氨合成双塔串并联工艺技术发展和应用

龚传艮

(南京国昌化工科技有限公司，江苏南京 210061)

1 概述

合成氨生产是一种高能耗工业，投资较大。多年来，人们致力于开发节能的合成氨新工艺，国外著名的化工工程公司开发的ICI-AMV工艺、布朗(C.F.Braun)工艺等，均是节能型合成氨工艺，其吨氨综合能耗为6.9×106kJ，仅为我国20世纪70年代引进的Kellogg工艺的71.88%。

我国有近200家中、小型合成氨厂，随着企业自身的发展和应用技术的进步，大多数企业的综合能耗已有较大幅度的下降，但与国外先进水平相比，仍存在不小的差距。

我国国民经济的发展表明，化肥在农业生产中的作用越来越重要，需求量也逐渐增加，很多化肥企业正在扩大或准备扩大生产能力，以满足市场需求和提高企业的市场竞争力。但如果仍以高能耗的旧工艺进行扩能改造，显然不符合国家提出的降低能耗、提高产能比的国策要求。因此，研发节能型的氨合成工艺作为扩大生产能力的技术基础，是一件十分重要且有社会意义的工作。

南京国昌化工科技有限公司(简称国昌化工)一直致力于节能型氨合成反应器及氨合成工艺的研发，2006年在山东瑞星首次成功运行氨合成节能全径向串塔新工艺;为了满足多种工况，在河北东光化工有限公司(简称河北东光)采用了2台合成塔既可串可并又可串并联同时使用的工艺技术，也得到成功的运行。

2 氨合成扩能途径

扩大合成氨生产能力有多种方法，主要有以下几种。

(1) 建设新的大型合成氨装置

建设新的大规模合成氨装置，就是放弃原有的高能耗、低产能的氨合成系统，重新设计、建设一套新装置。这种弃旧建新的方法，目前有不少企业正在采用，但其投资费用高、建设周期长。以河北东光为例，从日产氨量700t扩大到800t，并降低压力到约22MPa运行，仅氨合成系统就必须新建一个大约直径(Φ)为2 200mm的大型合成塔及配套的氨冷器、冷交换器、水冷器、氨分离器、热交换器等整套装置，连同占地的征用和土建等，总投资至少约5 000万元。

(2) 并联建设一套小装置

保留原有的装置，并联建设一套新的补充装置，使产量达到要求。建设一套较小规模的氨合成装置，以上例进行分析，要日产氨量增加100～200t，预计需增加一个Φ1 000mm的氨合成塔及其配套的动、静设备，占地面积也较大，预估总投资约1 700万元以上，而且能耗仍然较高。

(3)采用串并塔工艺

保留原合成系统，在已有的Φ2 000mm氨合成塔后串并联一个新的Φ2 000mm合成塔，形成“双塔串并联”工艺，采用提高循环量、降低运行压力、增加氨净值的方法来达到提高产量并节能的目的。这一工艺方法，仅需要在原有合成氨系统中，增加一个精心设计的合成塔，在串并联的工艺上进行特殊的设计，以方便操作，其他设备均利用原有合成塔系统的设备，因而具有投资省、建设周期短、见效快、占地少等特点。

国昌化工采用上述工艺对河北东光原有的Φ2 000mm氨合成系统进行改造，达到了扩产、节能的目的。整个投资费用约为1 400万元，分别为前两种方案费用的28%和82%。

3 串并联工艺

3.1 工艺流程

串并联工艺流程见图1。其中虚线为需要增加的管线。

图1 串并联工艺流程简图

改造后整个系统中需要增加10个阀门V1～V10，2个8字盲板。

(1)串联合成塔部分流程简述

循环机油分(S1001)出口管线分三路，分别进入1#合成塔环隙冷却塔壁、2#合成塔环隙冷却塔壁(新增PG1101)、塔前换热器与出塔气换热。塔前换热器中冷气换热后先进入1#合成塔反应(出塔温度约300 ℃)，然后进入2#合成塔继续反应(出塔温度约350 ℃)，再进入废锅副产蒸汽。

