湖南金信化工有限公司合成氨生產(chǎn)能力為 18萬t／a，有2套相對獨(dú)立、流程相同的裝置。由壓縮機(jī)五段來的凈化氣，經(jīng)甲醇塔反應(yīng)除去部分CO后，尚有少量CO、CO₂、O₂、H₂S、油污、甲醇等有害雜質(zhì)，其體積分?jǐn)?shù)中：CO≈3.0％， CO₂≈0.6％。凈化氣的精煉由銅洗系統(tǒng)完成。經(jīng)水洗、銅洗、氨洗后，雜質(zhì)總含量<30×10^－6的精煉氣返回壓縮機(jī)六段，加壓到31.4MPa，再送到氨合成塔合成氨。

    銅洗系統(tǒng)曾是金信公司合成氨生產(chǎn)的“瓶頸”，主要表現(xiàn)為：①原料氣通量不能滿足壓縮系統(tǒng)(共9機(jī))的負(fù)荷，使氣體凈化能力不足；②系統(tǒng)生產(chǎn)不穩(wěn)定，操作彈性小。當(dāng)進(jìn)入系統(tǒng)的原料氣雜質(zhì)含量超標(biāo)時(shí)，調(diào)節(jié)能力非常有限，經(jīng)常引起氨合成系統(tǒng)不能正常運(yùn)行。為此，金信公司從2000年起，逐步完成了銅洗系統(tǒng)1^#、2^#裝置的綜合改造。

2.1  規(guī)整填料改造銅塔

2.1.1  改造方案

    銅塔是系統(tǒng)吸收CO、CO₂的關(guān)鍵設(shè)備，其內(nèi)件為鮑爾環(huán)散堆填料。由于該填料傳質(zhì)效果欠佳，操作彈性小，導(dǎo)致銅塔吸收效果和效率較差，氣體處理能力不足，系統(tǒng)生產(chǎn)不穩(wěn)定。操作中，為提高銅液吸收效果，常采取加大銅液循環(huán)量的辦法，6臺(tái)銅液泵全部投入運(yùn)行，造成銅泵的維護(hù)管理無序。同時(shí)，銅液量加得過大，易引起銅塔帶液事故。因此，需采用高效填料改善銅塔現(xiàn)狀。

    經(jīng)過技術(shù)招標(biāo)，選定了天津天大天久公司的改造方案。該方案為：①采用規(guī)整填料更換原鮑爾環(huán)填料；②塔體外殼及管口大小、方位維持現(xiàn)狀(見圖1)；③銅塔內(nèi)共裝設(shè)兩段規(guī)整填料，總高度與原塔一致；④在上、下段填料頂部分別設(shè)置液體分布和再分布裝置；⑤在氣體進(jìn)、出口分別設(shè)置分布裝置和除沫裝置；⑥塔內(nèi)件不與塔壁焊接，依靠再分布器和稍加改制的原填料支架支撐上、下段填料；⑦塔內(nèi)原氣體和液體進(jìn)口分別與新內(nèi)件焊接或法蘭連接。

2.1.2  技術(shù)措施

    為使銅塔達(dá)到吸收(傳質(zhì))的高效性及良好的工藝操作性能，改造中采取了以下技術(shù)措施：

    (1)采用JKB250-Y型規(guī)整板波紋填料。與散堆鮑爾環(huán)填料相比，該填料具有優(yōu)良的傳質(zhì)效率、壓降性能和操作彈性(見表1)。同時(shí)該填料具有較好的自分布作用，消除了散堆填料易造成的偏流、溝流等弊端，有效地提高了吸收效率。

    (2)采用二級槽式液體分布器。在保證填料頂端具有滿意的銅液初始分布、較大的氣相通道、操作彈性和較小阻力的同時(shí)，還具有較好的過濾銅液、防堵和不易造成霧沫夾帶、泡沫的性能，為發(fā)揮填料的高效吸收作用創(chuàng)造良好條件。

    (3)采用液體自分布填料，可有效地減少和防止銅液壁流，并改善塔內(nèi)液體的分布，使填料保持較高的吸收效率。

    (4)采用專利技術(shù)的槽盤式液體再分布器，具有較好液體再分布和氣體再分布性能，為上、下段填料的功能發(fā)揮提供了有利條件。

    (5)采用與液體分布器相配的填料壓圈，既可以固定填料，又可以使吸收液最大限度地達(dá)到均勻分布的狀態(tài)。

    (6)采用特制的氣體分布器，使氣體進(jìn)銅塔后初始分布均勻，降低了因氣體分布不均勻產(chǎn)生的液體偏流。

2.1.3  改造效果

    (1)運(yùn)行狀況  1^#、2^#銅塔改造后的運(yùn)行狀況良好(見表2)，滿足了生產(chǎn)工藝要求，為氨合成系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供了良好的條件。主要表現(xiàn)在：①經(jīng)受了各種低、高負(fù)荷工況，氣體通量分別達(dá)到了最大47 500、43 500m³／h的系統(tǒng)要求；②在最大工況下，單系統(tǒng)開2臺(tái)銅泵即可使微量達(dá)到正常，銅液循環(huán)量降低了1／3。如果CO、 CO₂偏離工藝指標(biāo)，開3臺(tái)銅泵(銅液量為54 m³／h)也可正常運(yùn)行。

