浅析45万吨合成氨合成催化剂热点温度下降原因分析

孙中华

(四川泸天化股份公司，四川泸州，646300)

1 引言

泸天化股份有限公司合成车间新系统合成氨装置，是20世纪70年代引进美国凯洛格公司的技术和设备，其间于1988年进行了第一次节能增产技术改造，使装置合成氨生产能力由原日产1000吨，达到日产1150吨；为进一步提高公司经济效益，降低能耗，2004年10月对合成氨装置进行了第二次扩能技术改造；合成系统由塔前分氨改为塔后分氨，合成气压缩机高压缸进口增加分子筛干燥系统；合成塔内件也同时进行了改造，通过本次扩能改造，使合成氨生产能力达到日产1500吨，吨氨能耗由8.32Gcal/t降到7.86Gcal/t，合成塔催化剂随着2004年技改时更换，至今已运行了16年之久，远远超出了其使用寿命。

2 合成塔内件及触媒筐改造

2.1 合成塔内件改造

合成塔内件改造是采用CASALE专利技术，轴向改为径向塔，即由原四床层轴径向设计改为新的三床层轴径向设计；在第一床层与第二床层之间用冷激，在第二床层和第三床层之间采用内部换热器；三床层一冷激一换热的设计保证了工艺操作中的热力学优势(氨转化率提高约0.5-1.0%mol)，可达到催化剂最大利用率；床层温度由内部冷却换热器或冷激阀来控制，这样既达到了减少合成塔阻力的目的，又增加了催化剂的装填量，其目的是改进了合成塔的性能，从而降低能耗并增加产量。

2.2 合成塔触媒筐改造

为了将装置改造到日产1500t/d，需要对合成塔触媒筐进行改造，CBR改造触媒筐和进料/出口气换热器122-C；KBR提供合成塔出/入口的工艺条件，以便CBR在保证催化剂使用寿命末期时合成塔出口氨浓度为17.3%(按摩尔计算)且合成塔压差为362kPa(最高)，合成塔出口压力为14591kPa为条件的，该出口氨浓度用来设计合成回路的循环量，而该压降用来建立合成回路压力分布，氨合成率的提高意味着操作温度更高，从而使现有合成塔出口气/锅炉给水预热器123-C的管线也因合成塔出口温度高而更换。

3 合成塔催化剂的装填

合成塔内件进行第二次技改催化剂选用南化公司生产的A110-1-H和A110-1型催化剂，第一层预装还原催化剂A-110-1H，第二、三层装氧化性A-110-1，全炉共装催化剂210.4吨，比改造之前多装约8吨，每层装填重量如表1。

全炉催化剂平均堆比重2.98，达到了CASALE公司的要求(CASALE要求是2.8—3.0)，整炉催化剂的装填都是严格按照CASALE的要求来进行，第一层采用的是人工装填，二层、三层采用的是密集装填，催化剂损失较小，全炉共损耗催化剂约300kg。

表1 合成塔催化剂装填数据

4 合成塔热点温度下降原因

近4年来，合成塔开车中在催化剂升温时，都需要开SP-315来提高进口温度，否则在102-B熄火后床层温度稳不住，会下降；在正常的减负荷过程中，负荷减至80%就得开SP-315来保证进口温度，以保证床层温度稳定。目前从合成塔催化剂运行数据看，在2019年12月大修后开车的每次停车后，合成塔进出口温差存在下降趋势，特别是2020年4月22日停车后开车进出口温差下降明显，合成塔氨净值有所下降，合成系统压力上涨约0.3MPa，合成塔压差上涨至0.3MPa左右，上涨0.02MPa左右，105D氨净值14.74%(已投运约16年，2005年1月考核初期为15.89 %，之后运行中高负荷情况下的氨净值在15.1%—15.3%)，相对于2019年，同期考核(2019年2月为15.14V%)有所下降，同时合成塔出口、进口温差下降5-6℃，TI-317B与TI-316B温差下降约13℃，TI-319B温度上涨约12℃，在2020年5月19日停车开车后，TI-317B与TI-316B温差又下降约5℃(温差只有63℃，从2005年至2019年TI-317B与TI-316B的温度差约81℃)，呈现此方位催化剂活性下降明显(或有催化剂粉化，造成此处气量偏少)，其余床层温度变化不明显；从2019年底大修后紧急停车的每次开车后，合成塔进出温差均呈下降趋势，年底大修时对内件进行检查，同时做好更换催化剂的计划。

5 生产运行中合成塔热点温度维护措施

正常生产中系统分子筛在切断和再生时，系统压力和合成气压缩机的负荷会发生变化，同时影响合成塔热点温度下降；在分子筛切断和再生时提前调整101-BU负荷，可以防止大幅度增加辅锅负荷，进而影响合成塔热点温度、主控及时调节分配好炉水分配量，以保证热点温度不大幅度下降。

表2 合成塔进出口温度差及热点温度数据

在系统大幅度减负荷时，要特别注意合成塔床层温度调节，防止温度调节不及时合成塔熄火导致停车，大幅度减负荷时，主控及时调整好合成气压缩机负荷及合成塔冷激阀开度，同时合成岗位开锅炉水副线阀，关小HCV-11，同时脱碳岗位及时开大SP-315，以防止合成塔入口温度低导致热点温度下降。

催化剂活性下降后，为了确保合成反应稳定进行，在实际生产操作中，合成塔热点温度应尽量维持稳定，控制在480℃左右，这样可以控制氨的合成反应总是在适宜的温度和压力下进行。为了保证床层热点温度，需要提高合成塔入口温度，催化剂床层入口必须达到催化剂活性温度，合成塔入口温度的变化，直接影响热点温度及整个合成反应温度的变化，这是由于床层顶部温度的变化，使床层反应速率相应发生变化，伴随各个部位的反应热也会变化，以至于整个床层的温度要重新分布[1]。因此，床层入口温度高，反应速率快，放出的热量多，热点温度将会上涨。所以现行操作中应提高床层入口温度，经常注意催化剂入口温度变化，以作预见性调节。