缩短转化系统氮气循环升温时间的探讨

程 江

（海洋石油富岛有限公司，海南 东方 572600）

0 引 言

海洋石油富岛有限公司化肥一期合成氨装置采用ICI-AMV工艺，以天然气为原料气，设计合成氨产能为1000t/d；其转化系统主要包括预转化炉、一段转化炉（一段炉）、二段转化炉（二段炉）等设备。一期合成氨装置自1996年10月投产以来，总体运行稳定、能耗低。

一期合成氨装置自原始开车以来，在转化系统冷态开车氮气循环升温的过程中，需将预转化炉、一段炉、二段炉、高温变换炉之催化剂床层从常温预热到一定的温度，以便下一步导入蒸汽（预转化炉除外）进行升温时不会产生冷凝水。实际生产中，转化系统冷态升温时间长，延长了合成氨装置停车后重启恢复生产的时间，且存在冷态升温过程天然气和精制水消耗大等问题。

1 转化系统氮气循环升温流程简介

转化系统氮气循环升温动力源为外置氮气压缩机，预转化炉、一段炉、二段炉及变换系统高温变换炉升温，称之为大氮循环升温（此为气头合成氨企业的通俗称谓）；而低温变换炉升温单独进行，在一段炉蒸汽升温和化工投料前完成，称之为小氮循环升温。由于在串低温变换炉时转化系统已经升温至开车串入温度，不影响开车进度，故转化系统的冷态升温时间只考虑大氮循环升温时间。大氮循环升温所需热量由一段炉烧嘴提供，小氮循环升温所需热量则由中压蒸汽换热器（04-E101）提供。

转化系统氮气循环升温流程如图1（图中：MPSTEAM—中压蒸汽；NGLINE—混合原料气；WCS—循环冷却水上水；WCR—循环冷却水回水；START-UPH2——还原用氢气）。离开氮气压缩机（04-K101）的氮气，从工艺天然气和蒸汽的混配站进入转化系统，经混合气盘管（03-B002E01A）进入预转化炉（03A-R001），然后进入混合气盘管（03-B002E01B），再进入一段炉（03-B001）；一段炉为侧烧炉，由烧嘴燃烧外热法加热转化管，从而对流通的氮气进行加热，设置有进口温度（TR03012）和出口温度（TC03020）作为控制参数。离开一段炉的氮气依次经过二段炉 （03-R001）、第一废锅 （03-E001）、高压蒸汽预热器（03-E002）、高压蒸汽第一预热器 （03A-E003）、高温变换炉 （04-R001）、第二废锅（04-E001）、锅炉给水预热器（04-E002）、低温变换炉入口分离器（04-F001）后回到氮气压缩机（04-K101）入口。第一废锅（03-E001）和高压蒸汽预热器（03-E002）分别设置手操器旁路阀（HV03004）和工艺气出口温度控制阀 （TV03023），高压蒸汽第一预热器（03A-E003）设置的旁路由现场手动阀控制。氮气压缩机（04-K101）设置氮气循环压差旁路控制阀 （PDC04012），目的是保证氮气压缩机（04-K101）的自循环和控制氮气循环压力。转化系统正常运行时，工艺天然气也是从混合气盘管 （03-B002E01A） 进入预转化炉 （03AR001），与氮气循环升温流程一致，一直到低温变换炉入口分离器（04-F001），然后进入低温变换炉（04-R002），再进入脱碳系统。

图1 转化系统氮气循环升温流程简图

2 氮气循环升温工艺指标及设备性能参数

（1）氮气循环升温过程中的主要工艺指标：氮气循环升温从常温开始，升温速率＜30℃/h［以一段炉出口温度（TC03020）为准］；结束时，一段炉出口温度（TC03020）400～450℃，高温变换炉催化剂床层温度≥200℃。

（2）氮气压缩机（04-K101）性能参数：氮气压缩机为罗茨风机，由电机驱动，驱动电机转速为735r/min，设计流量16500m3/h，进口温度50℃、出口温度70℃，进口压力0.5MPa、出口压力0.6MPa。

3 问题分析

本合成氨装置开车过程中，氮气循环升温耗时较长，冷态升温耗时约25～28h，占整个系统开车时长比例大，而每次升温主要存在的问题是高温变换催化剂床层升温慢。经观察，一段炉出口温度达工艺指标后，还需4～6h继续进行高温变换催化剂床层的升温。因此，高温变换催化剂升温成为每次冷态开车氮气循环升温阶段最关键的控制步骤。

氮气循环升温过程无任何化学反应，升温的热量由一段炉烧嘴燃料气的燃烧提供。高温变换催化剂装填量为43m3，而目前氮气压缩机（04-K101）由于服役时间较长，设备性能下降，打气量已不能达到设计值，而高温变换催化剂远离热源，要提高升温速率，在保持相对偏小的空速下，需考虑把更多的热量通过氮气带至高温变换催化剂床层才行。从工艺流程（如图1）来看，高温循环氮气要分别经过第一废锅（03-E001）、高压蒸汽预热器（03-E002）、高压蒸汽第一预热器（03A-E003）；其中，第一废锅（03-E001）中的炉水吸收热量产生饱和蒸汽，高压蒸汽预热器（03-E002）、高压蒸汽第一预热器 （03AE003）中的饱和蒸汽吸收热量变为过热蒸汽，如何减少这3台换热器中的介质，以减少蒸汽侧吸收循环氮气的热量，是调控高温变换催化剂床层升温速率的关键。

