450kt_a合成氨装置转...剂及高变催化剂升温还原小结_王爱民.pdf

收稿日期 作者简介 王爱民（），男，重庆长寿人，技师，主要从事合成氨装置现场标准化建设与工艺管理工作。合成氨装置转化催化剂及高变催化剂升温还原小结王爱民（独山子石化塔里木石化分公司，新疆 库尔勒）摘 要 独山子石化塔里木石化分公司 合成氨装置 年 月冬季检修时进行了一段炉转化催化剂及高变炉催化剂的更换工作，年春季复工开车过程中，在无（附近厂未复工，无法提供源）的情况下对一段炉转化催化剂和高变催化剂同时进行升温还原，高变催化剂在还原初期出现“热波”现象；综合分析认为，高变催化剂出现“热波”现象的原因为一段炉配原料气后转化催化剂床层温度上升过快，造成高变炉入口气温度上升过快而致高变催化剂床层出现较大的温升。通过熄灭一段炉部分烧嘴并将原料气水碳比由 增大至 以上，其后高变催化剂按照既定方案完成升温还原及放硫工作。此后的本轮生产周期内，通过对一段炉转化催化剂的有效保护，合成氨装置一直是满负荷运行，一段炉转化催化剂活性良好。、关键词 一段炉转化催化剂；高变催化剂；升温还原；“热波”现象；应对措施；运行情况；转化催化剂保护中图分类号.文献标志码 文章编号 （）引 言独山子石化塔里木石化分公司（简称塔石化）合成氨装置采用丹麦托普索传统蒸汽转化工艺（由中国成达工程有限公司据托普索工艺包完成初步设计和详细设计）。年 月 日，一段转化炉（简称一段炉）首次点火，同年 月 日成功打通全系统流程产出液氨，试车投产一次成功。合成氨装置运行期间，通过对一段炉平衡温距、压差及出口气残余甲烷含量等参数的分析，判定一段炉转化催化剂活性降低，不能满足系统满负荷运行需求，需更换转化催化剂；年 月 日，塔石化合成氨装置因保民用天然气停车，借冬季检修机会进行了一段炉转化催化剂及高变催化剂（高变炉出口气 含量已超设计指标，且本炉高变催化剂使用年限长）的更换工作。年春季复工开车中，塔石化在无（附近厂未复工，无法提供 源）的情况下对一段炉转化催化剂和高变催化剂同时进行升温还原，高变催化剂还原初期出现“热波”（特定环境下催化剂床层温度出现波浪形大幅波动）现象，塔石化首次碰到此现象，为避免升温还原期间催化剂超温烧毁而造成巨大的损失，确保催化剂的长久运行，塔石化及时采取了应对措施。以下对有关情况作一介绍，供业内参考。一段炉催化剂及高变催化剂升温还原要求 年春季，正值新冠疫情爆发初期，塔石化接到春耕用肥（尿素）任务需重启合成氨装置，全员蹲守在厂里，进行开车前的各项工作。本次一段炉催化剂和高变催化剂升温还原工作的难点有三：一是，正常情况下还原过程中还原气中应添加 的（由附近厂引入），由于附近厂未复工，无 源，这是最大的难点；二是，高变炉装填完催化剂后，受系统开车进度要求的限制，没有时间进行系统的吹灰工作；三是，本次开车，主控人员有许多新手。.一段炉催化剂还原要求.一段炉催化剂还原的目的转化催化剂产品是以氧化态形式提供的，而转化反应中氧化态的 是没有活性的，因此，第 期 年 月中 氮 肥 .DOI:10.16612/ki.issn1004-9932.2023.02.012须把催化剂中的 还原为活性的金属。还原的主要反应为 =、=，这两个反应的热效应均较小，反应前后物料体积无变化，还原压力对反应平衡无影响，对反应速率的影响亦不明显，还原反应受温度和气体浓度的影响较大。此外，还原操作的另一重要目的是脱除转化催化剂中含有的少量硫化物等毒物，以使催化剂的活性在使用中得以充分发挥。.一段炉催化剂还原操作当蒸汽升温温度达到要求、原料气硫含量合格后，开始按如下步骤进行一段炉催化剂的还原工作。（）一段炉工艺蒸汽流量（）增加至 ，高变炉出口压力（）提高至.。（）原料气管线导淋排水后关闭，复位原料 气 入 系 统 管 线 上 的 电 磁 阀（、），由原料气入系统控制阀（）调控送一段炉原料气量。