KBR氨合成塔催化劑筐損壞原因分析與處理

黃天江

(云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

KBR氨合成塔催化劑筐損壞原因分析與處理

黃天江

(云南天安化工有限公司 云南安寧 650309)

KBR臥式氨合成塔投產(chǎn)運(yùn)行7年后發(fā)生了催化劑筐損壞等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)氨合成塔氣體流向及結(jié)構(gòu)分析，確定了催化劑筐損壞的位置，提前制定了大修方案。檢修后，氨合成裝置各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常，系統(tǒng)消耗大幅下降，與設(shè)計(jì)參數(shù)基本相符。

氨合成塔；催化劑筐；原因分析

云南天安化工有限公司合成氨裝置的主工藝流程為：殼牌干煤粉氣化→耐硫變換→林德低溫甲醇洗→林德液氮洗→KBR氨合成，裝置設(shè)計(jì)能力1 667 t/d。該裝置于2005年4月開工建設(shè)，2008年6月投產(chǎn)。2015年6月，合成氨裝置出現(xiàn)合成回路反應(yīng)不正常現(xiàn)象，經(jīng)診斷確認(rèn)是催化劑筐損壞，并于2016年6月15日停車進(jìn)行大修。

1 合成回路出現(xiàn)的問(wèn)題及初步分析

該合成氨裝置的氨合成回路在2015年以前基本正常。由于氣化用煤與設(shè)計(jì)煤種偏差較大，受煤氣化裝置制氣能力的制約，合成氨裝置自投產(chǎn)以來(lái)平均負(fù)荷只能達(dá)到90%。在完成煤氣化裝置冷激氣壓縮機(jī)擴(kuò)能改造后，自2015年1月開始，合成氨裝置逐漸加滿負(fù)荷，液氨日產(chǎn)量最高達(dá)到設(shè)計(jì)能力的102%。負(fù)荷增加后，氨合成回路壓力逐漸上升，氨凈值逐漸下降，循環(huán)氣量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 2015年1月至6月合成系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

至2015年6月，合成塔催化劑已使用7年，同時(shí)在每次停車后再開車都會(huì)出現(xiàn)初始幾天合成塔反應(yīng)情況不好的現(xiàn)象，因此首先把催化劑活性下降作為主要考慮因素，并于2015年6月15日對(duì)合成塔運(yùn)行工況進(jìn)行調(diào)整。經(jīng)3次調(diào)整，運(yùn)行情況均無(wú)明顯改善，基本現(xiàn)象是各催化劑床層溫升很大、合成回路循環(huán)氣量大、合成塔壓力高，遂開始懷疑催化劑筐出現(xiàn)損壞而造成氣體走短路。

2 KBR臥式合成塔工藝流程

KBR臥式合成塔為三床兩換熱器結(jié)構(gòu)，合成塔除壓力殼體外的其他部分被制造成完整的整體，即催化劑筐用軌道安裝于壓力殼體內(nèi)，并用內(nèi)部接管與外部工藝管道相連。KBR臥式合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流程示意見(jiàn)圖1。

經(jīng)合成塔進(jìn)出口換熱器預(yù)熱后的合成氣分成三路進(jìn)入合成塔，其中：B線經(jīng)HV1044調(diào)節(jié)由后端封頭進(jìn)入合成塔，從催化劑筐與壓力殼體之間的環(huán)隙流向合成塔前端，用以隔離催化劑筐與壓力殼體，使塔壁保持在較低的溫度，該股氣體經(jīng)內(nèi)部管道引入1床出口換熱器122- C1，經(jīng)預(yù)熱后到達(dá)1床入口；A線由HV1025調(diào)節(jié)，直接從前端封頭進(jìn)入合成塔，并由管道引至1床入口；C線氣體也從后端封頭進(jìn)入合成塔，并經(jīng)由內(nèi)部管道引入2床出口換熱器122- C2，換熱后繼續(xù)用管道引至1床入口。上述3股氣體在1床入口混合均勻以后，依次經(jīng)過(guò)1床、1床出口換熱器122- C1、2床、2床出口換熱器122- C2、3A床、3B床，最后出合成塔。

