全低變工藝的設計與應用

［摘要］文章闡述全低變工藝改造的理論和必要性，對全低變的改造內容、投運情況、經濟效益、設計改進等進行探討。

［關鍵詞］全低變；CO變換；Co-Mo變換催化劑；節(jié)能降耗

［作者簡介］曾紹筆，廣西欽州市大田氣體有限公司工程師，研究方向：化工生產、工藝設計與管理、安全評價，廣西欽州，535000

［中圖分類號］ TQ44 ［文獻標識碼］ A ［文章編號］ 1007-7723（2009）04-0035-0002

一、引言

在合成氨生產中，一氧化碳變換是一個能耗較大的工序。經過幾十年的發(fā)展，合成氨變換工藝的技術水平得到了較大的提高，為合成氨的節(jié)能降耗作出了突出貢獻。柳州化肥廠年增產3萬噸氨、5萬噸尿素變換工段改造項目時，采用全低溫變換工藝代替原有的常壓變換工藝，現(xiàn)已正常運行了8年，各項指標正常，節(jié)能效果顯著，在國內同類企業(yè)中處于領先水平?，F(xiàn)對其設計及運行進行總結。

二、全低溫變換的理論依據(jù)

CO變換旨在將CO轉變?yōu)镠2，其化學反應方程式為：

CO+ H₂O → CO₂+ H₂+43KJ

從上述反應式可知，CO變換反應是放熱反應，反應溫度越低越有利于反應進行，也就越有利于節(jié)能、節(jié)汽、提高設備能力。隨著催化劑性能的日益完善，低溫活性也越來越好，隨之而來的變換工藝也取得了長足的進步，特別是Co-Mo耐硫變換催化劑的開發(fā)成功，給變換工藝帶來了一場革命。顯然，從中變 → 中串低 → 中低低 → 全低變，其節(jié)能效果也越來越好。

三、Co-Mo耐硫變換催化劑的特征

Co-Mo催化劑是將活性成分Co-Mo負載在載體上組成體系。這類催化劑往往加入堿金屬助催化劑以改善其低溫活性，與鐵鉻系催化劑相比主要特征為：

（1）有很寬的活性溫區(qū)，一般為160～500℃，被稱為寬溫變換催化劑。

（2）有突出的耐硫和抗毒性能。

（3）強度高，不易粉化。

（4）壽命長，一般可使用5年左右，也有應用10年以上的例子。

四、改造內容

（一）工藝流程改造

柳化廠設計的全低溫變換流程見圖1。

工藝流程主要改造措施：

1.飽和熱水塔前設氣體過濾器，除去半水煤氣中少量的灰塵和油分，減少進入變換系統(tǒng)的灰塵，保護低溫催化劑；并定期用熱水塔排放的熱水沖洗，使吸附的灰塵排出器外。

2.熱水塔補充水采用脫鹽水，降低循環(huán)熱水的含固量。

3.增濕器采用脫鹽水冷激，保護催化劑活性。

（二）主要設備

1.主要設備一覽表（見表1）

2.主要設備的特點

（1）變換爐采用無耐熱混凝土襯里結構設計。由于全低溫變換的床層溫度比傳統(tǒng)中溫變換和中變串低變流程的床層溫度低100～200℃，因而對材質要求有所降低，也為變換爐采用無襯里設計提供了依據(jù)。在設計中，我們結合柳州化肥廠半水煤氣中氧含量有時超標達0.8%的特點，變換爐一段按21MPa、450℃設計，筒體和封頭采用16MnR/15CrMoR鋼和無內襯結構。實際運行表明，在滿負荷生產情況下，一段操作溫度為380℃，爐壁溫度低于變換爐的強度和穩(wěn)定性良好；在停車3天的情況下，觸媒層溫度才降至340℃。這種無襯里設計既能保證安全穩(wěn)定連續(xù)滿負荷生產，又能保證短期停車后再開車的要求；同時，爐直徑比同規(guī)模的變換爐減少0.8m，可縮短施工周期，節(jié)約鋼材和投資。

（2）飽和熱水塔采用規(guī)整填料設計。該塔是變換系統(tǒng)中回收熱量的主要設備，根據(jù)節(jié)能原理，強化飽和熱水塔的傳熱、傳質性能非常重要。規(guī)整填料是我國近期開發(fā)的新型填料，它具有比表面積大、阻力小等特點，目前多用于石油蒸餾等行業(yè)，用于中型氮肥廠飽和熱水塔作為增濕、降溫在國內尚無先例。生產實踐表明，將規(guī)整填料用于飽和熱水塔，在滿負荷生產時，熱水塔變換氣出口溫度只有80℃左右，比同規(guī)模不用規(guī)整填料時的出口溫度降低約10℃；飽和塔半水煤氣出口溫度提高到130℃，比不用規(guī)整填料時提高約5℃，說明回收余熱是顯著的。由于采用規(guī)整填料，塔徑可比同規(guī)模的減少0.8m，節(jié)省了大量不銹鋼材料和投資成本。

3.生產控制水平

根據(jù)柳化廠的具體情況，采取車間集中控制與動力設備就地集中控制相結合的控制方案。全低變裝置設置了較完善的檢測、自動調節(jié)系統(tǒng)及必要的信號聯(lián)鎖保護系統(tǒng)，并采用集散型控制系統(tǒng)（DCS）。

五、改造后的效果

（一）能耗顯著減少

改造前后變換工段能耗如表2所示。

由表2可知，改造后噸氨總能耗為11.973GJ，比改造前節(jié)省了4.438GJ，折標煤約151Kg/tNH³。

（二）操作平穩(wěn)，操作費用低

由表2看出，改造后噸氨操作費用比改造前的常壓變換降低133.28元。

（三）投資省

針對柳化廠的具體情況，在設計中盡量利用原有設備、管線和公用設施，全低溫變換（包括新上一套變換裝置、一臺3D22壓縮機和變換氣改造）投資為1589.72萬元。雖然比投資常壓變換改造投資增加608萬元，但是，如果常壓變換系統(tǒng)為達到8萬噸氨能力而投入幾百萬元，將來再改為加壓變換，將造成很大的浪費，這顯然是不合理的。

柳化廠年增產3萬噸氨5萬噸尿素變換工段改造設計項目，經過8年的的實踐檢驗，證明其工藝先進可靠、經濟合理、節(jié)能效果顯著，在國內同類型企業(yè)中處于領先水平。

［參考文獻］

［1］林瑩.合成氨系統(tǒng)變換工藝的選擇［J］.石油化工應用，2008，（8）.

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