合成氨裝置工藝?yán)淠浩崴几姆桨秆芯颗c實(shí)施

張 林

（中海石油化學(xué)股份有限公司，海南 東方 572600）

0 引 言

海洋石油富島有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)富島公司）是中海石油化學(xué)股份有限公司最大的生產(chǎn)基地，富島公司化肥二部氣頭合成氨裝置采用KBR合成氨工藝，以南海海底天然氣為原料，設(shè)計(jì)產(chǎn)能為450kt/a。本合成氨裝置生產(chǎn)中產(chǎn)生的工藝?yán)淠盒柙谄崴?30-D）中與中壓蒸汽逆流接觸而被汽提，以將工藝?yán)淠褐械腘H3、甲醇和甲醛等雜質(zhì)除去，使工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率達(dá)到設(shè)計(jì)值（設(shè)計(jì)出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率＜30μS/cm），汽提合格后的工藝?yán)淠夯厥罩凉霉こ滔到y(tǒng)（脫鹽水系統(tǒng)）循環(huán)利用。

實(shí)際生產(chǎn)中，2015年開(kāi)始合成氨裝置出現(xiàn)低變催化劑更換后運(yùn)行初期工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率嚴(yán)重超標(biāo)而無(wú)法回收的問(wèn)題，2020年開(kāi)始又出現(xiàn)長(zhǎng)周期運(yùn)行工況下工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率逐漸超標(biāo)而無(wú)法回收的問(wèn)題。富島公司化肥二部通過(guò)對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)的收集及計(jì)算，認(rèn)為原因在于汽提塔汽提能力不足和長(zhǎng)周期運(yùn)行后汽提塔汽提效率下降，通過(guò)研究并實(shí)施相應(yīng)的技術(shù)改造后，汽提塔的汽提能力滿足了生產(chǎn)所需，實(shí)現(xiàn)了工藝?yán)淠旱挠行Щ厥绽?。以下?duì)有關(guān)情況作一總結(jié)。

1 汽提塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)介

汽提塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。工藝?yán)淠海ㄔO(shè)計(jì)流量66899kg/h，溫度約70℃）經(jīng)汽提塔（130-D）進(jìn)出口換熱器（188-C1/C2/C3）管側(cè)預(yù)熱至234℃（188-C1/C2/C3管側(cè)的流量由FI-1063測(cè)量并指示），然后經(jīng)分布器進(jìn)入130-D頂部。用于汽提的4.6MPa中壓蒸汽從130-D底部進(jìn)入，中壓蒸汽設(shè)計(jì)流量為20063 kg/h（中壓蒸汽流量由FV-1019控制），在與工藝?yán)淠耗媪鹘佑|的過(guò)程中將冷凝液中的NH3、甲醇和甲醛等汽提出來(lái)。汽提塔頂部設(shè)置有1個(gè)除霧器，除去液滴后的汽提氣去往一段爐原料氣系統(tǒng)；汽提后的工藝?yán)淠毫髁繛?5248kg/h、溫度為260℃，其電導(dǎo)率由在線電導(dǎo)分析儀（AI-1017）測(cè)量，離開(kāi)汽提塔后的工藝?yán)淠毫鹘?jīng)188-C1/C2/C3殼側(cè)被冷卻至81℃，之后在循環(huán)水冷卻器（174-C1/C2）中進(jìn)一步降溫至46℃，最終工藝?yán)淠毫髁拷?jīng)FI-1064指示后送往公用工程系統(tǒng)。

圖1 汽提塔系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

汽提塔（130-D）有上下2個(gè)床層，每層上面都有1個(gè)液體分布板；每一層均由1層不銹鋼環(huán)安裝在1個(gè)底部不銹鋼氣體分布板上組成，不銹鋼環(huán)由不銹鋼壓板將其固定在固定格柵上。130-D底部液體出口處安裝有1個(gè)破渦流裝置，130-D液位由塔底部的調(diào)節(jié)閥（LV-1025）來(lái)控制，LV-1025控制流經(jīng)188-C1/C2/C3后又經(jīng)由水冷器（174-C1/C2）殼側(cè)流出的汽提后工藝?yán)淠旱牧髁俊?/p>

2 汽提塔系統(tǒng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

2.1 低變催化劑更換后運(yùn)行初期工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率嚴(yán)重超標(biāo)

