渭河煤化工责任有限公司7.2(功耗以蒸汽计)

1、渭河煤化工责任有限公司30万吨氨合成装置节能增产改造初步方案南京国昌化工科技有限公司2008年6月总 目 录1设计概况2技改方案2.1主要设计依据及参考文献2.2技术改造的设计思想和措施2.3工艺说明2.4技改后的工况2.5设备设计2.6催化剂及还原方法3本方案的可行性与可靠性4投资估算5经济效益估算6合作方式1设计概况渭河化肥厂于1996年引进TopsoeS-200型氨合成装置，操作压力为14MPa。生产能力为1000 t/d，根据企业的发展规划，拟对系统进行节能技术改造，并使其合成氨的年生产能力在现有基础之上提高10%以上。受贵厂邀请,我公司于2008年6月4日对该套合成氨装置进行考察和技

2、术交流，针对这次改造要求和对贵厂的了解，推荐贵厂采用我们国昌公司的节能型氨合成新工艺“串塔工艺”（专利号：200610039239.5），并草拟本改造初步方案。 2技改方案2.1主要设计依据及参考文献2.1.1主要设计依据（1）2008年6月4日合成回路生产操作数据；（2）2008年6月10日渭河煤化工集团提供S-200塔工艺设计参数及生产运行值；（3）2008年6月10日渭河煤化工集团提供的主要设备的设计参数；（4）渭化本次改造的目标：节能降耗，增加产量到1100t/d。2.1.2参考文献（1）南京国昌化工科技有限公司为山东瑞星化工有限公司DN1800(240Kt/a)串塔设计，运行压力28

3、MPa；（2）南京国昌化工科技有限公司为山东联盟化工有限公司DN2000(240Kt/a)串塔设计，运行压力20MPa；（3）南化15MPa 300kt/a氨合成装置的设计（托普索技术）；（4）淮南15MPa 200kt/a氨合成装置的设计（托普索技术）；（5）15MPa 180kt/a氨合成装置的设计（卡萨利技术）；（6）南化研究院15MPa 300kt/a氨合成塔基础设计；（7）南化研究院15MPa对国外大型径向氨合成塔的消化吸收研究成果；（8）南化研究院Topsoe,反应器计算程序及A系催化剂动力学研究成果；2.2技术改造的设计思想和措施本改造方案的设计思想要采用的技术先进并稳定可靠：

4、在达到节能和增产目的的前提下，尽可能保持现设备和管道不动； 尽可能保持现合成回路的热量分布和热量平衡；增产副产蒸汽的等级（4.0MPa）与现有系统蒸汽相同，以便于锅炉给水和蒸汽的利用相匹配；2#串接合成塔不应过小，使之在催化剂的前中后期均确保有4%的氨净值，使系统压力降低。以期确实达到既增产又节能的目的。具体措施有：在现有废锅（1#废锅）后面和塔前换热器入口之间串接一台DN1800 H净=18000的氨合成塔（2#合成塔）和一台副产4.0MPa饱和蒸汽的废锅（2#废锅），这样做的原因有以下几点: 在塔前换热器（E1803）入口管处割开接入新增GC-500塔及废锅，该处管道温度仅275，其氢腐蚀

5、并不严重，焊接改造的新管道不成问题，而如果在350400的管道接入，则重新焊接将会对安全性、可靠性产生严重影响。它能很好地保持现有装置的热量分配和热量平衡，1#废锅出口温度为270，直接进入2#合成塔，副产的饱和蒸汽与2#废锅的副产饱和蒸汽一并到现有的蒸汽过热器过热到400的中压蒸汽，这样既没有改变现有的系统设备和管道，同时也可增加部分蒸汽产量，也解决了串塔后的热平衡。选在温度较低的管道位置切入，因为改造部分的管道较大、有的管道温度较高，改动不好会带来多方面的问题，而采用本改造流程对现有设备和管线的改动最少，能够确保改造后的操作稳定性、可靠性。2#合成塔出口温度335，所以2#合成塔和2#废锅

6、的温度以及管道的温度都400，完全可以实现国产化，减少投资。2#废锅的出口温度275进入塔前换热器与冷气温度30换热到70和改造前没有变化，因此塔前换热器仍能保持正常运行，无需改动。2.3工艺说明2.3.1主要技术参数（1）二级余热回收，副产4.0MPa、252饱和蒸汽；（2）主要技术参数生产能力日增加： 280t/d 设计生产能力： 1280t/d经济运行能力： 1100t/d设计压力： 15MPa 1#合成塔入塔温度： 2341#合成塔出塔温度： 4552#合成塔入口温度： 2662#合成塔出口温度： 3351#合成塔入塔氨含量： 2.53%2#合成塔出塔氨含量： 19.23%增加氨净值：

