高压氨合成塔内件升级改造总结

Summary of Upgrading and Modification of Internals of High-Pressure Ammonia Converter

张明 Ming ZHANG

陕西兴化集团有限责任公司陕西兴平 713100 Shaanxi Xinghua Group Co. Ltd., Xingping 713100, China

摘要：

1^#高压氨合成装置的氨合成塔原采用DN 1 000 mm二轴一径型内件，其在使用后期存在产量低、系统压力高、催化剂床层同平面温差大等问题，为此，将氨合成塔内件更换为一轴二径型。改造后，合成氨产量由260 t/d提高至300 t/d，氨合成塔阻力由0.83 MPa降至0.55 MPa，系统阻力由2.30 MPa降至1.80 MPa，年可降低生产成本约316万元。

关键词：

高压氨合成; 内件; 二轴一径; 一轴二径; 改造总结;

Abstract：

The ammonia converter of 1^# high-pressure ammonia synthesis unit originally adopted DN 1 000 mm two-axis and one-diameter internals. There are some problems in the later stage of operation, such as low output, high system pressure and large temperature difference in the same plane of catalyst bed etc. Therefore, the internals of ammonia converter are replaced by one-axis and two-diameter internals. After modification, the output of synthetic ammonia is increased from 260 t/d to 300 t/d, the resistance of ammonia converter is decreased from 0.83 MPa to 0.55 MPa, and the system resistance decreases from 2.30 MPa to 1.80 MPa. The annual production cost can be reduced by about 3.16 million yuan.

Keyword：

high-pressure ammonia synthesis; internals; two-axis and one-diameter; one-axis and two-diameter; modification summary;

1 改造前氨合成装置工艺流程

如图 1所示，陕西兴化集团有限责任公司1^#高压氨合成装置原采用中置式废热锅炉流程、塔外换热、一级水冷、一级氨冷、二级分氨、塔前补压流程，其中新鲜合成气补充位置在三合一设备的冷却端入口。氨合成塔采用DN 1 000 mm二轴一径型内件，3层催化剂总装填量约20.43 t，内置电炉功率为800 kW，设计合成氨产量为80 kt/a，最高氨产量约260 t/d，系统运行压力约30.00 MPa，设计入塔气量为125 000 m³/h(标态)，氨净值在12%左右。

图 1

改造前氨合成装置气体主线工艺流程

1.1 设备参数

如表 1所示，氨合成塔内件催化剂装填量约6.5 m³，吨催化剂生产强度一般在40 t/(d·m³)，合成氨理论产量可达到260 t/d，是典型的80 kt/a合成氨装置。经核算，辅机完全满足小时产氨10.8 t的能力。

表 1

氨合成装置主要设备参数

设备名称	规格和结构特征	介质	操作条件	主要材质
氨合成塔内件	DN 1 000 mm，H=16 000 mm，二轴一径型，催化剂框容积6.5 m³	合成气	535 ℃，设计压差0.60 MPa	06Cr19Ni10
废热锅炉	DN 1 100 mm，换热面积70 m²	管程：合成气壳程：水蒸气	管程：360 ℃壳程：225 ℃	16MnR10MoWVNb
塔外换热器	DN 1 000 mm，换热面积700 m²	管程：热气壳程：冷气	管程：250 ℃壳成：200 ℃	16MnR
水冷器	管壳式，DN 1 100 mm，L=9 000 mm，换热面积688 m²	管程：循环水壳程：合成气	管程：30~40 ℃壳程：100~40 ℃	16MnR
氨分离器	DN 700 mm，V=1.5 m³	合成气、液氨	40 ℃	16MnVR
循环气压缩机	2D20-10/279-314型，进气压力27.90 MPa，排气压力31.40 MPa，排气量10 m³/min工况下电机功率900 kW	循环合成气		组合件
三合一设备	DN 1 000 mm，H=13 149 mm，冷却段换热面积267 m²，氨冷段换热面积228 m²，氨分离容积2.5 m³	合成气	冷却管壳程：30~40 ℃壳程：-8~8 ℃	16MnR

