DNCA型氨合成催化剂应用总结

1、DNCA型氨合成催化剂应用总结山东华鲁恒升化工股份有限公司是年产18万t合成氨，30万t尿素的中型氮肥企业，现有2套合成装置，其中1#合成系统采用1 000mm塔，2#合成系统采用1 000mm塔串800mm塔，两塔均为对向流动单管并流内件。1999年10月，1#合成系统使用3.34.7mmDNCA型催化剂16.35t，使用效果良好。2000年5月和2001年5月，2#合成系统的800mm塔和1000mm塔也开始使用该催化剂。从使用情况可以看出，DNCA型催化剂具有易还原、还原温度低、出水快、产量高、低温活性好等特点。现将DNCA型氨合成催化剂使用情况总结如下。1  1#合成系统工艺

2、流程及设备配置1.1  工艺流程    1#合成系统工艺流程见图1。压缩机六段新鲜气经压进阀控制进入滤油器，分离油水后进入补充气氨冷器，其出口气体与循环气氨冷器的出口气体汇合后进入冷交底部(冷交2入)，气体中冷凝下来的液氨在冷交下部分离器分离后送往球罐。分离液氨后的气体在冷交内上升至上部换热器管间，换热后气体升温至2540，出冷交二出后分2路进入合成塔。一路由塔顶主线进入；另一路由塔底副线进入。主线气体沿内筒与外筒间环隙下行，带走内筒热量，控制塔壁温度小于100，一出气体温度约50，进入塔外热交换器(热交)沿内外筒环隙下行至底部，由内件环隙缺口进入换热器

3、管间向上流动，由热交上部出口导出进入合成塔二入，经合成塔下部换热器的下部环形缺口进入换热器管间换热至300320，出换热器进入中心管与不经换热器的副线冷气体会合后，沿中心管上行至触媒筐顶部分气盒。此时，一部分气体进入上段触媒冷管导气管，下行进入冷管内，升温至400左右，再下行经出口导气管进入下段触媒层进行氨合成反应；另一部分气体沿导气管下行进入下段触媒层冷管，上行升温至400左右，经出口导气管进入上段触媒层进行氨合成反应。两部分气体经过氨合成反应后相对流动至内件中部菱形集气盒汇合，沿中心管的外层套管下行进入下部换热器管内与管外冷气换热，温度由460420降至270320，由合成塔二出进入中锅回

4、收合成反应热量，温度降至180220左右，再进入水加热器进一步降温至110165，出水加热器进入热交顶部三通侧面进入换热器管内下行与管间冷气换热后温度降至5070，从下部二出进入水冷器，温度降至30左右后进入氨分离器，分离液氨后进入透平机进行加压。加压后的气体由冷交一入进入管程与管间冷气体换热后降温至15左右，进入循环气氨冷器形成一次循环。1.2  设备配置    1#合成系统主要设备配置见表1。2  DNCA催化剂2.1  物理特性    DNCA型氨合成催化剂的主要成分为Fe3O4，并含有适量的钴、氧

5、化铝、氧化钾和氧化钙等助剂，其外观为黑色带磁性的不规则颗粒，具有金属光泽。其物理特性见表2。2.2  装填方案    合成塔采用单管并流内件，本着阻力降尽可能小，催化剂利用率尽可能高，温度分布均匀合理，有利于还原的原则，制订了本炉催化剂装填方案。    (1)为了保证开车后的操作平稳，在催化剂装填以前，先将内、外筒清理干净；将中心管、温度计套管、主线气体入口管、内外筒环隙均用棉纱堵好；对测温套管、冷管束、合成塔大盖、内筒小盖和中心管进行校正。    (2)装填前对催化剂进行过筛吹粉，升温还原前用

6、氮气吹扫，以去除催化剂在装填过程中产生的粉尘，防止阻力增大。    (3)触媒筐最下部铺10mm钢球20 000个，以防止触媒粉化、烧结堵塞或漏过钢丝网。由于最下部催化剂实际利用率较低，最上部催化剂易中毒、污染，故在菱形分布器、触媒筐的顶部和底部装有少量大颗粒催化剂，以防止小颗粒催化剂漏出。本次共装填触媒5.5m3，质量为16.35 t。不同粒度催化剂由下而上的分布情况见表3。    (4)催化剂装填应选择在晴天1次装完。在整个装填过程中，装填人员不得将杂物带入塔内，要将催化剂摊平捣实，以防止催化剂床层阻力不均，气体发生偏流，装填完后

