合成氨低负荷运行探索

张 成

(山西潞安煤基合成油有限公司，山西 长治 046100)

山西潞安煤基合成油公司合成氨装置是采用瑞士卡萨利三床两冷轴径向合成技术，工艺原理为用合成油弛放气或低温甲醇洗净化气为原料气，进行换热式一段蒸汽转化和二段纯氧转化以及一氧化碳中温变换，为后续工段提供转化气，转化气经过脱碳后进入变压吸附装置制得氢气及空分送来氮气(配比约3.1～3.2)，在一段入口管线内混合，经合成压缩机四段压缩达到14.66 MPa，送到氨合成热气气换热器与从锅炉给水预热器来的热合成气换热后，温度升至190 ℃进入氨合成塔在高温、高压经触媒作用下反应合成氨气，然后经过分离、冷却生产出液氨。氨合成塔工作温度为490 ℃，氨合成装置工艺主要包括气体的压缩、气体的预热及合成、氨的分离。设备主要包括氨透平压缩机、合成气透平压缩机、氨合成塔等。

该装置设计液氨产能737 t/d，实际运行十年来最高日产量为570 t/d，最低日产量为180 t/d。随着2018年润金茂公司LNG装置投运，合成油弛放气中的甲烷不需要直接转化，而是通过深冷法提取LNG，甲烷转化装置随之停车搁置。LNG富氢尾气及低温甲醇洗净化气混合原料气变压吸附制氢仅剩10 000 m3/h氢气供合成氨装置使用，折合液氨产量120 t/d，届时合成氨装置负荷仅为16.28%，为国内合成氨装置最低负荷。于是公司开始探索合成氨装置低负荷运行。

1 论证阶段

通过对联系瑞士卡萨利有限公司上海代表处、赛鼎公司、透平压缩机厂家西门子公司就公司转型升级后合成氨装置低负荷运行情况进行确认，卡萨利有限公司认为需要对废热锅炉E-001和锅炉给水预热器E-002进行旁路，将合成气压缩机和冰机由透平驱动改为电驱动、氨冷器E-007冷冻冰机低压段盲住等一系列繁琐的改造和合成塔压力不低于8 MPa等主要工况操作的一些苛刻要求进行改造[1-2]。

针对氨合成低负荷运行期间床层温度、液位、流量、氢氮比、干气密封、开工加热炉以及开停车过程操作、监控等进行变化说明和异常情况应对措施提前制定低负荷运行方案及应急处置预案进行低负荷测试，为合成氨低负荷试运行收集数据，同时，根据生产运行中的问题结合最低日产量180 t/d时的运行数据为今后长期低负荷运行提供改造依据。氨合成从正常负荷降至低负荷，直到合成气压缩机入口氢气稳定在10 000 m3/h，且循环量维持在70 000 m3/h，观察床层温度是否能够控制在480 ℃～490 ℃，如果床温无法维持，尽量维持在470 ℃以上，必要时通过关小循环段入口大阀调整。如果床温仍无法维持，则需要打通开工加热炉工艺气，通过开工加热炉维持床层温度。

2 测试阶段

2.1 低负荷测试工况概述

4月3日16时合成氨装置开始逐步降负荷，进氢气量由15 000 m3/h减少至9 000 m3/h。最低负荷测试时间4 h。运行期间系统整体稳定。主要工艺参数情况：氢气量9 000 m3/h,氮气量3 100 m3/h，氨产约5.3 t/h，合成气透平压缩机转速10 400 r/min，冰机转速9 500 r/min，一床层温度470 ℃左右，虽然低于指标480 ℃～490 ℃但比较稳定。具体测试数据如第81页表1。

表1 低负荷测试工况测试数据表

2.2 低负荷测试结论

测试期间产氨量最低可降至5.13 t/h，合成气压缩机循环段防喘阀全开，中压缸干气密封未做调整，合成塔入口循环量82 000 m3/h，入塔主线阀关至20%，现场循环段入口阀门未作调整，氨合成塔一床温度470 ℃稳定。低负荷下反应效率未受明显影响，氢气、氮气单耗趋于正常生产值。由于系统退负荷，汽轮机存在最低转速要求转速不能同比例调低，出现“大马拉小车”的问题，蒸汽单耗上升明显。经过数据对比，本次测试蒸汽单耗平均值为5.6 t NH3,正常为2.3 t NH3左右。副产2.4 MPa蒸汽正常值为1.2 t NH3,本次测试吨液氨副产蒸汽0.65 t，明显下降。测试前预想的废锅补水及高压氨分放氨问题均不影响低负荷运行。本次测试，整体运行正常，未出现由于指标变化引起的工况波动。同时由于测试时间短，需要下一步运行进一步验证。

3 运行阶段

由于改造周期长、费用高等问题合成氨装置未进行改造，4月23日正式开始低负荷运行，至10月23日累计运行半年未出现前期预想的任何影响，而且6月15日达到了最低日产量102.2 t/d的最低负荷，证实了在我公司技术人员的努力下我公司瑞士卡萨利三床两冷轴径向合成装置在15%左右的负荷下可以实现连续稳定运行，具体事项如下：

稳定氢气、氮气压力，根据半年运行经验对装置操作指标进行修订。合成塔床层温度正常控制在470 ℃～480 ℃，低负荷若无法维持，逐步关小循环段入口手动大阀来实现控制。严格控制系统氢氮配比，正常执行64%～70%。废锅液位指标控制60%～74%。高压氨分、中压氨分液位维持30%～40%，避免发生窜气，液位低时通过关小调节阀前切阀来实现控制。合成气压缩机、氨压缩机加减负荷时，严格按照“升压先升速，降速先降压”的原则来操作；每次加(减)转速不超过20 r/min，循环量波动不能大于1 000 m3/h。机组降负荷后，要及时调整油冷后温度。合成气压缩机低负荷时，由于系统压力降低，平衡管压力下降，一级缓冲气压力与平衡管压力差为给定值，所以压差投自动前提下，一级缓冲气流量上涨超出厂家给定指标。低负荷下，重点注意调整中压缸一级密封气流量，通过调整平衡管压差来实现控制，经过摸索设定值最低可设为0.070 MPa(正常为0.080 MPa)。

4 结语

合成氨装置在超低负荷运行时，稍有不慎就会影响装置长周期、安全稳定运行。但只要从思想上重视，增强操作人员责任感；在技术上做好准备，操作人员应格外精心、细致，控制好各项工艺指标，善于观察参数的微小变化，就能够应对装置超低负荷运行的挑战，确保合成氨装置的安全生产，并且在生产稳定的前提下、采取措施降低合成氨成本。