孫亞非

(四川瀘天化股份有限公司，四川 瀘州 646300)

1 概 述

四川瀘天化股份有限公司(簡(jiǎn)稱瀘天化)由美國(guó)M.W.Kellogg公司(簡(jiǎn)稱KBR)全套引進(jìn)的1 000 t/d合成氨裝置于1976年10月投產(chǎn)；1988年采用KBR公司提供的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了第一次擴(kuò)能降耗改造，合成氨裝置產(chǎn)能提高到1 150 t/d，噸氨能耗由9.37 Gcal降到8.32 Gcal；2004年采用KBR公司提供的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了第二次擴(kuò)能降耗改造，合成氨裝置產(chǎn)能提高到1 500 t/d，噸氨能耗由8.32 Gcal降到7.86 Gcal。在第二次擴(kuò)能降耗改造中，為降低系統(tǒng)阻力，將變換系統(tǒng)的高變爐(104-DA)由軸向流結(jié)構(gòu)改為軸徑向流結(jié)構(gòu)，低變爐系統(tǒng)則增加1臺(tái)并聯(lián)的與老低變爐(104-DB)同結(jié)構(gòu)的新低變爐(104-DB1)，104-DB和104-DB1各處理約50%的變換氣；同時(shí)，2臺(tái)低變爐入口總管新增1臺(tái)冷激器(SP-7-02)和氣液分離罐(121-F，放置在104-DB1上面)，以控制老低變爐和新低變爐的入口氣溫度。

低變系統(tǒng)工藝流程為，高變爐(104-DA)出來(lái)的CO含量≤3.12%(干基)、CO2含量約15.39%(干基)的高變氣，依次經(jīng)高變氣廢熱鍋爐(103-C)、甲烷化爐進(jìn)氣加熱器(104-C)后被冷卻至約230 ℃；低變系統(tǒng)進(jìn)口氣淬冷水由工藝?yán)淠罕?1001-J/JA)提供，開(kāi)車/事故備用水源則來(lái)自鍋爐給水泵(104-J/JA)，正常生產(chǎn)中用TIC-367控制低變爐入口氣溫度，以控制至噴頭(SP-7-02)的淬冷水量，水量由FI-80測(cè)定，低變?nèi)肟跉鉁囟冉抵良s197 ℃并經(jīng)氣液分離罐(121-F)分離液相后進(jìn)入2臺(tái)并聯(lián)的低變爐(104-DB/DB1)，2臺(tái)低變爐均為軸向流結(jié)構(gòu)，在低變爐中氣流自上而下流動(dòng)，在更低的變換溫度下CO與H2O進(jìn)一步發(fā)生變換反應(yīng)生成H2和CO2；低變爐出口氣中的CO含量降至約 0.2%(干基)、CO2含量升至約17.80%(干基)，經(jīng)脫碳再沸器(1104-C/1105-C)回收熱量，進(jìn)一步冷卻分離后進(jìn)入CO2吸收塔(1101-E)脫除變換氣中的CO2。

2 低變催化劑裝填及使用情況

老低變爐(104-DB)裝填低變催化劑56 m3，上一爐低變催化劑于2008年10月1日還原后并入系統(tǒng)，至2020年12月大修時(shí)使用了12 a，超過(guò)8 a的預(yù)期使用壽命；本爐低變催化劑2021年2月投用，迄今已使用超過(guò)1 a。新低變爐(104-DB1)裝填低變催化劑56 m3，上一爐低變催化劑于2003年12月22日還原后并入系統(tǒng)，至2012年3月10日更換時(shí)使用了8.2 a；本爐低變催化劑于2012年5月1日還原后并入系統(tǒng)，迄今已使用約9.5 a，目前該爐低變催化劑仍將繼續(xù)使用。合成氨裝置低變催化劑的裝填及使用情況見(jiàn)表1。

表1 合成氨裝置低變催化劑的裝填及使用情況

3 低變催化劑長(zhǎng)周期運(yùn)行管控經(jīng)驗(yàn)

3.1 低變催化劑還原管控

3.1.1氮?dú)庋h(huán)升溫階段

開(kāi)車時(shí)建立氮?dú)庋h(huán)升溫(含一段爐、二段爐、高變催化劑、低變催化劑升溫)，目的是除去氧化態(tài)低變催化劑中吸附的物理水，并最終升溫至催化劑的起活溫度(約165 ℃)。如有待還原的低變催化劑，先將待還原的這爐低變催化劑升溫至起活溫度后切出系統(tǒng)，用盲板隔離出來(lái)準(zhǔn)備還原；無(wú)需還原催化劑的另一臺(tái)低變爐則按正常開(kāi)車程序投運(yùn)，合成氨裝置同步正常生產(chǎn)。

