二段转化炉催化剂运行评估
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2010 年 9 月 9 日二段转化炉运行数据如下 ： 生 产 负 荷 平 均 为 29．00×103 m3 ／ h、 水 碳 比 平 均 为 3．02、二段转化炉出口甲烷含量为 1．34％。 平衡温 距计算： 二段转化炉平均出口实际温度 915 ℃，计 算平衡温度 904 ℃， 平衡温距为 11 ℃； 对比 2006 年 3 月 3 日工况下平衡温距－0．5 ℃，说明催化剂活 性下降明显。 1．2 出口 CH4 含量
2003—2009 1990—2003 1996年底至 2004 年底 2004年底至 2011 年底
周期 ／ 月 56 23 19 68 70 72 156 96 84
从经济来考虑， 大多数化肥厂二段转化炉催 化剂使用周期在 5～7 a 之间，有些工厂的平均使用 周 期 还 没 有 达 到 6 a ［3］。 中 原 大 化 集 团 有 限 公 司 2009 年 12 月二段转化炉催化剂（已使用 6 a）卸出 时发现催化剂严重烧结，且结块结实，给卸出工作 带来了很大的困难。
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2005-04-05
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表 1 二段转化炉工况对照
负荷 ／ ×103 m3·h-1 空气量 ／ ×103 m3·h-1 碳空比
二段转化炉 出口温度 ／ ℃
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44.33
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0.69
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30.04
化炉出口温度控制在 750 ℃，只有通过增加二段转 化炉空气量来降低其出口甲烷含量， 减少因甲烷 含量上涨造成的经济利益的损失。 目前二段转化 炉出口甲烷已处于较高状态， 催化剂若运行至 2013 年 ， 出 口 甲 烷 含 量 将 上 涨 至 1．5％， 每 增 加 0．1％， 每天合成氨产量将减少 10 t （满负荷工况 下），一年按 330 d 运行，将少产氨 3 300 t，折合 825 万元（1 t 氨按 2 500 元计）。 因此建议 2011 年更换 二段转化炉催化剂。
中 海 石 油 化 学 股 份 有 限 公 司 一 期 到 2011 年 大修时二段转化炉催化剂将超过 7 a， 在使用周期 上已经达到较高水平（上一炉使用 8 a），根据目前 催化剂工况，其活性已接近末期。
4 结论 自 2010 年 4 月 27 日 预 转 化 炉 切 除 系 统 后 ，
由于受到一段转化炉混合原料气盘管材质、 二段 炉出口温度和燃气轮机工况等因素影响， 一段转
二段转化炉 出口 CH4 含量，%
1.06
一段转化炉 出口 CH4 含量，%
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图 1 炉内催化剂状况
收 稿 日 期 ：2011－01－24 ；收 到 修 改 稿 日 期 ：2011－05－12 。 作者简介：焦 虎，内蒙古人 ，1982 年 6 月 出 生 ，助 理 工 程 师 。 2005 年毕业于四川大学化学工程与工艺专 业 ，现 在 中 海 石 油 化 学 股份有限公司化肥一部从事合成氨操作工作。 联系电话： 0898－ 25691457；E－mail：tigerjiao＠126．com。
西南化工研究院 认 为 ，Z204 ／ 205 设 计 耐 压 强 前后分析数据见表 2。
表 2 ICI54－4 与 Z204 ／ Z205 催化剂运行对比
时间 更换前 2003-08-25
二段转化炉 出口 CH4 含量，%
1.24
一段转化炉 出口 CH4 含量，%
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时间 更换后 2006-12-05
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2004-10-13
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2004-11-05 （ 大 修 ）
