“可控移熱變換”技術(shù)用于各種煤化工裝置簡(jiǎn)介

(南京敦先化工科技有限公司，江蘇 南京 210048)

隨著煤制油、制天然氣、制氫、制烯烴、制乙二醇等現(xiàn)代煤化工向大型化、規(guī)模化、集約化方向發(fā)展，傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)已成為現(xiàn)代煤化工發(fā)展的瓶頸。煤化工企業(yè)不斷尋求先進(jìn)、節(jié)能、投資低的變換新技術(shù)。南京敦先公司一直致力于節(jié)能環(huán)保、低投資、易于大型化的新型變換技術(shù)研發(fā)工作。多年來不斷努力，將開發(fā)的“新型節(jié)能深度轉(zhuǎn)化可控移熱變換工藝”(以下簡(jiǎn)稱可控移熱變換)和“非均布可控移熱變換爐(以下簡(jiǎn)稱可控移熱變換爐)”等專利技術(shù)成功應(yīng)用到粉煤加壓氣化、水煤漿加壓氣化、間歇式固定床常壓氣化的水煤氣或半水煤氣變換裝置上。目前在建的有10套，其中兩套EPC，已經(jīng)投入運(yùn)行的6套，近期有數(shù)家煤制油、制天然氣、制氫、制乙二醇、制甲醇、制合成氨等業(yè)主與我們洽談。首套可控移熱變換裝置于2012年底在安鄉(xiāng)晉煤金牛公司投入運(yùn)行，至今近兩年時(shí)間，各項(xiàng)指標(biāo)超過設(shè)計(jì)值。用于4.0 MPa粉煤加壓氣化生產(chǎn)水煤氣的可控移熱變換裝置于2014年4月在安徽昊源投運(yùn)。與傳統(tǒng)絕熱變換工藝相比，設(shè)備減少了近1/3，流程縮短了1/2，工程總投資減少了1/4，系統(tǒng)阻力僅為0.09 MPa。2014年6月，該套可控移熱變換裝置順利通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)的科學(xué)技術(shù)成果鑒定(中石化聯(lián)鑒字[2014]第30號(hào)文)，鑒定結(jié)論如下：

(1) 開發(fā)了非均布高效可控變換反應(yīng)器，采用徑向內(nèi)置管式水移熱，催化劑可自卸，合理、先進(jìn)，符合催化劑的使用特性，易實(shí)現(xiàn)大型化；

(2) 改變了傳統(tǒng)變換的設(shè)計(jì)思路，大幅度縮短流程，減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)，提高了變換反應(yīng)熱的利用率和品位，降低系統(tǒng)阻力，簡(jiǎn)化了操作；

(3) 該成果實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)變換工藝的技術(shù)提升，減少了工程投資和裝置的運(yùn)行成本，特別適用于高一氧化碳、高汽/氣水煤氣的苛刻工況，可應(yīng)用于不同領(lǐng)域變換工段的節(jié)能改造及新建項(xiàng)目，促進(jìn)節(jié)能減排、利于裝置大型化，具有較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；

(4) 該技術(shù)路線合理可行，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

另外，與會(huì)專家一致認(rèn)為，可控移熱變換爐催化劑床層溫度與深度曲線有一個(gè)較大溫差的設(shè)計(jì)理念，體現(xiàn)了同一反應(yīng)器不同區(qū)域催化劑各自功能不同，充分利用了鈷鉬系變換催化劑寬溫區(qū)特性，可控移熱變換技術(shù)是對(duì)絕熱及恒溫床層變換技術(shù)的優(yōu)化和提升。

