低壓氨合成裝置比較

馬 輝，喬 潔，龐偉玲

(河南心連心化肥有限公司 河南新鄉(xiāng) 453731)

河南心連心化肥有限公司(以下簡(jiǎn)稱心連心公司)新鄉(xiāng)基地的45·80項(xiàng)目和新疆基地的30·52項(xiàng)目均采用低壓氨合成技術(shù)。45·80項(xiàng)目于2011年開(kāi)始籌建，但因當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)低壓氨合成技術(shù)尚未成熟、應(yīng)用業(yè)績(jī)少，而國(guó)外技術(shù)供應(yīng)商的工藝包和設(shè)備費(fèi)用太高，經(jīng)多次論證，決定氨合成工段按2套240 kt/a產(chǎn)能設(shè)計(jì)[1]，于2013年開(kāi)車(chē)運(yùn)行，但因氨合成塔設(shè)計(jì)不合理，氨合成回路一直存在不少問(wèn)題。在30·52項(xiàng)目建設(shè)時(shí)，汲取了45·80項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，低壓氨合成采用瑞士卡薩利公司的技術(shù)，于2015年開(kāi)車(chē)運(yùn)行，整個(gè)裝置的運(yùn)行情況與設(shè)計(jì)指標(biāo)相符，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

1 低壓氨合成工藝

在國(guó)內(nèi)以煤為原料的合成氨生產(chǎn)工藝中，隨著大型加壓流化床氣化技術(shù)、低溫甲醇洗和液氮洗低溫凈化技術(shù)的推廣，進(jìn)入氨合成界區(qū)的原料氣中的甲烷和氬氣的含量之和能被控制在極微量的水平，較低的惰性氣體含量使氨合成反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率有了很大的提高，氨合成回路的壓力也隨之降低。實(shí)踐證明，15 MPa左右的合成壓力對(duì)于沒(méi)有惰性氣體的氨合成反應(yīng)是最為經(jīng)濟(jì)的，相比之前的高、中壓氨合成壓力，此工藝被稱為低壓氨合成。

目前，世界上先進(jìn)的低壓氨合成技術(shù)供應(yīng)商主要有瑞士卡薩利公司、美國(guó)KBR公司、丹麥托普索公司，而國(guó)內(nèi)低壓氨合成技術(shù)的研究起步較晚，運(yùn)行參數(shù)與國(guó)外先進(jìn)裝置相比仍有一定差距。低壓氨合成技術(shù)的關(guān)鍵在于氨合成反應(yīng)器，國(guó)內(nèi)外技術(shù)的氨合成回路整體差異不大[2]，而反應(yīng)器設(shè)計(jì)是否合理直接決定著整個(gè)合成回路運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2 低壓氨合成裝置的比較

2.1 45·80項(xiàng)目

45·80項(xiàng)目氨合成工段單套裝置的設(shè)計(jì)產(chǎn)能為240 kt/a，氨合成回路工藝流程：進(jìn)入界區(qū)的補(bǔ)氣和未反應(yīng)的循環(huán)氣分別經(jīng)油分離器除油后匯合進(jìn)入熱交換器中與反應(yīng)后的氣體換熱，然后進(jìn)入氨合成塔反應(yīng)；出氨合成塔的反應(yīng)氣先依次經(jīng)廢熱鍋爐、熱交換器、軟水加熱器回收高品質(zhì)熱量，再依次經(jīng)循環(huán)水冷卻器、溴化鋰水冷卻器、冷交換器降溫，其中冷交換器上部為換熱器，下部為旋流分離器，大部分液氨在此得到分離；分離液氨后的循環(huán)氣經(jīng)氨冷卻器繼續(xù)降溫、氨分離器進(jìn)一步分離液氨，然后經(jīng)冷交換器、往復(fù)式循環(huán)機(jī)提壓作為新一輪的入塔循環(huán)氣。氨合成回路工藝流程如圖1所示。

圖1 45·80項(xiàng)目氨合成回路工藝流程

該項(xiàng)目的氨合成塔采用一軸三徑、三床四段內(nèi)件，每個(gè)反應(yīng)床都設(shè)有單獨(dú)的換熱器，設(shè)計(jì)思路是反應(yīng)前的氣體分流進(jìn)入3臺(tái)換熱器內(nèi)預(yù)熱，預(yù)熱后的氣體在氨合成塔的零米層混合，然后依次經(jīng)第1床、第2床和第3床進(jìn)行反應(yīng)并回收熱量；為了控制零米層溫度，設(shè)有冷激氣調(diào)溫。

