郭江坤

（陜西興化集團有限責任公司，陜西興平 713100）

1 概 述

陜西興化集團有限責任公司 （簡稱陜西興化）合成氨裝置始建于上世紀60年代末，是我國引進的第一套采用重油裂解制氣工藝技術(shù)的合成氨裝置。上世紀90年代，由于原料重油緊缺，陜西興化借助西安到寶雞天然氣管線改造機會進行了合成氨裝置原料線路的技改，將原料由重油改為了天然氣；2001年4月17日，由中國成達工程有限公司總承包 （E P C）的天然氣兩段純氧換熱式轉(zhuǎn)化工藝系統(tǒng)一次點火開車成功，順利完成了合成氨裝置以 “氣代油”的工藝轉(zhuǎn)換過程，換熱式轉(zhuǎn)化爐設(shè)計生產(chǎn)能力為2×75kt／a合成氨，此后經(jīng)過多年的綜合技術(shù)改造，系統(tǒng)工藝和設(shè)備不斷得到優(yōu)化，產(chǎn)能不斷提升，目前天然氣水蒸氣換熱式轉(zhuǎn)化工藝合成氨裝置的生產(chǎn)能力已達250kt／a，稀硝酸、硝酸銨、濃硝酸、硝基復合肥產(chǎn)能分別達到 630kt／a、800kt／a、100kt／a、300kt／a，主導產(chǎn)品——硝酸銨更是連續(xù)5a國內(nèi)市場產(chǎn)銷量第一，國內(nèi)市場占有率達15%以上，陜西興化成為一家國有大型化工化肥骨干生產(chǎn)企業(yè)。以下就陜西興化合成氨裝置天然氣水蒸氣換熱式轉(zhuǎn)化工藝多年來在系統(tǒng)工藝和設(shè)備方面開展的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能降耗技改作一總結(jié)。

2 換熱式轉(zhuǎn)化工藝簡介

目前陜西興化合成氨裝置以天然氣為原料，采用兩段純氧換熱式轉(zhuǎn)化工藝，一段轉(zhuǎn)化爐（簡稱一段爐）采用換熱式轉(zhuǎn)化爐，二段轉(zhuǎn)化爐（簡稱二段爐）為加純氧的蒸汽轉(zhuǎn)化，以制取合成氨生產(chǎn)所需的H2。陜西興化合成氨裝置共有2套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，2套系統(tǒng)可單獨運行，2套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計原料氣耗量為17175m3／h，合成氨產(chǎn)量為20.8t／h，噸氨原料氣耗 （包括加熱爐燃料氣消耗）825m3，設(shè)計合成氨產(chǎn)能2×75kt／a（裝置年運行時間按300d計）。

換熱式轉(zhuǎn)化也是采用兩段轉(zhuǎn)化 （見圖1），天然氣的一段轉(zhuǎn)化由加壓蒸汽轉(zhuǎn)化的一段爐改為換熱式一段爐，一段轉(zhuǎn)化所需的反應熱由二段轉(zhuǎn)化出口的高溫氣提供，不再由燃燒燃料天然氣的方式提供；一段爐出口半轉(zhuǎn)化氣進入二段爐后與適量的氧氣混合進行部分燃燒反應，所產(chǎn)生的熱量供一段轉(zhuǎn)化氣中的甲烷進行深度轉(zhuǎn)化。換熱式轉(zhuǎn)化工藝可根據(jù)轉(zhuǎn)化氣的質(zhì)量要求確定二段爐純氧的加入量，使系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生高熱量，將烴類轉(zhuǎn)化更加深度化。

在鎳催化劑的作用下，換熱式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)主要發(fā)生如下反應：① 一段爐CH4+2 H2O→CO2+4 H2、CH4+H2O→CO+3 H2、CnHm+n H2O→n CO+ （n+0.5 m）H2、CO+H2O→CO2+H2；②二段爐內(nèi)上層 （燃燒反應）2 H2+O2→2 H2O、2 CO+O2→2 CO2、2 CH4+O2→2 CO+4 H2；③ 二段爐催化劑層 （轉(zhuǎn)化及變換反應）CH4+H2O→CO+3 H2、CO+H2O→CO2+H2、CH4+CO2→2 CO+2 H2。