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更换后 2005-02-03
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2009 年 11 月 29 日装置大修时， 进入二段转 化炉检查耐火材料及催化剂下降情况， 发现二段 转化炉顶部催化剂颜色全部变白，镍挥发较多，而 且强度下降，有部分催化剂破碎，粉尘较多（见图 1）。 Z205 催化剂表面镍基本全部挥发（见图 2），流 失的镍会造成下层催化剂粘连， 降低催化剂活性 表面，增大压降［2］。
目前二段转化炉出口甲烷含量已经远在指标
（1．07％）之上。 原因：①催化剂活性下降；②由于空 气量的限制和高温变换炉入口温度限制， 二段转 化炉出口温度控制偏低。 二段转化炉工况如表 1 所示。
从表 1 实际运行数据可以看出， 二段转化炉 出口甲烷含量已高于设计值 （1．02％）， 呈上升趋 势，每次大修结束时稍好，主要受燃气轮机工况或 更换了一段转化炉催化剂的影响。 1．3 催化剂实际检查情况
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212
2011 年 第 34 卷
从 表 2 可 以 看 出 ， ICI54－4 使 用 7 a 多 ， 从 因此， 二段转化炉出口甲烷长期处在超标状态是
2003 年 开 始 二 段 转 化 炉 出 口 甲 烷 含 量 明 显 上 升 很不经济的。 按现在出口甲烷含量增加 0．1％计 5
2011年 6 月 第 34 卷第 3 期
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
Jun.2011 Vol.34 No.3
二段转化炉催化剂运行评估
焦虎
（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）
摘要：对二段转化炉已经运行了 6 a 的催化剂 Z204 ／ Z205 进行评估分析，与上一炉使用的 ICI54－4 催化剂及 其他厂催化剂的使用运行情况进行对比，到 2011 年大修时二段转化炉催化剂 Z204 ／ Z205 使用将超过 7a，在使用 周期上已经达到较高水平，根据目前催化剂工况，其活性已接近末期，建议更换催化剂。
1 Z204 及 Z205 催化剂的运行评估 二 段 转 化 炉 使 用 的 催 化 剂 是 2004—2005 年
度 大 修 期 间 新 更 换 的 西 南 化 工 研 究 院 Z204 及 Z205 型催化剂，填量为 29．4 t，装填高度 2 220 mm。 其中 Z205 装填 2．4 t，190 mm；Z204 装填 27 t，2 030 mm。 2005 年 1 月 13 日升温还原结束， 投入生产 运行，至 2010 年 8 月 31 日已累计运行 45 368．5 h。 二段转化炉运行 6 a 来经历过多次开、停车，但都 没有发生过超温现象。 1．1 平衡温距
催化剂型号 Z205 ／ Z204 Z205 ／ CN20 Z205 ／ Z204 Z205 ／ Z204 Z205 ／ Z204
C14-SL ／ C14-TS Z205 ／ Z204 ICI54-4 Z205 ／ Z204
使用时间 1990-01—1994-09 1994-10—1996-09 1996-10—1998-05 1998-06—2004-02 2004-02—2009-12
从表 3 对比可以看出， 二段转化炉催化剂使
排放，造成更多的浪费。 二段转化炉出口残余甲烷 用最好的是云南云天化股份有限公司， 曾经达到
含量每降低 0．1％，合成氨产量可增加 1．1％～1．4％， 13a（仅有 1 次）。
表 3 二段转化炉催化剂使用情况
公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 重庆建峰化工股份有限公司 云南云天化股份有限公司 中海石油化学股份有限公司一期 中海石油化学股份有限公司一期
42.99
0.70
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29.85
42.66
0.71
920.73
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911.76
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0.72
910.44
