Amomax- 10H型催化劑在Tops?e S- 200型氨合成塔中的應(yīng)用

劉立考，丁彩麗，張曉林

(陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西渭南 714000)

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Amomax- 10H型催化劑在Tops?e S- 200型氨合成塔中的應(yīng)用

劉立考，丁彩麗，張曉林

(陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司 陜西渭南 714000)

介紹了Tops?e S- 200型氨合成塔催化劑更換、裝填及還原情況，闡述了Amomax- 10H型催化劑的特性及其在Tops?e S- 200型氨合成塔中的工藝運(yùn)行情況。通過(guò)2年多的實(shí)際運(yùn)行，Amomax- 10H型預(yù)還原型催化劑具有較好的低溫活性和較強(qiáng)的適應(yīng)性，機(jī)械強(qiáng)度高，還原時(shí)間短，催化劑活性較好，合成塔出口氨凈值較高。

合成氨催化劑 Amomax- 10H 還原

1 裝置簡(jiǎn)介

陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱渭化公司)一期1 000 t/d合成氨裝置以陜西和西部地區(qū)豐富的煙煤為原料，氨合成采用丹麥托普索一級(jí)水冷加兩級(jí)氨冷工藝技術(shù)。氨合成塔為Tops?e S- 200型，塔徑為Ф 2 300 mm，設(shè)計(jì)壓力為14.9 MPa。該氨合成塔屬早期塔型，為雙床層內(nèi)置1臺(tái)床間換熱器的徑向氨合成塔，由耐高壓的外筒以及耐高溫的內(nèi)件組成，外筒在正常生產(chǎn)時(shí)受流經(jīng)環(huán)隙的低溫氣體保護(hù)，避免了直接激冷對(duì)合成氣氨濃度的稀釋；出塔氣體溫度較高，可副產(chǎn)4.0 MPa過(guò)熱蒸汽。Tops?e S- 200型氨合成塔結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

A.主氣體進(jìn)口 B.冷卻旁路進(jìn)口 C.氣體出口 1.壓力殼 2.外環(huán)隙 3.催化劑筐外殼 4.催化劑筐絕熱層 5.催化劑筐頂蓋 6.床間熱交換器 7.冷卻旁路 8.一段催化劑床層 9.篩板 10.中心篩網(wǎng) 11.蓋板 12.催化劑支撐板 13.篩網(wǎng)板 14.二段催化劑床層 15.中心絲網(wǎng) 16.蓋板圖1 Tops?e S- 200型氨合成塔結(jié)構(gòu)示意

塔內(nèi)工藝氣流向：一路主工藝氣從氨合成塔底部的主氣體進(jìn)口A進(jìn)入氨合成塔，向上通過(guò)壓力殼和催化劑筐外殼構(gòu)成的外環(huán)隙進(jìn)入床間熱交換器管程；另一路合成氣作為冷卻氣從塔底的冷卻旁路進(jìn)口B進(jìn)入氨合成塔，在冷卻副線的上部與出床間熱交換器管程的工藝氣混合，以調(diào)節(jié)一段催化劑床層入口氣體溫度；混合氣體徑向向心通過(guò)一段催化劑床層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體進(jìn)入床間熱交換器殼程與入塔主氣體換熱，被冷卻后的氣體徑向通過(guò)二段催化劑床層進(jìn)一步反應(yīng)，反應(yīng)后的氣體從氨合成塔底部氣體出口C離開(kāi)氨合成塔。

2 催化劑更換及裝填

2002年，渭化公司將氨合成催化劑更換為A110- 1型，至2013年已運(yùn)行12年，催化劑進(jìn)入使用末期，催化劑活性下降，床層溫度升高，單程轉(zhuǎn)化率低，造成循環(huán)量增大，合成氣壓縮機(jī)功耗大。特別是在夏季，合成氨裝置最高運(yùn)行負(fù)荷只能維持在91%左右，成為制約裝置高負(fù)荷運(yùn)行的一個(gè)主要瓶頸。A110- 1型催化劑運(yùn)行初期和末期數(shù)據(jù)如表1所示。

2013年9月年度大修期間，渭化公司對(duì)氨合成催化劑進(jìn)行了計(jì)劃更換。通過(guò)前期調(diào)研及技術(shù)討論，采用了科萊恩華錦催化劑(盤錦)有限公司的Amomax- 10型氨合成催化劑，其主要成分是由氧化亞鐵還原而得的活性α- Fe，為黑色、有光澤的不規(guī)則顆粒，無(wú)磁性，含有適量的氧化鋁、氧化鉀、氧化鈣等助劑，采用磨角工藝，收縮率低。考慮到催化劑還原期間的廢氨水處理及還原期間公用工程的消耗問(wèn)題，本次更換的催化劑全部采用了預(yù)還原型催化劑Amomax- 10H，其還原率達(dá)到90%。Amomax- 10H型催化劑主要物性參數(shù)如表2所示。

