合成氨低負荷運行探索

張 成

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 長治 046100)

山西潞安煤基合成油公司合成氨裝置是采用瑞士卡薩利三床兩冷軸徑向合成技術(shù)，工藝原理為用合成油弛放氣或低溫甲醇洗凈化氣為原料氣，進行換熱式一段蒸汽轉(zhuǎn)化和二段純氧轉(zhuǎn)化以及一氧化碳中溫變換，為后續(xù)工段提供轉(zhuǎn)化氣，轉(zhuǎn)化氣經(jīng)過脫碳后進入變壓吸附裝置制得氫氣及空分送來氮氣(配比約3.1～3.2)，在一段入口管線內(nèi)混合，經(jīng)合成壓縮機四段壓縮達到14.66 MPa，送到氨合成熱氣氣換熱器與從鍋爐給水預(yù)熱器來的熱合成氣換熱后，溫度升至190 ℃進入氨合成塔在高溫、高壓經(jīng)觸媒作用下反應(yīng)合成氨氣，然后經(jīng)過分離、冷卻生產(chǎn)出液氨。氨合成塔工作溫度為490 ℃，氨合成裝置工藝主要包括氣體的壓縮、氣體的預(yù)熱及合成、氨的分離。設(shè)備主要包括氨透平壓縮機、合成氣透平壓縮機、氨合成塔等。

該裝置設(shè)計液氨產(chǎn)能737 t/d，實際運行十年來最高日產(chǎn)量為570 t/d，最低日產(chǎn)量為180 t/d。隨著2018年潤金茂公司LNG裝置投運，合成油弛放氣中的甲烷不需要直接轉(zhuǎn)化，而是通過深冷法提取LNG，甲烷轉(zhuǎn)化裝置隨之停車擱置。LNG富氫尾氣及低溫甲醇洗凈化氣混合原料氣變壓吸附制氫僅剩10 000 m3/h氫氣供合成氨裝置使用，折合液氨產(chǎn)量120 t/d，屆時合成氨裝置負荷僅為16.28%，為國內(nèi)合成氨裝置最低負荷。于是公司開始探索合成氨裝置低負荷運行。

1 論證階段

通過對聯(lián)系瑞士卡薩利有限公司上海代表處、賽鼎公司、透平壓縮機廠家西門子公司就公司轉(zhuǎn)型升級后合成氨裝置低負荷運行情況進行確認，卡薩利有限公司認為需要對廢熱鍋爐E-001和鍋爐給水預(yù)熱器E-002進行旁路，將合成氣壓縮機和冰機由透平驅(qū)動改為電驅(qū)動、氨冷器E-007冷凍冰機低壓段盲住等一系列繁瑣的改造和合成塔壓力不低于8 MPa等主要工況操作的一些苛刻要求進行改造[1-2]。

針對氨合成低負荷運行期間床層溫度、液位、流量、氫氮比、干氣密封、開工加熱爐以及開停車過程操作、監(jiān)控等進行變化說明和異常情況應(yīng)對措施提前制定低負荷運行方案及應(yīng)急處置預(yù)案進行低負荷測試，為合成氨低負荷試運行收集數(shù)據(jù)，同時，根據(jù)生產(chǎn)運行中的問題結(jié)合最低日產(chǎn)量180 t/d時的運行數(shù)據(jù)為今后長期低負荷運行提供改造依據(jù)。氨合成從正常負荷降至低負荷，直到合成氣壓縮機入口氫氣穩(wěn)定在10 000 m3/h，且循環(huán)量維持在70 000 m3/h，觀察床層溫度是否能夠控制在480 ℃～490 ℃，如果床溫?zé)o法維持，盡量維持在470 ℃以上，必要時通過關(guān)小循環(huán)段入口大閥調(diào)整。如果床溫仍無法維持，則需要打通開工加熱爐工藝氣，通過開工加熱爐維持床層溫度。

2 測試階段

2.1 低負荷測試工況概述

4月3日16時合成氨裝置開始逐步降負荷，進氫氣量由15 000 m3/h減少至9 000 m3/h。最低負荷測試時間4 h。運行期間系統(tǒng)整體穩(wěn)定。主要工藝參數(shù)情況：氫氣量9 000 m3/h,氮氣量3 100 m3/h，氨產(chǎn)約5.3 t/h，合成氣透平壓縮機轉(zhuǎn)速10 400 r/min，冰機轉(zhuǎn)速9 500 r/min，一床層溫度470 ℃左右，雖然低于指標(biāo)480 ℃～490 ℃但比較穩(wěn)定。具體測試數(shù)據(jù)如第81頁表1。

