氨合成系统的改造及应用效果.pdf

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1、收稿日期2013-10-16 作者简介黎国建( 1986) ， 广西富川人， 助理工程师， 从 事合成氨及甲醇生产技术管理工作。 氨合成系统的改造及应用效果 黎国建，吴宗敏 ( 柳州化工控股有限公司，广西 柳州545002) 摘 要 通过对 3#氨合成系统的改造以及操作人员的精心维护，使该系统的生产能力明显提高，阻 力下降，工艺消耗下降，副产蒸汽量增加，取得了良好的应用效果。 关键词合成塔;内件;改造;循环机 中图分类号TQ 113. 2 文献标志码 B 文章编号1004 9932( 2014) 03 0004 03 evamp and Application Effects of Ammon

2、ia Synthesis System LI Guojian，WU Zongmin ( Liuzhou Chemical Holding Co，Ltd，Liuzhou 545002，China) Abstract:The revamp on 3#ammonia synthesis system and the elaborate maintenance of operators create good application effects，capacity increasing significantly，resistance decreasing，process consumption f

3、alling and byproduct steam rising. Key Words:ammonia synthesis reactor;internals;revamp;circulator 我公司一氨系统有 3 套氨合成系统，其中 3#氨合成系统的氨合成塔采用的是 YD 型全轴向 内件，已使用 15 a，运行阻力大，并存在氨净值 偏低、单塔生产能力偏低、零米温度低、中锅进 口气体温度低、吨氨消耗新鲜气量大等一系列问 题。随着一氨系统400 kt/a 总氨扩建工程项目的 投产 ( 对氨合成工序前的造气、压缩、净化等 工序完成了技术改造) ，氨合成工序的技术改造 工作被提上了议事日程 (

4、否则无法适应高负荷 生产) 。虽然一氨系统的 3 个氨合成塔内件均已 老化，并存在不同程度的缺陷，但氨合成系统仍 有可优化的潜能。为了解决氨合成工序产能不匹 配的情况，经认真研究、论证，公司决定先对 3#氨合成系统的氨合成塔内件进行改造，并优化 系统流程，再逐步更换 2#、4#氨合成塔的内件， 以满足新工况下的生产需要。 13#氨合成系统的改造 为匹配造气、压缩、净化等工序技改后的生 产能力，氨合成工序亦需提高生产能力才能满足 15 16 机的高负荷生产。改造后的 3#氨合成系 统工艺流程见图 1。 图 1改造后 3#氨合成系统工艺流程 1. 1氨合成塔内件的改造 2012 年2 月8 日，3

5、#氨合成系统停车，更换 新内件和催化剂。新内件采用南京国昌化工科技 有限公司制作的 GC- 201 型内件。该型内件共 分为 2 个轴向、1 个径向催化剂床层及 2 个下部 换热器，开工电炉设置在氨合成塔中心管内。塔 内件的主要技术参数如下: 塔型GC- 201 ( 两轴一径带 2 个下部换热 器结构) ; 第 3 期 2014 年 5 月 中氮肥 M- Sized Nitrogenous Fertilizer Progress No. 3 May 2014 塔径1 000 mm; 塔净空高16 400 mm; 生产能力240 t/d ( 弹性操作，50% 110%负荷) ; 运行压力28 M

6、Pa; 内件运行阻力0. 5 0. 8 MPa; 催化剂装填量6. 6 m3; 催化剂使用寿命6 a。 该内件的主要特点如下。 ( 1)轴向段采用新型菱形分布器气体混合 分布技术，合成塔操作弹性大。第一、二轴向催 化剂筐采用新型菱形分布器气体分布技术，气体 分布更均匀。 ( 2)径向筐分气流侧和集气流侧采用 “鱼 鳞筒”二次分布技术，即在分气筒上和集气筒 上都采用上下不等小孔和二次分布的设计，使两 侧都对不均分布进行有效控制，从而使设计的 “不均匀度” 5%，提高了氨合成的转化效率。 ( 3)氨合成塔催化剂床层调温采用冷激形 式，调节及时，合成塔操作弹性大，操作简便。 ( 4)反应器计算手段先