串联流程阀门的控制：阀门V1～V3、V5打开，V4、V6～V10关闭，盲板1关闭，盲板2打开。

(2)并联合成塔部分流程简述

循环机油分(S1001)出口管线分三路，分别进入1#合成塔环隙冷却塔壁、2#合成塔环隙冷却塔壁(新增PG1101)、塔前换热器与出塔气换热。塔前换热器冷气出口分两路，一路进入1#合成塔反应，一路进入2#合成塔反应，1#、2#合成塔反应后同时进入废锅副产蒸汽。

并联流程阀门的控制：阀门V5关闭，V1～V4、V6～V12打开，盲板1、2都打开。

并联运行时，2台合成塔可以按相同工况运行，2#合成塔采用4段床层结构形式，V7～V10为2#合成塔冷激气阀调节催化剂各床层温度。V3和V4分别调节1#、2#合成塔二次入塔气量。两个合成塔进出都设置有阀门或者盲板，以实现对两个合成塔生产气量的控制，另外可以做到只运行任意一台合成塔。改造后调节比较灵活。

3.2 关键技术

在氨合成装置中，氨合成塔是整个装置的核心，当操作条件基本确定后，氨的净值和产量与氨合成塔的结构、所装填的催化剂量及其性能有密切的关系。

3.2.1 需解决的关键技术问题

(1)2个反应器气量的分配

图1所示为2塔串联流程、并联流程及其阀门的控制。在2塔切换并串联的情况下，采用阀门控制可以很好地分配气量。

(2)阻力

由于新增一个氨合成塔，当2台塔串联时，系统的阻力必然增大；如果阻力增长过大，受循环机原有能力的限制会影响循环气量的增加，进而影响扩能改造效果。因此优化设计、控制系统阻力的增长，尽可能降低合成塔的阻力是串塔工艺的关键。这与合成塔内件的选型有直接关系，一般轴向结构合成塔的阻力为0.5～0.8MPa，串联运行时，2#合成塔的冷激气适当关闭，主要利用径向层，减少合成塔阻力，串联运行提高氨净值，循环气量减少，其他设备阻力也相应减少；当2台合成塔并联时，其气量平均分配，单台塔的催化剂量相对较大，氨净值会增大，气量比较小，合成塔阻力明显减小，系统阻力也相应减小。

(3) 多种工况下的操作

实现串并塔后，由于两个氨合成塔的操作条件不同，催化剂的使用周期也不相同，可能存在一个氨合成塔的催化剂的活性已衰退，必须进行更换，而另一个氨合成塔的催化剂性能仍然十分良好，当更换催化剂的氨合成塔进行还原时，将会对另一个合成塔的催化剂产生不良的影响，C.F.Braun流程的某厂，曾因第一个合成塔(R5)更换催化剂，还原后的水汽带入后面两个合成塔(R6、R7)，连续影响三个月的生产。因而确保不同工况下，系统均能正常操作是串塔工艺的一个关键问题。

由于改造流程布置是在原有的合成塔框架和新建一个2#合成塔框架之间，合成塔出口工艺管线均为高温管线，且都为双管线，必须要满足为解决多种工况下的操作问题、热量平衡及分配问题。

3.2.2 工艺设计对策

解决上述技术问题主要从氨合成塔内件的结构、催化剂的选择和工艺流程的特殊设计方面来优化考虑。根据河北东光提供的原1#合成塔有关运行数据，计算出2#合成塔的设计条件见表1。

表1 改造1#、2#合成塔设计条件

(1)优化催化剂选型

增加催化剂量可以进一步深化合成反应。若要氨净值提高3%～4%，催化剂的选择是一个重要因素。不同的催化剂具有不同的性能，其动力学数据对催化反应具有很大的影响,特别是催化剂的频率因子和活化能，对催化剂的使用温度和反应的进行均有重要的影响。国昌化工以在国内外具有权威性的“REACTOR”氨合成反应器计算程序为蓝本，结合我国不同催化剂的动力学反应方程式，根据国昌化工长期的经验，对催化剂的类型进行选择，优选出最适合的催化剂型号，并计算得出塔内反应所需催化剂数量。

经过仔细研究和反复计算，选用小颗粒预还原催化剂GA206-H铁钴双活型氨合成催化剂，其还原速度是A110-1型催化剂的1.6倍，活性比A110-1型催化剂的高，而且使用预还原型催化剂还能保证整体的还原质量，从而保证2#合成塔最佳的氨合成反应条件。

