合成氨裝置凈化系統觸媒升溫還原氣源綜合優化

李誠斌

(安陽化學工業集團有限責任公司， 河南安陽 455133)

安陽化學工業集團有限責任公司是以煤化工為主體的化工企業，主要生產裝置包括：2套合成氨、尿素裝置，2套甲胺、二甲基甲酰胺裝置，1套乙二醇裝置，1套食品級二氧化碳裝置，1套保險粉裝置，1套二甲基乙酰胺裝置及1套甲醇鈉裝置。其中，1套合成氨裝置建設于20世紀70年代，裝置裝備落后，已不適用于目前市場化經濟體系，自2016年7月該裝置長期停運。2套合成氨裝置凈化系統觸媒升溫還原氣源使用1套合成氨裝置凈化系統二次后精制氣，因1套合成氨裝置停運，2套合成氨裝置凈化系統中溫變換爐、低溫變換爐及醇烴化觸媒分別升溫還原時將不得不依靠該裝置半水煤氣升溫還原，由于半水煤氣中H2體積分數約為40%,剩余60%(體積分數)氣體因無效放空，造成浪費。因此，結合安陽化學工業集團有限責任公司各裝置實際情況，多次組織召開專題會議，綜合考慮、評估，制定方案及措施，最終決定將合成氨裝置凈化系統觸媒升溫還原氣源由半水煤氣改為乙二醇裝置凈化系統98.5%(體積分數)的H2。該項目投運后觸媒升溫還原期間合成氨裝置氣化系統將無需開車，同時由于該有效氣體含量高，將大幅減少無效氣體的放空，經濟效益可觀。

1 氣源優化實施前基本情況

2套合成氨裝置凈化系統觸媒升溫還原原使用氣源為1套合成氨裝置凈化系統二次后精制氣，因1套合成氨裝置凈化系統停運，2套合成氨裝置凈化系統觸媒使用本系統半水煤氣升溫還原，但是2套合成氨裝置凈化系統觸媒升溫還原過程需要的半水煤氣量較小，而實際半水煤氣量較大，勢必會造成2套合成氨裝置半水煤氣的大量浪費，中溫變換爐觸媒升溫還原共用時間72 h，造氣系統最少供應半水煤氣體積流量約為9 000 m3/h，則共需要消耗水煤氣648 000 m3。

乙二醇裝置在系統開車時優先使用CO，H2送火炬燃燒，為了避免乙二醇裝置界內開車期間，H2送火炬燃燒浪費，因此設計了1條乙二醇裝置界外氫壓機出口去2套合成氨裝置壓縮機四段入口管線，讓2套合成氨裝置在乙二醇裝置開車期間回收H2，以避免浪費。該管線目前處于閑置狀態。

2套合成氨裝置凈化系統各觸媒升溫還原期間，如果造氣生產裝置波動及其他裝置出現異常情況，則必然會影響半水煤氣的正常供應，嚴重影響觸媒還原質量，對合成氨裝置后續生產帶來很大隱患。

2 優化目標

(1) 降低合成氨裝置無效氣體放空造成的損失[1]。

(2) 充分利用廢舊管線，創造效益。

(3) 2套合成氨造氣爐、壓縮機及配套循環水等設備無需提前開車，減少煤耗、電耗等各項消耗。

(4) 作為2套合成氨系統凈化裝置觸媒升溫還原期間，調節乙二醇系統V(H2)/V(CO)的一種選項，防止V(H2)/V(CO)過高造成浪費[2]。

3 具體方案及措施

(1) 組織召開專題討論會，制定乙二醇裝置凈化工序系統調整方案，優化變換、變壓吸附運行模式，確保乙二醇裝置穩定運行。

(2) 利用原乙二醇裝置凈化系統H2送2套合成氨壓縮四段入口管線，再與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通。

(3) 在與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通前，確保乙二醇裝置凈化系統、合成氨裝置與系統安全隔離，保證N2置換合格，防范措施到位，并指定專人負責。

(4) 在與原1套合成氨裝置和2套合成氨裝置精制氣管線連通結束后，對該段管線進行試壓試漏，達到設定壓力為合格。

(5) 試壓試漏結束后對該段管線用空氣進行吹掃，吹掃時從乙二醇裝置凈化系統氫氣壓縮機出口導淋接N2，由乙二醇裝置凈化系統負責進行吹掃，反復充壓吹掃5次以上，并打靶合格后為結束[3]。

(6) 該段管線試壓、試漏、吹掃結束后，具備使用條件；合成氨裝置在使用乙二醇裝置凈化系統H2對觸媒還原前，對該段管線進行N2置換，當φ(O2)≤0.5%合格，N2置換合格后，進行H2置換，當取樣分析φ(H2)>98.5%、φ(O2)≤0.5%為置換合格。

(7) 合成氨裝置在接乙二醇裝置凈化系統H2對觸媒還原前，提前通知調度指揮中心，由調度指揮中心與乙二醇裝置凈化系統進行協調，并做好H2平衡，確保乙二醇裝置安全穩定生產[4]。

