KBR新型臥式氨合成塔內(nèi)件故障分析及改進(jìn)

晏永國(guó)

(云南天安化工有限公司，云南安寧 650300)

云南天安化工有限公司采用殼牌粉煤氣化工藝建設(shè)了一套50萬(wàn)t/a的合成氨裝置，于2008年6月投產(chǎn)。其中氨合成塔是美國(guó)KBR集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的新型臥式塔，由意大利百萊利(Belleli)公司制造。2015年4月20日，氣化裝置發(fā)生故障，系統(tǒng)負(fù)荷降到最低后恢復(fù)到滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，氨合成塔第二、三催化劑床層溫度未恢復(fù)到正常，系統(tǒng)壓力緩慢上漲到接近設(shè)計(jì)值(15.5 MPa)，操作彈性較小，前凈化系統(tǒng)稍有波動(dòng)就會(huì)造成系統(tǒng)超壓，被迫裝置降負(fù)荷運(yùn)行。分析出現(xiàn)的問(wèn)題，查清原因，并進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，消除故障和隱患，使設(shè)備運(yùn)行處于最佳狀態(tài)。

1 氨合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)

1.1 合成塔內(nèi)氣體流程

工藝氣經(jīng)合成氣壓縮機(jī)提壓后，進(jìn)入氨合成塔進(jìn)出口熱交換器，預(yù)熱后的氣體分為3路：第一路(主線)約占總流量的53%，通過(guò)外殼與內(nèi)件的環(huán)隙冷卻塔壁后進(jìn)入第一催化劑床層出口換熱器管程，與出第一催化劑床層反應(yīng)氣體進(jìn)行換熱后，再進(jìn)入第一催化劑床層；第二路約占總流量的27%，進(jìn)入第二催化劑床層出口換熱器管程，與出第二催化劑床層反應(yīng)氣體進(jìn)行換熱后，進(jìn)入第一催化劑床層；第三路約占總流量的20%，不進(jìn)行塔內(nèi)換熱器預(yù)熱，直接進(jìn)入第一催化劑床層入口，從而控制床層入口溫度。3路氣體匯合后進(jìn)入第一催化劑床層，反應(yīng)后經(jīng)第一催化劑床層出口換熱器冷卻，進(jìn)入第二催化劑床層；反應(yīng)后經(jīng)第二催化劑床層出口換熱器冷卻，進(jìn)入第三催化劑床層反應(yīng)；第三催化劑床層是一個(gè)串聯(lián)的兩床層催化劑3A和3B，反應(yīng)后的合成氣溫度達(dá)到442 ℃時(shí)離開(kāi)合成塔。

1.2 內(nèi)件結(jié)構(gòu)

氨合成塔是合成氨生產(chǎn)中的核心設(shè)備，而合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及氨合成工藝工況又影響到氨合成轉(zhuǎn)化率及合成氨產(chǎn)量。由KBR集團(tuán)公司設(shè)計(jì)的新型臥式塔(見(jiàn)圖1)，其主要部件包括承壓外殼、承壓封頭、可移動(dòng)觸媒筐、內(nèi)部合成氣管道及附件，塔體南、北方向各有1個(gè)半球封頭(直徑約為3.2 m，其北面封頭與承壓殼體焊接、南面封頭為螺栓連接)，便于觸媒框組件抽、裝工作。南、北半球封頭上各有1個(gè)檢修人孔，為八角墊密封，便于塔內(nèi)部檢查及維修作業(yè)。

圖1 氨合成塔結(jié)構(gòu)示意圖

可移動(dòng)觸媒框包括4個(gè)催化劑床層和2個(gè)床間換熱器。第一、二催化劑床層為各自獨(dú)立的兩個(gè)催化劑床層，第三催化劑床層為2個(gè)串聯(lián)的催化劑床層，每個(gè)催化劑床層用定型篩網(wǎng)支撐。在第一、二催化劑床間內(nèi)設(shè)有換熱器 122-C1(分布 1815 根 U 型換熱管)，在第二、三催化劑床層間設(shè)有換熱器 122-C2(分布有 1194 根 U 型換熱管)，用于加熱進(jìn)塔的氣體和冷卻出催化劑床層的氣體。殼體設(shè)有 25個(gè)金屬溫度元件，指示合成塔殼體、底部封頭和管口不同部位的表面溫度[1]。

