ⅢJD－3000型DN2400氨合成系统生产运行情况 王翔
（山西天泽煤化工集团股份公司 048026）
前言
为响应山西省政府和晋城市政府对市区危化企业实施整体搬迁的精神，对位于市区内的煤气化厂进行了易地搬迁。该项目投资约11.5亿元，于2007年6月开工建设，2008年10月建成并投产，建设规模为50万吨氨醇、40万吨尿素。整个装置采用能发挥晋城无烟煤优势的常压固定床间歇气化造气工艺，合成氨采用单系统无饱和热水塔段间喷水增湿全低温变换，湿式栲胶脱硫，碳丙脱碳，JTL-4精脱硫，3.3MPa等压净化工艺，13.0MPa醇烃化原料气精制，26MPaⅢJD—3000型氨合成塔节能工艺流程。尿素采用国际先进的CO2汽提工艺，大直径塔式造粒，全厂主要工艺过程全部DCS微机集中控制，设备全部国产化。 1.DN2400氨合成系统工艺与主要设备配备
1.1 氨合成工艺选择
氨合成工序对整个合成氨生产的能耗和物耗影响较大，合理选择工艺与设备，对合成氨生产的成本和稳定运行有着举足轻重的作用。本工序选择采用了国家级重点推广计划的项目——《合成氨原料气醇烃化净化精制新工艺技术》、《ⅢJD系列氨合成塔技术》。合成氨原料气精制方法采用先进的新醇烃化精制工艺，以及其扩展优化技术——可调氨醇比的醇烃化工艺。氨合成塔采用荣获国家科技进步二等奖，现已在全国推广400多家的安淳公司ⅢJ型系列氨合成塔技术---ⅢJD-3000型DN2400氨合成塔，内件配套高效节能的工艺流程，采用新型卧式氨分离器，提高氨分离效果，合成压力控制在24Mpa以下。
1.2工艺流程简述
气体分两股进塔，一股约40%～45%的气体直接进入冷管束（段间冷却器）。这股气体由两部分组成：一是由循环机出口油分来的约～15%的冷气，由合成塔下部环隙进入，在塔顶引出；二是塔外热交换器加热的约30～35%的热气，两部分气体在塔顶汇合引进冷管束。冷管束出来的气体进入触媒床表面。 另一股约50%～55%，由塔外热交换器加热的循环气，进塔内换热器的下部换热器管间，与出塔气体换热以后，进上部换热器的管内，与出混合分布器的气体换热以后，从换热器
与中心管之间的环隙、向下翻进中心管，经中心管进入触媒表面与冷管束出来的气体汇合，在上绝热层反应。反应后的气体在气体混合分布器中与塔外引入的约5%的冷气混合，进入塔内换热器的上部换热器管间，与进塔气体换热后，从上部换热器的外壳出去，从圆心向圆周方向、经过径向绝热段，径向通过段间冷却器。受支架套筒的作用，从中部径向筐出来的气体，沿径向筐与内筒的环隙向下，由圆周方向径向通过下绝热层流向径向筐中心的换热器，从换热器外壳进入下部换热器管内，由上而下，与进塔气体换热，温度降到350℃～370℃出塔。
出塔气直接进废热锅炉，降温后进热交换器管内（上进下出），与管间冷气换热后并联进入第一水冷器、第二水冷器，从两个水冷出来的气体进冷交的管间（上进上出），在冷交管间和管内冷气换热并分离液氨后，进入第一级氨冷器、第二级氨冷器，出第二级氨冷器的气体与补气油分出来的补充气一起进入卧式氨分分离器分离液氨后，进冷交管内（下进上出），冷却管间的热气体，本身温度提高到20℃以上进入循环机，开始新的一轮循环。
1.3.主要设备情况
附表一：主要设备一览表
序号 | 设备名称 | 规格型号 | 数量 | 备注 |
1 | 合成塔 | DN2400 H（净）=20000 2、内件：∮2400×22520 ⅢJD-∮2400 触媒容积：53.5m3 | 1套 | |
2 | 废热回收器 | ∮1452/∮1790 L=6550 | 1 | |
3 | 热交换器 | DN1400 H（净）=17000 F=2500m3 | 1 | |
4 | 水冷器A/B | 卧式∮2000/∮1832×13650，F=1500m3 | 2 | |
5 | 冷交换器 | DN1600 H（净）=16000，F=2100m3 | 1 | |
6 | 氨冷器 | 卧式∮1640∮1428 L=9395，F=800m3 | 2 | |
7 | 闪蒸槽 | 卧式∮1836 L=9828 容积：A12.0m3，B10.0m3 | 2 | |
