节能型全径向串塔新工艺技术工作报告 节能型全径向串塔新工艺技术工作报告

1    概况
      山东瑞星化工有限公司（以下简称瑞星公司）原有φ1800mm、φ1400mm及φ800mm三套氨合成系统，合成氨生产能力已达到30万吨，原有φ1800氨合成系统最高稳定负荷为520吨/天。为了挖掘原有系统生产潜力、通过增产进一步实现节能降耗，并形成年产36万吨合成氨的总能力，通过调研比较，决定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“节能型全径向串塔氨合成新工艺” （以下简称“串塔工艺”）对原有φ1800氨合成系统进行增产改造，即在原有废热锅炉后、塔前换热器前串入一台GC型φ1800全径向氨合成塔及另一台废热锅炉，原来各设备的工艺条件基本不变，并委托国昌公司进行改造部分的工程设计和GC型全径向氨合成塔内件的设计和制造。改造工程完成后，于2006年4月8日并入系统运行，实际运行结果表明，“节能型全径向串塔氨合成新工艺”的首次工业化运行是成功的，此次技术改造不仅投资少、建设周期短、见效快，而且增产与降耗的幅度相当大，经济效益十分明显，超过了预期的增产降耗目标，且当年改造，当年投产，当年见效。
2   设计条件
      根据瑞星公司提出的设计要求：按年生产330天计，日产大于165吨氨，改造部分的阻力不大于0.6MPa。新增的2#废热锅炉与原有1#废热锅炉尺寸基本相同，在原有水冷器的基础上新增两组水冷排。
      2.1 新鲜气量组成（%）                                 
                    

H2	N2	CH4+Ar
74～75	24～25	～1

                                  循环量Nm3/h：                 ～300000
      2.2  1# 合成塔入塔气组分（%）
                  

H2	N2	CH4	NH3	Ar
53.2	20.46	17.4	2.56	6.38

      2.3  2# 合成塔入塔气组分（%）
                    

H2	N2	CH4	NH3	Ar
42.9	17.46	19.23	13.36	7.05

                      生产能力t/d：                ≥165
                      入塔压力MPa                   25.08
                     入塔气量Nm3/h：               ～271400
                     塔阻力MPa：                  ≤0.35
                     系统增加阻力MPa：            ≤0.6
                     催化剂层同柱面温度℃：        ≤15
3 节能型全径向串塔工艺的特点
3.1 串塔工艺流程及说明
       节能型全径向串塔工艺流程如图1所示：

                                         图1 串塔工艺流程简图
      循环气经循环压缩机加压至25～26MPa后，进入原有1#氨合成塔进行氨合成反应，反应后出来的气体（～304.5℃）进入原有1#废热锅炉，副产1.1～1.3MPa的中压饱和蒸汽，1#废锅出口气体约195℃进入新增的2#氨合成塔，经下部换热器加热后，进入催化剂床层反应，反应气体换热后（～245℃）出塔进入新增的2#废热锅炉，副产1.1～1.3MPa饱和蒸汽后，降至195℃左右，再进入原合成系统的热交换器、水冷器等冷却分离设备，分离出产品氨后，循环气重新返回循环压缩机，进入下一循环。

3.2 串塔工艺的关键技术
      在氨合成装置中，氨合成塔是整个装置的核心，当操作条件基本确定之后，氨的净值和产量与氨合成塔的结构及所装填的催化剂量及其性能有决定性的关系。
3.2.1要解决下列关键技术问题
      ⑴ 解决在高氨浓度下如何促进氨合成反应的问题
在氨合成反应中，氨是反应生成物，由式(3-1)：
                                  (3-1)  

      可以看出，氨的浓度对氨合成反应的平衡常数有很大的影响。
根据瑞星公司提供的工艺条件，进入1#、2#氨合成塔的气体组成为：
                 表1    进入1#、2#氨合成塔气体组成和压力

项目 位置	气体组成，%					总压力，MPa
	H2	N2	NH3	CH4	Ar
一塔进口Yi	53.20%	20.46%	2.56%	17.40%	6.38%
一塔进口Pi	13.699	5.268	0.659	4.481	1.643	25.75
二塔进口Yi	42.90%	17.46%	13.36%	19.23%	7.05%
二塔进口Pi	10.759	4.379	3.351	4.823	1.768	25.08

