CO等溫變換技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

李繁

摘 要：本文對等溫變換工藝與原理進行分析，并闡述該項技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的技術(shù)進展與實踐應(yīng)用。力求通過對水移熱等溫變化技術(shù)、等溫變換爐及配套工藝、CO等溫變換技術(shù)的應(yīng)用，達到節(jié)能環(huán)保的效果。

關(guān)鍵詞：CO;等溫變換;合成氨生產(chǎn)

在合成氨生產(chǎn)中，CO變換屬于十分重要的環(huán)節(jié)，在以往生產(chǎn)中主要采用多段絕熱反應(yīng)技術(shù)，不但工序繁瑣、投資量大，且熱損失度較高，隨著氮肥生產(chǎn)與煤氣化技術(shù)不斷成熟，變換氣中的一氧化碳含量不斷增加，因此對等溫變換技術(shù)進行創(chuàng)新，與高效節(jié)能的目標充分符合。

1 等溫變換的工藝與原理

等溫變換的原理在于發(fā)揮催化劑中熱水管束的作用，使系統(tǒng)中冗余的低品位熱能清除，使其轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂肺徽羝?。通過對副產(chǎn)蒸汽壓力進行控制，使水移熱技術(shù)的作用充分發(fā)揮，對催化劑床層溫度有效控制，使其始終處于180-350℃之間，以免出現(xiàn)飛溫事故，使催化劑的使用壽命得以延長，緩解設(shè)備腐蝕情況發(fā)生。與此同時，在熱量移除過程中，變換反應(yīng)的推動力隨之增加，促進煤氣中一氧化碳氣體的轉(zhuǎn)化。

在合成氨生產(chǎn)過程中，多種粗原料氣體在制取時均存在一氧化碳，體積分數(shù)在12-40%之間，合成氨主要包括兩種成分，即氫氣與氮氣，應(yīng)對其進行凈化后，將除兩種氣體之外的雜質(zhì)起初，才可使目標產(chǎn)品要求得以滿足。一氧化碳的變換工藝流傳已久，主要是通過CO與水蒸氣的接觸，在催化劑作用下實現(xiàn)等溫變化，達到剔除雜質(zhì)的目的，變換反應(yīng)如下：CO+H2O→H2+CO2+40.15kJ/mol。

式中，一氧化碳在發(fā)生變換時釋放出強大的熱能，應(yīng)分段進行回收，并對出口處剩余一氧化碳的含量進行嚴格控制。首先進行高溫變換，將大量一氧化碳變成氫氣與二氧化碳，然后再低溫變換，使一氧化碳的含量降低，達到0.3%左右，在原料氣制造的同時，實現(xiàn)凈化目標，為以后的脫碳工作提供極大便利[1]。

2 合成氨生產(chǎn)中CO等溫變換技術(shù)的應(yīng)用

在變換反應(yīng)理論指導(dǎo)下，通過多年對工藝設(shè)備的開發(fā)研究，在CO等溫變換方面已經(jīng)取得一定成就，主要的技術(shù)進展與應(yīng)用如下。

2.1 水移熱等溫變化技術(shù)

將徑向氣體分布技術(shù)、低阻力換熱器技術(shù)、水移熱合成技術(shù)以及宏觀動力學(xué)中的特性有機結(jié)合，以降低變換能耗為主要目標，成功研發(fā)出水移熱等溫變化技術(shù)，在粉煤加壓氣化、水煤漿加壓氣化等方面得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的應(yīng)用原理為：采用催化劑床層中的移熱水管束，使床層發(fā)生反應(yīng)熱能夠及時移出，保障催化劑的床層溫度處于可控狀態(tài)。同時，熱水管束還可對變換系統(tǒng)中的熱能進行回收，具有品位高、集中回收等特點。目前，此技術(shù)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，成為氨尿素原料改造中的主要技術(shù)之一，對于加壓氣化水煤氣變換裝置也實施了此項技術(shù)，并在2018年已經(jīng)正式建成并投入使用[2]。