7、，及时上好筒盖，封好口。2.3  升温还原2.3.1  还原原理    DNCA型氨合成催化剂的主要成分是四氧化三铁，须还原成金属铁之后才有催化活性，而催化活性的好坏不仅与催化剂本身的组成及制备过程有关，还与催化剂的还原有关。还原反应按下列方程式进行：Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O142kJ2.3.2  升温还原方法    (1)高电炉功率、高空速  催化剂还原从颗粒外表面开始，然后向内部渗透。由于催化剂外部先被还原为-Fe，如果控制得不好，易被水气反复氧化，使触媒活性下降。因此，需要加大

8、空速，快速移走反应生成的水，降低气相水气浓度。    (2)高氢浓度  增加反应物氢的浓度，可促进还原反应进行。    (3)低压力  压力本身对还原没有直接影响，但压力的变化会引起其他条件变化，对还原反应有间接的影响。压力低，水气易从催化剂表面扩散至气流主相，被气流带走。当空速一定时，压力低可以达到较高的容积速度，实现对触媒层的均匀加热，有利于实现低的同平面温差。    (4)低的水气浓度和氨冷温度  水气浓度高，会引起已还原的触媒反复被氧化，影响触媒活性，在满足还原进程条

9、件下，宜尽量控制得较低为好。要达到较低的水气浓度，一方面提温不能太快，空速要大，压力要低；另一方面氨冷温度也要尽量控制得低一些。    (5)低温多出水，低微量，低的同平面温差空速大，晶核形成的速度快，温度高，晶粒成长速度快。因此，在还原初期不宜过早提温，应坚持在较低温度下多出水。低的CO、CO2微量可防止还原好的触媒中毒，在升温还原期间，应严格控制在15×106。低的同平面温差，可保持均衡的床层温升，防止升温过快。    (6)触媒还原结束后，维持一段轻负荷运行的时间，以促进触媒微晶结构稳定。  

10、60; 催化剂在使用中是否具有良好的性能，除了与催化剂化学组分有关外，还与还原过程控制得好坏有关。例如：-Fe晶粒大小、比表面积、孔径分布、助催化剂分布、还原度等指标对催化剂影响较大。因此，升温还原过程中除了有技术熟练的主操作外，还要由有经验的管理人员跟班，根据实际情况调整工况。2.3.3  升温还原方案及指标    每次提温、提压操作不能同步进行，应按照恒温一提温一恒温的步骤阶梯式升温，同时严格控制水气浓度指标，确保升温过程按既定方案进行。升温还原方案及指标见表4。2.3.4  升温还原过程注意事项    (1)

11、升温前对操作人员进行专业培训，明确注意事项，绘制升温曲线表、准备记录报表、分析仪器、药品、防氨面具、橡胶手套等。    (2)系统吹除置换合格后，试压至30MPa，合格后卸压至1.0MPa，向冷交和氨分充氨至液位的50。系统充氨后，补压至5.0MPa，开启透平机运转10min，取样分析NH3的体积分数为1.01.5，合格后即可加电升温。    (3)在系统250时开启氨冷器，系统连续补压时补充气氨冷温度控制在510，触媒升温至100时，注意热电偶变化，以防止温度计导管积水而失灵。    (4)还原主期若遇

12、停电，为保证塔内气体流动，可采用塔后放空的方法，以防止触媒氧化。    (5)在系统温度为300时开始放物理水，每2h放1次直至还原主期。在还原主期每0.5 h放水1次。    (6)末期阶段温度不得超过490，两段触媒层出口温度应尽量提至460，合成塔零米温度达到460。在实际出水量与理论出水量相接近时可认为升温还原结束。2.3.5  升温还原情况    本次1#合成1000mm塔使用DNCA催化剂16.35 t，升温还原时间为109 h，当还原温度达到280时，已开始出水，分析水汽浓度200

13、×106，350时水汽浓度达到2000×106，到380水汽浓度达到4 000×106进入恒温操作，轻负荷运行后操作热点温度为450±5。DNCA和All0升温还原情况对比见表5。3  生产运行3.1  工艺指标    触媒层温度480±5(初期465±5)；塔二出温度350；中锅出口温度210；水加热器出口温度180；系统压差1.2 MPa；n(H2)n(N2)=2.73.0；CH4体积分数1418；循环氢体积分数5458；进口氨体积分数3。3.2  运行情况    整个系统使用DNCA催化剂后，产量由原来的490td增加到520td。触媒使用后期合成塔压差比使用A110型催化剂时低0.5MPa。在进口氨体积分数2.9时，氨净值比使用A110时提高1，DNCA与A110使用效果对比见表6。4  结语    DNCA催化剂在我厂已使用5年，该催化剂具有如下特点：    (1)低温活性好，起活温度低。正常操作中，合成塔入口温度控