龔傳艮

(南京國昌化工科技有限公司，江蘇南京 210061)

1 概述

合成氨生產(chǎn)是一種高能耗工業(yè)，投資較大。多年來，人們致力于開發(fā)節(jié)能的合成氨新工藝，國外著名的化工工程公司開發(fā)的ICI-AMV工藝、布朗(C.F.Braun)工藝等，均是節(jié)能型合成氨工藝，其噸氨綜合能耗為6.9×106kJ，僅為我國20世紀(jì)70年代引進(jìn)的Kellogg工藝的71.88%。

我國有近200家中、小型合成氨廠，隨著企業(yè)自身的發(fā)展和應(yīng)用技術(shù)的進(jìn)步，大多數(shù)企業(yè)的綜合能耗已有較大幅度的下降，但與國外先進(jìn)水平相比，仍存在不小的差距。

我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展表明，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用越來越重要，需求量也逐漸增加，很多化肥企業(yè)正在擴(kuò)大或準(zhǔn)備擴(kuò)大生產(chǎn)能力，以滿足市場需求和提高企業(yè)的市場競爭力。但如果仍以高能耗的舊工藝進(jìn)行擴(kuò)能改造，顯然不符合國家提出的降低能耗、提高產(chǎn)能比的國策要求。因此，研發(fā)節(jié)能型的氨合成工藝作為擴(kuò)大生產(chǎn)能力的技術(shù)基礎(chǔ)，是一件十分重要且有社會意義的工作。

南京國昌化工科技有限公司(簡稱國昌化工)一直致力于節(jié)能型氨合成反應(yīng)器及氨合成工藝的研發(fā)，2006年在山東瑞星首次成功運(yùn)行氨合成節(jié)能全徑向串塔新工藝;為了滿足多種工況，在河北東光化工有限公司(簡稱河北東光)采用了2臺合成塔既可串可并又可串并聯(lián)同時使用的工藝技術(shù)，也得到成功的運(yùn)行。

2 氨合成擴(kuò)能途徑

擴(kuò)大合成氨生產(chǎn)能力有多種方法，主要有以下幾種。

(1) 建設(shè)新的大型合成氨裝置

建設(shè)新的大規(guī)模合成氨裝置，就是放棄原有的高能耗、低產(chǎn)能的氨合成系統(tǒng)，重新設(shè)計、建設(shè)一套新裝置。這種棄舊建新的方法，目前有不少企業(yè)正在采用，但其投資費(fèi)用高、建設(shè)周期長。以河北東光為例，從日產(chǎn)氨量700t擴(kuò)大到800t，并降低壓力到約22MPa運(yùn)行，僅氨合成系統(tǒng)就必須新建一個大約直徑(Φ)為2 200mm的大型合成塔及配套的氨冷器、冷交換器、水冷器、氨分離器、熱交換器等整套裝置，連同占地的征用和土建等，總投資至少約5 000萬元。

(2) 并聯(lián)建設(shè)一套小裝置

保留原有的裝置，并聯(lián)建設(shè)一套新的補(bǔ)充裝置，使產(chǎn)量達(dá)到要求。建設(shè)一套較小規(guī)模的氨合成裝置，以上例進(jìn)行分析，要日產(chǎn)氨量增加100～200t，預(yù)計需增加一個Φ1 000mm的氨合成塔及其配套的動、靜設(shè)備，占地面積也較大，預(yù)估總投資約1 700萬元以上，而且能耗仍然較高。

(3)采用串并塔工藝

保留原合成系統(tǒng)，在已有的Φ2 000mm氨合成塔后串并聯(lián)一個新的Φ2 000mm合成塔，形成“雙塔串并聯(lián)”工藝，采用提高循環(huán)量、降低運(yùn)行壓力、增加氨凈值的方法來達(dá)到提高產(chǎn)量并節(jié)能的目的。這一工藝方法，僅需要在原有合成氨系統(tǒng)中，增加一個精心設(shè)計的合成塔，在串并聯(lián)的工藝上進(jìn)行特殊的設(shè)計，以方便操作，其他設(shè)備均利用原有合成塔系統(tǒng)的設(shè)備，因而具有投資省、建設(shè)周期短、見效快、占地少等特點(diǎn)。

國昌化工采用上述工藝對河北東光原有的Φ2 000mm氨合成系統(tǒng)進(jìn)行改造，達(dá)到了擴(kuò)產(chǎn)、節(jié)能的目的。整個投資費(fèi)用約為1 400萬元，分別為前兩種方案費(fèi)用的28%和82%。

