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

劉立考，丁彩麗，張曉林

(陜西渭河煤化工集團有限責任公司 陜西渭南 714000)

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

劉立考，丁彩麗，張曉林

(陜西渭河煤化工集團有限責任公司 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行情況。通過2年多的實際運行，Amomax- 10H型預還原型催化劑具有較好的低溫活性和較強的適應性，機械強度高，還原時間短，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有限責任公司(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豐富的煙煤為原料，氨合成采用丹麥托普索一級水冷加兩級氨冷工藝技術。氨合成塔為Tops?e S- 200型，塔徑為Ф 2 300 mm，設計壓力為14.9 MPa。該氨合成塔屬早期塔型，為雙床層內置1臺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件組成，外筒在正常生產時受流經環隙的低溫氣體保護，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4.0 MPa過熱蒸汽。Tops?e S- 200型氨合成塔結構示意如圖1所示。

A.主氣體進口 B.冷卻旁路進口 C.氣體出口 1.壓力殼 2.外環隙 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 11.蓋板 12.催化劑支撐板 13.篩網板 14.二段催化劑床層 15.中心絲網 16.蓋板圖1 Tops?e S- 200型氨合成塔結構示意

塔內工藝氣流向：一路主工藝氣從氨合成塔底部的主氣體進口A進入氨合成塔，向上通過壓力殼和催化劑筐外殼構成的外環隙進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口B進入氨合成塔，在冷卻副線的上部與出床間熱交換器管程的工藝氣混合，以調節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行反應，反應后的氣體進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一步反應，反應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年已運行12年，催化劑進入使用末期，催化劑活性下降，床層溫度升高，單程轉化率低，造成循環量增大，合成氣壓縮機功耗大。特別是在夏季，合成氨裝置最高運行負荷只能維持在91%左右，成為制約裝置高負荷運行的一個主要瓶頸。A110- 1型催化劑運行初期和末期數據如表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行了計劃更換。通過前期調研及技術討論，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還原型催化劑Amomax- 10H，其還原率達到90%。Amomax- 10H型催化劑主要物性參數如表2所示。

催化劑的裝填由專業公司完成，整個裝填過程都是在氮氣環境下進行，氨合成塔各層催化劑裝填數據如表3所示。

催化劑裝填前，通過對其物理參數檢驗發現，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；02:30，投用開工加熱爐開始還原。由于提前進行暖塔操作，起始還原溫度為180 ℃，節省了還原時間。為防止前期還原出水結冰堵塞管道，氨冷器開始暫不投用，待出塔氣中φ(NH3)達2%以上時再緩慢投用氨冷器。整個還原操作嚴格按照催化劑生產企業提供的升溫還原方案進行，回路壓力控制在7.5～8.0 MPa，系統采用全循環，部分放空。進塔總氣量為110 000 m3/h(標態)，過加熱爐盤管氣量為70 000 m3/h(標態)。2013年9月28日02:00，停運開工加熱爐；9月29日，調整催化劑床層溫度，系統負荷提升至75%，進入輕負荷期，整個催化劑還原共耗時41 h左右。10月8日，上游工藝氣量充足，合成回路達到滿負荷運行，各項參數較為理想。

表1 A110- 1型催化劑運行初期和末期數據

項 目流量/(m3·h-1,標態)新鮮氣循環氣產量/(t·d-1)系統壓力/MPa溫度/℃氨分離器熱點出塔氣入塔氣2002-05109000497000102113.44-84924492312013-07102000>50000093713.67-7510449238

通過對整個還原過程的分析得出，Amoma- 10H型催化劑還原出水溫區窄，出水集中、出水快，出塔氣中水汽含量不易控制，含水體積分數最高達4 960×10-6。全塔采用預還原型催化劑，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保壓力。同時，Amoma- 10H型催化劑具有易還原、低溫低壓活性好、起活溫度低等優點，正常生產期間，氨合成塔出口氨凈值高，能有效降低合成氣壓縮機和冰機的功耗，很好地滿足裝置高負荷生產的要求。

表2 Amomax- 10H型催化劑主要物性參數

項 目參數堆密度/(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據

項 目上層下層型號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實際裝填質量/t31.5680.88

4 裝置運行情況

更換為Amomax- 10H型催化劑后，隨著催化劑活性的提高，氨合成反應良好，合成塔催化劑床層溫升顯著提高，循環氣流量和壓縮機出口壓力降低，減輕了合成氣壓縮機的負荷；合成新鮮氣在設計流量(109 800 m3/h，標態)下運行時，狀況良好，并具備進一步提升裝置負荷的能力。通過實際運行考核，表明該催化劑在氨合成裝置中的使用情況相對較好，考核數據如下：新鮮氣流量109 000 m3/h(標態)，循環氣流量為523 000 m3/h(標態)，合成氨產量為1 018 t/d，系統壓力為13.45 MPa，氨分離器溫度為-8 ℃，催化劑床層熱點溫度為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，催化劑床層熱點溫度控制在≤490 ℃，在滿足生產負荷的同時，能夠更好地保證催化劑的使用壽命;但在實際操作過程中發現，當一段催化劑床層入口氣體溫度降至低于340 ℃時，催化劑床層溫度出現明顯下降，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，采用4個蓬頭90 ℃擺動，依靠重力落差裝填，若4個蓬頭落料量不均勻，則會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。現經技術評估，暫不影響裝置安全運行，計劃在下一個催化劑更換周期更換合成塔中心筒。

6 結語

經過2年時間的運行數據收集整理及技術分析，認為Amomax- 10H型預還原型催化劑具有較好的低溫活性和較強的適應性，機械強度高，在Tops?e S- 200型氨合成塔中使用能夠取得令人滿意的效果，具體表現在如下幾個方面。

(1)還原時間短

氨合成塔上、下床層全部裝填Amomax- 10H型預還原催化劑，還原共耗時41 h，大大縮短了還原時間，出氨早，縮短了合成氣放空時間，節約還原成本；同時，產生低濃度氨水少，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 ℃，溫度調節范圍大，工況穩定性好。從運行數據看，滿負荷時，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 ℃，說明氨合成塔內反應情況較好，催化劑活性較高，可降低一段催化劑床層熱點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，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的催化劑，并可控制較高的入塔氣體中氨含量，降低氨壓機負荷。

(3)合成塔出口氨凈值高

在滿負荷運行條件下，系統壓力13.35 MPa，循環氣流量520 000m3/h(標態)，氨合成塔出口氨凈值最高能達16%(體積分數)，符合氨合成塔的設計要求，可以滿足生產需求。

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，從事技術管理工作；15291303096@163.com。

TQ113.26+6.5

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1006- 7779(2016)05- 0068- 03

2015- 12- 03)