1、    项目背景

石家庄正元化肥有限公司(简称正元化肥)的前身是原河北省灵寿县化肥厂，1997年被河北正元公司租赁，收购后，经过多年的技术改造至2009年其总氨能力由原来的4万吨/年提高到年产20万吨/年，其改造方法采用的是小型叠加的方式。三套JRφ1000氨合成系统并联（其中一套标塔，两套矮塔）。氨合成系统运行压力在27.5MPa~28.5MPa，压缩机采用3台H223、4台H73、4台M16、3台M8（3），机型繁杂，其它工段也是采用小型并联方式，所以其煤耗、电耗均较高。决定新上一套JRφ2400氨合成系统,这一系统为河北阳煤正元化工集团自行设计、设备自己制做、自己组织安装、自己组织投运。

2、    工艺流程及主要技术特点为

 2.1、工艺流程

氨合成流程示意图见图一所示，来自甲烷化工段的22.0MPa左右的新鲜气，经过低温水冷器降温后，与从冷交换器Ⅰ出来的热气混合后进入氨冷凝器，经氨冷凝器降温到－10～－5℃进入氨分离器分氨，气体从氨分离器出来后进入冷交换器Ⅰ冷气入口，换热后的气体进入冷交换器Ⅱ冷气入口，换热后温度约28℃，进入循环机提压至后，进入塔前预热器提温到120～150℃，进入合成塔反应。自合成塔出来的320～350℃左右的合成气，进入废热回收器Ⅰ生产1.3~2.5MPa蒸汽，再进入废热回收器Ⅱ生产0.4MPa低压蒸汽用于溴化锂制冷机组，合成气温度降到180℃左右进入塔前预热器，与入塔气换热。经换热后温度降至50～60℃，进入水冷却器Ⅰ，降温至≤40℃后，进入冷交换器Ⅱ进一步降温后进入水冷却器Ⅱ深度水冷（冷水来源于本工段的溴化锂制冷水），温度降到20℃左右，之后进入冷交换器Ⅰ换热后在分离部分分离出液氨，分氨后的合成气出冷交换器Ⅰ少部分放空，再与新鲜气混合，进入下一循环。

2.2、工艺技术特点

（1）、采用合成塔与废热回收器直连结构，即节省了投资，又增强了运行安全性。

（2）、采用提温型一进一出余热回收锅炉工艺：水冷进口温度低于60℃，氨合成反应热利用率高达85%以上，同时节约大量循环水负荷。

（3）采用双废锅流程：产生不同品位的蒸汽，废热回收器Ⅰ产生的1.3~2.5MPa中压蒸汽；废热回收器Ⅱ吨氨副产0.4MPa的低压蒸汽用于溴化锂制冷机组，多余的蒸汽可入低压蒸汽管网；

（4）溴化锂制冷技术应用；

在本装置利用溴化锂制冷技术，将废热回收器Ⅱ的低压蒸汽转化为低温水，用于循环反应气体中氨的冷凝。余热回收产生的低品位蒸汽用于溴化锂制冷机组产生低温水，用于部分冷凝氨，大幅度减低了冰机负荷，节省了电耗。

（5）、水冷却器Ⅰ后设置冷交换器Ⅱ逐级回收冷量，提高了冷量回收效果。

2.3、系统主要设计参数

     设计压力：22.0MPa

     设计压差：1.0MPa

     生产能力：650吨NH₃/天

     氨冷温度：-10℃

     触媒量：42.7M³

     氨净值：12%

     入塔甲烷：17%

3、    主要设备

表一                     氨合成主要设备

4、    氨合成塔结构及技术特点

4.1 氨合成塔结构

氨合成结构及测温点布置简图如附图二所示，在塔前预热器内预热至120～150℃的气体由主线从塔顶入塔，经内外筒间的环隙下行，进入底部换热器管间与四层催化床的气体换热后，经中部换热器下管箱进入中部换热器管内，与三段反应后气体换热加热至370～400℃，经中心管进入一段催化剂。另外有四股气体分别经四条付线入塔，其中四段副线进入的气体在底部换热器出口处与从底部换热器来的主线气混合，以调节四段温度；三段副线气进入二、三段间换热器的上部换热器管内，以冷却二段出口气体调节三段入口温度，此股气体被加热后，在上部换热器上管箱内与上部换热器中心管出口的主气流混合；二段副线气直接进入一段下部集气盒与一段反应后的气体混合，调节二段入口气体温度，一段副线与一段中心管气体混合，以调节零米温度，循环气经一段催化剂反应后绝热温度达480℃，经二段副线冷激降温后进入二段反应，温度升至470℃，经二、三段段间换热器与入塔付线气换热降温进入三段催化剂床反应，经三段反应后温度升至460℃,经三、四段间的中间换热器与入塔主气流换热后温度降低，再进入四段反应后温度到440℃，最后经下部换热器与入塔主气流进一步换热,温度降至300～340℃、含氨14～16％的反应气出合成塔。