2.2 等溫變換爐及配套工藝

經(jīng)過多年的研究和工藝設(shè)備的開發(fā)，在變換工段反應(yīng)理論的指導(dǎo)下，研制出等溫變換爐與配套工藝，將其應(yīng)用到催化劑床層之中，依靠副產(chǎn)蒸汽的方式，將反應(yīng)生成的熱量被移除，并產(chǎn)生大量品位較高的蒸汽，實現(xiàn)床層溫度恒定不變的目標。與此同時，該技術(shù)的應(yīng)用還可減少換熱與熱量回收設(shè)備的應(yīng)用，使生產(chǎn)流程得到精簡。該項工藝的應(yīng)用將變換爐技術(shù)應(yīng)用其中，減少了系統(tǒng)阻力，通過反應(yīng)溫度的不斷變化，在蒸汽壓力得到靈活改變，操作方法更加簡單實用。在水管式反應(yīng)器應(yīng)用時，產(chǎn)生大量3.8MPa飽和蒸汽，與氨合成系統(tǒng)中的加熱器相結(jié)合，由加熱器為其提供熱水，實現(xiàn)對變換系統(tǒng)的“準零汽耗”。

2.3 CO等溫變換技術(shù)

該技術(shù)是在全徑向變換技術(shù)的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，將換熱器加入到催化劑床層之中，在水相變換熱原理的指導(dǎo)下，依靠副產(chǎn)蒸汽將多余的反應(yīng)熱移除，確保床層能夠正常發(fā)生低溫或者恒溫反應(yīng)，在反應(yīng)的同時將熱量移除，床層的反應(yīng)溫度較低，且穩(wěn)定性較強，可使催化劑的使用更具持久性，以免將大量變換爐應(yīng)用其中，使反應(yīng)流程縮短。在一氧化碳轉(zhuǎn)化方面，轉(zhuǎn)化率應(yīng)超過98%，使原料氣中的利用率得以提升，生產(chǎn)成本得到節(jié)約。同時，在變換爐中安裝反應(yīng)器，以懸掛式為主，可有效避免受熱膨脹或者遇冷收縮對設(shè)備產(chǎn)生的危害，采用反應(yīng)熱中的中壓蒸汽，使系統(tǒng)實現(xiàn)無動力的自然循環(huán)。

2.4 大型合成氨系統(tǒng)

在化肥產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展背景下，合成氨的裝置逐漸朝著規(guī)?；?、系統(tǒng)化的方向發(fā)展，尤其在新型煤氣化技術(shù)日益成熟背景下，連續(xù)氣化技術(shù)進入到發(fā)展的黃金時期，大型合成氨系統(tǒng)得到推廣使用，包括航天爐、水煤漿爐等等，以航天爐變換工藝為例，原料中的一氧化碳含量超過68%。在高濃度原料氣的作用下，實現(xiàn)管式反應(yīng)器的有效變化，與合成氨裝置的工藝需求充分滿足。對于傳統(tǒng)技術(shù)中存在的CO摩爾分率較小的問題，合成氨系統(tǒng)的應(yīng)用可使這一問題得到良好解決，充分發(fā)揮恩德爐、水煤漿氣化等多種裝置的作用，不但使CO摩爾分率達到最佳狀態(tài)，還具有節(jié)能效果，有效降低合成氨生產(chǎn)中的能耗，為大型煤化工行業(yè)的發(fā)展與裝置更新提供了新路徑[3]。

3 結(jié)論

綜上所述，CO等溫變換技術(shù)的應(yīng)用不但可有效突破傳統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用瓶頸，還可加快氮肥、甲醇的生產(chǎn)與技術(shù)創(chuàng)新，為企業(yè)帶來更加可觀的經(jīng)濟和社會效益，發(fā)展前景十分廣闊。

參考文獻：

[1]馬明.等溫變換技術(shù)在傳統(tǒng)合成氨生產(chǎn)中的探索應(yīng)用[J].化工催化劑及甲醇技術(shù)， 2015（6）：10-12.

[2]汪家銘.CO等溫變換技術(shù)在合成氨生產(chǎn)中的應(yīng)用[J].瀘天化科技，2018（3）：1-4.

[3]本刊通訊員.合成氨HT-L煤氣首用等溫變換技術(shù)優(yōu)勢明顯[J].化肥設(shè)計，2017（1）：44-44.