國內(nèi)在用以煤為原料的氣化爐有二十多種類型，另外還有高爐氣、焦?fàn)t氣、蘭炭氣等諸多尾氣回收綜合利用項(xiàng)目。水煤氣或半水煤氣中CO組分在14%～76%(干基，以下相同)，而且產(chǎn)品不同，需要凈化后原料氣中的H2∶CO也不同，如煤制油為H2∶CO≈1.6，煤制天然氣H2∶CO≈3.0，煤制甲醇(H2-CO2)/(CO+CO2)≈2.0，合成氨及煉油行業(yè)煤制氫需要H2含量達(dá)到100%。中低溫變換催化劑種類繁多，有防水合鎂鋁尖晶石為載體的中溫鈷鉬系催化劑，含有鉀鹽為活性促進(jìn)劑的低溫鈷鉬催化劑，銅鋅系低溫變換催化劑等諸多種類。我們從已承擔(dān)的變換項(xiàng)目可知，要根據(jù)原料氣類型、CO變換率高低及催化劑特性而設(shè)定不同工藝流程，才能實(shí)現(xiàn)節(jié)能、低投資、安全穩(wěn)定運(yùn)行。其中，變換系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)尤為重要。另外，變換爐床層溫度與深度之間為“恒溫曲線”只適合銅鋅系變換催化劑，中、低溫鈷鉬系變換催化劑床層溫度與深度之間必須是“變溫曲線”才能充分發(fā)揮鈷鉬系變換催化劑的活性，有效延長(zhǎng)催化劑使用壽命。CO變換反應(yīng)前期主要受動(dòng)力學(xué)控制，后期受熱力學(xué)控制。在動(dòng)力學(xué)控制區(qū)域的反應(yīng)強(qiáng)調(diào)反應(yīng)速率，CO反應(yīng)速率越高，反應(yīng)時(shí)間越短；在熱力學(xué)控制區(qū)域的反應(yīng)強(qiáng)調(diào)溫度接近平衡溫度，這樣利于CO進(jìn)一步深度轉(zhuǎn)化，在此區(qū)域反應(yīng)速率低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，催化劑用量多。再者催化劑類型不同，使用溫度不同，完成的任務(wù)也不同。如果一個(gè)變換反應(yīng)器設(shè)計(jì)僅強(qiáng)調(diào)“熱力學(xué)控制”，而忽略“動(dòng)力學(xué)控制”，則不是一個(gè)合理的反應(yīng)器。催化劑如同“腳”，變換爐如同“鞋”，“鞋”要根據(jù)“腳”而定制，如果一味強(qiáng)調(diào)“腳”適應(yīng)“鞋”而生長(zhǎng)，“鞋”則會(huì)被“腳”沖破或造成“腳”變成畸形。

鑒于原料氣及催化劑種類繁多、壓力不同、CO轉(zhuǎn)化率各不相同，變換裝置基本上應(yīng)該是一工程一設(shè)計(jì)。由于受篇幅限制，本文主要以我公司承擔(dān)的采用中低溫鈷鉬系變換催化劑，已投入運(yùn)行或正在設(shè)計(jì)的水煤氣或半水煤氣可控移熱變換及可控移熱變換爐作簡(jiǎn)要介紹。

1 適用于粉煤加壓氣化兩級(jí)“可控移熱變換”技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 使用范圍及技術(shù)要點(diǎn)

該技術(shù)采用兩級(jí)“可控移熱變換爐”完成CO轉(zhuǎn)化，確保水煤氣的CO從68.5%變換到0.4%以下。一級(jí)可控移熱變換爐裝填中溫鈷鉬系催化劑，二級(jí)變換爐裝填低溫鈷鉬催化劑。此工藝技術(shù)是針對(duì)4.0 MPa粉煤加壓氣化、高CO、水氣比為0.7～1.1的水煤氣開發(fā)的變換技術(shù)，主要用于煤制合成氨、煉油及醫(yī)藥行業(yè)煤制氫等粉煤加壓氣化的變換領(lǐng)域。