    (2)節(jié)能降耗  改造后，減少了銅液循環(huán)量，年節(jié)支銅泵運(yùn)行電費(fèi)36萬元；銅液再生時(shí)系統(tǒng)的蒸汽消耗下降了1.35t／h，全年節(jié)約蒸汽消耗96萬元；銅液再生后所需的氨冷凍量減少約 167.5萬kJ／h，減少冰機(jī)電耗約240kW·h／h，系統(tǒng)全年節(jié)支約87萬元。銅塔改造后，每年可獲直接效益約219萬元，其投資回收期為：25／219＝0.11(年)。

2.2  銅液過濾改用微孔管技術(shù)    

2.2.1存在的問題

    由于出銅塔的銅液再生后，含有微量懸浮物雜質(zhì)，原系統(tǒng)一直沿用絲瓜絡(luò)作為過濾材料以去除其雜質(zhì)。該法存在以下弊端：

    (1)過濾效果較差、效率較低，進(jìn)銅塔銅液  長期不能達(dá)到銅洗系統(tǒng)的要求，制約了銅液對氣體雜質(zhì)的吸收效果，限制了系統(tǒng)的氣體處理量。

    (2)易引發(fā)事故。絲瓜絡(luò)在使用初期，因其中含有較多灰塵，加劇了銅液的污染，不僅降低了銅塔的吸收效果，還易引起銅液發(fā)泡。

    (3)使用壽命較短、更換不方便。絲瓜絡(luò)使用較久后，大量的油漬附在其表面上，既造成飽和失效，又增加阻力，故每年必須更換絲瓜絡(luò)。

    (4)過濾效果不能適應(yīng)銅塔內(nèi)件改造后的要求。由于規(guī)整填料的波紋板片之間的間隔較小，如果銅液較臟，很容易發(fā)生堵塞現(xiàn)象，使氣體偏流。要使規(guī)整填料不被堵塞并長周期運(yùn)行，進(jìn)塔銅液質(zhì)量指標(biāo)要求必須遠(yuǎn)高于散堆填料，而絲瓜絡(luò)過濾器很難達(dá)到要求。

2.2.2  改造措施

    針對以上問題，銅液過濾改用了微孔過濾新技術(shù)，將原絲瓜絡(luò)過濾器更換成微孔管過濾器。該改造總投資為16萬元，改造方案由溫州東甌微孔過濾器公司提出，過濾原理見圖2。改造采用了旁路過濾，即逐步完成系統(tǒng)銅液清潔處理的工藝流程(見圖3)。

    微孔過濾的關(guān)鍵元件是微孔管，工作時(shí)，銅液從過濾液進(jìn)口進(jìn)入，由于壓力差的存在，迫使銅液流向微孔管。此時(shí)，微孔管管壁上的超細(xì)小孔起篩網(wǎng)作用，銅液穿越管壁后匯集到過濾溶液出料口流出，雜質(zhì)被阻擋在管外形成濾渣，由渣料出口定期排出，從而實(shí)現(xiàn)銅液過濾分離。微孔管工作一段時(shí)間后，其管外壁上附著的濾渣使阻力增大，過濾效率急劇降低，此時(shí)，通過反向或正向沖洗使微孔管再生后，又可繼續(xù)過濾。

2.2.3  改造效果

    (1)過濾效果好，效率高(見表3)。微孔管過濾粒度達(dá)0.3～0.5μm，分離效果可達(dá)90％以上，由于改造中根據(jù)用戶銅液特性試驗(yàn)選取了合適的微孔管及其過濾器，因此過濾效果完全滿足銅塔規(guī)整填料改造后對銅液更高的品質(zhì)要求。

    (2)出口銅液不發(fā)泡。由于微孔過濾后銅液非常清潔，銅塔帶液和再生系統(tǒng)運(yùn)行不正常的事故再未發(fā)生，消除了安全隱患。

    (3)操作方便。過濾管再生時(shí)就地處理，不需拆卸設(shè)備，方便快捷、操作簡單，經(jīng)過再生處理后，過濾效果可恢復(fù)如初。與此同時(shí)，過濾物渣料可及時(shí)排出，能保持系統(tǒng)生產(chǎn)的連續(xù)穩(wěn)定。

    (4)使用壽命長。該過濾法屬于物理過濾，不改變?nèi)芤涸�有成分，避免了易飽和失效的難題。由于不需更換過濾材料，微孔管使用壽命可達(dá)3～5年，因此檢修周期明顯增長。

 

2.3  開辟再生系統(tǒng)新熱源

    銅洗再生系統(tǒng)自投產(chǎn)以來，銅液還原、再生所需的熱源一直采用熱電鍋爐系統(tǒng)生產(chǎn)的低壓過飽和蒸汽(0.2MPa，200～250℃)，雖然能有效地保證再生系統(tǒng)所需的熱量，但由于蒸汽耗量較大(8～10t／h)，成本較高。合成氨系統(tǒng)3^#甲醇塔投產(chǎn)后，其副產(chǎn)的中置鍋爐蒸汽供銅洗系統(tǒng)使用，但仍需消耗低壓蒸汽8t／h左右，再生系統(tǒng)成本仍然偏高。

