合成-1-ⅢJD2000型ф2500氨合成系统的运行实践

ⅢJD2000型φ2500氨合成系统的运行实践谢定中、易桂和湖南安淳高新技术有限公司摘 要：本文介绍了ⅢJD2000型φ2500氨合成系统的设计思想，并介绍了湖南安淳高新技术有限公司设计和制造的第一个ⅢJD2000型φ2500合成氨塔在河南心连心化肥有限公司的运行实践。

1 前言ⅢJD2000型φ2500合成氨系统，是我公司为河南心连心化肥有限公司设计的一个年产合成氨24万t一套合成氨生产装置，是我公司目前设计和制造、投产在用的最大的氨合成塔，也是目前国产最大的合成氨系统（注：我公司设计的新版ⅢJD2000φ2500系统，已在山西丰喜临猗分公司投产；φ2600氨合成系统将于2010年下半年在贵州开磷息烽投产）。

这个塔于2009年4月在河南心连心化肥有限公司一次投产成功。

它一投产运行，就以出色的业绩，引起了业内极大的关注。

投产后的第一个月，即2009年5月，合成氨平均日产达842t。

同年8月，日产氨稳定在900t。

2009年中最高日产氨达到1060t。

循环气CH4控制在14%～15%左右，总惰性气达20%，系统压力≤17MPa。

合成氨电单耗比公司其他合成氨系统下降了220～260kWh。

运行结果表明，该套装置超过了设计能力，节能、环保效益明显，在大型合成氨装置国产化道路上迈出了十分可喜的一大步。

2 设计思想氨合成系统设计总的指导思想就是要更加高产，更加节能。

2.1 充分发掘氨塔第一绝热层的潜力围绕实现单系统生产能力规模化，我们在设计思维上有了新的创意，那就是要充分发掘氨塔第一绝热层的潜力，要使第一绝热层完成氨合成反应的50%，具体措施如下：1）增加氨塔第一绝热层的高度，将第一绝热层的设计高度增加到3000mm以上。

2）降低“零米”温度，提高热点温度。

进入第一层的“零米”点的循环气体的温度最低（370～380℃），氨含量最低（2.16%），离反应平衡点最远。

第一层反应终点温度设计为490～515℃，则第一层反应的绝热温升在110～330℃，氨含量增加8%～9%（氨净值），即第一绝热层完成氨合成反应的50%。

3）段间冷却器（冷管束）的气体出口设在第一层的零米，让循环气百分之百通过第一绝热层，有利于降低零米温度，有利于提高氨净值。

4）在第一层绝热反应后的高温气体，不再采取冷激降温，而是用塔内换热器间接冷却后再进入第二层，更加有利于合成氨反应温度接近最适宜温度曲线，提高氨净值。

2.2 节能降耗是永远的主题1）设计较低的系统压力，大幅度降低合成氨电耗。

设计压力22MPa，实际上低于设计压力操作，有利于降低合成氨原料气的压缩电耗。

在合成氨的生产电耗中，原料气压缩的电耗占的比例最大，降低压缩机的终端压力，辅以配置低压联醇，是降低合成氨电耗的重大措施。

2）增大分流气量，把分流量增加到50%，使通过中心管和换热器的气体由原来的65%～70%，减少至50%，降低塔阻力。

并采取有效措施提高氨净值，节约循环机和冰机功耗。

3）提高出塔气温度，回收反应热制取中压蒸汽。

再将回收的蒸汽通过设置在合成系统中的蒸汽过热器，制取过热蒸汽供烃化塔加热进塔气体用，取消烃化精制过程的用电。

4）系统中设置软水加热器，充分回收反应热，进一步降低冷却水和节约冷冻量。

图1 φ2500合成塔结构示意图3 ⅢJD2000型φ2500氨合成塔的结构3.1 结构1）塔结构为三层四段，两径一轴。

径向段占整个催化剂床层高度的70%～80%。

第一层为轴向绝热层，为了使第一层反应温度不致超高，在第一层中部设置了一个冷气调温器，从大盖外引入少量冷气调节温度。

第二层包含径向绝热段和径向间冷段。

第三层为径向绝热段。

2）段间冷却器（冷管束）的出口气体进入催化剂床的表面。

这样，入塔气体就百分之百通过第一层催化剂，有利于提高催化剂的利用率，有利于提高氨产量。

3）第一绝热层的出口高温气体进入混合分布器以后，不采用冷气冷激，而是进入塔内上部换热器管间，被间接冷却后再进入第二层反应，有利于反应温度更接近最适宜温度曲线，提高氨净值。