(8) 合成氨裝置獲得調度指揮中心同意后，方可使用H2；在使用時，由乙二醇裝置凈化系統緩慢開外送閥，合成氨裝置根據使用H2氣量情況，開關H2接收閥；同時，在對使用量進行調整時，應提前通知調度指揮中心，調度指揮中心通知相關單位，并做好氣量平衡。

筆者以合成氨裝置凈化系統中溫變換爐觸媒升溫還原過程為例，用N2升溫，以中壓蒸汽為載氣配入H2進行還原。N2升溫流程見圖1。

圖1 N2升溫流程

當冷態小循環穩定正常后，取樣分析N2中的φ(O2)≤0.5%時，開中溫變換爐一段入口N2閥和中溫變換爐出口N2閥，關小循環閥，逐漸改冷態小循環為中溫變換爐大循環。

開啟軸流風機運行正常，按程序啟動電加熱器和逐漸加大冷熱交換器的蒸汽量，控制N2電加熱器出口溫升速率，以滿足中溫變換爐床層溫升的要求。

升溫時以床層溫度軸向溫差為準，升溫期間應加強N2分離器導淋的排放。

待床層溫度達300 ℃時，N2系統改小循環，逐漸降低電加熱器電壓，待床層溫度降至150 ℃時，停電加熱器，當床層溫度降至100 ℃時，停N2鼓風機，N2系統卸壓，中溫變換爐床層溫度改用蒸汽升溫。

建立飽和熱水塔液位。

提前接中壓蒸汽，暖管、開飽和塔出口閥，檢查關閉入口工段閥，蒸汽從飽和塔放空提溫，待中壓蒸汽溫度提至350 ℃以上，且N2系統停運，加N2盲板結束，開中溫變換爐入口閥、出口閥，關飽和塔出口閥，開蒸汽混合器入口閥，中溫變換爐通蒸汽升溫，用中壓蒸汽自調閥控制中壓蒸汽質量流量在20～25 t/h，要求蒸汽溫度≥400 ℃，低溫變換爐入口放空，升溫到300 ℃后恒溫。

接H2時，以飽和塔放空控制壓力在0.2 MPa，置換飽和塔，開啟熱水泵，調節飽和熱水塔液位正常，待300 ℃恒溫結束后，用飽和塔出口大閥控制配氫，配氫速率應緩慢。起始配氫時，H2體積分數由0.5%、1%、2%逐漸加大，嚴格控制中溫變換爐各點溫度≤500 ℃。

還原過程中床層控制平穩，不得出現大幅度波動，并逐漸開大飽和塔出口閥，減少蒸汽量，直至飽和塔出口大閥全開。

當中溫變換爐一段出口H2含量接近于入口H2的含量時，逐漸關閉飽和塔放空，提高系統壓力，增加H2的氣量。

當中溫變換爐入口H2含量等于一段出口H2含量，床層溫度正常，中溫變換爐還原結束，中溫變換爐轉入正常生產。

中溫變換爐觸媒升溫還原過程中應注意：

(1) 安排專人配氫，并做好記錄，必須堅持“提濃不提壓、提壓不提濃”的原則。

(2) 還原初期，必須確保中溫變換爐進口溫度在300 ℃以上，根據爐溫上漲情況調節蒸汽、H2用量。

(3) 還原后期應力求使中溫變換爐一、二和三段床層溫度控制在≤500 ℃，確保一段觸媒進行深度還原反應。

4 成果創新點

(1) 避免了2套合成氨裝置凈化系統由于使用本系統氣體導致無效氣體的大量放空，取得了良好的經濟效益。

(2) 避免了造氣爐、壓縮機和配套公用工程等轉機設備的開車，減少了電耗、煤耗等各項消耗。

(3) 在升溫還原期間，可作為乙二醇裝置調節V(H2)/V(CO)的一種方式，豐富了調整V(H2)/V(CO)的手段，減少了因V(H2)/V(CO)氣量大而放火炬，造成損失。

(4) 充分利用廢舊管線，投資較少，效益可觀，一舉兩得。

5 成果實施后運行效果及效益情況

成果實施后，2017年8月系統大修后開車期間，觸媒升溫還原順利、平穩，達到預期目標。

中溫變換爐觸煤升溫還原共用時72 h，造氣系統最小供應半水煤氣體積流量約9 000 m3/h，以半水煤氣單價0.327元/m3計算，可節約半水煤氣費用211 896元。

該優化方案消耗H2總量43 200 m3，按制造成本1.2元/m3計算，消耗H2費用51 840元。綜合經濟效益為160 056元。

6 結語

實踐表明，合成氨裝置凈化系統觸媒利用乙二醇裝置H2作為本系統升溫還原氣源，達到升溫還原目標和效果，經濟運行和效益情況可觀，減少了無效氣體的大量放空，同時也為企業降本增效和此類觸媒升溫還原積累了較好的經驗。