2015年以前，合成氨裝置更換低變催化劑后，也會(huì)出現(xiàn)汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率偏高的現(xiàn)象，但工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率尚能控制在指標(biāo)范圍以?xún)?nèi)；但2015年4月26日、2017年9月30日、2019年5月2日合成氨裝置3次更換低變催化劑后，裝置開(kāi)車(chē)正常運(yùn)行初期汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率均超設(shè)計(jì)值，多次達(dá)到甚至超過(guò)50μS/cm，3次更換低變催化劑后短時(shí)間內(nèi)汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率均有1個(gè)峰值出現(xiàn)，導(dǎo)致公用工程系統(tǒng)無(wú)法回收工藝?yán)淠海荒懿扇【偷嘏欧胖廖鬯幚硐到y(tǒng)的方式處理，且不合格工藝?yán)淠壕偷嘏胖廖鬯幚硐到y(tǒng)的排放時(shí)間逐年增加——2015年排放3d、2017年排放5d、2019年排放高達(dá)20d。

2.2 合成氨裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行工況下工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率逐漸超標(biāo)

合成氨裝置在經(jīng)過(guò)了450多天的長(zhǎng)周期運(yùn)行后，2020年7月下旬開(kāi)始，正常生產(chǎn)過(guò)程中汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率持續(xù)升高，2020年7月23日汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率約24μS/cm，2020年8月1日汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率已達(dá)29μS/cm；汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率從2020年8月初開(kāi)始超過(guò)設(shè)計(jì)值，2020年8月3—15日大致在30～37μS/cm，導(dǎo)致工藝?yán)淠簾o(wú)法正常回收。

3 原因分析

3.1 低變催化劑更換后運(yùn)行初期副產(chǎn)物增多

甲醇、甲醛等副產(chǎn)物主要來(lái)源于低變系統(tǒng)，本套合成氨裝置設(shè)計(jì)低變工藝?yán)淠褐屑状?、高?jí)醇類(lèi)物、甲醛含量合計(jì)約（0.30±0.05）%。2015年以后，考慮低變催化劑的使用壽命，變換系統(tǒng)低變爐選用了節(jié)能型催化劑，該催化劑的特點(diǎn)是物理水含量少、易還原、低溫活性時(shí)間長(zhǎng)、反應(yīng)活性強(qiáng)。因新催化劑含有一定量的粉塵以及反應(yīng)活性較強(qiáng)，短時(shí)間內(nèi)低變反應(yīng)后工藝氣中的甲醇、甲醛含量會(huì)大幅增加，這些副產(chǎn)物溶解于工藝?yán)淠褐泻?，將?huì)大幅提高工藝?yán)淠旱拇既╊?lèi)組分含量，手動(dòng)分析結(jié)果表現(xiàn)為低變工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率大幅升高；在入口工藝?yán)淠毫髁坎蛔兊那闆r下，汽提塔入口工藝?yán)淠褐写既╊?lèi)組分的大幅升高意味著變相增加了汽提塔的負(fù)荷，當(dāng)超過(guò)汽提塔處理能力時(shí)，未能汽提出的甲醛、甲醇等殘留物就會(huì)引起出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率超標(biāo)。

富島公司化肥二部合成氨裝置最近兩次低變催化劑更換分別在2017年9月30日和2019年5月2日，2017年低變催化劑更換時(shí)裝填量為72m3，2019年低變催化劑更換時(shí)裝填量為74m3，收集這兩次低變催化劑更換后不同運(yùn)行階段汽提塔入口工藝?yán)淠悍治鰯?shù)據(jù)，具體見(jiàn)表1。

表1 低變催化劑更換后汽提塔入口工藝?yán)淠悍治鰯?shù)據(jù)

由表1可以看出：2017年與2019年低變催化劑更換后，運(yùn)行初期汽提塔入口工藝?yán)淠褐写既┪锖孔罡叻謩e為0.47%和0.61%，相較于低變催化劑更換后運(yùn)行穩(wěn)定期的醇醛物含量明顯偏高，在低變催化劑更換后短時(shí)間內(nèi)工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率出現(xiàn)了一個(gè)峰值；2019年低變催化劑更換時(shí)，低變催化劑裝填量從72m3增至74m3，汽提塔運(yùn)行初期工藝?yán)淠褐械募兹⒓状己慷加幸欢ǖ脑龇兹┖吭黾樱?.29% -0.22%）÷0.22% ×100% =31.82%、甲醇含量增加（0.32%-0.25%）÷0.25%×100%=28%，粗略估算醇醛物含量合計(jì)增加（0.32% +0.29%-0.25% -0.22%）÷（0.25% +0.22%）×100%=29.79%。