7、 42#合成塔压差： 0.25 MPa软水温度： 186新增废锅蒸汽压力： 4.0MPa2.3.2工艺流程叙述来自塔前换热器（E-1803）的气体分两股，一股由1#合成塔（R-1801）的下封头进入塔内反应；另一股从1#合成塔（R-1801）底部进入内件的中心管到床层的零米调节床层零米温度（开车时这股气通过开工加热炉来使温度达到床层所需反应温度）。反应后的气体由1#合成塔（R-1801）下部进入蒸汽过热器（E-1801）过热1#废锅和2#废锅副产的4.0MPa饱和蒸汽到400，出蒸汽过热器气体温度415后通过1#废锅降至268后分两股。一股为主线进入2#合成塔（R-1801）下部换热器管间与出

8、塔气进行换热，另一股作为付线进入床层零米以调节床层零米温度，出2#塔温度335进入2#废锅（E1808）副产饱和蒸汽后降至275，进入原系统塔前换热器（E-1803）。出塔前换热器（E-1803）的气体70去水冷器。整个系统中4个副线阀门V1-5，如图1所示：V1-2为现有副线阀门，V3-5为新增阀门，改造后V1用来调节2#塔入塔温度；V3为2#塔副线阀调节催化剂床层温度；V4和V2可调节塔前换热器的传热温度，V5可不同生产时期调节2#塔反应量，以实现对整个回路温度的控制。2.3.3工艺流程示意图（见图1）图1 串塔部分流程示意图（虚框内为改造新增部分）2.4技改后的工况2.4.1技改后的主要

9、变化（1）本改造方案是为日产1000吨的TopsoeS-200型氨合成塔系统提高产量，在现有循环量、操作压力变化不大的基础上来提高氨净值，使出口氨含量增加4%，在保持目前循环气量的条件下，最大产量可达到1280吨/天，且能够实现节能降耗的目的。（2）如图1所示，本方案采用在原废锅（E1802）与塔前换热器（E1803）之间串接一台比原塔（R1801）稍小的GC-500合成塔（R1802）和一台卧式废锅（E1808）。增加的合成塔可将氨净值提高4%，系统生产能力可提高10%，循环量又降低13%（即在同等循环量下，系统生产能力可提高30%），这是一种既可增加产量，又可降低系统能耗的创新工艺。而新增

10、废锅后可以在原来的吨氨1.056吨过热蒸汽的基础上增加到1.15吨饱和蒸汽去蒸汽过热器过热，这样的串联形式比较简单、改动量也较小、工艺操作容易且稳定，也没有破坏现有系统的运行特性, 具体情况见改造后的主要物料表。（3）串塔改造后可以在原来的吨氨产1.056吨过热蒸汽的基础上增加到吨氨产1.15吨过热蒸汽，这是因为从系统换热角度考虑,在同样的产量下，系统的反应热基本相同,而增加一个废热锅炉实际上增加了系统内产蒸汽的换热面积；同时由于循环气量的减少，循环气从系统内带走的热量减少，就有更多的反应热在废锅中产生蒸汽。我们通过反复计算，即使在1280吨氨/天的产量下，贵厂蒸汽过热器的换热面积、过热余度等

11、参数，均能满足改造后的蒸汽过热要求。而从装置实际的运行状况看，过热器蒸汽旁路TV1830的开度一般为2040%，说明蒸汽过热器是有很大的热量余度提供给2#废锅产过热蒸汽，这与我们的设计思路和计算结果很相符。（4）由于增加了两台设备，看似系统总阻力要增加，但由于在同等入塔气的基础上增加了氨净值，进入系统附属设备的气量将比原先有所减少，所以附属设备的阻力将有所降低，从而整个系统的阻力基本不增加，甚至会有相应减少。根据管网特性曲线可近似用PR=Pr+AQ2表示的基本原理， PR管网阻力 Pr容器中气体压力 Q管网的体积流量 A管道阻力系数，通过专业的计算软件可计算出，在改造前后各种工况下的系统阻力，

