合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒升溫還原氣源綜合優(yōu)化

李誠斌

(安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司， 河南安陽 455133)

安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司是以煤化工為主體的化工企業(yè)，主要生產(chǎn)裝置包括：2套合成氨、尿素裝置，2套甲胺、二甲基甲酰胺裝置，1套乙二醇裝置，1套食品級二氧化碳裝置，1套保險(xiǎn)粉裝置，1套二甲基乙酰胺裝置及1套甲醇鈉裝置。其中，1套合成氨裝置建設(shè)于20世紀(jì)70年代，裝置裝備落后，已不適用于目前市場化經(jīng)濟(jì)體系，自2016年7月該裝置長期停運(yùn)。2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒升溫還原氣源使用1套合成氨裝置凈化系統(tǒng)二次后精制氣，因1套合成氨裝置停運(yùn)，2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)中溫變換爐、低溫變換爐及醇烴化觸媒分別升溫還原時將不得不依靠該裝置半水煤氣升溫還原，由于半水煤氣中H2體積分?jǐn)?shù)約為40%,剩余60%(體積分?jǐn)?shù))氣體因無效放空，造成浪費(fèi)。因此，結(jié)合安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司各裝置實(shí)際情況，多次組織召開專題會議，綜合考慮、評估，制定方案及措施，最終決定將合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒升溫還原氣源由半水煤氣改為乙二醇裝置凈化系統(tǒng)98.5%(體積分?jǐn)?shù))的H2。該項(xiàng)目投運(yùn)后觸媒升溫還原期間合成氨裝置氣化系統(tǒng)將無需開車，同時由于該有效氣體含量高，將大幅減少無效氣體的放空，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

1 氣源優(yōu)化實(shí)施前基本情況

2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒升溫還原原使用氣源為1套合成氨裝置凈化系統(tǒng)二次后精制氣，因1套合成氨裝置凈化系統(tǒng)停運(yùn)，2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒使用本系統(tǒng)半水煤氣升溫還原，但是2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒升溫還原過程需要的半水煤氣量較小，而實(shí)際半水煤氣量較大，勢必會造成2套合成氨裝置半水煤氣的大量浪費(fèi)，中溫變換爐觸媒升溫還原共用時間72 h，造氣系統(tǒng)最少供應(yīng)半水煤氣體積流量約為9 000 m3/h，則共需要消耗水煤氣648 000 m3。

乙二醇裝置在系統(tǒng)開車時優(yōu)先使用CO，H2送火炬燃燒，為了避免乙二醇裝置界內(nèi)開車期間，H2送火炬燃燒浪費(fèi)，因此設(shè)計(jì)了1條乙二醇裝置界外氫壓機(jī)出口去2套合成氨裝置壓縮機(jī)四段入口管線，讓2套合成氨裝置在乙二醇裝置開車期間回收H2，以避免浪費(fèi)。該管線目前處于閑置狀態(tài)。

2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)各觸媒升溫還原期間，如果造氣生產(chǎn)裝置波動及其他裝置出現(xiàn)異常情況，則必然會影響半水煤氣的正常供應(yīng)，嚴(yán)重影響觸媒還原質(zhì)量，對合成氨裝置后續(xù)生產(chǎn)帶來很大隱患。

2 優(yōu)化目標(biāo)

(1) 降低合成氨裝置無效氣體放空造成的損失[1]。

(2) 充分利用廢舊管線，創(chuàng)造效益。

(3) 2套合成氨造氣爐、壓縮機(jī)及配套循環(huán)水等設(shè)備無需提前開車，減少煤耗、電耗等各項(xiàng)消耗。

(4) 作為2套合成氨系統(tǒng)凈化裝置觸媒升溫還原期間，調(diào)節(jié)乙二醇系統(tǒng)V(H2)/V(CO)的一種選項(xiàng)，防止V(H2)/V(CO)過高造成浪費(fèi)[2]。

