【正文】 轉(zhuǎn)化催化劑使用技術(shù) 講 座 西 南 化 工 研 究 設(shè) 計(jì) 院 四 川 天 一 科 技 股 份 有 限 公 司 1 目 錄 前 言 Ⅰ 轉(zhuǎn)化催化劑的裝填及蒸汽鈍化 Ⅱ 轉(zhuǎn)化催化劑還原技術(shù)要求 Ⅲ 轉(zhuǎn)化催化劑運(yùn)轉(zhuǎn)中活性與強(qiáng)度損傷原因分析 2 前 言 自七十年代后我國(guó)相繼引進(jìn)和建設(shè)了一大批大、中型合成氨裝置，這批裝置與國(guó)內(nèi)其它中、小型廠相比，具有技術(shù)先進(jìn)、能耗低、經(jīng)濟(jì)效益高的特點(diǎn)，如 80 年代初引進(jìn)的以AMV 工藝為主體的河南中原化肥廠 總能耗可減少到 ，采用美國(guó) S F 布朗公司的深冷凈化法的涪陵 816 廠、錦西化肥廠、合江化肥廠、新疆烏石化廠等總能耗為 GJ/T 氨。但與先進(jìn)國(guó)家相比差距仍比較大。占我國(guó)合成氨總產(chǎn)量的 60%的中、小型廠基本上仍使用 60 年代的技術(shù)。七十年代初引進(jìn)的十二套大型合成氨廠能耗仍徘徊在 40 GJ/T氨，這些廠設(shè)備需要更新，還需要及正在引進(jìn)部分先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行節(jié)能改造。 轉(zhuǎn)化爐是合成氨廠、制氫廠的關(guān)鍵設(shè)備，其投資高，能量損失大，轉(zhuǎn)化工段能量損失占總能耗的 50%以上，因而節(jié)能措施很大部分集中在一段轉(zhuǎn)化爐，如 降低一段爐 H2O/C，回收煙氣余熱，將一段爐由外供熱式改造為換熱式，與節(jié)能工藝想適應(yīng)的新型節(jié)能轉(zhuǎn)化催化劑的研制等。 采用先進(jìn)節(jié)能工藝對(duì)企業(yè)進(jìn)行改造的同時(shí)，應(yīng)充分發(fā)揮現(xiàn)有企業(yè)的生產(chǎn)能力，挖潛革新，使裝置作到穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)降低能耗及生產(chǎn)成本，提高氨生產(chǎn)能力的目標(biāo)。 轉(zhuǎn)化催化劑的使用性能直接影響氨廠的運(yùn)轉(zhuǎn)率，而且會(huì)影響轉(zhuǎn)化爐管及設(shè)備的壽命，使催化劑處于最佳性能狀態(tài)，是保證氨廠、制氫廠長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。 本講義擬從催化劑的裝填及催化劑的氧化還原等兩個(gè)關(guān)鍵操作步驟探討如何使催化劑處于最佳 性能狀態(tài)。 本講義的各章節(jié)是獨(dú)立的，并無相互關(guān)連，敬請(qǐng)參考閱讀。 3 Ⅰ 轉(zhuǎn)化催化劑的裝填與蒸汽轉(zhuǎn)化 一、 轉(zhuǎn)化催化劑的裝填 目前一些氨廠（包括大型氨廠）因轉(zhuǎn)化催化劑裝填質(zhì)量差而影響轉(zhuǎn)化工段的工藝指標(biāo)，轉(zhuǎn)化爐管出現(xiàn)熱斑、熱管，甚至被迫全系統(tǒng)停車的事例時(shí)有發(fā)生。 例如：某廠裝填完一段轉(zhuǎn)化催化劑后，提供的壓力降測(cè)試結(jié)果偏差在 20%～ +20%之間的爐管數(shù)占爐管總數(shù)的 1/4（要求不超過 5%）。