合成氨生產過程中若干問題的經濟處理

王紹周

（山東棗莊化肥廠，山東棗莊 277100）

合成氨工藝較為復雜，它包含了化工工藝過程的諸多單元。我國化肥工業經過半個多世紀的發展，生產技術已臻完善。生產過程中出現的一些問題，能否采用有效而又經濟的辦法去解決，關系到裝置能否安全穩定長周期經濟運行，是值得我們去探索的。系統止逆閥，問題便可經濟而有效地解決。此外，入爐蒸汽帶水，不但損壞內襯，而且降低爐溫，降低蒸汽分解率，增加消耗，雖然多數企業都設有汽水分離器，但效果不理想；采用合適的分離容器，或用新型高效分離器內件對原設備加以改造，問題即可妥善解決。

1 制氣過程蒸汽消耗問題

2 工藝氣油水分離問題

各單位對此非常重視，降低蒸汽消耗的舉措如采用優質燃料、制氣過程微機控制、提高吹風強度、提高蒸汽分解率等，這無疑都是對的，卻往往會忽視一些 “小”問題，例如，在不制氣時，因蒸汽系統止逆閥泄漏，高壓蒸汽不時竄入低壓系統，為了保持系統蒸汽壓力，必需增加鍋爐燃料消耗，凸顯蒸汽消耗增高；擇機更換蒸汽

工藝氣中的油水分離大家都比較注意。常用的油水分離器，因工廠生產能力擴大未經改造繼續使用，往往不能滿足要求。某廠壓縮機二段出口高溫氣體進入以焦炭為過濾介質的總油分，擴產后因氣流空速大大提高，出口氣體中油霧夾帶嚴重，飽和塔填料被油泥粘附，阻力增大，飽和塔出口氣體帶水嚴重，循環熱水總固型物又較高，導致換熱器進口端列管腐蝕，結垢堵塞，阻力增大，危及正常生產。經計算，在正常操作條件下，對該廠壓縮機二段出口總油分進行改造，采用原油分外殼，取消焦炭填料，改變氣體流向，安裝二層不銹鋼絲網作為分離煤介，層間距0.4m；投用后，油分出口氣體取樣，用白紙檢查顏色不變，設備大修時檢查飽和塔填料干凈無油漬，換熱器進口管端未見結垢，油分內壁及不銹鋼絲網干凈如初。由此，每年可節省三次更換焦炭的費用及時間，效果良好。

3 催化劑表層結塊問題

生產過程中，工藝氣帶有的油水霧滴和粉塵等雜物進入反應器被催化劑層截留，是催化劑表層結塊的重要原因。因此，氣體進反應器之前必需認真處理。在飽和塔出口管段增設高效分離器，問題便可解決。如原設有分離器但效率不高，只要容器尺寸合適，改變氣體流向，采用新型高效分離器設計原則對內件改造便可達到目的。某廠中溫變換催化劑，幾年來每更換一次僅能用4個月，往后則活性下降、床層阻力大增，直至無法維持正常生產，必需處理或更換；改造壓縮機二段出口總油分，以及飽和塔出口原氣水分離器改造后，中變催化劑使用時間已達2a，情況良好。如果工廠其他部位的氣液分離器都采用高效分離器結構原理進行改造，一條龍生產將更為穩定，綜合效益會更好。

4 氨合成工段冷量平衡問題

有些合成氨廠冷量平衡不太好，特別是夏天，靠開冰機維持，電耗很大。筆者在指導我市電大化工班畢業設計時，曾對某廠合成氨工藝系統冷量平衡進行計算與論證，做了有益的改進與嘗試，當年付諸實施并取得成功。后來被一些工廠采用，效果良好。有關情況簡述如下。