4.2、 氨合成塔技术特点

（1）阻力小：内件四段触媒框采用一轴三径，一段触媒层虽然采用轴向，因床层高度小，且床层内既无冷管有无换热器，因此内件阻力很小。

（2）氨净值高：由于采用绝热反应，段间以间接换热为主，不存在冷管型塔“冷管效应”，也没有冷激型内件由于冷激造成的低氨净值。

（3）充分考虑了各部位的热胀冷缩问题：可能存在热胀冷缩的部分均设置了膨胀节、或采用填料密封，或采用金属软管连接。

（4）触媒实现自卸：考虑了大型塔的特点，设置了全塔触媒自卸结构。

（5）触媒使用寿命长：由于采用多段绝热间接换热，几乎全部气体经过0米，对下部触媒起到保护作用；触媒层内无冷管，避免了冷管型塔热点下移快的现象，也不存在全冷激型塔全塔中毒。触媒可部分更换，节约触媒费用，缩短停车时间。

（6）调节灵活：各床层温度均有单独副线调节，可灵活调节各段温度。

5、    催化剂的选型装填和升温还原

  5.1、催化剂的选型、装填

氨合成系统节能效果如何，催化剂的选型亦很关键，特别是低压系统，经过慎重考虑，决定选用上虞催化剂有限责任公司生产的A301型低温低压氨合成催化剂，该催化剂曾荣获国家发明二等奖，中国专利金奖，获德、英、丹麦、美国专利，技术水平处于国际领先，作为氨合成系统优化技术，2003年被中国氮肥工业协会推荐使用。我公司从1997年灵寿县化肥厂租赁时开始使用，效果很好，很稳定，3套氨合成塔全部使用A301型催化剂，其中1#JRφ1000氨合成塔连续运行12年整。JRφ2400氨合成塔装A301型氨合成催化剂130.3吨；一段催化剂粒度为4.7-6.7㎜，二段、三段、四段三个径向段均为2.2-3.3㎜粒度催化剂。装填一定要密实均匀，其为催化剂升温还原乃至投运后正常生产提高净氨值的前提。

5.2、催化剂升温还原

A301型催化剂升温还原进程表见附表一，采用分段还原的方法，以最大限度减弱其下段催化剂因上段催化剂的还原水对下段催化剂造成反复的还原－氧化－还原。已使其活性受到的影响到最小的限度，催化剂升温还原计划用208小时，实际用210个小时。在整个升温还原过程中，主要采取以下措施确保催化剂还原的质量：

　（1）、重视一段特别是催化剂上表面的还原，要使其上表面温度和下表面温度均达到500℃，上平面的温差和下平面的温差要求控制在5℃之内，实际上平面温差达2℃之内。下平面温差达3℃之内，恒温时间达16个小时，使其还原达到98%以上。

　（2）、进合成塔的工艺气体为两级，其一股为按正常流程由塔顶进入合成塔的内外筒环隙，经底部换热器、中部换热器达中心管进入一段催化剂层，另一股气体由1＃付线开工加热炉提温后进入一段催化剂层，为保证一段催化剂温升平稳，并达到最终还原温度，保证恒温时间，在升温还原前一定要对其流量分配做出计算，以做为升温还原调节的依据，并根据温升进程做出相应调整。

　（3）、四段催化剂还原温度计划提到470℃，实际提到485~490℃，恒温16个小时，以使四段催化剂的还原度较为彻底。

　（4）、在整个还原过程中重视氨冷温度的控制，随着系统压力的变化，把氨冷温度控制在下限。

　（5）、控制温升速率，以合成塔出口水含量为准，使其在2.0~2.5g/m3。

 （6）、根据升温阶段不同，合理控制系统压力和气量。

6、    投运后生产状况及经济分析

6.1、生产状况：

φ2400氨合成系统投运后，原老系统三套JRφ1000氨合成系统全部停下。JRφ2400氨合成系统开两台循环机（一台24m³/min，一台18 m³/min），系统近路全部关死，循环机近路全部关死，循环机入口压力15.38MPa，出口压力16.13 MPa，系统压差0.75 MPa，合成塔入口16.05 MPa，出口15.87 MPa，合成塔压差0.18 MPa。