催化劑的裝填由專業(yè)公司完成，整個(gè)裝填過(guò)程都是在氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行，氨合成塔各層催化劑裝填數(shù)據(jù)如表3所示。

催化劑裝填前，通過(guò)對(duì)其物理參數(shù)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Amomax- 10H型催化劑粒度不夠均勻，Φ5～7 mm摻雜較多，催化劑加工工藝有待進(jìn)一步提高。

3 催化劑還原

2013年9月27日00:00，回路建立了循環(huán)；02:30，投用開(kāi)工加熱爐開(kāi)始還原。由于提前進(jìn)行暖塔操作，起始還原溫度為180 ℃，節(jié)省了還原時(shí)間。為防止前期還原出水結(jié)冰堵塞管道，氨冷器開(kāi)始暫不投用，待出塔氣中φ(NH3)達(dá)2%以上時(shí)再緩慢投用氨冷器。整個(gè)還原操作嚴(yán)格按照催化劑生產(chǎn)企業(yè)提供的升溫還原方案進(jìn)行，回路壓力控制在7.5～8.0 MPa，系統(tǒng)采用全循環(huán)，部分放空。進(jìn)塔總氣量為110 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，過(guò)加熱爐盤管氣量為70 000 m3/h(標(biāo)態(tài))。2013年9月28日02:00，停運(yùn)開(kāi)工加熱爐；9月29日，調(diào)整催化劑床層溫度，系統(tǒng)負(fù)荷提升至75%，進(jìn)入輕負(fù)荷期，整個(gè)催化劑還原共耗時(shí)41 h左右。10月8日，上游工藝氣量充足，合成回路達(dá)到滿負(fù)荷運(yùn)行，各項(xiàng)參數(shù)較為理想。

表1 A110- 1型催化劑運(yùn)行初期和末期數(shù)據(jù)

項(xiàng) 目流量/(m3·h-1,標(biāo)態(tài))新鮮氣循環(huán)氣產(chǎn)量/(t·d-1)系統(tǒng)壓力/MPa溫度/℃氨分離器熱點(diǎn)出塔氣入塔氣2002-05109000497000102113.44-84924492312013-07102000>50000093713.67-7510449238

通過(guò)對(duì)整個(gè)還原過(guò)程的分析得出，Amoma- 10H型催化劑還原出水溫區(qū)窄，出水集中、出水快，出塔氣中水汽含量不易控制，含水體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)4 960×10-6。全塔采用預(yù)還原型催化劑，理論出水量約3 t，全部回收至下游的氨收集槽中，避免了氨水排放的環(huán)保壓力。同時(shí)，Amoma- 10H型催化劑具有易還原、低溫低壓活性好、起活溫度低等優(yōu)點(diǎn)，正常生產(chǎn)期間，氨合成塔出口氨凈值高，能有效降低合成氣壓縮機(jī)和冰機(jī)的功耗，很好地滿足裝置高負(fù)荷生產(chǎn)的要求。

表2 Amomax- 10H型催化劑主要物性參數(shù)

項(xiàng) 目參數(shù)堆密度/(kg·L-1)2.4～2.6粒度/mm1.5～3.0孔隙率/%48比孔容積/(mg·L-1)0.13比表面/(m2·g-1)13使用溫度/℃300～510使用壓力/MPa8.0～15.0

表3 氨合成塔各層催化劑裝填數(shù)據(jù)

項(xiàng) 目上層下層型號(hào)Amomax-10HAmomax-10H粒度/mm1.5～3.01.5～3.0高度/mm558010450體積/m312.4431.57堆密度/(kg·L-1)2.5372.562實(shí)際裝填質(zhì)量/t31.5680.88

4 裝置運(yùn)行情況

更換為Amomax- 10H型催化劑后，隨著催化劑活性的提高，氨合成反應(yīng)良好，合成塔催化劑床層溫升顯著提高，循環(huán)氣流量和壓縮機(jī)出口壓力降低，減輕了合成氣壓縮機(jī)的負(fù)荷；合成新鮮氣在設(shè)計(jì)流量(109 800 m3/h，標(biāo)態(tài))下運(yùn)行時(shí)，狀況良好，并具備進(jìn)一步提升裝置負(fù)荷的能力。通過(guò)實(shí)際運(yùn)行考核，表明該催化劑在氨合成裝置中的使用情況相對(duì)較好，考核數(shù)據(jù)如下：新鮮氣流量109 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，循環(huán)氣流量為523 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，合成氨產(chǎn)量為1 018 t/d，系統(tǒng)壓力為13.45 MPa，氨分離器溫度為-8 ℃，催化劑床層熱點(diǎn)溫度為490 ℃，入塔氣體溫度為222 ℃，出塔氣體溫度為457 ℃，催化劑床層壓差為0.08 MPa。