最近一次氮气循环升温操作过程中，2020年10月13日17：17氮气循环升温结束时，主控流程显示第一废锅出口工艺气温度（TI03023）为247.8℃、高压蒸汽第一预热器出口工艺气温度（TI03310）为218.6℃、高温变换炉入口工艺气温度（TI04001）为220.3℃。可以看出，欲让高温变换炉催化剂床层温度＞200℃，即需要在氮气循环升温时保证高温变换炉入口工艺气温度（TI04001）＞220℃、第一废锅出口工艺气温度（TI03023）＞250℃。

4 优化改进措施

针对转化系统冷态开车氮气循环升温耗时长的问题，在符合操作规程的前提下，探索最优的操作方法，以期节约转化系统氮气循环升温时间4h。梳理与总结过去多次大氮循环升温不同的操作方法，可采取以下优化改进措施。

4.1 氮气循环量控制

氮气循环升温时，控制氮气循环量＞16000 m3/h，即氮气压缩机（04-K101）设置的氮气循环压差旁路控制阀 （PDC04012）投自动时，PDC04012开度不可过大，开度过大时进入转化系统的氮气量减少，载热量少，不利于系统升温；但开度也不宜过小，因为氮气压缩机出口安全阀设定压力为0.8MPa，PDC04012开度过小或全关容易触发安全阀启跳。同时，控制氮气循环入口压力在0.48～0.50MPa为宜，PDC04012投自动给定为0.10MPa。以往曾经控制氮气循环入口压力在0.55～0.60MPa、PDC04012投自动给定在0.12～0.13MPa，氮气压缩机出口安全阀易启跳，对氮气循环升温造成很大影响。

4.2 减少03-E001蒸汽侧吸热量

通过操作总结，氮气循环升温过程中全开手操器旁路阀（HV03004）和工艺气出口温度控制阀（TV03023），可减少第一废锅（03-E001）炉水吸热量，这样一来更多的热量可以由氮气载入高温变换炉催化剂床层，当第一废锅出口工艺气温度（TI03023）达到380℃、高温变换炉催化剂床层温度＞370℃时，工艺气出口温度控制阀（TV03023）视温度情况逐渐小幅度多次回关，此时已经转为蒸汽升温阶段。氮气循环升温结束时一段炉烟气温度在515℃左右，一段炉烟气温度高，为保护一段炉对流段各组盘管，需要通过回关手操器旁路阀（HV03004）让汽包产生蒸汽流通经过8英寸放空管。以往一段炉氮气循环升温都是过早回关手操器旁路阀（HV03004）和工艺气出口温度控制阀（TV03023）为高压汽包提温提压，此举易导致转化系统氮气循环升温耗时长且实际意义不大。工艺操作优化后，手操器旁路阀（HV03004）的回关条件是：高压汽包压力＞0.2MPa，蒸汽已导至8英寸主放空管。

4.3 减少03-E002与03A-E003蒸汽侧吸热量

升温过程中，当高压汽包压力达到0.2 MPa、蒸汽已导至8英寸主放空管放空时，才回关手操器旁路阀（HV03004）和工艺气出口温度控制阀（TV03023）为高压汽包提温提压，不宜过早提高高压汽包压力，因为过早提压，饱和蒸汽通过高压蒸汽第一预热器（03A-E003）、高压蒸汽预热器（03-E002）蒸汽侧吸热，会使进入高温变换炉的氮气载热损失大。当高压汽包压力＞0.15MPa时，才开高压汽包至一段炉高压管线暖管导淋排液，这是因为提前暖管亦会带来氮气载热损失。以往的操作中，蒸汽升温中后期才将蒸汽导至8英寸主放空管放空。

4.4 蒸汽系统的调整

在建立中低压蒸汽管网后，往脱氧槽尽可能多地加入低压蒸汽，以提高锅炉给水上水温度，减少第一废锅（03-E001）炉水吸热量。高压汽包间断使用小旁路阀上水，关闭高压汽包导淋，这是因为导淋排放的是热的炉水，用温度较低的锅炉给水上水补充会降低高压汽包内炉水的温度，导致第一废锅（03-E001）吸收的氮气载热量增多。以往在氮气循环升温初期就打开高压汽包导淋，这样做完全没有必要。

4.5 一段炉的操作控制

一段炉烧嘴控制为保持低背压、多投用烧嘴。进行氮气循环升温时，一段炉出口工艺气温度（TC03020）上升过缓时，主控人员可通过调整一段炉燃料气压力控制阀（PV03001）增加燃料气量，以提升系统升温速率。

氮气循环升温阶段遇到操作人员交接班或吃饭时，应做好协调安排，或者提前多投用烧嘴，由此主控可通过增加燃料气量来控制温升速率，不会因操作人员交接班或吃饭而影响氮气循环升温进度。以往由于未能进行统筹协调，需现场操作人员频繁进行调整及增加点燃烧嘴数量，导致系统升温速率受到影响。

5 结束语

通过对转化系统冷态开车耗时过长问题的分析与探讨，找到了节省系统开车时长可能存在的优化空间，在后续两次转化系统冷态开车中，氮气循环升温环节平均节约用时4h左右，即在操作规程许可范围内及保证生产设备安全运行的前提下，验证了上述氮气循环升温环节省时间的操作优化措施的有效性，达到了缩短合成氨装置开车时间的目的，预计每次开车过程可节约成本10万元，为企业的节能减排与系统的经济运行做出了一点贡献。今后，我们将进一步研究整套合成氨装置冷态、热态开车过程的操作优化，助力系统的优质运行。