郭江坤
（陕西兴化集团有限责任公司，陕西 兴平713100）
［摘 要］ 陕西兴化集团有限责任公司始建于上世纪60年代末的合成氨装置2001年完成“气代油”的工艺转换后，针对天然气水蒸气换热式转化系统（天然气两段纯氧换热式转化工艺）实际生产中暴露出的问题，多年来通过逐步实施二段炉改造、一段炉增效扩能技改、降低加热炉燃料气消耗改造、催化剂抽卸系统优化改造、二段炉氧气管网优化改造等系统工艺和设备的技术创新和节能降耗技改，不仅达到了节能降耗、提产增效的目的，而且使得天然气两段纯氧换热式转化工艺在应用中得到不断完善，并在我国甲醇、制氢、合成氨、焦炉气回收等领域得到广泛地推广应用。
［关键词］ 合成氨装置；换热式转化工艺；转化炉；烧嘴；燃料气；催化剂；氧气管网；优化改造
［中图分类号］ TQ113.26+4［文献标志码］ B［文章编号］ 1004-9932（2018）05-0029-05
1 概 述
陕西兴化集团有限责任公司（简称陕西兴化）合成氨装置始建于上世纪60年代末，是我国引进的第一套采用重油裂解制气工艺技术的合成氨装置。上世纪90年代，由于原料重油紧缺，陕西兴化借助西安到宝鸡天然气管线改造机会进行了合成氨装置原料线路的技改，将原料由重油改为了天然气；2001年4月17日，由中国成达工程有限公司总承包（EPC）的天然气两段纯氧换热式转化工艺系统一次点火开车成功，顺利完成了合成氨装置以“气代油”的工艺转换过程，换热式转化炉设计生产能力为2×75 kt/a合成氨，此后经过多年的综合技术改造，系统工艺和设备不断得到优化，产能不断提升，目前天然气水蒸气换热式转化工艺合成氨装置的生产能力已达250 kt/a，稀硝酸、硝酸铵、浓硝酸、硝基复合肥产能分别达到630 kt/a、800 kt/a、100 kt/a、300 kt/a，主导产品——硝酸铵更是连续5 a国内市场产销量第一，国内市场占有率达15%以上，陕西兴化成为一家国有大型化工化肥骨干生产企业。以下就陕西兴化合成氨装置天然气水蒸气换热式转化工艺多年来在系统工艺和设备方面开展的技术创新和节能降耗技改作一总结。
2 换热式转化工艺简介
目前陕西兴化合成氨装置以天然气为原料，采用两段纯氧换热式转化工艺，一段转化炉（简称一段炉）采用换热式转化炉，二段转化炉（简称二段炉）为加纯氧的蒸汽转化，以制取合成氨生产所需的H2。陕西兴化合成氨装置共有2套转化系统，2套系统可单独运行，2套转化系统设计原料气耗量为17 175 m3/h，合成氨产量为20.8 t/h，吨氨原料气耗（包括加热炉燃料气消耗）825 m3，设计合成氨产能2×75 kt/a（装置年运行时间按300 d计）。
换热式转化也是采用两段转化（见图1），天然气的一段转化由加压蒸汽转化的一段炉改为换热式一段炉，一段转化所需的反应热由二段转化出口的高温气提供，不再由燃烧燃料天然气的方式提供；一段炉出口半转化气进入二段炉后与适量的氧气混合进行部分燃烧反应，所产生的热量供一段转化气中的甲烷进行深度转化。换热式转化工艺可根据转化气的质量要求确定二段炉纯氧的加入量，使系统内部产生高热量，将烃类转化更加深度化。
在镍催化剂的作用下，换热式转化系统主要发生如下反应：① 一段炉CH４+2H2O→CO2+4H2、CH４+H2O→CO+3H2、CnHm+nH2O→nCO+（n+0.5m）H2、CO+H2O→CO2+H2；② 二段炉内上层（燃烧反应）2H2+O2→2H2O、2CO+O2→2CO2、2CH４+O2→2CO+4H2；③ 二段炉催化剂层（转化及变换反应）CH４+H2O→CO+3H2、CO+H2O→CO2+H2、CH４+CO2→2CO+2H2。
陕西兴化合成氨装置转化系统经过多年的运行和优化，其与传统的箱体式转化系统在供热形式上已大不相同。换热式转化新工艺改变了单纯的外部加热模式，利用系统内部自热进行转化，大大降低了燃料天然气的消耗，从而降低合成氨装置的能耗，达到降本增效的目的；而且系统产生的CO在后续变换工序中转换为氨合成所需的H2，产生的CO2通过脱碳系统吸收后再生解吸出高纯度的CO2送往新科食品分厂和联碱分厂生产食品CO2和纯碱，实现了原料附加值的最大化；同时，换热式转化新工艺减少了尾气的排放，烟气热量得到较为充分的回收，环保状况也大为改观。
3 生产运行中暴露出的问题
多年的生产运行中，陕西兴化的两段纯氧换热式转化工艺在应用中不断得到完善，其间经历了不断发现问题、解决问题、再发现问题、再解决问题的过程。生产运行中暴露出的主要问题如下：① 二段炉上部燃烧室局部温度达1 700 ℃以上，炉砖易烧结脱落，二段炉内阻力大；② 系统水碳比设计过低，蒸汽管线设计存在缺陷，造成催化剂析炭；③ 二段炉开工烧嘴设计落后，点火困难，系统开车时间长；④ 原设计产能较小，不能适应企业未来的发展需要；⑤ 加热炉燃料气消耗量较大，能耗较高；⑥ 一段炉催化剂装填和卸出困难；⑦ 二段炉配套氧气压缩机时常自停。
4 转化工艺优化及设备改造
更多内容详见《中氮肥》2018年第5期