1、第37卷第4期2023年7月天津化工Tianjin Chemical IndustryVol.37No.4Jul.2023新型生产工艺生产合成氨系统安全生产问题研究安东亮1袁 董颖2袁 吴丹1(1.营口德瑞化工有限公司,辽宁 营口 115001;2.营创三征(营口)精细化工有限公司,辽宁 营口 115001)摘要院 目前,小型合成氨工艺已被我国淘汰,但可用作处理、回收富氢尾气生产合成氨,变废为宝、绿色环保。在实际生产中,合成系统表现出压力高、温度难控制、频繁更换合成塔内件等缺点,有生产安全隐患。本文梳理了生产流程,对生产中出现的问题进行分析,总结了成因,提出了改进方案,通过局部改造,实现了压力
2、低、温度可平稳控制,提高了生产安全水平。关键词院合成塔;系统压力;惰性气体;PSA 变压吸附;合成塔内件doi:10.3969/j.issn.1008-1267.2023.04.019中图分类号院TQ086文献标志码院 A文章编号院1008-1267(2023)04-0063-04Discussion on safe production of small-scale synthetic ammoniaproduction using hydrogen-rich tail gasAN Dongliang1,DONG Ying2,WU Dan1(1.YingkouDeruiChemicalCo.
3、,Ltd.,YingkouLiaoning,115001;2.YingchuangSanzheng(Yingkou)Fine ChemicalCo.,Ltd.,YingkouLiaoning,115001)Abstract院At present,the small synthetic ammonia process has been eliminated in our country,can be used as atreatment,recovery of hydrogen-rich tail gas production of synthetic ammonia,waste into tr
4、easure,greenenvironmental protection.In actual production,the synthesis system has some disadvantages,such as high pressure,difficult temperature control,frequent replacement of the inner parts of the synthesis tower,etc.,this paper analyzesthe problems in the production,summarizes the causes,puts f
5、orward the improvement plan,through the partialtransformation,realizes the low pressure,the temperature can be controlled smoothly,enhances the production safety.Key words:synthesis tower;system pressure;inert gas;PSA pressure swing adsorption;synthesis towerinternals收稿日期:2022-10-09氨是化肥工业和基础有机化工的主要原
6、料袁也是化学工业中产量很大的化工产品遥生产合成氨的方法主要区别在原料气的制造袁我公司采用含有富氢的氰化钠裂解炉气为原料袁经过净化提纯袁得到氢气遥 通过 PSA 变压吸附得到氮气袁通过典型的高温尧高压尧催化剂袁采用渍800 合成塔来生产合成氨遥并把生产的合成氨作为生产氰化钠的原料袁实现循环经济链条1-2遥在实际生产中袁 合成系统表现出压力高尧温度难控制尧频繁更换合成塔内件的现象3遥 通过多方面分析以及改造解决了此问题遥 通过本文介绍袁希望对同行业有所启示遥1生产工艺介绍渊见图 1冤1.1氢气富氢尾气经过换热器换热袁通过水环真空泵升压袁进入脱硫塔中进行脱硫处理袁使硫达到生产要求遥 脱硫后经过脱氧加
