0  概述

    湖南安淳高新技術(shù)有限公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)安淳公司)開(kāi)發(fā)設計氨合成系統已有10多年的歷史，先后開(kāi)發(fā)出ⅢJ、ⅢJD型氨合成塔，塔徑包括φ600、φ800、φ1000、φ1200、φ1400、φ1600、φ1800 mm等，單塔能力從20 kt氨／a(φ600 mm)到年產(chǎn)180kt氨／a，分布全國數百個(gè)中、小氮肥廠(chǎng)使用，使用效果都很好。ⅢJ冷管絕熱型，塔徑小、能力小，20～110 kt／a，全軸向或一徑多軸；ⅢJD2000型包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000、φ2200mm五個(gè)系列，在技術(shù)上有較大的提升，使用效果在國內比較突出。目前，又在開(kāi)發(fā)設計ⅢJDS節能氨合成系統系列，雙塔雙鍋塔鍋一體氨合成系統節能顯著(zhù)、單系統能力大，其設計思想新穎，合成塔結構簡(jiǎn)單、可靠。

1  ⅢJD2000氨合成系統的特點(diǎn)

    ⅢJD2000的代表塔型為φ1400、φ1600、φ1800、φ2000mm，下面詳細介紹φ1600、φ1800mm氨合成塔及系統的特點(diǎn)。

    ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔(見(jiàn)圖1)特點(diǎn)是由一個(gè)冷管束構成的五段反應器，其中一、二為軸向絕熱段，三為徑向絕熱段，四為徑向冷管段，五為徑向絕熱段。

 

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔內氣體流程特點(diǎn)是分流工藝，即預熱后70％未反應氣經(jīng)塔內換熱器加至360～380℃，到零米進(jìn)一段反應。另外30％未反應氣先經(jīng)過(guò)內外筒環(huán)隙再進(jìn)入冷管束，加熱后，進(jìn)入第一、二段間，做為第一段反應熱氣的冷卻氣。分流后，阻力小，冷管段傳熱溫差大，冷管面積小，大大提高了容積系數。

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔冷管束為同一平面內外環(huán)冷管束，冷氣由上至下進(jìn)入內環(huán)管，然后分成兩股，一股向下再上，一股向上再下，匯合于外環(huán)管，再由上升管導入一、二段間，這種冷管束新穎，它適合徑向催化反應床，因內外環(huán)管在催化床(軸向)中間，有利于冷管的伸縮，比上下環(huán)冷管束更穩定可靠。

    ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔的反應后熱氣塔內換熱器布置在中心，為瘦長(cháng)型，換熱管加工成橫紋管，大大提高了傳熱系數，減少了傳熱面積，增加了塔容積利用系數。ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔催化床(高)中80％～85％是徑向筐，阻力小。

    ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成系統配單氨冷，氨冷器為臥式，其上部配有高位臥式閃蒸槽，氨冷效率大大提高。

2  ⅢJD2000φ1600mm和φ1800mm氨合成系統使用效果

    第一個(gè)ⅢJDφ1600mm于2000年在湖南岳陽(yáng)化肥廠(chǎng)投入使用，隨后河北邯鋼化肥廠(chǎng)、河南心連心、河南駐馬店、晉城二化、江蘇張家港、福建三明、山西晉豐聞喜先后采用。