合成水冷器因諸多原因冷卻效果差，出氣溫度偏高，液氨分離量少，氨冷器進氣溫度偏高，液氨用量增大，冷量入不敷出。如果把水冷器出口氣液混合物引入冷交管內，利用冷交管外（即殼程）的低溫氣液混合物的冷量把它初步冷卻后，冷交管內出口氣液混合物的去向有二個方案（如圖1、2所示），一是與新鮮合成補充氣一起進入氨冷器管內，經管外液氨蒸發吸熱二次冷卻，溫度進一步降低，氨冷器管內出口低溫氣液混合物再進入冷交管外，自下而上進行液氨分離并與管內氣體混合物進行冷量交換，然后進入循環機，液氨一次性從冷交下部分離。二是進入氨分離器，液氨分離后，出氨分的氣體和新鮮補充氣一起進入氨冷器管內，經深度冷卻后，再進入冷交管外，所產液氨經冷交和氨分二次冷卻二次分離。上述方案有以下優點；① 充分利用冷交管外的冷量，顯著提高合成水冷后合成氣中氨的分離量，減輕氨冷器負荷，冷量平衡有余，又可節省1臺氨分離器；② 工藝氣進氨冷器前，先分離經冷交冷卻析出的液氨，減輕了氨冷器的負荷；③分離出來的液氨溫度較低，一定程度上減少了氨冷器的用氨量。

圖1 冷交管程物料至氨冷器流程示意

圖2 冷交管程物料至氨分離器流程示意

綜上所述，采用新流程，冷量平衡有余，可長年不開冰機，盈氨10%左右，節電顯著，有良好的社會效益和經濟效益。合成塔出口增設廢熱鍋爐和氣－氣預熱器后，水冷出口氣溫度有較大程度降低，液氨分離量有所提高，冷量平衡有很大改善，在這種情況下按上述方案進行改進，效果更佳。

5 合成補充氣補入位置的選擇

合成補充氣補于冷交管內物料出口到氨冷進口的管段上。這樣做有很多優點：① 可使合成補充氣中微量有毒成分被冷交出口低溫混合氣中液氨洗滌除去，有利于對合成催化劑的保護；②消除冷交管內堵塞，有利于系統長周期安全穩定經濟運行；③補充氣補入位置在氨冷器進口管，在線循環機的負荷似乎增加了，但是，這部分氣體經過冷交出口氣液混合物的初步冷卻后又經過氨冷器管外液氨蒸發吸熱深度冷卻，體積大大縮小，只要控制得當，經計算，幾乎對循環機吸氣量沒有影響；④ 補入的新鮮氣幾乎不含氨，可將合成塔進口氣氨含量降至2%以下，有利于提高氨合成率和合成氨產量；⑤ 原流程補氣位置為油分離器進口，是合成系統壓力最高點，改進后補氣位置接近循環機進口，是合成系統壓力最低處，有利于降低壓縮機電耗及其安全運行。

6 新型高效氣液分離器的設計與應用

6.1 幾種常用氣液分離器的主要特點

（1）重力沉降式分離器。結構簡單，生產能力小，占地面積大，少數場合仍有使用。

（2）填料類分離器。某種填料在一定條件下有一定的使用空速范圍，生產能力擴大，空速超過允許范圍或因填料堵塞時容易產生二次夾帶而無法使用，填料需定期清理。

（3）離心式分離器。以旋風分離器為代表，效率高，占地面積小，但需較高的進口速度，因此有一定的阻力損失，高負荷運行時容易產生二次夾帶。

（4）電除塵器。去除粉塵和油霧，效率高，在一定的條件下方能使用。

6.2 新型高效氣液分離器應具有的性能

結構簡單；分離效果好；阻力小；消除二次夾帶；投資小；操作彈性大；內件清理方便，使用周期長。據此，設計基本原則是：① 氣液分離器進口管道中氣體的流速和容器內部氣流空速維持在設計允許的范圍內；② 氣體進入容器后立即進行氣液分離，氣體在容器內流動阻力盡量小；③分離介質中的液體在工作條件下積集于器底，達到氣液分離的目的；④ 如果生產能力擴大，進口管內氣速猛增，為防止器底液體被氣流吹翻發生二次夾帶，在容器中下部位設置防二次夾帶裝置；⑤ 為使進氣管道出口處氣流沿管道截面均衡分布、確保氣流均布不致把它沖壞，在管道出口處設置氣體分布器；⑥ 容器下部要留有一定的分離空間。