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40.98
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901.11
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系统表压力 ／ MPa 3.47 3.35 3.42 3.46 3.39 3.39 3.41 3.29 3.31 3.33 3.33 3.42 3.32 3.35 3.37 3.40 3.50
度不低于 400 N ／ cm， 有很好的抗压性和耐冲刷性 能。 但在 2009 年底大修期间发现二段转化炉个别 Z205 催化剂载体很轻易地被踩碎， 载体强度流失 严重，在强气流冲刷下很容易破碎，增大炉差。
2 ICI54－4 与 Z204 ／ Z205 催化剂运行对比
图 2 Z205 催化剂
上一炉催化剂使用的是 ICI54－4，催化剂更换
第3期
焦 虎 . 二段转化炉催化剂运行评估
211
日期
2006-03-03 2006-08-03 2006-12-05 2007-03-03 2007-08-03 2007-12-03 2008-03-06 2008-08-07 2008-12 -07 2009-03-06 2009-08-06 2009-11-06 2010-03-15 2010-03-23 2010-05-06 2010-08-10 2010-09-09
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42.13
0.69
920.56
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28.99
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转化炉出口 CH4 含量，%
一段
二段
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（1．25％～1．35％），2004 年大修时更换为 Z204 ／ Z205 催化剂， 更换后二段转化炉出口甲烷含量明显下
kmol ／ h，生 成 H2 就 会 减 少 20 kmol ／ h，同 时 合 成 系 统要弛放掉增加的 5 kmol ／ h 的甲烷， 还会带出 25
降，并有着很好的稳定性，2008 年底出口甲烷含量 也逐步上升。
二段转化炉出口残余甲烷含量对系统的产量
kmol ／ h 的 H2（弛放气中 H2 ／ CH4 约为 5：1），总共损 失 H2 达到 45 kmol ／ h，折合成氨产量为 12．24 t ／ d。
与消耗定额影响颇大。 出口甲烷含量高，不仅这一 3 与其他厂二段转化炉催化剂运行周期对比
部分甲烷没有转化， 而且合成工序必须加大惰气
关键词：二段转化炉 催化剂 使用寿命 对比
中海石油化学股份有限公司一期合成氨装置 由日本千代田公司成套引进，设计年产 30 万吨合 成 氨 ，以 天 然 气 为 原 料 ，采 用 英 国 ICI－AMV 合 成 氨技术。 二段转化炉采用的是竖井式炉，加入 20％ 的过量空气，目的在于将一段转化炉的负荷后移， 达到节能和节省设备投资的目的［1］。 本文对二段转 化炉装填的催化剂进行评估和对比，分析其寿命， 判断是否需要更换催化剂。
2003—2009 1990—2003 1996年底至 2004 年底 2004年底至 2011 年底
周期 ／ 月 56 23 19 68 70 72 156 96 84
从经济来考虑， 大多数化肥厂二段转化炉催 化剂使用周期在 5～7 a 之间，有些工厂的平均使用 周 期 还 没 有 达 到 6 a ［3］。 中 原 大 化 集 团 有 限 公 司 2009 年 12 月二段转化炉催化剂（已使用 6 a）卸出 时发现催化剂严重烧结，且结块结实，给卸出工作 带来了很大的困难。
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表 1 二段转化炉工况对照
负荷 ／ ×103 m3·h-1 空气量 ／ ×103 m3·h-1 碳空比
二段转化炉 出口温度 ／ ℃
30.66
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化炉出口温度控制在 750 ℃，只有通过增加二段转 化炉空气量来降低其出口甲烷含量， 减少因甲烷 含量上涨造成的经济利益的损失。 目前二段转化 炉出口甲烷已处于较高状态， 催化剂若运行至 2013 年 ， 出 口 甲 烷 含 量 将 上 涨 至 1．5％， 每 增 加 0．1％， 每天合成氨产量将减少 10 t （满负荷工况 下），一年按 330 d 运行，将少产氨 3 300 t，折合 825 万元（1 t 氨按 2 500 元计）。 因此建议 2011 年更换 二段转化炉催化剂。