圖1 換熱式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)流程示意

陜西興化合成氨裝置轉(zhuǎn)化系統(tǒng)經(jīng)過多年的運行和優(yōu)化，其與傳統(tǒng)的箱體式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)在供熱形式上已大不相同。換熱式轉(zhuǎn)化新工藝改變了單純的外部加熱模式，利用系統(tǒng)內(nèi)部自熱進行轉(zhuǎn)化，大大降低了燃料天然氣的消耗，從而降低合成氨裝置的能耗，達到降本增效的目的；而且系統(tǒng)產(chǎn)生的CO在后續(xù)變換工序中轉(zhuǎn)換為氨合成所需的H2，產(chǎn)生的CO2通過脫碳系統(tǒng)吸收后再生解吸出高純度的CO2送往新科食品分廠和聯(lián)堿分廠生產(chǎn)食品CO2和純堿，實現(xiàn)了原料附加值的最大化；同時，換熱式轉(zhuǎn)化新工藝減少了尾氣的排放，煙氣熱量得到較為充分的回收，環(huán)保狀況也大為改觀。

3 生產(chǎn)運行中暴露出的問題

多年的生產(chǎn)運行中，陜西興化的兩段純氧換熱式轉(zhuǎn)化工藝在應用中不斷得到完善，其間經(jīng)歷了不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題、再發(fā)現(xiàn)問題、再解決問題的過程。生產(chǎn)運行中暴露出的主要問題如下：①二段爐上部燃燒室局部溫度達1700℃以上，爐磚易燒結(jié)脫落，二段爐內(nèi)阻力大；② 系統(tǒng)水碳比設(shè)計過低，蒸汽管線設(shè)計存在缺陷，造成催化劑析炭；③ 二段爐開工燒嘴設(shè)計落后，點火困難，系統(tǒng)開車時間長；④原設(shè)計產(chǎn)能較小，不能適應企業(yè)未來的發(fā)展需要；⑤ 加熱爐燃料氣消耗量較大，能耗較高；⑥一段爐催化劑裝填和卸出困難；⑦二段爐配套氧氣壓縮機時常自停。

4 轉(zhuǎn)化工藝優(yōu)化及設(shè)備改造

4.1 二段爐爐頭改造

改造前，二段爐爐頭 （見圖2）采用的是非金屬混合器，轉(zhuǎn)化氣走中間，氧氣從兩旁噴孔噴入，氧氣從氧分布器中的磚眼進入爐脖，同一段轉(zhuǎn)化氣混合進入燃燒室進行強烈的燃燒反應，產(chǎn)生熱量供轉(zhuǎn)化反應。生產(chǎn)中，由于磚縫隙被氣流沖刷，縫隙變大，氧氣分布極不均勻，造成二段爐上部燃燒室局部溫度達1700℃以上，爐磚易燒結(jié)脫落；隨著系統(tǒng)生產(chǎn)能力的增大，加入的氧氣量增大，燒嘴混合道燃燒的熱強度也隨之增大，二段爐混合燃燒器容易超溫，影響混合器的使用壽命；同時，由于負荷增大后熱量不能充分帶入一段爐，使一段爐供熱不足，導致一段爐出口甲烷含量超過35%，甚至高達40%。改造前，由于二段爐方面的問題造成系統(tǒng)多次被迫停車檢修 （見表1），要實現(xiàn)合成氨裝置的安全運行和產(chǎn)量提升，必須對二段爐爐頭進行改造。

圖2 改造前二段爐爐頭結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.1 第1次改造

（1）氧氣從二段爐兩旁噴嘴噴入改為從二段爐頂部中心進入，以驅(qū)趕氫氣和氧氣的燃燒離開壁面。

表1 改造前二段爐停車檢修情況統(tǒng)計

（2）將二段爐燒嘴更換為金屬燒嘴，以使氧氣分布均勻，且燒嘴更換更加方便和容易。

（3）將一段轉(zhuǎn)化氣改為從二段爐爐頂側(cè)面沿燃燒室軸向均勻進入，以形成均勻的氣流冷膜，對迎火面形成極好的保護作用，并防止純氧在耐火層裂縫竄氣產(chǎn)生的危險。

