等溫變換技術(shù)的應(yīng)用

張躍文 孫雙紅 (山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)〔集團(tuán)〕有限責(zé)任公司 山西運(yùn)城044000)

山西陽(yáng)煤豐喜肥業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司臨猗分公司合成氨二分廠(chǎng)的200 kt/a甲醇裝置(100 kt/a×2套)采用水煤漿清華爐制氣、耐硫全低變、位阻胺脫硫、MDEA脫碳、5.0 MPa低壓甲醇合成工藝。2013年，由于全國(guó)甲醇產(chǎn)能?chē)?yán)重過(guò)剩，市場(chǎng)行情長(zhǎng)期萎靡不振，經(jīng)多方數(shù)據(jù)分析，臨猗分公司決定將100 kt/a的甲醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行改造，用于生產(chǎn)100 kt/a的合成氨。

1 技術(shù)方案的選擇

本次改造僅對(duì)變換工段進(jìn)行改造，脫硫、脫碳等工段不變，即可滿(mǎn)足合成氨的需求。

通過(guò)與各設(shè)計(jì)單位的多次溝通、交流，對(duì)近幾年新技術(shù)的調(diào)研及對(duì)傳統(tǒng)變換與等溫變換技術(shù)進(jìn)行了比較、分析。

1.1 絕熱型變換爐

絕熱型變換爐是國(guó)內(nèi)小氮肥行業(yè)普遍使用的爐型。絕熱型變換爐為全軸向型，所裝催化劑一般分為2段或3段，煤氣經(jīng)過(guò)催化劑床層升高到一定溫度后，再經(jīng)間接換熱或直接冷激，降低氣體溫度，而后進(jìn)入下一段催化劑床層繼續(xù)反應(yīng)。第1段催化劑反應(yīng)溫度一般較高，目的在于加快反應(yīng)速度，提高催化劑的利用率；第2段反應(yīng)溫度較第1段低，最后一段反應(yīng)溫度最低，主要考慮化學(xué)平衡。由于溫度不斷變化、各處反應(yīng)速度不均衡，催化劑利用率較低，氣體通過(guò)床層的阻力也較大。

當(dāng)變換氣體中CO體積分?jǐn)?shù)超過(guò)30%，變換反應(yīng)因濃度差大，推動(dòng)力也較大，因此，變換反應(yīng)床層極易超溫，而且很難控制，催化劑易被還原或燒毀，使用壽命大大縮短，導(dǎo)致系統(tǒng)的阻力、熱能的失衡。絕熱型變換爐的總造價(jià)較高。

1.2 等溫型變換爐

等溫型變換爐為全徑向型，在變換爐內(nèi)催化劑床層中設(shè)置換熱管，CO變換反應(yīng)熱不斷通過(guò)管內(nèi)冷介質(zhì)移走，使催化劑床層從上到下溫度變化不大。等溫型變換爐由耐壓的外殼以及裝有催化劑的內(nèi)件和熱交換器所組成。正常操作時(shí)，氣體由頂部外側(cè)進(jìn)入，通過(guò)外殼與內(nèi)件之間的環(huán)隙，以使外壁保持相對(duì)低溫，氣體由徑向框均勻分布進(jìn)入催化劑床層，進(jìn)行CO的變換反應(yīng)，反應(yīng)所放出的熱量與埋在催化劑中的換熱管內(nèi)過(guò)飽和熱水進(jìn)行熱量交換，這樣，變換氣體在催化劑床中邊反應(yīng)邊換熱，反應(yīng)熱在汽包不斷地以產(chǎn)生中壓蒸汽的形式被移走，反應(yīng)后的變換氣離開(kāi)催化劑床層，徑向均勻地進(jìn)入中心集氣管，經(jīng)中心管導(dǎo)向由爐底排出，然后進(jìn)入熱交換熱器與氣化系統(tǒng)來(lái)的水煤氣換熱，提高進(jìn)變換爐的煤氣溫度，汽包產(chǎn)生的 2.5 MPa 飽和蒸汽送往蒸汽管網(wǎng)。

孔徑由Φ8.5 mm擴(kuò)孔至Φ10.0 mm。經(jīng)核算，循環(huán)工作液流量可控制在653～1 113 m3/h，既可滿(mǎn)足現(xiàn)在生產(chǎn)負(fù)荷要求，又能滿(mǎn)足擴(kuò)產(chǎn)要求。

(2)改造液體分布盤(pán)上的升氣管，即將升氣管由下到上分別沿四周均勻開(kāi)Φ0.5～2.0 mm逐漸擴(kuò)大的小孔。系統(tǒng)流量較小時(shí)，氣液分布盤(pán)上方的持液量可以從底部Φ0.5 mm孔徑的孔中通過(guò)；系統(tǒng)流量較大時(shí)，氣液分布盤(pán)上方的持液量可以從上部Φ2.0 mm孔徑的孔中通過(guò)，循環(huán)工作液流量的調(diào)整彈性大，從而徹底解決了塔盤(pán)上持液量大的難題，保證了循環(huán)工作液通過(guò)催化劑層的瞬時(shí)流量，避免了部分工作液氫化反應(yīng)過(guò)度，有利于控制氫化反應(yīng)，減少或避免氫化反應(yīng)中產(chǎn)生降解物。

