閆江濤,馬瑞芳,喬小斌

(河南心連心化肥有限公司,河南新鄉(xiāng) 453731)

河南心連心化肥有限公司“24·40”(24萬(wàn)t/a合成氨40萬(wàn)t/a尿素)工程于2009年4月15日一次投產(chǎn)成功,并于2009年5月達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo),同年8月,合成氨產(chǎn)量穩(wěn)定在900 t/d,副產(chǎn)甲醇167 t/d,最高日產(chǎn)合成氨921.597 t/d。氨合成工段采用湖南安淳高新科技有限公司設(shè)計(jì)的ⅢJD-2000型Φ2500氨合成塔及合成系統(tǒng),在我一、二分公司采用湖南安淳Φ1800、Φ2000合成氨系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對(duì)合成塔內(nèi)件、蒸汽過(guò)熱器、廢鍋等多個(gè)關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化,使合成系統(tǒng)的運(yùn)行壓力降至18 MPa以下,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低壓聯(lián)醇烴化,節(jié)電效果更加明顯,噸氨綜合消耗將比老裝置節(jié)約40 kg標(biāo)煤,是煤造氣生產(chǎn)合成氨工藝的又一大進(jìn)步。

1 工藝流程及主要設(shè)備

1.1 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)

氨合成塔內(nèi)件是由一個(gè)直形異徑冷管束、一個(gè)氣體混合分布器和一個(gè)分氣筒,把觸媒床分成一軸兩徑,三個(gè)絕熱段,一個(gè)內(nèi)冷段,凈空高度22 m,觸媒容積68 m3,徑向段占整個(gè)觸媒床層的80%。采用分流工藝,床層上下直通,觸媒可以自卸。

1.2 塔內(nèi)流程

含氨2%未反應(yīng)氣體分兩股進(jìn)塔。一股25%～30%的未反應(yīng)冷氣,由合成塔下部環(huán)隙進(jìn)入,由下而上,在塔頂引出,匯合塔外熱交換器加熱的10% ～15%的熱氣,再進(jìn)冷管束。在冷管加熱后,直接由上升管進(jìn)入催化劑床“0”米。另一股65% ～70%的氣體經(jīng)由塔外熱交換器加熱至175～190℃,其中50%～60%進(jìn)塔內(nèi)下部換熱器管內(nèi),與出塔氣體換熱,后進(jìn)上部換熱器的管內(nèi),與出混合分布器的氣體換熱,加熱至370℃,從換熱器與中心管之間的環(huán)隙、向下翻進(jìn)中心管,經(jīng)中心管進(jìn)入催化劑床“0”米,與冷管束出來(lái)的未反應(yīng)氣體匯合,進(jìn)入上絕熱層反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體經(jīng)由混合分布器進(jìn)入塔內(nèi)上換熱器管間冷卻,進(jìn)入第二層徑向絕熱反應(yīng),再?gòu)较蜻M(jìn)入內(nèi)冷層反應(yīng)。然后進(jìn)入第二、三層徑向筐與內(nèi)件的內(nèi)壁環(huán)隙由上而下,被塔內(nèi)外筒環(huán)隙冷氣冷卻,進(jìn)入第三層,徑向絕熱反應(yīng),再進(jìn)入塔內(nèi)下?lián)Q熱器管間,被管內(nèi)冷氣冷卻至350℃出塔。

1.3 合成系統(tǒng)工藝流程

循環(huán)機(jī)出口的氣體經(jīng)油分分離后,氣體分兩股進(jìn)塔:一股約30%的分流氣體直接進(jìn)入段間冷卻器。這股氣體有兩部分組成:一是由循環(huán)機(jī)出口油分出來(lái)的約10%的冷氣(30℃左右),由塔下部環(huán)隙進(jìn)入(這股氣主要控制塔壁溫度),由下而上,在塔頂部引出;二是塔外熱交換器加熱的約20%的冷氣(190℃左右),兩部分氣體在塔頂匯合后經(jīng)金屬軟管引進(jìn)段間冷卻器,被加熱后到達(dá)觸媒表面。