改造后二段爐爐頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 改造后二段爐爐頭結(jié)構(gòu)示意圖

4.1.2 第2次改造

第1次改造后，由于金屬燒嘴孔徑小，造成氣體流速快、氣流沖刷嚴重，上部燃燒室筒磚脫落嚴重，六棱孔磚和瓷球破損嚴重，且爐內(nèi)阻力較高。針對二段爐上部燃燒室的問題，技術(shù)人員經(jīng)過充分調(diào)研后，會同西安航天十一所進行技術(shù)攻關(guān)，對二段爐上部進行了第2次改造：加高加大爐脖，并增加了催化劑裝填量。

4.1.3 改造效果

改造后，只是在使用初期由于保護蒸汽中含水冷激造成轉(zhuǎn)化氣進口向下第7塊磚以下有不規(guī)則掉落，后在保護蒸汽管線手動閥后增加導淋閥排凈冷凝液，大檢修時對第7塊磚以下部分進行換磚修復后，一直使用到現(xiàn)在，很好地解決了燃燒室爐磚脫落的問題。二段爐改造完成投用至今，各項運行指標均正常，單套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)投氣量可以穩(wěn)定在11500m3／h。二段爐溫度較改造前降低了100℃，有效氣 （CO+H2）含量大幅上漲；最重要的是連續(xù)使用4a金屬燒嘴仍完好無損，分布盤和套筒也完好，燃燒室筒磚只有表面輕微脫落掉皮，安全性較改造前明顯提高，為穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)創(chuàng)造了良好的條件。二段爐改造前后主要工藝參數(shù)的對比見表2。

表2 二段爐改造前后主要工藝參數(shù)的對比

4.2 蒸汽管線改造和水碳比分析優(yōu)化

針對轉(zhuǎn)化系統(tǒng)水碳比設(shè)計過低、蒸汽管線設(shè)計存在缺陷造成催化劑析炭的問題，我們對蒸汽管線進行了改造，從而消除了蒸汽走近路、水碳比瞬時過低的情況，杜絕了催化劑發(fā)生析炭現(xiàn)象。同時，總結(jié)生產(chǎn)經(jīng)驗，在一段入口增加采樣點接口，對一段入口水碳比進行手動分析，據(jù)手動分析和儀表在線分析數(shù)據(jù)適時調(diào)整水碳比，將水碳比控制在3.0左右，有效提高了轉(zhuǎn)化系統(tǒng)出口有效氣含量，而且水碳比的提高還有利于滿足變換工序的需要。

4.3 二段爐開工燒嘴改造

對于二段爐開工燒嘴設(shè)計落后、點火困難、系統(tǒng)開車時間長的問題，通過對同類型裝置的考察及市場調(diào)研，2010年我們選用了西安某公司研發(fā)的新型開工燒嘴 （見圖4）。該新型燒嘴點火順利，不僅可使升溫還原時間減少1／3以上，而且可減小升溫還原過程中的溫度波動幅度，提高催化劑的還原質(zhì)量，使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)開車時間縮短36h，每次開車直接減少燃料天然氣、空氣、蒸汽等消耗費用約20萬元，按單套合成氨裝置產(chǎn)量15.42t／h、噸合成氨利潤700元、年開車次數(shù)6次計算，二段爐使用新型開工燒嘴后因節(jié)約開車時間和原料、燃料等帶來的直接經(jīng)濟效益為（200000×6+15.42×700×36×6）÷10000＝353.15萬元。

圖4 二段爐新型開工燒嘴示意圖

4.4 一段爐增效擴能技改

原轉(zhuǎn)化系統(tǒng)設(shè)計產(chǎn)能較小，已不能適應企業(yè)發(fā)展的需要。為此，陜西興化對一段爐進行了增效擴能技改，具體內(nèi)容如下。