中 海 石 油 化 学 股 份 有 限 公 司 一 期 到 2011 年 大修时二段转化炉催化剂将超过 7 a， 在使用周期 上已经达到较高水平（上一炉使用 8 a），根据目前 催化剂工况，其活性已接近末期。
4 结论 自 2010 年 4 月 27 日 预 转 化 炉 切 除 系 统 后 ，
由于受到一段转化炉混合原料气盘管材质、 二段 炉出口温度和燃气轮机工况等因素影响， 一段转
二段转化炉 出口 CH4 含量，%
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一段转化炉 出口 CH4 含量，%
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图 1 炉内催化剂状况
收 稿 日 期 ：2011－01－24 ；收 到 修 改 稿 日 期 ：2011－05－12 。 作者简介：焦 虎，内蒙古人 ，1982 年 6 月 出 生 ，助 理 工 程 师 。 2005 年毕业于四川大学化学工程与工艺专 业 ，现 在 中 海 石 油 化 学 股份有限公司化肥一部从事合成氨操作工作。 联系电话： 0898－ 25691457；E－mail：tigerjiao＠126．com。
西南化工研究院 认 为 ，Z204 ／ 205 设 计 耐 压 强 前后分析数据见表 2。
表 2 ICI54－4 与 Z204 ／ Z205 催化剂运行对比
时间 更换前 2003-08-25
二段转化炉 出口 CH4 含量，%
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2009 年 11 月 29 日装置大修时， 进入二段转 化炉检查耐火材料及催化剂下降情况， 发现二段 转化炉顶部催化剂颜色全部变白，镍挥发较多，而 且强度下降，有部分催化剂破碎，粉尘较多（见图 1）。 Z205 催化剂表面镍基本全部挥发（见图 2），流 失的镍会造成下层催化剂粘连， 降低催化剂活性 表面，增大压降［2］。
目前二段转化炉出口甲烷含量已经远在指标
（1．07％）之上。 原因：①催化剂活性下降；②由于空 气量的限制和高温变换炉入口温度限制， 二段转 化炉出口温度控制偏低。 二段转化炉工况如表 1 所示。
从表 1 实际运行数据可以看出， 二段转化炉 出口甲烷含量已高于设计值 （1．02％）， 呈上升趋 势，每次大修结束时稍好，主要受燃气轮机工况或 更换了一段转化炉催化剂的影响。 1．3 催化剂实际检查情况
2011-03-22
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2011 年 第 34 卷
从 表 2 可 以 看 出 ， ICI54－4 使 用 7 a 多 ， 从 因此， 二段转化炉出口甲烷长期处在超标状态是
2003 年 开 始 二 段 转 化 炉 出 口 甲 烷 含 量 明 显 上 升 很不经济的。 按现在出口甲烷含量增加 0．1％计 5
2011年 6 月 第 34 卷第 3 期
Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry
Jun.2011 Vol.34 No.3
二段转化炉催化剂运行评估
焦虎
（中海石油化学股份有限公司，海南东方 572600）
摘要：对二段转化炉已经运行了 6 a 的催化剂 Z204 ／ Z205 进行评估分析，与上一炉使用的 ICI54－4 催化剂及 其他厂催化剂的使用运行情况进行对比，到 2011 年大修时二段转化炉催化剂 Z204 ／ Z205 使用将超过 7a，在使用 周期上已经达到较高水平，根据目前催化剂工况，其活性已接近末期，建议更换催化剂。
1 Z204 及 Z205 催化剂的运行评估 二 段 转 化 炉 使 用 的 催 化 剂 是 2004—2005 年
度 大 修 期 间 新 更 换 的 西 南 化 工 研 究 院 Z204 及 Z205 型催化剂，填量为 29．4 t，装填高度 2 220 mm。 其中 Z205 装填 2．4 t，190 mm；Z204 装填 27 t，2 030 mm。 2005 年 1 月 13 日升温还原结束， 投入生产 运行，至 2010 年 8 月 31 日已累计运行 45 368．5 h。 二段转化炉运行 6 a 来经历过多次开、停车，但都 没有发生过超温现象。 1．1 平衡温距
