(中國(guó)石油烏魯木齊石化公司化肥廠，新疆 烏魯木齊 830019)

氨是氮肥生產(chǎn)的基本原料，我國(guó)是世界上最大的合成氨生產(chǎn)國(guó)。目前，國(guó)內(nèi)合成氨廠使用的氨合成催化劑為鐵基催化劑，鐵基催化劑在技術(shù)上很成熟，但也暴露出一些自身存在的缺點(diǎn)，一是低溫、低壓下的催化劑活性偏低，需要在15MPa(g)甚至更高的壓力下運(yùn)行，能耗較高，對(duì)設(shè)備的要求很苛刻；二是催化劑的單程轉(zhuǎn)化率偏低，需要裝填大量催化劑才能滿足工藝要求的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率。因此，開(kāi)發(fā)新型氨合成催化劑，使合成氨工業(yè)向低能耗方向發(fā)展顯得尤為迫切。

由中石油研制開(kāi)發(fā)的釕基氨合成催化劑在相對(duì)低溫低壓下的活性較高，經(jīng)過(guò)多年研究在小試裝置中試運(yùn)行取得較好效果，即將進(jìn)入工業(yè)試驗(yàn)階段。工業(yè)試驗(yàn)將開(kāi)展釕基催化劑和反應(yīng)器的工藝放大研究，進(jìn)行鐵串釕工藝驗(yàn)證及溫度、壓力、空速條件對(duì)催化劑活性的影響等試驗(yàn)內(nèi)容，以此驗(yàn)證新型釕基氨合成催化劑是否具有高活性，可以提高氨合成塔出口氨濃度，降低循環(huán)氣量，減小壓縮能耗和冷卻能耗，是否可以工業(yè)化應(yīng)用。根據(jù)專家比選，試驗(yàn)裝置擬在中國(guó)石油烏魯木齊石化公司化肥廠二合成裝置建設(shè)。

1 方案設(shè)計(jì)

側(cè)線試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)方案的原則是氣體組分、壓力、溫度、流量等滿足釕基催化劑的要求，裝置投資較小，操作簡(jiǎn)便，運(yùn)行后對(duì)主裝置影響小。釕基側(cè)線試驗(yàn)裝置原料氣來(lái)自主裝置氨合成回路的合成氣，試驗(yàn)裝置的產(chǎn)品液氨返回主裝置做為產(chǎn)品的一部分，輔助材料和公用工程依托于主裝置原有公用工程系統(tǒng)。我們主要工作內(nèi)容是比選確定合成氣的取出位置及合成反應(yīng)氣冷卻分離后的去向。

1.1 入口氣位置的選取與合成反應(yīng)熱的利用

氨合成反應(yīng)是化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)式：

由反應(yīng)式可看出氨合成反應(yīng)具有可逆性，即在氫氣和氮?dú)夥磻?yīng)生成氨的同時(shí)，氨也被分解為氫氣和氮?dú)?，反?yīng)的轉(zhuǎn)化率與反應(yīng)壓力、溫度及H2/N2有關(guān)。主裝置的氨合成采用布朗三塔流程，第一合成塔出口的氨凈值達(dá)11.89%，第二合成塔出口的氨凈值達(dá)17.15%，第三合成塔出口的氨凈值達(dá)到21.17%，進(jìn)塔氣體中氨含量越高，氨凈值增長(zhǎng)越小，生產(chǎn)能力越低，氨凈值繼續(xù)提升將非常困難。利用釕基催化劑活性高的特點(diǎn)，選定鐵串釕工藝，在三塔流程之后，串入一個(gè)盛裝500 L釕基催化劑的合成塔，合成氣量5 000Nm3/h。第三合成塔出料氣體組成(mol%)為H2：57.31，N2：18.77，Ar：2.75，NH3:21.17。氣體介質(zhì)干凈，反應(yīng)組分濃度降低，幾乎不存在超溫危險(xiǎn)，有利于試驗(yàn)裝置的運(yùn)行，可進(jìn)一步將氨凈值提升，同時(shí)改造內(nèi)容少，作為試驗(yàn)裝置更為經(jīng)濟(jì),也可為今后的鐵串釕工藝技術(shù)改造方案提供依據(jù)。

