氨合成催化劑氮氣升溫總結

吳 濤，呂世興，張宜芳

(兗礦新疆煤化工有限公司 新疆烏魯木齊 831500)

1 系統簡介

兗礦新疆煤化工有限公司600 kt/a醇氨聯產項目的合成氨系統設計規模為年產300 kt合成氨，裝置選用了國際上先進的瑞士卡薩利公司的技術和內件，單塔日產氨1 000 t；精制氣的壓縮與合成氣的循環采用同一臺蒸汽透平驅動離心式壓縮機，能耗低；氨合成設計操作壓力14.83 MPa，工藝流程簡單；設置塔外加熱器，易操作，節能環保。合成氨系統工藝流程見圖1。

圖1 合成氨系統工藝流程

來自液氮洗工段的新鮮氣(35 ℃，5.5 MPa)進入合成氣壓縮機的低壓缸一級入口，壓縮后經級間冷卻器冷卻后進入高壓缸，在缸內與合成循環氣一起被壓縮；出合成氣壓縮機高壓缸的氣體溫度升至56 ℃左右進入熱交換器(E7203)，被加熱至(178±5) ℃后進入合成塔(R7201)進行氨合成反應；出合成塔的合成氣(425 ℃)先進入廢熱鍋爐(E7201)副產3.8 MPa飽和蒸汽，溫度降至約255 ℃進入鍋爐給水預熱器(E7022)與鍋爐給水換熱，然后進入E7203加熱循環氣，溫度降至80 ℃左右后進入水冷器(E7204)，溫度降至35 ℃后進入冷交換器(E7205)，進一步降溫后的合成氣依次進入第1氨冷器(E7206)和第2氨冷器(E7207)，溫度降至-10 ℃后進入高壓氨分離器(V7201)分離出冷凝的液氨；出V7201的循環氣與合成氣在E7205中換熱，溫度升至27 ℃后進入合成氣壓縮機的高壓缸參加下一循環。在V7201中分離得到的液氨進入中壓氨分離器(V7202)，出V7202的液氨分成2股，一股進入尿素工段，另一股經低壓閃蒸罐后送至球罐儲存。

2 存在的問題

由于合成氣壓縮機采用的是新鮮氫氮氣壓縮和氨合成循環氣壓縮的聯合離心式壓縮機，自2012年系統投入生產以來，每次系統開車，合成氣壓縮機必須是在有新鮮氣的條件下才能開始啟動運行，催化劑升溫也是在合成氣壓縮機運行后且新鮮氣并入系統方可進行，即必須在液氮洗工段送出合格的新鮮氫氮氣后方可進行。因此，氨合成系統從合成氣壓縮機接氣開機到催化劑開始升溫，最短需要等待10～12 h。另外，按(45±5) ℃/h的升溫速率，氨合成催化劑從常溫至升溫結束產出液氨，又需時約10 h，導致每次生產系統恢復生產都需長時間將原料氣放空，經濟損失巨大，故須尋求一種較快恢復生產的開車方式。

為了縮短生產系統開車時間、避免有效氣體長時間排放、減少經濟損失，兗礦新疆煤化工有限公司要求氨合成催化劑提前升溫。經分析討論，針對氨合成系統的特點，提出利用前工序開車過程時間，用氮氣對催化劑提前進行升溫的方案。

3 可行性分析

氮氣是惰性氣體，在氨合成系統內對氨合成催化劑及設備和管線均無不良影響，而且在系統內的循環流程與工藝氣流程相同，只需在塔前增設1根DN 50 mm高壓氮氣補入管線，廢熱鍋爐、鍋爐給水預熱器、水冷器、熱交換器、冷交換器、開工加熱器只起到換熱作用，氮氣對它們的性能無影響。

采用氮氣升溫的關鍵在于實現氮氣的循環利用，即必須啟動合成氣壓縮機運行。合成氣壓縮機運行的關鍵是在氮氣條件下的安全啟動，還須確保其在運行過程中缸體出口不超溫，這要求控制好氨合成系統及合成氣壓縮機缸體內的壓力。沒有資料說明合成氣壓縮機和汽輪機的軸振動、軸位移、軸瓦溫度與氮氣介質有直接關系，考慮到氮氣密度大的因素，根據氫氣分子量和氮氣分子量、體積分數75%的氫氣與體積分數25%的氮氣混合成的新鮮氣與1.0 MPa純氮氣壓力相等的關系，計算得到的新鮮氣壓力約為3.29 MPa。根據合成氣壓縮機在氮氣介質條件下試運行的性能結果，合成氣壓縮機在此條件下啟動，低壓缸和高壓缸出口氣體均不會超溫，完全可行。合成氣壓縮機在氮氣壓力3.5 MPa條件下運行與在工藝氣11.53 MPa條件下運行相當，在氮氣壓力4.0 MPa條件下運行與在工藝氣壓力13.18 MPa條件下運行相當，通過對比合成氣壓縮機在工藝氣介質出口壓力12.02 MPa和12.84 MPa下運行時的缸體出口溫度(表1)，均符合工藝指標。另外，合成氣壓縮機段間設有水冷器，其入口溫度不會過高，出口溫度可控，故根據合成氣壓縮機缸體出口溫度控制在氮氣壓力≤4.0 MPa下運行是可行的。