（）控制，原料气按 （标态，下文无特别说明处均指标态）加负荷至，转化催化剂应表现出初期活性，即可观察到床温下降、吸热反应发生，为防止转化催化剂床层温度下降，此时应注意调整一段炉燃烧天然气的负荷：提高鼓风机转速，增大炉顶烧嘴的进风量；增点（燃）顶部烧嘴，保持一段炉出口气温度为 ；注意一段炉炉膛压力（）与炉膛送风压力（），相应进行手动调整，保证炉膛负压及风道压力。（）增加一段炉原料气气量时，应相应减少高变炉入口放空阀（）的放空量，保证系统运行稳定。（）导入原料气后，需密切注意，防止高变炉急剧升温，如果高变炉温升剧烈 升温速率超过 ，系统应作调整，可增大水碳比以遏制高变炉温度的急剧上升。（）注意对流空气盘管温度（），及时加大保护蒸汽流量（），防止 超标。（）以 的加量提升原料气流量，原料气的增加，任何时候都应保持小增量的速率，如 增加的负荷，并在一段时间内保持稳定，此时水碳比为（）:。（）现场巡检、观察一段炉炉管颜色，每隔 记录 次有无红斑、变形等异常情况。.还原终点的判断随着转化催化剂的还原，蒸汽转化反应逐渐进行，转化管出口气中 含量也随之降低，化验人员每隔 检测转化管出口气 含量，当 含量降至接近.时，表明转化催化剂即将还原完毕；当转化管出口气中 含量已稳定在一低值时（此时间段是从原料气水碳比为 开始到测量到转化管出口气中 含量降至某稳定值），需继续稳定 左右。.高变催化剂的还原及放硫高变催化剂的还原与一段炉催化剂还原同时进行，高变催化剂还原完成后，配空气过程中需对高变催化剂进行放硫：系统负荷，原料气水碳比.，控制系统背压在.左右，放硫初期控制高变炉进口气温度为 、注意保持高变炉出口气温度不超过；放硫后期将高变炉入口气温度提高至 并增加蒸汽流量，以利高变催化剂完全脱硫；判断放硫基本结束后，将高变炉入口气温度降至；对高变炉出口气硫含量连续进行 次测定，如高变炉出口气硫含量.，再稳定 无变化，确认放硫结束。一段炉及高变炉催化剂同时升温还原简况（）由于新冠疫情，附近厂未复工，无法提供本次一段炉催化剂升温还原的 源，塔石化为避免转化催化剂硫中毒（塔石化原料天然气中硫含量少），将无 操作时间缩短。（）转化催化剂还原阶段蒸汽流量为设计值的 以上，还原前期原料气水碳比控制在，后随着原料气量的逐渐增加，逐渐增加烧嘴投用数量将原料气水碳比控制在（），塔石化为保证转化催化剂的长久运行，转化催化剂还原阶段原料气水碳比控制在上限操作，即水碳比控制在 以上，实际上一般控制在 。（）本次转化催化剂还原主期，原料气水碳比一直控制在（）之间，且将原料气流量逐渐增至设计值的，还原 后，化验室人员取样时联系室内操作人员记录下当时的生产数据。第 期王爱民：合成氨装置转化催化剂及高变催化剂升温还原小结 （）转化催化剂还原的同时伴随着强吸热的转化反应，此时转化管管壁温度会发生变化，管壁温度趋于稳定分布是判断还原操作基本完成的表征之一，这也是新来主控人员认真学习与见识的一次机会。（）一段炉催化剂床层温度达到 以上时，由于催化剂床层温差较大，进行.的烧嘴重新调节，将温差控制在指标内，之后着手开始配原料气，此时床层温度在 以上、高变炉入口气温度约 。（）配原料气.后，一段炉催化剂床层温度上涨缓慢，后.因现场外操点火人员多，一段炉床层温度快速达到，升温速率稍快；一段炉配原料气 内，高变炉催化剂床层温度变化较快，高变炉内出现“热波”现象（高变催化剂厂家人员要求任何时候高变炉内温度不能超过 ），此种情况操作人员也是第一次碰到，当时及时采取了措施将高变炉温度控制住了。高变炉内“热波”现象趋于稳定后，一段炉和高变炉催化剂继续按照预定方案进行升温还原，之后，没有发生大的操作事故。（）塔石化原料天然气中硫含量少，按高变催化剂厂家人员的要求，将高变炉入口气温度提至、出口气温度控制在，前后两次测量高变炉出口气硫含量均为，塔石化还是按照高变催化剂厂家要求稳定 后才进行下一步的工作。“热波”现象应对措施及原因分析塔石化高变催化剂的升温还原与一段炉转化催化剂还原同时进行，当时的生产状况为：一段炉催化剂床层温度在 以上，高变炉入口气温度约 ；配原料气.