耐硫變換催化劑升溫硫化改進建議

王立群

(黑龍江龍煤東化有限公司,黑龍江鶴崗 154111)

筆者自1992年參加工作以來,一直從事合成氨廠CO變換工作。在多年的生產(chǎn)實踐中總結(jié)出一些CO耐硫變換催化劑升溫、硫化經(jīng)驗。筆者從黑龍江浩良河化肥廠、吉林長山化肥廠、內(nèi)蒙古東能化工廠、內(nèi)蒙古赤峰化工廠的初步設(shè)計和詳細設(shè)計中了解到,變換系統(tǒng)升溫、硫化仍然采用傳統(tǒng)的工藝。最近由于工作變動來到黑龍江龍煤東化公司從事工程前期建設(shè)工作,主要負責水煤漿氣化工藝。由于以前從事CO變換工藝,所以對龍煤東化公司變換工藝也進行了認真研究。筆者從“黑龍江龍煤東化年產(chǎn)300 kt合成氨初步設(shè)計”中看到,變換升溫硫化系統(tǒng)設(shè)計基本上是采用傳統(tǒng)的工藝,此工藝設(shè)計較復(fù)雜,操作難度大,并從概算中得知,此系統(tǒng)的整個投資大約為500萬元,投資金額較大。基于以上種種原因,筆者始終不懈地努力去探討和完善該系統(tǒng)。特別是2010年9月份我公司組織赴外地考察學(xué)習(xí)時,我們重點考察了大連大化、安徽淮化等合成氨廠變換催化劑硫化方式,之后更加確信我們所提出的升溫硫化方案是完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)方案的。此方案不僅可節(jié)約大量投資,操作簡捷,同時對系統(tǒng)安全運行更有利。

1 傳統(tǒng)變換升溫硫化應(yīng)具備的條件

以往變換升溫硫化時一般都需要以下條件:

(1)升溫必備加熱器(爐);

(2)升溫載氣;

(3)硫化物(H2S、CS2)及氫氣等。

這三者缺一不可,否則不可能完成升溫硫化以及開車工作。所以傳統(tǒng)的升溫工藝流程都是按照上述要求配置的。傳統(tǒng)的升溫硫化流程見圖1。

圖1 原設(shè)計變換硫化系統(tǒng)流程圖

2 變換催化劑升溫硫化系統(tǒng)改進

筆者提出的建議是在遵循傳統(tǒng)升溫硫化原則的前提下,進行改進。

2.1 升溫加熱器改進方案

方案1

在變換系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備配置的基礎(chǔ)上,把升溫蒸汽加熱器挪到變換框架區(qū)內(nèi)使用,可以縮短和簡化公用流程(圖略)。

方案2

在變換系統(tǒng)現(xiàn)有設(shè)備配置的基礎(chǔ)上,取消升溫蒸汽加熱器,同時把煤氣加熱器改為兩用,既操作簡單,勞動強度小,減少投資成本,需要升溫時又可以在其換熱器管間通蒸汽,提供熱源當加熱器使用;而在正常生產(chǎn)時,恢復(fù)到煤氣加熱功能即可(圖略)。

以上方案對比,方案2在操作強度和投資成本上比方案1有明顯的優(yōu)勢。

2.2 關(guān)于氮氣鼓風機問題

“設(shè)計包”中鼓風機設(shè)計打氣量為47600 m3/h,功率450 kW·h,壓力為0.7 MPa。根據(jù)我們多年的生產(chǎn)經(jīng)驗和其他工廠變換催化劑升溫硫化情況,在升溫過程中不需要用這么多的氣,實際用量在10000 m3/h左右。因此,建議取消氮氣鼓風機,之后升溫直接采用空分裝置提供的0.45 MPa氮氣。低壓氮氣在變換爐升溫硫化時其他車間基本不用,所以此方案也是可行的。

2.3 關(guān)于硫化催化劑的供煤氣方式問題

擬定設(shè)計硫化用的粗煤氣來自氣化爐,經(jīng)過升溫系統(tǒng)的煤氣冷卻器和分離器后再送到蒸汽加熱器入口。針對這種供煤氣方式,提出改進建議:將由造氣來的濕煤氣經(jīng)新配DN65管線(變換入口閥前)繞開變換爐系統(tǒng),直接送到變換爐系統(tǒng)切斷閥之后,依次經(jīng)過水冷器和分離器,冷卻后的煤氣通過新增的DN65管線,再回到變換系統(tǒng)的煤氣加熱器入口。改造后煤氣壓力和流量可根據(jù)催化劑硫化情況任意調(diào)節(jié)。

3 開發(fā)此工藝的操作優(yōu)勢和經(jīng)濟優(yōu)勢

(1)操作方便簡捷。

(2)此工藝與傳統(tǒng)升溫硫化工藝相比,降低了勞動強度。

(3)將來在正常停車后,變換爐開車導(dǎo)氣時,采取向煤氣加熱器管間,即變換氣體側(cè)通中壓蒸汽的方式來提高煤氣溫度,大大縮短導(dǎo)氣時間,按每年縮短開車時間累計1天計算,可節(jié)省開車成本100～200萬元。

