合成氨裝置冷態(tài)開車節(jié)能技術研究與應用

（四川天華股份有限公司，四川瀘州 646207）

布朗工藝300 kt/a 合成氨裝置設計噸氨能耗7.24 Gcal，處于同行業(yè)領先水平。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劑的鐵催化劑，其正?；钚詼囟确秶鸀椋杭淄榛?50～510℃；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到足以保證甲烷化反應開始的溫度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，有必要對其進行技術攻關[1]。

經(jīng)過分析與研究，針對嚴重影響開車進度的兩個單元：甲烷化爐（R-4）和氨合成塔，項目組采取提前暖管、維持較高的高壓蒸汽壓力、及時調整甲烷化爐（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 技術方案、完成情況及實現(xiàn)效果

項目分兩步進行。

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

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。甲烷化爐（R-4）升溫耗時平均為6 h，升溫時間是比較長的，很有必要對其進行攻關。項目組經(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，小組成員進行了認真分析和研究，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

影響甲烷化爐（R-4）升溫時間的因素是多方面的，項目組進行了認真分析和研究，在充分論證的基礎上，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″放空流量未及時調整。

（3）蒸汽加熱器（E-28）未提前暖管。

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

（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，制定對策計劃表（如表1所示），對癥下藥，解決問題。

表1 對策計劃表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）預升溫的思路后，問題的關鍵就在于從哪里選流程，選擇何種介質以及加熱源的選擇。既然是“預升溫”，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)，那么加熱介質也就只能選擇惰性氣體——氮氣。這樣，就只剩下流程的選擇了。

裝置原設計有低變爐（R-3）的預升溫流程，該流程使用氮氣為加熱介質，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，在這些研究的基礎上，項目組決定利用現(xiàn)有的低變爐（R-3）升溫流程，在低變爐（R-3）的進出口管線上各增加一支線與甲烷化爐（R-4）的進出口相連接，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。這樣實施后縮短升溫時間4 h。

當裝置還沒有引入天然氣時，由于園區(qū)內有電廠送來的蒸汽，空分裝置可提供氮氣，因而利用原料氣壓縮機輸送氮氣作為載熱體，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 氮氣升溫流程Fig.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)的進出口閥，然后關閉低變爐（R-3）氮循環(huán)的進出口閥，主控通過監(jiān)視壓縮機的出口壓力和段間流量，確認甲烷化爐（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，用氮氣升溫就可以避免，因為羰基鎳的生成需要CO，而用來作載氣的氮氣中沒有CO，所以無需擔心劇毒羰基鎳的生成。因受換熱器能力的限制，本次R-4 用氮氣升溫的最后溫度僅達到了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）裝置及流程進行更加深入細致的了解。

（2）繼續(xù)加強對開車過程中各項工藝操作的學習，及時調整。

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

（4）加強操作員思想教育，提高工作熱情，嚴格遵守操作規(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)狀調查，確立目標

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，很有必要對其進行攻關，項目組初步確定目標：決定將合成催化劑工藝氣升溫時間縮短至1 h 以內，目標值定為1 h，如圖7所示。

1.2.2 原因分析

因為合成塔是高溫高壓設備，壓力高達15 MPa，溫度達510℃，介質是氫氣和氮氣，為了防止設備及管道發(fā)生氫脆現(xiàn)象，工藝上嚴格要求對合成塔進行暖塔升溫操作，升溫速率為每小時小于50℃，到達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

圖6 合成回路流程Fig.6 Flow of amonnia loop

圖7 現(xiàn)狀值、目標值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，在充分論證的基礎上，項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C-2轉速決定。

（2）加熱爐H2火焰調整不及時。在升溫期間，由于升溫速率的要求，要及時調整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C-2 轉速偏低。升溫升壓時，壓縮機C-2 轉速偏低引起循環(huán)氣量減少，經(jīng)過觸媒的空速相應減小。

（5）加熱爐H2的能力。燒嘴堵塞會影響能力。

（6）操作人員調整力度不夠。因為開工加熱爐是利用天然氣作為燃料，調整火的大小與操作人員水平有關。

1.2.4 主要措施

（1）利用爐水同時對三塔觸媒進行升溫

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，正常運行時利用合成反應熱給爐水加熱而產(chǎn)生高壓蒸汽，在合成暖塔期間，爐水溫度達到300℃，利用爐水給工藝氣流程加熱，只要將溫度調節(jié)閥SBV2/SBV3/SBV6 關完，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，項目組通過對整個合成回路流程的仔細研究，發(fā)現(xiàn)還可以通過弛放氣流量調節(jié)閥FV153 及其旁路加大循環(huán)氣量，只是FV153 由壓縮機C-2 停車聯(lián)鎖動作，項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C-2 轉速

