董进礼

（中国石油天然气股份有限公司宁夏石化分公司，宁夏银川，750026）

摘要：介绍宁夏石化分公司第二套合成氨装置技术改造过程。以及取得的成果。

    关键词：合成氨装置  原厂  恢复设计  试车及试生产  技改  扩能改造

1. 概况

宁夏石化分公司第二套合成氨装置是从加拿大引进的日产907t合成氨二手设备，是上世纪60年代末美国凯洛格公司（Kellogg）采用ICI技术设计的第一、二代工厂。装置以天然气为原料，其流程是原料气经活性碳初脱硫；钴钼触媒及氧化锌精脱硫；一、二段转化；高、低温变换；莎菲诺（Suifnol）脱碳；甲烷化精制；最后在Kellogg合成塔中合成为氨。装置在原加拿大拉姆顿厂曾进行过一些节能技术改造，在宁夏石化分公司恢复设计时又进行了四项节能技术改造，根据试车及试生产曝露出的具体问题，宁夏石化分公司对其进行了多项技术改造。2005年进行了扩能改造，根据扩能改造后出现的问题又进行了多项技术改造。

2. 在原加拿大拉姆顿厂完成的节能技术改造项目

    在原厂完成的节能技术改造项目，一是将原设计336根φ内2.8"（71mm）转化管，分8排布置，每排42根，后经技术改造，更换为φ内3.35"（85.1mm）的薄壁管，炉管材质也由原来的HK－40改为HP－50；二是在对流段增加了20个蒸汽过热烧嘴，三是引风机扩能改造；四是增加深冷氢回收装置。

3. 在宁夏石化分公司恢复设计时完成的技术改造项目

在宁夏石化分公司恢复设计时完成的节能技术改造，一是一段转化炉增设热管式燃烧空气预热器，回收烟气余热，将烟气温度从220℃降至130℃，把燃烧空气温度从常温升至120℃左右，相应将180个自吸型烧嘴改为144个强制通风型烧嘴，新增助燃风机供给助燃风，从而可以降低燃料气消耗，将一段炉热效率提高到93％左右，可节能0.66837GJ／tNH₃；二是脱碳改为节能的MDEA溶液脱碳技术后，贫液量可减少20％，相应节省了动力，可减少再生蒸汽16t／h，可节能1.4GJ／tNH₃；三是合成塔改为Casale氨合成塔第二代内件技术，阻力小，氨净值高，在不改造循环段叶轮的条件下可节能0.96GJ／tNH₃；四是增设工艺冷凝液中压蒸汽汽提装置，既避免有害成份对环境的污染，又可回收冷凝液作为锅炉给水，可节能0.016GJ／tNH₃。中控室主体仪表采用功能强、技术先进、可靠性高、操作方便的分散型控制系统（DCS），安全联锁保护系统则由完全独立于DCS系统以外的紧急停车系统（ESD）完成，停车联锁的状态由DCS或辅助操纵台监视。压缩机控制系统采用美国3C公司的带微处理器的智能型控制器控制。这些节能和自动化技术的采用，降低了合成氨综合能耗。同时使装置的运行稳定性、安全可靠性有了质的提高。

4. 在宁夏石化分公司试车及试生产过程中实施的技术改造项目

宁夏石化分公司第二套合成氨装置于1999年8月23日化工投料，仅用38天时间打通了合成氨和尿素全流程，并于9月30日生产出了合格的大颗粒尿素，创造了国内引进二手设备试车一次成功以及试车时间的新记录。

