王 翔(山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司 山西晉城048026)

ⅢJD- 3000型DN 2 400 mm氨合成系統(tǒng)運(yùn)行總結(jié)

王 翔
(山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司 山西晉城048026)

0 前言

山西天澤煤化工集團(tuán)股份公司的500 kt/a氨醇、400 kt/a尿素裝置于2008年10月投產(chǎn)。造氣系統(tǒng)采用常壓固定層間歇?dú)饣に?；后序系統(tǒng)采用單系統(tǒng)無(wú)飽和熱水塔段間噴水增濕全低溫變換、濕式栲膠脫硫、碳丙脫碳、JTL- 4精脫硫3.3 MPa 等壓凈化工藝；湖南安淳高新技術(shù)有限公司的13.0 MPa醇烴化原料氣精制及26.0 MPa、ⅢJD- 3000型氨合成塔節(jié)能工藝；尿素裝置采用CO2汽提工藝、大直徑塔式造粒；主要工藝過(guò)程全部DCS微機(jī)集中控制，設(shè)備全部國(guó)產(chǎn)化。

1 工藝流程與主要設(shè)備

1.1 工藝流程

氣體分2股進(jìn)塔，一股40%～45%(體積分?jǐn)?shù))的氣體直接進(jìn)入冷管束(段間冷卻器)。這股氣體由兩部分組成：①由循環(huán)機(jī)出口油分離器來(lái)的約15%(體積分?jǐn)?shù))的冷氣從合成塔下部環(huán)隙進(jìn)入，再由塔頂引出；②塔外熱交換器加熱的30%～35%(體積分?jǐn)?shù))的熱氣；兩部分氣體在塔頂匯合引進(jìn)冷管束，冷管束出來(lái)的氣體進(jìn)入催化劑床表面。

另一股約50%～55%(體積分?jǐn)?shù))的氣體為經(jīng)塔外熱交換器加熱的循環(huán)氣，進(jìn)入塔內(nèi)換熱器的下部換熱器管間，與出塔氣體換熱后進(jìn)上部換熱器管內(nèi)，再與出混合分布器的氣體換熱；然后流經(jīng)換熱器與中心管之間的環(huán)隙、從下部進(jìn)入中心管，經(jīng)中心管進(jìn)入催化劑表面與冷管束出來(lái)的氣體匯合，在上絕熱層反應(yīng)。反應(yīng)后的氣體在氣體混合分布器中與塔外引入的約5%(體積分?jǐn)?shù))的冷氣混合，進(jìn)入塔內(nèi)換熱器的上部換熱器管間，與進(jìn)塔氣體換熱后，從上部換熱器的殼程出去，從圓心向圓周方向、經(jīng)過(guò)徑向絕熱段催化劑層，徑向通過(guò)段間冷卻器。受支架套筒的作用，從中部徑向筐出來(lái)的氣體沿徑向筐與內(nèi)筒的環(huán)隙向下，由圓周方向通過(guò)下絕熱層流向徑向筐中心的換熱器，從換熱器殼程進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，由上而下與進(jìn)塔氣體換熱后溫度降至350～370 ℃，再出塔。

出塔氣直接進(jìn)廢熱鍋爐，降溫后進(jìn)熱交換器管內(nèi)(上進(jìn)下出)，與管間冷氣換熱后并聯(lián)進(jìn)入第1水冷器、第2水冷器，從2臺(tái)水冷器出來(lái)的氣體進(jìn)冷交換器的管間(上進(jìn)上出)，再與管內(nèi)冷氣換熱并分離液氨，然后依次進(jìn)入第1級(jí)氨冷器、第2級(jí)氨冷器，出第2級(jí)氨冷器的氣體與補(bǔ)氣油分離器出來(lái)的補(bǔ)充氣一起進(jìn)入臥式氨分離器分離液氨，然后進(jìn)冷交換器管內(nèi)(下進(jìn)上出)冷卻管間的熱氣體，溫度提高至20 ℃以上進(jìn)入循環(huán)機(jī)，開(kāi)始新的一輪循環(huán)。

1.2 主要設(shè)備

主要設(shè)備參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 工藝流程特點(diǎn)

(1)采用塔鍋一體直連結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生2.5～3.9 MPa 中壓蒸汽，反應(yīng)氣出塔溫度<400 ℃，塔后序設(shè)備和管道無(wú)需采用特殊的耐高溫抗氫材料(10MoWVNb)，可減少法蘭連接的靜密封點(diǎn)，節(jié)省管道投資。

(2)采用兩級(jí)氨冷，第1級(jí)氨冷器出口氣體溫度為3 ℃；第2級(jí)氨冷器出口氣體溫度為-11 ℃。采用兩級(jí)氨冷比一級(jí)氨冷可節(jié)約冷凍量40%以上。

(3)在第2級(jí)氨冷器之后補(bǔ)充新鮮氣，使進(jìn)塔氣體中氨體積分?jǐn)?shù)降至2.2%～2.3%，即氨冷系統(tǒng)出口氣體溫度只要降溫至-11 ℃，就可使進(jìn)塔氣體中氨體積分?jǐn)?shù)降至2.2%，對(duì)氨合成反應(yīng)有利。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

