ⅢJD-2000型Φ2500氨合成塔及合成系统运行总结

闫江涛,马瑞芳,乔小斌

(河南心连心化肥有限公司,河南新乡 453731)

河南心连心化肥有限公司“24·40”(24万t/a合成氨40万t/a尿素)工程于2009年4月15日一次投产成功,并于2009年5月达产达标,同年8月,合成氨产量稳定在900 t/d,副产甲醇167 t/d,最高日产合成氨921.597 t/d。氨合成工段采用湖南安淳高新科技有限公司设计的ⅢJD-2000型Φ2500氨合成塔及合成系统,在我一、二分公司采用湖南安淳Φ1800、Φ2000合成氨系统的基础上,对合成塔内件、蒸汽过热器、废锅等多个关键设备进行优化,使合成系统的运行压力降至18 MPa以下,同时实现了低压联醇烃化,节电效果更加明显,吨氨综合消耗将比老装置节约40 kg标煤,是煤造气生产合成氨工艺的又一大进步。

1 工艺流程及主要设备

1.1 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成塔内件结构

氨合成塔内件是由一个直形异径冷管束、一个气体混合分布器和一个分气筒,把触媒床分成一轴两径,三个绝热段,一个内冷段,净空高度22 m,触媒容积68 m3,径向段占整个触媒床层的80%。采用分流工艺,床层上下直通,触媒可以自卸。

1.2 塔内流程

含氨2%未反应气体分两股进塔。一股25%～30%的未反应冷气,由合成塔下部环隙进入,由下而上,在塔顶引出,汇合塔外热交换器加热的10% ～15%的热气,再进冷管束。在冷管加热后,直接由上升管进入催化剂床“0”米。另一股65% ～70%的气体经由塔外热交换器加热至175～190℃,其中50%～60%进塔内下部换热器管内,与出塔气体换热,后进上部换热器的管内,与出混合分布器的气体换热,加热至370℃,从换热器与中心管之间的环隙、向下翻进中心管,经中心管进入催化剂床“0”米,与冷管束出来的未反应气体汇合,进入上绝热层反应。反应后的气体经由混合分布器进入塔内上换热器管间冷却,进入第二层径向绝热反应,再径向进入内冷层反应。然后进入第二、三层径向筐与内件的内壁环隙由上而下,被塔内外筒环隙冷气冷却,进入第三层,径向绝热反应,再进入塔内下换热器管间,被管内冷气冷却至350℃出塔。

1.3 合成系统工艺流程

循环机出口的气体经油分分离后,气体分两股进塔:一股约30%的分流气体直接进入段间冷却器。这股气体有两部分组成:一是由循环机出口油分出来的约10%的冷气(30℃左右),由塔下部环隙进入(这股气主要控制塔壁温度),由下而上,在塔顶部引出;二是塔外热交换器加热的约20%的冷气(190℃左右),两部分气体在塔顶汇合后经金属软管引进段间冷却器,被加热后到达触媒表面。

另一股约62%的由塔外热交换器加热的未反应冷气,进塔下部换热器管内,再进塔中部换热器管内,气体加热到360～410℃,经中心管达到触媒表面,与段间冷却器而来的分流气混合,进入上绝热层反应,在混合分布器Ⅱ中,与油分来的8%的冷气混合后,进入第二绝热层反应,在混合分布器Ⅰ的作用下进入塔中部换热器管间,再径向流过塔中部内冷层反应。从中部径向筐与内筒的环隙向下,在底部从圆周向中心方向径向通过下绝热层反应,最后进入下部换热器管间,由上而下,折流出塔,出塔气体温度降到350～370℃。出塔气经蒸汽过热器、废热锅炉进入热交换器管内(上进下出),进入软水加热器、水冷器,水冷出来的气体进冷交的管间(上进上出),在冷交与管内冷气换热并分离氨后,进入一级氨冷却器,降至-3℃左右进入二级氨冷却器,再次降温至-10℃左右与烃化水分出来的新鲜气汇合,进入氨分,分离液氨后进冷交管内(下进上出),与管间水冷来的气体进行换热,温度提高到18℃左右进入循环机,开始新的一轮循环。

