合成氨技术
专家园地
0 概述
湖南安淳高新技术有限公司(以下简称安淳公司)开发设计氨合成系统已有10多年的历史，先后开发出ⅢJ、ⅢJD型氨合成塔，塔径包括φ600、φ800、φ1000、φ1200、φ1400、φ1600、φ1800 mm等，单塔能力从20 kt氨／a(φ600 mm)到年产180kt氨／a，分布全国数百个中、小氮肥厂使用，使用效果都很好。ⅢJ冷管绝热型，塔径小、能力小，20～110 kt／a，全轴向或一径多轴；ⅢJD2000型包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000、φ2200mm五个系列，在技术上有较大的提升，使用效果在国内比较突出。目前，又在开发设计ⅢJDS节能氨合成系统系列，双塔双锅塔锅一体氨合成系统节能显著、单系统能力大，其设计思想新颖，合成塔结构简单、可靠。
1 ⅢJD2000氨合成系统的特点
ⅢJD2000的代表塔型为φ1400、φ1600、φ1800、φ2000mm，下面详细介绍φ1600、φ1800mm氨合成塔及系统的特点。
ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔(见图1)特点是由一个冷管束构成的五段反应器，其中一、二为轴向绝热段，三为径向绝热段，四为径向冷管段，五为径向绝热段。
ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔内气体流程特点是分流工艺，即预热后70％未反应气经塔内换热器加至360～380℃，到零米进一段反应。另外30％未反应气先经过内外筒环隙再进入冷管束，加热后，进入第一、二段间，做为第一段反应热气的冷却气。分流后，阻力小，冷管段传热温差大，冷管面积小，大大提高了容积系数。
ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔冷管束为同一平面内外环冷管束，冷气由上至下进入内环管，然后分成两股，一股向下再上，一股向上再下，汇合于外环管，再由上升管导入一、二段间，这种冷管束新颖，它适合径向催化反应床，因内外环管在催化床(轴向)中间，有利于冷管的伸缩，比上下环冷管束更稳定可靠。
ⅢJDφ1600 mm和φ1800 mm氨合成塔的反应后热气塔内换热器布置在中心，为瘦长型，换热管加工成横纹管，大大提高了传热系数，减少了传热面积，增加了塔容积利用系数。ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成塔催化床(高)中80％～85％是径向筐，阻力小。
ⅢJDφ1600mm和φ1800mm氨合成系统配单氨冷，氨冷器为卧式，其上部配有高位卧式闪蒸槽，氨冷效率大大提高。
2 ⅢJD2000φ1600mm和φ1800mm氨合成系统使用效果
第一个ⅢJDφ1600mm于2000年在湖南岳阳化肥厂投入使用，随后河北邯钢化肥厂、河南心连心、河南驻马店、晋城二化、江苏张家港、福建三明、山西晋丰闻喜先后采用。
ⅢJD2000φ1600mm系统使用效果，以下是山西天脊晋城化丁股份有限公司的运行情况说明：
(1)高压机开机台数6台6MD32-180／320和2台6M16-57／320；
(2)循环机开机台数2台8m3／min和2台1.8m3／min；
(3)合成氨产量640t/d；
(4)循环气CH4 21％～23％，系统压力28.5MPa；
(5)温 度：二进165℃、“零”米400℃、热点465℃， 二出300℃、热交出(水冷进)60℃；
(6)系统压差1.2MPa，合成塔压差0.36MPa。
ⅢJD2000φ1800mm系统已在山东瑞星、山东德齐龙(两套)、江苏新沂恒盛、山西高平晋丰、江苏张家港华昌等企业投入使用。
φ1800mm系统两种型号，一种净空高为16m，触媒装填量25.4m3，一种净空高为18m，触媒装填量28.4m3(山西高平属此型号)。
φ1800mm系统的运行情况(山东德齐龙化工集团)：CH4％为21％～22％时，日产氨580～600t，系统压力23～25MPa，“零”米温度390～400℃，出塔温度300～310℃，开8m3／min循环机3台，系统压差1.2MPa，塔压差0.3～0.4MPa，同平面温度差2～4℃，氨冷温度－5℃，水冷进口温度70～80℃，运行非常平稳。
φ2000 mm系统，已于2006年8月在河南心连心投产，效果很好。该合成塔净空高为18 m，催化容积33.5 m3。结构为三层：一层为轴向绝热层，二层为径向间冷层，三层为径向绝热层。
3 ⅢJD3000型氨合成塔内件及系统的设计特点
为实现单系统规模化和大幅降低能耗，已在上述塔型的基础上设计了ⅢJD3000型φ2200 mm和φ2400mm合成系统，其总的设计思想是：降低“零”米温度，提高热点温度，提高二进温度，降低进塔氨含量，大幅提高山塔氨含量：提高出塔温度，提高回收蒸汽压力，简化合成塔结构。
