［摘  要］通過與當前國際合成塔技術進行比較，介紹了ⅢJD系統(tǒng)及內(nèi)件技術的設計思想，內(nèi)件的結構特性及優(yōu)點，ⅢJD技術的推廣應用情況等。

［關鍵詞］氨合成；內(nèi)件；技術

    氨是最為重要的基礎化工產(chǎn)品之一，其產(chǎn)量居各種化工產(chǎn)品的首位。合成氨同時也是能源消耗的大戶，世界上大約有10％的能源用于生產(chǎn)合成氨。我國為合成氨生產(chǎn)大國，擁有超過500家的大、中、小型合成氨企業(yè)。但就單套系統(tǒng)的產(chǎn)量而言，均無法和國外的單套系統(tǒng)、單產(chǎn)量相比，近年來，國內(nèi)的合成氨企業(yè)能力不斷擴大，大家都向著“大型化、低能耗、清潔生產(chǎn)、長周期運行”方向發(fā)展，由此整合著我國合成氨生產(chǎn)資源的分配，也分配著能源。

    湖南安淳高新技術有限公司從事合成氨工業(yè)技術的開發(fā)和節(jié)能型氨合成系統(tǒng)技術研究20多年，在全國合成氨行業(yè)率先開發(fā)了31.4MPa壓力級的DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2200系統(tǒng)。目前正在進行更大型化低壓合成技術的開發(fā)和多級合成系統(tǒng)的工程實施。正在推進著單套合成氨裝置大型化和高產(chǎn)化的國產(chǎn)化進程，將我國的合成氨技術和世界合成氨先進技術“接軌”，開發(fā)了與我國合成氨造氣方法和造氣水平相配套、有中國特色的合成氨技術。特別是氨合成系統(tǒng)及合成反應器內(nèi)件的設計，從系統(tǒng)流程的設置、各工藝設備的設計等方面“獨辟溪徑”，創(chuàng)造了多項專利及專有技術。

    目前，安淳公司配套和設計的合成系統(tǒng)，單套合成氨能力達1000 t/d，近期將投產(chǎn)運行。筆者作為技術參與者，下面對我公司利用獨有的專利技術開發(fā)的氨合成系統(tǒng)及氨塔反應器內(nèi)件進行介紹。

1.1  70年代至90年代的氨合成技術回顧

    國外著名的合成氨技術及產(chǎn)品供應商有英國ICl、德國Uhde、德國Braun公司、德國Linde公司、丹麥Topsφe、美國Kellogg等公司。在合成氨系統(tǒng)全套工藝技術開發(fā)和氨合成塔及合成塔高壓回路上，相繼開發(fā)出各具特色的工藝技術。具有大型化、系列化、能源綜合利用科學化等諸多優(yōu)點。其中有很多不乏為經(jīng)典之作。

    我國合成氨工業(yè)進入大型化是從上世紀70年代開始的，當時國家在經(jīng)濟十分困難的條件下引進了13套合成氨裝置，引進的裝置涵蓋上述各個公司的技術，可以稱之為集當時國際上合成氨新技術之大全。

    當時，氨合成反應器最具有代表性的為Kellogg公司的“K”型氨合成塔，該塔為四床或三床全冷激式塔；再有Braun公司的二塔或三塔氨合成系統(tǒng)，Braun流程中三個合成塔均為絕熱層塔，第一合成塔出口配置工藝氣加熱器，第二和第三合成塔出口安裝有廢熱鍋爐，回收合成塔出口反應氣熱量，產(chǎn)生高壓蒸汽（13.03MPa、溫度331℃）；還有Uhde公司的三床全徑向型（第三徑向床出口無換熱器）氨合成塔，Lurgi公司的二床全徑向型合成塔等塔型。當時國際國內(nèi)的大型合成氨裝置大部分為立式塔型。我國引進合成氨裝置中以Kellogg公司的冷激式氨合成塔較多，這種大型的塔（180 kt/a，15MPa合成回路壓力，DN3200的塔型）以塔直徑大、催化劑裝填量多、運行的“空速”小等方式來實現(xiàn)高產(chǎn)量。

    著名的Braun流程和合成塔則采用三個立式的絕熱型催化劑筐，每個塔外設換熱器或蒸汽過熱器對反應氣降溫和回收反應熱，這也是用較多的催化劑來實現(xiàn)較高的氨凈值，進而減少循環(huán)量和提高熱回收率的方法，也為簡化合成塔反應器結構、提高熱回收率、提高氨凈值等創(chuàng)造了一種經(jīng)典的流程及設計思路。

1.2  90年代以來氨合成技術的發(fā)展及思維走向

    進入90年代以來，隨著能源的緊張，也隨著新技術新材料的不斷出現(xiàn)，各個著名合成氨公司又從新材料、及新型催化劑入手，創(chuàng)造了更加完美的新型流程和氨合成反應器。具有代表性的低能耗制氨工藝有4種：Kellogg公司的KREP工藝、Braun公司的低能耗深冷凈化工藝、UHDE-ICI-AMV工藝、Topsφe工藝和S-200、S-50型氨合成塔及S-250型的串塔工藝；也有Uhde公司大能力的三塔雙級壓力氨合成圈流程及三床均為徑向流的合成塔，這種流程及配合的雙級壓力回路最高日產(chǎn)達到了3300t；另外還有KBR流程和臥式橫向流氨合成塔；還有一直堅持采用軸徑向流合成塔工藝的Casale合成塔及流程。

    這些公司對合成塔及合成回路流程的改進，都是在大型化、降低回路及氨合成塔塔阻力降、徑向流的設置等方面開展工作。輔以采用新型催化劑，使合成回路的運行效率更高、熱回收量更多、回收的蒸汽品位更高。同時單系統(tǒng)的產(chǎn)量也遂步上升，目前最大氨合成回路的單套生產(chǎn)能力達3300t/d以上。

    總結來看，主要從下述幾方面著手進行技術革新。

    ① 從全系統(tǒng)（從造氣崗位開始至合成氨工序）著手，開發(fā)系統(tǒng)總能耗低的制氨工藝技術。主要以節(jié)能降耗為目的，立足于改進和發(fā)展工藝單元技術。

