浅谈Ф1500氨合成塔内件的改进及应用

高 霞 ，田 鹏

(河南煤业化工集团中新化工有限公司，河南新乡 453000)

浅谈Ф1500氨合成塔内件的改进及应用

高 霞 ，田 鹏

(河南煤业化工集团中新化工有限公司，河南新乡 453000)

对氨合成塔内件使用过程中存在的塔壁超温、同平面温差大、轴向温升低、3#冷激存在冷管效应等问题进行分析，针对生产中出现的情况提出改进措施并实施，同时采用新型的低温高效A301型催化剂及A110－2型氨催化剂，对催化剂快速彻底还原，解决了合成高压圈原有的问题，稳定了操作，提高了产量，同时降低了能耗，并对该塔型在今后的应用提出了建议。

合成塔内件;技术改造;催化剂还原;应用

1 前言

原公司改扩建工程氨合成塔原先采用Ф 1200mm卡萨利全径向内件，1999年元月投用以来，该设备暴露出了一些问题，造成合成系统压力高，放空量大，产量低，消耗高。经过我公司研究论证，决定对氨合成塔实施整体更新，首次采用Ф 1500mm GC型一轴三径氨合成塔内件，并于2001年10月实施改造。改造后取得了明显的效果，消耗大幅度下降，氨产量明显上升，氨净值在11% ～12%，最高日产高达402.6t。但随着生产能力的进一步提高，合成塔也逐渐暴露出一些问题，直接影响到系统的生产，制约着产量的进一步提高。为了节能降耗，找出问题所在，充分发挥装置能力，进一步提高产量，我公司决定对Ф 1500mm GC型氨合成塔内件进行改造更新，并于2005年8月对其改造。改造后日产氨平均达到425t(满负荷、不含两气回收)以上，吨氨电耗下降53～55kW·h，系统压力下降2～3MPa，增产节能效果显著，取得良好效益。

2 合成塔内部流程简介

从冷凝塔二次出口来的20%气体作为塔壁保护气由合成塔上部进入，顺合成塔高压外筒与内件环隙下行带走热量，至塔底出塔与冷凝塔二次出口来的气体汇合后成为主气，进入塔外换热器加热。加热后的气体由二进进入合成塔，在合成塔底部换热器管间与出塔气换热后，经提升管进入到中心管上行至触媒层零米，自上而下进入第一床轴向层，然后从第一径向层的中心分布管自里向外通过触媒层，再经外集气筒流出，进入第二径向层外环隙，从外向里径向流过触媒层，从内收集器集中，再向下流，进入第三径向层内分布器，自里向外通过触媒层，最后气体经下部换热器管内换热后，气体温度降至340℃左右出塔，进入中置锅炉回收热量。

合成塔副线，从塔顶部进入与主线气混合，调节第一床层入口温度;1#冷激、2#冷激、3#冷激的冷激气，从塔顶进入分别对第一、第二、第三径向层的触媒温度加以调节和控制。

3 合成塔运行情况及存在的问题

3.1 合成塔运行情况

2001年10月份Ф1500mm合成塔投用后，运行较平稳，调节手段丰富，系统压力控制在28～31MPa，较改造前下降1～2MPa。最高日产达402.6t，生产比以前稳定可靠。经测算，每年可增产合成氨7600多吨，增产节能，取得良好经济效益;但是该塔型是国昌公司首次设计制造，在国内合成氨企业的应用也是首例，在设计和制造上存在不少缺陷，致使在使用过程中出现了不少问题。

3.2 存在的问题

经过三年多的生产实践和操作，发现设计和制造上存在的问题如下:

3.2.1 第一轴向层问题

设计第一轴向层1270mm，催化剂装填6t。据观察，轴向层较短，造成气体在轴向层反应较少，轴向层温升较低，仅50～65℃，导致下层触媒反应量较多，温度过高。使合成塔温度控制较难，反应达不到最佳。

3.2.2 同平面温差大

轴向层直接冷激，小盖上的副线、冷激线、中心管填料漏气导致触媒第一层轴向段同平面温差大，零米同平面温差超过20℃，热点同平面温差50～60℃，严重影响了合成氨反应的进行，导致合成塔副线无法实现正常调节。另外二段床间菱形分布器分布不均匀，偏流比较严重，也影响温度控制。

3.2.3 塔壁温度较高

合成塔壁温度高，经常出现超温现象，被迫开大保护气量。这种状况不仅不利于合成塔高压外筒的安全运行，也不利于气量合理分配，更不利于热量回收。导致这种情况出现的根本原因在于合成塔高压外筒制造时上端环焊缝未铣光，致使高压外筒与内件之间环隙过小，造成塔壁过气量偏少，气体流速不均，甚至有的地方没有气量通过，带不走热量。也可能内件保温皮脱落，造成辐射严重，传热过快导致塔壁超温。