另一股約62%的由塔外熱交換器加熱的未反應(yīng)冷氣,進(jìn)塔下部換熱器管內(nèi),再進(jìn)塔中部換熱器管內(nèi),氣體加熱到360～410℃,經(jīng)中心管達(dá)到觸媒表面,與段間冷卻器而來(lái)的分流氣混合,進(jìn)入上絕熱層反應(yīng),在混合分布器Ⅱ中,與油分來(lái)的8%的冷氣混合后,進(jìn)入第二絕熱層反應(yīng),在混合分布器Ⅰ的作用下進(jìn)入塔中部換熱器管間,再?gòu)较蛄鬟^(guò)塔中部?jī)?nèi)冷層反應(yīng)。從中部徑向筐與內(nèi)筒的環(huán)隙向下,在底部從圓周向中心方向徑向通過(guò)下絕熱層反應(yīng),最后進(jìn)入下部換熱器管間,由上而下,折流出塔,出塔氣體溫度降到350～370℃。出塔氣經(jīng)蒸汽過(guò)熱器、廢熱鍋爐進(jìn)入熱交換器管內(nèi)(上進(jìn)下出),進(jìn)入軟水加熱器、水冷器,水冷出來(lái)的氣體進(jìn)冷交的管間(上進(jìn)上出),在冷交與管內(nèi)冷氣換熱并分離氨后,進(jìn)入一級(jí)氨冷卻器,降至-3℃左右進(jìn)入二級(jí)氨冷卻器,再次降溫至-10℃左右與烴化水分出來(lái)的新鮮氣匯合,進(jìn)入氨分,分離液氨后進(jìn)冷交管內(nèi)(下進(jìn)上出),與管間水冷來(lái)的氣體進(jìn)行換熱,溫度提高到18℃左右進(jìn)入循環(huán)機(jī),開(kāi)始新的一輪循環(huán)。

1.4 主要設(shè)備

表1 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

2 催化劑升溫還原

2.1 催化劑的裝填

本爐催化劑采用山東臨朐大祥精細(xì)化工有限公司生產(chǎn)的DNCA型(A207)氨合成催化劑,共裝填194.1 t。催化劑具體裝填粒度分布見(jiàn)表2。

2.2 催化劑升溫還原情況

根據(jù)Φ2 500氨合成塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn),控制好主線氣和分流氣流量分配,保證塔壁溫度在指標(biāo)范圍內(nèi)。通過(guò)控制層間冷激氣,進(jìn)塔底副線氣體,三層冷管氣體流量以及通過(guò)控制循環(huán)氣量,控制好升溫各層的升溫速率,實(shí)現(xiàn)分段還原。各層催化劑依次經(jīng)過(guò)升溫期、還原初期、還原主期、還原末期4個(gè)階段,還原過(guò)程按照“三高三低”(即高空速、高氫含量、高電爐功率和低水汽濃度、低溫度、低氨冷溫度)的原則。軸向?qū)由郎貢r(shí)應(yīng)保證觸媒零米溫度提到480℃以上,盡可能在低溫、低壓下多出水,以期觸媒徹底還原。

表2 催化劑具體裝填粒度分布

Φ2500合成系統(tǒng)于2009年3月28日上午8:15系統(tǒng)充壓至0.5 MPa,啟2#、3#循環(huán)機(jī),測(cè)試合成塔電爐絕緣合格。9:40系統(tǒng)充壓至5.07 MPa開(kāi)始送電升溫。380～460℃時(shí)軸向?qū)覦NCA催化劑進(jìn)入主還原期,軸向段溫度達(dá)到490℃后,提軸向段溫度的同時(shí),依次提第二、三、四層溫度進(jìn)入主還原期,由于本次升溫還原與系統(tǒng)生產(chǎn)同時(shí)進(jìn)行,在還原的前64 h,循環(huán)氫控制在75% ～80%,后逐漸降低至72% ～76%,水汽濃度控制在2.0 mg/m3以下,歷時(shí)260 h,于4月7日16:30,最底層各點(diǎn)溫度均達(dá)到490℃以上超過(guò)8 h,水汽濃度連續(xù)5次檢測(cè)小于0.1 mg/m3,整個(gè)升溫還原結(jié)束,轉(zhuǎn)入輕負(fù)荷運(yùn)行。

3 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成系統(tǒng)特點(diǎn)

