刘侃，曹杰
（陕西延长石油兴化化工有限公司，陕西 兴平713100）
［摘 要］陕西延长石油兴化化工有限公司300 kt/a卡萨利低压氨合成系统于2011年11月建成投产，氨合成塔装填TA201-2型催化剂44 m3、TA201-2-H预还原型催化剂9 m3，截至2023年10月本炉氨合成催化剂已使用12 a，系统总体运行稳定，运行负荷范围50%～110%。为进一步考察氨合成系统的运行状况，评估氨合成催化剂使用末期性能及满负荷运行瓶颈，于2023年9月19—21日开展100%负荷标定工作。标定结果表明，系统操作弹性较大，氨合成催化剂活性、稳定性较好，系统产能和产品质量均达到设计指标要求，但受水冷器换热效率下降、氨合成催化剂粉化及氨冷系统负荷限制，系统能耗稍高于设计值。后续更换氨合成催化剂、清洗水冷器、提升循环水水质、调整工艺参数等优化改进措施落实后，系统负荷还可以提升，氨合成系统工况将得以优化，可实现降本增效。
［关键词］卡萨利低压氨合成系统；催化剂使用末期；标定；数据分析；问题诊断；优化改进措施；综合评价
［中图分类号］TQ113.28 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2025）05-0023-05
0 引 言
陕西延长石油兴化化工有限公司（简称陕西兴化）300 kt/a合成氨装置主生产工艺为多元料浆加压气化（3台气化炉，两开一备）、耐硫变换、大连理工低温甲醇洗、中国寰球工程有限公司液氮洗、瑞士卡萨利低压氨合成。其中，氨合成系统三床层轴径向合成塔（直径2.4 m、高度21.59 m，容积53 m3）内件和蒸汽过热器均由卡萨利提供，整套装置由华陆工程科技有限责任公司设计，2011年11月建成投产。本装置氨合成塔装填临朐泰丰环保科技有限公司生产的TA201-2型氨合成催化剂44 m3、TA201-2-H预还原型氨合成催化剂9 m3（TA201-2型氨合成催化剂是在A201/A202型氨合成催化剂基础上进行改进，研发出来的一种使用温区更宽、活性更高的氨合成催化剂；TA201-2-H型氨合成催化剂是TA201-2型氨合成催化剂在专用装置中采用符合催化剂最佳还原工艺条件产出的预还原型氨合成催化剂），截至2023年10月底系统累计运行3 596 d，本炉氨合成催化剂已使用12 a。为进一步考察氨合成系统的运行状况，评估氨合成催化剂使用末期性能及满负荷运行瓶颈，于2023年9月19—21日开展了100%负荷标定工作，重点考察如下问题：① 工艺适应性——氨合成催化剂活性衰减对反应效率的影响；② 设备效能——换热器、压缩机等关键设备的运行状态；③ 能耗——原料气消耗及蒸汽利用效率的量化分析；④ 改进方向——基于系统标定情况提出有针对性的优化改进措施。以下对有关情况作一介绍。
1 氨合成系统工艺流程及关键设备操作指标
新鲜合成气与中压氨分离器来的少量闪蒸气混合后（压力5.0 MPa），由合成气压缩机加压至14.08 MPa（氨合成催化剂使用初期，简称初期）/14.48 MPa（氨合成催化剂使用末期，简称末期）后[原料气温度64.1 ℃（初期）/64.9 ℃（末期）]进入热气-气换热器中，被中压给水预热器出来的合成气加热至179.0 ℃（初期）/179.6 ℃（末期）后送入氨合成塔（用原料气旁路实现温度控制，同时也控制了氨合成塔第三床层入口气温度），H2、N2在铁系催化剂作用下于合成塔内进行氨合成反应，合成塔出口气氨含量20800 4%（体积分数，下同）（初期）/20.500 4%（末期）。第一床层和第二床层进口原料气温度由合成塔内部换热器的旁路来控制，送入合成塔的所有气体均经过全部3个催化剂床层。出塔气经中压蒸汽过热器将4.1 MPa中压蒸汽过热至420 ℃，自身则由443.7 ℃（初期）/441.1 ℃（末期）冷却至407.6 ℃（初期）/405.4 ℃（末期），接着进入中压蒸汽发生器副产压力约4.1 MPa的中压蒸汽，出塔气被冷却至266.3 ℃（初期）/265.9 ℃（末期）；然后，出塔气进入中压给水预热器将锅炉给水由132 ℃预热至248.0 ℃，自身进一步冷却至223.2 ℃（初期）/223.4 ℃（末期），再进入热气-气换热器管侧加热合成塔进料气，自身被冷却至99.9 ℃（初期）/100.4 ℃（末期）。从热气-气换热器来的出塔气进入水冷器，经水冷器进一步冷却至40 ℃。出水冷器的工艺气送到冷气-气换热器，与来自高压氨分离器的循环气换热，工艺气中的氨继续冷凝下来。出冷气-气换热器的工艺气温度约30.4 ℃（初期）/30.2 ℃（末期），送到一级氨冷器，通过氨冷冻系统送来的液氨蒸发吸热，工艺气进一步降温至14 ℃，最后在二级氨冷器中通过液氨蒸发吸热最终被冷却至-7 ℃。
液氨在高压氨分离器中分离，其顶部分离出的循环气送至冷气-气换热器加热，然后送至合成气压缩机循环段入口，分离出的液氨则进入中压氨分离器中减压至5.20 MPa；出中压氨分离器的气体返回合成气压缩机新鲜气段入口，中压氨分离器分离出的液氨则进入低压氨分离器中闪蒸至1.58 MPa；出低压氨分离器的闪蒸气送氨收集罐回收氨，分离出的产品液氨分为两股，一股约25%的产品液氨送氨收集罐后再送至氨冷冻系统生产冷氨，剩余约75%产品液氨送往氨加热器回收部分冷量后（压力1.5 MPa、温度20 ℃）送至界外最终用户（碱厂、甲胺装置、硝铵装置、硝酸装置及液氨主管）。
关键设备设计工艺参数：合成塔设计操作压力14.40 MPa、操作温度165～520 ℃，氨压机（C1821，一开无备）设计转速13 200 r/min、气氨蒸发量48 000 m3/h（标态，下同），水冷器设计出口气温度40 ℃。
2 氨合成系统生产概况及标定目标
2011年11月陕西兴化氨合成系统投产，系统总体运行稳定，最低负荷50%、最高负荷110%，可生产出符合《液体无水氨》（GB/T 536—2017）[对应旧国标为《液体无水氨》（GB/T 536—1988）]要求的无水液氨，并副产合格的4.1 MPa过热蒸汽。本次标定过程旨在考察本炉氨合成催化剂使用（寿命）后期的生产情况，暴露系统存在的问题，并结合实际生产数据对系统的处理能力、设备运行状况、系统能耗、物料与产品质量等进行深入分析，以期发现影响系统运行效能的关键因素，在此基础上提出有针对性的优化措施，以提升系统的运行效率与稳定性，实现降本增效与产品质量提升。
3 氨合成系统标定与数据分析
3.1 原料气性质
本次标定使用的原料气为经变换、低温甲醇洗、液氮洗系统净化合格的工艺气，标定期间原料气相关参数与设计值的对比见表1。可以看到，标定期间原料气相关参数符合设计要求，原料气杂质（气体）含量显著低于设计限值，这为提高氨合成反应效率和氨产量、降低氨合成系统压力和消耗提供了保障。
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