    ⅢJD2000φ1600mm系統使用效果，以下是山西天脊晉城化丁股份有限公司的運行情況說(shuō)明：

    (1)高壓機開(kāi)機臺數6臺6MD32-180／320和2臺6M16-57／320；

    (2)循環(huán)機開(kāi)機臺數2臺8m³／min和2臺1.8m³／min；

    (3)合成氨產(chǎn)量640t/d；

    (4)循環(huán)氣CH₄ 21％～23％，系統壓力28.5MPa；

    (5)溫  度：二進(jìn)165℃、“零”米400℃、熱點(diǎn)465℃， 二出300℃、熱交出(水冷進(jìn))60℃；

    (6)系統壓差1.2MPa，合成塔壓差0.36MPa。

    ⅢJD2000φ1800mm系統已在山東瑞星、山東德齊龍(兩套)、江蘇新沂恒盛、山西高平晉豐、江蘇張家港華昌等企業(yè)投入使用。

    φ1800mm系統兩種型號，一種凈空高為16m，觸媒裝填量25.4m³，一種凈空高為18m，觸媒裝填量28.4m³(山西高平屬此型號)。

    φ1800mm系統的運行情況(山東德齊龍化工集團)：CH₄％為21％～22％時(shí)，日產(chǎn)氨580～600t，系統壓力23～25MPa，“零”米溫度390～400℃，出塔溫度300～310℃，開(kāi)8m³／min循環(huán)機3臺，系統壓差1.2MPa，塔壓差0.3～0.4MPa，同平面溫度差2～4℃，氨冷溫度－5℃，水冷進(jìn)口溫度70～80℃，運行非常平穩。

    φ2000 mm系統，已于2006年8月在河南心連心投產(chǎn)，效果很好。該合成塔凈空高為18 m，催化容積33.5 m³。結構為三層：一層為軸向絕熱層，二層為徑向間冷層，三層為徑向絕熱層。

3  ⅢJD3000型氨合成塔內件及系統的設計特點(diǎn)

    為實(shí)現單系統規模化和大幅降低能耗，已在上述塔型的基礎上設計了ⅢJD3000型φ2200 mm和φ2400mm合成系統，其總的設計思想是：降低“零”米溫度，提高熱點(diǎn)溫度，提高二進(jìn)溫度，降低進(jìn)塔氨含量，大幅提高山塔氨含量：提高出塔溫度，提高回收蒸汽壓力，簡(jiǎn)化合成塔結構。

3.1  合成塔特點(diǎn)(見(jiàn)圖2)

 

    (1)三層四段，三徑一軸，徑向段占床高70％。第一層為軸向絕熱段，第二層包括徑向間冷段和絕熱段，第三段為徑向絕熱段；

    (2)進(jìn)塔未反應氣預熱至240℃左右，出塔熱氣溫度為420℃：

    (3)冷管束、換熱器與隔板從頂部往卜分別安裝，根據外筒制造廠(chǎng)能力情況，也可以設計成平頂蓋或球形頂蓋；

    (4)結構簡(jiǎn)單，白卸觸媒，阻力0.2～0.3MPa；

    (5)合成塔高徑比8～9。

3.2  工藝流程(見(jiàn)圖3)

 

    出塔反應后氣體(氨含量16％～18％，溫度420℃)直接進(jìn)廢鍋，產(chǎn)生3.5～3.9 MPa蒸汽，溫度降為275℃左右，進(jìn)熱交降溫至70℃左右，進(jìn)水冷降溫至40℃左右，進(jìn)冷交溫度降至16℃左右，冷凝氨分離，氣體經(jīng)一級氨冷降至－5℃，再經(jīng)二級氨冷降至－23℃，分離冷凝氨后，進(jìn)冷交管內，被加熱至25～28℃，送至循環(huán)機，出循環(huán)機后與通過(guò)補氣油分補入新鮮氣混合進(jìn)塔，氨含量為1.8％～2％，分兩股，一股15％～20％進(jìn)環(huán)隙，另一股80％～85％送熱交，加熱至240℃，再分成二股，一股30％～35％與環(huán)隙出來(lái)未反應氣混合從塔頂進(jìn)中層熱交加熱，進(jìn)第一絕熱段，一股50％進(jìn)下層內熱交加熱，均被加熱至380℃，進(jìn)入第一層、第二層、第三層反應，出塔。

    流程特點(diǎn)：

    (1)余熱回收，產(chǎn)生3.5～3.9MPa飽和蒸汽；

    (2)兩級氨冷，第一級降溫－5℃，第二級降溫－15℃；

    (3)循環(huán)機：塔前；

    (4)放空氣：循環(huán)機前，此處氨含量最低，甲烷最高，冷量已回收：補氣：循環(huán)機后，充分發(fā)揮循環(huán)機能力；

    (5)進(jìn)水冷溫度70℃，節約冷卻水：

    (6)進(jìn)塔氨含量1.8％，出塔氨含量17％，低空速：5977.89h^－1；

    采用高鈷(氧化鈷含量2％以上)、稀土和多種助劑組成的高活性、低壓、寬溫型氨合成催化劑，起始“零”米溫度340～350℃，熱點(diǎn)溫度500℃左右。

4  ⅢJDS氨合成系統(見(jiàn)圖4)

