高水氣比變換系統(tǒng)的升級改造

馬 棟

（晉煤集團煤化工事業(yè)部，山西晉城 048000）

1 一期項目生產(chǎn)情況

1.1 多段絕熱變換工藝簡介

某肥料公司一期項目于2013年3月投運，變換工序采用高水氣比多段絕熱變換工藝，設(shè)計水煤氣處理量150000m3／h，整套變換系統(tǒng)靜止設(shè)備共計28臺，其中主換熱設(shè)備10臺、變換爐4臺 （變換催化劑裝填量合計為165m3）；1＃變換爐有2個催化劑床層 （段間用冷煤氣冷激），采用耐水合高溫型鈷鉬系催化劑，2＃～4＃變換爐均裝填寬溫區(qū)低溫高活性鈷鉬系催化劑。一期項目多段絕熱變換工藝流程見圖1。

1.2 生產(chǎn)運行中存在的問題

（1）由于航天爐加壓氣化工藝所產(chǎn)的水煤氣CO含量高達60%以上，加之工藝方面的原因，水煤氣中夾帶的水汽量大，水煤氣水氣比達0.82，導(dǎo)致一期變換系統(tǒng) CO總轉(zhuǎn)化率僅為98.96%，CO轉(zhuǎn)化率較低。

（2）副產(chǎn)2.5～3.8MPa的高品位蒸汽較少，只有 5～6t／h，卻副產(chǎn)大量 （15～17t／h）0.5MPa的低品位蒸汽，能源利用效率較低。

（3）由于設(shè)備繁多、流程復(fù)雜，僅變換爐就有4臺，水煤氣通過催化劑床層會產(chǎn)生巨大的阻力降，系統(tǒng)壓差高達0.2MPa，壓縮機功耗大。

圖1 一期項目多段絕熱變換工藝流程圖

（4）實際操作中，一期變換系統(tǒng)存在易超溫等一系列問題，需頻繁調(diào)整蒸汽添加量以維持變換爐爐溫，帶來很大的操作難度。

（5）整個一期變換系統(tǒng)需消耗大量的循環(huán)冷卻水，系統(tǒng)熱量沒有得到有效利用，能量白白被浪費，而且給循環(huán)水系統(tǒng)的運行增加了較大的負擔。

（6）大量高溫高壓設(shè)備出現(xiàn)嚴重腐蝕，其中冷激汽化器、氣液分離器、換熱器的腐蝕尤為明顯。

一期變換系統(tǒng)正常運行時 （2013年5月20—23日）的主要運行數(shù)據(jù)見表1。

表1 一期變換系統(tǒng)主要運行數(shù)據(jù)

續(xù)表1

2 變換系統(tǒng)問題的解決方案

2.1 問題的提出及目標

二期項目設(shè)計產(chǎn)品和一期項目一樣，仍為合成氨，并設(shè)計為可轉(zhuǎn)產(chǎn)甲醇，且要求項目整體設(shè)計要優(yōu)于一期項目，作為合成氨裝置的核心系統(tǒng)——變換系統(tǒng)要達到以下目標：① 要能將出變換系統(tǒng)的CO含量降到更低的水平，變換系統(tǒng)CO轉(zhuǎn)化率需達到99%以上；②提高副產(chǎn)高品位蒸汽的占比，降低副產(chǎn)低品位蒸汽的占比；③減少催化劑的裝填量，降低系統(tǒng)阻力，減少能量損耗等；④減輕設(shè)備腐蝕。

要解決CO轉(zhuǎn)化率不高等一系列問題，其關(guān)鍵在于變換爐的設(shè)計。因此，二期項目變換系統(tǒng)設(shè)計的重點就是選擇適宜的變換爐類型，并確定一個合適的配套流程。

2.2 水移熱等溫變換爐的優(yōu)勢

針對一期項目變換系統(tǒng)生產(chǎn)運行中存在的問題，按照二期項目變換系統(tǒng)設(shè)計要解決的問題和需達到的目標，二期項目變換系統(tǒng)的重點設(shè)備——變換爐選擇了水移熱 （移熱管束式）等溫變換爐，其結(jié)構(gòu)及工作原理見圖2。