原有主裝置凈化送來(lái)的合格工藝氣，經(jīng)合成氣壓縮機(jī)將工藝氣提壓至15.1MPa(g)，合成氣經(jīng)第一、第二、笫三合成塔進(jìn)行氨合成反應(yīng)后的合成氣依次經(jīng)第三廢鍋、熱交換器、水冷卻器冷卻后，經(jīng)冷交換器進(jìn)入氨冷卻器一、二冷卻后進(jìn)入分離器進(jìn)行分離。

由于釕基催化劑要求反應(yīng)溫度350～450℃，考慮到釕基催化劑耐受溫度，釕基側(cè)線氨合成塔進(jìn)料氣取出位置若選在第三廢鍋入口，合成反應(yīng)的反應(yīng)熱會(huì)使催化劑床層溫度過(guò)高，超出耐受溫度，需在入口增加冷卻器，而冷交換器入口溫度過(guò)低，需要比較多的能量轉(zhuǎn)化將合成氣溫度提升到反應(yīng)溫度，兩者都不經(jīng)濟(jì)。選擇熱交換器入口作為合成氣取氣位置，溫度與釕基催化劑的活性溫度的下限接近，若要利用合成反應(yīng)后的溫升能量會(huì)對(duì)原主裝置有較多影響?？紤]到氨合成反應(yīng)為放熱反應(yīng)，充分利用反應(yīng)熱，選擇水冷卻器入口作為合成氣取氣位置，雖然釕基氨合成塔入口溫度達(dá)不到反應(yīng)溫度，可在入口前增加1臺(tái)電加熱器，在反應(yīng)初期通過(guò)電加熱將溫度提升到反應(yīng)溫度，待反應(yīng)有了溫升，則可以通過(guò)與釕基氨合成塔出口氣換熱，就可滿足塔入口所需的反應(yīng)溫度。

1.2 氨產(chǎn)品、循環(huán)氣及弛放氣流向設(shè)計(jì)

原有主裝置產(chǎn)生的液氨經(jīng)第一分離器分離后減壓至3.6MPa，送至液氨減壓罐進(jìn)一步進(jìn)行分離，然后減壓至1.4MPa后送氨收集槽中。第一分離器的氣體作為循環(huán)氣回到合成氣壓縮機(jī)循環(huán)段，氨收集槽中的惰氣被噴射器抽出，與氨減壓罐閃蒸的氣氨匯合，進(jìn)入氨吸收冷卻器中作為氨水被回收，然后送到汽提塔中，用3.8MPa(g)蒸汽加熱使其再沸，所回收的氣氨進(jìn)入到氨冷器回到氨收集槽。氨吸收冷卻器出口弛放氣的一部分回到天然氣脫硫系統(tǒng)，其余被送到一段轉(zhuǎn)化爐作為燃料氣。

(1)在三段合成塔反應(yīng)后的合成氣，進(jìn)入串聯(lián)的釕基氨合成塔反應(yīng)后，預(yù)計(jì)氨凈值將增加2%，不增加其他組分，此部分富含氨的氣體經(jīng)冷卻分離后，液氨并入原主裝置作為產(chǎn)品。

(2)因原主裝置氨氣回收和弛放氣系統(tǒng)尚有余量，冷卻分離后極少量的氣氨和惰性氣體被送入原有的氨氣回收系統(tǒng)，進(jìn)行回收后并入弛放氣系統(tǒng)。

(3)冷卻分離后極少量的氣氨和惰性氣體，被送入原有的氨氣回收系統(tǒng)進(jìn)行回收，不增加循環(huán)氣量，不會(huì)影響合成氣壓縮機(jī)的負(fù)荷(原合氣壓縮機(jī)透平效率偏低)。