 

    ⅢJDS氨合成系統為最近版本，它在ⅢJD3000基礎上又提升了一大步。其特點(diǎn)：雙塔雙鍋，塔鍋一體，雙塔連續反應。

    (1)雙塔雙鍋，塔鍋一體：合成塔與廢鍋連成一體，對材質(zhì)要求不高，免除了熱應力很大的連接管道，節省了占地面積。

    (2)第一臺塔只有一個(gè)絕熱反應層，“零”米溫度330～360℃，絕熱反應后溫度490～500℃，氨凈值增加9.6％～11％，塔容積小，塔體簡(jiǎn)單。

    (3)第二臺塔基本上為絕熱反應，容積大，催化劑多，占總量80％，最終氨凈值18％～19％。

    (4)廢鍋產(chǎn)生3.9MPa飽和蒸汽，每噸氨產(chǎn)汽1t左右。

    (5)適用單系統大型化。高壓筒直徑相對于單塔直徑小，加工制造、運輸、安裝相當方便容易。

5  XA209催化劑

    (1)為適用ⅢJD3000及ⅢJDS內件設計氨凈值高的要求，配套研制了一種低溫寬溫小粒度XA209催化劑。

    (2)XA209催化劑在XA201基礎上提高鈷含量增加，加入稀土元素、氧化鋯，并對其它組分進(jìn)行了調控。

    (3)活性檢測結果：壓力15MPa，空速30000h^－1，330℃時(shí)出口氨6.6％，415℃時(shí)出口氨16.8％，在580℃耐熱20h降溫415℃山口氨含量16.2％，實(shí)際使用時(shí)，“零”米可控制在330～360℃，熟點(diǎn)溫度490～500℃，為正常運行溫度。

6  結束語(yǔ)

    湖南安淳高新技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)設計制造的氨合成塔及系統，有四個(gè)技術(shù)層次：ⅢJ：φ600、φ800、φ1000、φ1200mm：ⅢJD2000：φ1400、φ1600、φ1800、φ2000：ⅢJD3000：φ2200、φ2400mm：ⅢJD。

    (1)ⅢJ型系列基本特點(diǎn)：冷管絕熱型，塔徑小、能力小；20～110 kt／a，全軸向或一徑多軸，阻力較大：塔下部換熱器為鼓型，換熱氣體流速小，“K”小。

    (2)ⅢJD2000包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000 mm，基本特點(diǎn)：冷管絕熱型，冷管為同平面內外環(huán)上下并流型，適于徑向冷管段反應，塔徑大，能力大，120～220kt／a，兩軸三徑，阻力小。塔下?lián)Q熱器為細K型，“K”大。ⅢJD3000包括φ2200mm和φ2400mm，其基本特點(diǎn)：間冷絕熱反應，一軸三徑，第四段反應后熱氣在塔外廢鍋冷卻，產(chǎn)生中壓或次中壓蒸汽，塔體與廢鍋二合一，節約40多米大管徑、高溫抗氫腐蝕管道。二級氨冷，進(jìn)塔氨含量為1.8％～2.2％，二進(jìn)溫度240℃，二出溫度400℃以上。

    (3)ⅢJD3000型能力更大，φ2000、φ2200mm運行能力為200～250kt／a，20～22MPa運行，阻力更小。

    (4)ⅢJDS型為雙塔雙鍋，塔鍋一體。適用裝置大型化，單系統能力可達300 kt，更節能，噸氨產(chǎn)中壓蒸汽1t氨凈值高，阻力小，循環(huán)量小。ⅢJDS型比ⅢJD性系列將有更大進(jìn)步。

    (5)ⅢJD3000與ⅢJDS配XA209催化劑，效果更好。