    ② 注重凈化技術，創(chuàng)造進入合成高壓圈氣體凈化度高、惰氣含量少的反應氣氣源。諸如采用低溫甲醇洗串深冷凈化工藝、分子篩凈化工藝等技術。

    ③ 注重降低回路阻力，也更注重采用小顆粒催化劑和廣泛采用徑向流技術，提高氨凈值、減少循環(huán)量和提高熱回收率。

    ④ 隨著機械制造技術和材料技術水平的提高，在氨合成回路的壓力級選擇上，也不一味地降低氨合成回路的工作壓力。各公司結合合成氨總體流程，開發(fā)了有11MPa壓力級的氨合成工序，也有14.8MPa、19.5MPa、21MPa等壓力級的合成工序。如Uhde公司采用了兩個不同壓力級進行組合的回路技術，最高級的回路工作壓力達到了21MPa。

    ⑤ 采用多塔串聯(lián)的方式來提高回路產(chǎn)量。由于受運輸及制造水平等限制，合成塔大到一定尺寸后，制造成本和運輸價格將顯著上升。為了提高回路產(chǎn)量，使裝置特大型化，運用了多種串塔的流程。這些有傳統(tǒng)的Braun三塔或雙塔串聯(lián)流程，也有Topsφe公司的S-250型流程，這種流程是在S-200合成塔反應器后串上一個S-50的合成塔，每反應器配上相應的熱回收系統(tǒng)，組成串聯(lián)塔回路，更加精妙的設計組合有德國Uhde公司的雙壓力級、三塔串聯(lián)流程及合成塔技術。上述流程及塔型均可達到回路產(chǎn)量在2000t/d以上，最高已經(jīng)達到3300t/d的水平。

    ⑥采用釕基催化劑提高合成效率。這是為提高系統(tǒng)產(chǎn)量進行的革命性工作，使合成塔的氨凈值提高，采用各種新型催化劑，特別是釕基型催化劑，氨凈值比傳統(tǒng)的催化劑提高5%以上。

    ⑦ 利用燃氣透平和蒸汽透平作為動力的離心式壓縮機和離心式循環(huán)機，有效地整合和利用工藝及原料系統(tǒng)的動力，進而降低整個合成氨系統(tǒng)的綜合能耗。

    ⑧ 提高裝置生產(chǎn)運轉(zhuǎn)率、延長運行周期。包括工藝優(yōu)化技術、先進的控制技術和控制手段等技術的使用。

    ⑨ 大型化、集成化、自動化，使系統(tǒng)具有經(jīng)濟規(guī)模，成為低能耗與環(huán)境更友好的合成氨裝置。

    通過采用上述改造思路，前期引進的合成氨裝置，在原料路線和動力路線上也進行了新技術改造工作，特別是在合成氨回路及氨合成塔的改造方面下了大的力氣，基本上將原來的Kellogg全軸向冷激型氨合成塔改造成徑向流和段間換熱型，有效地降低了回路阻力，提高了產(chǎn)量，節(jié)約了能耗。

    我國引進的大型合成氨廠總的生產(chǎn)能力僅占合全國合成氨總能力的1/4左右，其余產(chǎn)量靠幾百家中小合成氨廠來生產(chǎn)，由于受原料和工藝路線的限制，能耗相對較高。

    我國中小合成氨廠絕大部分以煤焦為原料。造氣工藝幾乎全部為UGI爐型的造氣工藝，系統(tǒng)后續(xù)工藝的配套大部分為銅洗凈化精制、31.4MPa壓力級的氨合成回路，這樣就構成了我國合成氨工業(yè)大部分廠家的特定工藝條件。由于我國資源的限制，我們長期面對的現(xiàn)實是以煤為原料的合成氨廠技術改造如何做，達到什么技術水平和能耗水平。

當然，如果均用水煤漿制氣或粉煤制氣，凈化和壓縮等工序?qū)⑦M行配套改造，這要投入大量的資金，顯然，在近期是不可能大面積實現(xiàn)的。

    由于大部分廠家采用31.4MPa壓力級的合成工藝，受壓縮機的限制，裝置增產(chǎn)也必須沿著原來的特定工藝條件進行。這樣，氨合成工段的改造在一個相當長的時間內(nèi)，也必須在這種特有的工藝環(huán)境下進行。

    ⅢJD系列大直徑、高產(chǎn)量型氨合成技術是湖南安淳高新技術有限公司在總結ⅢJ系列系統(tǒng)及氨合成塔內(nèi)件在全國合成氨行業(yè)400多臺套運行經(jīng)驗的基礎上，汲取90年代以來國際先進技術以及國內(nèi)引進的大型氨廠合成塔運行經(jīng)驗，開發(fā)設計的新技術。

    本技術主要立足于我國現(xiàn)行的合成氨工業(yè)條件，依據(jù)我國的合成氨相關設備、相關材料及相關催化劑條件開發(fā)的。隨著合成氨工業(yè)的發(fā)展，本技術也在“與時俱進”，目前已經(jīng)發(fā)展到日產(chǎn)合成氨能力超過1000t，采用較高的合成塔出口溫度，使回收的蒸汽壓力更高、生產(chǎn)能力更大，系統(tǒng)運行壓力低壓化，也進行多塔串聯(lián)等。其內(nèi)容和形式上有別于國外的同類型工藝，這些技術完全是有自主知識產(chǎn)權、立足于國內(nèi)現(xiàn)成工藝的技術。在行業(yè)中運用取得了較好的效果。

    氨合成反應是一個在有催化劑存在、高溫、高壓可逆的放熱反應，理論上生成1mol氨,合成反應放熱量在450℃時可達到54.4 kmol；由于受催化劑反應活性及平衡等因素影響，生產(chǎn)過程中采用了氣體循環(huán)生產(chǎn)的方法，為提高系統(tǒng)回收氨的水平，運用了冷凍降溫和低溫分氨的方式。因而，合成氨系統(tǒng)可以視為一個集反應、換熱、冷凍、分離、系統(tǒng)動力循環(huán)多單元的系統(tǒng)。

    最理想化的狀態(tài)是要求盡量多回收反應熱，少用冷凍量、多回收冷量及熱量，盡量減少循環(huán)量。要達到這些優(yōu)化條件，設置好系統(tǒng)流程及設計好系統(tǒng)工藝條件最為關鍵。3.1  ⅢJD氨合成系統(tǒng)的基本流程（圖1）