由此可見(jiàn)，自早期的《少女和桃子》《陽(yáng)光下的少女》至晚期的《魯賓斯坦像》，謝洛夫在肖像畫(huà)領(lǐng)域進(jìn)行了執(zhí)著的探索，其風(fēng)格也在發(fā)生著不斷的演變。事實(shí)上，謝洛夫的創(chuàng)作題材廣泛。除了肖像畫(huà)之外，歷史畫(huà)、風(fēng)俗畫(huà)、風(fēng)景畫(huà)、插圖和舞臺(tái)布景裝飾畫(huà)等，無(wú)所不能。他的藝術(shù)面貌多樣，出入古今、折衷中外，融合傳統(tǒng)與新銳、抽象與寫(xiě)實(shí)、詩(shī)情與正義?？梢哉f(shuō)，在19—20世紀(jì)之交的俄國(guó)歷史與藝術(shù)發(fā)展背景下，謝洛夫是一個(gè)傲然獨(dú)立的人物。他為俄國(guó)藝術(shù)界培育了一大批各有特色的天才畫(huà)家，也是一位為他人鋪設(shè)藝術(shù)道路的領(lǐng)軍者。最重要的是，這位藝術(shù)家出色地完成了歷史所交付的任務(wù)，將俄國(guó)藝術(shù)領(lǐng)入了20世紀(jì)。

1.3 內(nèi)件優(yōu)點(diǎn)

氨合成塔優(yōu)化調(diào)整和深度還原后，從系統(tǒng)壓力、循環(huán)量、床層溫度看，效果不明顯。收集數(shù)據(jù)分析計(jì)算，根據(jù)氨合成塔氨凈值偏低、熱平衡差距較大、床層溫度異常等現(xiàn)象，判斷為內(nèi)件多點(diǎn)泄漏。公司決定，2016年裝置大修期間對(duì)氨合成塔進(jìn)行催化劑更換和內(nèi)件檢查修復(fù)。

2 存在的問(wèn)題

2015年6月25日，利用裝置搶修后開(kāi)車(chē)的時(shí)機(jī)，嚴(yán)格按照氨合成塔深度還原方案對(duì)氨合成塔觸媒進(jìn)行深度還原操作。

從工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)看，部分工藝氣未進(jìn)入第一催化劑床層反應(yīng)，直接走短路后進(jìn)入第二、三催化劑床層，造成第二、三催化劑床層入口溫度偏低，床層溫度反應(yīng)不佳，合成回路循環(huán)量高，合成氣壓縮機(jī)消耗增加，蒸汽耗量增加了7 t/h，氨凈值從17%下降到14%。導(dǎo)致操作彈性較小，前凈化系統(tǒng)稍有波動(dòng)就會(huì)造成系統(tǒng)超壓。

治療方法：①全池潑灑復(fù)合碘（2%有效碘，500mL可用2000m3）或50%三氯異氰脲酸粉1.0g/m3對(duì)水體和蛙體表進(jìn)行消毒，連用2天。②內(nèi)服10%氟苯尼考粉，一次量為每千克蛙體10～20mg，每天2～3次，連用3～5天。③在抗生素治療的同時(shí)，可在飼料中添加三黃散、板黃散等中草藥制劑，在治療結(jié)束后，繼續(xù)投喂3～4天。

3 原因分析

3.1 優(yōu)化調(diào)整

合成塔工況運(yùn)行不佳，操作維護(hù)難度大，聯(lián)系科萊恩華錦催化劑(盤(pán)錦)有限公司技術(shù)專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)診斷和優(yōu)化調(diào)整。

(1) 裝置滿負(fù)荷運(yùn)行，氨合成塔壓力已經(jīng)接近設(shè)計(jì)值，同之前的運(yùn)行狀況相比，第一催化劑床層觸媒低溫活性依舊良好，但是整體的轉(zhuǎn)化率下降，第二催化劑床層溫升較大，第三催化劑床層觸媒入口溫度偏低，催化劑整體的低溫活性沒(méi)有明顯變化。

(2) 專(zhuān)家認(rèn)為第一路觸媒的活性點(diǎn)減少與催化劑中毒有關(guān)，CO占據(jù)一定的活性位之后，觸媒活性點(diǎn)減少，相比較之下，第二路觸媒低溫活性良好但轉(zhuǎn)化率沒(méi)有降低。可通過(guò)深度還原來(lái)為CO解毒，每次需要在上一次解毒溫度的基礎(chǔ)上提高10 ℃。若中毒次數(shù)過(guò)多或解毒溫度提不到位，CO會(huì)永久占據(jù)活性點(diǎn)，影響催化劑轉(zhuǎn)化。

(3) 專(zhuān)家對(duì)氨合成塔運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行評(píng)估和交流后，認(rèn)為第二、第三催化劑床層溫度未達(dá)到最佳活性溫區(qū)。按照方案，對(duì)氨合成塔進(jìn)行3次優(yōu)化調(diào)整操作后，第一催化劑床層溫度在最佳活性溫區(qū)運(yùn)行，第二、三催化劑床層溫度調(diào)整前后系統(tǒng)循環(huán)量、壓力、床層溫度后，仍然不在最佳活性溫區(qū)。

