氨合成双塔串并联技术应用总结

氨合成双塔串并联技术应用总结
（河北东光化工有限责任公司徐希江、黄志宏）
摘要：河北东光化工有限公司对700t/d氨合成系统进行增产节能改造，采用南京国昌化工科技有限公司“氨合成双塔串并联工艺技术”，改造后装置产能增加以及节能降耗效果明显。

本文介绍了该项目改造概况、工艺改造流程和运行情况。

关键词：氨合成技术改造串并联应用
1概况
我国国民经济的发展表明，化肥在农业中所占的地位越来越重要，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市场竞争力。

河北东光化工有限责任公司（以下简称东光化工）目前一套2009年7月投产的φ2000氨合成系统生产能力为日产700吨，2012年初开始筹备对该系统挖掘生产潜力、通过增产进一步实现节能降耗，最终形成年产24万吨合成氨能力。

2012年4月，东光化工经充分调研，选择采用南京国昌化工科技有限公司（以下简称国昌公司）开发的“氨合成双塔串并联工艺技术”（以下简称“串并联工艺”），对原有φ2000氨合成系统进行增产节能改造，即在原有氨合成塔后，合成废锅前串入一台GC型φ2000轴径向氨合成塔，原来各设备的工艺条件基本不变。

改造仅增加一台氨合成塔和一台循环机，其它设备均利用原有合成系统的设备，体现了投资省、建设周期短、见效快、占地面积少的特点。

并委托国昌公司进行改造部分的工程设计和GC 型轴径向氨合成塔内件的设计制造。

2串并联工艺流程
串并联工艺流程如图1所示：
改造后整个系统中需要增加10个阀门V1-10，2个8字盲板。

（1）串联运行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进入1#合成塔反应出口～300℃进入2#合成塔继续反应，～350℃出口进入废锅副产蒸汽。

串联流程阀门的控制：阀门V1、V2、V3、V5打开，V4、V6-10关闭，盲板1关闭，盲板2打开。

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V1-10，2个8字盲板。

（2）并联运行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#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，V1-4、V6-12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来运行，2#合成采用4段床层结构形式，
V7-10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合成塔
3.1
2#合成塔的结构及流程
2#氨合成塔内件由二个轴向层和二个径向层催化剂筐及一个层间换热器和一个下部换热器组成（与现有1#氨合成塔结构形式相同）。

层间换热器设置在第一径向层催化剂筐中心，下层间换热器设置在第二径向层催化剂筐中心。

通过调节合成塔入塔工艺气温度及f 0～3流量，从而保证氨合成反应处于较佳的工作状态。

冷副气f 0由塔顶进入同换热后的二进气混合～390℃通过中心管进入零米反应；冷激气f 1由塔顶进入调节第二轴向层进口温度；冷激气f 2由塔顶进入调节第一径向层进口温度；冷激气f 3由塔顶进入层间换热器管内与第一径向层出口气换热后，沿中心管上升合成塔顶部与调节零米温度的冷气副线f 0汇合，然后进入第一催化床进行氨合成反应；出第二轴向层的气体进入第一径向层从外向内走向集气筒后进入层间换热器管间换热，出第一径向层的气体从外向内走向进入集气筒后进入下部中心换热器的管间预热入塔气后温度降至～370℃出塔。

3.2
技术参数及指标
表1
GC 型φ2000氨合成塔主要技术参数
参数
生产能力,t/d 设计值≥600期望值
700塔径,mm φ2000塔高,mm H 净=18000
结构形式
二轴二径、层间换热器、下部换热器,全自卸结构催化剂及装填量,m 3～32设计压力,MPa 31.4
合成塔阻力,MPa 正常≤0.4最高≤0.6开工电加热器,KW
2000
4催化剂的装填
4.1
催化剂的选型和颗粒的选择
氨合成催化剂选型，经过细致研究和反复计算，本塔采用预还原GA206-1-H 型催化剂约74.75吨（堆密度按2.3g/ml ），理论出水量约为2吨，其还原速度是A110-1型催化剂的1.6倍，活性比A110-1型催化剂高，而且使用预还原型催化剂又能保证整体
的还原质量，从而保证2#塔最为有利的氨合成反应条件。

预还原氨合成催化剂是氧化态氨合成催化剂在催化剂生产厂特定的装置中，以适合于该催化剂特性要求的还原条件下，预先还原为活性α—Fe，然后再进行有控制的稳定化处理，即在活性α—Fe表面用氧钝化，覆盖一层很薄的氧化铁钝化膜，此氧化铁钝化膜的含氧量约为氧化态催化剂的10%，预还原催化剂还原度约90%，还原时出水早，200℃以上即可开始还原，由于预还原氨合成催化剂还原时间短，不仅可以降低还原消耗，而且提早产氨放出的热量可以弥补开工电炉加热温度或热量的不足。