圖1  ⅢJD氨合成系統(tǒng)流程

 

    流程敘述：從循環(huán)機來經(jīng)過氨分離后的合成循環(huán)氣再經(jīng)過循環(huán)機出口油分離器分離油滴后，氣體分成兩路：一路直接進入合成塔的環(huán)隙，對合成塔的外殼進行冷卻，以保護合成塔外殼，免超溫導致高壓條件下材料的“氫蝕”，保證合成塔的運行安全；另一路進入合成塔外的熱交換器，和合成塔反應后經(jīng)過廢鍋的氣體換熱，加熱合成塔入塔氣。加熱后的氣體經(jīng)合成塔下部換熱器后進入合成塔上層“零米”層，與段間換熱器來的氣體溫合進入催化劑床進行反應，經(jīng)一段、二段反應后進入第三段，這一段為一個間接換熱型的徑向反應段，經(jīng)過此段反應后再進入絕熱的第四段反應，經(jīng)下部換熱器出塔。另一股調(diào)溫用氣是和經(jīng)過合成塔環(huán)隙的冷氣匯合，這股氣體首先從合成塔上部出來，再與熱交換器出來的熱氣進行混合，組成的混合氣再進入合成塔的段間換熱器，調(diào)節(jié)合成塔第三段的溫度，然后進入合成塔“零米”層。這股氣與經(jīng)過合成塔內(nèi)下部換熱器換熱出來的氣體一道進入催化劑床反應；出合成塔后的氣體，依次進入設置在塔外的廢熱鍋爐、熱交換器管內(nèi)，與未反應循環(huán)氣換熱，再進入水冷卻器管內(nèi)進行冷卻。冷卻后氣體進入冷交換器管間，與氨冷來的冷循環(huán)氣冷熱交換后，氣體得到了比水冷更進一步的冷卻，冷卻后的氣體再在冷交的下部分離段進行分離，分離掉70%以上的液氨。分離后的氣體出冷交換器后進入氨冷卻器管間（如為二級氨冷器，則串聯(lián)逐級進行冷卻），氨冷后的氣體和壓縮來的新鮮氣混合（如果用分子篩進行新鮮氣處理，補氣可以直接進入氨合成塔）再進入氨分離器再次分離液氨；氨分后氣體再進入冷交換器管內(nèi)，與反應后的循環(huán)氣換熱后進入循環(huán)機系統(tǒng)補壓循環(huán)，這樣就完成了一個氣體循環(huán)過程。循環(huán)氣中積累的CH₄、Ar等惰性氣體在水冷的一次出口處弛放，以保證循環(huán)氣中惰氣含量在控制指標內(nèi)。

    按上述流程進行分析，我們將合成系統(tǒng)按功能分為四個單元。第一個單元為反應器單元，這里利用ⅢJD高效氨合成反應器來實現(xiàn)氨合成，本身進行系統(tǒng)內(nèi)部反應熱平衡，達到高的氨凈值、低的循環(huán)量運行之目的，反應效率是否能提高、催化劑利用率是否高均與本反應器內(nèi)件的設計水平有關。第二個單元為熱回收單元，本單元的主要目的是將合成反應熱盡可能地在廢熱鍋爐和熱交換器得到回收，達到多生產(chǎn)高品位蒸汽的同時，將相對低位能的熱量加以回收，以保證合成塔自身的熱平衡，并使反應后循環(huán)氣進入水冷卻器的溫度最低。第三個單元為冷回收單元，本單元兩個功能，第一個功能是將合成氨的循環(huán)氣進行冷凍，達到相應條件下循環(huán)氣的液氨分離量最大，也就是說達到進入氨合成塔的入口氨含量盡量低，另一功能是將液氨氣化而產(chǎn)生的冷量進行回收，保證冷量在冷交部分回收得盡量多，以減少氨冷器加入冷凍劑（液氨）的量，確保出冷交換器的冷氣溫度盡量高一點，這樣冷量就得到極大的回收，減少了加入液氨的量，節(jié)約了冰機電耗。第四單元是分離單元，這個單元主要是油、水的分離和液氨的分離。如果分離效果好，將減少無用功的消耗，達到節(jié)能之目的。

3.2  反應單元——氨合成塔反應器

    好的合成塔內(nèi)件，必須具備有能方便地實現(xiàn)設計要求的產(chǎn)量、運行中調(diào)節(jié)掌控溫度方便、催化劑利用率高、操作彈性好、催化劑易還原、催化劑易裝卸、結構可靠且簡單、合成塔的阻力也應盡量小。這些因素組合在一起，有的是相對立的，怎樣辯證地思考問題，這是合成塔設計者要面對的問題。

    怎樣才能兼顧各方面,盡量優(yōu)化反應器,設計出一個在一定條件下運行最穩(wěn)定、能量最節(jié)約的合成塔反應器，我們經(jīng)過了近20年的不懈努力，開發(fā)了獲得國家科技進步二等獎的系列合成塔技術及產(chǎn)品，上世紀80年代中期開始，從小型塔入手，DN600、DN800、DN1000、DN1200、DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2200系列技術逐步發(fā)展，到目前形成了具備全系列、多規(guī)格、各種不同要求及不同系統(tǒng)條件相配套的系列合成塔技術及產(chǎn)品。

    這種大型合成塔技術及反應器，我們稱之為ⅢJD系列氨合成塔技術。這些技術在合成塔內(nèi)件反應器設計上具備有下述特征及技術特點。

    （1）采用分流工藝調(diào)節(jié)催化劑床層溫度

    眾所周知，氨合成塔的設計是采用了適用催化劑特性的設計方法來進行工藝及結構設計的，而催化劑反應達到一定的溫度后就必須將反應熱移出，使氣體再一次以低的溫度進入床層反應，達到第二次反應的條件，這將進行反復升降溫操作，使反應沿著催化劑最適宜溫度曲線行走，才能達到盡可能高的合成塔出口氨含量，得到盡可能高的氨凈值。

