大型低壓氨合成技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

孟凡成

（瑞星集團股份有限公司，山東泰安 271509）

大型低壓氨合成技術(shù)應(yīng)用總結(jié)

孟凡成

（瑞星集團股份有限公司，山東泰安 271509）

魯西化工和國昌公司通過對國內(nèi)外氨合成工藝技術(shù)進行研究，在企業(yè)多年氨合成技術(shù)的開發(fā)設(shè)計和實踐應(yīng)用基礎(chǔ)上，開發(fā)了具有安全性好、氨凈值高、能耗較低、余熱回收量大等顯著特點的國產(chǎn)大型低壓氨合成工藝。

氨合成催化劑；合成氨工藝；催化劑床層；應(yīng)用

我公司60萬t/a大型低壓氨合成裝置于2014年10月順利投產(chǎn)，長周期的連續(xù)運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)單塔合成氨平均日產(chǎn)量2 100t以上，在系統(tǒng)CH4含量大于13%的條件下，氨凈值大于13.5%；副產(chǎn)2.6MPa（G）蒸汽980kg/t氨氣，全面達到設(shè)計要求。

1 技術(shù)創(chuàng)新內(nèi)容及先進性

我公司的DN3200氨合成裝置項目，由南京聚拓公司提供DC型低壓氨合成系統(tǒng)工藝技術(shù)軟件包。該系統(tǒng)主要創(chuàng)新點有以下幾個方面：

1.1 三床四段式工藝床層、分段可拆卸式氨合成反應(yīng)器內(nèi)件

第一床為兩段，最上部設(shè)置了一小段軸向段，下部為徑向段，第二、第三床各為一段，均為徑向段。氨合成塔屬于氣固型催化反應(yīng)器，理論上設(shè)置的床層越多，越有利于將合成塔出口氣體中的氨含量提高，但床層越多，對于段間換熱式合成塔而言，將會使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便，因此絕大部分合成塔內(nèi)件均設(shè)計成三個催化劑床層的反應(yīng)器。DC 型氨合成塔在第一催化劑床層上部設(shè)置一個小的軸向段，原始開車時利用軸向段的反應(yīng)熱提高還原溫度，補償外供熱量，加快下部觸媒的還原速度，節(jié)省原始開車時間。同時這一小段軸向段，可以對氣體中的油、水及微量起到凈化作用，延長觸媒的使用壽命。第一床下部采用徑向結(jié)構(gòu)，在軸徑向轉(zhuǎn)換間設(shè)置了一個轉(zhuǎn)換器更加有利于氣體的均勻分布。眾所周知，氨合成塔的反應(yīng)第一床（入口床）中的反應(yīng)最為激烈，第一反應(yīng)床也是處于氣體入口，氣體中的油、水、微量等對第一床層內(nèi)的催化劑影響遠超過第二、第三床，同時合成塔的第一床催化劑負(fù)擔(dān)了近 50%以上的氨產(chǎn)量，對催化劑要求高，而第一床催化劑又是首當(dāng)其沖易于“中毒”失活的部分，因此一床催化劑應(yīng)多裝催化劑，但多裝了催化劑，催化劑使用前期會造成上部超溫嚴(yán)重，需要用很大的循環(huán)量來壓溫，造成操作條件惡化。因此DC型合成塔一床上部設(shè)置一個調(diào)溫冷激器，催化劑使用前期，可用冷激調(diào)溫，中后期逐漸關(guān)閉冷激氣，達到了兼顧效果。在工藝上，我們并不把上部的軸向段作一個單獨床層來看待，這樣不至于冷激量過多，影響氨凈值。

1.2 設(shè)置床層間接換熱方式，有利于提高氨凈值

氨合成塔床層之間的降溫方式最方便的是冷激式降溫。除此之外，有冷管式降溫和間接換熱式降溫方式。冷激式降溫最大的特點是結(jié)構(gòu)十分簡單，調(diào)節(jié)較為方便，最大的缺點是氨凈值不高、熱回收量有限。冷管式最大的優(yōu)點是間接換熱、且反應(yīng)曲線最為接近最適宜溫度曲線，但有冷管效應(yīng)。DC 型合成塔將間接換熱的高效換熱器置于合成塔中部，使各床層的反應(yīng)熱 通過間接加熱入口氣之方式得到調(diào)節(jié)，提高了觸媒利用率和氨凈值。