7、进，催化剂床层分 配合理。引进 Topse 公司的 GIPS 系统 eactor 反应器计算程序，并在此基础上与生产实践相结 合，对不同类型、不同粒度的氨合成催化剂进行 修正，从而完成合成塔的工艺设计计算。催化剂 床层分配合理，能满足不同工况下对操作弹性的 苛刻要求。 该内件装填南化集团生产的 A110- 1 型催化 剂和福大催化剂厂生产的 A202 型催化剂，装填 容积 6. 6 m3，共 18 t。催化剂经过 128 h 升温还 原，轻负荷生产 8 h 后投入正常生产。 1. 2增加塔前分离器 原流程新鲜气在滤油器补入，与循环气汇合 后进入冷凝塔。改造时将原甲醇塔的 1 台闲置的 分离罐改

8、作新鲜气的分离器，改后使新鲜气和循 环气各用 1 台分离器，新鲜气经分离油水后与循 环气汇合进入氨冷器。经过改造后，减少了工艺 气体中的 CO2与 NH3含量，避免其在冷凝塔上 部换热器的管内形成碳铵结晶，使冷凝塔停车热 煮的频次由每月1 次降到6 月1 次，提高了3#氨 合成系统的连续运行时间。 1. 3将原 3#冷激管并入 1#冷激管使用 3#氨合成塔使用 YD 型内件时原设计的冷激 气管线口径偏小。更换为 GC- 201 型新内件后， 催化剂床层阻力小，而气体流动阻力偏大，在全 开主线生产时 1#冷激气量明显不足，导致第二、 三层催化剂床层热点容易超标，因此操作过程中 被迫关小主线阀，以

9、增加 1#、2#冷激管的气量。 但是，关小进塔主线阀操作会给透平循环机的运 行带来不利的影响，其表现为透平循环机的运行 负荷加重，抗波动能力较差，3#氨合成系统的生 产负荷出现波动时透平循环机喘振明显。而改用 往复式循环机生产，由于往复式循环机 ( 512 型)的打气量比透平循环机少 90 m3/h，会导致 该塔氨产能下降。 为解决 1#冷激气量不足的缺点，我公司利 用减量机会，将原 3#冷激管并入 1#冷激管使用， 弥补了 1#冷激气管因阻力大而造成气量不足的 缺陷。 1. 4将 9#循环机并入 3#氨合成系统 3#氨合成系统的内件改造以前，主要用 4#、 5#透平循环机 ( TC450/3

10、20 型)或者 7#循环机 (512 型)进行生产。由于透平循环机对循环气 中的气体成分要求较高，且抗气量波动性较差， 这 2 台透平循环机的连续运转时间都较短。当透 平循环机出现故障无法及时修复时，用打气量相 对较小的 7#循环机生产，无法高负荷生产。为 解决这一问题，我公司通过工艺管线改造，将闲 置的 9#循环机 ( 5T 型)并入 3#氨合成系统，与 7#循环机一起使用，弥补了单台循环机打气量不 足的缺点，确保了 3#氨合成系统能保持高负荷 生产。 1. 5透平循环机的改造 3#氨合成塔使用 GC- 201 型内件后，生产 过程中系统阻力由原来的 2. 2 2. 4 MPa 降低至 1.

11、 7 2. 0 MPa，于是在满足生产需要的前提下， 为降低透平循环机 ( TC450/320 型)的电耗， 决定对 4#透平循环机的叶轮进行技术改造。经 核算，叶轮级数可由原来的 12 级减至 10 级。改 造后，相同生产负荷下用透平循环机生产时，电 机小时功耗较改造前降低了 75 kWh。 2改造后的应用效果 3#氨合成系统经过一系列改造后，生产运行 效果较好，每小时产量最高达到了 13 t。改造前 后主要工艺运行数据对比见表 1。 5第 3 期黎国建等: 氨合成系统的改造及应用效果 表 13#氨合成系统改造前后的工艺运行数据对比 时间 操作压力 /MPa 新鲜气量 /m3h 1 塔阻力