      根据式(3-1)可计算出：1#氨合成塔的平衡常数KP为0.0056449，而2#塔则为0.04503773，相差将近一个数量级。因此如何保证在2#氨合成塔中增加的氨净值达到设计要求是一个首要解决的关键技术问题。
      ⑵ 解决阻力的问题
      由于新增一个氨合成塔和相应的废热锅炉，系统的阻力必然增大，如果阻力增长过大，必然会受循环机原有能力限制而影响到循环气量的增加，进而影响扩能改造效果。如何优化设计、控制系统阻力的增长，尽可能降低合成塔的阻力，是串塔工艺的又一个关键技术。这与合成塔内件的选型有直接关系，一般轴向或轴、径多层结构的合成塔阻力0.5～0.8MPa，而采用全径向结构合成塔的阻力仅为0.2～0.3 MPa。
      ⑶ 串塔的热量平衡及分配问题
      由于增加一个合成塔及一台废热锅炉，改造后原有合成圈的热量平衡被打破，而且2#合成塔的小部分反应热由环隙冷却气（一出气）带至1#合成塔回路，这样，改造设计必须考虑新系统热量平衡及分配问题，尤其是2#合成塔的热平衡。
      ⑷ 解决多种工况下的操作问题
      实现串塔后，由于两个氨合成塔的操作条件不同，催化剂的使用周期也不相同，可能存在一个氨合成塔的催化剂的活性已衰退，必须进行更换，而另一个氨合成塔的催化剂性能仍然十分良好，这时当更换催化剂的氨合成塔进行还原时，将会对另一个合成塔的催化剂产生不良的影响，C•F•Braun流程的某厂，就曾因第一个合成塔（R5）更换催化剂，还原后的水汽带入后面两个合成塔（R6、R7），连续影响三个月的生产。因而确保不同工况下，系统均能正常操作是串塔工艺的一个关键问题。
      3.2.2技术问题的设计对策
      解决上述技术问题主要从氨合成塔内件的结构、催化剂的选择和工艺流程的特殊设计方面来优化考虑。根据瑞星公司提供的原有1#氨合成塔有关运行数据，可计算出2#合成塔的设计条件如表2：
                              表2   2#合成塔设计条件
   

	压力MPa	循环气量 Nm3/h	温度 ℃	气体组成,%
				H2	N2	NH3	CH4	Ar
2#塔入口	25.08	271400	192	42.9	17.46	13.36	19.23	7.05
2#塔出口	24.73	262150	245	38.97	16.44	17.38	19.91	7.30
2#塔产量t/d	≥165t/d(增产～30%)

      ⑴ 2#氨合成塔内件进行特殊设计。选用国昌公司的φ1800mmGC-R002Y型氨合成塔内件，由全径向催化剂筐和一个下部换热器构成，催化剂筐分成上、下两段，下部换热器是列管式的。选用分上、下两段床层的径向结构，目的在于使气体多次折流，气固相得到更好地接触，更有利于氨合成反应的进行，同时配用低温、高活性的小粒度催化剂，从而提高了催化剂的活性系数，充分有利于氨的合成反应，以有利于提高氨净值。采用全径向结构，可以大大降低催化剂床层的阻力，合成塔的阻力得到有效控制。
      ⑵ 优化催化剂选型。催化剂量增加，就可以进一步深化合成反应。如何把氨净值再提高3%～5%呢？催化剂的选择是一个重要问题，不同的催化剂具有不同的性能，其动力学数据对催化反应具有很大的影响，特别是催化剂的频率因子和活化能，对催化剂的使用温度和反应的进行均有关键的影响，国昌公司以在国内外具有权威性的“REACTOR”氨合成反应器计算程序为蓝本，结合我国不同催化剂的动力学反应方程式，根据国昌公司长期的丰富经验，对催化剂的类型进行选择，优选出最适宜的催化剂型号，并计算得出塔内反应所需催化剂数量。
       经过细致研究和反复计算，我们选用小颗粒预还原催化剂低温型氨合成催化剂，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。
      ⑶ 由于进入2#塔的氨浓度较高，氨合成反应相对接近平衡，其氨合成反应热较少，为了保证进入催化剂层气体的温度，在塔内换热器的结构上进行了精心的设计，设置了大传热面积和冷副线，以确保零米温度的可调性。同时，还在1#塔出口设置一条至2#塔入口附设限流孔板的副线，以满足2#塔催化剂使用后期提高床层进口温度的需要,保证串塔回路的热平衡。
      ⑷ 1#合成塔和2#合成塔催化剂的使用寿命不相同，为方便两塔催化剂的更换和升温还原操作，设计了两根工艺副线：1#废锅进出口副线（调节2#合成塔进口温度）和1#废锅到热交进口的一条副线，以满足不同工况下的特殊操作要求。
4   GC型氨合成塔主要技术参数
      4.1  2#合成塔的结构
      2#氨合成塔是冷壁式全径向结构，由高压外筒和内件组成。全径向氨合成塔内件由南京国昌化工科技有限公司设计制造，由一个催化剂筐与下部换热器构成，催化剂筐设计为一个径向层，但结构上分为两段，使反应气体经多次折流，与整个催化剂层相接触，更加有利于氨合成反应，而阻力依然较低；下部换热器为列管式，结构简单可靠。由于采用一床层的结构、内件的催化剂采用可以自卸的技术，使设备结构简单可靠、操作方便，减少操作费用。
      4.2  2#合成塔内的气体流程
      部分循环机出口的冷循环气（～45℃）由塔上部一进口入塔，沿外筒与内件的环隙自上而下冷却塔壁后，由塔底一出口出塔去塔前换热器。
      1#废锅来的、～192℃合成气由底部二进口入2#塔，经下部换热器壳程加热至380～395℃，从中心管至催化剂零米层，由径向自外向里流过第一径向层，进行氨合成反应，然后集中到中心集气套管并向下流至第二径向层的分气管，再自里向外流过第二径向催化剂层，反应后气体温度升至430～450℃；反应气离开催化剂床层后，经下部换热器管内冷却，温度降至～245℃出塔，去2#废锅回收工艺余热。