1.2 工藝設(shè)計(jì)理念及及其先進(jìn)性

一級(jí)可控移熱變換爐取代傳統(tǒng)多級(jí)絕熱變換工藝中的一變爐、二變爐，主要完成CO的轉(zhuǎn)化及回收高品位熱能任務(wù)；二級(jí)可控移熱變換爐取代傳統(tǒng)多級(jí)絕熱變換工藝中的三變爐、四變爐，主要完成CO反應(yīng)平衡任務(wù)。二級(jí)變換爐進(jìn)口氣體溫度高、出口溫度低，在同等平衡溫距、相同水氣比前提下可以完成CO深度轉(zhuǎn)化，變換冷凝水少、熱能損失少、副產(chǎn)高品位蒸汽產(chǎn)量大、低品位蒸汽少，而且熱能回收穩(wěn)定，避免“等溫變換+絕熱變換”工藝隨著等溫變換爐催化劑活性衰退，CO移至絕熱變換爐內(nèi)反應(yīng)，造成絕熱變換爐出口溫度高、系統(tǒng)總水氣比不斷增加、冷凝水增大、腐蝕加劇、運(yùn)行能耗逐漸升高、熱能回收在裝置運(yùn)行過程中始終是一個(gè)逐漸增大的變量，不利于變換系統(tǒng)及全廠水氣平衡設(shè)計(jì)等缺陷。系統(tǒng)無高溫管道管件，主要高溫區(qū)在可控移熱變換爐內(nèi)部，工程上需要考慮氫腐蝕及消除熱應(yīng)力的管道少，有效增加變換裝置運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。而且對(duì)于低品位熱能采用階梯式回收方式，把低品位熱能轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺徽羝?，把冷凝水加熱后直接送氣化島洗滌水煤氣，變換系統(tǒng)污水外排為“零”。把傳統(tǒng)多級(jí)絕熱變換工藝中的換熱設(shè)備管束直接放置到可控移熱變換爐的催化劑床層中，設(shè)備少、流程短、露點(diǎn)腐蝕少、系統(tǒng)阻力低、工程投資少。原始硫化升溫開車及階段性開停車方案考慮非常全面、安全，而且階段性開停車非常迅速安全，較短時(shí)間內(nèi)就可以滿負(fù)荷運(yùn)行，有效避免了傳統(tǒng)多級(jí)絕熱變換工藝開車時(shí)出現(xiàn)的超溫、飛溫、甲烷化副反應(yīng)現(xiàn)象。催化劑裝填量不受超溫限制，而是根據(jù)催化劑使用年限及TF值來選取，一級(jí)可控移熱變換爐催化劑可以使用5 a，二級(jí)可控移熱變換爐催化劑壽命為10 a。裝置運(yùn)行周期長(zhǎng)，有效避免了傳統(tǒng)多級(jí)絕熱變換工藝每年均需要停車更換一變爐催化劑造成企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失。一級(jí)可控移熱變換爐之前不添加蒸汽，避免由于操作失誤造成蒸汽變?yōu)槔淠鴮?dǎo)致一級(jí)可控移熱變換爐 “催化劑泡在水中”的事故發(fā)生。系統(tǒng)工藝控制僅三個(gè)點(diǎn)，通過控制兩臺(tái)可控移熱變換爐副產(chǎn)蒸汽壓力來控制催化劑床層溫度，操作非常安全穩(wěn)定。工藝路線設(shè)置滿足多元化要求。兩級(jí)可控移熱變換可以將CO從68.5%轉(zhuǎn)化到0.40%以下，滿足合成氨及煤制氫生產(chǎn)要求。如果僅一級(jí)可控移熱變換爐投運(yùn)，又可滿足煤制甲醇、制油、制天然氣、制乙二醇等工藝需求。工藝流程及控制考慮全面、安全、穩(wěn)定、實(shí)用、簡(jiǎn)捷、多元化。

1.3 與傳統(tǒng)絕熱變換工藝對(duì)比

以安徽昊源為例。該公司同規(guī)模變換裝置有兩套，一期裝置于2013年3月份投入運(yùn)行，變換為傳統(tǒng)多段絕熱工藝，靜止設(shè)備共計(jì)28臺(tái)，其中主換熱設(shè)備10臺(tái)，變換爐4臺(tái)，1#變換爐分為兩個(gè)催化劑床層(段間可用冷煤氣冷激)，催化劑裝填量為7+9.3 m3，1#～2#全部采用中溫鈷鉬系催化劑，3#～4#變換爐均裝填低溫鈷鉬催化劑。氣體通過的靜止設(shè)備高達(dá)20臺(tái)，工藝流程長(zhǎng)，露點(diǎn)腐蝕多，低品位熱能多；其中因航天爐加壓氣化工藝所產(chǎn)的水煤氣CO含量高、水氣比大，一期工程的變換裝置存在易超溫、操作難度大、工藝路線長(zhǎng)、露點(diǎn)腐蝕多、工程投資大等諸多問題。

二期變換裝置采用我公司開發(fā)的“可控移熱變換”專利技術(shù)，靜止設(shè)備共計(jì)17臺(tái)，其中主換熱設(shè)備6臺(tái)，變換爐2臺(tái)，有氣體通過的靜止設(shè)備11臺(tái)。2014年4月裝置投入運(yùn)行。

一期、二期工程建設(shè)分類對(duì)比列于表1。主要運(yùn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)參數(shù)對(duì)比列于表2。

2 適用于水煤漿加壓氣化二級(jí)“可控移熱變換”技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 適用范圍及技術(shù)要點(diǎn)

表1 一、二期工程建設(shè)對(duì)比

表2 兩套變換裝置技經(jīng)對(duì)比

該技術(shù)仍采用兩級(jí)“可控移熱變換爐”完成CO轉(zhuǎn)化任務(wù)，可以使水煤氣中CO從43.0%轉(zhuǎn)化到0.40%以下。一級(jí)可控移熱變換爐裝填中溫鈷鉬系催化劑，二級(jí)裝填低溫鈷鉬催化劑。此工藝技術(shù)是針對(duì)4.0 MPa或6.5 MPa水煤漿加壓氣化、高CO、水氣比為1.20～1.45的水煤氣開發(fā)的變換技術(shù)，主要用于煤制合成氨、煉油行業(yè)煤制氫、醫(yī)藥行業(yè)煤制氫等粉煤加壓氣化的變換領(lǐng)域。我公司正在實(shí)施的裝置有山東方明化工氫產(chǎn)量為60 000 m3/h的煤制氫項(xiàng)目，氣化爐為清華爐、變換系統(tǒng)壓力為4.0 MPa，河北遷安化肥有限公司400 kt/a醇氨項(xiàng)目，氣化爐為清華爐，變換系統(tǒng)壓力為6.5 MPa。