12、具体情况见表2-4。（5）如果改造后补充气量只能满足生产1100吨/天的情况下，则操作压力可以降低1.0MPa左右，可节省压缩机的压缩段功耗，使系统处于节能状况下运行，既增加了产量，又得到节能的效果。当然,也可以在操作压力不变的情况下进行操作,1#塔、2#塔的氨净值可以得到进一步提升，则循环气量可以进一步减少,系统阻力降低，压缩机的循环段功耗可以减少。这两种方法，对于贵厂的压缩机都是可以实现的，具体采用那种方法或者两者共同使用，可根据压缩机的运行状况进行调节。其中1#塔氨净值提高的原因：由于循环气量减少，工艺气在单位体积触媒中的停留时间变长，出塔的平衡氨浓度得到提高。在相同的氨冷冷冻温度条件下

13、，由于循环气量减少，新鲜气在入塔气中所占比重增大，因此入塔气氨含量降低。（6）对于贵公司所担心的离心压缩机性能曲线问题，我们通过贵厂提供的资料和相关渠道了解到，贵厂压缩机属于蒸汽透平驱动的大型压缩机。这种离心压缩机与管网的联合运行中具有以下特点：改变压缩机工况的方法叫调节，由于压缩机运行工况是由压缩机本身和管网性能共同决定的，所以改变运行工况既可以采用改变压缩机性能曲线也可以用改变管网性能来实现。这种大型压缩机可以很方便的实现转速改变的要求，通过转速调节和其他调节方法相配合，可以实现改造后在同等负荷下管网阻力下降、流量减少的调节；其实系统管网的这种改变，在同等的负荷条件下，对于压缩机而言，其负

14、荷相当于比原有设计负荷降低了，而从实际的运行状况来看，合成装置的开车和提负荷过程，是一个逐步提压和提转速的过程，它能够满足低负荷运转的要求，因此贵厂的合成气压缩机完全有能力满足串塔改造的要求。（7）本改造方案选用较大的2#塔串联，阻力低、氨净值高，在补充气量充足的情况下，加大循环量可使产量达到1500吨/天，这为贵厂日后进一步的扩能降耗打下了坚实的基础；即使贵公司的补充气量不能满足要求，也能起到节能降耗的目的，特别是在催化剂使用中、后期（对大型合成氨装置催化剂使用中、后期的时间都较长,一般为6-8年），这种节能降耗的幅度会更加明显！2.4.2改造后系统主要物料表表2-1改造后在1008吨/天的

15、主要物料名 称压力MPa温度流量Nm3/h组成H2N2CH4/HeArNH3入1#塔气体12.923440147671.66%23.89%1.50%0.30%2.65%入蒸汽过热器12.7545335814362.18%20.73%1.68%0.34%15.07%入1#废锅12.7241235814362.18%20.73%1.68%0.34%15.07%入2#塔气体12.7026635814362.18%20.73%1.68%0.34%15.07%出2#塔气体12.5433434613559.138%19.713%1.740%0.348%19.062%出2#废锅12.522753461355

16、9.138%19.713%1.740%0.348%19.062%1#塔产量789.3 t/d2#塔产量218.7 t/d1#废锅产蒸汽 0.8173 t/tNH3 1.1441 t/tNH32#废锅产蒸汽 0.3268 t/tNH3 表2-2改造达1100吨/天的主要物料名 称压力MPa温度流量Nm3/h组成H2N2CH4/HeArNH3入1#塔气体12.923443854371.65%23.88%1.50%0.30%2.67%入蒸汽过热器12.7245339125962.18%20.73%1.68%0.34%15.08%入1#废锅12.6941239125962.18%20.73%1.68%

17、0.34%15.08%入2#塔气体12.6626539125962.18%20.73%1.68%0.34%15.08%出2#塔气体12.4733437815159.132%19.711%1.74%0.348%19.07%出2#废锅12.4527537815159.132%19.711%1.74%0.348%19.07%1#塔产量861.2 t/d2#塔产量238 .8t/d1#废锅产蒸汽 0.8181 t/tNH3 1.1453 t/tNH32#废锅产蒸汽 0.3272 t/tNH3 表2-3改造达1280吨/天的主要物料名 称压力MPa温度流量Nm3/h组成H2N2CH4/HeArNH3入1

18、#塔气体13.923450172671.75%23.92%1.50%0.30%2.53%入蒸汽过热器13.6745844642962.06%20.69%1.69%0.34%15.23%入1#废锅13.6341544642962.06%20.69%1.69%0.34%15.23%入2#塔气体13.5826644642962.06%20.69%1.69%0.34%15.23%出2#塔气体13.4033543145259.008%19.669%1.744%0.349%19.230%出2#废锅13.3827543145259.008%19.669%1.744%0.349%19.230%1#塔产量100