(4)25%～30%(體積分?jǐn)?shù))的未反應(yīng)冷氣經(jīng)過(guò)內(nèi)外筒環(huán)隙，使外筒處于低溫工況下運(yùn)行，安全可靠。

2 運(yùn)行情況及存在的問(wèn)題

2.1 運(yùn)行情況

該裝置在2009年1月試產(chǎn)過(guò)程中，因造氣循環(huán)水地下管漏水，造氣循環(huán)水泵房被淹，導(dǎo)致全裝置停產(chǎn)7 d；3月因煤炭供不應(yīng)求被迫停產(chǎn)14 d；10月更換合成廢熱鍋爐影響8 d；2009年有效生產(chǎn)天數(shù)為336 d，全年共產(chǎn)氨265.9 kt，日均產(chǎn)氨791.4 t。2010年8月起，因停電停產(chǎn)約3個(gè)月，全年共產(chǎn)氨217.5 kt，有效生產(chǎn)天數(shù)274 d，日均產(chǎn)氨793.8 t。從2009年和2010年的運(yùn)行情況來(lái)看，該裝置運(yùn)行基本平穩(wěn)，實(shí)際氨產(chǎn)量未達(dá)到設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力(表2)。

表2 2009年和2010年生產(chǎn)情況

注：噸氨原料煤耗以入爐實(shí)物煤×0.84折標(biāo)煤計(jì)算；根據(jù)合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)，每月從26日開(kāi)始統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)天數(shù)。

2.2 存在的問(wèn)題

從2009年和2010年的生產(chǎn)情況來(lái)看，存在著合成塔工藝氣體分流比例未達(dá)到設(shè)計(jì)要求、塔內(nèi)換熱器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、流程過(guò)長(zhǎng)等缺點(diǎn)，致使系統(tǒng)阻力偏大，系統(tǒng)壓差為1.81 MPa左右，合成塔壓差約0.98 MPa，循環(huán)機(jī)流量偏小，生產(chǎn)系統(tǒng)難以再加大負(fù)荷。

3 主要改造措施

3.1 工藝流程改造目的和措施

針對(duì)DN 2 400 mm氨合成系統(tǒng)存在系統(tǒng)阻力大等主要問(wèn)題，湖南安淳高新技術(shù)有限公司多次組織專業(yè)技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)分析和優(yōu)化。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，考慮合成氨反應(yīng)平衡和反應(yīng)速度動(dòng)力學(xué)兩大影響因素，根據(jù)氨合成化學(xué)反應(yīng)平衡曲線、最適宜溫度曲線，以獲得最高氨凈值為目標(biāo)，對(duì)DN 2 400 mm 氨合成塔反應(yīng)器結(jié)構(gòu)及流程作了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)：在保證設(shè)計(jì)能力的條件下作相關(guān)設(shè)備和流程改造，使合成塔內(nèi)件阻力降低至≤0.50 MPa，系統(tǒng)阻力降低至≤1.50 MPa，產(chǎn)量在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加10%，系統(tǒng)操作壓力在原來(lái)基礎(chǔ)上降低2.0 MPa左右。

3.2 主要改造內(nèi)容

塔內(nèi)的上、下?lián)Q熱器由原串聯(lián)改為并聯(lián)，使分流氣體按比例各自獨(dú)立進(jìn)、出，降低塔阻力；重新設(shè)計(jì)制造塔內(nèi)上、下?lián)Q熱器，將上換熱器面積由197 m2減小到160 m2；下?lián)Q熱器面積則由224 m2擴(kuò)大至310 m2；更換塔外熱交換器內(nèi)件；上層軸向段加高780 mm，混合分布器相應(yīng)下移，第2層徑向筐高度作相應(yīng)調(diào)整，取消層間冷激(h1- 2)，使合成氨反應(yīng)溫度接近最適宜溫度曲線。

3.3 改造后塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)

(1)合成塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)為三層四段，一軸三徑。第1層為軸向絕熱段，第2層為徑向絕熱段(內(nèi)圈)以及徑向間冷段(外圈)，第3層為徑向絕熱段(第4段)。

(2)ⅢJD-DN 2 400 mm合成塔內(nèi)設(shè)2臺(tái)列管式換熱器和1個(gè)徑向冷管束，塔內(nèi)上換熱器設(shè)在第2層中心，冷管束在第2層的外圈，塔內(nèi)下?lián)Q熱器設(shè)在四段的第3層中心。

(3)根據(jù)動(dòng)量平衡模型計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)氣體徑向分布器，以均勻布孔、高速噴射，網(wǎng)格再均分，保證氣體徑向分布均勻。

3.4 改造后工藝氣體流程

改造后工藝氣體分3股進(jìn)合成塔。

(1)第1股25%～35%(體積分?jǐn)?shù))的氣體由約10%(體積分?jǐn)?shù))的循環(huán)氣(40 ℃)進(jìn)入合成塔下部環(huán)隙，由下而上出塔，與15%～25%(體積分?jǐn)?shù))被塔外熱交換器加熱的主進(jìn)氣混合，再?gòu)乃攲?dǎo)入冷管束，在冷管束被加熱至380 ℃，冷管束出來(lái)的氣體由升氣管導(dǎo)入催化劑床表面。