表1 合成氣壓縮機在工藝氣條件下的運行參數

轉速/(r·min-1)低壓缸高壓缸入口壓力/MPa出口溫度/℃入口壓力/MPa出口溫度/℃108534．8976．412．0258．4120204．7081．012．8462．2

另外，氨合成催化劑的升溫熱源為塔外開工加熱器，燃料氣為天然氣，加熱氮氣無任何問題；在壓力≤4.0 MPa的條件下，開工加熱器入口氣體最小流量15 000 m3/h完全能夠達到。因此，氨合成催化劑采用氮氣循環升溫在理論上是完全可行的。

對于合成氣壓縮機在氮氣介質條件下的啟動、補充壓力、建立循環時轉速的控制，根據采用氮氣進行合成氣壓縮機試車的經驗和目前直接采用1.0 MPa氮氣啟動合成氣壓縮機的實際操作，1.0 MPa氮氣條件下合成氣壓縮機在啟動轉速1 000 r/min下啟機進行暖機，暖機30 min后升速至3 000 r/min沖轉，到7 000 r/min過臨界轉速時，通過合成氣壓縮機循環氣入口旁路閥向合成氣壓縮機高壓段補充氮氣以提升壓力；合成氣壓縮機出口壓力超過2.5 MPa時，一級干氣密封氣切換成合成氣壓縮機出口氣體；合成氣壓縮機出口壓力與氨合成系統壓力平衡后，打開合成氣壓縮機進、出口閥，建立系統氣體循環。如果出現合成氣壓縮機缸體出口溫度超標，則適當降低系統壓力，保證合成氣壓縮機安全運行。按照此方式操作，完全可以實現合成氣壓縮機的安全運行。

氮氣升溫與工藝氣升溫一樣，均應嚴格控制升溫速率在(45±5) ℃/h，用開工加熱器天然氣壓力、氣量控制升溫速率。氨合成塔的頂底溫差應≤80 ℃，采用循環量控制。

空分系統運行正常后，即有6.0 MPa高壓氮氣可供使用。合成氣壓縮機開機用時與合成氨催化劑升溫用時均為10～12 h，與氣化爐投料產氣到液氮洗工段送出合格氫氮氣用時基本一致。所以，合成氣壓縮機應提前做好開機準備，當有高壓氮氣可供使用后，啟動合成氣壓縮機，氨合成催化劑即可以開始采用氮氣提前進行升溫。

4 操作方法

4.1 操作步驟

(1) 空分系統開車正常有合格高壓氮氣可供使用后，合成氣壓縮機即做好開機準備工作，按照合成氣壓縮機開車步驟啟動合成氣壓縮機。

(2) 合成氣壓縮機在轉速1 000 r/min沖轉暖機過程中，氨合成系統打開氨合成塔塔前閥門(UV- 7202)和塔后閥門(UV- 7203)，打通系統流程，從熱交換器入口管處向系統內充入高壓氮氣至壓力3.5 MPa并保持不變。開啟合成氣壓縮機后，根據缸體出口溫度情況再適當提高壓力至≤4.0 MPa，充壓速率控制在<0.5 MPa/min。

(3) 系統充壓至3.5 MPa后，即向廢熱鍋爐內通入2.5 MPa蒸汽煮鍋，注意控制液位在低限(5%～10%)。

(4) 在合成氣壓縮機以1 000 r/min暖機過程中，提前打開開工加熱器氣路出口閥，抽掉天然氣入口盲板，提前點起2盞開工加熱器長明燈小火，待合成氨催化劑開始升溫時及時引燃2盞開工加熱器長明燈大火進行升溫。

