配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝探討

許仁春

（中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103）

現(xiàn)代煤氣化技術(shù)的發(fā)展從提高能源利用效率和保護(hù)環(huán)境方面考慮，較多的選用了氣流床煤氣化技術(shù)[1]。同時綜合考慮煤氣化過程的冷煤氣效率、運行費用等各種因素，殼牌粉煤氣化技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。殼牌粉煤氣化制得的合成氣中φ干基(CO)大于 60%，水氣比（n(水)/n(干氣)）小于 20%，是一種低水氣比高CO含量的合成氣。我國引進(jìn)殼牌粉煤氣化技術(shù)時，此技術(shù)商業(yè)化運營僅限于將粗合成氣凈化后，用于燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電裝置，不需要設(shè)置CO變換工序。但將此技術(shù)用于造氣來配套合成氨、制氫、合成甲醇等裝置時就面臨高濃度CO變換技術(shù)難題[2]。

目前國內(nèi)配套殼牌粉煤氣化制氫的有商業(yè)化運行業(yè)績的典型變換工藝流程主要有三種，分別是高水氣比CO變換工藝、中低水氣比CO變換工藝、低水氣比CO變換工藝。本文將對配套殼牌粉煤氣化制氫的典型變換工藝流程進(jìn)行分析，同時提出節(jié)能型的飽和熱水塔變換工藝，為設(shè)計單位在配套殼牌粉煤氣化制氫的變換裝置設(shè)計及工藝選擇方面提供參考。

1 配套殼牌粉煤氣化制氫的典型變換工藝介紹

國內(nèi)設(shè)計的高水氣比變換工藝，為控制CO變換反應(yīng)深度以及甲烷化副反應(yīng)，在第一變換爐添加大量蒸汽，使其水氣比在1.60及以上[3-5]。該工藝存在中壓蒸汽消耗大、變換爐容易超溫、變換催化劑壽命短等技術(shù)難題，目前已經(jīng)逐步淘汰，在此不做詳細(xì)介紹。中低水氣比和低水氣比這兩種典型變換工藝在國內(nèi)配套殼牌粉煤氣化制氫項目中運行良好，介紹如下。

1.1 兩種典型變換工藝介紹

中低水氣比變換工藝：中低水氣比變換工藝是在借鑒低水氣比變換工藝的基礎(chǔ)上，對運行欠穩(wěn)定的高水氣比變換工藝進(jìn)行優(yōu)化改造而來的。其流程特點是在預(yù)變換爐入口不添加水蒸汽，利用合成氣自帶的水蒸汽進(jìn)行變換反應(yīng)，在第一變換爐入口添加大量中壓蒸汽和少量激冷水，使第一變換爐入口的水氣比達(dá)到0.95左右，然后分段進(jìn)行變換反應(yīng)，段間移走反應(yīng)熱量的同時，添加少量激冷水對變換氣的水氣比和溫度進(jìn)行微調(diào)。中低水氣比變換工藝流程簡圖見圖1。

圖1 中低水氣比變換工藝流程簡圖

低水氣比變換工藝：其流程特點是在預(yù)變換爐入口不添加水蒸汽，利用合成氣自帶的水蒸汽進(jìn)行變換反應(yīng)，后續(xù)在各段變換爐入口添加適量中壓蒸汽和激冷水進(jìn)行變換反應(yīng)，段間移走反應(yīng)熱量，各段變換爐入口水氣比均控制在0.5以下。低水氣比變換工藝流程簡圖見圖2。

圖2 低水氣比變換工藝流程簡圖

1.2 兩種典型變換工藝分析

從能耗角度來看。由于低水氣比變換工藝水氣比低、總氣量少，所以低品位熱量回收量小[6]。低水氣比變換工藝更具有優(yōu)勢。但低水氣比變換工藝需要的變換反應(yīng)段數(shù)較多，增加了裝置操作控制難度，同時存在甲烷化副反應(yīng)。

相比低水氣比變換工藝，中低水氣比變換工藝在減少反應(yīng)段數(shù)和優(yōu)化裝置操作控制方面具有優(yōu)勢，但存在中壓蒸汽消耗量大，綜合能耗高等問題。

2 配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝

在中低水氣比變換流程的適當(dāng)位置嵌入了飽和塔和熱水塔，開發(fā)出了配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝，在兼顧中低水氣比變換工藝優(yōu)點的同時，較好的解決了兩種典型變換工藝所暴露出的技術(shù)難題。