圖2 水移熱等溫變換爐結(jié)構(gòu)及工作原理示意

水煤氣從等溫變換爐頂部進氣口進入，沿筒壁進入催化劑筐環(huán)隙，然后沿催化劑筐中小孔徑向進入催化劑床層，水煤氣中的CO與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)，放出大量的熱，通過分布埋藏在催化劑床內(nèi)的由設(shè)備底部進入有流動加壓熱水的移熱管將反應(yīng)熱移走；吸收了大量熱量的水發(fā)生相變，產(chǎn)生中壓蒸汽，沿出水管從設(shè)備頂部出變換爐；完成變換反應(yīng)的氣體則沿出氣管上的小孔進入出氣管，經(jīng)出氣管聚集后從變換爐底部出去。

相較于傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝，水移熱等溫變換工藝具有設(shè)備少、流程短、露點腐蝕少、系統(tǒng)阻力低、工程投資少等優(yōu)點。由于可提前通過控制蒸汽壓力提升催化劑床層的溫度，系統(tǒng)開車非常迅速且安全，較短時間內(nèi)就可提升至滿負荷運行。此外，水移熱等溫變換爐催化劑裝填量不受超溫問題的限制，而是根據(jù)催化劑的使用年限及T F值來選取的，一、二級等溫變換爐催化劑的使用壽命分別可達5a、10a，與傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝大概每年均需停車更換一級變爐催化劑相比，經(jīng)濟效益明顯。

2.3 二期變換系統(tǒng)工藝流程

為實現(xiàn)效益的最大化，二期項目航天爐加壓氣化工藝后配置150kt／a甲醇系統(tǒng)和180kt／a合成氨系統(tǒng)各1套，變換系統(tǒng)的設(shè)計需滿足既可生產(chǎn)合成氨又可生產(chǎn)甲醇的要求。為此，設(shè)計時在2＃等溫變換爐后串聯(lián)了1臺絕熱變換爐，當生產(chǎn)合成氨時，由于需要深度變換，水煤氣通過1＃、2＃等溫變換爐后達到工藝指標要求，不進絕熱變換爐，通過旁路直接進入冷凝液加熱器和除氧水加熱器；當生產(chǎn)甲醇時，由于不需要深度變換，水煤氣通過1＃等溫變換爐后走2＃等溫變換爐旁路進入3＃絕熱變換爐，將因等溫變換爐爐溫較低未反應(yīng)的羰基硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，使變換氣氫碳比達到甲醇生產(chǎn)所需的2∶1。二期項目變換系統(tǒng)水移熱等溫變換工藝流程見圖3。

圖3 二期項目水移熱等溫變換工藝流程圖

對比圖3與圖1可以看出，二期變換系統(tǒng)與一期變換系統(tǒng)主要有以下不同之處：①變換爐由一期的4臺絕熱變換爐改為二期的2臺等溫變換爐+1臺絕熱變換爐，變換爐臺數(shù)減少，相應(yīng)鈷鉬系變換催化劑的填裝量減少，且二期變換系統(tǒng)1＃等溫變換爐催化劑也由一期的耐高溫鈷鉬系催化劑更改為使用壽命更長的低溫鈷鉬系催化劑；②二期變換系統(tǒng)1＃等溫變換爐副產(chǎn)2.5～3.8MPa蒸汽，2＃等溫變換爐副產(chǎn)1.0～1.6MPa蒸汽，此2種蒸汽壓力等級均較高，屬較高品位的蒸汽，由此去掉了一期變換系統(tǒng)的1＃、2＃、3＃低壓蒸發(fā)冷凝器；③ 二期變換系統(tǒng)設(shè)置2＃等溫變換爐、3＃絕熱變換爐旁路 （見圖3虛線），可根據(jù)工況需要在CO濃度發(fā)生改變或產(chǎn)品市場發(fā)生變化時進行流程調(diào)整，系統(tǒng)操作更加靈活，裝置效率及效益更高。