4.3 全径向氨合成塔的技术参数                                                                      表3  全径向氨合成塔的技术参数                参数 生产能力,t/d ≥165 塔径,mm φ1800 塔高,mm 18000 结构形式 两层径向,下部换热器 催化剂装填量,m3 ～24 设计压力,MPa 31.4 合成塔阻力, MPa ≤0.35       4.4 新增设备表                                                                表4   新增设备表                      序号 名  称 规   格 数量 备  注 1 氨合成塔外壳 φ1800  H净=18000 1 2 氨合成塔内件 φ1800  V催=24m3 1 3 废热锅炉 φ2200/φ2600  F中=218m2 1 同原有废锅！ 4 水冷器（淋洒） F中=240m2 2 5  催化剂还原技术            由于预还原催化剂还原时间短，理论总出水量仅1.5吨左右，不影响液氨的使用。为了尽可能的不影响系统正常生产，经认真研究和论证，2#塔的升温还原操作采用“1#塔降压生产、2#塔同步还原”技术方案，在还原过程中1#塔的操作温度保持正常。 在压力～17MPa下，2#塔开始送电，8个小时后2#塔催化剂表面达～240℃时，分析水汽浓度为0.4g/Nm3，此时压力为～13.4MPa，流量为～155000Nm3/h，H2浓度为～64%，说明此时催化剂的出水量已十分明显。       在上述条件下，催化剂床层的温度顺利地升至～410℃后，通过调整压力，减少入塔气量和提高电炉功率，使催化剂床层温度上升至～450℃，通过降低压力，调整H2/N2比例、控制2#塔一出温度及提高1#废锅蒸汽压力的措施，使上层温度提高到～491℃。下层温度也逐渐提高，底部温度最终达到480℃以上达6个小时，还原结束。在整个还原过程中，塔内件及整个系统均十分正常。 6  运行效果      串塔新工艺投入运行后，获得十分良好的经济效果，主要表现在以下几个方面（2#塔的设计与运行指标比较见表5、改造后实际运行数据见表7）：       6.1 产量明显提高37.8%       使用串塔新工艺后，氨产量大幅度提高，根据2006年5月25日0：00时报表记 录数据，入塔气量356900Nm3/h的情况下，氨产量提高到751 tNH3/d，其中1#塔产量545t NH3/d，2#塔产量206t NH3/d，即2#塔使总产量提高了37.8%，增产十分明显。                                   表5   设计与运行技术指标比较        参  数 设  计  值 实际运行数据 2#塔生产能力,t/d ≥165 206 2#塔入塔气量,Nm3/h 271400 325589 2#塔操作压力, MPa 25.08 29.5 2#塔阻力, MPa ≤0.35 0.2 系统增加阻力, MPa ≤0.6 0.3（总阻力降低～0.2） 催化剂同柱面温差,℃ ≤15 9       6.2 氨净值提高4.02%      由冷交换器冷气入口-3℃、压力28.9MPa，计算可得出y入=2.92%。根据实际运行数据计算的塔前热交换器的热量平衡数据见表6。                                                