2.1 飽和熱水塔變換工藝流程簡述

配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝流程圖見圖3。

圖3 配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝流程圖

由粉煤氣化單元送來的合成氣首先進(jìn)入氣液分離器，分液后的合成氣經(jīng)合成氣預(yù)熱器換熱提溫后進(jìn)入脫毒槽，除去合成氣中的有害雜質(zhì)，然后進(jìn)入預(yù)變換爐進(jìn)行CO變換反應(yīng)。

離開預(yù)變換爐的預(yù)變換氣進(jìn)入第一氣液混合器，被來自后系統(tǒng)的凈化工藝?yán)淠杭だ浜筮M(jìn)入飽和塔，在飽和塔內(nèi)預(yù)變換氣與工藝循環(huán)水傳熱傳質(zhì)，飽和塔底部送出的工藝循環(huán)水經(jīng)泵加壓返回?zé)崴胁浚辉鰸裉釡睾蟮念A(yù)變換氣從飽和塔頂部送出，經(jīng)變換氣換熱器提溫及第二氣液混合器微調(diào)水氣比后，進(jìn)入第一變換爐進(jìn)行深度CO變換反應(yīng)。

離開第一變換爐的變換氣經(jīng)變換氣換熱器和中間冷卻器連續(xù)冷卻后，進(jìn)入第二變換爐繼續(xù)進(jìn)行CO變換反應(yīng)。

離開第二變換爐的變換氣經(jīng)合成氣預(yù)熱器和后冷卻器冷卻后進(jìn)入熱水塔底部，與從塔中部進(jìn)入的工藝循環(huán)水以及從塔上部進(jìn)入的凈化工藝?yán)淠簜鳠醾髻|(zhì)，熱水塔底部送出的工藝循環(huán)水少量送后系統(tǒng)進(jìn)行汽提，大部分經(jīng)泵加壓，經(jīng)后冷卻器和中間冷卻器提溫后送飽和塔循環(huán)使用，熱水塔頂部送出的變換氣去后系統(tǒng)進(jìn)行余熱回收。

為了維持系統(tǒng)水平衡，在熱水塔頂部補入中壓鍋爐水。

2.2 飽和熱水塔變換工藝主要物流參數(shù)

飽和熱水塔變換工藝主要物流參數(shù)見表1。

表1 飽和熱水塔變換工藝主要物流參數(shù)

通過表1可以看出：進(jìn)入飽和塔前預(yù)變換氣的水氣比為0.19，離開飽和塔后預(yù)變換氣的水氣比為0.71，經(jīng)過飽和塔提溫增濕后水氣比增加了0.52，溫度升高了30℃，但水氣比的增加和溫度的升高均沒有消耗中壓蒸汽，而是通過工藝循環(huán)水在飽和塔內(nèi)的增濕和提溫來實現(xiàn)，節(jié)約了大量中壓蒸汽，對降低變換能耗起到了至關(guān)重要的作用。

3 飽和熱水塔變換工藝與典型變換工藝對比分析

對于殼牌粉煤氣化制氫生產(chǎn)52萬噸/年尿素的化肥裝置，進(jìn)入變換單元的有效氣 （H2+CO）約為85000Nm3/h，如果氣體的最終凈化采用液氮洗技術(shù)，則出變換單元的變換氣CO干基體積分?jǐn)?shù)約為1.2%，在此基準(zhǔn)下對三種變換工藝蒸汽消耗進(jìn)行對比和分析。

3.1 飽和熱水塔變換工藝與典型變換工藝對比

飽和熱水塔變換工藝與兩種典型變換工藝對比見表2。

表2 飽和熱水塔變換工藝與典型變換工藝對比表

通過表2可以看出：中低水氣比變換工藝、低水氣比變換工藝、飽和熱水塔變換工藝的中壓蒸汽消耗和富產(chǎn)的低壓蒸汽量均在逐漸降低，同時用于激冷或增濕的工藝凝液消耗在逐漸增加，但總的工藝凝液或激冷水以及中壓蒸汽消耗量是恒定不變化。

中低水氣比變換工藝中所消耗的水蒸汽，大部分是通過補充中壓蒸汽來提供，后續(xù)富產(chǎn)了大量低品位低壓蒸汽，綜合能耗相對較高。低水氣比變換工藝中所消耗的水蒸汽，有接近一半是通過工藝凝液激冷轉(zhuǎn)化而來，同時富產(chǎn)的低品位低壓蒸汽量也較少，綜合能耗相對較低。飽和熱水塔變換工藝中變換反應(yīng)所消耗的水蒸汽，大部分是通過工藝循環(huán)水在飽和塔內(nèi)氣化所生成，不富產(chǎn)低壓蒸汽，綜合能耗最低。