3.2 填料等結(jié)垢導(dǎo)致汽提塔汽提效率下降

2020年12月檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)汽提塔內(nèi)部較臟，整個(gè)塔壁、填料表面、氣液分布器表面均附著一層質(zhì)地堅(jiān)硬的垢層。分析認(rèn)為，合成氨裝置在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)周期運(yùn)行后，汽提塔內(nèi)雜質(zhì)積累，在高溫工況下塔內(nèi)填料表面及氣液分布器表面會(huì)附著一層垢層，影響汽提塔的傳質(zhì)效率，氣液分布器上的下液孔受垢層影響孔隙率整體下降，氣液接觸不充分，汽提塔汽提效率下降，工藝?yán)淠褐械募状?、甲醛等雜質(zhì)汽提不徹底，最終引起出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率升高。

4 技術(shù)改造方案研究

經(jīng)上述綜合分析，低變催化劑更換后運(yùn)行初期和長(zhǎng)周期運(yùn)行工況下汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率超標(biāo)，應(yīng)是汽提塔能力不足和汽提塔汽提效率下降所致，故解決問(wèn)題的重點(diǎn)是通過(guò)技術(shù)改造提升汽提塔的處理能力。

4.1 確定改造方向

富島公司化肥二部合成氨裝置汽提塔（130-D）為填料塔，有上、下2個(gè)床層，2層均散堆DN38不銹鋼階梯環(huán)填料，每層填料高度4.5m，共裝填散堆填料13.86m3。

在各類(lèi)散堆填料中，階梯環(huán)在同尺寸填料中比表面積是比較大的，若采用其他型號(hào)的同尺寸填料，很難提高傳質(zhì)效率，但若采用同型號(hào)小尺寸的填料則可大幅提高填料的比表面積——DN38不銹鋼階梯環(huán)的比表面積為153m2/m3、DN25不銹鋼階梯環(huán)的比表面積為221m2/m3，DN25不銹鋼階梯環(huán)比表面積較DN38不銹鋼階梯環(huán)高出44%。經(jīng)充分研討，改造方向定為通過(guò)更換一定量的高比表面積散堆填料增大汽提塔的傳質(zhì)面積，以提升汽提塔的處理能力。

4.2 汽提塔處理能力超負(fù)荷測(cè)算

合成氨裝置工藝?yán)淠航?jīng)汽提后，應(yīng)該只有痕量的甲醇、甲醛等留存于冷凝液中，人工分析結(jié)果應(yīng)呈現(xiàn)未檢出狀態(tài)，若經(jīng)汽提后的工藝?yán)淠褐屑兹?、甲醇含量明顯升高，則表明汽提塔處于超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)。

2019年5月2日低變催化劑更換后，運(yùn)行初期汽提塔進(jìn)出口工藝?yán)淠悍治鰯?shù)據(jù)見(jiàn)表2?？梢钥闯觯哼\(yùn)行初期汽提塔入口工藝?yán)淠褐械募兹?、甲醇含量增幅較大，超出汽提塔的處理能力，人工分析結(jié)果顯示汽提后的工藝?yán)淠褐袣埩艏状?、甲醛，由此引起汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率超標(biāo)。

表2 低變催化劑更換后運(yùn)行初期汽提塔進(jìn)出口工藝?yán)淠悍治鰯?shù)據(jù)%

據(jù)汽提塔出口工藝?yán)淠褐袣埩艏状?、甲醛的含量，可粗略測(cè)算得出低變催化劑更換后運(yùn)行初期汽提塔超負(fù)荷的比例：汽提塔出口工藝?yán)淠褐袣埩艏兹┑恼急葹?.040% ÷0.29% ×100%=13.79%、殘留甲醇的占比為0.005% ÷0.32%×100% =1.56%，汽提塔處理能力超負(fù)荷的比例為（0.040% +0.005%）÷（0.29% +0.32%）=7.38%。

4.3 需更換填料量的測(cè)算

汽提塔（130-D）為填料塔，共2層填料，每層裝有6.93m3的DN38散堆不銹鋼階梯環(huán)，DN38不銹鋼階梯環(huán)的比表面積為153m2/m3、孔隙率為0.959m3/m3、設(shè)計(jì)傳質(zhì)面積為6.93×2×153=2120.58m2。由上文可知，2019年5月低變催化劑更換后運(yùn)行初期汽提塔處理能力超負(fù)荷比例為7.38%，即要增大汽提塔的處理能力，技改后130-D內(nèi)填料的傳質(zhì)面積至少需增大7.38%；為避免因長(zhǎng)周期運(yùn)行填料表面結(jié)垢引起汽提塔汽提效率下降，傳質(zhì)面積增量保有20%的余量，即7.38% ×120% =8.86%，即技改后130-D內(nèi)填料的傳質(zhì)面積應(yīng)增至2120.58×（1+8.86%）=2308.46m2。