2.2 工藝設(shè)計(jì)理念及先進(jìn)性

以河北遷安化肥6.5 MPa水煤漿氣化爐所產(chǎn)水煤氣變換裝置為例，原料氣CO為43.475%、R=1.369 9。通過一級(jí)可控移熱變換爐可以將CO由43.475%降至1.16% ，而將1.16%再降至0.4%以下時(shí)，仍采用二級(jí)可控移熱變換爐，沒有采用“可控移熱變換爐+廢熱鍋爐+絕熱變換爐”的工藝設(shè)計(jì)。我們主要考慮任何一個(gè)催化劑都存在初期、中期、后期、末期的活性衰退過程。當(dāng)催化劑使用到后期、末期時(shí)，必定會(huì)出現(xiàn)一級(jí)可控移熱變換爐出口CO不斷升高的問題，造成“絕熱變換爐”出口變換氣溫度高，變換氣水氣比升高，變換氣余熱始終是一個(gè)不斷增大的變量，給后續(xù)熱能回收及工程設(shè)計(jì)帶來難度大及工程投資增加的問題。同時(shí)，隨著“絕熱變換爐”出口溫度升高，CO總轉(zhuǎn)化率下降、氫的收率降低。不僅裝置運(yùn)行成本增加，而且一級(jí)可控移熱變換爐催化劑使用壽命受到影響。為保證低能耗運(yùn)行及有較高氫收率，可能在一級(jí)變換爐催化劑處于后期及末期時(shí)就要更換掉，造成一級(jí)可控移熱變換爐催化劑運(yùn)行周期短，生產(chǎn)成本增加。

一級(jí)可控移熱變換爐出口CO初期設(shè)計(jì)值1.16%，而不是0.5%～0.6%。如果一級(jí)變換爐出口按照CO為0.5%～0.6%來設(shè)計(jì)，一級(jí)變換爐出口溫度在265～275 ℃，必定裝填中溫鈷鉬系催化劑，絕不能裝填低溫鈷鉬催化劑。265～275 ℃的溫度不在中溫鈷鉬系催化劑的最佳溫區(qū)(280～420 ℃)之內(nèi)，勢(shì)必造成催化劑使用壽命短。再者，也會(huì)造成氣氣換熱器面積增加，工程投資大，另外，不能長(zhǎng)期保證粗水煤氣高于露點(diǎn)以上30 ℃，很有可能造成飽和態(tài)水蒸氣進(jìn)入脫毒劑及催化劑床層，使催化劑結(jié)塊及降低使用壽命。

我們?cè)趯?shí)施兩級(jí)“可控移熱變換”技術(shù)之前，與“可控移熱變換爐+廢熱鍋爐+絕熱變換爐”的工藝詳細(xì)比較過。通過對(duì)比我們發(fā)現(xiàn)兩級(jí)“可控移熱變換”技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)。

(1)氫收率穩(wěn)定，熱能回收穩(wěn)定，五年內(nèi)可以節(jié)省8 305萬元的運(yùn)行費(fèi)用。

(2)無論一級(jí)可控移熱變換爐出口CO如何變化，二級(jí)可控移熱變換爐出口變換氣溫度、CO含量、水蒸氣分壓均為一定值，后續(xù)熱能回收是一個(gè)穩(wěn)定值，低品位熱能回收也是穩(wěn)定值。

(3)杜絕飽和態(tài)水蒸氣帶進(jìn)催化劑床層，避免操作事故發(fā)生，確保安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(4)工程總投資降低1 000萬元以上。

(5)一級(jí)可控移熱變換爐主要完成CO變換任務(wù)，二級(jí)可控移熱變換爐主要完成反應(yīng)平衡任務(wù)，即使二級(jí)可控移熱變換爐進(jìn)口CO≥15.0%，二級(jí)可控移熱變換爐出口CO仍能控制在0.40%以下。所以，一級(jí)可控移熱變換爐催化劑的后期及末期時(shí)間可以適當(dāng)延長(zhǎng)，催化劑使用壽命至少在5 a以上；進(jìn)入二級(jí)可控移熱變換爐的氣體中灰塵及有害的毒物很低，再者二級(jí)可控移熱變換爐內(nèi)CO轉(zhuǎn)化量少、溫度低，二級(jí)催化劑使用壽命至少在10 a以上。