    經(jīng)典的合成塔工藝調(diào)溫方式有下述三種方式，見圖2。

圖2  合成塔的調(diào)溫方式

    大部分間接換熱式合成塔和冷管型合成塔，采用的是未反應氣體一次性進入。氣體在反應前先通過管道進入需要降溫的催化劑床層，用溫度相對較低的未反應氣來冷卻催化劑床層的高溫段。這些合成塔有諸如傳統(tǒng)的三套管式、段間冷卻型等塔型。這種調(diào)溫方式的優(yōu)點是調(diào)節(jié)溫度十分簡單，只在合成塔進氣的主閥加上一個調(diào)節(jié)“零米”溫度用的副閥就可以了。在具體生產(chǎn)中，只要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的循環(huán)量就可以方便地調(diào)節(jié)合成塔溫度了。其缺點是換熱管要密布在催化劑床層，進入的氣體要反復加熱，熱氣的流程長、通道窄、造成阻力大。另一方面，冷卻管內(nèi)與管外的催化劑反應溫度差將越來越小，換熱推動力也越來越小，造成要布置較多的管或較大的循環(huán)量來降溫的態(tài)勢，這就直接導致了催化劑床層阻力大、催化劑裝填量小，系統(tǒng)循環(huán)量大，氨凈值提不高。采用段間降溫的方式，也有同類的問題，同時催化劑床層設計也十分復雜。

    ⅢJ系列氨合成塔則沿用了間接降溫的方式，并將內(nèi)部換熱器進行優(yōu)化改良設計。采用冷氣體從外部引入，直接進入不同的床層，按要求控制進入氣量的大小、調(diào)節(jié)進入氣體的溫度，以此來調(diào)節(jié)催化劑各床層溫度，達到了既采用間接換熱式調(diào)溫，又運用了“冷激式”塔的“分流”、分區(qū)分層調(diào)節(jié)的優(yōu)點。

    由于外來的“分流氣”進入合成塔床層時的溫度較低，傳熱溫差將變得較大，這樣，內(nèi)置的段間換熱器及有關調(diào)溫元件就可設計得較小，占據(jù)的合成塔催化劑空間也較小。達到了提高催化劑裝填量、降低阻力的要求；另外，由于氣體進行分流，也使得各催化劑床層的調(diào)節(jié)可以達到“隨心所欲”——按不同催化劑反應活性和不同的溫度及產(chǎn)量分配流量，從而十分方便地調(diào)節(jié)催化劑各床層溫度。

    這種“分流”帶來了下列好處：一是極大地降低了系統(tǒng)的循環(huán)量；二是可以使調(diào)節(jié)十分方便；三是可以使催化劑升溫還原時，完全斷掉層間換熱器的氣流，創(chuàng)造一個絕熱升溫還原的條件，使催化劑還原能夠十分徹底；四是由于“分流”，一部分氣體不經(jīng)過下部換熱器，下部換熱器的管間流量相對較小，進入中心管的氣量也較小，可減少下?lián)Q熱器的面積，也減少了氣體流動的阻力。

    這種塔內(nèi)部的分流，還只是一種分流方式。為了更加優(yōu)化系統(tǒng)，我們也開發(fā)了“全分流”的流程——冷氣進入合成塔前進行分流，熱氣也在進塔前分流。成功地將進入合成塔環(huán)隙的氣體流量下降到僅占主氣流量的10%，這樣既保證了合成塔塔壁溫度不超標，也使得合成塔環(huán)隙流的阻力大大下降。這也是ⅢJD合成塔技術一個十分顯著的特點。

    （2）盡量不用和少用冷激方式來調(diào)節(jié)床層溫度

    氣固反應床的氨合成塔反應器，一般都采用內(nèi)置式催化劑床層的降溫方式。不管目前的內(nèi)件設計如何千變?nèi)f化，但就其降溫的方法和降溫的原理來分有下列三種降溫方式：冷管式降溫、冷激式降溫和段間換熱器型的間接降溫方式。見圖3。

圖3  氨合成塔的降溫方式

 

    三種降溫方式各有優(yōu)缺點，唯有冷激式降溫方式最為簡單， 但這種方式由于采用未反應的氣體通過外分配方式進入不同的催化劑床層，直接將反應后升高了氣體溫度降下來的方式調(diào)溫，這樣也沖稀了反應氣的氨濃度，當床層設計的催化劑段數(shù)比較多時，越進入下部，這一部分未反應氣走過的催化劑床層就越短，和催化劑接觸的時間就越少，總體來說，就會對反應氨凈值的提高有影響。同一產(chǎn)量下，冷激式比間接換熱式的合成塔將要增加循環(huán)量，也要減少熱回收量。上世紀70年代，我國引進的300 kt/a合成氨裝置，較多地采用Kellogg公司的瓶式多層冷激式合成塔，隨著技術的深入，迄至今日，幾乎全部改成了段間換熱型的改良“K型”塔。這樣，既提高了氨凈值，又提高了合成塔的產(chǎn)量。目前國外的Uhde公司、Topsφe公司、KBR公司、Casale公司均很少用冷激式降溫的方式來調(diào)節(jié)床層溫度，這也是隨著節(jié)能工作深入，工藝之必然選擇！

ⅢJD型合成塔內(nèi)件的降溫采用分體式，在催化床層中含有一到兩件段間換熱器組件，組成了一個四段或五段軸徑向型的合成塔。它幾乎沒有用冷激來降溫，這樣，可以達到十分好的調(diào)溫效果，同時，得到盡量高的出口氨含量，盡量小的系統(tǒng)循環(huán)量。

    （3）采用多氣室徑向床技術

    采用徑向床，是當前合成塔為了降低阻力降常用的方法。國外的各種塔型氣體內(nèi)部流動方式不是采用徑向流就是采用橫向流，全部采用軸向流的塔型十分少見了。隨著合成塔進入大型化，各合成塔設計公司均注重研究徑向筐的分布等問題，做了大量的工作。我公司經(jīng)過大量的研究和工程實踐，開發(fā)了一種多氣室、反復混合型的徑向筐分布器，這種分布器可以將徑向流的氣體在進入氣室前經(jīng)分氣端及收氣端的初步分氣后，再在收氣端進入多氣室反復混流型徑向分布器中，將氣體進行多次折流、多次混合，各方向來的工藝氣體混合完全，分布均勻。