1.3 側(cè)向噴射板組件和三層氣體徑向分布結(jié)構(gòu)，使氣體分布更加均勻

相比傳統(tǒng)氨合成反應(yīng)器，可適應(yīng)更小粒度的催化劑，提高反應(yīng)速度和氨轉(zhuǎn)化率。采用全“熱氣”分流進合成塔流程：循環(huán)氣進熱交換器加熱到 160～190℃分成四股進入合成塔：一股進入一二 段之間的層間換熱器被一段出口反應(yīng)器加熱到350～380℃，進入第一段零米層。第二股氣體進入二三段之間的層間換熱器被二段出口反應(yīng)器加熱到360～370℃，進入中心管環(huán)隙，第三股“零米”冷激，第四股為一床層中間冷激。一、二、三到催化劑“零米”前混合后（350～380℃）進入第一 床進行反應(yīng)，溫度升至 480～505℃，出第一絕熱層的氣體依次進入第二、第三段反應(yīng)。全熱氣分流流程，在催化劑升溫還原時，可單獨控制進入段間換熱器的冷氣量和溫度，使催化劑還原徹底。同時因冷氣量全部通過熱交換器，使得通過熱交換器的冷、熱氣量平衡，一方面使得進入水冷器的熱氣溫度較低，降低了冷卻水消耗，另一方面充分回收了低品位的反應(yīng)熱。

1.4 高效碰桿式折流元件和高效換熱管

節(jié)約了反應(yīng)器空間，增加了催化劑裝填量，提高了換熱效率，降低了合成系統(tǒng)阻力。氨合成塔與廢熱鍋爐采用直連方式對接，減少了熱損失，可副產(chǎn)高品位中壓蒸汽。同時又省去了高溫高壓引出管、彈簧支架，節(jié)省了投資。

1.5 U型管蓮花狀廢熱鍋爐

適應(yīng)于大溫差、結(jié)構(gòu)可靠，其獨特的管段保護結(jié)構(gòu)，具有良好的熱膨脹收縮性能。

1.6 組合式氨冷器

冷交換器和兩級氨冷器三設(shè)備合為一體，冷卻效果好，投資少，占地面積小。

2 裝置運行情況

催化劑的升溫還原過程從2014年9月22日開工加熱爐點火，至10月12日結(jié)束，整個升溫還原過程的指標(biāo)得到了控制嚴(yán)格。從 2014 年 10 月 12 日轉(zhuǎn)入輕負(fù)荷生產(chǎn)，輕負(fù)荷運行一段時間后轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。該氨合成裝置的合成氣，一股來自30萬t/a合成氨粉煤氣化甲烷化單元，另一股來自固定床造氣的傳統(tǒng)生產(chǎn)裝置。系統(tǒng)補氣量一般在245 000m3（標(biāo)）/h左右，合成氨產(chǎn)量在2 100t以上。正常生產(chǎn)過程部分運行數(shù)據(jù)見表1。

3 結(jié)束語

經(jīng)過長時間的連續(xù)運行，氨合成系統(tǒng)運行穩(wěn)定，系統(tǒng)各項指標(biāo)都達到或超過設(shè)計值，該系統(tǒng)有以下優(yōu)點：

（1）氨合成塔及氨合成系統(tǒng)阻力低。由于采用徑向流為主的催化床結(jié)構(gòu)及新型換熱器，有效降低了氨合成塔內(nèi)件阻力和系統(tǒng)阻力，達產(chǎn)情況下全塔和廢鍋阻力之和僅 0.36MPa，系統(tǒng)阻力0.852MPa。

Application Summary of Large-Scale Low Pressure Ammonia Synthesis Technology

Meng Fan-cheng

Based on the research of ammonia synthesis technology at home and abroad，as well as the development，design and practical application of ammonia synthesis technology for many years，Luxi Chemical and Guochang have developed a new kind of ammonia synthesis technology with good safety，high net value of ammonia，Low，large amount of waste heat recovery and other signifi cant characteristics of domestic large-scale low-pressure ammonia synthesis process.

ammonia synthesis catalyst；ammonia synthesis process；catalyst bed；application

TQ113.21

A

1003-6490（2016）07-0001-02

2016-07-15

孟凡成（1965—），男，高級工程師，主要從事煤化工技術(shù)管理工作。