進(jìn)入合成塔零米層的氣體共有4股：第1股氣體來(lái)自塔外熱交換器加熱后的循環(huán)氣，進(jìn)入合成塔下部換熱器的管程，與殼程來(lái)自塔內(nèi)第3床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入合成塔零米層；第2股氣體為2股氣體的混合氣，一股來(lái)自混合后的循環(huán)氣，另一股來(lái)自塔外熱交換器加熱后的循環(huán)氣，2股氣體在塔外匯合后入塔進(jìn)入合成塔中部換熱器的管程，與殼程來(lái)自塔內(nèi)第2床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入合成塔零米層；第3股氣體同樣為2股氣體的混合氣，一股來(lái)自合成塔塔壁環(huán)隙出口氣，另一股來(lái)自塔外熱交換器加熱后的循環(huán)氣，2股氣體在塔外匯合后入塔進(jìn)入合成塔上部換熱器的管程，與殼程來(lái)自塔內(nèi)第1床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入合成塔零米層；第4股氣體為零米層溫度調(diào)節(jié)氣，來(lái)自混合后的循環(huán)氣，通過(guò)設(shè)置在催化劑筐蓋上的冷激氣孔噴入零米層，用于降低第1床入口氣體溫度。4股氣體在氨合成塔零米層混合以后，分別經(jīng)過(guò)第1床軸向段、第1床徑向段、上部換熱器殼程、第2床徑向段、中部換熱器殼程、第3床徑向段、下部換熱器殼程，最后出合成塔。45·80項(xiàng)目合成塔內(nèi)部流程如圖2所示。

圖2 45·80項(xiàng)目合成塔內(nèi)部流程

2.2 32·50項(xiàng)目

心連心公司30·52項(xiàng)目氨合成采用瑞士卡薩利公司提供的技術(shù)，合成氨設(shè)計(jì)產(chǎn)能為單套裝置300 kt/a，氨合成回路工藝流程：補(bǔ)氣和未反應(yīng)的循環(huán)氣在離心機(jī)三段入口前匯合后進(jìn)入離心機(jī)，經(jīng)離心機(jī)提壓后的混合氣在熱交換器中與反應(yīng)后的氣體進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入氨合成塔反應(yīng)；出氨合成塔的反應(yīng)后氣體先依次經(jīng)蒸汽過(guò)熱器、廢熱鍋爐、鍋爐給水預(yù)熱器、熱交換器回收高品質(zhì)熱量，再依次經(jīng)循環(huán)水冷卻器、冷交換器、氨冷卻器降溫，最后液氨全部在氨分離器內(nèi)進(jìn)行分離；分離液氨后的循環(huán)氣經(jīng)冷交換器、離心機(jī)提壓作為新一輪的入塔循環(huán)氣。30·52項(xiàng)目氨合成回路工藝流程如圖3所示。

圖3 30·52項(xiàng)目氨合成回路工藝流程

該項(xiàng)目的氨合成塔采用卡薩利公司設(shè)計(jì)的三床軸徑向混合流合成塔內(nèi)件，在第1床以及第2床各設(shè)有1臺(tái)換熱器用于反應(yīng)后氣體的降溫和反應(yīng)前氣體的預(yù)熱，整體工藝簡(jiǎn)單，進(jìn)塔副線少。

進(jìn)入氨合成塔零米層共有3股氣體：第1股氣體為入塔主進(jìn)氣，從合成塔底部進(jìn)入合成塔外殼與內(nèi)件的環(huán)隙以回收內(nèi)件的外表面熱量，然后從上部引入第2床換熱器的管內(nèi)與第2床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，溫度升高后氣體上行進(jìn)入第1床換熱器的管內(nèi)與第1床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，最后進(jìn)入合成塔的零米層；第2股氣體為零米層溫度調(diào)節(jié)氣，該股氣體在第1床入口處與入塔主線氣匯合，用于調(diào)節(jié)第1床入口合成氣溫度；第3股氣體為第2床入口合成氣溫度調(diào)節(jié)氣，該股氣體與入塔主進(jìn)氣在第2床換熱器出口的中心管內(nèi)混合，再進(jìn)入第1床換熱器的管內(nèi)與第1床反應(yīng)后的出口氣體進(jìn)行換熱，最后進(jìn)入合成塔的零米層。3股氣體在零米層混合，然后經(jīng)第1床、第1床換熱器的管間、第2床及第2床換熱器的管間，最后出合成塔。30·52項(xiàng)目合成塔內(nèi)部流程如圖4所示。