3 具體方案及措施

(1) 組織召開專題討論會，制定乙二醇裝置凈化工序系統(tǒng)調(diào)整方案，優(yōu)化變換、變壓吸附運(yùn)行模式，確保乙二醇裝置穩(wěn)定運(yùn)行。

(2) 利用原乙二醇裝置凈化系統(tǒng)H2送2套合成氨壓縮四段入口管線，再與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通。

(3) 在與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通前，確保乙二醇裝置凈化系統(tǒng)、合成氨裝置與系統(tǒng)安全隔離，保證N2置換合格，防范措施到位，并指定專人負(fù)責(zé)。

(4) 在與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通結(jié)束后，對該段管線進(jìn)行試壓試漏，達(dá)到設(shè)定壓力為合格。

(5) 試壓試漏結(jié)束后對該段管線用空氣進(jìn)行吹掃，吹掃時從乙二醇裝置凈化系統(tǒng)氫氣壓縮機(jī)出口導(dǎo)淋接N2，由乙二醇裝置凈化系統(tǒng)負(fù)責(zé)進(jìn)行吹掃，反復(fù)充壓吹掃5次以上，并打靶合格后為結(jié)束[3]。

(6) 該段管線試壓、試漏、吹掃結(jié)束后，具備使用條件；合成氨裝置在使用乙二醇裝置凈化系統(tǒng)H2對觸媒還原前，對該段管線進(jìn)行N2置換，當(dāng)φ(O2)≤0.5%合格，N2置換合格后，進(jìn)行H2置換，當(dāng)取樣分析φ(H2)>98.5%、φ(O2)≤0.5%為置換合格。

(7) 合成氨裝置在接乙二醇裝置凈化系統(tǒng)H2對觸媒還原前，提前通知調(diào)度指揮中心，由調(diào)度指揮中心與乙二醇裝置凈化系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，并做好H2平衡，確保乙二醇裝置安全穩(wěn)定生產(chǎn)[4]。

(8) 合成氨裝置獲得調(diào)度指揮中心同意后，方可使用H2；在使用時，由乙二醇裝置凈化系統(tǒng)緩慢開外送閥，合成氨裝置根據(jù)使用H2氣量情況，開關(guān)H2接收閥；同時，在對使用量進(jìn)行調(diào)整時，應(yīng)提前通知調(diào)度指揮中心，調(diào)度指揮中心通知相關(guān)單位，并做好氣量平衡。

筆者以合成氨裝置凈化系統(tǒng)中溫變換爐觸媒升溫還原過程為例，用N2升溫，以中壓蒸汽為載氣配入H2進(jìn)行還原。N2升溫流程見圖1。

圖1 N2升溫流程

當(dāng)冷態(tài)小循環(huán)穩(wěn)定正常后，取樣分析N2中的φ(O2)≤0.5%時，開中溫變換爐一段入口N2閥和中溫變換爐出口N2閥，關(guān)小循環(huán)閥，逐漸改冷態(tài)小循環(huán)為中溫變換爐大循環(huán)。

開啟軸流風(fēng)機(jī)運(yùn)行正常，按程序啟動電加熱器和逐漸加大冷熱交換器的蒸汽量，控制N2電加熱器出口溫升速率，以滿足中溫變換爐床層溫升的要求。

升溫時以床層溫度軸向溫差為準(zhǔn)，升溫期間應(yīng)加強(qiáng)N2分離器導(dǎo)淋的排放。

待床層溫度達(dá)300 ℃時，N2系統(tǒng)改小循環(huán)，逐漸降低電加熱器電壓，待床層溫度降至150 ℃時，停電加熱器，當(dāng)床層溫度降至100 ℃時，停N2鼓風(fēng)機(jī)，N2系統(tǒng)卸壓，中溫變換爐床層溫度改用蒸汽升溫。