1.2 运行概况

氨合成装置最大负荷运行参数如表 2所示。

表 2

氨合成装置最大负荷运行参数

项目	运行参数
氨产量/(t·h^-1)	10.8
新鲜气量/(m³·h^-1，标态)	32 000
入塔气量/(m³·h^-1，标态)	132 000
第1催化剂床层温度/℃	500
第2催化剂床层温度/℃	495
第3催化剂床层温度/℃	470
塔入口气体压力/MPa	30.00
塔二次进口气体温度/℃	175
塔壁温度/℃	38
副产蒸汽量/(t·h^-1)	8.1
气氨压力/MPa	0.26
氨冷器温度/℃	0
塔二次出口气体温度/℃	302
废热锅炉出口气体温度/℃	205
水冷器入口气体温度/℃	82
水冷器出口气体温度/℃	28
循环气含甲烷体积分数/%	4
合成塔阻力/MPa	0.83
系统阻力/MPa	2.30
循环机入口气体温度/℃	41
循环机出口气体温度/℃	44

1.3 运行情况评价

该氨合成装置最大产能可达260 t/d，计算得吨氨气体循环量122 000 m³(标态)、副产蒸汽量为0.75 t、消耗新鲜原料气量2 960 m³(标态)；根据氨冷器温度，计算得入塔气含氨体积分数约为3.2%；根据吨氨循环量和入塔气氨含量，计算得出塔气含氨体积分数为15.7%，则氨净值为12.5%。

该二轴一径内件使用6年后(2010年初)，顶盖填料函存在问题，冷热气体会出现互窜现象，使第1催化剂床层同平面温差过大，达到60 ℃，氨产量下滑至9 t/h；同时，氨合成塔下部换热器也存在问题，导致废热锅炉入口气体温度偏低。由于当时处于硝酸铵销售旺季，无法停车检修，为了缩小同平面温差，启用塔内电炉补充热量，使同平面温差保持在30 ℃以内，此时合成氨产量约在10 t/h。2017年8月，利用停车机会对氨合成塔进行了检修，但未能从根本上解决问题。考虑到该内件使用时间已久，可能存在其他内部缺陷^[1]，故决定更换内件。

2 改造过程

2.1 内件形式的选择

鉴于氨合成塔内件存在氨净值低、阻力大、操作不稳定、能耗高等问题，且氨合成装置的辅机和附属设备完全可以满足日产260 t氨的要求，因此决定采用一轴二径型内件取代原有的二轴一径型内件，并充分利用高压外筒，尽可能增大催化剂框容积^[2]。采用一轴二径型内件的原因：①由于反应初期反应速率快，保留1个轴向层可起到均布反应气体的作用，防止因气流分布不均而导致的转化率差异过大，进而引起同平面温差过大；②采用2个径向层是为了降低气体流动速率，延长气体停留时间，同时可增加小颗粒催化剂的装填量，有利于提高氨净值^[3]。

一轴二径型内件的技术关键是径向层气体的分布与混合。由于径向层流道大，很容易出现气体偏流现象，因此决定径向段催化剂床层设置桥型分布器。一轴二径型内件主要技术参数如表 3所示。

表 3

一轴二径型内件主要技术参数

项目	技术参数
工作压差/MPa	0.20
设计压差/MPa	0.60
工作温度/℃	515/430
主要受压元件材质	06Cr19Ni10
催化剂框容积/m³
总容积	6.7
第1催化剂床层(轴向层)	1.7
第2催化剂床层(第1径向层)	2.1
第3催化剂床层(第2径向层)	2.9
换热面积/m²
上换热器	30.17
下换热器	80.73

2.2 内件安装和催化剂升温还原

利用2018年1月下旬计划检修机会对氨合成塔内件进行更换，首先打开氨合成塔顶部大盖，吊出原有内件催化剂框并倒出催化剂；一轴二径型内件的安装严格按照供应商的要求进行，安装前先对塔内换热器进行充压试漏，确认无泄漏后方可安装，上、下筒体对接根据定位销分段装入。本次选用了宽温区活性更好的A301型催化剂，其中：第1催化剂床层装填粒径3.3~4.7 mm催化剂4.8 t，轴径向界面装填粒径4.7~6.7 mm催化剂0.7 t，第2和第3催化剂床层分别装填粒径1.5~2.5 mm催化剂6.2 t和8.6 t，整个催化剂框共装填催化剂20.3 t。小颗粒催化剂全部装填在径向层，占催化剂总装填质量的73%。

计划检修完毕之后，先用氮气将系统充压至0.60 MPa并用氮气进行置换，分析确认系统含氧体积分数＜0.2%后，继续用新鲜气充压至12.00 MPa。催化剂采用分层还原法还原，还原期间根据循环气的水汽浓度进行提压，还原主出水期控制水汽质量浓度＜3.0 g/m³(标态)，定期排出氨水并统计出水量。当还原度达到97%以上且水汽质量浓度＜0.2 g/m³(标态)时，将系统压力提高至16.00 MPa转入轻负荷运行阶段，同时停用电炉并打开层间换热冷气阀调节催化剂床层温度至475 ℃左右。轻负荷运行3 d后，转入正常生产操作阶段。