3.2 飽和熱水塔變換工藝節(jié)能分析

對于變換工序而言，當(dāng)CO變換率相同時，變換反應(yīng)所消耗的水蒸汽量是恒定的，影響中壓蒸汽消耗的主要因素是變換反應(yīng)過程中低品位熱量的有效回收和利用。

3.2.1 飽和熱水塔與低水氣比變換工藝節(jié)能對比分析

通過表1可以看出：變換氣進(jìn)出熱水塔的溫度分別為185℃和164℃，水氣比分別為0.41和0.29，水蒸汽含量分別為51t/h和36t/h，變換氣進(jìn)出熱水塔前后溫度降低了21℃，水蒸汽含量減少了15t/h。變換氣進(jìn)出熱水塔溫度降低所釋放的顯熱以及水蒸汽含量減少所釋放的潛熱，最終均通過飽和塔補入到了上游的變換氣中，并參加了隨后的變換反應(yīng)。

低水氣比變換工藝雖然也設(shè)置了低壓廢鍋，能夠產(chǎn)生大約15t/h的低壓蒸汽，但這部分低壓蒸汽因為壓力低，無法在變換單元實現(xiàn)對變換氣中水氣比的調(diào)節(jié)補充，就是說無法實現(xiàn)有效的補充回用，這是飽和熱水塔變換工藝比低水氣比變換工藝節(jié)省中壓蒸汽及節(jié)能的根本原因。

3.2.2 飽和熱水塔與中低水氣比變換工藝節(jié)能對比分析

飽和熱水塔比中低水氣比變換工藝節(jié)能主要有兩個原因。

第一個原因和飽和熱水塔與低水氣比變換節(jié)能對比分析原理相同，這里不再闡述。

第二個原因是流程中設(shè)置的飽和塔，預(yù)變換氣進(jìn)出飽和塔的溫度分別為165℃和195℃，水氣比分別為0.19和0.71，水蒸汽含量分別為18t/h和65t/h，預(yù)變換氣進(jìn)出熱水塔前后溫度增加了30℃，水蒸汽含量增加了47t/h。這表明預(yù)變換氣在進(jìn)入第一變換爐之前，水氣比的調(diào)節(jié)主要是通過飽和塔增溫增濕來實現(xiàn)，不足部分通過補充適量中壓蒸汽來完成。

中低水氣比變換工藝在適當(dāng)位置也設(shè)置了低壓廢鍋，總計能夠產(chǎn)生約50t/h的低壓蒸汽，但這部分低壓蒸汽因為壓力原因，同樣無法在變換單元實現(xiàn)有效的補充回用。這是飽和熱水塔變換工藝比中低水氣比變換工藝節(jié)省中壓蒸汽及節(jié)能的主要原因。

4 飽和熱水塔變換工藝優(yōu)越性分析

配套殼牌粉煤氣化制氫的飽和熱水塔變換工藝，通過在流程中使用飽和塔對預(yù)變換氣進(jìn)行增溫增濕以及使用熱水塔對變換氣進(jìn)行降溫減濕，實現(xiàn)了變換氣中低品位余熱的最大限度回用，簡化了變換系統(tǒng)余熱回收流程，降低了設(shè)備投資，解決了中低水氣比變換工藝中壓蒸汽消耗大問題，另外飽和熱水塔工藝比低水氣變換工藝更加節(jié)能，同時解決了低水氣比變換工藝存在的三個技術(shù)問題：變換爐或反應(yīng)段數(shù)較多、裝置操作控制難度大、存在甲烷化副反應(yīng)[7]。

5 結(jié)論

配套殼牌粉煤氣化制氫的高濃度CO變換工藝技術(shù)是否先進(jìn)成熟可靠，主要體現(xiàn)在裝置投資、操作控制、催化劑壽命、高位熱能回收和低位熱能綜合利用等方面。

飽和熱水塔變換工藝解決了中低水氣比變換工藝存在的中壓過熱蒸汽消耗大問題，同時解決了低水氣比變換工藝存在的變換爐或反應(yīng)段數(shù)較多、裝置操作控制難度大、存在甲烷化副反應(yīng)等問題，是一種節(jié)能高效技術(shù)成熟的高濃度CO變換技術(shù)，適用于配套殼牌粉煤氣化或其他同類型粉煤氣化技術(shù)制氫的新建變換裝置或典型變換裝置的節(jié)能改造。