2.3 主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)(表3)

表3 水煤漿加壓氣化二級(jí)可控移熱變換技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3 適用于粉煤或水煤漿加壓氣化的一級(jí)“可控移熱變換”技術(shù)簡(jiǎn)介

3.1 適用范圍及技術(shù)要點(diǎn)

該技術(shù)采用一級(jí)“可控移熱變換爐”取代傳統(tǒng)絕熱變換一變爐、二變爐，中溫鈷鉬系催化劑完成CO部分轉(zhuǎn)化任務(wù)，做到脫碳后原料氣中的H2∶CO為1.6～3.0或(H2-CO2)/(CO+CO2)=1.9～2.8。如果裝置規(guī)模較大，整體工藝采用“變換+非變換”流程，其中變換仍然采用一級(jí)“可控移熱變換爐”完成CO部分轉(zhuǎn)化任務(wù)。在進(jìn)行此類可控移熱變換裝置設(shè)計(jì)時(shí)，我們把變換裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行放在首位，同時(shí)使裝置大型化時(shí)運(yùn)行能耗低、投資低。

該技術(shù)適用于煤制油、制天然氣、制乙二醇、制甲醇、制烯烴等CO部分變換領(lǐng)域，可控移熱變換技術(shù)完全解決了裝置大型化、安全穩(wěn)定長(zhǎng)周期運(yùn)行的難題。

3.2 用于大型變換裝置的優(yōu)勢(shì)

(1)投資省。相同規(guī)模裝置，可控移熱變換工程總投資為26 667萬元，傳統(tǒng)絕熱變換工藝投資為70 000萬元，工程投資降低61.9%以上。

(2)床層溫度低，完全杜絕甲烷化副反應(yīng)。

(3)可控移熱變換爐設(shè)有備用爐，每臺(tái)變換爐可以單獨(dú)更換催化劑，單獨(dú)硫化升溫，確保任何工況下不會(huì)因?yàn)樽儞Q裝置造成停車檢修。確保裝置安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)周期運(yùn)行。

(4)部分設(shè)備采用徑向或臥式結(jié)構(gòu)，完全解決大型化問題，整個(gè)系統(tǒng)超限設(shè)備僅有非變換系統(tǒng)低壓廢鍋及脫氨塔，大幅度降低了運(yùn)輸費(fèi)用。

(5)裝置占地面積小，僅為傳統(tǒng)絕熱變換的38%。

(6)滿負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)阻力不超過0.15 MPa，比傳統(tǒng)絕熱變換工藝降低60%以上。

4 適用于有飽和熱水塔低水氣比、低CO的“可控移熱變換”技術(shù)簡(jiǎn)介

4.1 適用范圍及技術(shù)要點(diǎn)

本可控移熱變換技術(shù)主要用于常壓間歇式固定床氣化爐所產(chǎn)半水煤氣以及高爐氣、焦?fàn)t氣、蘭炭氣等尾氣回收生產(chǎn)合成氨或制氫，系統(tǒng)壓力一般在0.8～2.0 MPa，采用低溫催化劑，外供蒸汽、有飽和熱水塔的變換裝置。可控移熱變換技術(shù)主要是把熱水塔出口變換氣夾帶的低品位水蒸氣轉(zhuǎn)化為高品位蒸汽移出系統(tǒng)，從而達(dá)到減少變換蒸汽消耗、降低變換冷卻水用量、減少變換系統(tǒng)露點(diǎn)腐蝕的目的。此技術(shù)適合帶有飽和熱水塔的變換裝置改造或新建變換裝置。采用我公司技術(shù)目前已開起來的此類型可控移熱變換裝置有河南新鄉(xiāng)永昌化工、河北盧龍化工、湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛化工等。由我公司全新設(shè)計(jì)的變換裝置，熱水塔出口變換氣均不超過60 ℃。

4.2 熱水塔出口變換氣溫度是衡量變換裝置能耗高低的重要依據(jù)