3.1.2引入還原載氣天然氣

單臺(tái)低變爐運(yùn)行時(shí)合成氨裝置的負(fù)荷約68%，增加進(jìn)氧化鋅脫硫槽的載氣天然氣負(fù)荷約32%，增加的載氣天然氣負(fù)荷全部在氧化鋅脫硫槽出口放空，分析載氣天然氣中的C3以上烴類物含量和硫含量，待C3以上烴類物含量<0.2%、硫含量<0.5×10-6后，將氧化鋅脫硫槽出口放空載氣逐漸引入低變爐，先在低變爐出口放空，期間及時(shí)調(diào)整載氣入口換熱器循環(huán)水量，以保證進(jìn)低變爐載氣溫度在約165 ℃，直到全部載氣(折32%負(fù)荷的天然氣流量)進(jìn)入低變爐，并在低變爐出口放空。

3.1.3載氣天然氣回用作燃料氣

稍關(guān)低變爐出口載氣放空閥，將低變爐出口載氣壓力提至略高于燃料天然氣管網(wǎng)壓力且不超過(guò)0.6 MPa，打通載氣回用作燃料天然氣的流程，之后逐漸打開(kāi)載氣回收閥，將全部載氣回用作燃料氣。

3.1.4催化劑還原主要步驟及操作要點(diǎn)

(1)還原初期間斷進(jìn)行配氫，最初配氫濃度為0.2%～0.8%，有溫升和氫耗則表明已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生還原反應(yīng)，若無(wú)溫升則可適當(dāng)提高入口載氣的溫度。

(2)還原主期，逐漸將載氣中的氫含量提高至約2%，還原從上往下逐層進(jìn)行，熱點(diǎn)溫度從上層逐漸移至下層，控制催化劑床層最高溫度不高于220 ℃。

(3)還原末期，催化劑床層各點(diǎn)溫度趨于一致并與入口溫度相當(dāng)，出口載氣氫含量逐漸上漲，連續(xù)3次分析氫耗量<0.1%則表明升溫還原基本結(jié)束。

(4)還原考察期，氫耗逐漸降至0.1%以下，逐步采取提進(jìn)口氣溫度至約220 ℃、提進(jìn)口氣氫含量至約12%、提壓至約2.0 MPa，連續(xù)3次分析氫耗量<0.1%，即進(jìn)出口氫含量達(dá)到平衡，表明低變催化劑還原結(jié)束，降床層溫度至185～190 ℃后切除載氣。

3.1.5并入系統(tǒng)

低變催化劑還原結(jié)束后，先將爐內(nèi)壓力泄至0，倒通低變爐進(jìn)/出口盲板，用副線充壓查漏無(wú)問(wèn)題后，低變爐充壓至系統(tǒng)壓力，之后先全開(kāi)低變爐出口管線閥門(mén)，再全開(kāi)進(jìn)口管線閥門(mén)，低變爐并入系統(tǒng)。剛并入系統(tǒng)10 min左右低變爐會(huì)有強(qiáng)放熱產(chǎn)生的熱波現(xiàn)象，熱波自上層往下層移動(dòng)，一般不會(huì)超過(guò)250 ℃，熱波結(jié)束后低變爐轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)狀態(tài)，合成氨裝置加負(fù)荷至滿量。

3.2 低變爐的開(kāi)停車管控

3.2.1開(kāi) 車

低變催化劑在氮?dú)庋h(huán)升溫過(guò)程中，當(dāng)?shù)妥兇呋瘎┐矊由郎刂?90～195 ℃、高變爐(104-DA)出口CO含量<3%時(shí)，變換系統(tǒng)需串完脫碳系統(tǒng)后再串低變系統(tǒng)；串低變系統(tǒng)時(shí)，控制低變爐入口氣溫度(TIC-367)在約195 ℃，現(xiàn)場(chǎng)打開(kāi)低變爐出口電動(dòng)閥(SP-6/6A)副線對(duì)新/老低變爐(104-DB/DB1)進(jìn)行反向充壓，在充壓前開(kāi)低變爐進(jìn)/出口管線導(dǎo)淋排凈冷凝液，壓力平衡后全開(kāi)SP-6/6A，再關(guān)SP-6/6A副線閥，主控將PB-2置于“正常”位置后，全開(kāi)2臺(tái)低變爐(104-DB/DB1)進(jìn)口電動(dòng)閥(SP-4/4A)，之后關(guān)閉2臺(tái)低變爐(104-DB/DB1)旁路電動(dòng)閥(SP-5)。低變爐并入系統(tǒng)后，注意控制TIC-367在195～197 ℃，及時(shí)投自控運(yùn)行，并注意監(jiān)控各床層溫度，各床層溫度穩(wěn)定后通知做脫碳系統(tǒng)吸收塔(1101-E)出口凈化氣中CO、CO2的含量分析。