開車后，一段出口組份中 CH4含量超標(biāo)，被迫將出口溫度提高 10～ 15℃操作。運(yùn)轉(zhuǎn)半年左右接近十分之一的爐管出現(xiàn)花斑，停車將這部分 爐管的催化劑更換后，整爐催化劑的活性比該廠開工以來任何一爐催化劑（包括同型號(hào)催化劑）活性好。表明催化劑本身的活性好，且在重新還原后催化劑的活性得以發(fā)揮。運(yùn)轉(zhuǎn)初期出現(xiàn)的問題是由于催化劑裝填質(zhì)量差造成。 1. 因裝填質(zhì)量差影響轉(zhuǎn)化工段運(yùn)轉(zhuǎn)的原因分析 （ 1）轉(zhuǎn)化催化劑的裝填應(yīng)以實(shí)際的氣流分布均勻?yàn)闇?zhǔn) 一段轉(zhuǎn)化催化劑裝填在數(shù)百根垂直懸掛的轉(zhuǎn)化管中，裝填以保證氣體能夠均勻地分配到各轉(zhuǎn)化管為目的。盡管在每根爐管內(nèi)裝入了相同體積、相同重量的催化劑，若各爐管相同高度催化劑裝填均勻度相差較大，同樣不能保證運(yùn)轉(zhuǎn) 中氣流分布均勻。 工業(yè)裝置在催化劑裝填完畢后，一般用逐個(gè)向管內(nèi)通入固定壓力空氣的方法來測(cè)定各爐管的壓力降，以全部爐管之間壓力降的偏差在177。 3％～ 5%以內(nèi)作為考核裝填質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)得的壓力降并不是各轉(zhuǎn)化管的實(shí)際壓力降數(shù)值，且工廠尚未開工，空氣的壓力與實(shí)際操作壓力偏離較大，此壓力降僅代表各爐管之間壓力降的相對(duì)值。所以保證實(shí)際的氣流分布均勻是十分重要的。 工廠在進(jìn)行轉(zhuǎn)化催化劑裝填時(shí)常常忽略了一段轉(zhuǎn)化爐管實(shí)際直徑小，長(zhǎng)度長(zhǎng)（約 10～12 米），使得不同爐管相同高度催化劑裝填很難作到一致的特點(diǎn)。有時(shí)測(cè)得壓力降的偏差均在 指標(biāo)范圍內(nèi)，運(yùn)轉(zhuǎn)后氣流分布仍然不均勻，其原因是轉(zhuǎn)化管不同高度上所裝催化劑的松緊程度不同仍可保證空氣檢查時(shí)總的壓力降相同。當(dāng)投入正常運(yùn)轉(zhuǎn)，氣體體積及空速增加時(shí)，由于相同高度上催化劑的松緊程度不同，實(shí)際的壓力降是不同的，從而影響氣流分布。為保證實(shí)際的氣流分布均勻，采取分層裝填、分層檢查，以確保轉(zhuǎn)化管在相同高度上有基本相同的空隙率和壓力降。同時(shí)應(yīng)注意壓力降測(cè)試時(shí)，孔板前壓縮空氣的壓力（一次壓力）維持恒定并盡量采用較高的壓力。在相同基準(zhǔn)條件下，測(cè)得的壓力降相對(duì)值才能比 4 較真實(shí)的反映催化劑裝填的均勻程度。 （ 2） 催化劑裝填不 均勻會(huì)影響轉(zhuǎn)化工段的運(yùn)轉(zhuǎn) 催化劑裝填不均勻，在裝填運(yùn)轉(zhuǎn)初期就會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)化工段的運(yùn)轉(zhuǎn)有影響。 在催化劑進(jìn)行活化（還原）時(shí)，裝填不均勻的爐管顏色與正常爐管顏色有差別，同一根爐管可能顏色深淺不同，反應(yīng)量、反應(yīng)速度均不同。