4）采用分流工艺。

5）催化剂自卸。

3.2 气体在塔内的流程气体分两股进塔：一股～45%的气体直接进入冷管束（段间冷却器）。

这股气体由两部分组成：一是由循环机出口油分来的约30%的冷气，由合成塔下部环隙进入，在塔顶引出；二是塔外热交换器加热的约15%的气体，两部分气体在塔顶汇合引进冷管束。

冷管束出来的气体进入催化剂床表面；另一股约50%的、由塔外热交换器加热的循环气，进塔内换热器的下部换热器管内，与出塔气体换热后，进入上部换热器的管内，与在上绝热层反应后出混合分布器的高温气体换热后，从换热器与中心管之间的环隙向下进入中心管，经中心管进入催化剂床表面，与冷管束出来的气体汇合，在第一绝热层反应。

反应气体在第一层中部冷气调温器中与从塔外引入的少量冷气混合后，继续反应。

出第一绝热层的气体进入气体混合分布器，再进入塔内上部换热器管间，与进塔气体换热后，从上部换热器的外壳出去，进入第二层。

气体由圆心向圆周方向、经过径向绝热段，径向通过段间冷却器。

从中部径向筐即第二层出来的气体，受支架套筒的作用，沿径向筐与内筒的环隙向下，被内外筒环隙冷气间接降低温度10～15℃左右，进入第三层（径向绝热层）。

气体由圆周方向径向通过下绝热层流向径向筐中部的换热器，从换热器外壳进入塔内下部换热器管间，由上折流而下，与进塔气体换热后出塔。

图2 φ2500氨合成系统流程图3.3 系统流程出合成塔的气体，进入蒸汽过热器，将废锅产生的中压蒸汽过热，反应气温度降至320℃左右进入废锅，出废锅的气体进入热交换器，温度降至95℃左右进入软水加热器，反应气温度降至70℃左右，进水冷器。

出水冷器的气体进入冷交管间被冷却分离氨后，温度降到16℃以下进入一级氨冷器，经一级氨冷冷却至-3℃，再经二级氨冷冷却到-10～-12℃，与新鲜气汇合，进入氨分离器分离氨后进冷交管内，冷却管间的热气体，本身温度提高到25℃左右，出冷交后进循环机，开始新的一轮循环。