8 | 油分离器 | DN1600 H（净）=8000 容积：15.8m3 | 1 | |
9 | 氨分离器 | DN2200 L=8000 | 1 | |
10 | 补气油分 | DN1200 V=8.4m3 | 1 | |
11 | 循环机 | D-27/288-314 排气量：12m3/min | 5 | |
| | | | |
1.4流程特点
1.4.1采用塔锅一体直联结构，产生中压2.5～3.9 MPa蒸汽，反应气出塔温度＜400 ℃，塔后设备无需特别耐高温抗氢材料，并在节省价格较高的10MoWVNb特殊钢同时，减少了法兰连接的静密封点。头部跟踪
1.4.2采用两级氨冷。一级氨冷冷至3 ℃，二级氨冷降温至-11 高尔夫球场围网℃，氨含量可降至2.76%，两级氨冷比一级氨冷，节约冷冻量40%以上。
1.4.3补气在氨冷之后，使进塔氨含量稀释至2.2%～2.3%，即系统只降温至-11 ℃就可使进塔氨含量降至2.2%，对氨合成反应有利。
1.4.425%～30%未反应冷气经过内外筒环隙，使外筒处低温工况运行，安全可靠。
2. DN2400氨合成系统生产运行情况及存在的问题
2.1 生产运行情况
该装置2008年10月底投产。2009年元月试产过程中，因造气循环水地下管漏水，导致造气
循环水泵房被淹，造成全厂停产7天；3月份因煤炭供不应求被迫停产14天；10月份更换合成废锅影响8天；有效生产天数336天。全年共生产合成氨26.59万吨，日均生产合成氨791.4吨。2010年8月受当地政府政策性节能拉闸停电约三个月，全年共生产合成氨21.75万吨，有效生产天数274天，日均生产合成氨793.8吨。从两年的生产运行情况来看，该装置运行基本平稳，产量未实现设计能力。
附表二：2009～2010年生产情况
月份 | 2009年合成氨产量、生产天数主要消耗 （t、天、kg、度/tNH3） | 2010年合成氨产量、生产天数主要消耗 （t、天、kg、度/tNH3） |
产量 | 生产天数 | 原料煤 | 电耗 | 产量 | 生产天数 | 原料煤 | 电耗 |
1 | 20655.44 | 26 | 1010 | 1281 | 23567.69 | 31 | 1090 | 1245 |
2 | 24564.2 | 31 | 1042 | 1243 | 24905.45 | 30 | 1040 | 1273 |
3 | 10504.18 | 16 | 1034 | 1335 | 23089.04 | 28 | 1029 | 1274 |
4 | 24076.67 | 31 | 1031 | 1265 | 23128.01 | 29 | 1040 | 1288 |
5 | 23103.16 | 30 | 1016 | 1277 | 24856.92 | 30 | 1070 | 1269 |
6 | 22827.99 | 30 | 1015 | 1320 | 25009.55 | 30 | 1050 | 注塑加工料筒1296 |
7 | 23413.52 | 30 | 1013 | 1338 | 24428.06 | 30 | 1050 | 1339 |
8 | 23826.68 | 30 | 1034 | 1363 | 茶油精22494.51 | 28 | 1076 | 1343 |
9 | 24380.21 | 31 | 1029 | 1313 | 0.0 | 0 | | |
10 | 18209 | 23 | 1135 | 1344 | 0.0 | 0 | | |
11 | 25673.93 | 31 | 1087 | 1255 | 2980.22 | 7 | 1050 | 1274 |
12 | 24673.04 | 30 | 1082 | 1241 | 22724.53 | 30 | 1117 | 1224 |
合计平均 | 265908.02 | 336 | | 1297 | 217466.95 | 274 | 1062 | 1283 |
| | | | | | | | |
（注：合成氨原料煤耗计算：入炉实物煤×0.84折标计算）
2.2 工艺与主要设备存在的问题