在合成回路升溫升壓期間，前系統(tǒng)負荷控制較低，因為在這段時間工藝氣在放空，負荷越高放空越多，開車消耗越大，所以進入合成的工藝氣只有正常的50%左右，我們利用壓縮機C-2 升轉，直到入口放空閥關完，這樣就以當前最大循環(huán)氣量給合成升溫。

（4）提前用氮氣對合成塔升溫

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進口才具備，前系統(tǒng)升溫到合成氣進入壓縮機進口約需要20 h。能否采用其他已有載氣對合成觸媒進行升溫而縮短工藝氣升溫的時間，于是項目組查閱大量資料，進行各種論證，最終確定提前用氮氣對合成催化劑升溫[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，而氮氣是一種惰性氣體，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)有公用氮氣壓力約0.6 MPa，但是生產(chǎn)的量不大，只有采用合成氣壓縮機循環(huán)壓縮氮氣給合成塔暖塔才能保證氣量，所以只要合成氣壓縮機運行后保證補充氮氣量大于系統(tǒng)泄漏量和其他損失量，就不會對循環(huán)量造成影響，也能保證機組正常運行需要的氣體流量，現(xiàn)有流程中沒有外供氮氣，所以必須增加外供氮氣管，項目組利用大修機會，在合成壓縮機進口閥旁路處增設了一根2"硬管，與氮氣總管相連，并增加了一道閥門，保證氮氣升溫時的補充量，在工藝氣到來后也可隨時將氮氣切除系統(tǒng)[3]。

B、壓縮機C-2 動力蒸汽的選擇

合成氣壓縮機正常運行時采用的是12.5 MPa，520℃的高壓蒸汽，而合成裝置未運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C-2的動力改為中壓蒸汽，在原始試車時已經(jīng)試驗過，是可行的[4]。

C、壓縮機C-2 轉速的確定

合成氣壓縮機C-2 正常工況下額定轉速11 250 r/ min，壓縮介質是75% H2和25% N2以及小于5×10-6的CO 及含氧化合物，進口壓力2.35 MPa，改為純氮氣后，介質的摩爾質量由8.5 kg/mol 提高到了28 kg/mol，那么在同一轉速下，壓縮氮氣的壓比比壓縮合成氣的壓比高，而壓比升高后機組每段排氣溫度也要升高，所以在氮氣工況下不允許超過正常轉速的55%（小于6 187 r/min），而C-2 臨界轉速是4 000 r/min 至5 000 r/min，所以轉速選擇兩種結果：要么小于4 000 r/min，要么在大于5 000 r/min 且小于6 187 r/min，還要考慮轉速的波動，再結合裝置氮氣總管壓力低，入口壓力相應低，所以確立氮氣升溫期間壓縮機C-2 運行轉速選低限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C-2 啟動時間的確定

由于受到氮氣量的限制，通過催化劑的氣量遠不如工藝氣量，按工藝氣升溫速率50℃/h是不可能的，項目組根據(jù)氮氣量大小確定合成催化劑的升溫速率小于25℃/h，加上準備時間和考慮富余時間，要想在工藝氣進入壓縮機C-2 進口前催化劑達到活性溫度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入壓縮機C-2 有20 h 空余時間，在大氮升溫時就啟動壓縮機C-2 能夠大大滿足氮氣升溫時間要求，所以選擇在前系統(tǒng)大氮升溫期間啟動壓縮機C-2。

1.2.5 效果及鞏固措施

（1）效果

通過以上各項措施的實施落實后合成催化劑的工藝氣升溫時間大大縮短，特別是采用氮氣提前升溫效果最顯著，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行更加深入細致的了解。

② 繼續(xù)加強對開車過程中各項工藝操作的學習，及時調整，優(yōu)化操作。

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

2 總體性能指標

總體性能指標（以單次開車為準）：

開車過程中，兩個工段合計節(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)負荷通常為30%～50%，同時，一段轉化爐、燃氣輪機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。

計算各大型機泵如循環(huán)冷卻水風機、泵等合計每次開車可節(jié)約用電＞10 萬度。

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

3 總論

本項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 用氮氣升溫的最后溫度只能達到215℃，催化劑還未能達到活化溫度。還有潛力可挖，是否可在鞏固現(xiàn)有成果的基礎上，進一步深入研究，是否可從前系統(tǒng)引出溫度較高的工藝氣對床層升溫，或將甲烷化爐R-4 與轉變系統(tǒng)一起進行大氮循環(huán)升溫，使系統(tǒng)能耗進一步減少，進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)有成果的基礎上，進一步對合成氣壓縮機運行安全進行深入的研究，能否將氮氣升溫時的轉速提得更高從而提高氮氣循環(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實的基礎。