KBR氨合成塔催化剂筐损坏原因分析与处理

黄天江

(云南天安化工有限公司 云南安宁 650309)

KBR氨合成塔催化剂筐损坏原因分析与处理

黄天江

(云南天安化工有限公司 云南安宁 650309)

KBR卧式氨合成塔投产运行7年后发生了催化剂筐损坏等问题。通过对氨合成塔气体流向及结构分析，确定了催化剂筐损坏的位置，提前制定了大修方案。检修后，氨合成装置各项运行参数恢复正常，系统消耗大幅下降，与设计参数基本相符。

氨合成塔；催化剂筐；原因分析

云南天安化工有限公司合成氨装置的主工艺流程为：壳牌干煤粉气化→耐硫变换→林德低温甲醇洗→林德液氮洗→KBR氨合成，装置设计能力1 667 t/d。该装置于2005年4月开工建设，2008年6月投产。2015年6月，合成氨装置出现合成回路反应不正常现象，经诊断确认是催化剂筐损坏，并于2016年6月15日停车进行大修。

1 合成回路出现的问题及初步分析

该合成氨装置的氨合成回路在2015年以前基本正常。由于气化用煤与设计煤种偏差较大，受煤气化装置制气能力的制约，合成氨装置自投产以来平均负荷只能达到90%。在完成煤气化装置冷激气压缩机扩能改造后，自2015年1月开始，合成氨装置逐渐加满负荷，液氨日产量最高达到设计能力的102%。负荷增加后，氨合成回路压力逐渐上升，氨净值逐渐下降，循环气量远超设计值，有关运行数据见表1。

表1 2015年1月至6月合成系统运行数据

至2015年6月，合成塔催化剂已使用7年，同时在每次停车后再开车都会出现初始几天合成塔反应情况不好的现象，因此首先把催化剂活性下降作为主要考虑因素，并于2015年6月15日对合成塔运行工况进行调整。经3次调整，运行情况均无明显改善，基本现象是各催化剂床层温升很大、合成回路循环气量大、合成塔压力高，遂开始怀疑催化剂筐出现损坏而造成气体走短路。

2 KBR卧式合成塔工艺流程

KBR卧式合成塔为三床两换热器结构，合成塔除压力壳体外的其他部分被制造成完整的整体，即催化剂筐用轨道安装于压力壳体内，并用内部接管与外部工艺管道相连。KBR卧式合成塔内部结构及流程示意见图1。

经合成塔进出口换热器预热后的合成气分成三路进入合成塔，其中：B线经HV1044调节由后端封头进入合成塔，从催化剂筐与压力壳体之间的环隙流向合成塔前端，用以隔离催化剂筐与压力壳体，使塔壁保持在较低的温度，该股气体经内部管道引入1床出口换热器122- C1，经预热后到达1床入口；A线由HV1025调节，直接从前端封头进入合成塔，并由管道引至1床入口；C线气体也从后端封头进入合成塔，并经由内部管道引入2床出口换热器122- C2，换热后继续用管道引至1床入口。上述3股气体在1床入口混合均匀以后，依次经过1床、1床出口换热器122- C1、2床、2床出口换热器122- C2、3A床、3B床，最后出合成塔。

图1 KBR卧式合成塔内部结构及流程示意

3 KBR卧式合成塔热量平衡及运行工况分析

3.1 热量平衡分析

与传统的冷激式合成塔不同，KBR卧式氨合成塔为纯换热式合成塔，进合成塔的气体全部通过3个催化剂床层。由热平衡可知，在催化剂筐内部无泄漏的情况下，理论上3个床层的温升之和应等于合成塔温升。KBR卧式合成塔的设计参数为1床温升136.8 ℃、2床温升69.6 ℃、3床温升38.9 ℃，3个床层合计温升245.3 ℃。而合成塔设计进口气体温度为198.0 ℃，出口气体温度为441.5 ℃，合成塔设计温升为243.5 ℃，3个床层温升之和高于合成塔温升1.8 ℃，相对偏差0.73%。笔者认为此偏差并不是计算误差，而是考虑散热损失后的数据，同时合成塔净温升略低于3个床层温升之和，也说明散热损失导致温升减小。

通过对KBR卧式合成塔结构特点的分析可知，从各床层温升之和与合成塔总温升的偏差，结合系统压力、循环量的变化情况，可以准确判断合成塔是否存在内漏。

3.2 运行工况分析

为了分析合成塔是否存在内漏，收集了从2015年1月至6月合成塔温度数据，如表2所示。

从表2可看出：在5个月的时间内，1床和2床温升虽有上升趋势但幅度并不大，1床上升了5.56%，2床上升了6.89%，而3床温升增幅非常明显，从2015年1月5日到6月5日上升了99.78%；三床总温升从1月5日的266.1 ℃升至6月5日的325.8 ℃,增加幅度达22.4%；而合成塔温升变化趋势却相反，从1月5日的230.1 ℃下降至211.7 ℃，下降幅度达8.0%；三床总温升与合成塔温升的偏差从1月5日的15.6%上升至53.9%。

