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 裝置簡介

陜西渭河煤化工集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱渭化公司)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，渭化公司對氨合成催化劑進(jìn)行了計(jì)劃更換。通過前期調(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，通過對其物理參數(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，投用開工加熱爐開始還原。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

通過對整個(gè)還原過程的分析得出，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，使溫度測量存在偏差。現(xiàn)經(jīng)技術(shù)評估，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

經(jīng)過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)