5 運(yùn)行中存在的問(wèn)題及處理

(1)催化劑使用初期，催化劑床層熱點(diǎn)溫度控制在≤490 ℃，在滿足生產(chǎn)負(fù)荷的同時(shí)，能夠更好地保證催化劑的使用壽命;但在實(shí)際操作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一段催化劑床層入口氣體溫度降至低于340 ℃時(shí)，催化劑床層溫度出現(xiàn)明顯下降，因此，目前氨合成塔一段催化劑床層入口氣體溫度控制在不低于343 ℃。

(2)催化劑床層同平面溫差較大，其原因：①催化劑裝填時(shí)，采用4個(gè)蓬頭90 ℃擺動(dòng)，依靠重力落差裝填，若4個(gè)蓬頭落料量不均勻，則會(huì)造成同平面裝填密度不均勻；②由于中心筒變形，造成熱電偶套管彎曲變形及催化劑筐傾斜，使溫度測(cè)量存在偏差。現(xiàn)經(jīng)技術(shù)評(píng)估，暫不影響裝置安全運(yùn)行，計(jì)劃在下一個(gè)催化劑更換周期更換合成塔中心筒。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)2年時(shí)間的運(yùn)行數(shù)據(jù)收集整理及技術(shù)分析，認(rèn)為Amomax- 10H型預(yù)還原型催化劑具有較好的低溫活性和較強(qiáng)的適應(yīng)性，機(jī)械強(qiáng)度高，在Tops?e S- 200型氨合成塔中使用能夠取得令人滿意的效果，具體表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

(1)還原時(shí)間短

氨合成塔上、下床層全部裝填A(yù)momax- 10H型預(yù)還原催化劑，還原共耗時(shí)41 h，大大縮短了還原時(shí)間，出氨早，縮短了合成氣放空時(shí)間，節(jié)約還原成本；同時(shí)，產(chǎn)生低濃度氨水少，可以直接回收，省去了處理大量氨水的麻煩，而且避免了環(huán)保問(wèn)題。

(2)催化劑活性較好

催化劑低溫活性好，一段催化劑床層入口氣體溫度最低可維持在343 ℃，溫度調(diào)節(jié)范圍大，工況穩(wěn)定性好。從運(yùn)行數(shù)據(jù)看，滿負(fù)荷時(shí)，一段催化劑床層催化劑溫升為145 ℃，二段催化劑床層催化劑溫升為75 ℃，說(shuō)明氨合成塔內(nèi)反應(yīng)情況較好，催化劑活性較高，可降低一段催化劑床層熱點(diǎn)溫度和一段催化劑床層入塔氣體溫度，間接降低了二段催化劑床層入口氣體溫度；同時(shí)，保持出塔氣體高溫不變，有利于充分利用二段催化劑床層內(nèi)的催化劑，并可控制較高的入塔氣體中氨含量，降低氨壓機(jī)負(fù)荷。

(3)合成塔出口氨凈值高

在滿負(fù)荷運(yùn)行條件下，系統(tǒng)壓力13.35 MPa，循環(huán)氣流量520 000m3/h(標(biāo)態(tài))，氨合成塔出口氨凈值最高能達(dá)16%(體積分?jǐn)?shù))，符合氨合成塔的設(shè)計(jì)要求，可以滿足生產(chǎn)需求。

Use of Type Amomax- 10H Catalyst in Tops?e S- 200 Ammonia Converter

LIU Likao, DING Caili, ZHANG Xiaolin

(Shaanxi Weihe Coal Chemical Group Co., Ltd. Shaanxi Weinan 714000)

The replacement, loading and reduction of ammonia catalyst of Tops?e S- 200 ammonia converter is introduced, and the characteristics of type Amomax- 10H catalyst and its operation conditions in Tops?e S- 200 ammonia converter are described. Through actual operation for more than 2 years, it is proved that type Amomax- 10H reduction catalyst has many advantages such as better low- temperature activity and stronger adaptation, high mechanical strength, short reduction time, better catalyst activity, and higher ammonia net value at outlet of the converter.

ammonia synthesis catalyst Amomax- 10H reduction

劉立考(1982—)，男，工程師，研究生，從事技術(shù)管理工作；15291303096@163.com。

TQ113.26+6.5

B

1006- 7779(2016)05- 0068- 03

2015- 12- 03)