根据试车及试生产曝露出的具体问题，宁夏石化分公司又对其进行了以下技术改造。因国内电的频率低于国外电的频率，由电机拖动的锅炉给水泵（104-JA）新增增速机，以提高泵的转速，增加泵的能力改造；脱碳回流泵(108-J)改造，与改造后的MDEA脱碳工艺溶剂挥发组分少的特点相适应；二段转化炉混合器改型，使工艺气和空气混合均匀，降低二段炉出口甲烷；新增CO₂水冷器110-C₂和氨冷器110-C₃，减少产品CO₂中的水含量，提高二氧化碳压缩机运行稳定性和安全可靠性；表面冷凝器135-JC改造，将换热管由铝合金材质改为铜管材质，以强化传热，提高表面冷凝器真空度；由于国内电的频率低于国外电的频率，将脱碳贫液泵（107-JB）由电机拖动改为汽轮机拖动，以增加泵的能力；脱硫系统改造，取消了原料气压缩机入口的两个活性碳脱硫槽，在钴钼和氧化锌脱硫槽（108-D）出口增加两台并联氧化锌脱硫槽，提高脱硫精度，消除了活性碳硫容低，再生频繁，投用后活碳性湿的碳粉沫堵塞原料气压缩机流道的重大隐患，同时也解决了原108-D单槽运行制约长周期生产的瓶颈；增设以原料气压缩机为循环机，一段转化催化剂、二段转化催化剂、高温变换催化剂、低温变换催化剂冷态氮循环升温流程，避免了冷态开车情况下，蒸汽产生的冷凝水对催化剂浸泡产生粉化，而缩短催化剂寿命的弊病；仪表风压机出口新增干燥器和除油器，提高了仪表风质量，增加了装置的运行稳定性；由第一套合成氨装置空压机出口引一管线至空压机高压缸入口，可使空压机的打气量增加约10%，解决了空压机在高负荷下打气量不足的瓶颈；从第一套合成氨装置引煤锅炉产生的高压蒸汽(10-30t/h)补入第二套合成氨装置高压蒸汽管网，既解决了界区内因汽包产汽量不足，合成气压缩机打气量受汽包产汽量制约的瓶颈，又达到了节能降耗的目的。

这些技术改造项目实施后，消除了装置瓶颈，提高了装置的稳定性和可靠性，2001年合成氨装置产量达到了31万吨，使装置在二年的时间里实现了达标达产，合成氨成本最低达到730元／tNH₃。创造了国内引进大型合成氨装置二手设备达标达产时间的新纪录。

5. 在宁夏石化分公司2005年实施的扩能改造项目

5.1 转化系统

转化系统扩能改造一是增加了预转化炉（109-D）以及加热炉（103-B），将一段转化炉负荷部分前移，并回收加热炉烟气余热产生高压蒸汽；二是将二转化炉空气混合器更换为托普索公司生产的空气混合器，以提高转化工序的能力，二段转化炉本身没做改动。

转化装置的技术挖潜项目一是将一段转化水碳比由原设计值3.5降到3.2，可减少工艺蒸汽9.4t/h，除了使一段转化炉的热负荷略降低外，另一优点是减少工艺冷凝液排放量；

5.2 变换系统

变换系统将高变炉、低变炉由轴向结构改为轴径向结构。高变废热锅炉（103－C）设计传热面积不够，阻力大，更换新设备；变换气脱盐水预热器（106－C）不能满足要求，更换新设备。

5.3 脱碳系统

脱碳系统一是CO₂吸收塔本体不做改造，将原板式塔改为高效规整填料塔；二是气提再生塔流通能力(塔径)不够。故新增一台Φ4000高效规整填料塔。三是将气提再生塔由一段再生改为二段再生，增加循环泵（123-JA/JB）；四是贫液泵（107-JA）能力偏小，将泵和电机更换能力较大的泵和电机；五是现有变换气煮沸器(105-CA/B)能力偏紧，变换气阻力降较大，且运行年限较长，更换新设备，其余设备均能满足需要。

5.4 甲烷化系统

甲烷化工序设备，除甲烷化水冷器(115-C)能力不够进行了更新设备外，其余设备均能满足需要。

5.5 氨合成系统

合成工序：将塔前分氨流程改为塔后分氨流程，并增设合成分子筛干燥装置。改为塔后分氨流程，103－J出口工艺气经合成塔进出换热器(121-C)预热后直接进合成塔，为防止压缩机密封油漏入工艺气而毒害合成催化剂，在103－J出口至121－C进口的主流程上增设高效油分离器。现有设备锅炉给水加热器（123－C）不能满足增产要求，在现有锅炉给水加热器（123－C）前串联一台新的锅炉给水加热器（123-C1）。