从两年的生产情况来看，存在着合成塔工艺气体分流比例未达到设计要求，塔内换热器结构复杂、流程过长等缺点，致使系统阻力偏大，系统压差～1.81Mpa，合成塔压差～0.98Mpa，循环机流量偏小，系统运行不能再加负荷生产。
3. DN2400氨合成系统进行改造的主要措施
3.1工艺流程改造目的和措施
主要针对DN2400氨合成上述系统阻力大等问题，安淳公司非常重视，多次组织专业技术人员到现场研究分析，以优化合成反应为主旨，根据现场工况，考虑反应平衡和反应速度动力学两大影响因素，以氨合成化学反应平衡曲线、最适宜温度曲线，获得最高氨净值为目标，对DN2400氨合成塔反应器结构及流程作了重新优化设计并承诺：在保证设计能力的条件下作相关设备和流程改造，使合成塔内件阻力降低到≤0.50MPa，系统阻力降低到≤1.50MPa，产量在现有基础上增加10%，系统操作压力在原来基础上降低2.0MPa左右。
3.2主要改造内容：
3.2.1塔内的两个换热器由原来的串联改为并联，使分流气体按比例各自独立进、出，降低塔阻力；
3.2.2塔内上换热器重新设计制造，高度缩短，面积由197 m2减小到160m2；
3.2.3塔内下换热器重新制造，面积由224 m2增加到310m2；
3.2.4上层轴向段加高780mm，混合分布器相应下移，二层径向筐高度相应调整，取消层间冷激h1-2，使有利于合成氨反应温度接近最适宜温度曲线。
3.2.5塔外热交换器改造更换。
3.2改造后塔内件结构（附内件结构简图）
①合成塔内件结构如图：为三层四段，一轴三径。一层为轴向绝热段；二层包含两个段，即内圈是径向绝热段，外圈是径向间冷段；三层即第四段，为径向绝热段。
②ⅢJD-DN2400 mm合成塔含2个列管式换热器和1个径向冷管束，上反应气列管换热器在二层中心，冷管束在二层的外圈，四段的下反应气列管换热器在第三层中心。
③气体径向分布器根据动量平衡计算模型，以均匀布孔、高速喷射，网格再均分，保证气体径向分布均匀。
3.3改造后工艺气体流程：
改造后工艺气体分三股进合成塔：
3.3.1 A股气体25～35%，由约40℃的油分出口循环气（10%），进入合成塔下部环隙，由下而上出塔，与被塔外热交加热的主进气（15～25%）混合，再从塔顶导入冷管束，在冷管束被加热至380℃，冷管束出来的气体由升气管导入触媒床表面。
3.3.2 B股气体20～30%，为经塔外热交加热的未反应气体混合部分油分来的冷气，从大盖顶部法兰引进，进入塔内上部换热器管内，由下而上，与出第一绝热层反应后的、进入塔内上部换热器管间的高温气体逆流换热后，被加热至380℃，经中心管进入触媒床表面。
3.3.3 C出水服务股气体40～50%，由塔外热交换器加热至210℃～220℃的循环气，进塔内下部换热器管间，与出塔气体换热以后，温度升至380℃，经中心管进入触媒床表面。三股气体在触媒床表面混合，进入上绝热层一段反应。出上绝热层的高温气体，进入气体混合分布器，再进入塔内上部换热器管间，与进入塔内上部加热器管内的气体逆流换热后，折转从塔内上部换热器的外壳出去；气体由圆心向圆周方向、经过径向绝热段，径向通过段间冷
却器。从中部径向筐出来的气体，受支架套筒的作用，沿径向筐与内筒的环隙向下，进入下绝热层。气体由圆周方向径向通过下绝热层，流向径向筐中心的换热器，从换热器外壳进入下部换热器管内，由上而下折流，被管外未反应气体冷却至370带外衰减℃左右出塔。
4.DN2400氨合成系统进行改造后的运行效果
4.1改造后2011年生产情况
2010年11月份改造开车后，12月又遇到煤炭、电力紧张的局面，单台50000KVA变压器只能满足合成氨五台7MY50-305/314氮氢气压缩机生产，半水煤气流量约96000m3/h。鉴于煤电供应紧张不能维持生产的现实，2011年元月被迫停产至5月1日，5月份重新开车，6月份基本才转入正常。10月21日～3日，受外供变电站扩容停电影响9天。11月20日开始遭遇节能减排限电，对10～11两个月生产造成较大影响。在“多灾多难” 的2011年共生产合成氨16.9万吨，有效生产天数201天，日均生产合成氨840吨。
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