19、7.2 t/d2#塔产量272.8 t/d1#废锅产蒸汽 0.8211 t/tNH3 1.1499 t/tNH32#废锅产蒸汽 0.3288 t/tNH3 2.4.3改造前后主要参数和节能效果对比表2-4改造前后氨合成回路主要参数表序号项目改造前改造后日产1008t日产在1008t日产达1100t日产达1280t1操作压力,MPa14.013.013.014.02入塔氨含量,%2.82.652.672.53出塔氨含量,%15.419.0619.0719.23氨净值,%12.616.4116.416.703入塔气量,Nm3/h5068554014764384695017264出塔气量,Nm3/h

20、4515143461353780774314525蒸汽压力,MPa4.04.04.04.0完全过热蒸汽量,t/tNH31.0561.14411.14521.14986氨冷器出口温度,-12-12-12-127冷冻功耗,KWh/tNH3(冰机出口压力以1.83Mpa计)80636462循环机功耗,KWh/tNH326 182222压缩机功耗,KWh/tNH3948685938系统阻力，MPa0.930.780.921.02.4.4改造后的系统升温还原考虑到贵厂的现有净化系统工艺技术比较先进，新鲜气的净化度较高，1#塔催化剂使用寿命810年是不成问题的，当1#塔催化剂使用至后期因活性衰退，而造成氨

21、净值下降时，2#塔将因有足够的催化剂量仍然能确保系统的总氨产量不减，两台氨合成塔将同时更换触媒，同时升温还原，1#塔使用开工加热炉升温，2#使用电炉升温，这就大大简化工艺流程。2.4.5上述内容得出以下串塔工艺设计特点：（1）提高氨净值，增加氨产量；（2）副产蒸汽量提高；（3）改造比较简便，容易操作；（4）整个系统阻力不增加。2.5设备设计2.5.1新氨合成塔选型新增2#合成塔采用GC型全径向带下部换热器结构的塔型，催化剂床层由两层径向段组成，使气流多次折流，以利与整个触媒相接触，更加有利于合成反应，且阻力15很低，下部换热器为列管式，催化剂可以自卸。塔内流程：由1#废锅来的266的气体从合成

22、塔上部进入合成塔，从内件与外壳之间的环隙向下降低塔壁温度，进入下部列管式换热器管外，与管外的反应气换热至390与塔底进入的副线混合，从中心管至床层零米，然后经径向自外向里流过第一段径向层，然后集中到中心集气套管向下流至第二段径向层的分气管，再自里向外流过下径向触媒层，温度升至450，然后经下部换热器管内，与管外的气体换热后，温度降至335出塔，去2#废锅回收余热后进入原系统塔前换热器。 图2 新增氨合成塔示意图GC-500型1800全径向氨合成塔主要技术参数塔径,mm1800塔型GC-500型1800全径向、下部换热器塔净空高,mm18000催化剂装填量,m325氨净值,%4.0设计压力,MP

23、a15塔阻力,MPa0.252.5.2新废锅选型由于进废锅的温度335，可以采用国内常用技术非常成熟的卧式U型管式废锅，结构简单造价低。2.5.3新设备及管道汇总表序号名称规格数量备注1氨合成塔1800 H18000 V=25m31台2废锅1台卧式32#塔电炉功率1800kw 电压630V1采用可控硅调压器升温还原用42#塔2#废锅14（335）1管线长度根据实际情况确定5塔前换热器2#塔入口6（234）162#塔开工管线8（400）172#废锅付线10（335）182#废锅蒸汽管线6（252）192#废锅软水进口管线3（186）1102#塔付线调节阀8（300）1112#废锅给水调节阀3（1

24、86）1122#塔入塔限流孔板（300）12.6催化剂及还原方法本次改造，在开停车升温还原都是考虑到两塔的同时进行，即1#塔先升温还原，结束后2#塔升温还原，这样1#塔催化剂还原的出水量控制的好坏，关系到2#塔的催化剂的使用活性。1#塔必须选用的预还原催化剂，出水量大大减少，还原时间也缩短，对2#塔催化剂影响缩减到最小，2#塔可以选用氧化态催化剂，最好采用预还原催化剂。国产氨合成催化剂的性能完全达到甚至超过国外水平，并在大化肥使用多年，效果不错，本次改造催化剂使用国产化的A系催化剂。3本方案的可行性与可靠性对于渭化应用串塔工艺及径向合成塔的可行性与可靠性是建立在以下的工作基础上的：（1）大型合

