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1、    項目背景

石家莊正元化肥有限公司(簡稱正元化肥)的前身是原河北省靈壽縣化肥廠，1997年被河北正元公司租賃，收購后，經過多年的技術改造至2009年其總氨能力由原來的4萬噸/年提高到年產20萬噸/年，其改造方法采用的是小型疊加的方式。三套JRφ1000氨合成系統并聯（其中一套標塔，兩套矮塔）。氨合成系統運行壓力在27.5MPa~28.5MPa，壓縮機采用3臺H223、4臺H73、4臺M16、3臺M8（3），機型繁雜，其它工段也是采用小型并聯方式，所以其煤耗、電耗均較高。決定新上一套JRφ2400氨合成系統,這一系統為河北陽煤正元化工集團自行設計、設備自己制做、自己組織安裝、自己組織投運。

2、    工藝流程及主要技術特點為

 2.1、工藝流程

氨合成流程示意圖見圖一所示，來自甲烷化工段的22.0MPa左右的新鮮氣，經過低溫水冷器降溫后，與從冷交換器Ⅰ出來的熱氣混合后進入氨冷凝器，經氨冷凝器降溫到－10～－5℃進入氨分離器分氨，氣體從氨分離器出來后進入冷交換器Ⅰ冷氣入口，換熱后的氣體進入冷交換器Ⅱ冷氣入口，換熱后溫度約28℃，進入循環機提壓至后，進入塔前預熱器提溫到120～150℃，進入合成塔反應。自合成塔出來的320～350℃左右的合成氣，進入廢熱回收器Ⅰ生產1.3~2.5MPa蒸汽，再進入廢熱回收器Ⅱ生產0.4MPa低壓蒸汽用于溴化鋰制冷機組，合成氣溫度降到180℃左右進入塔前預熱器，與入塔氣換熱。經換熱后溫度降至50～60℃，進入水冷卻器Ⅰ，降溫至≤40℃后，進入冷交換器Ⅱ進一步降溫后進入水冷卻器Ⅱ深度水冷（冷水來源于本工段的溴化鋰制冷水），溫度降到20℃左右，之后進入冷交換器Ⅰ換熱后在分離部分分離出液氨，分氨后的合成氣出冷交換器Ⅰ少部分放空，再與新鮮氣混合，進入下一循環。

2.2、工藝技術特點

（1）、采用合成塔與廢熱回收器直連結構，即節省了投資，又增強了運行安全性。

（2）、采用提溫型一進一出余熱回收鍋爐工藝：水冷進口溫度低于60℃，氨合成反應熱利用率高達85%以上，同時節約大量循環水負荷。

（3）采用雙廢鍋流程：產生不同品位的蒸汽，廢熱回收器Ⅰ產生的1.3~2.5MPa中壓蒸汽；廢熱回收器Ⅱ噸氨副產0.4MPa的低壓蒸汽用于溴化鋰制冷機組，多余的蒸汽可入低壓蒸汽管網；

（4）溴化鋰制冷技術應用；

在本裝置利用溴化鋰制冷技術，將廢熱回收器Ⅱ的低壓蒸汽轉化為低溫水，用于循環反應氣體中氨的冷凝。余熱回收產生的低品位蒸汽用于溴化鋰制冷機組產生低溫水，用于部分冷凝氨，大幅度減低了冰機負荷，節省了電耗。

（5）、水冷卻器Ⅰ后設置冷交換器Ⅱ逐級回收冷量，提高了冷量回收效果。

2.3、系統主要設計參數

     設計壓力：22.0MPa

     設計壓差：1.0MPa

     生產能力：650噸NH₃/天

     氨冷溫度：-10℃

     觸媒量：42.7M³

     氨凈值：12%

     入塔甲烷：17%

3、    主要設備

表一                     氨合成主要設備

4、    氨合成塔結構及技術特點

4.1 氨合成塔結構

氨合成結構及測溫點布置簡圖如附圖二所示，在塔前預熱器內預熱至120～150℃的氣體由主線從塔頂入塔，經內外筒間的環隙下行，進入底部換熱器管間與四層催化床的氣體換熱后，經中部換熱器下管箱進入中部換熱器管內，與三段反應后氣體換熱加熱至370～400℃，經中心管進入一段催化劑。另外有四股氣體分別經四條付線入塔，其中四段副線進入的氣體在底部換熱器出口處與從底部換熱器來的主線氣混合，以調節四段溫度；三段副線氣進入二、三段間換熱器的上部換熱器管內，以冷卻二段出口氣體調節三段入口溫度，此股氣體被加熱后，在上部換熱器上管箱內與上部換熱器中心管出口的主氣流混合；二段副線氣直接進入一段下部集氣盒與一段反應后的氣體混合，調節二段入口氣體溫度，一段副線與一段中心管氣體混合，以調節零米溫度，循環氣經一段催化劑反應后絕熱溫度達480℃，經二段副線冷激降溫后進入二段反應，溫度升至470℃，經二、三段段間換熱器與入塔付線氣換熱降溫進入三段催化劑床反應，經三段反應后溫度升至460℃,經三、四段間的中間換熱器與入塔主氣流換熱后溫度降低，再進入四段反應后溫度到440℃，最后經下部換熱器與入塔主氣流進一步換熱,溫度降至300～340℃、含氨14～16％的反應氣出合成塔。