4 催化剂的装填和升温还原4.1 催化剂装填河南心连心化肥有限公司ⅢJD2000型φ2500合成氨塔，共装填催化剂194.05t、68m3。

按照分段装填的原则，下绝热层少量φ4.7～φ6.7颗粒的催化剂垫底，占总量的3.2%。

其余装φ3.3～φ4.7颗粒，占总量的40.2%；第二层全部装φ4.7～φ6.7颗粒的催化剂，占总装量的38.0%。

第一层，混合分布器用少量φ4.7～φ6.7颗粒的催化剂盖面，占总装量的3.3%。

冷气调温器用少量φ4.7～φ6.7颗粒的催化剂盖面，占总装量的1.6%。

其余装φ3.3～φ4.7颗粒的催化剂，占总装量的13.7%。

4.2 催化剂的升温还原1）“三高”、“三低”的操作原则。

“三高”，即高氢气浓度，高空速，高电炉功率。

其中高氢气浓度，增加反应物浓度，有利于还原反应进行，氢浓度前期要求75%～80%，还原后期不低于72%。

高空速，空速越高，还原反应生成的水汽和反应生成的氨就能尽快带走，降低水汽浓度。

高电炉功率，是高空速的前提，还原过程中，绝大多数情况下电炉功率是100%。

“三低”即低压力，低水汽浓度，低还原温度。

压力虽然对还原反应没有直接的影响，但压力低，空速一定时，气流线速度快，生成的水汽和氨很容易被气流带走，降低水汽浓度。

此外，压力低，水汽的分压就低，有利于降低水汽对还原好了的催化剂的影响。

压力低，轴向段轴向温差小，是缩小同平面温差的最有效操作手段。

还原的起始压力以3.5～4.0MPa 为宜。

低水汽浓度，催化剂的还原反应是一个可逆反应，低水汽浓度可以减少逆向反应，防止还原好了的催化剂被氧化。

低氨冷温度，是低水汽浓度的保证。

进入还原主期的氨冷温度，必须控制-10～-15℃。

低还原温度，催化剂的还原反应是一个吸热反应，提高反应温度，可明显加快还原反应速度，但同时也加快了活性α-Fe的烧结速度，反应温度提高过快，活性铁的晶粒长大随之加快，引起活性下降。

还原温度在420～460℃时，控制催化剂出水量达到80%左右为宜。

2）分层还原。

大塔催化剂数量多，应严格地实行分层还原，拉开层与层之间的温差，上层在还原反应时，中下层温度还很低，多数催化剂还处于氧化态，不会受上一层产生的水汽影响，这样才能保证催化剂的还原质量。

3）控制好同平面温差。

轴向段的同平面温差要严格控制。

轴向段在升温还原时，如果出现同平面温差大，必须在催化剂还原进入主期之前，把同平面温差消除（筐盖泄漏造成的温差要揭大盖处理），即催化剂温度在410℃左右，就要把温差缩小到＜5℃。

同平面温差大，会造成催化剂温差高低两面的还原程度不一样，还原程度低的部分，在正常生产中活性差，生产中同样会出现同平面温差，影响生产，影响内件的安全。

不能等到温度高了才采取措施，在还原后期拉小的同平面温差，同样存在还原程度不一致的问题。

因此，轴向段的同平面温差控制，是还原过程中的一个不可忽略的重要操作环节。

4）准确判断还原终点（以XA201型催化剂为例）：一是底点催化剂温度470℃以上，维持8h。

水汽浓度连续3～4h＜0.2g/m3；二是零米温度485～490℃，维持8h以上，同平面温差≤10℃；三是除零米和底点以外的各点达495℃以上的时间均在8h以上。

符合以上三条，催化剂基本还原彻底了，可切电降温转轻负荷生产。

河南心连心化肥有限公司2009年4月，合成氨塔的原始开车，操作控制是很严肃认真的，催化剂的还原是比较彻底的。

5 运行实践2009年4月7日，河南心连心化肥有限公司的ⅢJD2000型φ2500合成氨塔结束升温还原，转入轻负荷生产。

进入满负荷生产的基本操作控制情况如下：催化剂床层温度与系统主要温度控制：零米温度：395～425℃；热点温度：475～480℃；第二层温度：460～468℃；第三层温度：430～455℃；塔主进温度：220℃；塔出温度：330℃；出二级氨冷温度：-11.7℃。

操作压力：循环机出口：17.0MPa。

气体成分：补气H275.0%；循环气H258.0%～60.5%；CH414.5%～15.0%；塔进口NH32.21%；塔出口NH3 12.7%。

循环机开机台数：3×18m3/min；新鲜气流量：101470Nm3/h。

ⅢJD2000型φ2500合成氨塔，一进入正常生产，就表现出了令人欢欣鼓舞的优越性。

首先是高产量。

2009年5月，总氨产量30952.021t，液氨产量达到26086.63t，平均日产液氨841.5t。

高温季节的7、8、9三个月，平均日产液氨871.848t。

日最高氨产量达到1060多t；其次是系统压力低。

当合成氨日产量接近900t，系统的循环气总的惰性气体控制20%左右，合成系统压力≤17MPa，真是难能可贵；再就是低能耗。