3.2.4 内件上下段焊接口精度要求高

内件上、下段现场塔口组对焊，要求内件总直线度≤5mm，总长度允许误差为 ±8mm，圆度为3mm。对接找正要求精度高，焊接技术难度大。稍有偏差，影响塔环隙气体分布。

3.2.5 3#冷激线位置设计存在的问题

3#冷激使用冷气(35℃左右)冷激，在调节使用时，冷激气由中心管外环隙从轴向层向下至第三段触媒层出口，直接影响第一、二段触媒层入口温度，还造成中心管周围触媒不能充分反应，反应不好，造成冷管效应。另外3﹟冷激与中心管迷宫密封连接漏气，导致1﹟冷激气直接进入第四段触媒层，3﹟冷激无法打开，影响温度控制。

4 技术改造及措施

对上述问题认真分析、讨论，特制定出相应的改进措施，然后在改造更新时进行重新设计改造。

4.1 对触媒层高度进行调整

通过进行热量衡算，增加第一段轴向层触媒层高度。将轴向层高度增高500mm，由原来的1650mm增高至2150mm;第四段触媒层高度相应减少500mm，保持内件总高不变。这样增大轴向温升，提高一段的合成率，在保持一段热点不变的情况下，降低入塔“零米”温度，有利于整塔温度的调节控制，尽可能加大循环量，提高产量。

4.2 副线增设气体分布器

为避免气体偏流，消除轴向层同平面温差，使副线的低温气体与主线气能够充分混合，并均匀地分布后进入到触媒层零米，特意在触媒筐顶部增设副线气体再分布器。同时采用新型密封材料，解决了冷激管、中心管、热偶管在小盖处连接法兰螺栓易断、易松动的问题，同时也避免了漏气和气体走短路的问题。

4.3 增大塔壁与内件之间的环隙

保温层固定应牢固，严防脱落，同时增大内件与高压外筒环隙。为了有效避免塔壁温度偏高，更好的回收热量，应采用隔热效果良好的新型保温材料。同时合成塔内件上段(即第一层、第二层触媒筐)，内件外筒和触媒筐直径相应各减少10mm，适当增大内件与高压外筒环隙，保证内件与高压外筒环隙单边＞10mm，解决高压外筒制造缺陷造成的内件与高压外筒塔口部位环隙小的问题。

4.4 改造3#冷激位置

现有3﹟冷激气管的引入位置由一段中部移至第三段中上部，并且与下部组合径向筐在出厂时即为一体，避免现场焊接，同时在调节第四段触媒层时更为直接、有效。这样就避免了3#冷激对一、二、三床触媒局部温度影响。同时解决3﹟冷激与中心管迷宫密封连接漏气，导致1﹟冷激气直接进入第四段触媒层，3﹟冷激无法打开，避免因开启3#冷激而导致整塔反应恶化的问题。

5 触媒装填与升温还原

本炉催化剂采用浙江上虞催化剂有限责任公司生产的低温高活性A301(属于亚铁系)和A110－2无定型强化磨角两种触媒，因为A301和A110－2两种催化剂的还原温度控制有所不同，因此采用分层还原、逐步推进、低温强化出水高效还原法。

5.1 触媒的装填

5.1.1 触媒装填

催化剂的装填和内件安装质量是影响催化剂还原质量和生产能力的重要因素之一。因此催化剂在装填时，应严格按照触媒装填规程操作，另还应注意A301型具有易还原、还原快的特点。本炉催化剂总装填量为47.0t，其中 A301触媒10.8t，A110－2触媒36.2t，大部分为 A110－2触媒，型号 2.2～3.3mm的小颗粒触媒，约占总量的75%。整个触媒筐共四层，分上下两段，一、二层为上段，三、四层及塔底部换热器为下段。

5.1.2 床层温度点分布

本塔共设21个测温点，3根热电偶套管，两根有8个热电偶，一根有5个热电偶。一段4个，二段5个，三段6个，四段6个，其中1、2点3、4点在同平面。

5.2 触媒的升温还原

我们根据A301和A110－2型触媒说明书要求，结合我公司实际情况制订了升温还原方案。

还原过程中注意事项如下:①升温过程中严禁超温。在实际还原操作过程中要严格按升温还原方案进行，并特别注意不能超温。②采用低温还原法。由于A301型催化剂具有低温出水较快、还原速度较快的特点，应采用抑制其还原速度的“低温还原法”。③采用阶梯式升温还原方式。为防止升温过快造成出水过猛，还原A301型催化剂采用“升温—恒温—升温……”阶梯式升温还原方式。强化低温出水，防止升温过快，造成催化剂晶粒增长过快，比表面积减小，活性降低。④采用低压还原。还原初期，压力要低(控制在6.0MPa)，有利于催化剂的还原。还原主期、后期，为弥补电炉不足，需提压利用反应热提高底部温度时，要特别注意平面温差。尽可能利用电炉的热量，最大可能不提压。⑤采用分层还原。因为A301和A110－2两种催化剂的还原温度控制有所不同，因此采用分层还原、逐步推进的方法。同时也避免下层催化剂被还原所产生的水蒸气反复氧化而降低活性。⑥还原要彻底。从升温期直接进入还原主期，A301出水主期为400～450℃，A110－2为430～485℃。但为了保证最底层触媒还原彻底，A301型触媒最终还原温度360℃，A110－2型触媒最终还原温度为500℃。⑦严格控制水汽浓度。在整个还原过程中，尽量增大空速，严格控制水汽浓度不超过3.0g/m3(标态)。