系統(tǒng)壓力在0.8～2.0 MPa范圍內(nèi)的中串低、中低低或全低變裝置大部分設(shè)有飽和熱水塔。飽和熱水塔上部為飽和塔、下部為熱水塔。飽和熱水塔是有飽和熱水塔變換工藝中回收熱量的主要設(shè)備。半水煤氣在飽和塔中與熱水逆向接觸，進(jìn)行熱量和質(zhì)量的傳遞，使半水煤氣的熱含量和濕含量不斷提高。出飽和塔半水煤氣溫度愈高，則夾帶蒸汽愈多，變換系統(tǒng)需要外供蒸汽愈少。熱水塔內(nèi)，熱水與變換氣逆向接觸回收變換氣中的顯熱和潛熱，熱水塔出口變換氣溫度越高，變換氣夾帶蒸汽量越大，變換蒸汽消耗、冷卻水消耗就越高。熱水塔出口變換氣溫度是衡量該變換系統(tǒng)熱能回收率高低及變換系統(tǒng)蒸汽消耗、冷卻水消耗的重要指標(biāo)。

4.3 熱水塔出口變換氣的低品位熱能難以回收

以熱水塔出口變換氣為95 ℃計(jì)算，則噸氨帶出蒸汽量為3 960×0.083 4=328.68 kg，此部分蒸汽轉(zhuǎn)化為40 ℃的冷凝水時(shí)，僅變換氣中夾帶的蒸汽冷凝為水時(shí)放出的熱量高達(dá)825 MJ，而此部分熱量是以潛熱形式帶出變換系統(tǒng)，溫度低，部分裝置采用脫鹽水回收，脫鹽水最高溫度一般為60～70 ℃，此類低品位熱能無處可用，也有部分單位采用大量循環(huán)冷卻水將變換氣冷卻到40 ℃，造成大量熱能損失及循環(huán)水消耗。

4.4 “可控移熱變換”技術(shù)的解決措施

有飽和熱水塔的變換工藝，各段催化劑床層反應(yīng)熱依靠循環(huán)熱水帶出，并通過循環(huán)熱水實(shí)現(xiàn)變換系統(tǒng)熱量分配。我公司根據(jù)各類變換工藝流程分別找出最佳節(jié)能點(diǎn)，設(shè)置一臺(tái)“可控移熱變換爐”，將熱水塔出口變換氣帶出的系統(tǒng)熱量轉(zhuǎn)化為高品位蒸汽，同時(shí)減少變換系統(tǒng)蒸汽添加量，降低系統(tǒng)阻力，降低循環(huán)冷卻水耗。

我們對(duì)湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛50 kt/a合成氨的中低低裝置節(jié)能改造時(shí)(系統(tǒng)壓力0.8 MPa)，保持原有中低低工藝不變，僅增加一臺(tái)可控移熱變換爐，類似于在變換裝置上設(shè)置一臺(tái)副產(chǎn)3 t/h飽和蒸汽的余熱回收鍋爐，工程量小，投資低，不影響有效生產(chǎn)時(shí)間。該裝置于2012年12月投入運(yùn)行，運(yùn)行數(shù)據(jù)如下(噸氨)：

(1)變換系統(tǒng)出口CO含量由原來的1.2%降至0.6%；

(2)系統(tǒng)阻力由原來的0.12 MPa降至0.07 MPa；

(3)蒸汽消耗下降135 kg；

(4)變換冷卻水消耗下降了20 m3；

(5)同時(shí)副產(chǎn)0.6～1.3 MPa飽和蒸汽236 kg，供造氣及銅洗使用；

(6)熱水循環(huán)量由原來的9 860 kg降至5 670 kg；

(7)熱水塔出口變換氣溫度由原來的102 ℃降至82 ℃；

(8)水移熱可控移熱變換爐投運(yùn)后，公司停運(yùn)一臺(tái)4t/h沸騰鍋爐。

改造后噸氨節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用45.6元， 5個(gè)月可以回收全部工程投資。

5 適用于無飽和熱水塔低水氣比、低CO的“可控移熱變換”技術(shù)簡(jiǎn)介

5.1 適用范圍及技術(shù)要點(diǎn)

本可控移熱變換技術(shù)主要用于常壓間歇式固定床氣化爐所產(chǎn)半水煤氣以及高爐氣、焦?fàn)t氣、蘭炭氣等尾氣回收生產(chǎn)合成氨或制氫的變換裝置，系統(tǒng)壓力一般在2.0～2.7 MPa、外供蒸汽、催化劑為以γ-Al2O3為載體鉀鹽為活性促進(jìn)劑的低溫催化劑。

從終端氣氣換熱器出口變換氣溫度高低可判斷變換裝置節(jié)能與否。傳統(tǒng)工藝氣氣換熱器出口變換氣在120 ℃，而我公司設(shè)計(jì)的可控移熱變換裝置氣氣換熱器出口變換氣溫度不超過90 ℃。