表1 低負荷測試工況測試數(shù)據(jù)表

2.2 低負荷測試結(jié)論

測試期間產(chǎn)氨量最低可降至5.13 t/h，合成氣壓縮機循環(huán)段防喘閥全開，中壓缸干氣密封未做調(diào)整，合成塔入口循環(huán)量82 000 m3/h，入塔主線閥關(guān)至20%，現(xiàn)場循環(huán)段入口閥門未作調(diào)整，氨合成塔一床溫度470 ℃穩(wěn)定。低負荷下反應(yīng)效率未受明顯影響，氫氣、氮氣單耗趨于正常生產(chǎn)值。由于系統(tǒng)退負荷，汽輪機存在最低轉(zhuǎn)速要求轉(zhuǎn)速不能同比例調(diào)低，出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，蒸汽單耗上升明顯。經(jīng)過數(shù)據(jù)對比，本次測試蒸汽單耗平均值為5.6 t NH3,正常為2.3 t NH3左右。副產(chǎn)2.4 MPa蒸汽正常值為1.2 t NH3,本次測試噸液氨副產(chǎn)蒸汽0.65 t，明顯下降。測試前預(yù)想的廢鍋補水及高壓氨分放氨問題均不影響低負荷運行。本次測試，整體運行正常，未出現(xiàn)由于指標(biāo)變化引起的工況波動。同時由于測試時間短，需要下一步運行進一步驗證。

3 運行階段

由于改造周期長、費用高等問題合成氨裝置未進行改造，4月23日正式開始低負荷運行，至10月23日累計運行半年未出現(xiàn)前期預(yù)想的任何影響，而且6月15日達到了最低日產(chǎn)量102.2 t/d的最低負荷，證實了在我公司技術(shù)人員的努力下我公司瑞士卡薩利三床兩冷軸徑向合成裝置在15%左右的負荷下可以實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定運行，具體事項如下：

穩(wěn)定氫氣、氮氣壓力，根據(jù)半年運行經(jīng)驗對裝置操作指標(biāo)進行修訂。合成塔床層溫度正常控制在470 ℃～480 ℃，低負荷若無法維持，逐步關(guān)小循環(huán)段入口手動大閥來實現(xiàn)控制。嚴(yán)格控制系統(tǒng)氫氮配比，正常執(zhí)行64%～70%。廢鍋液位指標(biāo)控制60%～74%。高壓氨分、中壓氨分液位維持30%～40%，避免發(fā)生竄氣，液位低時通過關(guān)小調(diào)節(jié)閥前切閥來實現(xiàn)控制。合成氣壓縮機、氨壓縮機加減負荷時，嚴(yán)格按照“升壓先升速，降速先降壓”的原則來操作；每次加(減)轉(zhuǎn)速不超過20 r/min，循環(huán)量波動不能大于1 000 m3/h。機組降負荷后，要及時調(diào)整油冷后溫度。合成氣壓縮機低負荷時，由于系統(tǒng)壓力降低，平衡管壓力下降，一級緩沖氣壓力與平衡管壓力差為給定值，所以壓差投自動前提下，一級緩沖氣流量上漲超出廠家給定指標(biāo)。低負荷下，重點注意調(diào)整中壓缸一級密封氣流量，通過調(diào)整平衡管壓差來實現(xiàn)控制，經(jīng)過摸索設(shè)定值最低可設(shè)為0.070 MPa(正常為0.080 MPa)。

4 結(jié)語

合成氨裝置在超低負荷運行時，稍有不慎就會影響裝置長周期、安全穩(wěn)定運行。但只要從思想上重視，增強操作人員責(zé)任感；在技術(shù)上做好準(zhǔn)備，操作人員應(yīng)格外精心、細致，控制好各項工藝指標(biāo)，善于觀察參數(shù)的微小變化，就能夠應(yīng)對裝置超低負荷運行的挑戰(zhàn)，確保合成氨裝置的安全生產(chǎn)，并且在生產(chǎn)穩(wěn)定的前提下、采取措施降低合成氨成本。