多年來，按上述原則進行新型高效氣液分離器的設計與推廣應用，取得了良好的社會效益和經濟效益。實踐表明，新型高效氣液分離器結構簡單，投資少，效果好，其內件各廠可自行制作安裝，應用非常廣泛。對于老廠改造，可在現場因地制宜進行設計，節約費用；對新建廠而言，采用這種結構的氣液分離器，可防止因工藝氣夾帶給毗連設備或下工序造成的危害。這種新型高效氣液分離器在高、中、低壓條件下使用都取得了良好的效果，如在工廠全面采用，將為整套裝置的安全穩定長周期經濟運行打下堅實的基礎。

7 工藝放空氣的集中回收

合成氨裝置造氣至合成各工序之間因多種原因不時造成的工藝氣排放，其回收利用往往沒有引起足夠的重視，由此造成不小的浪費。經統計，一般排放量約占總氣量的1%～3%。通常，回收方案有二：一是常壓回收到氣柜進口；二是按壓力等級和氣體成分分級回收。

（1）常壓回收。于氣柜附近，設一低壓回收塔，固定在設備基礎上。各工藝放空部位，增設放空閥和止逆閥，放空氣分別排入總管，互不干擾；原有的放空閥供原始開車排凈之用。回收塔下部設有液位計和溢流水封，放空氣總管入回收塔前設一放空閥，供管道排空之用；入塔后插入水封內600～800mm，其管口離塔底板400mm，因放空混合氣中往往含氨，為防止水封和排水管道結垢，塔內應間斷加軟水，維持水封液面高度（防止跑氣）。塔上部設放空閥，供開車排凈和事故放空之用。

（2）按壓力等級和氣體成分分段回收到相應的工序，最低一級壓力的氣體回收至氣柜進口管。各放空點應多設一個放空閥，以備置換之用。采用此種方案，有利于能量合理利用和氣體充分回收，不需增設回收塔。

某廠曾實施上述常壓回收方案，增加產量約為總產量的5%，投資小，操作簡單，安全可靠，效益顯著。操作中，造氣工序應注意控制氣體成分和氣柜高度；遇事故集中排放時，排氣量大的部位臨時關閉進回收系統閥門，直接排放，以免發生事故。

8 工藝管道與容器穿孔的帶壓焊接

在日常生產過程中，工藝管道和容器的腐蝕或固定處松動磨損穿孔導致氣體泄漏時，必需及時焊補。通常的做法是切出有關部位，卸壓，用蒸汽置換空氣排凈，分析氧含量為21%后，方可在規定的時間內進行焊補；焊好后用空氣吹除積水、蒸汽置換，工藝氣氧含量小于0.2%后，方可投入使用。此方法費時費工影響生產。帶壓焊接可免除以上過程，只要把事故管段或設備切出，安一臺U形水柱壓力計，將壓力維持在40～60mmH2O柱，專人負責控制；現場預備相應消防器材，然后點火，應看見小火苗，檢查泄漏情況及范圍，由專業人員施焊，焊完，焊接處冷卻后按要求進行試壓，合格后投運。多家企業實踐表明，這種維修法可節約用料，節約維修時間80%以上，是一種安全可靠省時省工高效低耗的維修方法。如果泄漏面積較大，應提早預備一塊比焊口稍大的材料到現場對照直至合適為止，并在其上焊一手柄，以便施焊時人為固定方便。某廠壓縮機冷排管U形螺栓固定松動磨損穿孔，按常規辦法處理要4h，采用帶壓焊接只用40min，效率高效益好，獲得好評。

9 結束語

筆者退休后，多年來從事對外技術服務工作。本文所述內容，是在原單位和對外技術服務期間遇到的一些問題，采取上述措施后，取得了良好的經濟效益和社會效益。值得一提的是，文中所述的新型高效氣液分離技術，是筆者幾十年來經驗的結晶，具有結構簡單新穎，阻力特別小，無二次夾帶，操作彈性大，清理頻次少，投資少等優點，用途十分廣泛。

［1］國家醫藥管理局上海醫藥設計院編.化工工藝設計手冊［M］.北京：化學工出版社，1986.

［2］金國淼主編.除塵設備設計 ［M］.上海：上海科學技術出版社，1985.

［3］《化工設備設計手冊》編寫組.高壓設備 ［M］.上海：上海人民出版社，1973.