(2)第2股20%～30%(體積分?jǐn)?shù))的氣體為經(jīng)塔外熱交換器加熱的未反應(yīng)氣體混合部分油分離器來(lái)的冷氣，從大蓋頂部法蘭引進(jìn)，進(jìn)入塔內(nèi)上部換熱器管內(nèi)，由下而上，與出第1絕熱層反應(yīng)后的、進(jìn)入塔內(nèi)上部換熱器管間的高溫氣體逆流換熱后，被加熱至380 ℃，經(jīng)中心管進(jìn)入催化劑床表面。

(3)第3股40%～50%(體積分?jǐn)?shù))的氣體為經(jīng)塔外熱交換器加熱至210～220 ℃的循環(huán)氣，進(jìn)塔內(nèi)下部換熱器管間，與出塔氣體換熱后溫度升至380 ℃，經(jīng)中心管進(jìn)入催化劑床表面。

上述3股氣體在催化劑床表面混合，進(jìn)入上絕熱層一段反應(yīng)。出上絕熱層的高溫氣體進(jìn)入氣體混合分布器，再進(jìn)入塔內(nèi)上部換熱器管間，與進(jìn)入塔內(nèi)上部加熱器管內(nèi)的氣體逆流換熱后，從塔內(nèi)上部換熱器的外殼出去；氣體經(jīng)過(guò)徑向絕熱段反應(yīng)，并徑向通過(guò)冷管束冷卻。從中部徑向筐出來(lái)的氣體，受支架套筒的作用，沿徑向筐與內(nèi)筒的環(huán)隙向下，進(jìn)入下絕熱層。氣體由圓周方向徑向通過(guò)下絕熱層，流向徑向筐中心的下?lián)Q熱器，從下?lián)Q熱器外殼進(jìn)入下部換熱器管內(nèi)，由上而下被管外未反應(yīng)氣體冷卻至370 ℃左右出塔。

4 改造后運(yùn)行效果

4.1 2011年生產(chǎn)情況

2010年11月改造開(kāi)車后，12月因煤炭、電力供應(yīng)緊張，單臺(tái)50 000 kVA變壓器只能滿足合成氨系統(tǒng)5臺(tái)7MY50- 305/314型氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)生產(chǎn)，半水煤氣流量約96 000 m3/h(標(biāo)態(tài))。鑒于煤、電供應(yīng)緊張不能維持生產(chǎn)，自2011年1月起停產(chǎn)至5月1日，5月下旬重新開(kāi)車，6月基本才轉(zhuǎn)入正常；10月 21至11月3日，受外供變電站擴(kuò)容停電影響9 d，11月20日開(kāi)始又受限電影響，對(duì)10月和11月的生產(chǎn)造成較大影響。2011年有效生產(chǎn)天數(shù)201 d，日均產(chǎn)氨840 t，年產(chǎn)氨為169 kt，2011年 6月至12月生產(chǎn)情況見(jiàn)表3。

4.2 2012年生產(chǎn)情況

2012年全年共生產(chǎn)氨324.7 kt，生產(chǎn)天數(shù)為359 d，平均日產(chǎn)氨905 t，最高月產(chǎn)氨28 411.05 t，日產(chǎn)氨達(dá)到920～930 t歷史最高水平。2012年生產(chǎn)情況見(jiàn)表4。

表3 2011年6月至12月實(shí)際生產(chǎn)情況

注：合成氨原料煤耗以入爐實(shí)物煤×0.84折標(biāo)煤計(jì)算。

4.3 改造前、后合成系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

改造前、后合成系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表5。

表4 2012年實(shí)際生產(chǎn)情況

注：噸氨原料煤耗以入爐實(shí)物煤×0.84折標(biāo)煤計(jì)算；根據(jù)合成氨生產(chǎn)特點(diǎn)，每月26日為開(kāi)始統(tǒng)計(jì)日，3月期間檢修。

表5 改造前、后合成系統(tǒng)部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)比

改造前運(yùn)行6臺(tái)7MY50- 305/314型氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)，循環(huán)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)控制在17%～19%，開(kāi)4臺(tái)12 m3/min循環(huán)機(jī)(電流40 A)，2008年 8月至2010年10月合成氨產(chǎn)量日均792 t；改造后又增開(kāi)1臺(tái)6M32- 92/314型氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)，2012年日均產(chǎn)氨905 t，日增產(chǎn)氨約113 t，循環(huán)機(jī)開(kāi)機(jī)數(shù)量和循環(huán)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)不變，系統(tǒng)壓力21.6 MPa左右，系統(tǒng)壓差≤1.6 MPa，塔內(nèi)壓差≤0.5 MPa，電流下降約8 A。目前，該ⅢJD- 3000型DN 2 400 mm氨合成系統(tǒng)系運(yùn)行平穩(wěn)，操作調(diào)節(jié)方便合理，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)和改造要求，節(jié)能降耗明顯，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2014- 03- 05)