5.6 氨冷冻系统

维持原有冷冻工艺流程不变。

本工艺的特点是将合成分离的全部液氨送入冷冻系统，使成品氨的精制与冷冻装置结合起来，不在合成排出产品氨，而是分别由冷冻的液氨接收槽和三级闪蒸罐排出热氨产品和冷氨产品。

氨压缩机末段出口气氨冷器（127-CA/CB）能力偏低，增加一台氨冷器（127-CC）与127-CA/CB并联。氨冷器（119-C）能力不足，增加一台氨冷器（119-CR）与原119-C并联。热氨泵能力偏低增加一台热氨产品泵与原泵并联使用。

5.7 深冷氢回收系统

    装置原设计处理两套大型合成氨厂（907tNH₃／d和1050 tNH₃／d）的弛放气，处理能力710Kmol/h，扩能改造后，该装置不需任何改造可满足要求。

5.8 工艺冷凝液汽提系统

宁夏石化分公司恢复设计时，增加了一套中压蒸汽汽提工艺冷凝液处理装置，但由于中压蒸汽经汽提塔有一定压差，对补入系统造成不稳定因素，另外汽提压力较高也不利于汽提冷凝液处理质量，已于2000年根据操作情况将其改为低压汽提，并将汽提塔散装填料改为规整填料，强化传质，处理后冷凝液氨等杂质含量已达到小于0.5×10^-6，但汽提后的低压蒸汽直接放空，造成能量的浪费和对环境的污染。

在本次扩能改造中仍旧采用中压蒸汽汽提，结合中压蒸汽管网的改造，适当提高中压管网压力，满足汽提塔用汽的稳定，按原设计要求，将汽提后蒸汽补入一段转化炉工艺用气中。

5.9 大型压缩机组改造方案

5.9.1 空气压缩机组（101－J／JT）

保持压缩机壳体接管及压缩机基础不变；将原压缩机的二元流叶轮更换为三元流叶轮转子；更换压缩机级间冷却器，以提高冷却能力；更换必要的隔板密封等内件；更换汽轮机转子和喷嘴；更换联轴器和齿轮箱的部分零件。

5.9.2 原料气压缩机组（102－J／JT）

由于进入界区的天然气管网压力较高，合成氨装置扩能改造后，该压缩机不进行改造即可满足要求。将压缩机原来的油密封改为干气密封。

5.9.3 合成气压缩机组（103－J／JT）

    压缩机（103－J）：由于受原装置的布置和场地的限制，在原压缩机的基础上进行改造，保持压缩机壳体接管及压缩机基础不变；将原压缩机的二元流叶轮转子更换为三元流节能转子；更换必要的隔板密封等内件；为避免现场加工更换高压缸端盖；更换有关轴承和密封零件。

汽轮机（103－JT）：更换由杭州汽轮机厂生产的全新汽轮机。

5.9.4  氨压缩机组（105－J／JT）

压缩机（105－J）：压缩机通过提高转速5％来满足流量要求，为了安全可靠，由美国DELAVAL公司对压缩机的性能进行复核，并确认压缩机不需改造，以及提高转速后机组的安全可靠性均满足要求。将压缩机原来的油密封改为干气密封。

汽轮机（105－JT）：由于压缩机能力增加较大，功率增加较多，原汽轮机将无法满足要求，保持汽轮机壳体．接管及基础不变；将原汽轮机转子改造为高效节能转子。

5.9.5 真空冷凝器

同时由于压缩机能力增加，为了保证汽轮机的冷凝器出口真空度，对冷凝器进行了改造，在原冷凝器（135-JC）的基础上，新增冷凝器（152-JC），135-JC担负101-JT和105-JT做功后蒸汽的冷凝任务，152-JC担负103-JT和102-JT以及小透平做功后蒸汽的冷凝任务。