局部地區(qū)反應(yīng)量少，吸熱量少，在外部供熱相同情況下，爐管顏色發(fā)紅出現(xiàn)熱斑，若裝填不慎，堵塞了尾管或催化劑支承板上的孔以及裝填時(shí)催化劑下落高度高而引起催化劑破碎，爐管內(nèi)氣體流量受到限制，反應(yīng)不能正常進(jìn)行，整根反應(yīng)管管壁溫度升高，出現(xiàn)熱管。 熱斑、熱管不但會(huì)影響正常的轉(zhuǎn)化過程，而且會(huì)造成局部超溫，使 催化劑的活性、強(qiáng)度受到損傷。對(duì)爐管壽命帶來不利影響，額外的溫差應(yīng)力會(huì)縮短爐管的壽命。對(duì)于活性、強(qiáng)度已受到損傷的催化劑，抵抗硫等毒物中毒的能力減弱，在一定條件下容易被硫中毒，且結(jié)碳反應(yīng)容易發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)將迫使裝置停車。 有時(shí)裝填不均勻程度在催化劑活化階段表現(xiàn)不明顯（或未注意觀察），當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的操作條件突變時(shí)，如溫度、壓力調(diào)節(jié)速度過快；原料氣組份波動(dòng)；原料氣硫含量增高或脫硫效果差；入口 H2O/C 比瞬間失調(diào)等就會(huì)明顯地表現(xiàn)出來。首先出現(xiàn)部分轉(zhuǎn)化管花斑，甚至熱帶，進(jìn)而工藝指標(biāo)不能達(dá)到要求，轉(zhuǎn)化氣組份中的 CH4含量增加。 所以穩(wěn)定操作亦是保證裝置長(zhǎng)周期運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件。 2. 轉(zhuǎn)化催化劑的裝填質(zhì)量是運(yùn)轉(zhuǎn)中充分發(fā)揮催化劑性能，延長(zhǎng)催化 劑使用壽命及爐管壽命的關(guān)鍵。 轉(zhuǎn)化催化劑的裝填是一項(xiàng)十分重要、細(xì)心和嚴(yán)格的工作。需要把握好每一關(guān)鍵步驟。催化劑裝填應(yīng)注意下述要點(diǎn)。 （ 1）轉(zhuǎn)化催化劑的裝填質(zhì)量應(yīng)以實(shí)際氣流分布均勻?yàn)闄z驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。 （ 2） 實(shí)際裝填時(shí)松緊程度差距較大（約 10～ 15%），且爐管內(nèi)徑有微小的差異，所以裝填時(shí)應(yīng)以重量為主，兼顧高度，需規(guī)定裝填高度的誤差范圍。 （ 3） 分層裝填、分層檢查，以使轉(zhuǎn)化管在相同高度 上有基本相同的空隙率和壓力降。 （ 4） 要保證催化劑不得在 米以上高度自由下落，使裝入的催化劑保持完整的顆粒。 （ 5） 催化劑裝填完畢后，進(jìn)行壓力降測(cè)定時(shí)應(yīng)保證空氣有足夠的壓力及流量，以產(chǎn)生與操作壓力降近似的壓力降，并需在空氣壓力穩(wěn)定的條件下進(jìn)行測(cè)量。 5 二、轉(zhuǎn)化催化劑的氧化 1. 氧化對(duì)催化劑性能的影響 氨廠用水蒸汽作為轉(zhuǎn)化過程的重要工藝氣，同時(shí)以水蒸汽作為轉(zhuǎn)化催化劑的氧化介質(zhì)，在裝置停車時(shí)，水蒸汽使催化劑緩慢氧化成一層鈍化膜，阻止還原鎳被進(jìn)一步深度氧化，對(duì)催化劑起保護(hù)作用。在裝置開車 時(shí)水蒸汽作為升溫介質(zhì)使催化劑升溫到活化溫度，對(duì)催化劑同時(shí)進(jìn)行了氧化。