圖4 30·52項(xiàng)目合成塔內(nèi)部流程

2.3 工藝流程比較

從合成塔內(nèi)部氣體流程和內(nèi)件結(jié)構(gòu)可看出，2套裝置的合成塔內(nèi)件差別較大，這直接決定了氨合成回路流程的差異。

(1) 對(duì)于放熱的固定床反應(yīng)器，傳熱和溫度控制是技術(shù)的難點(diǎn)和關(guān)鍵[3]?？ㄋ_利公司的內(nèi)件兼顧了反應(yīng)前氣體預(yù)熱的適宜性和反應(yīng)后氣體熱回收的充分性，所有進(jìn)塔氣均經(jīng)過(guò)熱交換器加熱以減輕冷激效應(yīng)；進(jìn)塔氣體大部分走內(nèi)件和外筒之間的環(huán)隙，一方面有利于進(jìn)一步預(yù)熱反應(yīng)氣，提高反應(yīng)速度，另一方面可降低反應(yīng)器溫度，更有利于反應(yīng)的平衡；第3床不設(shè)置換熱器，盡量提高出塔氣體溫度以增加熱回收，這也直接決定著整個(gè)氨合成裝置的經(jīng)濟(jì)性。

(2) 45·80項(xiàng)目的氨合成回路中設(shè)有溴化鋰水冷卻器，而卡薩利工藝中沒(méi)有，這一點(diǎn)決定了液氨分離的差別，即前者液氨分離2次，而后者只分離1次。是否設(shè)置溴化鋰水冷卻器，應(yīng)根據(jù)公用工程平衡來(lái)確定，如果富余的低壓蒸汽較多，可以建溴化鋰水冷卻器以降低冷凍負(fù)荷，但會(huì)相應(yīng)增大系統(tǒng)阻力。另外，45·80項(xiàng)目中大部分液氨在冷交換器下部分離后再去氨分離器分離，因氣相中氨的分壓降低，加大了液氨在氨分離器中分離的難度；如果只進(jìn)行1次分離，氨分離器應(yīng)該具有較高的分離效果。

2.4 運(yùn)行參數(shù)比較

通過(guò)對(duì)2套低壓氨合成裝置部分運(yùn)行參數(shù)的比較(表1)，發(fā)現(xiàn)45·80項(xiàng)目因內(nèi)件結(jié)構(gòu)原因?qū)е麓呋瘎├寐屎蜔崃炕厥章势停?jīng)折算噸氨副產(chǎn)表壓2.5 MPa飽和蒸汽量為0.58 t，而卡薩利工藝噸氨副產(chǎn)表壓3.8 MPa過(guò)熱蒸汽量為0.94 t。

表1 2套低壓氨合成裝置部分運(yùn)行參數(shù)的比較

項(xiàng)目45·80項(xiàng)目30·52項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)模/(t·d-1)8001000催化劑裝填量/m350．048．5產(chǎn)能/(t·d-1)8661039新鮮氣量/(m3·h-1，標(biāo)態(tài))95152114139循環(huán)氣量/(m3·h-1，標(biāo)態(tài))290194299628入塔氣壓力/MPa(表壓)12．0712．90氨凈值/%14．4717．00合成塔出口氣體溫度/℃328416副產(chǎn)蒸汽量/(t·h-1)20．991)40．702)合成塔壓降/MPa0．660．20系統(tǒng)壓降/MPa1．190．70

注：1)表壓2.5 MPa飽和蒸汽(226 ℃)；2)表壓3.8 MPa過(guò)熱蒸汽(403 ℃)

由于45·80項(xiàng)目中氨合成塔第3床換熱器的換熱面積設(shè)計(jì)偏大，導(dǎo)致氨合成塔的熱量無(wú)法移出，實(shí)際操作中必須加大循環(huán)量、增加冷激氣量，不僅造成合成塔熱量回收率和氨凈值偏低，而且造成合成塔和系統(tǒng)壓降偏大。

4 結(jié)語(yǔ)

先進(jìn)的低壓氨合成技術(shù)應(yīng)具有的特點(diǎn)：氨合成塔的轉(zhuǎn)化率(氨凈值)高，合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、阻力低，出塔氣體溫度高、副產(chǎn)蒸汽多；合成回路設(shè)備少，系統(tǒng)壓降小。在早期的低壓氨合成裝置中，由于國(guó)內(nèi)技術(shù)供應(yīng)商缺乏相關(guān)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和計(jì)算與國(guó)外同類型設(shè)備存在一定的差距，裝置的實(shí)際運(yùn)行效果不理想。隨著最近幾年先進(jìn)煤氣化技術(shù)的推廣，帶動(dòng)了我國(guó)低壓氨合成技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過(guò)多年的摸索和研究，國(guó)內(nèi)技術(shù)供應(yīng)商已經(jīng)完全掌握和消化了低壓氨合成技術(shù)，為我國(guó)氮肥工業(yè)的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張寶珠，常榮芳，張本鋒，等.低壓氨合成技術(shù)在我公司的應(yīng)用[J].中氮肥，2016(1):23- 25.

[2] 張占一.新型氨合成工藝技術(shù)的特點(diǎn)及比較[J].化肥設(shè)計(jì)，2011(6):48- 52.

[3] 陳甘棠.化學(xué)反應(yīng)工程[M].3版.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007：156.