4.2、 氨合成塔技術特點

（1）阻力小：內件四段觸媒框采用一軸三徑，一段觸媒層雖然采用軸向，因床層高度小，且床層內既無冷管有無換熱器，因此內件阻力很小。

（2）氨凈值高：由于采用絕熱反應，段間以間接換熱為主，不存在冷管型塔“冷管效應”，也沒有冷激型內件由于冷激造成的低氨凈值。

（3）充分考慮了各部位的熱脹冷縮問題：可能存在熱脹冷縮的部分均設置了膨脹節、或采用填料密封，或采用金屬軟管連接。

（4）觸媒實現自卸：考慮了大型塔的特點，設置了全塔觸媒自卸結構。

（5）觸媒使用壽命長：由于采用多段絕熱間接換熱，幾乎全部氣體經過0米，對下部觸媒起到保護作用；觸媒層內無冷管，避免了冷管型塔熱點下移快的現象，也不存在全冷激型塔全塔中毒。觸媒可部分更換，節約觸媒費用，縮短停車時間。

（6）調節靈活：各床層溫度均有單獨副線調節，可靈活調節各段溫度。

5、    催化劑的選型裝填和升溫還原

  5.1、催化劑的選型、裝填

氨合成系統節能效果如何，催化劑的選型亦很關鍵，特別是低壓系統，經過慎重考慮，決定選用上虞催化劑有限責任公司生產的A301型低溫低壓氨合成催化劑，該催化劑曾榮獲國家發明二等獎，中國專利金獎，獲德、英、丹麥、美國專利，技術水平處于國際領先，作為氨合成系統優化技術，2003年被中國氮肥工業協會推薦使用。我公司從1997年靈壽縣化肥廠租賃時開始使用，效果很好，很穩定，3套氨合成塔全部使用A301型催化劑，其中1#JRφ1000氨合成塔連續運行12年整。JRφ2400氨合成塔裝A301型氨合成催化劑130.3噸；一段催化劑粒度為4.7-6.7㎜，二段、三段、四段三個徑向段均為2.2-3.3㎜粒度催化劑。裝填一定要密實均勻，其為催化劑升溫還原乃至投運后正常生產提高凈氨值的前提。

5.2、催化劑升溫還原

A301型催化劑升溫還原進程表見附表一，采用分段還原的方法，以最大限度減弱其下段催化劑因上段催化劑的還原水對下段催化劑造成反復的還原－氧化－還原。已使其活性受到的影響到最小的限度，催化劑升溫還原計劃用208小時，實際用210個小時。在整個升溫還原過程中，主要采取以下措施確保催化劑還原的質量：

　（1）、重視一段特別是催化劑上表面的還原，要使其上表面溫度和下表面溫度均達到500℃，上平面的溫差和下平面的溫差要求控制在5℃之內，實際上平面溫差達2℃之內。下平面溫差達3℃之內，恒溫時間達16個小時，使其還原達到98%以上。

　（2）、進合成塔的工藝氣體為兩級，其一股為按正常流程由塔頂進入合成塔的內外筒環隙，經底部換熱器、中部換熱器達中心管進入一段催化劑層，另一股氣體由1＃付線開工加熱爐提溫后進入一段催化劑層，為保證一段催化劑溫升平穩，并達到最終還原溫度，保證恒溫時間，在升溫還原前一定要對其流量分配做出計算，以做為升溫還原調節的依據，并根據溫升進程做出相應調整。

　（3）、四段催化劑還原溫度計劃提到470℃，實際提到485~490℃，恒溫16個小時，以使四段催化劑的還原度較為徹底。

　（4）、在整個還原過程中重視氨冷溫度的控制，隨著系統壓力的變化，把氨冷溫度控制在下限。

　（5）、控制溫升速率，以合成塔出口水含量為準，使其在2.0~2.5g/m3。

 （6）、根據升溫階段不同，合理控制系統壓力和氣量。

6、    投運后生產狀況及經濟分析

6.1、生產狀況：

φ2400氨合成系統投運后，原老系統三套JRφ1000氨合成系統全部停下。JRφ2400氨合成系統開兩臺循環機（一臺24m³/min，一臺18 m³/min），系統近路全部關死，循環機近路全部關死，循環機入口壓力15.38MPa，出口壓力16.13 MPa，系統壓差0.75 MPa，合成塔入口16.05 MPa，出口15.87 MPa，合成塔壓差0.18 MPa。