    采用這種徑向筐技術后，合成塔反應器內(nèi)約占70%以上的催化劑層氣體流動為徑向流，反應床層阻力降不超過0.4MPa，達到了國內(nèi)外同類合成塔的先進水平。也達到了分氣均勻，運行平穩(wěn)的目的。

    （4）運用可徑向流的段間換熱器技術

    傳統(tǒng)的三套管和冷管式的合成塔最大阻力段均在冷管層，因冷管占據(jù)了催化劑有效截面，且高溫反應后的氣體在冷管內(nèi)進行了節(jié)流，因而這部分的阻力大，這是冷管式合成塔無法解決的問題。一般來說，當合成塔的高徑比為1/10，合成塔負荷達設計負荷時，一個三套管合成塔催化劑床層的阻力降可達到1.8MPa，一個冷管式純軸向的合成塔阻力降最少也有1.2MPa，這樣就限制了合成塔大型化生產(chǎn)技術的發(fā)展，因而，冷管式合成塔基本沒有大型的塔存在。

    ⅢJD型氨合成塔運用了一個類似于冷管結構的新型段間換熱器（已獲得了國家專利），它也是段間換熱器和冷管變形的換熱器，將它埋在催化劑床層，催化劑床的反應氣體是沿徑向流動的，換熱器內(nèi)作為冷卻的氣體也是沿徑向流動，與外部氣體并流進行換熱。這就徹底解決了冷管式或換熱器式層間冷卻器無法實現(xiàn)徑向流的問題。它和典型的段間換熱比，有管外能填充催化劑，提高反應效率的優(yōu)勢，當然也提高了催化劑的裝填量。和傳統(tǒng)的冷管式換熱器相比，它有徑向流的優(yōu)勢。

    通過這種技術的運用，我們開發(fā)的合成塔塔徑由DN1200上升到DN2200以上，合成塔的總阻力降均在0.4MPa以下。

    （5）采用細長型分列式內(nèi)部換熱器

    合成塔的下部換熱器一般來說面積較小，大直徑的塔設成一個鼓形換熱器將會使管內(nèi)的氣體流程太短，換熱效果不好，管外采用折流板時，將會使換熱時氣體流動“死區(qū)”太多，也極大地影響了換熱效率。ⅢJD采用了細長形的換熱器，它和中心管設計成一個整體，這樣既便于維修，也便于提高換熱器的換熱效率，還有利于合成塔下部徑向段的設計（將徑向分氣與收氣、換熱器結合成一個整體）。細長形的換熱器也更進一步簡化了內(nèi)件結構，使內(nèi)件的維修變得更加方便。

    （6）采用多層復合保溫技術

    多層復合式保溫技術是湖南安淳高新技術有限公司的一個專利技術，它借用了航空技術及般天材料，將內(nèi)件的保溫層做得更加精致，保溫效果更好。這種技術在我公司開發(fā)DN600合成塔就使用了，之后不斷完善，到目前為止，從未出現(xiàn)過內(nèi)件保溫層脫落而影響生產(chǎn)的情況。而這在以前，保溫層脫落是合成塔常出現(xiàn)的故障之一。

對保溫層的設計，我們還對合成塔內(nèi)的反應機理進行了研究，考慮了對流、幅射等的影響，運用了多種高科技的手段進行保溫效果模擬和保溫優(yōu)化設計，采用了多節(jié)式多伸縮結構的保溫皮來保證內(nèi)件的熱脹條件好。

    （7）采用連續(xù)催化劑床、催化劑自卸技術

    采用了連續(xù)的催化劑床層，這也是保證自卸催化劑順暢的一個必要方式。內(nèi)件設計二到三個徑向段，每段之間的分層均采用活動和中間有催化劑流動孔的設計部件，完全能保證催化劑從上而下順利進入內(nèi)件中，也保證了徑向筐上部催化劑能“封住”進氣通道，保證徑向?qū)舆M氣和出氣均不短路。這種設計，使內(nèi)件裝配和檢修變得更加容易。

優(yōu)化設計的ⅢJD氨合成塔反應器由一個獨立、下部帶換熱器的中心管及換熱器組件加上一個能實現(xiàn)徑向流的段間換熱器組成的活動換熱件，和一個固定的帶有三個徑向筐的催化劑組合成的四段式、軸徑向、工藝進氣全分流、催化劑床連續(xù)、自卸催化劑的氨合成反應器。這種塔型也可以結合工藝的不同需要及用戶的不同情況進行三段或四段床設計，二段或三段徑向床變形設計。

    內(nèi)件見圖4。

圖4  ⅢJD合成塔結構示意

 

3.3  熱回收單元

    ⅢJD合成工序的所謂熱回收單元由合成塔出口的廢熱鍋爐、熱交換器等組成。這個單元包含有兩臺換熱設備和幾根高溫管線。當設計要生產(chǎn)高壓蒸汽時，將設置蒸汽過熱器，這也是大型合成技術用得較多的熱回收方法。

    我們在這部分主要是運用了一個“全分流”的流程，首先將熱交換器的冷端溫差加大，較好地保證了換熱器在換熱面積足夠的條件下，進入水冷卻器的循環(huán)氣溫度低。一個合成系統(tǒng)進入水冷的溫度越低，也就是說合成塔在保證熱平衡的條件下，進入水冷的溫度越低，則合成塔外的廢熱鍋爐回收的熱量就越多，熱量回收就越好。

    （1）“全分流”的流程

    “全分流”流程是ⅢJ系氨合成系統(tǒng)流程的一個特色，所謂全分流，即在冷氣入塔時進行分流，出熱交換器的熱氣入塔前也進行分流，進入合成塔反應器內(nèi)件的氣體同樣進行分流。

    圖5為分流與不分流的流程比較圖。

圖5  分流與不分流的流程示意

 

    從圖5可以看出，不分流的流程中冷卻合成塔環(huán)隙是用100%的入塔氣進入合成塔內(nèi)件和外殼之間的環(huán)隙，這樣就有一進和一出氣體，一出氣體由于經(jīng)過了合成塔環(huán)隙，將反應層的溫度傳遞給了一出氣，一般來說，一出氣的溫度高達60℃以上。這股氣體將合成塔反應熱的高位能熱吸收了，變成了低位能熱。這樣，進入熱交換器的入口氣也比從一進來的氣要高30℃以上，勢必將會使進入水冷卻器的反應氣在同樣換熱器、同樣冷端溫差條件下提高30℃，也可以認為少回收了熱量，即少產(chǎn)了蒸汽。

