入80℃熱水，然后用120℃的蒸汽對氨合成系統(tǒng)氨分-冷交段設備管線進行熱洗，將設備內部的銨鹽完全分解；②更換醇化活性較差的A塔催化劑，同時對烴化催化劑進行深度還原，大大提高了醇烴化系統(tǒng)的轉化率，從根本上消除了氨合成系統(tǒng)阻力大的困擾，對于提高氨合成補氣凈化度和確保裝置穩(wěn)定高效運行起到了決定性作用。

另外，本次烴化催化劑深度還原是三寧公司第1次對運行中催化劑進行深度解毒。實踐證明，采用φ（H2）為70%的氫氮氣將催化劑提溫至500℃的還原溫度對于提高催化劑使用活性的方法是有成效的。本次深度還原采用分層還原的方式，將催化劑的上、中、下層分別提溫至500℃進行恒溫，邊補氣邊放空置換，保證循環(huán)φ（H2）維持在65%以上，同時對所分離出來的少量氨水和一些有機物質進行排放收集，整個深度還原過程歷時30 h。重新并入系統(tǒng)運行后，催化劑轉化率得到大幅提高，在烴化系統(tǒng)進口氣體中φ（CO+ CO2）為0.3%的相同工況下，出口氣體中φ（CO+CO2）由原20×10-6降至10×10-6左右，從根本上解決了氨合成系統(tǒng)設備內部銨鹽結晶而引起的氣體通道堵塞的問題。

此外，針對氨合成塔阻力偏大的問題，對氣體分流進行了改動，新增了1條熱副線，從塔底引入，與塔底冷副線混合進入上部換熱器再到中心管，進入上催化劑層反應，即在原來的基礎上進一步加大了氣體分流量。開車后，合成塔壓差在原基礎上下降了0.1 MPa，同時，由于部分塔內換熱量轉移到塔外，出塔氣體溫度上升近20℃，廢熱鍋爐副產蒸汽提高了10 t/h。目前，氨合成系統(tǒng)阻力一直穩(wěn)定在1.8 MPa，冷交-氨分段阻力也一直穩(wěn)定在0.25 MPa，合成塔阻力1.0 MPa。醇烴化系統(tǒng)改造前、后工藝指標對比見表2。

表2　醇烴化系統(tǒng)改造前、后的工藝指標對比

2.3改造循環(huán)機

針對循環(huán)機單作用式活塞受力負載過大的問題，將原單吸式結構改造成雙吸式，每個氣缸各增加了1只進、出口活門，同時將原來的缸體直徑縮小，缸套直徑由原來的Φ293 mm改為Φ235 mm，大大減輕了曲軸和連桿的受力。由于采用了雙吸式結構，循環(huán)機的活塞受力更小、更平衡，振動變小，電耗也隨之大幅下降，單機運行電流下降約15 A，打氣量在氣缸直徑大幅縮小的情況下不僅沒有下降，反而有所提高。3臺循環(huán)機全部改造后總循環(huán)量提高在至約30 000 m3/h（標態(tài)），經計算，每臺循環(huán)機打氣量由原13.7 m3/min（標態(tài)）提高至14.2 m3/min（標態(tài)）。循環(huán)機改造前、后運行參數和經濟性對比見表3。

經計算，改造1臺循環(huán)機，1年可節(jié)約電費50萬余元，3臺循環(huán)機運行全年可節(jié)約電費150萬余元，維修費用和人力維護成本也大大下降，1年可節(jié)約維修經費20余萬元；同時，由于打氣量的提高對于裝置產能的擴大也創(chuàng)造了良好條件。本次技改總投資約180余萬元，1年即可收回改造成本，具有良好的節(jié)能效果和經濟效益。

3　裝置改造后總體運行效果分析

通過2011年的一系列改造，整個氨合成系統(tǒng)的工藝狀況和經濟運行效益得到了很大的改善，完全達到了擴產和降耗的改造預定目標，在產量和電耗2項指標方面甚至超出了預期效果。氨合成改造前、后的運行效果對比見表4。

表4　氨合成改造前、后的運行效果對比

經過此次對氨合成系統(tǒng)的技術改造，雖然解決了一些導致氨合成系統(tǒng)產能持續(xù)下降和消耗高的瓶頸問題，但也有一些遺留的新問題，如：氨合成新填裝上層催化劑在開車后發(fā)現(xiàn)平面溫差高達40℃，經推測，可能是催化劑填裝不均勻所致；由于氨合成系統(tǒng)的產能擴大，特別是循環(huán)機改造后總循環(huán)量的增加，造成了冷凍系統(tǒng)負荷加重，致使氨冷溫度由原來的-8℃上升至-5℃，后通過對氨冷系統(tǒng)進行優(yōu)化配置，問題得以解決；循環(huán)氣甲烷仍舊偏高，雖然本次大修對高壓膜提氫流程也進行了改造，將原兩大并聯(lián)流程改為大串聯(lián)，提氫效果有所提高，但隨著放空量的增加，分離效果仍不佳，尾氣中φ（H2）高達25%，導致一部分有效氣體放空損失。

4　結語

本次氨合成系統(tǒng)的技術改造達到了預期效果，單塔氨產量遠超250 kt/a的設計能力，可達到34.30 kt/a，超出設計能力的35%；同時，氨合成系統(tǒng)的噸氨電耗由原來的72 kW·h下降至65 kW·h，年節(jié)約118萬元，年節(jié)約維修經費20余萬元。

收稿日期（2015-02-05）