3 运行效果及经济效益

3.1 运行效果

改造后氨合成装置最大负荷运行参数如表 4所示。

表 4

改造后氨合成装置最大负荷运行参数

项目	运行参数
新鲜气量/(m³·h^-1，标态)	35 370
入塔气量/(m³·h^-1，标态)	129 500
氨产量/(t·h^-1)	13.1
第1催化剂床层温度/℃	475
第2催化剂床层温度/℃	465
第3催化剂床层温度/℃	465
塔入口气体压力/MPa	26.20
塔二次进口气体温度/℃	190
塔壁温度/℃	65
副产蒸汽量/(t·h^-1)	10.5
气氨压力/MPa	0.28
氨冷器温度/℃	3.42
塔二次出口气体温度/℃	339
废热锅炉出口气体温度/℃	219
水冷器入口气体温度/℃	94
水冷器出口气体温度/℃	33
循环气含甲烷体积分数/%	16
合成塔阻力/MPa	0.55
系统阻力/MPa	1.80
循环机入口气体温度/℃	33
循环机出口气体温度/℃	35

从表 4可以看出，氨合成装置产能达到了314 t/d的水平，计算得吨氨气体循环量9 880 m³(标态)、副产蒸汽量为0.79 t、消耗新鲜原料气量2 700 m³(标态)；根据氨冷器温度，计算得入塔气含氨体积分数约为3.6%；根据吨氨气体循环量和入塔气氨含量，计算得出塔气含氨体积分数为19.5%，则氨净值为15.9%。

运行结果表明，改造达到了增产节能的目的，产能提高至300 t/d以上的水平。据统计，由于系统运行压力和合成回路阻力下降，合成气压缩机和循环气压缩机的运行电流分别下降了20 A和10 A，节能效果显著。本次改造选用的一轴二径型内件不足之处：①由于内件设计压差较小，仅为0.60 MPa，且塔内件与外环隙设计间距过小，导致通气阻力增大，被迫开启塔近路，使塔壁温度比改造前提高30 ℃左右，造成少部分热量损失。②由于氨产量增加2.3 t/h，相当于废热锅炉热负荷增加7.1×10⁶ kJ/h(1.7×10⁶ kcal/h)，受废热锅炉换热面积的限制，导致部分热量后移，使得水冷器入口气体温度提高近12 ℃，水冷器出口气体温度提高了4 ℃。但由于水冷后的气量比改造前少，与原工况相比，没有造成额外热量后移至氨冷器，因此冰机负荷没有变化。

3.2 经济效益

改造后，合成气压缩机运行功率由3 271 kW降至2 992 kW，循环气压缩机运行功率由560 kW降至467 kW，吨氨实际副产蒸汽量增加0.04 t。按氨产量13.1 t/h、电价0.52元/(kW·h)、蒸汽70元/t、年运行时间330 d计，则年可降低生产成本约182万元。由于反应效果好，循环气中甲烷体积分数可提高至16%，系统放空量很少，减少了有效气体的损失，使吨氨消耗的原料气下降。在总氨产量不变的条件下，1^#氨合成装置产能增加后分流了一部分新鲜气，使2^#氨合成装置的压力降低、循环气量减少，2台新鲜合成气压缩机的电流分别下降了20 A和15 A，经测算，2^#氨合成装置年可降低生产成本约134万元。本次改造投资仅130万元(包含催化剂)，不到半年即可收回全部投资。

4 结语

本次氨合成装置改造仅对氨合成塔内件进行了更换，采用了阻力小、氨净值高的一轴二径型内件。在高压氨合成装置采用此种内件时，一定要对系统辅机的能力进行核算，尤其是废热锅炉、塔外热交换器、水冷器的能力，防止热量出现后移而加重氨冷器的负荷，否则若冰机能力不够，将会导致入塔气氨含量升高，从而影响氨净值的提高。因此，在采用该内件改造前，必须全面核算系统辅机的能力，根据计算结果适当填平补齐辅机能力，从而确保改造达到预期目标。

ckwx 参考文献

吴宁宁.NC-R112型一轴二径氨合成塔内件的应用[J].广州化工, 2015(13):155-157.

徐严伟, 王攀, 樊安静, 等.氨合成塔内件改造运行总结[J].河南化工, 2015(2):46-48.

贾红.DCZ型Ф1 000氨合成塔内件应用总结[J].化肥设计, 2012(5):38-39.