氨合成塔内件和催化剂更新及运行总结
郭金森
［福建三钢（集团）三明化工有限责任公司，福建 三明 365000］
［摘 要］ 介绍ⅢJD-2000冷管型内件的结构特点、氨合成塔内气体流程及催化剂的装填与升温还原，总结φ1 600 mm氨合成塔更新内件和催化剂后的运行情况，并对投产初期合成塔阻力较高、床层同平面温差大的问题进行分析和处理，经优化调整后，系统运行平稳，达到了预期的效果。
［关键词］ 氨合成塔；ⅢJD-2000冷管型内件；催化剂；合成塔阻力；床层同平面温差；操作优化
［中图分类号］ TQ 113.26+6.5 ［文献标志码］ B ［文章编号］ 1004-9932（2017）02-0030-02
福建三钢（集团）三明化工有限责任公司4#氨合成系统于2004年建成投产，氨合成塔采用湖南安淳高新技术有限公司的ⅢJDφ1 600 mm内件，催化剂床层分为两轴两径，设计压力≤31.38 MPa，年产合成氨170 kt。氨合成系统前期运行过程中，空速15 000～16 000 h-1，塔阻力0.55～0.62 MPa，产量21～23 t/h；一、二床热点温度（460±5） ℃，三床热点温度455～475 ℃。原内件设计运行周期8 a，至2015年服役已超过10 a。2016年3月系统大修期间，对4#φ1 600 mm氨合成塔系统进行改造，更换了氨合成塔内件和催化剂，2016年4月氨合成系统开车运行。
1 合成塔内件简介
1.1 内件选型
目前国内氨合成塔内件种类较多，按其结构形式可分为冷管型、冷激型、段间换热型和混合型等；按气体流向可分为轴向型、径向型和轴径向型等。考虑到之前氨合成塔运行情况较好，于是确定本次改造只更换内件，塔外配套流程不变；因冷管型内件比较适合日产580 t以下的合成塔，具有催化剂床层温度分布较能接近最佳操作温度线和操作稳定的特点，故决定采用ⅢJD-2000冷管型内件。
ⅢJD-2000型φ1 600 mm氨合成塔内件由1套直形异径径向冷管束、2台气体混合分布器和1个支架套筒组成，将催化剂床层分成两轴两径，4个绝热段，1个内冷段；内件净高16 m；催化剂容积19.3 m3；径向段占整个催化剂床层的80%。采用分流工艺，床层上下直通，催化剂可以自卸。
1.2 塔内气体流程
透平机来的循环气分为4股进塔。一股约30%的气体直接进入段间冷却器（冷管束）。这股气体由两部分组成：一部分冷气通过冷副阀由塔下部进入氨合成塔外筒与内件间的环隙，由下而上，在塔顶部引出；另一部分是塔外热交换器加热的未反应冷气，该冷气通过热副阀后与环隙气在塔顶混合，后经冷管阀进入段间冷却器（冷管束）。
另一股约62%的、由塔外热交换热器加热到170～185 ℃的未反应冷气，进入塔下部换热器管内，气体加热到360～380 ℃，经中心管进入上绝热层（一床）反应。段间冷却器出来的气体，与上绝热层反应的高温气体（490 ℃）在气体混合器内混合，进入第二轴向绝热层（二床）。出第二轴向绝热层的热气与层间冷激来冷气通过分气筒进入塔中部第一径向层（三床），再经段间冷却器径向流过第一径向层。从第一径向层出来的气体，沿第一径向层与内筒的环隙向下，沿圆周方向径向经过第二径向层（四床），流经塔下部换热器外壳进入换热器管间，由上而下折流出塔，然后去废锅。
另外2股约8%的冷气作为调节床层温度用气直接入塔。其中，零米冷激气进入第一轴向层，层间冷激气进入第一径向层。
2 催化剂装填及升温还原
氨合成塔采用TA201-2型氧化态铁、钴双活性组分的低温催化剂（粒度分别为3.3～4.7 mm和4.7～6.7 mm）。装填采用分床装填法，催化剂均由塔顶通过帆布管倒入塔内。为确保装填质量，保证催化剂装填紧密、分布均匀，除了第一、二床层装有冷管束无法入塔作业外，第三、四床层催化剂装填均安排人员入塔用振动泵振实，每装填1.7～2 t催化剂，下塔用振动棒振动催化剂表面6～8个点（振动棒插入深度约40 cm），每点振动约10 s，再予以耙平。催化剂装填容积19.3 m3，装填重量57.05 t。
催化剂升温还原采用分层还原法，分为四步进行，即升温期、上层还原期、中层还原期和下层还原期。升温期，系统压力控制在5.0 MPa左右，升温速率≤40 ℃/h；上层还原期，据升温期还原曲线图在一定时间内将第二轴向层以下催化剂层温度控制在380 ℃以下，第一径向层以下催化剂层温度控制在330 ℃以下；中层还原期和下层还原期，以调节水汽浓度为主，控制各点升温速率。升温还原共耗时162 h，全塔热点温度约500 ℃，最低点温度496 ℃，水汽浓度连续4 h不大于0.2 g/m3，催化剂升温还原结束。
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