建立飽和熱水塔液位。

提前接中壓蒸汽，暖管、開飽和塔出口閥，檢查關(guān)閉入口工段閥，蒸汽從飽和塔放空提溫，待中壓蒸汽溫度提至350 ℃以上，且N2系統(tǒng)停運(yùn)，加N2盲板結(jié)束，開中溫變換爐入口閥、出口閥，關(guān)飽和塔出口閥，開蒸汽混合器入口閥，中溫變換爐通蒸汽升溫，用中壓蒸汽自調(diào)閥控制中壓蒸汽質(zhì)量流量在20～25 t/h，要求蒸汽溫度≥400 ℃，低溫變換爐入口放空，升溫到300 ℃后恒溫。

接H2時，以飽和塔放空控制壓力在0.2 MPa，置換飽和塔，開啟熱水泵，調(diào)節(jié)飽和熱水塔液位正常，待300 ℃恒溫結(jié)束后，用飽和塔出口大閥控制配氫，配氫速率應(yīng)緩慢。起始配氫時，H2體積分?jǐn)?shù)由0.5%、1%、2%逐漸加大，嚴(yán)格控制中溫變換爐各點(diǎn)溫度≤500 ℃。

還原過程中床層控制平穩(wěn)，不得出現(xiàn)大幅度波動，并逐漸開大飽和塔出口閥，減少蒸汽量，直至飽和塔出口大閥全開。

當(dāng)中溫變換爐一段出口H2含量接近于入口H2的含量時，逐漸關(guān)閉飽和塔放空，提高系統(tǒng)壓力，增加H2的氣量。

當(dāng)中溫變換爐入口H2含量等于一段出口H2含量，床層溫度正常，中溫變換爐還原結(jié)束，中溫變換爐轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)。

中溫變換爐觸媒升溫還原過程中應(yīng)注意：

(1) 安排專人配氫，并做好記錄，必須堅(jiān)持“提濃不提壓、提壓不提濃”的原則。

(2) 還原初期，必須確保中溫變換爐進(jìn)口溫度在300 ℃以上，根據(jù)爐溫上漲情況調(diào)節(jié)蒸汽、H2用量。

(3) 還原后期應(yīng)力求使中溫變換爐一、二和三段床層溫度控制在≤500 ℃，確保一段觸媒進(jìn)行深度還原反應(yīng)。

4 成果創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 避免了2套合成氨裝置凈化系統(tǒng)由于使用本系統(tǒng)氣體導(dǎo)致無效氣體的大量放空，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

(2) 避免了造氣爐、壓縮機(jī)和配套公用工程等轉(zhuǎn)機(jī)設(shè)備的開車，減少了電耗、煤耗等各項(xiàng)消耗。

(3) 在升溫還原期間，可作為乙二醇裝置調(diào)節(jié)V(H2)/V(CO)的一種方式，豐富了調(diào)整V(H2)/V(CO)的手段，減少了因V(H2)/V(CO)氣量大而放火炬，造成損失。

(4) 充分利用廢舊管線，投資較少，效益可觀，一舉兩得。

5 成果實(shí)施后運(yùn)行效果及效益情況

成果實(shí)施后，2017年8月系統(tǒng)大修后開車期間，觸媒升溫還原順利、平穩(wěn)，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

中溫變換爐觸煤升溫還原共用時72 h，造氣系統(tǒng)最小供應(yīng)半水煤氣體積流量約9 000 m3/h，以半水煤氣單價0.327元/m3計(jì)算，可節(jié)約半水煤氣費(fèi)用211 896元。

該優(yōu)化方案消耗H2總量43 200 m3，按制造成本1.2元/m3計(jì)算，消耗H2費(fèi)用51 840元。綜合經(jīng)濟(jì)效益為160 056元。

6 結(jié)語

實(shí)踐表明，合成氨裝置凈化系統(tǒng)觸媒利用乙二醇裝置H2作為本系統(tǒng)升溫還原氣源，達(dá)到升溫還原目標(biāo)和效果，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和效益情況可觀，減少了無效氣體的大量放空，同時也為企業(yè)降本增效和此類觸媒升溫還原積累了較好的經(jīng)驗(yàn)。