5.2 傳統(tǒng)變換工藝存在的問題

以固定床間歇式氣化爐產(chǎn)低水氣比、低CO半水煤氣的合成氨廠為例。單套合成氨裝置生產(chǎn)能力若在180 kt/a以上，變換裝置壓力一般提高到2.0～2.7 MPa之間。由于壓力提高，CO2、H2S等酸性氣體在熱水中溶解度增大，循環(huán)熱水pH低，酸性腐蝕加劇，部分廠家添加到熱水塔中的水質(zhì)不穩(wěn)定或熱水塔排污不及時(shí)，水中總固體偏高，Cl-及其他酸根離子對(duì)不銹鋼焊縫有晶間腐蝕，變換系統(tǒng)中低于露點(diǎn)以下的設(shè)備、管道及管件均出現(xiàn)大量腐蝕。近十年來建設(shè)的系統(tǒng)壓力大于2.0 MPa的變換裝置均取消了飽和熱水塔，采用“絕熱反應(yīng)+噴水冷激”的全低變工藝設(shè)計(jì)理念。此類型變換裝置普遍存在以下問題。

(1)系統(tǒng)阻力偏高。加熱半水煤氣或回收變換氣熱量只能采用間接換熱方式，換熱設(shè)備多，流程長(zhǎng)，已運(yùn)行的裝置系統(tǒng)阻力在1.0 MPa左右。

(2)催化劑活性下降，造成運(yùn)行能耗高。一、二段催化劑反硫化現(xiàn)象嚴(yán)重，使用壽命短或活性下降，大量CO反應(yīng)被移到后續(xù)催化劑床層，本來用于平衡段的催化劑床層溫度升高，造成蒸汽消耗高，回收變換系統(tǒng)熱量的設(shè)備腐蝕加劇，變換系統(tǒng)冷卻水量大。

(3)蒸汽消耗高。如果變換系統(tǒng)出口CO含量在1.2%～1.5%之間，噸氨蒸汽消耗一般在350～450 kg。

(4)低品位熱能多。取消飽和熱水塔后，只能采用除氧水或脫鹽水間接換熱方式回收變換氣顯熱和潛熱，產(chǎn)生大量低品位熱能。

(5)工程投資大、設(shè)備維修費(fèi)用高。由于出最后一段催化劑床層的變換氣夾帶蒸汽量大、露點(diǎn)腐蝕點(diǎn)多，加熱半水煤氣的換熱器、除氧水加熱器、脫鹽水加熱器以及噴水增濕器等設(shè)備均需選擇不銹鋼材質(zhì)，勢(shì)必造成工程投資大。即使選擇了不銹鋼，由于夾帶蒸汽量大、露點(diǎn)腐蝕多，氣體中有Cl-，設(shè)備仍然腐蝕嚴(yán)重，維修費(fèi)用高。

5.3 可控移熱變換技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

南京敦先公司針對(duì)無飽和熱水塔低水氣比、低CO半水煤氣變換工藝，采用 “可控移熱變換”專利技術(shù)很好地解決了以上問題。本公司為山東聯(lián)盟設(shè)計(jì)一套2.5 MPa、合成氨生產(chǎn)能力為150 kt/a的“可控移熱變換”裝置于2013年10月投入運(yùn)行，主要經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)變換系統(tǒng)出口CO≤4.0%；

(2)變換系統(tǒng)噸氨蒸汽消耗≤85 kg(添加蒸汽-副產(chǎn)蒸汽)；

(3)系統(tǒng)阻力≤0.036 MPa；

(4)出最后催化劑床層變換氣夾帶蒸汽量均低于2.49%，在脫鹽水加熱器氣體才到露點(diǎn)溫度(露點(diǎn)溫度76.5 ℃)，只有脫鹽水加熱器、變換冷卻器兩臺(tái)設(shè)備存在露點(diǎn)腐蝕，其他設(shè)備及相連接的管道內(nèi)氣體溫度均在露點(diǎn)以上，有效延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命，提高裝置運(yùn)行的安全穩(wěn)定性；

(5)噸氨變換冷卻水消耗在5.012 m3以下；

(6)工程投資降低15.0%左右。

6 “可控移熱變換爐”簡(jiǎn)介

6.1 可控移熱變換爐結(jié)構(gòu)

可控移熱變換爐由殼體和內(nèi)件組成。殼體由筒體、上封頭、下封頭組成。上封頭與筒體之間采用法蘭連接，法蘭之間采用“Ω”形密封，上下封頭分別設(shè)有氣體進(jìn)出口。內(nèi)件由水移熱管束、氣體分布筒、氣體集氣筒、密封板、支撐座等部件組成，水移熱管束與進(jìn)出水管之間采用管式聯(lián)箱結(jié)構(gòu)，見圖1。內(nèi)件與外筒可拆卸，管內(nèi)走水，管外裝催化劑，下部設(shè)有催化劑自卸口。