在汽提塔（130-D）內(nèi)填料總裝填體積無(wú)法改變的情況下，要增大130-D內(nèi)填料的傳質(zhì)面積，可以更換一部分為直徑更?。―N25）的散堆不銹鋼階梯環(huán)。DN25散堆不銹鋼階梯環(huán)的比表面積為221m2/m3、孔隙率為0.951m3/m3，計(jì)算得需更換的填料體積為（2308.46-2120.58）÷（221-153）=2.8m3。

5 技改實(shí)施及效果

2021年2月16日富島公司利用合成氨裝置停車(chē)檢修機(jī)會(huì)實(shí)施了本項(xiàng)技改，汽提塔（130-D）裝填了2.8m3的DN25散堆不銹鋼階梯環(huán)，填料比表面積增加2.8×（221-153）=190.4 m2，130-D內(nèi)填料傳質(zhì)面積增大190.4÷2120.58×100%=8.98%。

技改后，對(duì)汽提塔（130-D）出口工藝?yán)淠旱碾妼?dǎo)率數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并與技改前進(jìn)行對(duì)比，具體見(jiàn)表3。

表3 技改前后汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率的對(duì)比μS/cm

由表3可以看出：技改后，130-D出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率平均值由改造前的40.99μS/cm降至24.49μS/cm，滿足汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率＜30μS/cm的設(shè)計(jì)要求；同時(shí)，2021年2月低變催化劑更換后運(yùn)行初期，130-D開(kāi)車(chē)正常后當(dāng)天出口工藝?yán)淠褐笜?biāo)即合格，直接回收至了脫鹽水系統(tǒng)?？梢?jiàn)，通過(guò)對(duì)130-D內(nèi)填料的升級(jí)改造，130-D的汽提效率大幅提高，其處理能力完全能滿足高負(fù)荷運(yùn)行的要求，徹底解決了低變催化劑更換后運(yùn)行初期汽提塔汽提能力不足、長(zhǎng)周期運(yùn)行填料結(jié)垢汽提塔汽提效率下降兩大問(wèn)題，汽提塔系統(tǒng)的工藝運(yùn)行參數(shù)得到優(yōu)化，合成氨裝置的操作彈性有效提升，實(shí)現(xiàn)了裝置的節(jié)能減排，達(dá)到了技改的預(yù)期目的。

6 效益分析

6.1 直接經(jīng)濟(jì)效益

（1）汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率高于30 μS/cm就不能外送至公用工程系統(tǒng)回收，只能就地排放，以2019年低變催化劑更換后汽提塔出口冷凝液電導(dǎo)率高共排放20d、排放量65t/h、工藝?yán)淠簝r(jià)值5.75元/t計(jì)，技改后避免就地排放工藝?yán)淠寒a(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為65×24×20×5.75÷10000=17.94萬(wàn)元。

（2）當(dāng)汽提塔出口工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率不合格時(shí)，需就地排放至污水處理系統(tǒng)，達(dá)到環(huán)保要求才能進(jìn)一步排放。以2019年低變催化劑更換后汽提塔出口冷凝液電導(dǎo)率高共排放20d、排放量為65t/h、目前富島公司化肥二部合成氨裝置區(qū)污水處理成本為10.22元/t計(jì)，因工藝?yán)淠弘妼?dǎo)率不合格而排至污水處理系統(tǒng)產(chǎn)生的處理費(fèi)用約65×24×20×10.22÷10000=31.89萬(wàn)元。

綜上，以2019年低變催化劑更換后汽提塔出口冷凝液排放情況作為考評(píng)對(duì)象，汽提塔填料升級(jí)改造產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益（即低變催化劑更換1次產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益）為17.94+31.89=49.83萬(wàn)元。

6.2 間接效益

汽提塔填料升級(jí)改造后，汽提塔出口工藝?yán)淠簩?shí)現(xiàn)全部回收至公用工程系統(tǒng)，減少了廢水的排放，降低了污水處理系統(tǒng)的負(fù)荷，可避免環(huán)保事故的發(fā)生；同時(shí)，合成氨裝置操作彈性得到提升，有利于裝置的節(jié)能減排增效及長(zhǎng)周期運(yùn)行。

7 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，富島公司化肥二部針對(duì)其合成氨裝置低變催化劑更換后運(yùn)行初期汽提塔汽提能力不足、長(zhǎng)周期運(yùn)行填料結(jié)垢汽提塔汽提效率下降兩大問(wèn)題，通過(guò)生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的收集、計(jì)算與研究，采取部分更換為高比表面積散堆填料的技改措施，增大了汽提塔填料的傳質(zhì)面積，使汽提塔的汽提效率得到大幅提升，汽提塔的汽提能力滿足了生產(chǎn)所需，實(shí)現(xiàn)了工藝?yán)淠旱挠行Щ厥绽?，助推了合成氨裝置的節(jié)能減排增效。