象征期是指4、5歲的幼兒已有了最簡(jiǎn)單的構(gòu)思，能有意識(shí)地畫(huà)出某一物體，偶爾能畫(huà)出與物體相似的線條。如，繪本《點(diǎn)！點(diǎn)！點(diǎn)！》用生活中無(wú)處不在的點(diǎn)，帶著幼兒打開(kāi)觀察世界的眼睛，發(fā)現(xiàn)生活中奇妙的“點(diǎn)”，跟著這個(gè)有趣故事一起走進(jìn)“點(diǎn)”的奇妙世界。教師可以提供各種圓形的模具：大大小小的瓶蓋、臉盆、小碗……甚至幼兒的手指，拓印一個(gè)個(gè)大小不一的“點(diǎn)”，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行添畫(huà)。既能輔助幼兒還不純熟的繪畫(huà)技能，又能引導(dǎo)幼兒對(duì)不同的繪畫(huà)工具做出選擇。這樣的繪畫(huà)活動(dòng)，既符合幼兒的繪畫(huà)階段性特征，又富有生動(dòng)的游戲性。

3.2 深度還原

裝置投產(chǎn)不久，第三催化劑床層冷激氣量偏大，床層溫度未能達(dá)到最佳溫度。2015年4月20日，前煤氣化裝置故障，系統(tǒng)負(fù)荷降到40%狀況下運(yùn)行2 h后，恢復(fù)到滿負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)氨合成塔第二、三催化劑床層熱平衡差距較大，系統(tǒng)壓力持續(xù)緩慢上漲。經(jīng)過(guò)15d的運(yùn)行，系統(tǒng)壓力上漲到接近設(shè)計(jì)值。由于系統(tǒng)操作空間小，工況有所波動(dòng)，被迫打開(kāi)放空閥泄壓。

2016年6月利用裝置停車(chē)檢修的機(jī)會(huì)，將合成塔內(nèi)件抽出檢修，并把床層催化劑全部卸出進(jìn)行全面檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)件損壞情況與分析結(jié)果完全符合。北面催化劑床層冷激管道蝴蝶夾螺栓脫落松動(dòng)，第三催化劑床層冷激管道第一個(gè)金屬波紋管損壞通孔(見(jiàn)圖2)，部分工藝氣走短路進(jìn)入3B催化劑床層，導(dǎo)致床層入口溫度低；第三催化劑床層冷激管道第二個(gè)金屬波紋管開(kāi)裂，部分工藝氣走短路進(jìn)入3A催化劑床層，導(dǎo)致床層入口溫度偏低。

(2) 26日18:00:00，第二催化劑床層出口溫度提到470 ℃運(yùn)行，恒溫24 h，其間床層熱點(diǎn)溫度最高達(dá)到477.8 ℃。

取用水國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)建設(shè)包括地表水流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，管道流量自動(dòng)監(jiān)測(cè)站，地表水、地下水水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)站建設(shè)。項(xiàng)目確定的標(biāo)準(zhǔn)配置包括遙測(cè)終端機(jī)、傳感器、通信設(shè)備、供電設(shè)備、避雷設(shè)備和安裝輔材等。所配備的設(shè)備應(yīng)該是市場(chǎng)上成熟可靠的產(chǎn)品，用于水資源監(jiān)測(cè)的設(shè)備應(yīng)該具有國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督局頒發(fā)的產(chǎn)品生產(chǎn)許可證和指定認(rèn)證機(jī)構(gòu)頒發(fā)的使用許可證，計(jì)量設(shè)備還應(yīng)該通過(guò)計(jì)量認(rèn)證。

(4) 根據(jù)各床層溫度參數(shù)，氨合成塔催化劑已達(dá)到深度還原方案要求，開(kāi)工加熱爐停運(yùn)，恢復(fù)正常工況運(yùn)行。第三催化劑床層溫度迅速下降，系統(tǒng)壓力迅速上升。之后多次出現(xiàn)同類(lèi)現(xiàn)象。

(3) 27日18:00:00，第三催化劑床層出口溫度提到444 ℃運(yùn)行，恒溫48 h，其間床層熱點(diǎn)溫度最高達(dá)到451.6 ℃。

3.3 小結(jié)

KBR新型臥式氨合成塔具有塔阻力小、NH3轉(zhuǎn)化率高、方便檢修和催化劑裝卸等[2]優(yōu)點(diǎn)。

4 處理措施

4.1 內(nèi)件損壞情況

(1) 25日18:00:00，第一催化劑床層出口溫度提到500 ℃運(yùn)行，恒溫24 h，其間床層熱點(diǎn)溫度最高達(dá)到508.5 ℃。

甲洛洛靠近丁主任，晃了晃手里的斧頭：別藏了，我都看見(jiàn)你們了，你們還是自己承認(rèn)吧。丁主任一骨碌爬到甲洛洛腳邊：張大爺，你放過(guò)我們吧，求求你放過(guò)我們吧。在丁主任身后，那個(gè)瘦瘦小小的身影正忙亂地整理著敞開(kāi)的衣裳。