3.2.2停 車

正?；蚓o急停車需切除低變爐時(shí)，主控將PB-2置于“事故”位置后，聯(lián)鎖執(zhí)行自動(dòng)打開(kāi)低變爐出口旁路電動(dòng)閥(SP-5)后自動(dòng)關(guān)閉進(jìn)口電動(dòng)閥(SP-4/4A)，確認(rèn)閥位動(dòng)作正常后，關(guān)閉低變爐出口電動(dòng)閥(SP-6/6A)，將新/老低變爐(104-DB/DB1)切出系統(tǒng)，之后開(kāi)低變爐出口導(dǎo)淋泄壓，并保證該床層溫度下無(wú)冷凝水產(chǎn)生，低變爐壓力泄完后及時(shí)充氮?dú)庵脫Q、保護(hù)。

3.2.3開(kāi)停車管理

2008年至今，瀘天化1 500 t/d合成氨裝置正?；蚓o急停車30余次，通過(guò)制定精細(xì)化的開(kāi)/停車方案、組織對(duì)操作人員培訓(xùn)，以及開(kāi)/停車過(guò)程中車間、職能部門(mén)對(duì)執(zhí)行情況進(jìn)行指導(dǎo)、監(jiān)督、考核，確保了開(kāi)/停車操作規(guī)范，從而有力地保證了低變催化劑的安全、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

3.3 低變催化劑日常運(yùn)行管理及異常工況處理

瀘天化1 500 t/d合成氨裝置正常生產(chǎn)期間，一直注重加強(qiáng)低變催化劑的日常運(yùn)行管理，通過(guò)嚴(yán)格管控低變爐進(jìn)/出口氣體組分、催化劑床層溫度、催化劑床層壓差，保證了低變催化劑使用期內(nèi)具有良好的活性。

(1)低變爐進(jìn)/出口氣體組分的管控。每年年初制定年度檢驗(yàn)計(jì)劃，對(duì)氧化鋅脫硫槽出口氣總硫以及高變爐出口(即低變爐進(jìn)口)、低變爐出口氣體組分等定期進(jìn)行手動(dòng)分析，并按高變爐出口氣CO濃度<3.12%、氧化鋅脫硫槽出口氣硫含量<0.5×10-6、低變爐出口氣CO濃度<0.2%進(jìn)行控制，并記錄變化趨勢(shì)。通過(guò)低變爐進(jìn)/出口氣體組分的定期分析，對(duì)低變催化劑的運(yùn)行情況進(jìn)行評(píng)估。2008年至今高變爐共更換3爐催化劑，有效地保證了低變爐進(jìn)口氣CO濃度<3.12%。

(2)催化劑床層溫度的管控?？刂频妥儬t入口氣溫度在195～197 ℃，關(guān)注低變爐熱點(diǎn)位置及移動(dòng)趨勢(shì)，控制低變爐床層熱點(diǎn)溫度在205～217 ℃；如遇淬冷水量減小，可能是低變爐入口氣溫度(TIC-367)控制閥閥芯堵塞，此時(shí)需及時(shí)開(kāi)副線操作；若是因工藝?yán)淠罕?1001-J)故障造成淬冷水中斷，應(yīng)及時(shí)切換至鍋爐給水泵(104-J)供應(yīng)備用水源，同時(shí)大修時(shí)對(duì)冷激器(SP-7-02)和氣液分離罐(121-F)進(jìn)行檢修，確認(rèn)設(shè)備完好。通過(guò)對(duì)低變催化劑床層溫度的嚴(yán)格管控，瀘天化1 500 t/d合成氨裝置第二次擴(kuò)能降耗改造后低變爐入口氣溫度控制穩(wěn)定，未發(fā)生過(guò)催化劑床層超溫的情況。

(3)催化劑床層壓差的管控。在每次高變催化劑更換后，確保系統(tǒng)吹灰清掃合格；每次低變爐停車后，確保及時(shí)開(kāi)低變爐出口導(dǎo)淋泄壓和排凈冷凝液，防止催化劑泡水粉化；生產(chǎn)期間控制低變催化劑床層溫度穩(wěn)定，避免超溫導(dǎo)致的催化劑燒結(jié)。通過(guò)對(duì)催化劑床層壓差的嚴(yán)格管控，瀘天化1 500 t/d合成氨裝置第二次擴(kuò)能降耗改造后低變催化劑使用壽命末期床層阻力仍可控制在0.04 MPa以下。