    而“全分流”的流程僅只有10%左右的未反應冷氣經(jīng)塔內(nèi)外筒環(huán)隙進冷管，約90%的未反應冷氣進入熱交。其優(yōu)點是催化劑筐壁散失的熱量仍回收到催化劑筐床層內(nèi)，相當于減少了催化劑筐的熱損失。

    這股10%左右的“分流氣”是保護合成塔壁的，使合成塔的塔壁溫度在適當范圍，也不能降得太低，因為溫度降得太低了，高位能熱將損失太大；塔壁溫度過高了，筒體材料不能抗氫蝕，會影響運行安全。我們將這個溫度控制在適當?shù)姆秶鷥?nèi)，這樣既挖掘了設備的運行潛力，又不使高位能熱向低位能無謂地轉(zhuǎn)化；另一方面，這股10%的冷卻環(huán)隙氣并沒有浪費，我們的流程是將這股氣通過與熱分流氣混合后再次進入合成塔內(nèi)，作為段間換熱器的冷卻用氣，這樣做到了能量的充分利用。

    這種流程，進熱交的冷氣溫度在35～40℃，結果可使進水冷排熱氣溫度降到80℃以下，提高了熱回收率，減少了設備投資（節(jié)省了一個軟水加熱器）。傳統(tǒng)流程中，如果不設軟水加熱器，進冷排溫度為120～130℃。

    （2）“亞熱壁”或“熱壁”合成塔

    如果采用提高合成塔熱回收蒸汽壓力的方式來回收合成塔熱量，這樣，就會有一個隨著蒸汽壓力的提高，熱量逐步后移的過程。如表1所示，隨著蒸汽壓力的提高，出廢熱鍋爐的循環(huán)氣溫度將上升，進入熱交換器的總熱量也增多，合成塔熱氣進口溫度也將上升，合成塔內(nèi)的熱平衡也將變化，這樣也要調(diào)整出合成塔反應器的出口溫度來達到合成塔回收熱量的效果。也會帶來合成塔的環(huán)隙溫度升高，從上述的“全分流”流程來看，也會使合成塔的塔壁溫度有所調(diào)整。

表1  ⅢJD流程中的幾種不同蒸汽壓力下系統(tǒng)溫度表

注：①依據(jù)ⅢJD流程中的設備及有關通用的設計條件來來計算；②均按廢鍋出口溫差3℃來計算，按熱交換器熱段溫差18℃來計算。

    從表1可以看出，如果按回收蒸汽壓力為3.9MPa，則采用一次進入合成塔的熱氣溫度將會達到234℃，我們采用來熱壁操作方式是將10%的冷氣進入合成環(huán)隙，將合成塔環(huán)隙的溫度最高點控制在200℃以內(nèi)，這就是我們稱之為“亞熱壁”的操作方式，這樣可以極大地簡化工藝流程，提高熱回收的品位和熱回收率。ⅢJD合成塔大直徑反應器，也有采用230℃塔壁溫度的，由此來回收高壓蒸汽。我們?yōu)樯綎|瑞星化工設計的日產(chǎn)800t合成氨系統(tǒng)就是用這種設計理念進行設計的。

    （3）高效換熱型設備

    在有先進按熱能位高低回收熱量流程的條件下，ⅢJD系統(tǒng)還采用了高效的熱回收技術。以此來回收合成塔出口的反應熱，用于自身熱平衡，這主要體現(xiàn)在廢熱鍋爐和合成塔內(nèi)外熱交換器的設備設計上。

    塔外的廢熱鍋爐，我們采用降低阻力的設計方法，采用了直通式或U型管式的廢熱鍋爐回收合成塔反應熱，在布管上和設備設計上，采用了盡量降低阻力的設計方法，提高了廢熱鍋爐的熱回收效率。

    塔內(nèi)熱交換器我們采用了如前所述的細長形換熱器，以及高效化的換熱管，提高了換熱器的傳熱效率；塔外換熱器的設計，我們也采用了高效的橫紋管換熱技術，分段采用不同材料以抗蝕，極大地降低了高壓容器的設備投資。同樣條件下，同樣的傳熱量，采用這種配套技術，使高壓容器的投資下降近20%。

3.4  冷回收單元

    氨合成反應器的轉(zhuǎn)化率一般在20%以下，生產(chǎn)中要采用循環(huán)反應的方式，收集產(chǎn)品液氨方式為冷卻和冷凍分離兩種方式串聯(lián)。因氨的物化性質(zhì)決定，僅采用水冷卻方式是不能使出口氨含量達經(jīng)濟運行水平的，工藝生產(chǎn)中采用了利用自身生產(chǎn)的液氨作為冷凍劑來冷凍合成循環(huán)氣的方式，達到將合成塔進口循環(huán)氣氨含量控制在3%以下的指標。

回收和利用好冷凍量，也是高壓回路的一個重要問題。一般來說，我們要求經(jīng)過“冷回收”后的循環(huán)氣以盡量高一點的溫度進入下一個設備。每生產(chǎn)1噸產(chǎn)品液氨用于自身冷凍的液氨量也要盡量少一點，這樣可以達到冰機開啟量少，達到節(jié)約電耗的目的。

ⅢJD系統(tǒng)從下述方面進行冷回收系統(tǒng)優(yōu)化。

    （1）三級冷卻兩級分離的冷系統(tǒng)流程

圖6  冷系統(tǒng)流程示意

    一般的冷系統(tǒng)流程與ⅢJD冷系統(tǒng)流程示意見圖6。

    從上述流程可以看到，傳統(tǒng)的流程采用了水冷后設氨分，并有兩級氨冷三級氨分的復雜系統(tǒng)。而ⅢJD的流程采用了十分簡潔的冷系統(tǒng)流程——水冷一級冷卻后再進入冷交進行進一步冷卻，分離；第三級冷卻為冷凍冷卻方式，這一級采用液氨蒸發(fā)冷卻合成氨循環(huán)氣，將氣相中未冷卻的氨進一步冷卻，冷卻后再進行冷凝，然后第二次分離。含有大量冷量的冷氣進入冷交換器內(nèi)回收冷量后再入循環(huán)機。