12、/MPa 零米温度 / 中锅进口温度 / 进塔甲烷含量 /% 氨净值 /% 中锅产汽量 /th 1 氨产量 /th 1 2012-01-03 2012-02-22 30. 5 30. 0 26 000 35 000 1. 3 0. 7 355 395 285 320 9 13. 5 8. 5 9. 5 3. 5 5. 6 7. 5 11. 5 2. 1单塔氨生产能力明显提高 改用轴径向型新内件的 3#氨合成塔投用后， 由于其下部换热器完好，换热效率高，零米温度 比改造前提高了40 左右;整塔的反应效果好， 塔副线的气体流量达到了 35 000 m3/h 以上，最 高达 44 000 m3/h

13、左右，为该塔能高负荷运行提 供了有利的条件;入塔气体中的甲烷含量由改造 前的 8% 9% 提高到 13% 14%，氨净值由改 造前的 8. 0% 提高到 9. 5% 左右。使用透平循环 机生产时，进塔的新鲜气量由改造前的25 000 27 500 m3/h 增加到30 000 36 000 m3/h，单塔产 氨能力较原 YD 型内件有明显的提高，氨产量由 改造前的 8 t/h 提高到 12 t/h。 2. 2中锅副产蒸汽量增加 3#氨合成塔使用原 YD 型内件生产时，由于 其上部换热器列管存在泄漏，中压锅炉进口气体 温度为 280 285 ，副产蒸汽量仅为 3. 3 3. 7 t/h。改造后，

14、中压锅炉进口气体温度可达 310 320 ，副产蒸汽量可达5. 5 5. 7 t/h，副产蒸汽 量显著提高。 2. 3塔阻力降低 使用原 YD 型内件生产时，合成塔阻力最高 达 1. 4 MPa，吨氨的循环压缩功耗比较大。采用 GC- 201 型内件后，由于径向层催化剂装填量仅 占总催化剂装填量的 41%，塔阻力较小，合成 塔阻力降至 0. 3 0. 6 MPa。随着合成塔阻力的 减小，吨氨的循环压缩功耗也明显降低。 2. 4吨氨消耗新鲜气量减少 在使用原 YD 型内件生产期间，由于 3#氨合 成塔使用透平循环机生产时对进塔气体中的氢含 量要求较高，同时由于内件上部换热器存在泄 漏，使得 3#

15、氨合成塔的零米温度偏低 ( 350 355 ) ，导致合成塔产能下降。为了提高氨合 成的反应效率，进塔气体中的甲烷含量被迫控制 在 8% 9%，导致吨氨消耗的新鲜气量比较高。 自 3#氨合成塔使用 GC- 201 型内件之后，零米 温度达400 左右，进塔气中的甲烷含量可控制 在 13% 14%，吨氨消耗的新鲜气量减少 200 m3左右。 2. 5运行稳定，操作简单 使用原 YD 型内件生产时，由于超年限使 用，内件设备缺陷比较严重，造成温度分布不均 匀，热量回收效果差，稍不注意床层温度就会出 现很大的波动，给操作带来困难。采用 GC- 201 轴径向型内件生产后，该氨合成系统运行比较稳 定，

16、抗外界因素引起波动的能力较强，大大减轻 了操作人员的劳动强度及心理压力。在操作上， 由于催化剂活性较高，系统循环气体可全部进塔 反应，当 2 个床层的冷激气阀调整好之后，主要 是通过调节副线阀的开启度来控制零米温度，进 而控制全塔的温度。此外，工艺自调阀均可正常 使用，操作比较简单。 3存在的问题 4#透平循环机经改造后，电耗下降明显，但 仍存在运行周期过短的问题。截至发稿前共投入 运行过 2 次，2 次都因电机负荷端轴承烧坏而紧 急停车处理。5#透平循环机未经改造，但连续运 行时间也较短，主要是出口端轴承容易损坏。透 平循环机运行周期短已成为 3#氨合成系统生产 的瓶颈，我公司正积极寻找解决办法，以期提高 透平循环机连续运行的周期。 4结语 3#氨合成系统经过以上一系列的改造后， 生产能力有了很大的提高，工艺消耗下降明显， 副产蒸汽量增加。该系统改造的成功经验现已推 广到 2#、4#氨合成系统中，使整个氨合成生产系 统得到了优化，为我公司创造了很好的经济 效益。 参考文献 1 南京国昌化工科技有限公司，柳化 DN1000 氨合成塔内件 改造方案 M 6中 氮 肥第 3 期