王爱民
（中国石油独山子石化塔里木石化分公司，新疆 库尔勒841000）
［摘 要］中国石油独山子石化塔里木石化分公司450 kt/a合成氨装置采用丹麦托普索传统蒸汽转化工艺，当高变催化剂失活后，系统将被迫提前进行检修更换催化剂。结合实际生产情况及过往生产经验等，分析与探讨影响高变催化剂使用寿命的因素，结合几个高变催化剂典型失活（或活性下降）案例（硅迁移致高变催化剂失活、水中毒致高变催化剂失活、高变炉床层压差高致催化剂活性下降、热波现象致高变催化剂活性下降），梳理事故现象、问题判断及采取的应对措施，总结生产经验，就延长高变催化剂使用寿命提出一系列运行维护等方面的建议。
［关键词］气头合成氨装置；高变催化剂；使用寿命；影响因素；失活案例分析；应对措施；使用建议
［中图分类号］TQ113.26+4.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）02-0027-04
0 引 言
中国石油独山子石化塔里木石化分公司（简称塔石化）450 kt/a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），2010年3月24日一段转化炉（简称一段炉）首次点火，2010年5月5日合成氨装置成功打通全流程产出液氨，试车投产一次成功。近年来，为了节能减排、提质增效，合成氨企业日益重视工艺参数的优化，而催化剂的性能直接影响着气头合成氨装置转化系统、变换系统、甲烷化系统、氨合成系统的效能，实际生产中，由于催化剂参与了一系列催化反应，会发生一些不可逆的物理和化学变化，影响其催化性能，最终会因失活而不能继续使用。以下结合塔石化合成氨装置的实际生产情况及笔者过往的生产经验等，就高变催化剂使用寿命影响因素进行分析与探讨，并通过高变催化剂典型失活（或活性下降）案例梳理事故现象、问题判断及采取的应对措施，总结生产经验，供业内参考。
1 高变催化剂使用寿命影响因素
1.1 高变炉与高变催化剂简介
高变炉是承接气头合成氨装置转化系统与净化系统的关键设备之一，转化气中含有较多CO，但后端反应不仅不需要CO，而且CO对于氨合成催化剂而言属于毒物，工艺上需通过高温变换、低温变换反应将CO转化为CO2。高温有利于提高CO变换反应速度，但低温有利于CO2的生成，故其操作温度需精确可靠控制；降低反应温度和增大水蒸气用量可以提高CO变换率，然而随着变换率的增大物系温度也升高，变换反应的最佳反应温度主要取决于催化剂的活性与工艺气成分。
塔石化合成氨装置高变炉所用催化剂型号为NB113-1，规格φ6 mm×（5～6） mm，为黑褐色圆柱体；催化剂成分中，Fe2O3为主催化剂（Fe2O3含量≥75%）、Cr2O3为助催化剂，还含少量CuO及其他助剂；高变催化剂设计使用寿命为3～5 a，装填时处于氧化态。
1.2 高变催化剂使用寿命影响因素
工业上催化剂活性常常通过其出口气的平衡温距来评估，所谓平衡温距，是指反应器出口温度与相应出口气组成的平衡温度之差；平衡温距往往可以用来反映催化剂的活性，变换反应平衡温距的理论优化范围为5～10 ℃（托普索公司提供）。
据塔石化生产数据来看，其高变催化剂更换一般都是床层压差高所致（床层压差高也是高变炉需更换催化剂的主要指征之一）。高变催化剂失效原因一般有两种：一种是化学中毒，即毒物与高变催化剂反应造成其活性降低或丧失；另一种是物理堵塞，部分高变催化剂粉化或上游气体带来的沉积物积聚在催化剂上，不仅阻碍反应物与催化剂接触，而且使高变炉阻力降增大到系统不能维持正常运转，即高变催化剂更换大多是因为高变炉压差增大。一般高变催化剂使用寿命在3～5 a，当然了，操作管理与运行维护水平等对高变催化剂的更换周期也有较大影响。
1.2.1 高变炉出口气CO含量及变换率
塔石化高变炉出口气CO含量控制在3%～4%，高变炉出口气CO含量一直保持在许可范围内，当高变炉出口气CO含量逐渐升高，意味着CO变换率在下降，表明高变催化剂活性在逐渐降低。
1.2.2 高变炉床层压差
高变炉床层压差的变化可定性描述高变催化剂活性与床层阻力变化的趋势。高变催化剂内部小孔物理堵塞会造成其活性下降，系统阻力的变化可反映其内部小孔物理堵塞的程度，随着高变催化剂使用时间的延长，高变炉床层压差会逐渐增大，甚至会在某个时间段出现超标，危及系统的稳定运行。
高变催化剂床层出现堵塞，一般有两方面的原因：一是工艺气中夹带着“灰尘”一类的固体颗粒，如上游转化催化剂粉化等；二是上游转化系统温度较高，固体挥发物进入转化气中（如下文所述的硅迁移），其在工艺气温度下降时沉积到高变催化剂床层或传热表面上，造成高变炉床层压差增大继而影响系统的稳定运行，严重时不得不更换高变催化剂。
1.2.3 催化剂床层热点温度
高变炉催化剂床层热点温度是重要的操作指标，床层热点位移与否及移动速度可以用来判断催化剂床层的活性状况。一般高变炉第一层催化剂基本上没有显示出活性，这是因为第一层主要装填的是氧化铝瓷球（高变炉内均装填一部分氧化铝瓷球覆盖在最上面的催化剂层上，以避免或减少气体的直接冲刷及高温影响），并且高变催化剂在还原后体积会缩小，床层会下沉，随着催化剂使用时间的延长，其活性会逐渐降低，生产中主要通过调整水气比及逐渐提高入口气温度予以调节；据床层热点温度下移及整体床层温升变化情况，就可以判断催化剂的活性状况，这也是判断高变催化剂是否需要更换的条件之一。
1.3 高变催化剂使用后期对系统的影响
高变催化剂使用后期，高变炉床层压差高，催化剂活性下降严重，高变炉出口气CO含量上涨，低变炉及甲烷化炉有超温的危险；高变炉床层压差持续上涨，会使转化系统二段转化炉空气加入困难，空气压缩机功耗增大，会引发系统被迫降负荷等风险；高变炉床层压差高，会使氨产量下降，吨氨生产成本大幅增加，严重时只能更换高变催化剂，导致合成氨装置及下游尿素装置提前进入大修。
2 典型失活（或活性下降）案例及应对措施
更多内容详见《中氮肥》2024年第2期