7、热器加热袁进入脱氧天津化工2023 年 7 月塔中进行脱氧处理袁使氧含量降低遥 经过冷却器冷却后袁降至室温遥 进入气柜中缓冲后进入净化气压缩机进行加压袁 之后进入 PSA 净化系统袁经过提纯达到生产合成氨的要求后袁进入产品气缓冲罐中缓冲袁最后进入氢氮气压缩机前混合器与氮气混合后袁进行加压遥1.2氮气通过螺杆式压缩机给空气升压袁经过冷干机进行脱水干燥处理后袁 进入空气缓冲罐中缓冲袁再经过变压吸附制氮系统得到粗氮气遥 粗氮气经过精制处理塔袁 使纯度达到生产合成氨的要求袁与提纯后的氢气在混合器中均匀混合后袁一同进入氢氮气压缩机进行加压遥以上两种气体经过氮氢压缩机的逐级加压后袁进入合成塔中袁在催化剂的
8、作用下袁生成产品液氨袁在液氨储罐中储存遥1.3合成系统氢气尧氮气经过自动配比后袁进入氮氢压缩机袁逐级加压后袁进入合成系统袁与分氨后的循环气一同进入氨冷器经过冷冻系统降温遥 之后进入冷交换器下部氨分离器进一步分离液氨,通过放氨阀将液氨排入氨罐中遥 气相进入循环压缩机袁循环压缩机出口经油分离器后,通过塔进口阀从塔顶一进口进入合成塔环隙袁升温后经一出口出合成塔,进入循环加热器袁 被废热锅炉的气体加热袁 由塔底部二进口进入合成塔袁 在塔内反应后,合成塔出口气体含氨量在 15%左右袁合成气经塔二出口袁进入废热锅炉副产蒸汽袁并入蒸汽管网袁提供热源使用遥 合成气经废热锅炉降温后袁进循环气预热器袁 预热合成塔
9、一出口来的气体袁温度降低后进入软水加热器袁 经软水冷却系统降温袁进入水冷却器进一步降低温度袁然后气体进冷交列管内袁与管外气体换热袁使气体温度降低袁进氨分离器分离液氨袁通过放氨阀将液氨排入氨罐遥 分离液氨后的气体袁与来自氮氢压缩机出口的气体一同进入氨冷凝器袁经过降温后气体在冷交换器内袁与水冷器来的气体经管壁换热袁气体被管内气体加热后进入循环压缩机加压袁再出循环机袁进行下一循环遥 新鲜气渊来自氮氢气压缩机冤补充在氨冷凝器气体进口管道上袁放空位置设置在氨分离器出口管道上遥2生产中的问题及分析2.1合成系统压力持续升高经过 3a 的生产数据收集袁共收集到 7 次合成系统压力持续升高数据渊见表 1冤遥从
10、表 1 分析可知袁虽然设计压力为 31.4MPa袁但系统压力为 1718MPa 时系统是正常的遥 但几分钟内袁系统压力会突然升高袁且合成系统的温图 1生产工艺流程框图64第 37 卷第 4 期图 2合成塔出口温度数据与新鲜气数据关系次数正常系统压力/MPa升高后系统压力/MPa所用时间/min系统进气量/(Nm3/h)118.320.1106920217.719.887010317.820.3136850418.021.067100516.719.1106800617.620.297080717.821.1117180表 1合成系统压力数据表度尧进气量尧循环量尧氨净值等参数都是正常的4-5遥应
11、该是某种气体成分发生了改变遥 首先袁对合成系统补充的新鲜气进行了第三方的分析检验曰其次袁在数据收集的同时袁发现合成系统压力有上涨的趋势时袁 采取捕捉取样进行第三方分析检验袁合成系统进口新鲜气分析检测项目及检验结果渊V/V冤为院H274.96/10-2尧O20.57/10-6尧Ar 3954/10-6尧N224.87/10-2尧CO 2.25/10-6尧CO2未检出尧CH420.6/10-6尧H2O 12.5/10-6遥合成系统循环气分析数据渊捕捉样冤检测项目及检验结果渊V/V冤为院H250.25/10-2尧Ar 17.7/10-2尧N216.95/10-2尧CH4未检出遥由分析可知袁产品氢气尧
12、氮气纯度高袁不含有甲烷等传统的惰性气体遥 因此袁合成系统短时间压力升高的原因为合成系统中的氩气含量累积升高6-7遥2.2合成塔出口温度升高、合成温度难控制生产工艺使用A310 型铁系催化剂袁合成塔热点控制在 460依5益遥实际生产合成系统补充新鲜气量为 65007000Nm3/h袁合成塔空速为 12000Nm3/m3催化剂8遥产能为 2.7t 氨/h袁在此状态下袁可正常生产遥 但比照设计产能 3.2t 氨/h袁还有很大差距遥 为达到设计生产能力袁公司多次尝试增大补充新鲜气量袁来试验能否保持稳定生产袁但效果不理想遥合成塔出口温度数据与新鲜气数据关系如图 1所示遥由图 2 可知袁 合成系统补充的新
13、鲜气量在7300Nm3/h 以内时袁 合成塔出口温度在设计的指标范围内渊320益冤遥 当新鲜气量达到 7500Nm3/h 时袁合成系统的温度临近设计温度袁达到系统瓶颈遥 且循环量及冷激线都没有调节手段袁只能通过人为减少补充新鲜气的进气量来保障安全稳定生产遥通过几次尝试袁找到了该合成装置系统生产能力的最大极限袁但未达到设计生产产能遥 分析原因袁 并请行业内的相关专家进行数据会诊袁达成统一意见袁该合成氨生产系统较传统的以煤造气或天然气法生产工艺不同袁 原料气体十分纯净袁排除了氩气的影响袁没有甲烷等惰性气体袁且该合成系统装置采用了传统的典型小型合成氨的生产工艺与设备袁存在相关设备不配套尧工艺数据选用
