史元璋
（山西丰喜华瑞煤化工有限公司，山西 新绛043100）
［摘 要］氨合成塔内件使用环境严苛，其设计制作及运行维护尤为重要。简介合成氨生产特点及氨合成塔的基本结构，结合某180 kt/a合成氨装置氨合成塔冷激型内件（采用三轴一径冷激结构，内件材质为0Cr18Ni9）运行至第10年时的故障案例——第二层、第三层氨合成催化剂床层同平面温差日益加大（加负荷过程中尤为明显），检修发现冷激气分布器丝网损坏致催化剂进入了分布器内，基于氢对碳钢的腐蚀、对比几种不锈钢材料（304、30408、321）的性质以及铁素体不锈钢/304奥氏体不锈钢之475 ℃脆性进行原因分析，认为造成氨合成塔内件冷激气分布器丝网破裂的原因为304奥氏体不锈钢中含有较多的铁素体以及铁素体不锈钢之475 ℃脆性。并提出冷激型氨合成塔内件选材注意事项及相应的预防措施。
［关键词］冷激型氨合成塔内件；故障案例；原因分析；不锈钢材料性质；475 ℃脆性；选材注意事项；预防措施
［中图分类号］TQ113.26+6.5 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2022）06-0030-04
0 引 言
氨合成塔是合成氨装置的核心设备之一，直接决定着合成氨装置的生产能力与效能，保障其安全稳定运行一直是合成氨企业生产管理的重要工作。
氨合成塔由外筒和内件两部分组成，内件置于外筒之中，运行在高温、高压、高氢的环境下，生产条件较为苛刻，其受系统波动的影响较大。氨合成塔内件一旦发生故障，一般很难在第一时间作出准确判断并找到症结所在，往往需系统停车进行检修以处理问题，同时还需对氨合成催化剂进行处理或更换，无论是检修工作量，还是时间上费用上都是巨大的，因此，氨合成塔内件的设计制作及运行维护尤为重要，需对内件材料选用以及内件的使用、故障以及故障原因与预防措施有一个全面的认识，同时要加强氨合成系统生产的稳定性管理，避免系统内大幅度的温度及压力变化，切实维护好氨合成塔内件的使用环境，保障内件不受损坏，这样才能为氨合成系统的安全、稳定、长周期运行奠定良好的基础。
1 合成氨生产特点及氨合成塔结构简介
1.1 合成氨生产的特点
合成氨工业生产中，氨是由氢气、氮气在高温、高压和催化剂存在的条件下合成的（N2+3H2===2NH3），这是一个可逆的、具有反应平衡且需使用催化剂的放热反应。氨合成催化剂需在一定的温度下才能起到催化作用，不同厂家、不同规格催化剂的催化温度不同。目前，国内大部分的氨合成催化剂在350 ℃左右就开始有催化作用（习称催化剂活性），生产中催化剂的工作温度一般控制在450～510 ℃之间，温度过低氨合成催化剂的活性差，温度过高则影响设备的安全运行，且会抑制氨合成反应的进行、加快催化剂的老化。生产操作中将氨合成催化剂床层温度作为主要的工艺指标进行调控，为防止及判断工艺气在催化剂床层中是否存有偏流现象（气体偏流严重的地方，氨合成反应强烈而放热多，催化剂床层温度偏高），需对处于同一平面的床层温度进行监测与控制。
1.2 氨合成塔的基本结构
为满足氨合成反应需在高温高压下进行的条件，同时也为了降低设备制造费用，氨合成塔由内件与外筒两部分组成——外筒主要承受反应所需的高压，内件（置于外筒之内）主要承受反应产生的高温以及较低的压差。内件既是氢气与氮气反应生成氨的容器，也是盛装反应所需催化剂的容器，内件外表面设有保温层，以减少内件向外筒传热。工艺设计中，会让系统内一部分气体（俗称一进气，温度较低，一般为40～50 ℃）进入氨合成塔内，经过内件与外筒之间的环隙，将承受高温的内件散发出的热量带走，防止外筒温度过高。
氨合成塔外筒主要承受高压不承受高温，因而可用普通低合金钢或优质低碳钢制作，正常生产情况下其使用寿命可达40～50 a。内件虽然在450～510 ℃左右的高温下运行，但因其内外的压力均较高，内件实际上只承受环隙气流与内件内气流之间的压差（一般不大于1.0 MPa），因而对内件的壁厚要求可降低；为防止高温高压下氢气、氮气对碳钢的腐蚀，内件一般用低碳合金钢制作——目前国内多用奥氏体不锈钢制作，如304（0Cr18Ni9）。由于长时间在高温、高氢的环境中工作，氨合成塔内件的使用寿命通常比外筒要短得多，一般在10～15 a。内件一般由催化剂筐、热交换器、电加热器3个主要部件组成，但因内件生产厂家设计理念的不同，其结构也不尽相同——也有的内件无塔内的换热器或使用较小的换热器，以获得较高的氨合成塔出口气温度，进而利用氨合成塔出口气的热能；在大型装置中也有以塔外加热器替代塔内电加热器的，其目的主要是提高氨合成塔内件的有效容积以装填更多的催化剂。
由于氢气、氮气合成氨的反应是一个具有反应平衡且放热的催化反应，在这个过程中，气体中的氨含量及催化剂的温度逐步升高，而氨合成催化剂有一个最佳的催化温度区间。实际生产中，对氨合成催化剂床层温度的调整和控制手段主要有换热、冷激两种，这也是氨合成塔内件结构方面的两大技术流派，两种结构各有优缺点。其中，冷激型氨合成塔内件是将温度及氨含量较低尚没有进行反应的工艺气通过冷激气分布器充分与反应后温度及氨含量均较高的气体混合换热，将气体温度提高至氨合成催化剂活性温度后进入下一层催化剂中进行氨合成反应。冷激气分布器位于催化剂床层中间，是一个外部包裹着丝网的中空环形结构——中空结构便于冷、热气体的充分混合换热，以及混合后的气体可以均匀地到达各个位置的催化剂中；外部丝网的作用是隔绝催化剂，防止催化剂进入冷激气分布器中而影响气体的均匀分布。
2 冷激型氨合成塔内件故障案例
某企业180 kt/a合成氨装置（实际合成氨产能可达200 kt/a）的DN1800氨合成塔内件采用三轴一径冷激结构，内件材质为0Cr18Ni9；设计塔压差≤1.0 MPa，实际塔压差0.75 MPa；催化剂容积为31.5 m3，氨合成催化剂床层同平面温差设计小于10 ℃，实际生产中同平面温差也小于10 ℃，一直运行正常。180 kt/a合成氨装置运行至第10年时（期间2012年更换过一次氨合成催化剂，经检查内件完好），操作人员发现，第二层、第三层氨合成催化剂床层同平面温差有加大的趋势，在加负荷过程中尤为明显，而且随着时间的推移，此温差越来越明显。
初步分析认为，氨合成催化剂床层同平面温差大的原因是气体偏流，即冷激气分布器不能均匀地分布气体，有较多气体的催化剂处反应剧烈，其温度就高，有较少气体的催化剂处反应较为平和，其温度就低，从而造成催化剂床层同平面温度高低不一。
更多内容详见《中氮肥》2022年第6期