(4)按新開發(fā)的升溫硫化工藝及變換系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計施工,節(jié)約設(shè)計安裝費用400多萬元是有可能的,僅用100萬元改造變換系統(tǒng),主要用于適當增加煤氣加熱器面積及配相關(guān)管線。

4 催化劑升溫硫化方案新啟示

目前國內(nèi)許多設(shè)計部門和使用單位在擬定催化劑升溫硫化方法時,認為開啟氮氣風機后再循環(huán)催化劑升溫硫化,會節(jié)省很多開車費用,所以投入相當大的投資,建催化劑升溫硫化系統(tǒng)。以筆者多年的經(jīng)驗看,這種方法在過去高溫變換、低溫變換、氧化鋅脫硫槽、甲烷化催化劑(原稱“三觸媒”)凈化工藝流程時使用非常合適。眾所周知,按原化工部要求“三觸媒”開車升溫還原所需要時間10～15天。而當今合成氨凈化工藝實施了許多重大的技術(shù)創(chuàng)新,現(xiàn)代化大型合成氨裝置選擇凈化工藝時,普遍采用世界公認的低能耗工藝。包括耐硫變換催化劑和“雙洗”凈化工藝代替“三觸媒”、以及脫硫脫碳技術(shù)。使用這些創(chuàng)新工藝的同時,給耐硫催化劑升溫硫化方案的優(yōu)化創(chuàng)造了條件。按優(yōu)化方案開車,可以在2～3天內(nèi)完成(專家擬定時間只有1天)。與此同時,按順序開“雙洗”系統(tǒng)。雙洗系統(tǒng)原始開車必須要經(jīng)過吹除、試壓檢漏,尤其是液氮洗原始開工階段,除上述過程之外,還必須將所有設(shè)備用氮氣吹干,直至放空氮氣中含水量小于10× 10-6。之后再進行設(shè)備裸冷,整個開車過程大約需要3 d時間。實踐表明,液氮洗系統(tǒng)開車必須保證空分開車正常,并提供約20 000 m3/h高壓氮量。因此,擬定變換催化劑開車計劃時,有步驟地與“雙洗”系統(tǒng)同步開車。

以上給我們的啟示是,變換催化劑升溫硫化和液氮洗裝置裸冷都需要氮氣,只要安排在空分開車后,可以同時進行;為耐硫催化劑升溫硫化實現(xiàn)“一次通過法”創(chuàng)造了條件。這樣可以取消原設(shè)計的變換升溫循環(huán)系統(tǒng)。同時能縮短2天多開車時間(只要在上述情況下開車,一次可節(jié)約開車費400萬元,一般每二年出現(xiàn)一次)。

說明:采用“一次通過法”技術(shù)進行催化劑硫化的不足之處為,硫化一噸催化劑所需要的CS2為120 kg,而循環(huán)法一噸催化劑硫化用 CS290 kg,但這對整個大裝置開車來講影響企業(yè)效益是微乎其微的。

附:催化劑廠專家制定的升溫硫方案(表1)

表1 催化劑升溫及硫化程序

5 硫化時的注意事項

(1)催化劑硫化時,預(yù)防CS2、H2S中毒和著火。

(2)硫化時堅持的原則:提硫不提溫,提溫不提硫,嚴格控制催化劑床層熱點溫度,不得超過450℃,防止催化劑嚴重超溫。

(3)若床層溫度增長過快并超過500℃時,要立即停加CS2,降低氮氣入口溫度并加大煤氣的流量,使溫度下降。

(4)加入氫氣時催化劑床層的溫度一定要控制在200℃左右,要設(shè)專人定時檢測氫氣濃度,控制氫氣濃度在25%～35%。嚴防氫氣濃度過高,發(fā)生催化劑的還原反應(yīng)。

(5)補入CS2時一定要有專人負責,CS2的加入要緩慢穩(wěn)定,防止CS2過量,使床層超溫或在系統(tǒng)內(nèi)冷凝。出口H2S不超過15 g/m3為宜。

CS2的加入溫度以220～250℃為宜,因為CS2在200℃以上才能發(fā)生氫解反應(yīng),但溫度超過250℃再加入CS2,就可能發(fā)生CoO或MoO3的還原反應(yīng),使床層溫度爆漲并使催化劑失活。

(6)硫化結(jié)束后,將煤氣加熱器出口溫度控制在200℃,以準備開車導(dǎo)氣。

總之,此工藝的開發(fā)應(yīng)用將節(jié)約原始投資,同時創(chuàng)造出節(jié)能減排及低碳工藝的新路子,也為其他企業(yè)提供借鑒。