DNCA型氨合成催化劑在凱洛格內件的應用

張秀志

(新疆中能萬源化工有限公司新疆瑪納斯832200)

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DNCA型氨合成催化劑在凱洛格內件的應用

張秀志

(新疆中能萬源化工有限公司新疆瑪納斯832200)

新疆中能萬源化工有限公司是由安徽晉煤中能化工股份有限公司在新疆瑪納斯成立的全資子公司。該公司一期“40·60”項目采用航天爐粉煤加壓氣化工藝、湖南安淳高新技術有限公司的等溫變換工藝、大連理工大學的低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝、浙江杭氧公司的液氮洗凈化工藝、美國凱洛格公司的合成氨技術以及意大利斯納姆公司的氨汽提法尿素工藝，于2015年8月開始調試運行，2015年9月順利投產，并達到預期效果。現將合成裝置試車及運行情況介紹如下。

1　氨合成裝置工藝流程

該裝置采用凱洛格技術Φ2 700 mm合成塔。來自凈化系統n(H2)/n(N2)約為3∶1、φ(CO+CO2)<5×10-6、壓力為2.69 MPa、溫度為25 ℃、流量為110 228 m3/h(標態(tài))的新鮮合成氣至合成氣壓縮機入口，與其循環(huán)段入口的346 607 m3/h(標態(tài))循環(huán)氣一起經合成氣壓縮機壓縮至11.49 MPa、溫度66 ℃，經合成塔進、出料換熱器預熱至230 ℃后，再分成3路進入合成塔：第1路約60%(體積分數，下同)的氣體經過第1主線調節(jié)閥，通過合成塔殼體和催化劑筐環(huán)隙，再經過合成塔一級中間換熱器與第1床層出口氣體換熱，以降低殼體溫度和第2床層入口溫度，該氣體被加熱至385 ℃；第2路約30%的氣體經過第2主線調節(jié)閥，通過合成塔二級中間換熱器換熱，以降低第3床層入口溫度，同時與主氣流混合進入一級中間冷卻器，預熱后進入第1床層；第3路約10%的氣體經零米副線調節(jié)閥至合成塔入口。

上述3路氣體經混合后進入合成塔第1床層(有 50%以上的NH3在此合成)。第1床層出口后的氣體與第1主線調節(jié)閥、第2主線調節(jié)閥來的氣體在合成塔一級中間換熱器換熱后進入第2床層，第2床層出口的氣體與第2主線調節(jié)閥來的氣體在合成塔二級換熱器換熱后進入第3床層A室，再進入第3床層B室；B室出口氣體(442 ℃、壓力11.06 MPa)進入工藝蒸汽過熱器換熱后，氣體溫度降至418 ℃，然后進入合成塔廢熱鍋爐換熱，并副產4.15 MPa的蒸汽，此時氣體溫度降至282 ℃。在合成塔進出料換熱器中，預熱合成塔進料氣至230 ℃，自身降溫至110 ℃，進入合成塔出口冷卻器中冷卻至38 ℃，再經過組合氨冷器的中心管外側冷凝，并通過氨分離器分離，液氨送至減壓閃蒸罐，未冷凝的氫氮氣通過組合氨冷器中心管復熱至27 ℃，然后送至合成氣壓縮機循環(huán)段入口。

2　氨合成催化劑的裝填

現采用了臨朐大祥精細化工有限公司生產的DNCA型氨合成催化劑，第1床層和第2床層裝填DNCA- H型預還原催化劑，第3床層(A和B)裝填DNCA型氧化態(tài)催化劑。氧化態(tài)催化劑采用震動棒裝填方式，氨合成催化劑實際裝填情況見表1。

