氮气升温技术在低压氨合成系统中的应用

氮气升温技术在低压氨合成系统中的应用

于厚,万磊,程家亮

山东润银生物化工股份有限公司 山东 泰安  271509

摘要：某公司的氨合成系统采用世界领先的Kasari低压氨合成工艺，合成工作压力15.98MPa的合成气压缩机采用美国通用电气公司的BCL-2458和2桶459/a离心压缩机。根据三级还原，加工工艺蒸汽从3.00MPa降至15.98MPa。根据初步设计方案，合成塔的加热方法使用压缩天然气热处理炉间接加热工艺气体，加热后的工艺气体可进入合成塔加热金属催化剂。在该过程中，存在很大的安全隐患，当使用压缩天然气加热工艺气体（H2:N2=3:1）时，如果热处理炉的风机盘管泄漏，其不利影响是不可估量的。

关键词：氮气升温技术；低压氨合成系统；应用

1氮气升温可行性分析

1.1氮气升温流程确定

合成塔的氮气加热仍然选择合成气加热步骤，不需要步骤更新和改造。合成气压缩机预先由氮气驱动。使用的氮气纯度达到99.99%（体积组成），O2≤2.0×10-6，不会发生催化剂中毒。按照净化液氮冲洗和精氮分配管线加注高压氮气，压缩机同组运行。合成气压缩机加速至7144r/min的最小连续速度比后，将其冲洗至合成系统软件中。压力控制后，压缩机和合成系统软件创建氮气循环系统，并使用热处理炉为循环系统的氮气供应热原。热处理炉的燃料气为压缩天然气

1.2合成气压缩机氮气工况运行分析

7201-合成塔2001-热处理炉C7101-合成气压缩机E7101-水冷却器E7201-废热锅炉E7202-锅炉给水加热器E7203-热流-气体热交换器E7204-水冷却器E6205-空气冷却器-气体热交换机E7206-第一氨冷却器E7207-第二氨冷却器7201-高压氨分离设备7202-低压氨分离设备

合成气压缩机是由汽轮机拖动的三级圆柱形离心压缩机。根据制造商提供的材料，发电机组可在氮气条件下运行，根据氮气条件下的性能曲线，并参考压缩机初始氮气试运行的步骤。

1.3启动热处理炉控制参数分析

启动热处理炉为纯辐射柱式热处理炉，设计方案为6750kW热耗和空气循环。燃烧器排气量的大小调节一般由燃烧器内的进气阀和热处理炉排气烟道内的蝶阀控制，两种调节均为手动控制；炉体为螺旋盘管式，充分考虑了降低摩擦阻力的规定。设计方案使用四个壳程；炉体直径约为108mm×11mm，选用三根耐热ZG40Cr25Ni20贝雷柱，并充分考虑管道的热变形。盘管结构管道具有阻力低、原材料清晰、焊缝少、易于保证焊缝质量的特点。热处理炉底部选用6个燃气燃烧器，烟囱上设有烟道挡板，可调节炉膛负压。

2实施过程

系统软件修复后，驱动计划是在2017年5月23日1时给煤气化炉加料。根据以往的工作经验，从煤气化炉进料到净化液氮洗涤合成气的目标值需要9小时，而合成塔中使用的氮气从30℃升至435℃，按40℃/小时计算，需要10小时以上，启动合成气压缩机需要2小时。因此，在气化炉装料前三小时用氮气打开合成气压缩机，于2017年5月22日22时运行压缩机，并于23日0时逐渐提高合成塔的氮气温度。

2.1氮气加热工艺及工艺管理

（1）按照“合成气压缩机氮气驱动”的流程打开压缩机，将速度提高到7144r/min的最小速比，系统软件在车内循环，使压缩机第一入口的工作压力保持在0.5～1.0MPa；

（2）启动热处理炉煤油灯和主燃烧器，加热热处理炉。同时，蒸汽用于加热合成废物锅炉；

（3）打开压缩机第三段的入口和出口阀，以冲洗合成系统软件。控制压力后，打开压缩机循环系统段的入口阀，合成压缩机和合成系统软件创建循环系统；

（4）打开入口热处理炉工艺气体管道闸阀，保持循环系统总流量约为40000Nm3/h，入口热处理厂合成气供应量为18000～30000Nm3/h；

（5）合成气压缩机通道的工作压力保持在0.5～1.0MPa（G）的中间。当工作压力低时，打开细氮分配闸阀以增加工作压力。当工作压力较高时，打开第一段入口的安全泄压阀或第三段入口的泄压阀泄压；