圖2 金屬波紋管損壞圖

4.2 改進(jìn)措施

通過(guò)外觀檢測(cè)和分析確認(rèn)，金屬波紋管安裝不當(dāng)導(dǎo)致裝備應(yīng)力過(guò)大，運(yùn)行期間也產(chǎn)生部分工作應(yīng)力，隨著波紋管運(yùn)行周期增長(zhǎng)，補(bǔ)償器補(bǔ)償量不足，造成波紋管產(chǎn)生裂紋。本次檢修嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)圖紙要求施工，并嚴(yán)格控制工程質(zhì)量檢測(cè)程序，確保工程質(zhì)量(見(jiàn)圖3)。安裝前清除波紋管及管道異物，保證波紋管正常運(yùn)動(dòng)，并按箭頭流向的要求進(jìn)行安裝，為了使波紋管處于良好的工作狀態(tài)，在波紋管支撐點(diǎn)位增加滑輪組，降低工作引力，并調(diào)整管系位置安裝誤差[3]。

圖3 金屬波紋管更換改造圖

4.3 催化劑更換

氨合成塔催化劑使用已到中末期，為滿足今后生產(chǎn)需要，利用本次合成塔內(nèi)件檢修修復(fù)，整體更換成氨合成催化劑。經(jīng)考察、比較后，繼續(xù)選用科萊恩華錦催化劑(盤(pán)錦)有限公司的Amomax-10氧化型、Amomax-10RS預(yù)還原型氨合成催化劑。催化劑實(shí)際裝填情況見(jiàn)表1，總計(jì)裝填催化劑質(zhì)量為 235 t[4]。

健全食品檢驗(yàn)檢測(cè)的準(zhǔn)入機(jī)制。從現(xiàn)實(shí)的角度分析，食品準(zhǔn)入管理機(jī)制是食品入市的最后一道關(guān)卡，該項(xiàng)機(jī)制的完善與否，在一定程度上直接決定著食品檢驗(yàn)檢測(cè)的成效，因此，相關(guān)的食品檢驗(yàn)檢測(cè)管理部門(mén)必須要與法律部門(mén)合作，制定出一套完善的食品檢驗(yàn)檢測(cè)準(zhǔn)入標(biāo)準(zhǔn)，約束不法入市行為。與此同時(shí)，相關(guān)的管理部門(mén)還要調(diào)節(jié)產(chǎn)品流入的進(jìn)程，加強(qiáng)市場(chǎng)流入的約束力，只有這樣才可以提高食品安全檢查機(jī)構(gòu)的綜合能力，從源頭確保食品安全，讓人人放心，安心購(gòu)買(mǎi)食品[2]。

表1 氨合成塔催化劑裝填數(shù)據(jù)

5 運(yùn)行效果

修復(fù)前系統(tǒng)壓力高達(dá)15.3 MPa，接近設(shè)計(jì)操作壓力(15.5 MPa)，系統(tǒng)操作空間較小，稍有波動(dòng)易造成超壓，只能打開(kāi)放空閥降壓。而此次內(nèi)件修復(fù)后壓力約為13.3 MPa，為合成氨裝置高負(fù)荷安全穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好條件。在合成氣壓縮機(jī)蒸汽消耗方面，相同新鮮氣下約為70 t/h，內(nèi)件修復(fù)前合成氣壓縮機(jī)蒸汽消耗約為76 t/h，內(nèi)件修復(fù)后蒸汽消耗約為71 t/h，約節(jié)約蒸汽為5 t/h(見(jiàn)表2)?？傊?，本次氨合成塔內(nèi)件修復(fù)后，從系統(tǒng)壓力、循環(huán)量、氨凈值、合成氣壓縮機(jī)蒸汽消耗方面均好于修復(fù)前工況。

表2 氨合成主要運(yùn)行參數(shù)

6 結(jié)語(yǔ)

實(shí)踐證明，對(duì)氨合成塔投運(yùn)后出現(xiàn)的金屬波紋管裂紋和蝴蝶夾螺栓脫落的原因分析是正確的，針對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，使合成塔達(dá)到了良好運(yùn)行狀態(tài)，證明內(nèi)件修復(fù)改進(jìn)是成功的。

正常生產(chǎn)中只有嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程和工藝指標(biāo)，并定期檢測(cè)與維護(hù)合成塔內(nèi)件，才能確保氨合成塔的長(zhǎng)周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。