后，高变炉催化剂床层温度发生变化，“热波”现象出现，一段炉催化剂床层温度快速达到 以上，且升温速率快，造成高变炉催化剂床层温度变化较快，出现“热波”现象时催化剂床层温差也大，高变炉出口气温度最高达到。此种现象在高变炉更换催化剂后升温还原过程中首次碰到，之前系统原始开车和以往更换高变催化剂后升温还原过程中“热波”现象不明显，在高变炉温度第一个点快速上涨的时候，现场人员及时采取了熄灭一段炉部分烧嘴（三排共 个烧嘴）、提原料气水碳比至 以上的操作方式，之后将一段炉催化剂床层温度控制在 之间共，以稳定高变炉入口气温度。高变催化剂升温还原过程中床层温度变化情况见表。表 高变催化剂升温还原过程中床层温度变化情况时 间负荷 一段炉出口气温度 高变炉入口气温度 高变炉出口气温度：综合分析认为，高变炉产生“热波”现象的主要原因有二：一是一段炉催化剂床层温度上涨较快，二是原料气水气比低。具体而言是因现场操作人员较多，点火速度快，一段炉配原料气后一段炉催化剂床层温度上升过快，造成高变炉入口气温度也上升过快，高变催化剂在还原过程中出现较大的温升而造成 稳定相发生变化，从而产生了“热波”现象。本炉一段转化催化剂的运行情况 年春季本炉一段转化催化剂升温还原完成后投入运行，至 年 月 日合成氨装置因保民用天然气停车前，一直是满负荷运行，通过对转化催化剂床层平衡温距、一段炉出口气残余甲烷含量、一段炉压差等参数的分析，对本炉转化催化剂的活性进行判断。.一段炉催化剂床层平衡温距一段炉催化剂床层平衡温距设计值一般在 ，若平衡温距超过 ，表明转化催化剂使用寿命已至后期。通过对 年一段炉催化剂床层平衡温距（如表）进行分析，转化催化剂活性良好。表 一段炉催化剂床层平衡温距时 间一段炉出口气温度 催化剂床层平衡温距 一段炉出口气压力（）.中 氮 肥第 期.一段炉压差及出口气残余甲烷含量一段炉催化剂床层平衡温距可以很好地反映转化催化剂的活性，但工业生产中一段炉转化反应受诸多干扰因素的影响，比如原料气水碳比 温度 压力的控制、仪表传输方面的显示误差、气体组分分析误差等，故单纯以一段炉催化剂床层平衡温距评价转化催化剂的活性很不科学，主要还需从一段炉压差及出口气残余甲烷含量进行分析。合成氨装置正常运行期间，一段炉转化催化剂更换前后（转化催化剂于 年 月更换）有关运行数据的对比见表。可以看出，转化催化剂更换后，一段炉压差及出口气甲烷含量有了明显降低，进一步表明一段炉催化剂活性良好。表 一段炉转化催化剂更换前后有关运行数据的对比时 间系统负荷 一段炉出口气温度 一段炉压差 一段炉出口气甲烷含量（摩尔分数）.一段炉转化催化剂的保护措施（）正常操作中一段炉转化催化剂活性组分是还原态的，故在操作及停车过程中转化催化剂切勿与过量的氧化性气体接触，以防转化催化剂剧烈氧化而引起催化剂床层严重超温；短期停车时，须把握一个原则，先切断一段炉二段空气、原料气，熄灭部分烧嘴，最后切断蒸汽。（）开停车过程中应注意控制一段炉升温降温速率，事故状态下应确保一段炉不发生超温现象，否则势必会缩短转化催化剂的使用寿命。（）为充分发挥一段炉转化催化剂的效能，延长其使用寿命，转化催化剂在高温下应避免长期与过量的水蒸气接触，此高温区间一般泛指 之间。（）加强原料气中油水的排放（塔石化原料天然气中出现过含蜡的现象），尤其是在冬季，以免转化催化剂活性降低、使用寿命缩短。（）转化催化剂一旦出现不可逆的中毒现象，会致催化剂活性下降、使用寿命缩短，因此转化催化剂的保护还应避免催化剂中毒。结束语笔者从事化工生产多年来，塔石化合成氨装置原始开车期间，同样进行一段炉、二段炉和高变炉催化剂的同时升温还原操作，高变催化剂升温还原期间未出现过“热波”现象，本次升温还原中第一次看到高变催化剂出现“热波”现象，分析其原因在于，一段炉配原料气初期没有很好地控制转化催化剂床层升温速率，造成高变催化剂升温还原初期尤其是在 附近产生了“热波”现象。因此，转化催化剂还原期间系统升温速率一定要控制好，这对于催化剂的保护至关重要。一段炉是气头合成氨装置的核心设备