(2) 2#合成塔内件特殊设计

选用国昌化工的Φ2 000 mmGC-R212YZB型氨合成塔内件，和原1#合成塔结构形式一样，可以满足1#合成塔检修，2#合成塔单独运行的工况，由轴径向催化剂筐、一个层间换热器和一个下部换热器构成，催化剂筐分成四段，层间和下部换热器是列管式的。选用分两段轴向和两段径向结构，目的在于使气体多段反应，气固相得到更好的接触，更有利于氨合成反应的进行，同时配用低温、高活性的小粒度催化剂，可提高催化剂的活性系数，有利于氨的合成反应，以提高氨净值。径向结构可以降低催化剂床层的阻力，使合成塔的阻力得到有效控制。

(3)串塔回路热平衡的保持

当串联运行时2#合成塔热量要求比较高，由于进入2#合成塔的氨浓度较高，氨合成反应相对接近平衡，其氨合成反应热较少，为了保证进入催化剂层气体的温度，1#合成塔出口气直接进入2#合成塔，相当于提高了2#合成塔的下部换热器的面积，另设置冷副线，以确保零米温度的可调性。保证串塔回路的热平衡。

(4)2塔进出口管线的分隔

1#合成塔和2#合成塔催化剂的使用寿命不相同，为方便两塔催化剂的更换和升温还原操作，用阀门分别隔开2台氨合成塔所有进出口管线，以满足不同工况下的特殊操作要求。

4 改造装置的运行

4.1 催化剂还原

由于预还原催化剂还原时间短，理论总出水量仅2 t左右，不影响液氨的使用。为了尽可能不影响生产，利用大修时间升温催化剂。采用1#合成塔停车、2#合成塔还原的升温还原方法。

在压力约5 MPa，2#合成塔开始送电， 2#合成塔第一轴向催化剂表面温度约200 ℃时，试放物理水，温度达260 ℃时分析水汽含量，控制其质量浓度≤1.0 g/m3(标态)，还原主期控制温度在260 ℃以下，一段主期后，二段轴向可提高到主出水期，用同样的方法控制二段到还原主期，温度为320～380 ℃，缓慢提压，提升系统压力为5.0～5.5 MPa，循环氢体积分数≥72%。用同样的方法还原二段径向催化剂层。

底部催化剂层温度也逐渐提高，底部温度最终超过490 ℃达8 h以上；水汽质量浓度连续分析4次低于0.2 g/m3；同平面温度低于15 ℃，还原结束。将各段的热点温度降至480 ℃以下，逐渐关小电炉，开冷激气调节温度至完全自然运行，将系统各控制点调到指标值，进入轻负荷生产48 h，催化剂升温还原结束，转入正常生产。

在整个还原过程中，塔内件及整个系统均运行正常。

4.2 运行效果

串并联工艺投入运行后，获得良好的经济效益，主要表现在以下几个方面。

(1)产量明显提高

使用串并联工艺后，氨产量大幅度提高，根据改造前后的报表可知，2台合成塔氨产量由原来的日产氨量720 t提高到840 t，总产量提高了16.6%，增产十分明显。

表2 2塔的设计与运行技术指标比较

(2) 提高了氨净值3.8%

由入塔氨含量，氨冷出口温度-10 ℃，压力17.5 MPa，得出此时y入=2.5%；加入新鲜气后，氨含量降低，多组运行报表平均入塔氨含量为y入=2.25%，出塔氨含量为y出=14.8%，氨净值y净=12.55%。入塔平均温度t入=160 ℃，出塔平均温度t出=310 ℃，温升达到150 ℃，另外一部分热量损失，证明氨净值可以达到12.55%。改造前，原有氨塔出口氨含量y出=11.0%，氨净值增加了3.8%。

(3)系统阻力减少0.05 MPa

串并塔工艺增加了一台氨合成塔，改造氨合成塔采用两轴两径带层间换热器结构，气体相对均衡地通过两台合成塔，单塔气量相对减少，催化剂床层的阻力降低，即使在辅助系统未改造而循环量增加的情况下，系统阻力从1.6 MPa减小到1.55 MPa，阻力减少0.05 MPa。

