龔世偉,江 星,黃本波

(宜昌星興藍天科技有限公司, 湖北宜都 443311)

1 概述

宜昌星興藍天科技有限公司40萬t/a合成氨升級改造項目中，氨合成裝置采用瑞士卡薩利公司的專利技術(shù)及內(nèi)件，日產(chǎn)液氨1 250 t；氣體的壓縮與循環(huán)采用蒸汽驅(qū)動的離心式合成氣壓縮機。從新鮮氣分析合格接氣開始計時，按照40 K/h的升溫速率，從常溫升至催化劑活性溫度330 ℃以上需8 h左右。在低溫階段時，因未達到催化劑的活性溫度條件，無產(chǎn)品液氨生成。在此期間，使用氫氮氣升溫時，單臺氣化爐70%負(fù)荷運行，會造成體積流量約為40 000 m3/h的精制氣長時間放空，增加開車成本。為節(jié)省開車時間及降低成本，擬采用氮氣升溫。通過對合成氣壓縮機的運行工況分析，模擬氮氣的操作條件，合成接氣前進行氮氣升溫，取得了良好的經(jīng)濟效益，合成氨系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 合成氨工藝系統(tǒng)流程圖

2 氮氣升溫可行性分析

2.1 確定氮氣升溫流程及條件

催化劑氮氣升溫仍采用新鮮氣升溫流程，但氮氣補充氣源則從中壓氮氣管線進界區(qū)處增加了一條至新鮮氣管線的專用置換或氮氣升溫氣源管線，避免由液氮洗補充中壓氮氣時與液氮洗接氣開車過程沖突[1]。開工加熱爐燃料氣使用天然氣。

2.2 合成氣壓縮機氮氣運行工況分析

合成氣壓縮機是由汽輪機驅(qū)動的雙缸三段離心式壓縮機。通過分析壓縮機空氣單機試車數(shù)據(jù)和廠家提供的設(shè)計資料，認(rèn)為該機組能在氮氣工況下運行。壓縮機氮氣運行指標(biāo)見表1。

表1 合成氣壓縮機氮氣運行工況控制指標(biāo)

2.3 開工加熱爐氮氣運行工況分析

開工加熱爐為圓筒立式輻射型加熱爐，換熱管為螺旋盤管式，采用四管程進出換熱，配備6臺天然氣燃燒器，主要數(shù)據(jù)見表2。

表2 開工加熱爐運行數(shù)據(jù)表

氨合成催化劑升溫條件(7.00 MPa、20～380 ℃)與氮氣升溫條件(2.00 MPa、20～380 ℃)的平均熱容相近；升溫時通過開工加熱爐氮氣體積流量控制在18 000～30 000 m3/h較為合適。

3 改造實施過程

根據(jù)開車時間節(jié)點，合成接氣升溫至催化劑活性溫度，按照40 K/h的升溫速率，需要9 h，合成氣壓縮機沖轉(zhuǎn)需要2 h。所以，在變換接氣后，合成氣壓縮機需要在進入開車步驟前做好聯(lián)鎖試驗，并建立凝液循環(huán)及合格的真空。沖轉(zhuǎn)合格后點燃開工加熱爐，對合成催化劑進行氮氣升溫。

3.1 氮氣升溫氮氣升溫具體步驟

(1)氮氣補氣流程暢通，將合成氣壓縮機缸體充壓至1.50 MPa，通過出口放空控制缸體壓力。

(2)按汽輪機沖轉(zhuǎn)步驟開啟合成氣壓縮機，轉(zhuǎn)速升至7 882 r/min。系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)維持壓縮機一段進口壓力為0.30～1.00 MPa[2]。

(3)點燃一對開工加熱爐長明燈及主火嘴，預(yù)熱開工加熱爐。打開開工加熱爐工藝氣進口大閥，控制進口體積流量18 000～30 000 m3/h。

(4)調(diào)節(jié)開工加熱爐的主火嘴天然氣壓力為0.20 MPa，控制開工加熱爐工藝氣出口溫度的升溫速率為40 K/h。

(5)合成氣壓縮機崗位控制入口壓力為0.33 MPa。當(dāng)一段進口壓力下降時，微開氮氣補充閥門，循環(huán)段出口壓力通過出口放空調(diào)節(jié)閥控制在1.50～2.00 MPa。

(6)當(dāng)催化劑一床溫度升至400 ℃以上，以及開工加熱爐工藝氣出口溫度達到450 ℃時，通過調(diào)節(jié)主火嘴天然氣壓力來控制出口溫度恒溫。通過循環(huán)將熱量往催化劑二、三床移動，待催化劑二床溫度升至350 ℃以上時，結(jié)束升溫。

(7)液氮洗精制氣合格后，緩慢接氣置換，待床層產(chǎn)生反應(yīng)熱后減小開工加熱爐熱負(fù)荷直至主火退出，合成系統(tǒng)產(chǎn)出液氨，高中低壓氨分離器均放氨操作。

(8)根據(jù)新鮮氣壓力及放空情況，合成氣壓縮機逐步升速加量至系統(tǒng)負(fù)荷加滿，然后轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。

3.2 合成氣壓縮機運行數(shù)據(jù)

氮氣升溫時，合成氣壓縮機轉(zhuǎn)速維持在7 882 r/min。防喘振閥一般情況下保持全開狀態(tài)，通過一級密封氣漏氣、一段進口補氣及循環(huán)段出口放空，控制合成氣壓縮機運行平穩(wěn)，以及軸振動、位移及各段出口溫度達標(biāo)(見表3)。

表3 改造后合成氣壓縮機氮氣運行工況控制指標(biāo)

4 操作注意事項

(1)合成氣壓縮機缸體補充純氮氣后，缸體內(nèi)壓力不宜過高，一般情況下不超過2.00 MPa。若壓力較高，則應(yīng)通過出口放空進行控制[3]。

(2)氮氣升溫期間，出口壓力達不到一級密封氣切換條件時不能切換。

(3)液氮洗精制氣合格后，合成接氣前必須取樣分析，接氣后應(yīng)適當(dāng)開啟放空，對系統(tǒng)進行置換，確保氫氮比合格。

(4)氮氣升溫只適合系統(tǒng)長期停車或大修后開車，以及床層溫度降至330 ℃以下時進行。

(5)在接氣時，要注意反應(yīng)熱與開工加熱爐熱負(fù)荷之間的調(diào)整，合理分配進塔氣量。

(6)當(dāng)床層產(chǎn)生反應(yīng)熱后，監(jiān)控氨冷溫度，當(dāng)發(fā)現(xiàn)其上漲時，緩慢投用氨冷器，并對高壓、中壓、低壓氨分離器進行放氨操作。

5 經(jīng)濟效益

合成系統(tǒng)冷態(tài)開車采用氮氣升溫的方法，提前對合成催化劑進行升溫，節(jié)省開車放空時間，使得精制氣合格后迅速接氣產(chǎn)氨，避免新鮮氣長時間放空。按照氣化爐70%負(fù)荷進行計算，新鮮氣放空會損失約26.2 t/h的液氨產(chǎn)量，提前8 h完成開車，節(jié)約開車成本為102.28萬元[4]。

6 結(jié)語

結(jié)合氨合成催化劑氮氣升溫的研究，采用氮氣升溫的方法切實可行，不僅降低開車成本，而且為后期合成系統(tǒng)冷態(tài)開車提供了實際參考數(shù)據(jù)。