    這種流程的好處是在水冷后進一步冷卻就可以在冷交下部將70%以上的液氨回收分離，降低了后續(xù)冷凍及分離的負荷，同時，由于分離靠前，后續(xù)的液氨吸收冷量的問題也解決了。另一方面也降低了冷系統(tǒng)的阻力。與經(jīng)典的流程比較，冷系統(tǒng)的液氨蒸發(fā)量下降近30%,出冷交換器冷氣的溫度上升10℃以上。

    ⅢJD在低壓合成技術上，由于合成壓力較低，氨分離要求的循環(huán)氣溫度較低，為節(jié)約冷量，一般設兩級到三級的冷卻系統(tǒng)，仍用二級分離方式達到盡量節(jié)約冷量的目的。

    （2）高效冷卻器及冷熱交換設備

    和“熱回收”系統(tǒng)一樣，“冷回收”系統(tǒng)照樣用了高效換熱技術，設計了一個運用高效螺紋管和特殊折流元件的冷交換器，將傳熱效率提高，減少了高壓容器的投資，收到了回收冷量好的效果。

    同時也設計了一個傳熱效果好的氨冷卻器，采用了帶閃蒸槽的液氨蒸發(fā)方式，將換冷段設計成高效流動型的冷換系統(tǒng)。同時提高了高壓容器的使用效率，提高了使用安全性能。

    通過上述兩種措施，新的“冷回收”系統(tǒng)達到了設備配置最簡單化，系統(tǒng)“冷回收”最大化的效果。目前運行的幾十套大、中型ⅢJ合成系統(tǒng)，均采用這種流程及設備的冷回收系統(tǒng)。通常都能降低入合成工段的冷量消耗，降低合成工段的液氨加入量，一般可達到自用液氨返用于冷系統(tǒng)量比傳統(tǒng)的流程及設備少100～200kg。同樣的氨加入量將會使進口氨含量下降更多一點；冷交換器的冷氣出口溫度高達22℃以上。

3.5 分離單元

    ⅢJD系統(tǒng)的分離單元分為油、水分離器和氨分離器兩種類型，油、水分離主要是系統(tǒng)循環(huán)機及壓縮來新鮮氣的油、水及合成系統(tǒng)微量毒物的分離及凈化。氨的分離分為高溫部分的氨分離和低溫部分的氨分離，主要是指冷交下部的氨分離和氨冷后的氨分離。

新鮮氣的微量毒物及油、水的分離，ⅢJD系統(tǒng)主要采用分子篩系統(tǒng)來處理，當分子篩系統(tǒng)處理的氣體達標后，這部分新鮮氣可以直接補在合成塔進口。這樣，可以減少合成系統(tǒng)循環(huán)量25%。但當分子篩效果不好時，我們設置了將補入氣補到“冷系統(tǒng)”的凈化方式，工程上常用兩種方式并舉，流程可以互換的方式來配置。

    油分離器采用的為多級離心分離串超級過濾的方式來處理氣體。氨分離器在高溫分離段，主要采用螺旋管及螺旋流動型折流元件，使液氨在換熱段邊冷卻邊順流，氨液滴長大后再進入離心分離段，再采用過濾分離方式來分離液氨。

    低溫段氨的分離采用三級到四級離心分離、過濾分離及超濾分離組合的分離方式，這樣可達到在一定循環(huán)氣溫度下能分離液相氨90%的分離效果。大系統(tǒng)也采用了臥式氨分離器來集成分離冷系統(tǒng)出來的液氨。

    采用這些設計方式，分離效果得到了提高，分離器的阻力降也比較小。

    運用上述設計思想及設計方法，我們設計了多套氨合成系統(tǒng)，在全國很多廠家運用，均收到了良好的效果，目前正在進一步優(yōu)化系統(tǒng)，使熱回收量更大、系統(tǒng)能力更大。

    按照上述設計思想，我們創(chuàng)造的ⅢJD型氨合成系統(tǒng)在全國大中型合成氨企業(yè)推廣面日益增大，1995年山東魯西化工股份有限公司采用我公司設計和制造的31.4MPa級的DN1200合成系統(tǒng)，拉開了大直徑合成塔研究和應用的序幕，此后相繼開發(fā)了DN1400、DN1600、DN1800、DN2000、DN2200系統(tǒng)，近期又進行了DN2800、DN3200、DN3400的低壓氨合成系統(tǒng)和二塔三塔串聯(lián)低壓及高壓氨合成系統(tǒng)的開發(fā)。為我國合成氨自主技術的開發(fā)作了大量前瞻性的工作。

    開發(fā)的DN1400合成氨系統(tǒng)在湖南大乘資氮集團成功運行近6年；DN1400系統(tǒng)還在江蘇昆山錦港實業(yè)有限公司、山西豐喜集團臨猗分公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、山西天脊集團晉城化工股份有限公司等廠投入運行。公司開發(fā)的DN1600氨合成系統(tǒng)最早的一套在湖南岳陽天潤化工股份有限公司（岳陽化肥廠），已運行近5年，相繼又有河南心連心化工有限公司（河南新鄉(xiāng)化肥廠）、河北邯鋼集團化肥廠、福建三明化工總廠、山西晉成煤氣化有限責任公司、河南駿馬化工集團公司化肥廠等廠采用DN1600氨合成系統(tǒng)；開發(fā)的DN1800氨合成系統(tǒng)在山東瑞星化學工業(yè)集團公司于2003年底投入生產(chǎn)，相繼有山東德齊龍化工有限公司三套的醇烴化配DN1800氨合成系統(tǒng)聯(lián)合工段投產(chǎn)，江蘇新沂恒盛化工有限公司的18·30工程中的醇烴化及DN1800氨合成系統(tǒng)投產(chǎn)，江蘇華昌化工有限公司的18·30工程中的醇烴化及DN1800氨合成系統(tǒng)投產(chǎn)；開發(fā)的DN2000氨合成技術在山東德州化肥廠、河南心連心化工有限公司、山東明水化肥廠等企業(yè)相繼投用；開發(fā)的DN2200氨合成系統(tǒng)近期將在山東魯西化肥股份公司投入運行。