3 串并聯(lián)工藝

3.1 工藝流程

串并聯(lián)工藝流程見圖1。其中虛線為需要增加的管線。

圖1 串并聯(lián)工藝流程簡圖

改造后整個系統(tǒng)中需要增加10個閥門V1～V10，2個8字盲板。

(1)串聯(lián)合成塔部分流程簡述

循環(huán)機(jī)油分(S1001)出口管線分三路，分別進(jìn)入1#合成塔環(huán)隙冷卻塔壁、2#合成塔環(huán)隙冷卻塔壁(新增PG1101)、塔前換熱器與出塔氣換熱。塔前換熱器中冷氣換熱后先進(jìn)入1#合成塔反應(yīng)(出塔溫度約300 ℃)，然后進(jìn)入2#合成塔繼續(xù)反應(yīng)(出塔溫度約350 ℃)，再進(jìn)入廢鍋副產(chǎn)蒸汽。

串聯(lián)流程閥門的控制：閥門V1～V3、V5打開，V4、V6～V10關(guān)閉，盲板1關(guān)閉，盲板2打開。

(2)并聯(lián)合成塔部分流程簡述

循環(huán)機(jī)油分(S1001)出口管線分三路，分別進(jìn)入1#合成塔環(huán)隙冷卻塔壁、2#合成塔環(huán)隙冷卻塔壁(新增PG1101)、塔前換熱器與出塔氣換熱。塔前換熱器冷氣出口分兩路，一路進(jìn)入1#合成塔反應(yīng)，一路進(jìn)入2#合成塔反應(yīng)，1#、2#合成塔反應(yīng)后同時進(jìn)入廢鍋副產(chǎn)蒸汽。

并聯(lián)流程閥門的控制：閥門V5關(guān)閉，V1～V4、V6～V12打開，盲板1、2都打開。

并聯(lián)運(yùn)行時，2臺合成塔可以按相同工況運(yùn)行，2#合成塔采用4段床層結(jié)構(gòu)形式，V7～V10為2#合成塔冷激氣閥調(diào)節(jié)催化劑各床層溫度。V3和V4分別調(diào)節(jié)1#、2#合成塔二次入塔氣量。兩個合成塔進(jìn)出都設(shè)置有閥門或者盲板，以實現(xiàn)對兩個合成塔生產(chǎn)氣量的控制，另外可以做到只運(yùn)行任意一臺合成塔。改造后調(diào)節(jié)比較靈活。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

在氨合成裝置中，氨合成塔是整個裝置的核心，當(dāng)操作條件基本確定后，氨的凈值和產(chǎn)量與氨合成塔的結(jié)構(gòu)、所裝填的催化劑量及其性能有密切的關(guān)系。

3.2.1 需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

(1)2個反應(yīng)器氣量的分配

圖1所示為2塔串聯(lián)流程、并聯(lián)流程及其閥門的控制。在2塔切換并串聯(lián)的情況下，采用閥門控制可以很好地分配氣量。

(2)阻力

由于新增一個氨合成塔，當(dāng)2臺塔串聯(lián)時，系統(tǒng)的阻力必然增大；如果阻力增長過大，受循環(huán)機(jī)原有能力的限制會影響循環(huán)氣量的增加，進(jìn)而影響擴(kuò)能改造效果。因此優(yōu)化設(shè)計、控制系統(tǒng)阻力的增長，盡可能降低合成塔的阻力是串塔工藝的關(guān)鍵。這與合成塔內(nèi)件的選型有直接關(guān)系，一般軸向結(jié)構(gòu)合成塔的阻力為0.5～0.8MPa，串聯(lián)運(yùn)行時，2#合成塔的冷激氣適當(dāng)關(guān)閉，主要利用徑向?qū)?，減少合成塔阻力，串聯(lián)運(yùn)行提高氨凈值，循環(huán)氣量減少，其他設(shè)備阻力也相應(yīng)減少；當(dāng)2臺合成塔并聯(lián)時，其氣量平均分配，單臺塔的催化劑量相對較大，氨凈值會增大，氣量比較小，合成塔阻力明顯減小，系統(tǒng)阻力也相應(yīng)減小。

(3) 多種工況下的操作

實現(xiàn)串并塔后，由于兩個氨合成塔的操作條件不同，催化劑的使用周期也不相同，可能存在一個氨合成塔的催化劑的活性已衰退，必須進(jìn)行更換，而另一個氨合成塔的催化劑性能仍然十分良好，當(dāng)更換催化劑的氨合成塔進(jìn)行還原時，將會對另一個合成塔的催化劑產(chǎn)生不良的影響，C.F.Braun流程的某廠，曾因第一個合成塔(R5)更換催化劑，還原后的水汽帶入后面兩個合成塔(R6、R7)，連續(xù)影響三個月的生產(chǎn)。因而確保不同工況下，系統(tǒng)均能正常操作是串塔工藝的一個關(guān)鍵問題。