(4) 氢回收装置的负荷减轻30%以上

采用串并联工艺进行改造后，入塔气甲烷含量从原11%～12%提高到16.5%～17.5%，放空气量减少30%以上。

(5)吨氨降低电耗90 kW·h

改造后系统操作压力由原来的27 MPa降至20 MPa，压缩机功耗降低约15%；且系统阻力减少0.05 MPa左右；吨氨醇电耗从1 380 kW·h(含尿素用电)降低到1 290 kW·h(含尿素用电)，减少90 kW·h。

(6) 投资省、建设周期短、见效快

改造在全系统停车检修时完成，串并联工艺改造从停车到出产品仅用6 d，且已包括68 h的催化剂升温还原，因此对生产基本没有影响。

河北东光串并联工艺改造工程，投资仅增加一台氨合成塔及部分仪表和管道，在保证原来系统生产的前提下，充分利用原有的设备，使投资的费用远低于其他扩大生产规模的方案。改造工程量少，占地面积小，利用原有生产设备的空隙，现场施工量减少。建设周期缩短，从设计、施工至投产仅用7个月的时间，不到新建一套装置时间的一半。

5 经济效益分析

(1)改造后日产氨量每天可以增加120 t，以每吨液氨纯利润200元、每年300天计，年增加利润720万元。

(2) 由于吨氨电耗下降90 kW·h左右，每年可节电2 268万kW·h，以0.5元/(kW·h)计，电的费用节省1 134万元。

仅以上两项，每年增加收入达1 854万元，投资可在半年多得到收回。

6 串并联工艺展望

随着大型氨合成塔的发展，氨合成圈已成为降低合成氨综合能耗的主要单元，除研制高活性催化剂外，还应重视工艺流程的组合、合成压力的优化、氨的冷凝分离以及新鲜气的干燥净化和加入位置等方面的研究，达到高效节能，已成为当今合成氨工业的共同目标。国外知名公司推出的节能型流程如布朗(C.F.Braun)公司的三塔三床层三废锅流程、托普索(Haldor Topsøe)公司两塔三床流程(S-250系统)在工艺流程组合应用中，尤其是在改造或新建的1 000～2 000 t/d大型合成装置中，均取得了很好的效果。

国昌化工在国内中型氨合成装置改造中多次成功运行“双塔串联”工艺和“双塔并联”工艺，并成功推出“双塔串并联”工艺，完全符合当今世界合成氨工业发展方向及国家《“十一五”化学工业科技发展纲要》中大力发展节能型氨合成技术的要求，在国内应用前景十分广阔。该串并联工艺满足以下几种扩产改造需求。

(1)适用于我国目前产量中、小规模氨厂的改造，在应用串并联工艺后产量可以增加15%～30%以上。而投资要比新建一套系统少25%以上，吨氨的能耗也有较大幅度的降低。另外原有的分离设备和管道都比较小，仅利用串并联工艺来增加产量，在不增加循环气量的情况下，反而使系统阻力降低。

(2)适用于新建一套高产量的氨合成系统，如果新建氨产量达到200 kt以上，就需要上一套Φ2 000 mm以上装置或两套Φ1 400 mm以上的装置，在投资和占地面积上都需要很大的投入，而应用串并联工艺可减少投资和占地面积。

(3) 适用于在300～600 kt大型氨厂的改造及新建工程。采用串并联工艺可减少大量的投资费用和解决能耗高等问题，同时解决大型设备制造和运输的难度，以实现国产化。

7 结论

(1)串并塔工艺出口氨净值提高3%～4%、在不增加能耗的同时把产量提高16.6%以上、系统阻力减小0.05 MPa，能耗下降吨氨90 kW·h左右。阻力降低有利于提高循环量来达到提高氨产量的目的，经济效益十分明显。改造成串并联工艺后调节方便，操作简便，运行稳定。

(2)采用轴径向结构内件是串并联工艺的核心，2台合成塔可完全单独运行、单独检修，不影响正常生产。

(3)实践证明串并联工艺在合成氨系统增产节能改造中，符合当前国家提出的“节能降耗、提高产能比”的政策要求，对合成氨工业的发展有重大的意义，是一种值得推广应用的节能新工艺。

国昌化工“串并联工艺”在河北东光的成功实践，是我国氨合成工艺的又一个突破点，为我国大、中型氨合成装置以增产降耗为目的的改造开拓了一条新路子，同时为进一步开发具有我国自主知识产权的多塔串并联工艺和发展我国自主开发的大型制氨装置，提供了宝贵的实践经验和设计依据。