合成塔入口温度137.3℃，合成塔出口的温度278.2℃,1#水冷入口温度49.2℃，氨冷入口温度0.8℃，出口温度-9.3℃。

合成塔入口氨含量3.29%，出口氨含量13.5%。

因系统循环气中惰性气含量偏高CH422.19%（CH₄+Ar约28%左右），造成净氨值偏低。

  6.2、合成塔温度分布

 

 

 

 

 

 

表二         氨合成塔各测温点的温度             ℃    （2012.1.06 15:00.01.23）

各段的温差计算结果汇总如表三

表 三                    氨合成塔各段温差汇总                       ℃

从以上温度分布看，内件设计是成功的。

6.3、冰机耗电

冷却分离系统温度分布如下图

系统设计采用双废锅、双级水冷、双冷交后，水冷出口温度由传统的常温降到10.4℃，经冷交换器Ⅰ与氨冷却器出口（分离氨后）－9.3℃的冷气体换热降到0.8℃（因现在是冬季计算时，采用2℃）进氨冷却器。与原来的氨冷却器进口温度12℃相比，氨冷却器的热负荷由154918.7kcal/tNH3降到91887kcal/tNH3，电耗由71.24 kcal/tNH3降到37.00度/tNH3，水冷却器Ⅱ后经冷交换器Ⅰ分离的氨量由72.8%提高到91.5%。

6.4、压缩机电耗

φ2400氨合成系统投运前后，压缩机各段吸入，排出压力列于表四

　表四　单位：MPa

 

　表五           吸入排出温度   ℃　　　　　　　　　

 

表六          总氨产量和电耗　　　　　　　　　　

 

表七     压缩机总电流A　　　　　

依据表四至表七所列数据，经计算JRφ2400投运前压缩机耗电为952.74度/TNH₃，投运后压缩机耗电为834.07度/TNH3。每生产一吨氨压缩机耗电可节约118.67度/TNH3，冰机节电34.24度/TNH3,(71.24-37.00)两者相加，可节电152.91度/TNH3。若按表五抄表数字计算，可节电149.8度/TNH3，按表数字与计算结果基本相符。

6.5、煤耗

JR2400投运前日煤耗795.68吨/天，产总氨650.599T(2011年10月份平均数)

JR2400投运后日煤耗775.027吨/天，产总氨665.881T(2012年1月份平均数)

　吨氨煤耗由1.223T/TNH₃降到1.164T/TNH3，下降0.05915吨/TNH3。

6.6、两级废锅总量

　　废热回收器Ⅰ蒸发压力：1.3225MPa（绝）

　　　 入口温度：273.2℃

　　　 出口温度：205.0℃

       蒸汽产量:0.647t/TNH₃

　　废热回收器Ⅱ蒸发压力：0.451MPa（绝）

　　　  入口温度：205.0℃

　　　  出口温度：149.2℃

蒸汽量0.535 t/TNH₃

其中溴化锂制冷用量0.126 t/TNH₃，余下部分送低压蒸汽管网，主要供造气用。

两级废锅共产蒸汽1.182 t /TNH3，另氨合成塔总反应热相比其热能加回收率已达90%许（以氨合成压力15MPa，反应温度450℃计）

6.7、经济分析

 JRφ2400氨合成比较：投运后、投运前

节电149.8度/吨氨

节煤0.059吨/吨氨

多产蒸汽0.356吨/吨氨

按目前实际价格，电：0.38元/度（目前价格）

　　　　　　　　 煤：1200元/吨（2011年10月份平均价）

　　　　　　　　 蒸汽：125元/吨

φ2400氨合成系统总投资6040万元，生产能力按21.66万吨/年计：

（149.8*0.38+0.059*1200+0.356*125）*21.66=3730.37万元

投资可在两年时间内回收。

7、    结语

由阳煤正元公司自行设计、制造、安装、投资的JRφ2400氨合成系统采用双废锅、双级水冷、双冷交工艺，氨合成塔采用一轴三径结构，设计合理，运行安全可靠，反应热回收利用合理充分,与A301型低温低压氨合成催化剂配套使用，节能效果显著，有进一步推广的价值。