表2 2015年1月至6月合成塔温度数据

注：1)三床总温升为3个床层温升的累加值； 2)合成塔温升为合成气经过合成塔后的温升； 3)温升偏差为三床总温升与合成塔温升之间的偏差

该合成塔设计氨净值为16.73%，相应的合成塔温升为243.5 ℃，即每1%氨净值的温升为14.55 ℃。2015年6月，合成塔氨净值平均值在14.2%左右，据此可计算出合成塔实际温升应为206.7 ℃左右，与测量温升211.7 ℃基本吻合，而与3个床层累计温升偏差巨大。

4 催化剂筐损坏部位的分析判断

KBR卧式合成塔3个床层温升之和应近似等于合成塔进出口气体的温差，而实际偏差最高达53.9%。结合循环气量和合成塔压力大幅上升的实际情况，可以推断催化剂筐出现了内漏，并且从5个月内3个床层温升与合成塔温升之差不断扩大的趋势判断，内漏一直在发展。根据1床和2床温升基本没有变化，而3床温升大幅上升的情况，可以进一步推断通过1床和2床的气体均被旁路，3床温升大幅上升应是3床入口气体中氨含量被大幅稀释，加剧了3床反应的结果。因此，从主气流流向上看，泄漏的部位应发生在1床和2床之后。结合氨合成塔的结构，泄漏点应该在C线处于3床附近的部位，最大的可能是2#和3#膨胀节损坏。在此后的一次开车过程中，发现增大C线流量时造成3床垮温，这说明冷气体直接进入了3床，进一步确认了之前对泄漏部位的分析判断。

5 检查方案制定

在确定是催化剂筐损坏泄漏后，即开始着手制定合成塔检修方案。2016年6月15日，合成氨装置停车检修，18日开启后端封头人孔，发现C线进入封头处的1#膨胀节损坏。由于该膨胀节不在催化剂筐内，因此可在不抽催化剂筐的情况下更换膨胀节，将大大缩短检修时间，并节省更换催化剂费用。但仔细分析后发现，该膨胀节损坏后仅会造成环隙气体向C线泄漏(环隙压力高于C线压力)，与人为调整B线和C线之间的气体分配并没有本质差别，不符合泄漏点在C线上位于3床附近的推断，因此决定抽出催化剂筐并卸出催化剂。在抽出催化剂筐的过程中，陆续发现2#和3#膨胀节均已损坏。

6 损坏原因分析与修复过程

同一管线上3个膨胀节均损坏有些令人不可思议。由于该合成塔专利商并非第1次设计类似合成塔，设计存在问题的可能性不大，3个膨胀节都存在制造质量问题也过于牵强。结合3个膨胀节固定蝴蝶夹均有松脱的现象推断，膨胀节损坏的原因应是安装存在问题，致使蝴蝶夹在运行过程中因振动及热应力的作用而发生松脱，导致膨胀节出现泄漏，且泄漏的气量达到一定程度后振动加剧，造成膨胀节损坏。

在确定了膨胀节损坏的原因后，制定了具体的检修方案，即将固定膨胀节的蝴蝶夹紧固后，全部点焊固定，防止再次发生松脱。

7 处理效果

合成塔修复后，各项运行参数恢复正常，系统消耗大幅下降。合成塔修复后运行数据见表3。

表3 合成塔修复后运行数据

从表3可看出，合成塔检修后，循环气量大幅下降，合成塔温升大幅提高，与设计参数基本相符，表明检修完全成功。以2016年7月19日及8月17日的运行数据为例，根据合成塔温升计算的氨净值分别为17.54%和17.33%，实际分析得到的平均氨净值为17.20%，两者基本相符。3个床层累计温升比合成塔温升低了12.1%，因没有任何设备缺陷能够导致此种异常现象，应属于测量偏差，由于不影响本文的分析及结论，在此不进行讨论。

8 结语

在生产设备发生问题时，应进行全面系统的分析，制定经济可行的处理方案。以此次合成塔的分析处理为例，不仅在2015年大修准备阶段决定合成塔是否抽催化剂筐需要正确决策，而且发现1#膨胀节损坏后是否继续抽催化剂筐检查成了更大的“风险”决策。如果催化剂筐不存在问题，就只需更换1#膨胀节；如错误地抽出催化剂筐检查并更换催化剂，将损失10 d以上的生产时间，加上催化剂更换以及还原的费用，损失将达到数千万元。反之，如果存在其他方面的问题，仅更换1#膨胀节后就恢复开车，合成塔的问题根本没有解决，系统还将长期在低负荷、高消耗下运行，甚至被迫再次停车大修，损失将十分巨大。通过全面收集数据，并在掌握工艺、设备结构原理的基础上进行系统分析，可以把“风险”决策变成科学决策，给企业带来巨大的效益。

AnalysisofCausesofCatalystBasketDamageinKBRAmmoniaConverterandHandling

HUANG Tianjiang

(Yunnan Tian′an Chemical CO., Ltd., Anning 650309， China)

Seven years after KBR horizontal ammonia converter put into operation, problems of catalyst basket damage and others have arisen. Through analysis of gas flow direction and structure of the ammonia converter, the location of catalyst basket damage is determined and overhaul plan is made in advance. After the overhaul, all operating parameters have gone back to normal, system consumption reduces greatly, showing basically consistent with the design parameters.

ammonia converter; catalyst basket; cause analysis

黄天江(1962—)，男，硕士，高级工程师，长期从事合成氨及煤化工技术管理工作；1320393465@qq.com

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