催化剂型号 Z205 ／ Z204 Z205 ／ CN20 Z205 ／ Z204 Z205 ／ Z204 Z205 ／ Z204
C14-SL ／ C14-TS Z205 ／ Z204 ICI54-4 Z205 ／ Z204
使用时间 1990-01—1994-09 1994-10—1996-09 1996-10—1998-05 1998-06—2004-02 2004-02—2009-12
从表 3 对比可以看出， 二段转化炉催化剂使
排放，造成更多的浪费。 二段转化炉出口残余甲烷 用最好的是云南云天化股份有限公司， 曾经达到
含量每降低 0．1％，合成氨产量可增加 1．1％～1．4％， 13a（仅有 1 次）。
表 3 二段转化炉催化剂使用情况
公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 中原大化集团有限公司 重庆建峰化工股份有限公司 云南云天化股份有限公司 中海石油化学股份有限公司一期 中海石油化学股份有限公司一期
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1.26
17.79
2004-09-13
1.28
18.64
2009-03-06
1.24
1.08
16.89
1.06
17.89
1.13
17.83
1.19
17.25
1.22
17.79
1.26
18.10
1.24
18.86
1.45
19.02
1.54
17.36
wk.baidu.com
1.25
17.44
1.42
17.08
1.17
18.22
1.24
18.23
1.34
系统表压力 ／ MPa 3.47 3.35 3.42 3.46 3.39 3.39 3.41 3.29 3.31 3.33 3.33 3.42 3.32 3.35 3.37 3.40 3.50
度不低于 400 N ／ cm， 有很好的抗压性和耐冲刷性 能。 但在 2009 年底大修期间发现二段转化炉个别 Z205 催化剂载体很轻易地被踩碎， 载体强度流失 严重，在强气流冲刷下很容易破碎，增大炉差。
2 ICI54－4 与 Z204 ／ Z205 催化剂运行对比
图 2 Z205 催化剂
上一炉催化剂使用的是 ICI54－4，催化剂更换
第3期
焦 虎 . 二段转化炉催化剂运行评估
211
日期
2006-03-03 2006-08-03 2006-12-05 2007-03-03 2007-08-03 2007-12-03 2008-03-06 2008-08-07 2008-12 -07 2009-03-06 2009-08-06 2009-11-06 2010-03-15 2010-03-23 2010-05-06 2010-08-10 2010-09-09
29.57
42.13
0.69
920.56
29.55
42.00
0.69
917.23
29.69
41.59
0.71
917.47
29.15
41.63
0.69
912.96
28.99
40.84
0.71
915.37
转化炉出口 CH4 含量，%
一段
二段
17.27
1.05
17.22
1.05
17.90
1.06
17.81
（1．25％～1．35％），2004 年大修时更换为 Z204 ／ Z205 催化剂， 更换后二段转化炉出口甲烷含量明显下
kmol ／ h，生 成 H2 就 会 减 少 20 kmol ／ h，同 时 合 成 系 统要弛放掉增加的 5 kmol ／ h 的甲烷， 还会带出 25
降，并有着很好的稳定性，2008 年底出口甲烷含量 也逐步上升。
二段转化炉出口残余甲烷含量对系统的产量
kmol ／ h 的 H2（弛放气中 H2 ／ CH4 约为 5：1），总共损 失 H2 达到 45 kmol ／ h，折合成氨产量为 12．24 t ／ d。
与消耗定额影响颇大。 出口甲烷含量高，不仅这一 3 与其他厂二段转化炉催化剂运行周期对比
部分甲烷没有转化， 而且合成工序必须加大惰气
关键词：二段转化炉 催化剂 使用寿命 对比
中海石油化学股份有限公司一期合成氨装置 由日本千代田公司成套引进，设计年产 30 万吨合 成 氨 ，以 天 然 气 为 原 料 ，采 用 英 国 ICI－AMV 合 成 氨技术。 二段转化炉采用的是竖井式炉，加入 20％ 的过量空气，目的在于将一段转化炉的负荷后移， 达到节能和节省设备投资的目的［1］。 本文对二段转 化炉装填的催化剂进行评估和对比，分析其寿命， 判断是否需要更换催化剂。