（6）通过调整启动热处理炉的压缩天然气供应量，将加热速度控制在40℃/h。第一层金属催化剂温度升至435℃以上，第二层温度升至360℃以上；

（7）合成气验收合格后，将合成气接入合成系统软件，立即生产氨；

（8）根据合成输出压力、温度和供气量，缓慢提高压缩机速度，关闭防喘振阀，以增加合成输出压力，并转入正常运行。

2.2合成气压缩机设备升温时的运行状态

在氮气加热期间，合成气压缩机不需要使用特性控制面板，速度比保持在至少7144r/min，防喘振阀保持打开，循环系统的氮气体积和工作压力由压缩机根据氮气填充或排放进行控制。整个过程相对稳定，压缩机运行稳定，轴振动和偏差均未超标。

2.3升温前后左右数据对比分析

5月23日9时50分，第一层金属催化剂温度达到436℃，升温完成。由于煤气化炉进料比计划时间推迟了约2小时，在合成塔内氮气升温完成2小时后，经过净化处理，合成塔内液氮洗涤合成气指标值达标。当合成塔与合成气连接时，第一层的温度已降至402℃。12时6分，合成塔与合成气连接，以逐步生产氨，13时13分，合成气被排放至其自身的所有循环，系统软件进入正常生产。

3过程优化

合成金属催化剂的氮温升相对成功，比合成气指标值验收后的温升节省了10多小时，但整个过程仍需优化和改进。

（1）这次，合成气压缩机将在煤气化炉进料计划前3小时运行。然而，由于煤气化炉加料问题，加料比计划晚了2小时。因此，合成塔温升完成后，合成气指标值不符合标准。在等待合成气指标值的过程中，由于合成系统充满氮气，因此不会发生合成反应产生燃烧热，导致合成塔催化剂床层温度迅速降低，第一材料层温度从439℃降至402℃。充分考虑到气化炉装料的不确定性，如果将来有可能使用氮气来提高温度，则需要等待气化炉装料成功以提高温度。尽可能将氮气连接到合成气以生产氨，以减少热损伤。

（2）由于氮气加热的整个过程不会产生合成反应并产生燃烧热，因此加热所需的热量将来自自动热处理炉中的压缩天然气。在加热过程中，顶部金属催化剂的温度将相对较快地升高，中间和下部层的温度将缓慢。如果催化剂床的温度相对较高，则顶部金属催化剂的温度会升高，但中间层和下部层的温度会上升。因此，氮气加热的应用仅用于系统软件在维护后长时间停止或行驶，催化剂床层温度低于150℃。

（3）在催化剂床温升结束后，用氮气填充合成系统。即使合成气达到催化剂活性温度，氨合成反应的量也很小。因此，有必要打开合成塔并自行排气，并更换合成系统软件中的氮气，使合成气中的氢气和氮气为3:1，以确保合成反应的顺利进行。

4实际操作中的常见问题

（1）合成气压缩机的气缸盖充满纯氮气后，气缸体内的工作压力不应过高。一般不应超过2.00Mpa。如果工作压力较高，应通过在入口和出口排气来控制。

（2）氮气升温期间，出口压力不满足一次密封气体的转换条件后，无法转换。

（3）液氮洗涤专用气体验收合格后，在合成和气体连接前进行取样分析。气体连接后，应尽可能更换系统，以确保氢氮比达到标准。

（4）氮气加热更适合在系统软件长期停机或维护后，以及材料层温度降至330℃以下时驾驶。

（5）气体连接时，应注意燃烧热与启动热处理炉热耗的变化，合理安排向塔供气。

（6）当材料层产生燃烧热时，监测氨冷却温度。如果发现氨冷却器上升，应缓慢投入使用，并对高压、高压和低压氨分离设备进行实际氨释放操作。

结论

根据氨合成金属催化剂氮气加热的研究和成功应用，大大缩短了整个系统的启动时间，显著降低了驱动成本，不仅为企业带来了经济效益，也为转炉未来的热驱动带来了理论来源和经验积累。

参考文献：

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