由于改造流程布置是在原有的合成塔框架和新建一個2#合成塔框架之間，合成塔出口工藝管線均為高溫管線，且都為雙管線，必須要滿足為解決多種工況下的操作問題、熱量平衡及分配問題。

3.2.2 工藝設(shè)計對策

解決上述技術(shù)問題主要從氨合成塔內(nèi)件的結(jié)構(gòu)、催化劑的選擇和工藝流程的特殊設(shè)計方面來優(yōu)化考慮。根據(jù)河北東光提供的原1#合成塔有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)，計算出2#合成塔的設(shè)計條件見表1。

表1 改造1#、2#合成塔設(shè)計條件

(1)優(yōu)化催化劑選型

增加催化劑量可以進(jìn)一步深化合成反應(yīng)。若要氨凈值提高3%～4%，催化劑的選擇是一個重要因素。不同的催化劑具有不同的性能，其動力學(xué)數(shù)據(jù)對催化反應(yīng)具有很大的影響,特別是催化劑的頻率因子和活化能，對催化劑的使用溫度和反應(yīng)的進(jìn)行均有重要的影響。國昌化工以在國內(nèi)外具有權(quán)威性的“REACTOR”氨合成反應(yīng)器計算程序為藍(lán)本，結(jié)合我國不同催化劑的動力學(xué)反應(yīng)方程式，根據(jù)國昌化工長期的經(jīng)驗，對催化劑的類型進(jìn)行選擇，優(yōu)選出最適合的催化劑型號，并計算得出塔內(nèi)反應(yīng)所需催化劑數(shù)量。

經(jīng)過仔細(xì)研究和反復(fù)計算，選用小顆粒預(yù)還原催化劑GA206-H鐵鈷雙活型氨合成催化劑，其還原速度是A110-1型催化劑的1.6倍，活性比A110-1型催化劑的高，而且使用預(yù)還原型催化劑還能保證整體的還原質(zhì)量，從而保證2#合成塔最佳的氨合成反應(yīng)條件。

(2) 2#合成塔內(nèi)件特殊設(shè)計

選用國昌化工的Φ2 000 mmGC-R212YZB型氨合成塔內(nèi)件，和原1#合成塔結(jié)構(gòu)形式一樣，可以滿足1#合成塔檢修，2#合成塔單獨(dú)運(yùn)行的工況，由軸徑向催化劑筐、一個層間換熱器和一個下部換熱器構(gòu)成，催化劑筐分成四段，層間和下部換熱器是列管式的。選用分兩段軸向和兩段徑向結(jié)構(gòu)，目的在于使氣體多段反應(yīng)，氣固相得到更好的接觸，更有利于氨合成反應(yīng)的進(jìn)行，同時配用低溫、高活性的小粒度催化劑，可提高催化劑的活性系數(shù)，有利于氨的合成反應(yīng)，以提高氨凈值。徑向結(jié)構(gòu)可以降低催化劑床層的阻力，使合成塔的阻力得到有效控制。

(3)串塔回路熱平衡的保持

當(dāng)串聯(lián)運(yùn)行時2#合成塔熱量要求比較高，由于進(jìn)入2#合成塔的氨濃度較高，氨合成反應(yīng)相對接近平衡，其氨合成反應(yīng)熱較少，為了保證進(jìn)入催化劑層氣體的溫度，1#合成塔出口氣直接進(jìn)入2#合成塔，相當(dāng)于提高了2#合成塔的下部換熱器的面積，另設(shè)置冷副線，以確保零米溫度的可調(diào)性。保證串塔回路的熱平衡。

(4)2塔進(jìn)出口管線的分隔

1#合成塔和2#合成塔催化劑的使用壽命不相同，為方便兩塔催化劑的更換和升溫還原操作，用閥門分別隔開2臺氨合成塔所有進(jìn)出口管線，以滿足不同工況下的特殊操作要求。

4 改造裝置的運(yùn)行

4.1 催化劑還原

由于預(yù)還原催化劑還原時間短，理論總出水量僅2 t左右，不影響液氨的使用。為了盡可能不影響生產(chǎn)，利用大修時間升溫催化劑。采用1#合成塔停車、2#合成塔還原的升溫還原方法。