其中有二层径向段，使气体多次折流，气固相得到更好地接触，再采用低温、高活性的小颗粒催化剂，提高了催化剂的活性系数，使氨的合成反应向平衡反应方向进行提高氨净值。

4.2催化剂的装填
塔内件是轴全径向结构，轴向催化剂颗粒主要选用3.3-4.7mm型号，径向选择小颗粒2.2～3.3mm的催化剂可减少内扩散，提高内表面的利用率。

同时小颗粒的催化剂易还原，加速催化剂的还原的进行，可以节省还原时间。

整个床层装填的密度2.3kg/L 左右。

4.3催化剂装填注意事项
预还原催化剂不能过筛，以免损坏催化剂表面的氧化膜；同时要避免阴雨天装填催化剂，受潮会使催化剂发热和发生烧毁事故。

装填时一定要注意装填的密度，需要振动棒来紧密以防止气体走近路。

装填一定量时要捣实找平。

5运行情况
5.1升温还原
由于预还原催化剂还原时间短，理论总出水量仅2吨左右，不影响液氨的使用。

为了尽可能不影响生产，本次利用大修时间升温催化剂。

采用1#塔停车、2#塔还原的升温还原方法。

在压力~5MPa，2#塔开始送电，2#塔第一轴向催化剂表面达~200℃时，试放物理水，达260℃分析水汽浓度，控制≤1.0g/Nm3，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，同样的方法控制二段到还原主期，温度320-380℃，缓慢提压，提升系统压力5.0-5.5MPa，循环氢含量≥72%。

用同样的方法还原2段径向催化剂层。

底部催化剂层温度也逐渐提高，底部温度最终达到490℃以上达8个小时以上；
水汽浓度连续分析4次低于0.2g/m3；同平面温度小于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，进入轻附和生产48小时，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十分正常。

5.2运行情况
使用串并塔工艺后，氨产量大幅度提高，2012年11月20日0：00时2#合成塔开始开车升温，11月26日7：00时进入轻负荷生产。

原有1#合成塔单独运行时氨产量为720t NH3/d，2#合成塔投产后由报表得出，氨产量提高到840tNH3/d，即2#合成塔使总产量提高了16.78%，增产十分明显。

表2东光化工2#合成塔运行情况与原设计数据对比
序号项目单位设计值运行值*对比情况
一、设计值与运行值对比
1总入塔气体流量，Nm3/h435855434035
2氨产量t/d800840比设计值提高11.11%高16.7%）
3操作压力MPa≤23≤18.5压力降低4.5MPa 4系统增加的压差MPa0-0.05下降0.05MPa
5入口氨含
量
NH3% 2.25 2.25
CH4%～16.5～16.5
6出口氨含量%14.2514.8
7氨净值%1212.55氨净值提高0.55% 8废锅蒸汽量t2828
二、运行前后产量及消耗对比
运行前运行后
1氨日产量,t/d720840增加16.7%
2全系统压差,MPa 1.6 1.55下降0.05MPa
3氨净值,%8.7512.55增加3.8%
4入塔甲烷含量,%11～1216～17使氢回收减少30% 5系统操作压力,MPa2718.5下降31.5%
6系统电耗降低,度-90吨氨降低90度
7废锅蒸汽量,t2428保持平衡
从运行情况可以看出：采用“串并塔工艺”后，生产负荷得到提高，氨产量增加，各项指标均达到和超过设计值；特别是由于串并塔后，氨净值的提高，在同等工艺条件下，塔后的热交换器、氨冷凝器效率提高，从而这些设备的负荷无明显变化；由于氨净值提高，系统操作压力明显降低，压缩机功耗降低明显。

6结论
6.1从运行数据可看出：现在实际运行参数均已达到或超过设计值，实际增产达到116.7%，2#合成塔并进系统运行后现在可以具备年增产3～4万吨氨的生产能力。

6.22#合成塔是结构与1#合成塔相同，操作熟悉简单，2台合成塔任意一台检修，都不影响正常运行，设计简单合理。

6.3系统阻力不增加。

由于2台合成塔处于并联状态下居多，2台合成塔气量均分，相对通过的气量减少，合成塔内件本身阻力相对减小，系统阻力降低了0.05MPa，而且操作稳定，不需要设专人专岗。

“串并联”工艺在我公司老系统增产改造中的应用是成功的，投运到现在我公司非常满意，自改造后运行情况证明，此串并联工艺具有阻力低、增产幅度大、能耗降低、操作简单等优点。