因此，側(cè)線裝置釕基氨合成塔出口氣僅需考慮冷卻分離部分，反應(yīng)氣的冷卻首先設(shè)置1臺(tái)進(jìn)出口換熱器，充分利用了反應(yīng)熱，既加熱了入口氣，也冷卻了出口氣，隨后再設(shè)置1臺(tái)水冷器、1臺(tái)氨冷器和1臺(tái)分離器。水冷器與氨冷器的冷卻介質(zhì)可在原有主裝置界區(qū)就近引入。出口氣的冷卻沒(méi)有采用空冷的方案，空冷器雖然可降低設(shè)備投資，但沒(méi)有在高壓下運(yùn)行的業(yè)績(jī)，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)增加裝置的運(yùn)行成本。側(cè)線試驗(yàn)裝置的工藝流程設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

進(jìn)側(cè)線試驗(yàn)裝置合成氣取自熱交換器下游，溫度為95℃，經(jīng)流量控制并減壓至10MPa(g)，進(jìn)入側(cè)線試驗(yàn)釕基氨合成塔進(jìn)出口換熱器加熱至380℃后，進(jìn)入釕基氨合成塔，氨凈值增加2%(21.1%升至23.1%)。合成氣進(jìn)釕基氨合成塔前設(shè)置1臺(tái)電加熱器，在開(kāi)車工況、催化劑升溫還原工況等特殊條件下提供熱量。出釕基氨合成塔后的合成氣經(jīng)釕基氨合成塔進(jìn)出口換熱器由406℃冷卻至116℃，經(jīng)過(guò)水冷器冷卻至37℃，再經(jīng)氨冷器冷卻至4.4℃后，進(jìn)入氨分離器，壓力為9.68MPa(g)。液氨經(jīng)過(guò)減壓后送入氨閃蒸罐中閃蒸得到液氨產(chǎn)品，氨分離器出口循環(huán)氣減壓至3.6MPa(g)后送入氨回收系統(tǒng)。

2 方案評(píng)價(jià)

本方案采用鐵串釕多塔串聯(lián)的氨合成工藝，使H2、N2經(jīng)多段高效反應(yīng)，氨轉(zhuǎn)化率大大提高。根據(jù)釕基催化劑的性能計(jì)算，串聯(lián)在第三合成塔后，在現(xiàn)有裝置的條件下，釕基合成塔出口氣的體積含氨量預(yù)期可達(dá)23.17%，氨凈值可提高2%。如果試驗(yàn)成功，以此作為改造依據(jù)，可提高氨產(chǎn)量 0.5t/h。

圖1 側(cè)線試驗(yàn)裝置的工藝流程

另外，進(jìn)側(cè)線試驗(yàn)裝置合成氣取自熱交換器下游，取氣位置溫度低，接點(diǎn)少，釕基合成塔出口氣用入口氣體冷卻，對(duì)主裝置影響小，增加電加熱器，釕基合成塔溫度易控制，運(yùn)行過(guò)程不受原裝置的影響，側(cè)線氨分離器出口氣相作為弛放氣排入氨回收系統(tǒng)，也不會(huì)對(duì)原裝置合成氣機(jī)壓縮機(jī)循環(huán)段產(chǎn)生影響。

設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)分析見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)方案評(píng)價(jià)分析

續(xù)表

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)方案的分析評(píng)價(jià)，該設(shè)計(jì)方案滿足釕基催化劑的試驗(yàn)條件，合成氣壓縮機(jī)功率消耗增加少, 對(duì)原裝置影響小，氨凈值提高可增加氨產(chǎn)量，降低噸氨能耗，同時(shí)具有裝置投資較小、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)，在經(jīng)濟(jì)性、操作性和試驗(yàn)性等方面均有優(yōu)勢(shì)，此方案經(jīng)可行性研究及專家評(píng)審，具有可行性，但試驗(yàn)效果有待驗(yàn)證。如驗(yàn)證成功，氨合成鐵基催化劑串釕基催化劑工藝對(duì)于目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的合成氨裝置來(lái)說(shuō)是一種高效節(jié)能的技術(shù)改造方案，有較好的推廣價(jià)值。