基于我公司在合成系統(tǒng)技術的先進性，2002年4月24~25日，中國氮肥工業(yè)協(xié)會組織全國合成氨方面的專家，對雙甲和醇烴化凈化工藝及合成氨技術進行了針對山西臨猗現(xiàn)場的生產(chǎn)評議，評議認為：“……ⅢJD氨合成系統(tǒng)及主要設備結構均采用了優(yōu)化設計，在國內(nèi)外處于領先水平，建議在氮肥行業(yè)推廣應用�！�

    二十多年來，ⅢJ系列氨合成技術在安淳人及廣大用戶的共同努力下，獲得多種獎勵。技術也被列為國家級重大科技成果重點推廣項目。技術成果參加過維也納、吉隆坡國際新技術新產(chǎn)品展覽，獲國家級新產(chǎn)品稱號、獲1995年度國家科技進步二等獎（迄今為止，國內(nèi)合成塔內(nèi)件最高獎項）、中國專利技術金獎、湖南省科技進步一等獎。

現(xiàn)在有400多家合成氨廠使用該技術及內(nèi)件�，F(xiàn)選擇一部分大型塔的推廣運行實例，來說明和驗證產(chǎn)品及系統(tǒng)運行情況。

    河南心連心化工有限公司  該廠2003年新投入一套150 kt/a合成氨裝置，合成工段及凈化精制工段采用了我公司的ⅢJD系統(tǒng)及醇烴化凈化精制工藝來實現(xiàn)，裝置于2003年8開車，合成氨生產(chǎn)500t/d，甲醇生產(chǎn)180t，系統(tǒng)壓力只有26MPa。開工后，企業(yè)每天比原來系統(tǒng)天多創(chuàng)利潤20～25萬元。今年8月份，該廠230 kt/a總氨的氨合成系統(tǒng)及醇烴化凈化系統(tǒng)也一次開車成功，這是我公司又一次與心連心化工公司的技術合作，本次設計采用了一套DN2000氨合成系統(tǒng)，這也是國際國內(nèi)31.4 MPa級最大的氨合成系統(tǒng)。運行后，達到了日合成氨產(chǎn)量500t/d，甲醇產(chǎn)量180t/天的水平，系統(tǒng)運行壓力僅18 MPa，目前正在進行大負荷生產(chǎn)調(diào)試，近期將達到日產(chǎn)700 t合成氨，系統(tǒng)壓力僅23MPa，為我國特色的合成氨系統(tǒng)創(chuàng)造新的業(yè)績。

    山東瑞星化工集團公司  公司現(xiàn)有合成氨能力400 kt，曾于1996、1998年使用我公司的DN1200、 DN800ⅢJ-99氨合成系統(tǒng)各一套，于2003年底在400 kt/a合成氨技術改造中，率先采用了我公司的一套DN1800氨合成系統(tǒng)，于2003年底投產(chǎn)。投用之初，系統(tǒng)每天產(chǎn)合成氨620t，系統(tǒng)壓力只有24MPa。目前運行近三年了，后串入一個合成塔彌補合成塔上部催化劑老化的不足，系統(tǒng)可以開到合成氨產(chǎn)量700t以上，整個分離系統(tǒng)尚能達到產(chǎn)量要求，為我公司設計的系統(tǒng)進一步挖潛改造提供了成功的經(jīng)驗。

    江蘇華昌化工有限公司  這個廠用了我公司三套氨合成及醇烴化系統(tǒng)，一套DN1600氨合成系統(tǒng)。開車近三年了，目前合成氨產(chǎn)量達到了600t/d以上，系統(tǒng)壓力僅28MPa，達到了穩(wěn)定、高效、節(jié)能運行的效果。

    湖南岳陽天潤化工股份有限公司  該公司目前擁有合成氨生產(chǎn)能力180 kt/a。2000年初，投用了我公司一套DN1600氨合成系統(tǒng)，此系統(tǒng)為ⅢJD系統(tǒng)的第一套，目前合成氨產(chǎn)量達450t/d，系統(tǒng)壓力只有21MPa，到目前為止催化劑使用約6年。

    山西晉城煤化工有限責任公司  該公司進行220 kt/a合成氨工程擴建時，采用了我公司的醇烴化工藝及氨合成工藝，于2002年12月投產(chǎn)了一套DN1600ⅢJD的氨合成系統(tǒng)，目前日產(chǎn)合成氨6000t，系統(tǒng)壓力只有27MPa。

    湖南大乘資氮集團有限公司  這是最早采用我公司ⅢJD氨合成系統(tǒng)的廠家，目前一套DN1200和一套DN1400氨合成系統(tǒng)，每天產(chǎn)氨和醇共計850t。綜合經(jīng)濟效益十分顯著。

    除此之外，還有山東德州化肥廠、山東魯西化工股份限公司、山東明水化肥廠、河南開封晉開化工公司、山東德齊龍化工有限公司、邯鋼集團化肥廠、福建三明化工總廠、河南距馬店化工總廠、江蘇昆山錦港實業(yè)集團公司、江蘇華爾潤集團公司、江蘇張家港錦港實業(yè)公司、山西豐喜集團臨猗分公司、江蘇新沂恒盛化工有限公司、天脊集團晉城化工股份有限公司等廠先后采用了我公司ⅢJD型氨合成系統(tǒng)。

    我公司的ⅢJD型φ1200～φ2200 mm氨合成系統(tǒng)及氨塔內(nèi)件在全國的應用是十分廣泛，占合成氨廠塔型中的30%以上，占上述直徑塔型的70%以上。

    ⅢJD型氨合成塔系統(tǒng)及合成塔技術為我國自行設計，具有自主知識產(chǎn)權、適應我國國情的合成氨技術，湖南安淳公司從事大型化合成系統(tǒng)技術研究及系統(tǒng)開發(fā)近20年，運用了多項國家專利技術，創(chuàng)造了節(jié)能效果好的大型化系統(tǒng)，為合成氨產(chǎn)業(yè)的國產(chǎn)化走出了一條新路。采用了現(xiàn)代化的設計理念及新材料、新的技術進行設計。隨著更大型化的合成系統(tǒng)投產(chǎn)，將進一步檢驗安淳公司的技術水平及技術成果，為我國合成氨的國產(chǎn)化提供成功的經(jīng)驗。