在壓力約5 MPa，2#合成塔開始送電， 2#合成塔第一軸向催化劑表面溫度約200 ℃時，試放物理水，溫度達(dá)260 ℃時分析水汽含量，控制其質(zhì)量濃度≤1.0 g/m3(標(biāo)態(tài))，還原主期控制溫度在260 ℃以下，一段主期后，二段軸向可提高到主出水期，用同樣的方法控制二段到還原主期，溫度為320～380 ℃，緩慢提壓，提升系統(tǒng)壓力為5.0～5.5 MPa，循環(huán)氫體積分?jǐn)?shù)≥72%。用同樣的方法還原二段徑向催化劑層。

底部催化劑層溫度也逐漸提高，底部溫度最終超過490 ℃達(dá)8 h以上；水汽質(zhì)量濃度連續(xù)分析4次低于0.2 g/m3；同平面溫度低于15 ℃，還原結(jié)束。將各段的熱點(diǎn)溫度降至480 ℃以下，逐漸關(guān)小電爐，開冷激氣調(diào)節(jié)溫度至完全自然運(yùn)行，將系統(tǒng)各控制點(diǎn)調(diào)到指標(biāo)值，進(jìn)入輕負(fù)荷生產(chǎn)48 h，催化劑升溫還原結(jié)束，轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。

在整個還原過程中，塔內(nèi)件及整個系統(tǒng)均運(yùn)行正常。

4.2 運(yùn)行效果

串并聯(lián)工藝投入運(yùn)行后，獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)產(chǎn)量明顯提高

使用串并聯(lián)工藝后，氨產(chǎn)量大幅度提高，根據(jù)改造前后的報表可知，2臺合成塔氨產(chǎn)量由原來的日產(chǎn)氨量720 t提高到840 t，總產(chǎn)量提高了16.6%，增產(chǎn)十分明顯。

表2 2塔的設(shè)計與運(yùn)行技術(shù)指標(biāo)比較

(2) 提高了氨凈值3.8%

由入塔氨含量，氨冷出口溫度-10 ℃，壓力17.5 MPa，得出此時y入=2.5%；加入新鮮氣后，氨含量降低，多組運(yùn)行報表平均入塔氨含量為y入=2.25%，出塔氨含量為y出=14.8%，氨凈值y凈=12.55%。入塔平均溫度t入=160 ℃，出塔平均溫度t出=310 ℃，溫升達(dá)到150 ℃，另外一部分熱量損失，證明氨凈值可以達(dá)到12.55%。改造前，原有氨塔出口氨含量y出=11.0%，氨凈值增加了3.8%。

(3)系統(tǒng)阻力減少0.05 MPa

串并塔工藝增加了一臺氨合成塔，改造氨合成塔采用兩軸兩徑帶層間換熱器結(jié)構(gòu)，氣體相對均衡地通過兩臺合成塔，單塔氣量相對減少，催化劑床層的阻力降低，即使在輔助系統(tǒng)未改造而循環(huán)量增加的情況下，系統(tǒng)阻力從1.6 MPa減小到1.55 MPa，阻力減少0.05 MPa。

(4) 氫回收裝置的負(fù)荷減輕30%以上

采用串并聯(lián)工藝進(jìn)行改造后，入塔氣甲烷含量從原11%～12%提高到16.5%～17.5%，放空氣量減少30%以上。

(5)噸氨降低電耗90 kW·h

改造后系統(tǒng)操作壓力由原來的27 MPa降至20 MPa，壓縮機(jī)功耗降低約15%；且系統(tǒng)阻力減少0.05 MPa左右；噸氨醇電耗從1 380 kW·h(含尿素用電)降低到1 290 kW·h(含尿素用電)，減少90 kW·h。

(6) 投資省、建設(shè)周期短、見效快

改造在全系統(tǒng)停車檢修時完成，串并聯(lián)工藝改造從停車到出產(chǎn)品僅用6 d，且已包括68 h的催化劑升溫還原，因此對生產(chǎn)基本沒有影響。

河北東光串并聯(lián)工藝改造工程，投資僅增加一臺氨合成塔及部分儀表和管道，在保證原來系統(tǒng)生產(chǎn)的前提下，充分利用原有的設(shè)備，使投資的費(fèi)用遠(yuǎn)低于其他擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的方案。改造工程量少，占地面積小，利用原有生產(chǎn)設(shè)備的空隙，現(xiàn)場施工量減少。建設(shè)周期縮短，從設(shè)計、施工至投產(chǎn)僅用7個月的時間，不到新建一套裝置時間的一半。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)改造后日產(chǎn)氨量每天可以增加120 t，以每噸液氨純利潤200元、每年300天計，年增加利潤720萬元。

