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原料气精制和氨合成系统开车运行总结
张兴德 张培玉
山东联盟化工股份有限公司 邮编：262700
1 概述
山东联盟化工股份有限公司地处山东寿光市，合成氨生产能力300kt/a，主要产品有400kt/a 尿素、175kt/a甲醇等。2005年公司领导根据化肥、甲醇的市场行情和企业发展的需要，审时度势，本着“生产扩能、节能降耗、环保优先、提高效益” 的原则，决定分两步实施“36·60” 工程，一期工程合成氨能力180kt/a、尿素300kt/a，同时副产甲醇60kt/a，要求尽可能采用经过考验，技术成熟，切实可行的先进工艺和设备，以确保安全生产，清洁生产，并为科学管理，文明生产，减少检修工作量创造条件。公司经考察、论证后决定选用南京国昌化工科技有限公司的“全自热非等压醇烷化”工艺和氨合成技术，并委托国昌公司对合成氨原料气净化和氨合成装置进行设计。
2 系统组成
2.1“全自热非等压醇烷化”系统
“全自热非等压醇烷化”系统由中压醇化、高压醇化和高压烷化三个子系统组成，工艺流程见图1。
图1 “全自热非等压醇烷化”工艺流程示意图

2.1.1 中压醇化系统
中压（12.0～16.0MPa）醇化装置以产醇为主，将脱碳气中3.5～8.0%的CO+CO2大部分（80～90%）转化为甲醇。通过中压醇化系统，醇氨比、甲醇产量调节灵活，同时可以控制进入高压醇化系统工艺气中CO+CO2含量在1.50～1.80%的指标范围内。
中压醇化系统的主要设备是中压醇化塔，采取南京国昌公司的GC—R202Y型二轴二径催化剂自卸结构，下部设有换热器，见图2。该塔操作弹性较大、塔阻力低，其主要技术参数见表1。
表1 GC－R202Y型φ1600中压醇化塔主要技术参数
塔型
GC—R202Y二轴二径催化剂自卸式结构
塔径 mm
φ1600
塔净空高 mm
18000
催化剂装填量 m3
19.5
设计生产能力 ktCH3OH/a
50
内件运行阻力 MPa
～0.3

来自原料气压缩机（0）五段出口脱碳气体（12.0MPa）与中压醇化循环机（1）出口气混合后进入油水分离器（2），分离油水后进入中压醇化塔（3）内外环隙换热冷却塔壁，由下部进入中压醇化塔下部换热器管外换热，温度升至210℃左右由中心管升至0米与f0冷激气混合后进入第一轴向层反应，反应后的气体与f1冷激气在菱形分布器混合后进入第二轴向层反应，反应后的气体与f2冷激气在外分布筒混合后沿径向进入第一径向层反应，反应后的气体在内集气筒与f3冷激气混合后沿径向进入第二径向层反应，反应后250℃的气体进入中压醇塔下部换热器的管内换热，温度降至120℃依次去软水加热器（4）和水冷器（5），气体温度降到35℃左右进中压醇分离器（6）进行气液分离，分离甲醇后的气体去压缩机的六段进口，经压缩机加压后去高压醇化系统。 图2 中压醇化塔结构示意图
2.1.2 高压醇化系统
高压醇化装置以净化为主，系统进口气体中CO+CO2控制在1.50～1.80%能够保证系统自热反应而又不需开循环机。在高压条件下CO、CO2醇化反应的转化率非常高，系统出口气体中的CO+CO2≤200ppm，保证了工艺气极高的净化度。
高压醇化系统的主要设备是高压醇化塔，采取南京国昌公司的GC－R202Y二轴二径催化剂自卸结构（见图3），高压醇化塔的主要技术参数见表2。
表2 GC－R202Y型φ1400高压醇化塔主要技术参数
塔型
GC－R202Y二轴二径催化剂自卸式结构
塔径 mm
φ1400
塔净空高 mm
16000
催化剂装填量 m3
14.5
生产能力 ktCH3OH/a
≥10
内件运行阻力 MPa
～0.3

来自压缩机（0）六段出口25.6MPa的气体，经高压醇烷化系统的新鲜气油分（7）分离油水后进入高压醇化塔（9）内件与环隙之间自上而下换热，换热后的气体经高压醇化换热器（10）进一步提温后，进入高压醇化塔内件下部换热器，温度升至210℃由中心管进入催化剂床层反应（催化剂床层气体路径与中压醇化塔相似，此处略），温度升至240℃，气体中CO+CO2≤200ppm时出塔，依次进入高压醇化换热器（10）、高压醇化水冷器（11），温度降到35℃左右进入高压醇化甲醇分离器（12），分离副产的甲醇后去进高压醇洗塔（13），洗涤分离后的气体去高压烷化系统。
2.1.3 高压烷化系统
高压烷化系统的作用是将高压醇化系统出口工艺气中微量的CO+CO2（≤200ppm）甲烷化反应，深度净化工艺气，确保高压烷化系统出口工艺气中的 图3 高压醇化塔结构示意图
CO+CO2≤10ppm。
表3 GC－R201Y型φ1200高压烷化塔主要技术参数
塔型
GC－R201Y二轴一径催化剂自卸式结构
塔径 mm
φ1200
塔净空高 mm
16000
催化剂装填量 m3
11.5
内件运行阻力 MPa
～0.2