3.4 停車期間低變催化劑的保護(hù)

當(dāng)?shù)妥儬t需長(zhǎng)停進(jìn)行大檢修時(shí)，需對(duì)低變催化劑進(jìn)行專門(mén)保護(hù)，以防空氣漏入而致催化劑損壞，主要管控措施如下。

(1)低變爐切除后，及時(shí)將爐內(nèi)壓力降至0，倒盲板進(jìn)行隔離，低變爐進(jìn)/出口避開(kāi)同時(shí)倒換以防產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，對(duì)爐內(nèi)催化劑床層進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，合格標(biāo)準(zhǔn)為低變爐出口氮?dú)饧兌取?9.5%；合成氨裝置大檢修長(zhǎng)停期間，采用間斷充氮?dú)獾姆绞綄?duì)低變催化劑進(jìn)行保護(hù)，低變爐內(nèi)壓力控制在0.02～0.10 MPa。充氮保護(hù)期間，每小時(shí)對(duì)氮?dú)饧兌冗M(jìn)行1次分析，確保氮?dú)饧兌取?9.5%，如氮?dú)饧兌炔缓细?，?yīng)停止向低變催化劑床層充氮，直到氮?dú)饧兌群细癫拍芾^續(xù)充氮保護(hù)；當(dāng)發(fā)現(xiàn)氮?dú)饪偣軌毫ο陆禃r(shí)，停止向低變催化劑床層充氮，以防低變爐內(nèi)的氣體倒流回氮?dú)饪偣?；?zhǔn)備好備用瓶裝氮?dú)?，以防外供氮?dú)庵袛喽?duì)低變催化劑的保護(hù)。

(2)合成氨裝置大檢修期間，定期打開(kāi)低變爐底部導(dǎo)淋管檢查并排凈冷凝液，杜絕因冷凝液未排凈而發(fā)生催化劑泡水粉化事故。

(3)值班人員監(jiān)控低變催化劑床層溫度和壓力的變化情況并按時(shí)記錄，有上升趨勢(shì)時(shí)及時(shí)匯報(bào)、查明原因并及時(shí)處理。

3.5 低變催化劑使用壽命末期的判斷

瀘天化每年都會(huì)召開(kāi)合成氨裝置催化劑使用分析會(huì)，對(duì)各爐催化劑使用情況及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)判，根據(jù)合成氨裝置大檢修周期做好催化劑更換的相關(guān)準(zhǔn)備工作。對(duì)于低變催化劑，其是否已達(dá)使用壽命末期的判斷依據(jù)如下。

(1)觀察低變爐出口氣CO含量。隨著低變催化劑使用時(shí)間的延長(zhǎng)，或由于操作不當(dāng)引起催化劑粉化或中毒等時(shí)，低變爐出口氣CO含量會(huì)逐漸升高，當(dāng)出口氣CO含量接近或超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí)，表明低變催化劑已進(jìn)入使用壽命末期。

(2)觀察低變催化劑床層熱點(diǎn)溫度。新/老低變爐(104-DB/DB1)均為軸向流結(jié)構(gòu)，隨著催化劑使用時(shí)間的延長(zhǎng)，催化劑活性是逐層下降的，低變催化劑使用壽命末期，變換反應(yīng)及溫升主要移至催化劑床層下部，因此會(huì)表現(xiàn)出熱點(diǎn)溫度逐漸下移的顯著特點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在低變催化劑使用壽命周期內(nèi)進(jìn)行科學(xué)、有效地管控，有助于實(shí)現(xiàn)低變催化劑的長(zhǎng)周期、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行，從而可避免資源浪費(fèi)、提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。要優(yōu)化低變催化劑的運(yùn)行，必須對(duì)其全壽命周期進(jìn)行全面管理，包括低變催化劑首次升溫還原投運(yùn)、低變爐開(kāi)停車、低變催化劑日常運(yùn)行管理及異常工況處理、停車期間的保護(hù)等，其全壽命周期都要做到嚴(yán)格管控和規(guī)范操作，建立好技術(shù)管理臺(tái)帳，掌握低變爐出口氣CO含量、催化劑床層阻力的上漲趨勢(shì)，以及催化劑床層熱點(diǎn)溫度的移動(dòng)趨勢(shì)，定期對(duì)催化劑運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估和預(yù)判，尤其是當(dāng)?shù)妥兇呋瘎┻M(jìn)入使用壽命末期時(shí)，要提前做好更換準(zhǔn)備。