合成塔入口溫度137.3℃，合成塔出口的溫度278.2℃,1#水冷入口溫度49.2℃，氨冷入口溫度0.8℃，出口溫度-9.3℃。

合成塔入口氨含量3.29%，出口氨含量13.5%。

因系統循環氣中惰性氣含量偏高CH422.19%（CH₄+Ar約28%左右），造成凈氨值偏低。

  6.2、合成塔溫度分布

 

 

 

 

 

 

表二         氨合成塔各測溫點的溫度             ℃    （2012.1.06 15:00.01.23）

各段的溫差計算結果匯總如表三

表 三                    氨合成塔各段溫差匯總                       ℃

從以上溫度分布看，內件設計是成功的。

6.3、冰機耗電

冷卻分離系統溫度分布如下圖

系統設計采用雙廢鍋、雙級水冷、雙冷交后，水冷出口溫度由傳統的常溫降到10.4℃，經冷交換器Ⅰ與氨冷卻器出口（分離氨后）－9.3℃的冷氣體換熱降到0.8℃（因現在是冬季計算時，采用2℃）進氨冷卻器。與原來的氨冷卻器進口溫度12℃相比，氨冷卻器的熱負荷由154918.7kcal/tNH3降到91887kcal/tNH3，電耗由71.24 kcal/tNH3降到37.00度/tNH3，水冷卻器Ⅱ后經冷交換器Ⅰ分離的氨量由72.8%提高到91.5%。

6.4、壓縮機電耗

φ2400氨合成系統投運前后，壓縮機各段吸入，排出壓力列于表四

　表四　單位：MPa

 

　表五           吸入排出溫度   ℃　　　　　　　　　

 

表六          總氨產量和電耗　　　　　　　　　　

 

表七     壓縮機總電流A　　　　　

依據表四至表七所列數據，經計算JRφ2400投運前壓縮機耗電為952.74度/TNH₃，投運后壓縮機耗電為834.07度/TNH3。每生產一噸氨壓縮機耗電可節約118.67度/TNH3，冰機節電34.24度/TNH3,(71.24-37.00)兩者相加，可節電152.91度/TNH3。若按表五抄表數字計算，可節電149.8度/TNH3，按表數字與計算結果基本相符。

6.5、煤耗

JR2400投運前日煤耗795.68噸/天，產總氨650.599T(2011年10月份平均數)

JR2400投運后日煤耗775.027噸/天，產總氨665.881T(2012年1月份平均數)

　噸氨煤耗由1.223T/TNH₃降到1.164T/TNH3，下降0.05915噸/TNH3。

6.6、兩級廢鍋總量

　　廢熱回收器Ⅰ蒸發壓力：1.3225MPa（絕）

　　　 入口溫度：273.2℃

　　　 出口溫度：205.0℃

       蒸汽產量:0.647t/TNH₃

　　廢熱回收器Ⅱ蒸發壓力：0.451MPa（絕）

　　　  入口溫度：205.0℃

　　　  出口溫度：149.2℃

蒸汽量0.535 t/TNH₃

其中溴化鋰制冷用量0.126 t/TNH₃，余下部分送低壓蒸汽管網，主要供造氣用。

兩級廢鍋共產蒸汽1.182 t /TNH3，另氨合成塔總反應熱相比其熱能加回收率已達90%許（以氨合成壓力15MPa，反應溫度450℃計）

6.7、經濟分析

 JRφ2400氨合成比較：投運后、投運前

節電149.8度/噸氨

節煤0.059噸/噸氨

多產蒸汽0.356噸/噸氨

按目前實際價格，電：0.38元/度（目前價格）

　　　　　　　　 煤：1200元/噸（2011年10月份平均價）

　　　　　　　　 蒸汽：125元/噸

φ2400氨合成系統總投資6040萬元，生產能力按21.66萬噸/年計：

（149.8*0.38+0.059*1200+0.356*125）*21.66=3730.37萬元

投資可在兩年時間內回收。

7、    結語

由陽煤正元公司自行設計、制造、安裝、投資的JRφ2400氨合成系統采用雙廢鍋、雙級水冷、雙冷交工藝，氨合成塔采用一軸三徑結構，設計合理，運行安全可靠，反應熱回收利用合理充分,與A301型低溫低壓氨合成催化劑配套使用，節能效果顯著，有進一步推廣的價值。