圖1 KBR臥式合成塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)及流程示意

3 KBR臥式合成塔熱量平衡及運(yùn)行工況分析

3.1 熱量平衡分析

與傳統(tǒng)的冷激式合成塔不同，KBR臥式氨合成塔為純換熱式合成塔，進(jìn)合成塔的氣體全部通過(guò)3個(gè)催化劑床層。由熱平衡可知，在催化劑筐內(nèi)部無(wú)泄漏的情況下，理論上3個(gè)床層的溫升之和應(yīng)等于合成塔溫升。KBR臥式合成塔的設(shè)計(jì)參數(shù)為1床溫升136.8 ℃、2床溫升69.6 ℃、3床溫升38.9 ℃，3個(gè)床層合計(jì)溫升245.3 ℃。而合成塔設(shè)計(jì)進(jìn)口氣體溫度為198.0 ℃，出口氣體溫度為441.5 ℃，合成塔設(shè)計(jì)溫升為243.5 ℃，3個(gè)床層溫升之和高于合成塔溫升1.8 ℃，相對(duì)偏差0.73%。筆者認(rèn)為此偏差并不是計(jì)算誤差，而是考慮散熱損失后的數(shù)據(jù)，同時(shí)合成塔凈溫升略低于3個(gè)床層溫升之和，也說(shuō)明散熱損失導(dǎo)致溫升減小。

通過(guò)對(duì)KBR臥式合成塔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析可知，從各床層溫升之和與合成塔總溫升的偏差，結(jié)合系統(tǒng)壓力、循環(huán)量的變化情況，可以準(zhǔn)確判斷合成塔是否存在內(nèi)漏。

3.2 運(yùn)行工況分析

為了分析合成塔是否存在內(nèi)漏，收集了從2015年1月至6月合成塔溫度數(shù)據(jù)，如表2所示。

從表2可看出：在5個(gè)月的時(shí)間內(nèi)，1床和2床溫升雖有上升趨勢(shì)但幅度并不大，1床上升了5.56%，2床上升了6.89%，而3床溫升增幅非常明顯，從2015年1月5日到6月5日上升了99.78%；三床總溫升從1月5日的266.1 ℃升至6月5日的325.8 ℃,增加幅度達(dá)22.4%；而合成塔溫升變化趨勢(shì)卻相反，從1月5日的230.1 ℃下降至211.7 ℃，下降幅度達(dá)8.0%；三床總溫升與合成塔溫升的偏差從1月5日的15.6%上升至53.9%。

表2 2015年1月至6月合成塔溫度數(shù)據(jù)

注：1)三床總溫升為3個(gè)床層溫升的累加值； 2)合成塔溫升為合成氣經(jīng)過(guò)合成塔后的溫升； 3)溫升偏差為三床總溫升與合成塔溫升之間的偏差

該合成塔設(shè)計(jì)氨凈值為16.73%，相應(yīng)的合成塔溫升為243.5 ℃，即每1%氨凈值的溫升為14.55 ℃。2015年6月，合成塔氨凈值平均值在14.2%左右，據(jù)此可計(jì)算出合成塔實(shí)際溫升應(yīng)為206.7 ℃左右，與測(cè)量溫升211.7 ℃基本吻合，而與3個(gè)床層累計(jì)溫升偏差巨大。

4 催化劑筐損壞部位的分析判斷

KBR臥式合成塔3個(gè)床層溫升之和應(yīng)近似等于合成塔進(jìn)出口氣體的溫差，而實(shí)際偏差最高達(dá)53.9%。結(jié)合循環(huán)氣量和合成塔壓力大幅上升的實(shí)際情況，可以推斷催化劑筐出現(xiàn)了內(nèi)漏，并且從5個(gè)月內(nèi)3個(gè)床層溫升與合成塔溫升之差不斷擴(kuò)大的趨勢(shì)判斷，內(nèi)漏一直在發(fā)展。根據(jù)1床和2床溫升基本沒(méi)有變化，而3床溫升大幅上升的情況，可以進(jìn)一步推斷通過(guò)1床和2床的氣體均被旁路，3床溫升大幅上升應(yīng)是3床入口氣體中氨含量被大幅稀釋，加劇了3床反應(yīng)的結(jié)果。因此，從主氣流流向上看，泄漏的部位應(yīng)發(fā)生在1床和2床之后。結(jié)合氨合成塔的結(jié)構(gòu)，泄漏點(diǎn)應(yīng)該在C線處于3床附近的部位，最大的可能是2#和3#膨脹節(jié)損壞。在此后的一次開車過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)增大C線流量時(shí)造成3床垮溫，這說(shuō)明冷氣體直接進(jìn)入了3床，進(jìn)一步確認(rèn)了之前對(duì)泄漏部位的分析判斷。

5 檢查方案制定

在確定是催化劑筐損壞泄漏后，即開始著手制定合成塔檢修方案。2016年6月15日，合成氨裝置停車檢修，18日開啟后端封頭人孔，發(fā)現(xiàn)C線進(jìn)入封頭處的1#膨脹節(jié)損壞。由于該膨脹節(jié)不在催化劑筐內(nèi)，因此可在不抽催化劑筐的情況下更換膨脹節(jié)，將大大縮短檢修時(shí)間，并節(jié)省更換催化劑費(fèi)用。但仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，該膨脹節(jié)損壞后僅會(huì)造成環(huán)隙氣體向C線泄漏(環(huán)隙壓力高于C線壓力)，與人為調(diào)整B線和C線之間的氣體分配并沒(méi)有本質(zhì)差別，不符合泄漏點(diǎn)在C線上位于3床附近的推斷，因此決定抽出催化劑筐并卸出催化劑。在抽出催化劑筐的過(guò)程中，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)2#和3#膨脹節(jié)均已損壞。