高压烷化系统的主要设备是高压烷化塔（图4），采取南京国昌公司的GC－R201Y型二轴一径催化剂自卸结构（见图4），高压烷化塔的主要技术参数见表3。
来自高压醇化系统的气体进入高压烷化换热器（14）换热，温度升到180℃左右后进入提温换热器（15）换热，换热后的260℃高温气体进入高压烷化塔（16）催化剂床层反应，将气体中微量的CO+CO2（≤200ppm）转化为H2O和CH4，反应后的气体离开烷化塔进入高压烷化换热器的管内换热，温度降到65℃左右进入高压烷化水冷器（17），离开高压烷化水冷器的35℃气体进入高压烷化氨冷器（18）进一步冷却，气体温度降到8℃进入高压烷化水分离器（19）进行气液分离，分离后的气体（CO+CO２含量小于10ppm）去氨合成系统。
“全自热非等压醇烷化”工艺中，中压醇化系统单独配置循环机（1）。高压醇化和高压烷化共同设置循环机（20），通过设置控制阀门做到各自独立或串联使用。由于高压醇烷化正常不开循环机（20），主要在催化剂升温还原和开停车时使用，高压醇烷化循环机（20）配置一 图4 高压烷化塔结构示意图
台，氨合成循环机通过阀门的切换可以作为高压醇烷化循环机的用途。
2.2 氨合成系统
2.2.1 氨合成塔
氨合成系统的核心设备是氨合成塔，采取南京国昌的GC—R212ZY型二轴二径催化剂自卸结构，一个层间换热器和一个下部换热器均处在催化剂中间（见图5），其主要技术参数见表4。
表4 GC—R212ZY型φ2000氨合成塔主要技术参数
塔型
GC—R212ZY型二轴二径催化剂自卸式结构
塔径 mm
φ2000
塔净空高 mm
18000
催化剂装填量 m3
33.5
生产能力 kt/a
经济运行：180
实际能力：≥200
内件运行阻力 MPa
0.4～0.6
0.4～0.6

