S-300 型氨合成塔催化剂卸装应用

万棋棋，袁仁华

（贵州天福化工有限责任公司，贵州 福泉 550501）

0 引言

贵州天福化工有限责任公司以贵州丰富的煤炭资源为原燃料，采用世界先进干粉粉煤加压气化技术、高水气比变换工艺、低温甲醇洗脱硫脱碳、分子筛及液氮洗气体精制、低压氨合成、中压甲醇合成等技术，建成年产30 万t 合成氨、25 万t 甲醇、15 万t 二甲醚等项目，该套装置于2010 年建设完成，10 月一次投料试车成功。氨合成塔采用的是丹麦托普索公司S-300 径向流反应器。S-300 型氨合成塔总高23.33 m，直径2.5 m，内件质量54 t，总体结构为3 层，层间换热形式。根据结构形式，从上至下包括：1 床层触媒框、1 床层换热器、冷激气软管、2 床层触媒框、2床层换热器、3 床层触媒框、中心管7 部分。

1 工艺流程（图1）简述

图1 合成氨工艺流程简图

液氮洗洗涤合格的合成气与氨闪蒸罐的闪蒸气混合经合成气压缩机做功，再与循环气混合进入三段做功后进入热交换器，在热交换器里新鲜合成气与中压锅炉水换热后分3 路进入合成塔。第一路合成气由A1、A2 入口进入，气体沿合成塔外筒与触媒筐间的环隙自下而上进入合成塔顶部管口，气体通过第一床间换热器中心管进入换热器底部管板，向上进入管程，冷却一床出口反应气，控制进入第二床层反应气温度。另一路合成气从塔底部中心管口经A3 入口进入，经中心管进入第二床间换热器底部管板，向上进入管程，冷却二床出口反应气，控制进入第三床的反应气温度。第三路由塔顶冷激口A4 进入，在合成塔顶部管内与来自两个床间换热器管程的两股气体混合，冷激气用来控制第一床催化剂进口合成气的温度。混合后的气体径向通过各催化剂床层进行反应，反应后的气体经中心管B 口流出。反应释放的热量经高压锅炉水预热器、中压锅炉给水预热器换热回收后，再经过冷交换器，第一氨冷器、第二氨冷器冷却至0 ℃，在氨分离器分离液氨和未反应工艺气，底部液氨进入氨闪蒸槽闪蒸回收氢气和氮气，底部成品液氨输送至储罐储存。

2 氨合成工艺特点

2.1 优点

1）进入氨合成塔的合成气先经过外筒与内筒的环隙，减少向外筒散热，外筒只承受高压，不承受高温，可以采用低合金钢制作。内件虽在高温下工作，但只承受环隙气体与内件气流的压差，因此只承受高温，不承受高压，可以采用不锈钢制作；

2）操作灵活，能通过床层入口控制阀开度控制各床层的热点温度，接近最适宜温度曲线，出口氨净值高；

3）采用径向流和层间换热形式，合理回收热量，转换率高，产量大；

4）催化剂颗粒为1.5～3 mm，能有效减小气体通过触媒框的阻力，节省压缩机蒸汽消耗[1]。

2.2 缺点

1）氨合成塔催化剂更换周期长，需用150 t 大型起重设备装卸内件；

2）氨合成塔安装高度较高，更换催化剂时，存在交叉作业，可能引起机械伤害、起重伤害、中毒窒息等事故；

3）合成气为径向流动，其流动截面和气量速度不断变化，可能引起工艺气偏流现象，影响催化剂利用率；

4）氨合成塔内件与内筒间隙小，要求安装精确度高[2]。

3 氨合成催化剂卸出及内件拆除顺序主要流程（见图2）

图2 氨合成催化剂卸出及内件拆除顺序主要流程

4 氨合成催化剂装填及内件安装顺序主要流程（见图3）

图3 氨合成催化剂装填及内件安装顺序流程

5 催化剂卸装过程中安全、质量管理措施

5.1 安全管理方面

开工前检查准备：每天进氨合成塔作业前，对催化剂作业人员，铲车师傅、吊车师傅进行安全技术交底；按时作受限空间分析；空压机、空呼长管、面罩等设备常规检查。

制度管理：严格执行《危险化学品特殊作业规范GB 30871—2022》中的技术、管理措施。执行《受限空间作业票》、《临时用电票》、《动火作业票》、《盲板抽堵作业票》等安全管理制度，作业人员、工器具进出合成塔执行签字确认程序[3-6]。

物的管理：合成塔高、低压氮气管线上的阀门专人负责。定期监控低压氮气管网压力大于0.3 MPa、空分1 000 m3液氮储存量情况，确保卸催化剂过程中合成塔内催化剂自始至终处于氮气环境微正压状态，防止与空气接触氧化释放热量，损坏合成塔内件，造成人员伤亡。

催化剂卸出前，铲车铲斗提前装水，转运至安全空地，专人定期给催化剂浇水冷却，防止催化剂氧化局部过热，发生火灾事故。

人的管理：作业人员在氨合成塔内部卸催化剂期间，执行双监护制度，并定期发内部作业人员图片、视频，不定时测量催化剂表层温度，确保作业人员安全。

应急措施：为防范突发事故，防止人员中毒窒息、催化剂着火损坏合成塔内件，现场紧急备有120 救护车、119 消防车、消防设施、应急工艺专家，防止事故扩大。

环境管理：氨合成塔催化剂装填及内件吊装作业，安排在白天作业，确保安全、高效、文明施工。

管理措施：用高清布控球、移动摄像头等监控设备对催化剂卸装作业过程，执行全员、全过程、全方位、全天候管理，出现违章行为及时制止。

5.2 质量控制管理方面

严格管控催化剂粉尘过筛质量。筛网尺寸为1mm×1 mm，严格控制作业人员每桶催化剂过筛速度、筛网表层厚度，确保过筛质量。

现场随时备用篷布，防止因天气变化降雨淋湿催化剂，因为水可能会溶解促进剂，导致活性损失，且促进剂可能会对合成塔材料造成苛性应力腐蚀，防止催化剂机械强度、内件损坏。

催化剂装填过程，对重要节点执行现场确认制度。如1/2/3 床层管口密封、催化剂装填高度测量、各床层催化剂填满、顶部冷激管坡度等完成情况检查。

催化剂装填过程执行动态、清单化管理。催化剂装填过程采用蓬头式密相装填技术，初期一斗一测量数据稳定后，改为三斗一测量数据。当堆密度出现偏差时，按照催化剂供货方的装填密度控制值，及时调整，要求作业人员严格控制第1/2/3 床层装填速度及堆密度，确保催化剂装填质量，第一、二、三床层装填数据如图4～图6。

图4 第1 床层装填数据统计表

图5 第2 床层装填数据统计表

图6 第3 床层装填数据统计表

催化剂装填、内件安装完后按照《氨合成塔回路置换、气密、保压方案》对回路系统进行置换、气密、保压工作。装置停车期间认真记录催化剂床层温度、压力参数，发现异常及时处理。

5.3 氨合成塔催化剂装填数据统计（见表1）

表1 氨合成塔催化剂装填数据统计表

6 结语

托普索S-300 型氨合成塔工艺是一种典型的采用内部床层间换热器结构形式，具有热回收效率高、氨净值高的工艺流程。从氨合成塔催化剂装填数据统计表中可以看出，此次催化剂装填堆密度平均值满足供货方催化剂堆密度控制值要求。托普索S-300 型氨合成工艺内件安装、催化剂的顺利装填安装将对后期液氨日产量、合成塔系统压降、吨氨耗有效气、吨氨耗蒸汽等控制指标有显著的优化。