3 變換系統(tǒng)升級前后運行情況的比較分析

2014年4月二期項目開車，經(jīng)過6個月的輕負荷運行后，裝置轉(zhuǎn)為滿負荷生產(chǎn)。二期變換系統(tǒng)2014年4月投運初期和2015年6月連續(xù)3d的主要運行數(shù)據(jù)對比見表2?？梢钥闯?，穩(wěn)定運行時，變換系統(tǒng)進口CO含量維持在63.0%（干基）左右，1＃等溫變換爐出口 CO含量≤2.97%，2＃等溫變換爐出口 CO含量≤0.39%，等溫變換爐阻力≤0.01MPa，系統(tǒng)總阻力≤0.09MPa，可副產(chǎn)2.5MPa蒸汽25～28t／h、1.0MPa蒸汽4～6t／h，床層溫度平穩(wěn)，同溫面溫差基本控制在10℃以內(nèi)，各項技術(shù)參數(shù)與設(shè)計值基本一致。

表2 二期變換系統(tǒng)主要運行數(shù)據(jù)

據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)及實際生產(chǎn)情況可以看出，二期變換系統(tǒng)與一期變換系統(tǒng)相比具有以下明顯優(yōu)勢。

（1）開車速度快、運行平穩(wěn)。因為等溫變換爐可以提前通過蒸汽換熱將爐內(nèi)催化劑床層溫度提升至其反應(yīng)活性溫度，而不需要反應(yīng)氣從常溫慢慢循環(huán)加熱提溫，所以從導(dǎo)氣至轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)用時僅約0.5h，速度非?？欤磺矣捎诘葴刈儞Q爐內(nèi)的移熱管束起到了維持床層溫度穩(wěn)定的作用，多余的熱量被帶走 （副產(chǎn)高品位蒸汽），不會出現(xiàn)催化劑床層超溫或飛溫現(xiàn)象。

（2）生產(chǎn)操作簡便、省心。系統(tǒng)工藝控制僅有3個點且均可自動調(diào)節(jié) （通過控制汽包內(nèi)的蒸汽壓力即可輕松控制床層溫度；通過調(diào)節(jié)變換爐入口蒸汽量調(diào)整汽氣比，即可控制變換爐出口CO含量），較一期變換系統(tǒng)的操作輕松了許多。

（3）對CO含量容忍度大。即使在進入變換系統(tǒng)的CO含量接近70%的情況下，床層溫度依然平穩(wěn) （反應(yīng)放出的大量熱量均用于副產(chǎn)蒸汽），1＃等溫變換爐出口CO含量變化在0.5%以內(nèi)，系統(tǒng)出口CO含量基本上保持不變。

（4）床層溫度穩(wěn)定、均勻。一級等溫變換爐 （1＃變換爐）同溫面溫差≤10℃，二級等溫變換爐 （2＃變換爐）同溫面溫差≤5℃，催化劑床層溫度分布與催化劑特性一致 （表明設(shè)計科學(xué)，氣體在爐內(nèi)管道中分布均勻、無偏流現(xiàn)象），預(yù)計其催化劑使用壽命較一期變換系統(tǒng)至少多出3a（一期變換催化劑的設(shè)計使用壽命為365d），系統(tǒng)連運水平明顯提高。

（5）副產(chǎn)高品位蒸汽量大、低品位熱能少。正式投產(chǎn)以來，二期變換系統(tǒng)副產(chǎn)2.5MPa蒸汽量基本在25～28 t／h、1.0MPa蒸汽量在4～6 t／h，其為整個工藝系統(tǒng)貢獻的蒸汽用于生產(chǎn)水煤氣、尿素以及發(fā)電等，從而節(jié)省了鍋爐產(chǎn)蒸汽；另外，相較于一期約228t／h的脫鹽水用量來說，達到相同的變換程度二期變換系統(tǒng)脫鹽水用量較一期變換系統(tǒng)少約93t／h，且系統(tǒng)出口變換氣溫度降低約3.8℃。

（6）變換爐及系統(tǒng)阻力低。由于等溫變換爐保證了爐內(nèi)溫度在催化劑設(shè)計反應(yīng)溫度范圍，保護了催化劑的活性，防止了因超溫等不規(guī)范操作導(dǎo)致的催化劑粉化、結(jié)塊等現(xiàn)象，從而降低了系統(tǒng)阻力；即使在滿負荷生產(chǎn)情況下，二期變換系統(tǒng)平均阻力降也在0.09MPa以下 （折電耗每小時下降約266kW·h），遠低于一期變換系統(tǒng)0.20MPa的阻力降，一級等溫變換爐、二級等溫變換爐阻力降低至0.01MPa左右。