6. 扩能改造项目实施后问题和瓶颈的消除

扩能改造后，由于合成气压缩机透平在装置负荷提至65%后振值达到联锁值，而且其它工号也存在一定的瓶颈和问题，对此又进行了一些改造。

6.1 增加小低温变换炉

为降低变换气中CO含量，以减少甲烷化H2损耗，降低原料天然气消耗，受场地的限制，将原来的脱硫槽（108-DA）改成小低温变换炉与原低温变换炉并联使用。

6.2 提高原料气脱硫温度

扩能改造时，增加了预转化炉和加热炉，一段转化炉及其对流段盘管均未做改动，改造后脱硫原料气经一段转化炉对流段原料气盘管和预转化炉加热炉对流段原料气盘管加热后，温度只能达到300℃，不能达到原料气脱硫的理想温度370℃，为提高原料气脱硫温度，提高脱硫精度，消除转化和变换催化剂硫中毒现象，提高原料气脱硫温度，并结合加热炉过热蒸汽温度偏高的实际情况，2008年做出了增加加热炉原料气盘管面积，同时减少加热炉过热蒸汽盘管面积的改造方案，并利用2009年8月装置大修机会进行了改造，改造后，原料气脱硫温度从原来的300~320℃，提高到了360~380℃，加热炉过热蒸汽温度从500~540℃，降低到450~460℃。

6.3 提高脱碳贫液量

扩能改造后，在两台贫液泵（一台电泵和一台汽泵）同时运行的情况下，贫液量最高达到690t/h，严重制约着装置的高负荷生产，2006年做出了在贫液泵入口增加二台增压泵的改造方案，并利用2006年10月小修机会进行了实施，改造后，贫液量最高达到730t/h，随着装置负荷的提高，贫液量仍不能满足装置高负荷的需要，2009年上半年做出了将贫液泵增压泵从贫富液换热器后改至贫富液换热器前的改造方案，并利用2009年8月大修机会进行了实施，改造后贫液流量提高到了800t/h。

6.4 预转化催化剂国产化

2008年5月预转化催化剂由进口的预还原型更换为国产的氧化型后，先后用原料天然气加氢以及氮气加氢气还原6次，均未被还原，催化剂无活性，2008年底，在技术交流和到催化剂生产厂以及使用单位考察的基础上，选择了辽河催化剂公司生产的预还原型预转化催化剂（Z103PH），利用2009年3月小修机会进行了更换，还原后，催化剂的活性较高，催化剂床层顶底温差达到了50℃，出口甲烷下降为70-75%。标志着催化剂的国产化取得了成功。

6.5 引风机改造

针对一段转化炉引风机转速低，限制装置负荷以及高转速下易出现振值高、联轴节易损坏，不能长周期运行的实际情况，定购了一台变频电机，取代引风机透平，改造后，引风机运行稳定性有了质的提高。

6.6 合成气压缩机透平改造

原合成气压缩机透平是从英国购买的二手设备，由AEG-KANIS公司生产，高压透平是背压式，低压透平是凝汽式，2台透平之间通过联轴器连接。从高压透平抽出的蒸汽，部分进入低压透平，部分进入中压蒸汽管网。因装置扩能改造的需要，对合成气压缩机进行了改造，同时在国内新设计并制造了1台透平。新透平型号为ENK40/36，单缸、反动式、高压抽汽凝汽式。

透平单机空负荷转速可顺利升到额定值，转子振值、壳体振动、轴承温度均在正常范围内，各项指标合格，运行正常。与合成气压缩机联机后，做空负荷开车试验，在全速范围内，透平、压缩机组振动值小而稳定，各项指标完全符合设计要求。

机组联动开车过程中发现在调速阀开到53%，转速在9000r/min时（对应系统负荷为65%），透平振值突然升高并联锁，多次试运均出现类似问题。

后设计制造1台新透平，并将透平新机组设计跨距较原长度缩短400mm，转子直径调整到允许的最大值，更换后单试、空负荷试，联动试车，透平振值在设计指标内，问题得已解决。

这些改造项目实施后，合成氨产量最高达到1350t/d，天然气单耗达到995Nm³/tNH₃,扩能改收到了明显的经济效益。