（1）增加一段爐催化劑的裝填量。通過對生產(chǎn)工藝和設(shè)備的研究，我們在一段爐轉(zhuǎn)化管束上層增加了一定量的催化劑，使一段爐的催化劑裝填量由6.5t增至8.0t，單爐增加1.5t的裝填量，等于加裝了1臺小型預轉(zhuǎn)化爐。

（2）催化劑外形改進。通過總結(jié)實際生產(chǎn)經(jīng)驗和與催化劑生產(chǎn)廠家開展交流，我們對一段轉(zhuǎn)化催化劑的外形進行了改進，將催化劑外形由原來的六孔圓柱型改進為三孔球型。改進后，單個催化劑的體積減小了，相應地增大了催化劑的裝填密度，即增加了轉(zhuǎn)化管單管催化劑的裝填量；同時，單個催化劑體積的減小使催化劑間的間隙減小，減少了催化劑的架橋現(xiàn)象，從而減少了轉(zhuǎn)化管的熱斑或熱管現(xiàn)象，延長了設(shè)備的使用壽命。而且改進后系統(tǒng)阻力并未發(fā)生大的變化。

（3）催化劑裝填方法優(yōu)化。將一段爐催化劑由原來的單袋質(zhì)量稱量裝填改為據(jù)單管高度及體積裝填，催化劑裝填一定高度后，用振動棒振平振實，然后測量每根轉(zhuǎn)化管所裝填的催化劑的高度，確保高度一致，同時嚴格進行轉(zhuǎn)化管阻力測試，確保每根轉(zhuǎn)化管催化劑層的阻力一致，即通過催化劑裝填方法的優(yōu)化確保132根轉(zhuǎn)化管所裝填的催化劑高度一定、體積一定。

一段爐經(jīng)過上述增效擴能技改后，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)總投氣量由21000m3／h增至23000m3／h，使系統(tǒng)達到了250kt／a合成氨的生產(chǎn)能力；同時，一段爐催化劑裝填量增加后，一段爐原料氣的空速得到降低，原料氣反應更加充分，一段爐出口氣CH4含量由38%降至33%，利于后續(xù)工序生產(chǎn)工藝的優(yōu)化。

4.5 降低加熱爐燃料氣消耗的改造

生產(chǎn)中，轉(zhuǎn)化系統(tǒng)原料氣需通過加熱爐進行預熱，為降低轉(zhuǎn)化系統(tǒng)加熱爐燃料氣消耗，我們從合成弛放氣系統(tǒng)新增1條φ 76mm的管線，將合成弛放氣引至轉(zhuǎn)化系統(tǒng)加熱爐用作燃料，并將2臺加熱爐 （天然氣加熱爐和氧氣加熱爐）進口管線由φ 38mm增至φ 57mm，還通過3次改造設(shè)計出了最新型的天然氣加熱爐燒嘴 （見圖5）和氧氣加熱爐燒嘴 （見圖6），在不影響正常生產(chǎn)的情況下，最大限度地降低了2套 （東套、西套）轉(zhuǎn)化系統(tǒng)4臺加熱爐的燃料天然氣消耗（見表3），4臺加熱爐節(jié)約燃料天然氣190m3／h以上，從而有效降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本。

圖5 天然氣加熱爐新型三蓮花瓣式燒嘴結(jié)構(gòu)簡圖

圖6 氧氣加熱爐新型燒嘴結(jié)構(gòu)簡圖

表3 改造前后加熱爐燃料天然氣消耗對比 m3／h

4.6 催化劑抽卸系統(tǒng)優(yōu)化改造

轉(zhuǎn)化真空泵 （羅茨鼓風機）是用來抽出一段轉(zhuǎn)化管內(nèi)廢舊催化劑的設(shè)備，工作時泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生負壓，將催化劑通過長管吸入收集器中。改造前，催化劑抽卸系統(tǒng)設(shè)計的催化劑收集器安裝在轉(zhuǎn)化爐頂 （5層，高15m），抽吸催化劑時，一段爐內(nèi)芯還放置在轉(zhuǎn)化爐內(nèi)，收集器到一段爐距離有8～10m（東套和西套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)此距離有差異），而拆卸下來的舊備用一段爐內(nèi)芯放置在轉(zhuǎn)化現(xiàn)場道路上，直線距離超過20m以上，用塑料管連接，軟管過長，造成真空泵吸力難以達到要求。為此，我們試制了新的真空收集器，其直徑D N 400、高1.5m，抽吸入口在其頂部，吸入的催化劑沿切線進入，就好比1臺簡單的旋風式分離器，收集器和除塵器之間用鋼絲耐高壓軟管連接 （改造前用老式的橡膠管連接）；催化劑收集器為活動式的，可任意挑選位置安放，使用后催化劑抽卸效果明顯好轉(zhuǎn)。