6 損壞原因分析與修復(fù)過(guò)程

同一管線上3個(gè)膨脹節(jié)均損壞有些令人不可思議。由于該合成塔專利商并非第1次設(shè)計(jì)類似合成塔，設(shè)計(jì)存在問(wèn)題的可能性不大，3個(gè)膨脹節(jié)都存在制造質(zhì)量問(wèn)題也過(guò)于牽強(qiáng)。結(jié)合3個(gè)膨脹節(jié)固定蝴蝶夾均有松脫的現(xiàn)象推斷，膨脹節(jié)損壞的原因應(yīng)是安裝存在問(wèn)題，致使蝴蝶夾在運(yùn)行過(guò)程中因振動(dòng)及熱應(yīng)力的作用而發(fā)生松脫，導(dǎo)致膨脹節(jié)出現(xiàn)泄漏，且泄漏的氣量達(dá)到一定程度后振動(dòng)加劇，造成膨脹節(jié)損壞。

在確定了膨脹節(jié)損壞的原因后，制定了具體的檢修方案，即將固定膨脹節(jié)的蝴蝶夾緊固后，全部點(diǎn)焊固定，防止再次發(fā)生松脫。

7 處理效果

合成塔修復(fù)后，各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)恢復(fù)正常，系統(tǒng)消耗大幅下降。合成塔修復(fù)后運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 合成塔修復(fù)后運(yùn)行數(shù)據(jù)

從表3可看出，合成塔檢修后，循環(huán)氣量大幅下降，合成塔溫升大幅提高，與設(shè)計(jì)參數(shù)基本相符，表明檢修完全成功。以2016年7月19日及8月17日的運(yùn)行數(shù)據(jù)為例，根據(jù)合成塔溫升計(jì)算的氨凈值分別為17.54%和17.33%，實(shí)際分析得到的平均氨凈值為17.20%，兩者基本相符。3個(gè)床層累計(jì)溫升比合成塔溫升低了12.1%，因沒(méi)有任何設(shè)備缺陷能夠?qū)е麓朔N異常現(xiàn)象，應(yīng)屬于測(cè)量偏差，由于不影響本文的分析及結(jié)論，在此不進(jìn)行討論。

8 結(jié)語(yǔ)

在生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生問(wèn)題時(shí)，應(yīng)進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，制定經(jīng)濟(jì)可行的處理方案。以此次合成塔的分析處理為例，不僅在2015年大修準(zhǔn)備階段決定合成塔是否抽催化劑筐需要正確決策，而且發(fā)現(xiàn)1#膨脹節(jié)損壞后是否繼續(xù)抽催化劑筐檢查成了更大的“風(fēng)險(xiǎn)”決策。如果催化劑筐不存在問(wèn)題，就只需更換1#膨脹節(jié)；如錯(cuò)誤地抽出催化劑筐檢查并更換催化劑，將損失10 d以上的生產(chǎn)時(shí)間，加上催化劑更換以及還原的費(fèi)用，損失將達(dá)到數(shù)千萬(wàn)元。反之，如果存在其他方面的問(wèn)題，僅更換1#膨脹節(jié)后就恢復(fù)開車，合成塔的問(wèn)題根本沒(méi)有解決，系統(tǒng)還將長(zhǎng)期在低負(fù)荷、高消耗下運(yùn)行，甚至被迫再次停車大修，損失將十分巨大。通過(guò)全面收集數(shù)據(jù)，并在掌握工藝、設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)分析，可以把“風(fēng)險(xiǎn)”決策變成科學(xué)決策，給企業(yè)帶來(lái)巨大的效益。

AnalysisofCausesofCatalystBasketDamageinKBRAmmoniaConverterandHandling

HUANG Tianjiang

(Yunnan Tian′an Chemical CO., Ltd., Anning 650309， China)

Seven years after KBR horizontal ammonia converter put into operation, problems of catalyst basket damage and others have arisen. Through analysis of gas flow direction and structure of the ammonia converter, the location of catalyst basket damage is determined and overhaul plan is made in advance. After the overhaul, all operating parameters have gone back to normal, system consumption reduces greatly, showing basically consistent with the design parameters.

ammonia converter; catalyst basket; cause analysis

黃天江(1962—)，男，碩士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事合成氨及煤化工技術(shù)管理工作；1320393465@qq.com

TQ113.25+2

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：1006- 7779(2017)03- 0049- 04

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