圖1 可控移熱變換爐示意

6.2 可控移熱變換爐流體走向

(1)氣體走向 原料氣從變換爐上部進(jìn)入，經(jīng)側(cè)面徑向分布器進(jìn)入催化床層，然后沿徑向(與換熱水管呈90°垂直換熱，傳熱效果好)通過催化床層，反應(yīng)的同時(shí)與埋設(shè)在催化床層內(nèi)的水管換熱，再經(jīng)內(nèi)部集氣筒收集后由下部出變換爐。

(2)水走向 來自汽包的不飽和水自可控移熱變換爐下部進(jìn)水管進(jìn)入變換爐，再經(jīng)下部大環(huán)管、分配管分配至各換熱管內(nèi)與反應(yīng)氣體換熱，然后通過上環(huán)管或集水箱收集后去汽包，在汽包中分離出蒸汽，分離下來的水從汽包下部再次進(jìn)入可控移熱變換爐參與下一循環(huán)。

6.3 可控移熱變換爐優(yōu)點(diǎn)

(1)通過設(shè)置絕熱層、非均布或均布管等手段，催化劑床層可以設(shè)計(jì)為恒溫、有100 ℃溫差的變溫、進(jìn)口溫度高出口溫度低的平衡反應(yīng)床層等，使用范圍廣，滿足各種變換裝置需求。我們把變換爐視為“鞋”，催化劑視為“腳”，根據(jù)催化劑物性參數(shù)、氣體成分、壓力、CO轉(zhuǎn)化率以及在流程中所處的位置去設(shè)計(jì)，確保催化劑的活性充分發(fā)揮出來，延長(zhǎng)催化劑使用壽命。

(2)采取全徑向結(jié)構(gòu)，徑向分布筒、催化劑床層及集氣筒阻力之和不超過0.01 MPa。

(3)副產(chǎn)蒸汽可以是飽和蒸汽，也可以是過熱蒸汽。

(4)內(nèi)件與外筒可拆卸，內(nèi)件可以單獨(dú)起吊、更換，檢修十分便利，完全杜絕因催化劑自卸不掉造成整臺(tái)設(shè)備報(bào)廢現(xiàn)象。

(5)承壓部件全部為無縫鋼管，根據(jù)焊接要求選取換熱管規(guī)格及壁厚，承壓部件均可承受10.0 MPa以上的壓差，移熱管束安全穩(wěn)固，完全避免了單管板、板式以及繞管式甲醇反應(yīng)器承受壓差小、單管板上下兩側(cè)或同心圓的圓周之間溫差必須小于50 ℃，催化劑難自卸等諸多問題。

(6)由于有飽和水蒸氣、灰塵以及羰基鎳、羰基鐵等物質(zhì)，必定會(huì)造成首先與氣體接觸部位的催化劑發(fā)生結(jié)塊現(xiàn)象，我們將與氣體首先接觸部位的催化劑設(shè)置成絕熱層，絕熱層內(nèi)部不設(shè)置換熱管。再者，上部設(shè)有便于拆卸的承壓封頭，催化劑裝填及自卸非常方便。

7 結(jié) 論

可控移熱變換技術(shù)開發(fā)成功為我國現(xiàn)代煤化工以及傳統(tǒng)煤化工原料路線改造提供了國際先進(jìn)、運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)能環(huán)保、投資低的變換技術(shù)，解決了大型化難題。對(duì)于變換裝置，工藝流程設(shè)計(jì)為首位。只有合理的工藝流程才能實(shí)現(xiàn)運(yùn)行能耗低、露點(diǎn)腐蝕少、工程投資低，裝置長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。變換爐床層溫度與深度曲線要根據(jù)催化劑物性參數(shù)、需要完成的任務(wù)去設(shè)計(jì)，決不能在任何工況下均設(shè)計(jì)為“恒溫床層”，一定要遵循“鞋”根據(jù)“腳”訂尺碼的客觀規(guī)律。鈷鉬系變換催化劑結(jié)塊是不可避免的，變換爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須考慮到萬一催化劑結(jié)塊自卸不掉時(shí)如何處理的問題。以上是我們?cè)O(shè)計(jì)十多套可控移熱變換裝置的經(jīng)驗(yàn)積累，如有不妥請(qǐng)各位專家提出寶貴意見，以利于移熱管束、移熱板或移熱繞管埋在催化劑床層內(nèi)的新型變換技術(shù)更好地發(fā)展。