25、成塔及工艺国产化的研究开发已经完成，南化集团研究院合成课题组于1985年完成大型径向氨合成塔的消化吸收课题，其成果通过化工部专家评审后批准通过，随后该课题组又于1990年完成了国家经委下达的大型合成塔国产化一条龙项目，完成了国产化合成塔的基础设计，对大型径向塔的气流分布技术进行实验研究，并创立有自己特色的专有技术，因此在大型塔国产化的软件方面已经基本解决。与此同时南京国昌化工科技有限公司进一步研发工作形成具有我国自主知识产权的多项专利技术，应用于我国100多台氨合成塔的设计与制造中，积累了丰富的工程经验和理论基础。（2）山东瑞星化工有限公司240Kt/a合成装置采用南京国昌化工科技有限公司GC

26、型全径向合成塔，采用串塔工艺进行改造，并一次投产成功，就是我们对于渭化改造成功的可行性和可靠性最为有力的证明。瑞星公司于2006年4月完成串塔工艺的改造，生产能力从原来单塔的520吨/天的增加到串塔后的750吨/天，增产40%，氨净值增加3.54.0%，系统压降还下降了0.2MPa，副产蒸汽量增加20%，吨氨电耗随之下降（详见附件1），这次渭化改造的方案中，即合成塔就是使用瑞星公司的1800，带有下部换热器的全径向合成塔。使用的串联工艺，以及在现有流程的插入点也在塔前换热器的300的管道处。采用的废锅也基本上照搬瑞星公司的U型管卧式废锅。采用同时已积累了成套的开车、升温还原等操作工艺。因此我们

27、很有把握地说渭化改造采用国昌公司的串塔工艺和GC型合成塔，不存在任何风险。近期国昌公司已经将这一工艺申报了专利，同时已被山东肥城化肥厂（20万吨规模，1600合成塔）、山东联盟化工有限公司（25万吨规模，2000串塔）、山西静乐煤焦化有限公司（20万吨规模，1800合成塔）等多家企业所采用。实践证明，该工艺具有增产降耗幅度大、阻力低、投资少、建设周期短、收效快、回报率高、操作安全可靠等特点，是一种节能型氨合成新工艺。（3）关于三类容器的制造，氨合成塔外壳的国产化非常成熟，大型化肥厂在合成塔高压外筒使用上多为热壁容器。例如南化等大化肥的30万吨氨合成系统的合成塔就是热壁塔，高压外筒就是国内配套的

28、，至今使用良好。本改造方案也使用热壁塔，设计温度350，材质为国内大量生产和使用的12Cr2Mo1V，因此本次渭化热壁塔高压外筒的国产化没有问题。（4）4.0MPa400废锅的国产化也非常成熟，本改造方案里的新增废锅使用温度400，在国内已经大量的生产和使用，并有30年以上的经验，使用的材质是1Cr18Ni9Ti或10MoWVNb，使用非常好，国产化完成不成问题。（5）高温大管道的国产化，我国自行开发生产的抗氢钢10MoWVNb、15CrMo等，在400高压氢氮气条件下运行十分良好，因此国内大量使用该材料生产高温抗氢高压管已成功使用30多年，本改造方案里管道使用温度都400，因此完全可以国产化

29、。（6）氨合成塔内件由国昌公司内件专业生产厂专门生产，国昌公司已经生产了从12003000各种压力和工况下的氨合成甲醇合成塔100多台（套）其生产能力和质量不成问题。我国目前无论于大型氨合成塔的技术上还是制造上都已具备全面国产化的条件。4投资估算本方案的投资估算见下表：项 目投 资 额 （万元）设备（合成塔外筒、内件、废锅）1400工艺管道、管件及阀门等240电气、仪表80土建100专有技术费、工艺软件包及技术服务费100安装运输及其他200电炉40不可预见费用100考察费（国内或国外）20合计2280由于本改造对管道改造和要求不高，而且省工节时节钱，设备的运输和安装比较简化，以及静设备费用较国外进口设备及采用国外改造方案做需的总费用要低的多，大致估计是国外费用的一半左右。因此，本方案在投资费用上也有一定竞争力。5经济效益估算5.1 产量增长带来的经济效益：通过物料平衡计算可知，改造后在入塔气量438469Nm3/h的情况下，其氨产量可由原来的1000t/d提高到1100t/d，年可增产合成氨30Kt/a，扣除吨氨的综合成本，每吨氨按净利润为300元计算，则年可增加经济效益：30×1000×300×10-4900万元/年；5.2 吨氨