但使用過程中我們發(fā)現(xiàn)真空泵有過載甚至自?，F(xiàn)象，并且除塵器除塵效果差，打開除塵器后發(fā)現(xiàn)內(nèi)裝的填料——鮑爾環(huán)生銹且裝填量不合理；而除塵器內(nèi)老式的洗滌噴頭孔徑小、孔數(shù)量少、噴淋角度不足，噴淋量和噴淋角度都達不到要求，且易發(fā)生堵塞。為此，我們又對除塵器進行了如下優(yōu)化改造：除塵器內(nèi)填料改為不銹鋼鮑爾環(huán)，裝填量由6m3減至4m3，使除塵器阻力下降并能滿足灰塵吸收量方面的要求；重新加工制作除塵器洗滌噴頭，將孔數(shù)由原來的34個增至50個，孔徑由φ 3mm擴至φ 5mm，并增大噴淋角度。催化劑抽卸系統(tǒng)整體優(yōu)化改造 （如圖7）后，催化劑抽卸非常容易，7.5t催化劑的抽卸耗時由改造前的4d縮短至1.5d，效果非常顯著。

4.7 氧氣管網(wǎng)優(yōu)化改造

二段爐原料氧氣由氧氣壓縮機供給，改造前生產(chǎn)中氧氣壓縮機 （簡稱氧機）時常出現(xiàn)自?，F(xiàn)象，導致單套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停車。經(jīng)過多年摸索，我們對氧氣管網(wǎng)進行了改造，即設(shè)置了氧氣聯(lián)通管線 （見圖8）。1＃氧機對應西轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，3＃氧機對應東轉(zhuǎn)化系統(tǒng)，在滿負荷生產(chǎn)時東轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1＃氧閥微開，當東轉(zhuǎn)化系統(tǒng)3＃氧機突然出現(xiàn)問題或氧氣流量為0時，可及時開大東轉(zhuǎn)化系統(tǒng)1＃氧氣聯(lián)通閥，并關(guān)閉東轉(zhuǎn)化系統(tǒng)3＃氧閥 （現(xiàn)場關(guān)閉），從而可避免因氧氣供應問題而導致的單套轉(zhuǎn)化系統(tǒng)停車。

圖7 改造后一段爐催化劑抽卸系統(tǒng)示意圖

圖8 二段爐氧氣管線聯(lián)通示意圖

5 結(jié)束語

陜西興化2套兩段純氧換熱式轉(zhuǎn)化系統(tǒng)投用以來，其間不斷地發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，最終通過逐步實施二段爐改造、一段爐增效擴能技改、降低加熱爐燃料氣消耗、催化劑抽卸系統(tǒng)優(yōu)化改造、二段爐氧氣管網(wǎng)優(yōu)化改造等系統(tǒng)工藝和設(shè)備的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能降耗技改，使轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的運行周期由3～5個月延長至8～12個月，再到穩(wěn)定運行1a以上，合成氨產(chǎn)能也由設(shè)計值2×75kt／a提升至2012年時的255kt／a（2套），二段爐的安全隱患也得到徹底消除，系統(tǒng)實現(xiàn)了長周期、穩(wěn)定運行。同時，多年的技術(shù)創(chuàng)新和節(jié)能降耗技改使得天然氣兩段純氧換熱式轉(zhuǎn)化工藝在應用中不斷得到完善，目前其已在全國范圍內(nèi)得到廣泛地推廣應用，其在甲醇、制氫、合成氨、焦爐氣回收等領(lǐng)域大有發(fā)展。