(5) 合成氣壓縮機在升速至3 000 r/min運行15 min過臨界轉速時，開啟合成氣壓縮機循環段入口旁路閥向合成氣壓縮機內均壓，使出口壓力與系統壓力持平；一級干氣密封氣切換為合成氣壓縮機出口氣體；全開合成氣壓縮機循環段入口大閥(HV- 71003)，關閉入口旁路閥，打開循環段出口旁路閥先建立氣體最小循環量。現場打開開工加熱器入口閥，點1盞開工加熱器長明燈大火開始升溫，待開工加熱器出口氣體溫度高于合成氨催化劑床層入口溫度時，打開合成氣壓縮機出口大閥(HV- 71004)，暫不關旁路閥，建立系統氣體完全循環，用開工加熱器入口閥控制入塔氣體流量在15 000～18 000 m3/h，再點1盞開工加熱器長明燈大火，按照升溫速率升溫。

(6) 合成氣壓縮機達到8 606 r/min最低接管轉速時，開始由控制室控制，觀察合成氣壓縮機低壓缸和高壓缸出口溫度，如溫度不高，再向系統補入氮氣至壓力≤4.0 MPa，穩定系統壓力；如溫度上升且>84 ℃，則開塔后放空閥適當降低壓力。合成氣壓縮機缸體出口溫度穩定后，關閉氮氣補氣閥，保持壓力不變，逐漸升溫。采用調節開工加熱器燃料天然氣的壓力和流量控制升溫速率在(45±5) ℃/h，逐漸將合成氨催化劑床層的上層溫度提升至400 ℃以上(如合成氨催化劑床層溫度從常溫升至正常生產溫度約需8～10 h)。升溫時須注意床層頂底溫差不得超過80 ℃，采用合成氣壓縮機循環段防喘振閥控制循環量進行操作。

(7) 當液氮洗工段送出合格的新鮮氣至合成系統后，先開新鮮氣放空閥置換氣體，并控制新鮮氣壓力穩定。當取樣分析新鮮氣成分合格后，先開合成氣壓縮機新鮮氣入口旁路閥，逐漸向合成氣壓縮機系統內均壓，同時稍開合成塔主閥，適當開塔后放空閥置換系統內氮氣，此時合成氨催化劑床層溫度將因有氫氮氣進入而上升，注意保持壓力不變，開始投用兩級氨冷器。待合成氣壓縮機低壓缸入口壓力與外界新鮮氣壓力基本持平后，打開新鮮氣入口大閥(HV- 71001)并氣。

(8) 新鮮氣并入系統后，根據合成氨催化劑床層溫度上升情況，逐漸開大合成塔入口主閥，逐漸提高合成氣壓縮機轉速并逐漸關小新鮮氣放空閥，關閉一、二段防喘振閥。隨著主閥進氣量的逐漸增大，用循環量控制合成氨催化劑床層入口溫度不降低，待合成氨催化劑床層入口溫度達到360～380 ℃、熱點溫度在450 ℃以上時，可退出開工加熱器，升溫過程結束，逐漸轉入正常生產。