①反應(yīng)氣出塔溫度高達(dá)380℃,出塔氣體反應(yīng)熱多級(jí)利用,并產(chǎn)生中壓(2.5～3.9 MPa)過(guò)熱蒸汽(300～360℃),即出塔經(jīng)過(guò)蒸汽過(guò)熱器、蒸汽發(fā)生器、軟水加熱器,利用出塔氣體熱量將軟水逐級(jí)加熱,最后產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽。出軟水加熱器后,反應(yīng)氣降溫至50～60℃,可采用風(fēng)冷降溫至40℃,達(dá)到節(jié)水目的。②采用兩級(jí)氨冷:一級(jí)氨冷降溫至3℃,二級(jí)氨冷降溫至-11℃,氨含量可降2.76%,兩級(jí)氨冷比只采用一級(jí)氨冷,節(jié)約冷凍量40%以上。③補(bǔ)氣在氨冷之后:使進(jìn)塔氨含量稀釋至2.2% ～2.3%,即系統(tǒng)只降溫至-11℃就可使進(jìn)塔氨含量降至2.2%,對(duì)氨合成反應(yīng)有利。④放空點(diǎn)設(shè)置在冷交出口,即循環(huán)機(jī)進(jìn)口點(diǎn),此處惰氣濃度最高,壓力最低,氣體中氨都已分離,氨含量最低,放空氣量少,放空氣中帶走氨最少。⑤設(shè)置20%未反應(yīng)冷氣經(jīng)過(guò)內(nèi)外筒環(huán)隙,使外筒處低溫工況運(yùn)行。未反應(yīng)氣三股分流進(jìn)塔:20%從環(huán)隙,30%不經(jīng)環(huán)隙,混合后形成50%進(jìn)冷管,另外50%進(jìn)塔內(nèi)兩個(gè)串接中間換熱器,系統(tǒng)阻力小。

4 系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

升溫還原時(shí),氨濃度比較低,在冷交放氨管線上,配一臨時(shí)管道向凈氨塔排放,做成氨水,供煙氣脫硫崗位開(kāi)車(chē)用,避免了污染環(huán)境。同時(shí)又回收了稀氨水,降低了開(kāi)車(chē)費(fèi)用。Φ2500合成系統(tǒng)出塔設(shè)置蒸汽過(guò)熱器,產(chǎn)2.73 MPa、321℃過(guò)熱蒸汽,用于加熱烴化氣,節(jié)省烴化電爐的電耗,同時(shí)加熱烴化氣后,溫度降至230℃可送變換,優(yōu)化了反應(yīng)熱利用系統(tǒng),提高了合成反應(yīng)熱利用率。自投入運(yùn)行后,該裝置產(chǎn)氨36.11 t/h(日產(chǎn)氨為866.6 t),進(jìn)塔氣量為420 806 Nm3/h,補(bǔ)充新鮮氣101 470 Nm3/h,噸氨耗新鮮氣2 810 Nm3,進(jìn)塔氣量/新氣量為4.147,氣體空速僅6 188.32 h-1,噸氨循環(huán)量很小。新鮮氣中CH4含量為1.56%,循環(huán)氣中甲烷含量控制在16%,系統(tǒng)運(yùn)行壓力為17～18 MPa,合成氨系統(tǒng)阻力為1.5 MPa,采用二級(jí)氨冷,大大降低了合成氨的綜合電耗,與壓力為26 MPa合成系統(tǒng)相比,噸氨電耗降低220～260 kW,節(jié)電效果明顯。合成系統(tǒng)投資省、建設(shè)周期短、技術(shù)先進(jìn)、成熟、節(jié)能、環(huán)保,裝置運(yùn)行穩(wěn)定、操作彈性大,平均日產(chǎn)量560 t,最高日產(chǎn)量921.597 t(副產(chǎn)甲醇171 t),達(dá)到并超過(guò)了設(shè)計(jì)能力。

總之,Φ 2 500氨合成系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)自主開(kāi)發(fā)的最大直徑2.5 m氨合成內(nèi)件,使合成系統(tǒng)的運(yùn)行壓力再降至18 MPa以下,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了低壓聯(lián)醇烴化,節(jié)能降耗效果更加明顯,噸氨綜合消耗將比老裝置節(jié)約40 kg標(biāo)煤,達(dá)到行業(yè)一流水平,同時(shí)也為國(guó)內(nèi)氨合成內(nèi)件的大型化提供了依據(jù)。