还原实施情况:本炉催化剂于2010年8月28日凌晨4:00开电炉升温，9月3日10:00，转入轻负荷生产，共历时约150h。其中因前系统及电系统故障因素影响15h，实际升温还原用时135h。最终触媒层温度均提到500℃，连续三个水汽浓度合格，累计出水量达到理论出水量的90%以上，整个还原过程均按低温、低压、低水汽浓度、高氢、高空速的原则，以水汽浓度作为操作的主要依据来进行，最后连续三个水汽浓度合格，还原结束，转为轻负荷生产。

6 改造后合成塔运行效果及存在问题

系统转入正常后，运行平稳，系统操作弹性大，手段多，合成塔阻力较低，压力下降。在生产满负荷循环量达到24×104Nm3/h时，合成塔压差≤0.4MPa，系统阻力≤1.6MPa，合成系统压力由31MPa降至28.5MPa左右，有效气体放空量由原来的2500Nm3/h降低到1000Nm3/h，循环CH4可控制在16% ～19%，吨氨电耗由原来的1000kW·h下降至944kW·h，吨氨节电56kW·h，合成氨产量明显提高，由原来的平均日产395.6t增长到425t以上，最高日产达到436.8t。整体节能效果明显，取得良好的经济效益。改造前后主要技术经济指标对比见表1。

表1 改造前后主要技术经济指标对比表

6.1 运行效果

①同等条件下产量增加。改造后生产强度提高、能力增大，氨产量明显提高，在同样的四机满负荷情况下，产量已达到日产430多吨。② 阻力减小，压力降低。从操作情况看合成塔阻力减小了，也大大降低了系统压力，系统压力由31MPa降低到28.5MPa，进一步降低了压缩机能耗，节能效果好。③触媒层温度分布更加合理，同平面温差减小。各床层温度控制正常，同平面温差小于10℃，整个合成塔能够维持自热平衡。一段温升在80℃以上，其他三段温升都比以前有不同程度的提高，并且同平面温差小＜10℃。④解决了难题。解决了合成塔

触媒层的偏流、副线冷气分布不均、3#冷激影响整个触媒层热量均衡以及塔壁超温等问题。⑤冷激线分布更加合理。改造后冷激线调节正常，易于操作控制。3#冷激管的位置改造，避免了一、二段催化剂的冷管效应。⑥操作弹性大。改造后操作弹性大，调节手段多，调节容易，由于设计一轴三径结构，可任意关闭一冷激实现一轴二径运行操作。

6.2 存在问题

①催化剂对H2/N2较为敏感。催化剂对H2/N2较为敏感，H2/N2的变化对合成反应影响较大，氢气过高过低对合成氨反应均为不利，因此要加强对H2的调节。②内件上下段焊接要求精度高。内件上、下段现场塔口组对焊，对接找正要求精度高，焊接技术难度大。稍有偏差，影响塔环隙气体分布，以后要加以改进。③冷凝温度偏高。由于生产能力的提高，合成氨蒸发、冰机配套系统能力较小，造成氨冷温度偏高，影响生产，以后要加以改造。④合成塔压差易波动。合成塔压差受气体分布及气体组分变化的影响，易出现波动，开停车操作中必须严格注意。⑤直接冷激影响平衡氨含量。目前合成塔各段的冷激气都是直接混合冷激，直接影响反应后的平衡氨含量，对整个合成塔热量的回收不利。可改为间接冷激，有利于回收热量。

7 结论

改造后的合成内件经过三年多的生产实践证明，改造是成功的，并且达到了改造的目的。系统工艺指标全部得到优化，冷激线分布合理，易于操作控制，操作弹性大，系统压力较低，合成氨产量明显提高，并解决了制约生产的薄弱环节，节能降耗效果显著，主要技术经济指标得到进一步优化，系统达到了高负荷经济生产，企业取得良好效益。以后我们还要在生产操作中逐步摸索，认真总结，把Ф1500mm内件的潜能发挥出来，争取更大的经济效益。

TQ053.5

B

1003－3467(2011)01－0050－03

2010－09－25

高 霞(1977－)，女，助理工程师，从事化工工艺管理工作，电话:15893886805。