4.2 注意事項

(1) 系統充入氮氣后，合成氣壓縮機系統內壓力須≤4.0 MPa，如壓力過高，則采用塔后放空進行控制。

(2) 合成氣壓縮機系統壓力超過2.5 MPa后，應進行一級干氣密封氣的切換，切換時注意干氣密封的壓差。

(3) 并入新鮮氣后，在置換系統時應控制塔后放空速率，須保持壓力穩定。

(4) 溫度達到合成氨催化劑活性溫度要求、有氫氮氣進入合成塔后，應及時投用氨冷器。

(5) 系統加量時，須注意氨分離器和廢熱鍋爐的液位。

(6) 在氮氣升溫過程中，無需再補入氮氣提壓，循環量應根據合成氨催化劑床層頂底溫差進行控制。

(7) 并入新鮮氣前，必須進行氣體取樣分析，合格后方可并入新鮮氣。

(8) 在整個升溫過程中，須與調度室保持密切聯系。

4.3 異常處理

(1) 如因氮氣壓力高造成合成氣壓縮機缸體出口超溫，應進行降壓處理。

(2) 合成氣壓縮機一旦出現異常情況，必須緊急停車。

5 實施過程

5.1 第1次實施過程

2016年5月7日，氨合成系統提前開車，合成氨催化劑采用氮氣升溫，在氣化爐投料產出煤氣前，合成氣壓縮機做好開車準備并具備啟動條件。2016年5月7日19：26，按照操作規程合成氣壓縮機進行1 000 r/min沖轉暖機，缸體內氮氣壓力1.06 MPa，低壓缸出口溫度27.58 ℃，高壓缸出口壓力和出口溫度分別為1.23 MPa和25.70 ℃，啟動時汽輪機振動值正常波動，然后趨于穩定。在合成氣壓縮機暖機30 min的過程中，現場打開高壓氮氣閥向氨合成系統內補入氮氣至壓力3.6 MPa；開工加熱器投燃料天然氣，首先點起2盞長明燈小火待用，并打開開工加熱器出口管閥；控制室打開UV- 7202和UV- 7203，打通系統流程。20：15，合成氣壓縮機暖機結束并升速至3 000 r/min，在過臨界轉速時，打開合成氣壓縮機循環段入口旁路閥向合成氣壓縮機內均壓，當壓力大于2.5 MPa后，一級干氣密封氣改為高壓缸出口氣體。20：30，壓縮機轉速達到7 000 r/min、出口壓力高于合成系統內壓力后，打開HV- 71003，開出口旁路閥建立氣體最小循環量；現場打開開工加熱器入口閥，先點起1盞長明燈大火，待開工加熱器出口氣體溫度高于合成氨催化劑床層入口溫度后，打開HV- 71004(暫不關出口旁路閥)，開工加熱器入口氣量控制在15 000 m3/h(標態)，再點起1盞長明燈大火，逐漸升溫；此時合成氣壓縮機低壓缸入口壓力和出口溫度分別為2.10 MPa和66.66 ℃，高壓缸出口壓力和出口溫度分別為4.10 MPa和45.42 ℃，汽輪機和合成氣壓縮機的振動值、軸位移均在正常指標范圍內。21：00，合成氣壓縮機轉速達到控制室最低接管轉速(8 606 r/min)，壓縮機低壓缸入口壓力和出口溫度分別為1.60 MPa和81.80 ℃，高壓缸出口壓力和出口溫度分別為4.00 MPa和57.20 ℃，汽輪機和壓縮機的振動值、軸位移均在正常指標范圍內。22：00，合成氣壓縮機轉速保持在8 604 r/min，低壓缸入口壓力和出口溫度分別為1.70 MPa和81.00 ℃，高壓缸出口壓力為4.56 MPa(出口溫度因測溫點故障不顯示)，汽輪機和壓縮機的振動值、軸位移均在正常指標范圍內，合成氨催化劑床層溫度平穩上升，根據系統壓力、合成氣壓縮機缸體出口溫度，現場又向系統內補氮氣至壓力4.46 MPa，然后關閉氮氣總閥。23：00，為了降低合成塔頂底溫差，將合成氣壓縮機轉速適當提高至10 070 r/min，低壓缸入口壓力和出口溫度分別為1.77 MPa和80.06 ℃，高壓缸出口壓力為4.64 MPa。24：00，合成氣壓縮機轉速為8 064 r/min，低壓缸入口壓力和出口溫度分別為1.84 MPa和79.20 ℃(趨于下降)，高壓缸出口壓力為4.75 MPa，合成氣壓縮機運行穩定，開工加熱器點2盞長明燈大火運行穩定，合成氨催化劑床層溫度平穩上升。第1次合成氣壓縮機在氮氣介質下的運行參數如表2所示。

表2 第1次合成氣壓縮機在氮氣介質下的運行參數

時間轉速/(r·min-1)低壓缸高壓缸入口壓力/MPa出口溫度/℃出口壓力/MPa出口溫度/℃19：2610001．0627．581．2325．7020：3070002．1066．664．1045．4221：0086061．6081．804．0057．2022：0086041．7081．004．5623：00100701．7780．064．6424：0080641．8479．204．75

5月8日00：30，液氮洗工段將新鮮氣送至氨合成系統，控制室打開新鮮氣放空閥進行氣體置換。01：30，合成氨催化劑床層一層入口溫度升至308 ℃，熱點溫度達到320 ℃，底點溫度為203 ℃，此時現場取樣手動分析新鮮氣成分合格，打開合成氣壓縮機新鮮氣入口旁路閥，向合成氣壓縮機系統內均壓?？刂剖疫m當開啟合成塔主線閥(0.3%閥位)和塔后放空閥(5.0%閥位)以置換系統內過多的氮氣，并保持系統壓力穩定。當系統有新鮮氣進入合成塔后，合成氨催化劑立即有氨合成反應發生，床層溫度明顯上升，根據合成氨催化劑床層溫度開始逐漸投用兩級氨冷器。02：00，合成氣壓縮機低壓缸入口壓力與外界新鮮氣壓力基本持平，控制室打開新鮮氣入口大閥將新鮮氣并入系統，此時合成氨催化劑層反應明顯，溫度上升較快，根據操作規程，在保證合成氨催化劑床層入口溫度不下降的前提下，逐漸開大合成塔主閥、提高合成氣壓縮機轉速、提高壓力、調節新鮮氣精配氮氣閥控制氫氮比，進行穩步升溫。03：20，合成氨催化劑床層入口溫度>360 ℃，熱點溫度在450 ℃以上，退出開工加熱器。03:30，合成塔主閥全部打開，升溫結束，逐漸關閉新鮮氣放空閥并增大循環量，恢復正常生產。