2.2.2 工艺流程
经循环机（1）加压的循环气进入循环机油分（2）分离气体中的油，分离后的循环气分两路：一路约占总气量30％的气体作为合成塔一次气沿氨合成塔（4）塔壁自上而下，冷却塔壁后一部分用作冷激气送至塔顶作为f2冷激气调节第一径向层温度，另一部分气体与另一路约占总气量70％的气体混合进入热交换器（3）管间，与管内气体换热至180℃后分四路进入氨合成塔。
① f0塔副线由塔顶进入氨合成塔调节零米温度；
② f1冷激气从塔顶进入催化剂层调节第二轴向层温度；
③ f3从塔底进入一径向层中心换热器，调节第 二径向层温度；
④ 二次入塔气经下部换热器换热后与f3汇合进入层间换热器；
反应后的工艺气经下部换热器换热后，温度～300℃离开氨合成塔。反应后的气体经废热锅炉（5）换热副产1.3MPa的蒸汽后进入换交换器管内加热入塔气， 图5 氨合成塔结构示意图
换热后进入水冷器（6）冷却至36℃左右进入冷交换器（7）换热段回收冷量，然后进入冷交换器的分离段分离液氨。分离液氨后的气体进入氨冷器（8）降温后与补充的新鲜气汇合进入氨分离器（9）进行气液分离。分离后的气体进入冷交换器壳程换热，换热后的气体经循环机提压、热交换器换热后进入氨合成塔进行氨合成反应。冷交换器和氨分离器分离下来的液氨送往氨罐（见图6）。
图6 氨合成系统工艺流程示意图
3 催化剂的升温还原及系统运行
3.1 催化剂的升温还原
中压醇化、高压醇化、高压烷化、氨合成的催化剂升温还原期间比较顺利，从2006年9月29日20:30高压烷化升温开始，到2006年10月13日06:00四套系统的催化剂陆续还原结束转入轻负荷运行。由于新建装置较大，单元数较多，因此为了稳妥起见，催化剂首次升温还原的顺序：首先利用脱碳气对高压烷化催化剂进行升温还原，再利用合格的烷化气（即高氢）对中压醇化催化剂还原，中压醇化催化剂还原还未结束时对高压醇化催化剂升温还原，合格的烷化气最后供氨合成催化剂升温还原。
3.1.1 非等压醇烷化系统催化剂的还原
高压烷化塔装填四川亚联生产的KJ108-2Q型镍系催化剂11.28m3，20个小时顺利完成了升温还原。
中压、高压醇化塔催化剂装填南化研究院生产的C207和C306，全部采用高氢、高空速整体还原法。升温还原过程分为升温期、还原初期、还原中期和还原末期四个阶段，在整个还原过程中催化剂床层温度控制平稳、出水顺利。中压醇化和高压醇化催化剂升温还原时间均为85小时左右。
3.1.2 氨合成催化剂的还原
氨合成系统采用浙江工业大学研制的A301亚铁基氨合成催化剂，装填量33.5m3。还原过程采用分段还原法，每段升温还原出水均错开进行，上段催化剂还原主期结束，下段催化剂进入还原初期，保证在还原过程中水汽浓度指标合格，同时避免上段催化剂大量出水，下段催化剂出现反复氧化还原的现象，从而保证了还原后的催化剂具有较高的活性。各层催化剂依次经过升温期、还原初期、还原主期、还原末期四个阶段，整个升温还原过程按照“三高四低”（高空速、高氢、高电炉功率和低水汽浓度、低温、低氨冷温度、低压力）的原则进行，床层温度及其它各项指标控制平稳。氨合成催化剂升温还原190小时。
3.2 系统运行
2006年10月13日氨合成催化剂还原结束后，系统转入轻负荷并逐步加负荷，平均达到日产合成氨600吨，甲醇（折精醇）230吨，根据估算中压醇和高压醇产量分别为195吨和35吨。如果前工序条件具备，中压醇产量还可以适当提高。高压醇不带电炉不开循环机，进塔气中CO+CO2含量1.2～1.8%能够完全实现自热平稳操作。系统自投运以来，生产一切正常，满足了设计的要求（见表5）。
4 结论
根据生产的运行情况可知：南京国昌化工科技有限公司的“非等压醇烷化”和氨合成技术在我公司“36·60”一期工程应用非常成功，系统运行安全、稳定、可靠，运行指标达到或优于设计值。
4.1 非等压醇烷化系统
（1）操作弹性大，将原料气中CO+CO2几乎全部转化成甲醇副产品，醇氨比调节灵活，完全实现了调整产品结构和净化的目的。
（2）净化度高：高压醇化系统出口CO+CO2为140～180ppm，烷化气的微量CO+CO2≤5ppm，对减少有效气体损失，保护合成氨催化剂，延长合成氨催化剂使用寿命十分有利。
（3）φ1600中压醇化塔、φ1400高压醇化塔和φ1200高压烷化塔操作方便，调节控制平稳，各催化剂层升、降温快捷易行，催化剂升温还原操作方便、催化剂还原彻底。
（4）中压醇化系统、高压醇化系统、高压烷化系统阻力小，有效地降低了压缩机功耗。
（5）系统实现自热平衡，高压醇烷化装置正常生产时不开循环机。
表5 系统生产运行数据（2007年1月9日）
运行指标
设计值
运行值
备注
φ2000氨合成系统
合成氨产量 t/d
600
600
压缩机满量为600t/d
系统压力 MPa
25.0
22～23

塔阻力 MPa
≤0.6
～0.5

系统阻力 MPa
≤1.8
～1.7

氨净值 %
≥12
～11（分析数据）
循环机三台全开
（设计两开一备）
12.5（计算数据）
入塔甲烷含量 %
16
～23

入塔氨含量 %
3.0（氨冷0～-5℃）
～3.0（氨冷0℃）

合成塔同平面温差 ℃
≤25
≤18

φ1600中压醇化系统
系统压力 MPa
15.0
10～12

醇化塔阻力 MPa
0.6
0.33

系统阻力 MPa
1.0
0.4

系统进口CO+CO2 %
4～8
6～8

系统出口CO+CO2 %
0.7～1.5
～0.7

φ1400高压醇化系统
系统压力 MPa
25.0
22～24

醇化塔阻力 MPa
0.6
≤0.1

系统进口CO+CO2 %
1.2～1.8
1.2～2.0

系统出口CO+CO2 ppm
≤200
50～160

φ1200高压烷化系统
系统压力 MPa
25.0
22～24

烷化塔阻力 MPa
0.6
≤0.1

系统进口CO+CO2 ppm
≤200
140～180

系统出口CO+CO2 ppm
≤10
2～5

4.2 氨合成系统
（1）南京国昌公司开发、设计、制造的国产化最大的第一台φ2000轴径向氨合成塔和氨合成系统，在我公司得到了成功的应用，并且技术非常先进可靠。GC型反应器的大型化无论是平面温差、气体分布等工艺参数还是结构的可靠性等方面，都具有很大的优势。
（2）Φ2000合成塔内件使用后的气体分布均匀、温度分布合理、平面温差小，表明零米分布器、菱形分布器及鱼鳞筒分布器的设计制造是先进可行、成熟可靠，完全符合轴径向流技术特点和要求。
（3）氨合成塔操作方便容易，床层温度调节控制平稳。
（4）系统操作运行压力低、阻力小、能耗低。
（5）从表5相关的参数看，如果前工序条件具备，在运行压力25.0MPa，CH4≤20%条件下，日产合成氨可以达到640吨。