表1　氨合成催化劑實際裝填情況

總容積59.47 m3，裝填DNCA- H型預還原催化劑68 640 kg、DNCA型氧化態(tài)催化劑73 550 kg。

3　氨合成催化劑的升溫還原情況

合成塔暖塔試壓結束后，系統充氨2 t，補入新鮮合成氣將其壓力升至0.6 MPa，合成氣壓縮機啟動后，緩慢提壓至5.0 MPa，調整開工電加熱爐入口合成氣氣量至50 000 m3/h(標態(tài))、環(huán)隙氣量50 000 m3/h(標態(tài))。于2015年8月24日12:15開啟開工電加熱爐升溫，第1床層進口氣體溫度升至200 ℃，水汽質量濃度達到0.5 g/m3，第1床層預還原催化劑開始出水，進口氣體中氨體積分數降至<3%后，開啟開工加氨泵，從軟水加熱器入口補氨1次，氨冷器溫度繼續(xù)保持在0～-5 ℃；第1床層進口氣體溫度升至330 ℃時，出口氣體中氨含量開始逐步回升，氨水中氨質量分數達27%；第1床層進口氣體溫度升至360 ℃時，第1床層出口氣體溫度開始超過進口氣體溫度，出現“翻點”現象，出口氣體中氨體積分數>3.0%，氨水中氨質量分數>50%，逐漸降低氨冷器溫度至-15 ℃以下。第1床層出口氣體溫度410 ℃，第2床層進口氣體溫度360 ℃，第3床層進口氣體溫度320 ℃后，水汽質量濃度約0.3 g/m3，出水量較少，預還原催化劑還原基本結束。將開工電加熱爐功率加至3 700 kW，維持第1床層出口氣體溫度450 ℃，當第2床層出口氣體溫度410 ℃、第3床層進口氣體提至360 ℃時，水汽質量濃度達1～2 g/m3，第3床層DNCA型氧化態(tài)催化劑進入還原期。第3床層還原期間，因氨產量較大，受液氨充裝能力限制，壓力維持在5.5～6.0 MPa，循環(huán)氣總氣量約為200 000 m3/h(標態(tài))，第1床層出口氣體溫度475 ℃，第2床層出口氣體溫度445 ℃，第3床層進口氣體溫度升高至405 ℃時，第3床層出口氣體溫度開始出現“翻點”現象；當第3床層進口氣體溫度升至425 ℃，出口氣體溫度430 ℃時，水汽濃度連續(xù)分析為零，氨水中氨質量分數>99%，逐漸提壓至8.0 MPa，將第1床層出口氣體溫度升至495 ℃，第2床層出口氣體溫度升至475 ℃，第3床層出口氣體溫度升至450 ℃(塔出口氣體溫度≤450 ℃)，并恒溫8 h，于2015年9月1日05:00轉入輕負荷生產。合成催化劑期間，因合成氣廢熱鍋爐加水閥需要維修及氣化系統停車等影響，對氨合成塔采取降溫、卸壓方式等處理措施。

4　輕負荷運行情況

輕負荷補新鮮氣約80 000 m3/h(標態(tài))，合成塔入口氣體壓力8.00 MPa、溫度232 ℃，塔出口氣體壓力7.83 MPa、溫度425 ℃。第1床層出口氣體溫度482 ℃，第2床層出口氣體溫度457 ℃，第3床層出口氣體溫度426 ℃；循環(huán)氣中氫體積分數71%～73%，氨冷器溫度-26 ℃；合成塔進口氣中氨體積分數為1.7%，出口氣中氨體積分數為14.1%。零米冷激氣氣量為32 000 m3/h(標態(tài))，第1主線氣量為230 000 m3/h(標態(tài))，第2主線氣量為130 000 m3/h(標態(tài))。

輕負荷停車檢修后再開車時，合成塔入口壓力5.0 MPa，氨冷溫度-26 ℃。在進塔氣中氫體積分數73.5%狀態(tài)下，第1床層進口氣體溫度為227 ℃，出口氣中氨體積分數逐漸升高(由1.6%升至1.9%)；當第1床層進口氣溫度達247 ℃時，氨分離器液位明顯上漲；當第1床層進口氣溫度達253 ℃時，第1床層出現“翻點”現象，顯示該催化劑起活溫度低、低溫活性較好。

5　目前生產情況

目前新鮮氣氣量117 000 m3/h(標態(tài))，日產合成氨1 050 t，合成塔進口氣體壓力10.55 MPa,合成塔阻力0.28 MPa,系統阻力0.76 MPa；第1床層進口氣體溫度379.7 ℃，第1床層出口氣體溫度482.0 ℃；第2床層進口氣體395.9 ℃，第2床層出口氣體溫度467.3 ℃；第3床層進口氣體溫度383.9 ℃，第3床層出口氣體溫度434.0 ℃；總循環(huán)氣氣量455 000 m3/h(標態(tài))，循環(huán)氣中氫體積分數73.9%，合成塔進口氣中氨體積分數1.80%，合成塔出口氣中氨體積分數18.84%。

6　結語

(1)DNCA- H型氨合成催化劑強度較好，裝填過程中粉塵較少，裝填后未出現溫度大幅上升。

(2)DNCA- H型氨合成催化劑出水溫度低、易還原，第1床層進口氣溫度升至200 ℃開始出水，360 ℃后水汽質量濃度降至0.3 g/m3以下。

(3)DNCA型氨合成催化劑低溫易還原，第3床層進口氣溫度升至360 ℃開始大量出水；出口氣溫度為430 ℃時，水汽濃度分析合格。

(4)DNCA型催化劑低溫活性好，第1床層進口氣溫度達251 ℃時，第1床層開始出現絕熱溫升；DNCA型催化劑初期活性較好、氨凈值較高，目前系統壓力較低。因該催化劑使用時間較短，其使用周期還有待時間檢驗。

2016- 04- 03)