表6   热交的热量平衡表     流量, Nm3/h 温度,℃ 压力, MPa 热进 315974 191 29.2 热出 315974 108 冷进 266600 78（计算值） 冷出 266600 181 30        查上述操作报表，循环机油分出口温度为48℃，热交换器进口冷气温升至78℃系由2#塔环隙气（一出气）带出的热量所致，经计算，这部分热量可使2#塔出口气温升高20℃左右；再由2#塔二进操作温度197℃、二出操作温度238℃，可计算出2#塔实际氨合成反应放热可使塔内绝热温升达到61℃，氨净值在4%以上，1#塔出口氨含量为12.33%时，2#塔出口氨含量为16.35%。                                             表7  运行的一组典型数据 合成塔 位置 气量 Nm3/h 温度 ℃ 压力MPa 惰性气含量% 氨含量 % 一层 二层 三层 一塔进口 356900 413 424 415 30.0 19.08 2.92 一塔出口 327284 426 472 460 29.7 20.9 12.33 二塔进口 327284 381 416 ----- 29.5 20.9 12.33 二塔出口 315974 416 431 ----- 29.3 21.69 16.35      6.3 系统阻力减少0.2MPa以上      串塔工艺增加了一台氨合成塔和一台废热锅炉，原来曾担心因设备的增加使系统的阻力增加，用户曾提出整个系统的阻力的增加小于0.6MPa的要求。在实际运行中2#氨合成塔的气量达325589Nm3/h时，2#氨合成塔的阻力仅为0.2MPa，2#废热锅炉为0.1MPa。而原系统阻力为1.2～1.5 MPa，串塔后进入分离系统的气量减少使系统阻力减少到1.0～1.2 MPa。       6.4 能耗降低30%       由于系统阻力减少0.2MPa左右，而氨净值提高后，2#塔出塔气量减少，同时因提高氨净值而增加的氨量在水冷器中已被冷凝，故循环机与冰机总电耗在改造前后基本相等，在生产实践中，改造前后循环机与冰机开用台数相同，但产量提高了30%以上，故吨氨耗循环机与冰机的功耗下降30%左右。       6.5 投资省30%、建设周期缩短一半       采用串塔工艺，与新建装置相比，具有投资省、建设周期短、见效快的特点，以山东东平瑞星公司的串塔工程为例，利用原有设备、合成塔框架等，不但对现有生产系统的影响很小，而且原有的设施得到充分的利用，使投资的费用低于其它扩大生产规模的方案，节省30%以上。由于工程量较少，占地面积小，可以利用原有的生产设备的空隙地方插入，避免了征地等的麻烦，加上精心的布置，新增的设备与原来设备连接十分紧凑，现场施工量减少，因此建设周期大大缩短，从设计施工至投产仅用不到一年的时间，不到新建一套装置时间的一半。 见效快的另一个方面是由于精心的设计，包括氨合塔内件、整个工艺的配置、催化剂的选型、升温还原方案等，使当催化剂还原结束后，便可立刻投入生产，瑞星公司的串塔工艺，在催化剂还原结束后的第三天，负荷就大幅度提高，补充气由原来的63500Nm3/h增加到88000Nm3/h。       7  结论      7.1  实践证明：串塔新工艺在合成氨系统增产节能改造中，符合当前国家提出的“节能降耗、提高产能比”的政策要求，对合成氨工业的发展有重大的意义，是一种值得推广应用的节能新工艺。      7.2  串塔工艺出口氨净值提高3%～5%、在不增加循环量的同时把产量提高30%以上、全径向合成塔阻力只有0.2 MPa、能耗下降30%左右，其经济效益十分明显。      7.3  串塔工艺可以降低系统的阻力，因此，循环机的功耗没有明显增加，有利于提高循环量来达到提高氨产量的目的。      7.4  串塔工艺调节方便，操作、运行稳定。      7.5 采用全径向结构内件是串塔工艺的核心，国昌公司具有自主知识产权的GC-R002Y型氨合成塔内件，可以满足串塔工艺的特殊要求，不仅系统阻力增加较小，而且由于采用独特的专利技术—不均匀开孔的多孔板及鱼鳞版二次分布器结构，气体分布均匀，同柱面温差仅为9℃，明显低于国内其它类型径向段的温差，与国外大型氨塔同柱面温差8℃相比，十分接近，使催化剂活性得到充分利用，从而可保证氨净值增加3%～5%。