由于是首次采用氮氣循環升溫且時間掌控得較晚，用氮氣升溫是從5月7日20：30至5月8日01：30，氮氣升溫時間為5 h，合成氣壓縮機開機時間2 h；至03：30新鮮氣并氣后真正產出氨，共用時7 h。所以，本次采用氮氣提前進行合成氨催化劑升溫節省開車時間為7 h。

5.2 第2次實施過程

2016年6月17日，再次對氨合成催化劑采用氮氣提前升溫。12：00，合成氣壓縮機開始啟動，在轉速約1 000 r/min下暖機，暖機期間系統補氮氣至壓力3.6 MPa，廢熱鍋爐導入2.5 MPa蒸汽煮鍋，控制室打通系統流程，現場啟動開工加熱器并點2盞長明燈小火待用，打開開工加熱器出口閥。12：40，合成氣壓縮機過臨界轉速期間，開合成氣壓縮機循環段入口旁路閥向合成氣壓縮機內均壓，當合成氣壓縮機出口壓力與氨合成系統壓力持平后，全開HV- 71003，打開循環段出口旁路閥，建立最小循環氣量。13：00，現場點1盞開工加熱器長明燈大火，打開開工加熱器入口閥開始升溫。13：10，開工加熱器出口氣體溫度高于合成氨催化劑床層入口溫度時，再點第2盞開工加熱器長明燈大火，打開HV- 71004，建立氣體全部循環，并根據系統壓力補氮氣至4.3 MPa，控制開工加熱器入口氣體流量為16 800 m3/h(標態)，逐漸進行升溫。后發現補入氮氣壓力偏高，合成氣壓縮機低壓缸出口溫度偏高(85.5 ℃)，采取塔后放空使系統壓力下降至4.0 MPa。第2次合成氣壓縮機在氮氣介質下的運行參數如表3所示。

在本次氮氣升溫過程中，由于氣化爐出現故障，投料產氣延時，給予的升溫時間充足，所以適當控制稍低的升溫速率，將合成氣壓縮機循環段防喘振閥調節至60%閥位控制合成氨催化劑床層頂底溫差<50 ℃。到18日07：00系統并氣前，合成氨催化劑床層入口溫度升至360 ℃并保持穩定，催化劑床層一層熱點溫度在352 ℃，底點溫度在326 ℃。07：24，系統并氣。07：45，退出開工加熱器，升溫結束。08：30，系統產氨量達到25 t/h以上。升溫全過程非常穩定，升溫結束以后，系統并入新鮮氣到液氨產量達到25 t/h以上僅耗時1.06 h，滿足了控制方案的要求。

表3 第2次合成氣壓縮機在氮氣介質下的運行參數

時間轉速/(r·min-1)低壓缸高壓缸入口壓力/MPa出口溫度/℃出口壓力/MPa出口溫度/℃12：0010691．1634．81．2332．113：0031191．1240．71．9136．615：0086041．7385．04．5561．417：0086541．5786．24．1561．822：0086531．5584．34．1160．801：0086581．6281．44．0960．304：0086531．6480．64．0560．107：0086231．6777．84．0358．3

由表2和表3可看出，在氮氣介質工況下，離心式壓縮機嚴格按照預先設定的壓力運行，其各項指標是穩定、安全的，完全能夠滿足氮氣循環升溫的要求。

6 效益分析

采用氮氣提前10～12 h進行氨合成催化劑升溫，很快就能達到產氨溫度條件，與前工序實現最短時間銜接，快速恢復生產，避免了有效氣體的長時間排放損失。若按提前10 h產出液氨、液氨產量25 t/h、噸液氨價格1 350元進行計算，可獲利約34萬元。因此，與采用工藝氣開車升溫的方法相比，采用氮氣提前進行氨合成催化劑升溫可節約費用30萬元以上，經濟效益非?？捎^。

7 結語

實際運行結果表明，采用氮氣提前進行氨合成催化劑升溫開車的方法切實可行。如果氨合成催化劑是從常溫開始升溫，在空分系統有高壓氮氣可供使用時就可做好合成氣壓縮機開車準備，在氣化爐投料期間就可采用氮氣進行氨合成催化劑升溫，可提前10～12 h把氨合成催化劑溫度升至350～400 ℃，待新鮮氣并入系統后，在2 h內就可產出液氨產品，不僅大大縮短了生產系統開車時間，而且降低了開車過程的消耗。