3.1 合成塔特点(见图2)
(1)三层四段，三径一轴，径向段占床高70％。第一层为轴向绝热段，第二层包括径向间冷段和绝热段，第三段为径向绝热段；
(2)进塔未反应气预热至240℃左右，出塔热气温度为420℃：
(3)冷管束、换热器与隔板从顶部往卜分别安装，根据外筒制造厂能力情况，也可以设计成平顶盖或球形顶盖；
(4)结构简单，白卸触媒，阻力0.2～0.3MPa；
(5)合成塔高径比8～9。
3.2 工艺流程(见图3)
出塔反应后气体(氨含量16％～18％，温度420℃)直接进废锅，产生3.5～3.9 MPa蒸汽，温度降为275℃左右，进热交降温至70℃左右，进水冷降温至40℃左右，进冷交温度降至16℃左右，冷凝氨分离，气体经一级氨冷降至－5℃，再经二级氨冷降至－23℃，分离冷凝氨后，进冷交管内，被加热至25～28℃，送至循环机，出循环机后与通过补气油分补入新鲜气混合进塔，氨含量为1.8％～2％，分两股，一股15％～20％进环隙，另一股80％～85％送热交，加热至240℃，再分成二股，一股30％～35％与环隙出来未反应气混合从塔顶进中层热交加热，进第一绝热段，一股50％进下层内热交加热，均被加热至380℃，进入第一层、第二层、第三层反应，出塔。
流程特点：
(1)余热回收，产生3.5～3.9MPa饱和蒸汽；
(2)两级氨冷，第一级降温－5℃，第二级降温－15℃；
(3)循环机：塔前；
(4)放空气：循环机前，此处氨含量最低，甲烷最高，冷量已回收：补气：循环机后，充分发挥循环机能力；
(5)进水冷温度70℃，节约冷却水：
(6)进塔氨含量1.8％，出塔氨含量17％，低空速：5977.89h－1；
采用高钴(氧化钴含量2％以上)、稀土和多种助剂组成的高活性、低压、宽温型氨合成催化剂，起始“零”米温度340～350℃，热点温度500℃左右。
4 ⅢJDS氨合成系统(见图4)
ⅢJDS氨合成系统为最近版本，它在ⅢJD3000基础上又提升了一大步。其特点：双塔双锅，塔锅一体，双塔连续反应。
(1)双塔双锅，塔锅一体：合成塔与废锅连成一体，对材质要求不高，免除了热应力很大的连接管道，节省了占地面积。
(2)第一台塔只有一个绝热反应层，“零”米温度330～360℃，绝热反应后温度490～500℃，氨净值增加9.6％～11％，塔容积小，塔体简单。
(3)第二台塔基本上为绝热反应，容积大，催化剂多，占总量80％，最终氨净值18％～19％。
(4)废锅产生3.9MPa饱和蒸汽，每吨氨产汽1t左右。
(5)适用单系统大型化。高压筒直径相对于单塔直径小，加工制造、运输、安装相当方便容易。
5 XA209催化剂
(1)为适用ⅢJD3000及ⅢJDS内件设计氨净值高的要求，配套研制了一种低温宽温小粒度XA209催化剂。
(2)XA209催化剂在XA201基础上提高钴含量增加，加入稀土元素、氧化锆，并对其它组分进行了调控。
(3)活性检测结果：压力15MPa，空速30000h－1，330℃时出口氨6.6％，415℃时出口氨16.8％，在580℃耐热20h降温415℃山口氨含量16.2％，实际使用时，“零”米可控制在330～360℃，熟点温度490～500℃，为正常运行温度。
6 结束语
湖南安淳高新技术有限公司开发设计制造的氨合成塔及系统，有四个技术层次：ⅢJ：φ600、φ800、φ1000、φ1200mm：ⅢJD2000：φ1400、φ1600、φ1800、φ2000：ⅢJD3000：φ2200、φ2400mm：ⅢJD。
(1)ⅢJ型系列基本特点：冷管绝热型，塔径小、能力小；20～110 kt／a，全轴向或一径多轴，阻力较大：塔下部换热器为鼓型，换热气体流速小，“K”小。
(2)ⅢJD2000包括φ1400、φ1600、φ1800、φ2000 mm，基本特点：冷管绝热型，冷管为同平面内外环上下并流型，适于径向冷管段反应，塔径大，能力大，120～220kt／a，两轴三径，阻力小。塔下换热器为细K型，“K”大。ⅢJD3000包括φ2200mm和φ2400mm，其基本特点：间冷绝热反应，一轴三径，第四段反应后热气在塔外废锅冷却，产生中压或次中压蒸汽，塔体与废锅二合一，节约40多米大管径、高温抗氢腐蚀管道。二级氨冷，进塔氨含量为1.8％～2.2％，二进温度240℃，二出温度400℃以上。
(3)ⅢJD3000型能力更大，φ2000、φ2200mm运行能力为200～250kt／a，20～22MPa运行，阻力更小。
(4)ⅢJDS型为双塔双锅，塔锅一体。适用装置大型化，单系统能力可达300 kt，更节能，吨氨产中压蒸汽1t氨净值高，阻力小，循环量小。ⅢJDS型比ⅢJD性系列将有更大进步。
(5)ⅢJD3000与ⅢJDS配XA209催化剂，效果更好。