14、有偏差等缺陷9-10遥2.3频繁更换合成塔内件1冤更换合成塔内件使用时长统计院该合成系统平均 3a 更换内件及催化剂遥 同行业中袁采用我公司形式的合成塔内件及相同型号的催化剂袁平均 10a 更换一次遥并且只是更换无活性的催化剂袁合成塔内件在没有问题的情况下可以继续使用遥比较之下袁提升了企业的生产运行成本遥 2冤合成塔内件损坏现象院系统采用的是 JL-2 型袁单管折流式合成塔内件9遥 合成塔内件小盖采用螺栓紧固密封遥 在几次更换内件时袁发现有螺栓松动以及中心管下沉现象遥通过几次更换内件所发现的现象袁将中心管线取样进行材质分析袁 中心管下沉袁 为采用的15CrMo 钢袁在温度轴线温差大时产生应力变
15、形所致袁合成塔小盖螺栓的松动袁在排除人为安装因素后袁是由内件冷热不均产生的应力所致遥安东亮等:新型生产工艺生产合成氨系统安全生产问题研究65天津化工2023 年 7 月图3合成塔出口温度数据与新鲜气数据关系3改造采取的措施与结果3.1合成系统压力持续升高针对合成系统生产压力持续升高的问题袁在氰化钠裂解炉开车的初期 3a 到进入合成塔连续生产 1 个月袁系统在塔后必须放空遥 在氰化钠裂解炉正常稳定生产时袁连续生产 3 个月袁系统在塔后必须放空遥 采取此方法至今袁合成系统压力稳定在臆18MPa袁生产稳定遥3.2合成塔出口温度升高、合成温度难控制3.2.1更换废热锅炉,改善材质,增大换热面积生产合成
16、氨使用的是传统典型小合成氨生产工艺及设备袁 生产压力始终稳定在 18MPa袁达不到标准的 28MPa袁但合成塔出口温度已到达废热锅炉的设计温度遥 因此袁公司更换了设备渊废热锅炉冤并增加了换热面积袁同时更改材质为 12Cr鄄Mo1 钢遥3.2.2改进合成塔冷激线由于合成塔的冷激线在 73007500Nm3/h 时几乎已全部打开袁没有条件余量遥 公司更换了冷激线的管线袁增大了管径遥以上两种手段袁 有效提升了合成系统的进气量袁改造后合成系统新鲜气量可达 8300Nm3/h袁产能为 3.32t 氨/h袁达到了设计生产能力遥 改造后合成塔出口温度数据与新鲜气数据关系如图 3 所示遥3.3频繁更换合成塔内
17、件措施3.3.1合成塔内件小盖焊接针对更换合成塔内件时出现的螺栓松动袁公司采取了传统的对合成塔小盖进行焊接的方法遥 该方法虽然在更换催化剂时有弊端袁但解决了螺栓松动后合成塔窜气造成塔温偏流无法生产的问题遥3.3.2合成塔内件增大换热面积由于系统进塔气体纯净袁又采用了传统的单管折流内件袁反应热无法移出塔内袁轴向温差较大袁导致内件应力增大袁出现中心管下沉现象遥 公司在原有内件图纸的基础上袁 经过专业设计袁重新制作合成塔内件遥 中心管尧冷管尧触媒筐外壳材质改为了 1Cr18Ni9 钢袁很好地解决了频繁更换内件及催化剂的现象遥通过对合成系统出现问题的分析袁总结出了一些实践经验袁 针对性的提出了一系列改
18、造措施袁实现了系统优化袁达到并超过了设计生产能力袁为企业增加了效益遥 同时袁也开辟了一条变废为宝的环保生产模式袁实现了合成氨系统在较低压力下安全稳定生产遥参考文献:员 楚小玉,王新建.变压吸附(PSA)制氮技术J.化工设计通讯,2018,44(10):71.2 徐波.中小型氨合成装置如何选用亚铁基氨合成催化剂J.中氮肥,2006(5):12-16.3 刘庆晨,安宝均,刘至柔,等.一种利用生产氰化钠和氯碱尾气提纯氢气生产合成氨的方法:辽宁,CN101016159P.2007-08-15.4 杨峰,孙文欢,王子全,等.氨合成塔内件及工艺流程综述J.小氮肥设计技术,2004(3):6-8.5 田青.
19、合成氨装置升级改造新上 1400 氨合成系统简介J.化工设计通讯,2014,40(5):9-11,62.6 熊祥祖,陈莲芝.氨合成系统惰性气体的影响与最佳排放浓度的确定J.中氮肥,1996(4):5.7 张继臻,种学峰.合成气中的 Ar 对氨合成系统的影响J.中氮肥,2007(3):22-23.8 于宏奇,黄广惠,余一.氨合成塔最优空速的计算J.小氨肥设计技术,1981(7):45-54.9 徐安开.均温型甲醇合成塔内件的开发应用及 JL 冷管型氨合成塔内件和等压合成综合新技术J.化肥工业,1997(1):4.10沈之宇.小氮肥氨合成装置先进控制与优化研究与应用D.合肥:中国科学技术大学,2006.66