(2) 由于噸氨電耗下降90 kW·h左右，每年可節(jié)電2 268萬kW·h，以0.5元/(kW·h)計，電的費(fèi)用節(jié)省1 134萬元。

僅以上兩項，每年增加收入達(dá)1 854萬元，投資可在半年多得到收回。

6 串并聯(lián)工藝展望

隨著大型氨合成塔的發(fā)展，氨合成圈已成為降低合成氨綜合能耗的主要單元，除研制高活性催化劑外，還應(yīng)重視工藝流程的組合、合成壓力的優(yōu)化、氨的冷凝分離以及新鮮氣的干燥凈化和加入位置等方面的研究，達(dá)到高效節(jié)能，已成為當(dāng)今合成氨工業(yè)的共同目標(biāo)。國外知名公司推出的節(jié)能型流程如布朗(C.F.Braun)公司的三塔三床層三廢鍋流程、托普索(Haldor Tops?e)公司兩塔三床流程(S-250系統(tǒng))在工藝流程組合應(yīng)用中，尤其是在改造或新建的1 000～2 000 t/d大型合成裝置中，均取得了很好的效果。

國昌化工在國內(nèi)中型氨合成裝置改造中多次成功運(yùn)行“雙塔串聯(lián)”工藝和“雙塔并聯(lián)”工藝，并成功推出“雙塔串并聯(lián)”工藝，完全符合當(dāng)今世界合成氨工業(yè)發(fā)展方向及國家《“十一五”化學(xué)工業(yè)科技發(fā)展綱要》中大力發(fā)展節(jié)能型氨合成技術(shù)的要求，在國內(nèi)應(yīng)用前景十分廣闊。該串并聯(lián)工藝滿足以下幾種擴(kuò)產(chǎn)改造需求。

(1)適用于我國目前產(chǎn)量中、小規(guī)模氨廠的改造，在應(yīng)用串并聯(lián)工藝后產(chǎn)量可以增加15%～30%以上。而投資要比新建一套系統(tǒng)少25%以上，噸氨的能耗也有較大幅度的降低。另外原有的分離設(shè)備和管道都比較小，僅利用串并聯(lián)工藝來增加產(chǎn)量，在不增加循環(huán)氣量的情況下，反而使系統(tǒng)阻力降低。

(2)適用于新建一套高產(chǎn)量的氨合成系統(tǒng)，如果新建氨產(chǎn)量達(dá)到200 kt以上，就需要上一套Φ2 000 mm以上裝置或兩套Φ1 400 mm以上的裝置，在投資和占地面積上都需要很大的投入，而應(yīng)用串并聯(lián)工藝可減少投資和占地面積。

(3) 適用于在300～600 kt大型氨廠的改造及新建工程。采用串并聯(lián)工藝可減少大量的投資費(fèi)用和解決能耗高等問題，同時解決大型設(shè)備制造和運(yùn)輸?shù)碾y度，以實現(xiàn)國產(chǎn)化。

7 結(jié)論

(1)串并塔工藝出口氨凈值提高3%～4%、在不增加能耗的同時把產(chǎn)量提高16.6%以上、系統(tǒng)阻力減小0.05 MPa，能耗下降噸氨90 kW·h左右。阻力降低有利于提高循環(huán)量來達(dá)到提高氨產(chǎn)量的目的，經(jīng)濟(jì)效益十分明顯。改造成串并聯(lián)工藝后調(diào)節(jié)方便，操作簡便，運(yùn)行穩(wěn)定。

(2)采用軸徑向結(jié)構(gòu)內(nèi)件是串并聯(lián)工藝的核心，2臺合成塔可完全單獨(dú)運(yùn)行、單獨(dú)檢修，不影響正常生產(chǎn)。

(3)實踐證明串并聯(lián)工藝在合成氨系統(tǒng)增產(chǎn)節(jié)能改造中，符合當(dāng)前國家提出的“節(jié)能降耗、提高產(chǎn)能比”的政策要求，對合成氨工業(yè)的發(fā)展有重大的意義，是一種值得推廣應(yīng)用的節(jié)能新工藝。

國昌化工“串并聯(lián)工藝”在河北東光的成功實踐，是我國氨合成工藝的又一個突破點(diǎn)，為我國大、中型氨合成裝置以增產(chǎn)降耗為目的的改造開拓了一條新路子，同時為進(jìn)一步開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的多塔串并聯(lián)工藝和發(fā)展我國自主開發(fā)的大型制氨裝置，提供了寶貴的實踐經(jīng)驗和設(shè)計依據(jù)。