(3)增加氫化下塔底部惰性瓷球的裝填高度，即將瓷球裝填高度由1.2 m增加到2.0 m。改造后，不僅有效提高了底部匯集器破旋渦能力，而且有效地提高了底部已氫化后的工作液與催化劑的接觸空間，從而避免底部工作液再次過(guò)度氫化反應(yīng)。

采用等溫變換技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：可以利用相變移走變換反應(yīng)熱，可靠實(shí)用，實(shí)現(xiàn)恒溫反應(yīng)，操作簡(jiǎn)單，易于控制；懸掛雙套水管，不受殼體限制，可自由伸縮，結(jié)構(gòu)可靠;徑向反應(yīng)，阻力小，高徑比大，易大型化；等溫反應(yīng)，催化劑使用壽命大大延長(zhǎng)；變換反應(yīng)熱幾乎全部回收利用，副產(chǎn)蒸汽品位高、產(chǎn)量大，反應(yīng)器水汽系統(tǒng)無(wú)動(dòng)力，采用自然循環(huán)方式；系統(tǒng)無(wú)飽和熱水塔,無(wú)噴水裝置，自產(chǎn)干燥蒸汽供反應(yīng)用，免除設(shè)備腐蝕根源； 通過(guò)調(diào)節(jié)汽包蒸汽壓力，可輕松控制床層溫度。

經(jīng)認(rèn)真研究、討論，決定采用湖南安淳高新技術(shù)有限公司自主開(kāi)發(fā)的高CO等溫低溫變換技術(shù)對(duì)臨猗分公司100 kt/a甲醇裝置進(jìn)行改造，在變換系統(tǒng)新增1臺(tái)等溫變換爐，將變換系統(tǒng)出口氣體中CO體積分?jǐn)?shù)由改造前約18.0%降至<0.9%，以滿(mǎn)足合成氨生產(chǎn)對(duì)原料氣的要求。

2 工藝流程

2.1 改造前工藝流程

來(lái)自氣化系統(tǒng)水煤氣→水煤氣廢熱鍋爐→氣水分離器→熱交換器→變換爐→熱交換器→變換氣廢熱鍋爐→鍋爐水加熱器→有機(jī)硫水解槽→脫鹽水加熱器→變換氣冷卻器→變換氣分離器→脫硫系統(tǒng)。

2.2 改造后工藝流程

來(lái)自氣化系統(tǒng)水煤氣→煤氣分離器→熱交換器→預(yù)變換爐(凈化爐)→等溫變換爐→熱交換器→變換氣廢熱鍋爐→有機(jī)硫水解槽→汽包給水預(yù)熱器→高溫脫鹽水預(yù)熱器→1#變換氣分離器→低溫脫鹽水預(yù)熱器→變換氣冷卻器→2#變換氣分離器→脫硫系統(tǒng)。

3 等溫變換系統(tǒng)運(yùn)行情況

臨猗分公司甲醇改合成氨項(xiàng)目從2013年6月 5日開(kāi)始現(xiàn)場(chǎng)管道拆除、安裝到系統(tǒng)開(kāi)車(chē)，僅用了40 d時(shí)間。系統(tǒng)開(kāi)車(chē)后，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，變換系統(tǒng)出口氣體中CO體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在0.6%左右，低于設(shè)計(jì)要求(0.9%)。等溫變換系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)如下。

變換系統(tǒng)進(jìn)口氣體：壓力約3.53 MPa，溫度約208.7 ℃，流量約104 000 m3/h(標(biāo)態(tài))；氣體成分(體積分?jǐn)?shù))約為42.7% CO，38.5% H2，19.1% CO2；

預(yù)變換爐出口氣體中CO體積分?jǐn)?shù)：約37%；

等溫變換爐出口氣體：溫度約259 ℃，其中CO體積分?jǐn)?shù)約0.6%；

系統(tǒng)出口的變換氣：約3.48 MPa，約209.7℃；

汽包運(yùn)行參數(shù)：運(yùn)行壓力約3.4 MPa，溫度244 ℃，副產(chǎn)1.3 MPa蒸汽11.6 t/h。

4 存在問(wèn)題

4.1 汽包設(shè)計(jì)壓力偏低

由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮催化劑使用末期的床層溫度280 ℃，床層溫度與汽包溫度差30 ℃，因而考慮汽包最高運(yùn)行溫度250 ℃，對(duì)應(yīng)飽和蒸汽壓3.97 MPa。目前運(yùn)行過(guò)程中，床層溫度與汽包溫度差僅15 ℃左右，則催化劑使用末期床層溫度為280 ℃時(shí)，汽包的溫度將達(dá)到265 ℃，對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓為5.1 MPa。建議在今后的設(shè)計(jì)中，應(yīng)慎重考慮汽包的設(shè)計(jì)壓力。

4.2 熱交換器的換熱面積偏小

新增1臺(tái)換熱器利用原有設(shè)備，換熱面積僅為95.8 m2，只能將經(jīng)過(guò)熱交換器之后的水煤氣溫度由206 ℃提高至221 ℃，導(dǎo)致進(jìn)預(yù)變換爐的水煤氣溫度偏離露點(diǎn)溫度僅15 ℃，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的20 ℃，不利于預(yù)變換爐長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。