（7）變換催化劑使用量減少。等溫變換爐的高效反應(yīng)特性使得二期項目2臺等溫變換爐可以達到一期項目4臺絕熱變換爐的工作效率，二期項目變換催化劑裝填量較一期項目少33m3。

4 變換系統(tǒng)升級前后技術(shù)經(jīng)濟指標及效益對比

4.1 技術(shù)經(jīng)濟指標對比

一期項目與二期項目變換系統(tǒng)的主要設(shè)計參數(shù) （工況條件）基本相同，僅僅是采用的工藝技術(shù)不同。一、二期項目變換系統(tǒng)2015年6月21日同一時刻的主要技術(shù)經(jīng)濟指標見表3。

表3 一、二期項目變換系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟指標對比

4.2 經(jīng)濟效益對比

4.2.1 計算基準

4.6MPa蒸汽價格 150元／t、2.5MPa蒸汽價格 130元／t、1.0MPa蒸汽價格 110元／t、0.5MPa蒸汽價格100元／t；電價0.54元／（kW·h）；脫鹽水價格1元／t；一期項目絕熱變換爐催化劑平均價格11.5萬元／m3，二期項目等溫變換爐催化劑價格9萬元／m3；全年有效運行時間8000h（330d）。

4.2.2 直接經(jīng)濟效益

據(jù)表3數(shù)據(jù)及上述計算基準，二期項目變換系統(tǒng)直接經(jīng)濟效益計算如下。

副產(chǎn)2.5MPa蒸汽效益：（27.4-5.8）×130×8000÷10000＝2246.4萬元。

副產(chǎn)1.0MPa蒸汽效益：（4.10-0）×110×8000÷10000＝360.8萬元。

節(jié)電效益：266×0.54×8000÷10000＝114.9萬元。

節(jié)水 （少用脫鹽水）效益：（228-135）×1×8000÷10000＝74.4萬元。

少產(chǎn)0.5MPa蒸汽減少的效益：（16-0）×100×8000÷10000＝1280萬元。

多用4.6MPa蒸汽增加的費用：（5.9-1.5）×150×8000÷10000＝528萬元。

合計全年直接經(jīng)濟效益：2246.4+360.8+114.9+74.4-1280-528＝988.5萬元。

4.2.3 間接經(jīng)濟效益

長周期運行主要考慮變換催化劑整體使用周期的問題。二期項目采用等溫變換工藝后，因無超溫對催化劑的損害，鈷鉬系變換催化劑使用壽命將大大延長。按照二期項目等溫變換爐催化劑使用周期為4a、一期項目絕熱變換爐催化劑使用周期平均為1.5a進行間接經(jīng)濟效益核算。

該公司2015年財務(wù)報表顯示：二期項目總投資15億元，每次原始開車消耗原材料、輔材、一次水、循環(huán)水、電、蒸汽、人工等費用在600萬元左右，每次更換變換催化劑及硫化需耗時20d；二期裝置稅前利潤為10000萬元／a，設(shè)備折舊為10a。

等溫變換爐年節(jié)省催化劑費用：165×11.5÷1.5-132×9÷4＝968萬元。

減少更換催化劑及硫化耗時年增加的稅前利潤：10000÷8000×20×24×（1÷1.5-1÷4）＝250萬元。

減少年折舊費用：150000÷10÷8000×20×24× （1÷1.5-1÷4） ＝374萬元。

年節(jié)省生產(chǎn)費用：600×（1÷1.5-1÷4）＝250萬元。

合計全年間接經(jīng)濟效益：968+250+374+250＝1842萬元。間接經(jīng)濟效益在總經(jīng)濟效益中的占比為1842÷（1842+988.5）＝65.1%。

5 結(jié)束語

企業(yè)是以盈利為目的的，失去利潤的企業(yè)將難以生存。在國內(nèi)傳統(tǒng)合成氨、甲醇企業(yè)競爭越來越白熱化的今天，誰能在生產(chǎn)工藝中挖潛提效、抓好技術(shù)創(chuàng)新，誰就能在激烈的市場競爭中生存下去。某肥料公司二期變換系統(tǒng)設(shè)計時，在一期變換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進行升級改造，選擇了在高水氣比、高CO含量工況下有明顯優(yōu)勢的水移熱等溫變換新工藝后，每年產(chǎn)生近3000萬元的比較收益，有效地提升了企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強有力的支撐。