1.4 主要设备

表1 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成系统主要设备参数

2 催化剂升温还原

2.1 催化剂的装填

本炉催化剂采用山东临朐大祥精细化工有限公司生产的DNCA型(A207)氨合成催化剂,共装填194.1 t。催化剂具体装填粒度分布见表2。

2.2 催化剂升温还原情况

根据Φ2 500氨合成塔结构特点,控制好主线气和分流气流量分配,保证塔壁温度在指标范围内。通过控制层间冷激气,进塔底副线气体,三层冷管气体流量以及通过控制循环气量,控制好升温各层的升温速率,实现分段还原。各层催化剂依次经过升温期、还原初期、还原主期、还原末期4个阶段,还原过程按照“三高三低”(即高空速、高氢含量、高电炉功率和低水汽浓度、低温度、低氨冷温度)的原则。轴向层升温时应保证触媒零米温度提到480℃以上,尽可能在低温、低压下多出水,以期触媒彻底还原。

表2 催化剂具体装填粒度分布

Φ2500合成系统于2009年3月28日上午8:15系统充压至0.5 MPa,启2#、3#循环机,测试合成塔电炉绝缘合格。9:40系统充压至5.07 MPa开始送电升温。380～460℃时轴向层DNCA催化剂进入主还原期,轴向段温度达到490℃后,提轴向段温度的同时,依次提第二、三、四层温度进入主还原期,由于本次升温还原与系统生产同时进行,在还原的前64 h,循环氢控制在75% ～80%,后逐渐降低至72% ～76%,水汽浓度控制在2.0 mg/m3以下,历时260 h,于4月7日16:30,最底层各点温度均达到490℃以上超过8 h,水汽浓度连续5次检测小于0.1 mg/m3,整个升温还原结束,转入轻负荷运行。

3 ⅢJD-2000型Φ2500氨合成系统特点

①反应气出塔温度高达380℃,出塔气体反应热多级利用,并产生中压(2.5～3.9 MPa)过热蒸汽(300～360℃),即出塔经过蒸汽过热器、蒸汽发生器、软水加热器,利用出塔气体热量将软水逐级加热,最后产生过热蒸汽。出软水加热器后,反应气降温至50～60℃,可采用风冷降温至40℃,达到节水目的。②采用两级氨冷:一级氨冷降温至3℃,二级氨冷降温至-11℃,氨含量可降2.76%,两级氨冷比只采用一级氨冷,节约冷冻量40%以上。③补气在氨冷之后:使进塔氨含量稀释至2.2% ～2.3%,即系统只降温至-11℃就可使进塔氨含量降至2.2%,对氨合成反应有利。④放空点设置在冷交出口,即循环机进口点,此处惰气浓度最高,压力最低,气体中氨都已分离,氨含量最低,放空气量少,放空气中带走氨最少。⑤设置20%未反应冷气经过内外筒环隙,使外筒处低温工况运行。未反应气三股分流进塔:20%从环隙,30%不经环隙,混合后形成50%进冷管,另外50%进塔内两个串接中间换热器,系统阻力小。

4 系统运行总结

升温还原时,氨浓度比较低,在冷交放氨管线上,配一临时管道向净氨塔排放,做成氨水,供烟气脱硫岗位开车用,避免了污染环境。同时又回收了稀氨水,降低了开车费用。Φ2500合成系统出塔设置蒸汽过热器,产2.73 MPa、321℃过热蒸汽,用于加热烃化气,节省烃化电炉的电耗,同时加热烃化气后,温度降至230℃可送变换,优化了反应热利用系统,提高了合成反应热利用率。自投入运行后,该装置产氨36.11 t/h(日产氨为866.6 t),进塔气量为420 806 Nm3/h,补充新鲜气101 470 Nm3/h,吨氨耗新鲜气2 810 Nm3,进塔气量/新气量为4.147,气体空速仅6 188.32 h-1,吨氨循环量很小。新鲜气中CH4含量为1.56%,循环气中甲烷含量控制在16%,系统运行压力为17～18 MPa,合成氨系统阻力为1.5 MPa,采用二级氨冷,大大降低了合成氨的综合电耗,与压力为26 MPa合成系统相比,吨氨电耗降低220～260 kW,节电效果明显。合成系统投资省、建设周期短、技术先进、成熟、节能、环保,装置运行稳定、操作弹性大,平均日产量560 t,最高日产量921.597 t(副产甲醇171 t),达到并超过了设计能力。

总之,Φ 2 500氨合成系统采用国内自主开发的最大直径2.5 m氨合成内件,使合成系统的运行压力再降至18 MPa以下,同时实现了低压联醇烃化,节能降耗效果更加明显,吨氨综合消耗将比老装置节约40 kg标煤,达到行业一流水平,同时也为国内氨合成内件的大型化提供了依据。