    為降低成本，將尿素系統(tǒng)三飽蒸汽引作再生系統(tǒng)熱源。雖然該溫度相對較低(0.3MPa，140℃)，但由于再生系統(tǒng)工作溫度(73～80℃)遠(yuǎn)低于三飽蒸汽溫度，因此引接三飽蒸汽可以滿足要求。廢熱蒸汽引用后，可節(jié)約低壓蒸汽1t/h按裝置年運(yùn)行330天，低壓蒸汽45元／t計(jì)，該改造  每年可節(jié)約成本35萬元。

2.4  銅液再生器的氣相腐蝕問題

    該設(shè)備為臥式容器，碳鋼材質(zhì)，在1^#、2^#系統(tǒng)2套裝置的運(yùn)行中均出現(xiàn)同樣的問題：與再生氣氣相空間接觸的容器上部內(nèi)壁腐蝕速率較大，而與銅液接觸的下部內(nèi)壁基本上不腐蝕。為此，每次大修期間對其腐蝕嚴(yán)重的部位采取挖補(bǔ)措施。長年的挖補(bǔ)，已危及系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

    引起設(shè)備上部腐蝕的主要原因是容器上部長期存在較濃的CO₂、碳酸與氧氣共存條件下構(gòu)成碳鋼的嚴(yán)重腐蝕環(huán)境。由于再生氣中含有CO₂ (12％)、O₂(1％)和微量水蒸氣，因此與上部器壁接觸的還有少量碳酸。查閱文獻(xiàn)可知，較濃的CO₂和碳酸在有氧條件下可構(gòu)成碳鋼的嚴(yán)重腐蝕源。因此改造設(shè)計(jì)中，將與氣相接觸的殼體材料改為耐酸不銹鋼結(jié)構(gòu)，其余仍然采用碳鋼，既解決了腐蝕問題，又節(jié)約了改造投資。

2.5  銅液水冷系統(tǒng)冷卻效果

    在夏季，銅液水冷器的出口溫度高達(dá)54℃，與工藝指標(biāo)值(≤40℃)偏離較大。為降低入銅塔銅液溫度，需加大銅液水冷后的銅液氨冷器的負(fù)擔(dān)，相應(yīng)地也加重了冰機(jī)的負(fù)荷，不利于系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。   

    為改變銅液水冷系統(tǒng)的被動(dòng)狀況，將閑置的原冰機(jī)板式換熱器修復(fù)，與列管式銅液水冷器并聯(lián)使用。由于板式換熱器運(yùn)行效果良好，在炎熱環(huán)境中也能控制銅液溫度在45℃，替代了原列管水冷器。    

2.6  更新改造2^#吸氨塔

    再生氣吸氨裝置中，2^#吸氨塔存在的問題：

    (1)局部腐蝕嚴(yán)重  該塔材質(zhì)為16MnR，其底部設(shè)計(jì)了高1.5m的入塔再生氣緩沖空間，再生氣吸氨處理后產(chǎn)生的稀氨水在緩沖空間頂側(cè)流出。該裝置運(yùn)行不到7年，塔器底部的緩沖區(qū)出現(xiàn)了嚴(yán)重腐蝕和泄漏現(xiàn)象。由于該段簡體內(nèi)壁雖然與干氣相的再生氣接觸，但其頂部的稀氨水造成內(nèi)壁為濕性環(huán)境，因此腐蝕的主要原因是該部位較濃的CO₂和碳酸在有氧條件下構(gòu)成碳鋼的嚴(yán)重腐蝕環(huán)境所引起。

    (2)氣體通量受限  該塔在高負(fù)荷工況下，盡管加大了噴淋水量，塔壁溫度還是較高，而且吸氨效果不理想。主要原因是由于塔徑(￠700 mm)太小，填料裝填量較少所致。

    在2^#吸氨塔改造中，采取的措施為：①減少緩沖區(qū)；②防止?jié)釩O₂和碳酸在有氧條件下構(gòu)成碳鋼的嚴(yán)重腐蝕環(huán)境產(chǎn)生；③塔底材料改為耐酸不銹鋼；④適當(dāng)放大了塔徑，并增加填料高度。

    改造后，運(yùn)行效果良好，既消除了安全隱患，制止了嚴(yán)重的浪費(fèi)，又使該設(shè)備與系統(tǒng)配套。

    銅洗系統(tǒng)實(shí)施綜合改造后，有效解決了原系統(tǒng)2套裝置中存在的問題，并使該系統(tǒng)對合成氨原料氣的精煉能力與氣體壓縮系統(tǒng)的最大出氣量相適應(yīng)，消除了合成氨裝置的“瓶頸”，實(shí)現(xiàn)了裝置生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，取得了顯著的節(jié)能、降耗效果。