低變催化劑運(yùn)行末期對(duì)裝置的影響

王燚飚

（中海石油化學(xué)股份公司，海南東方 572600）

1 概述

中海石油化學(xué)股份有限公司富島一期合成氨裝置采用ICIAMV 工藝，以天然氣為原料氣，生產(chǎn)能力1000t/d。本裝置變換工序的目的是將蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)后,含12%～14%CO 的工藝氣中的CO在有催化劑條件下變換成為易被脫碳單元吸收的CO2。

2 變換工序反應(yīng)簡(jiǎn)介

變換工序由高溫變換和低溫變換組成，高溫變換催化劑以Fe3O4為主要活性組分，活性溫度為350～430℃，在此溫度下可獲得較高的反應(yīng)速度，但不能取得較低的CO 濃度。為了進(jìn)一步取得較低的CO 濃度，就必須在活性溫度為195～250℃溫度下，使用以銅為活性組分的低變催化劑進(jìn)行低溫變換反應(yīng)，這樣才可以使變換反應(yīng)比較徹底，變換后CO 濃度降至0.29%以下，以滿足工藝需求。

3 低變爐催化劑運(yùn)行狀況

低變催化劑于2016年 3月進(jìn)行更換，型號(hào)：B205-1（主要組分銅微晶），裝填量85t，2016年4月7日投用，至2019年3月已累計(jì)運(yùn)行34個(gè)月，水碳比：2.9～3.05工況下，低變出口CO含量為0.32%，（設(shè)計(jì)≤0.30mol%）與正常生產(chǎn)指標(biāo)稍有偏差，但尚可滿足生產(chǎn)運(yùn)行。截至2019年3月，負(fù)荷96%時(shí)壓差在51kPa，較去年上漲8kPa。

4 如何判斷催化劑進(jìn)入了運(yùn)行末期

4.1 床層溫度的變化

床層溫度的變化如表1所示。

表1 本爐催化劑投用至今床層溫差

綜合來(lái)看，經(jīng)過(guò)8個(gè)月的運(yùn)行，頂層催化劑活性基本消失，第二、第三床層溫差相差不多，說(shuō)明當(dāng)前反應(yīng)主要集中第二、第三床層。2018年9月，第二床層催化劑活性已大幅下降，第三床層催化劑開(kāi)始承擔(dān)主要反應(yīng)，至2019年6月，主要反應(yīng)將移至底層。從溫差上反應(yīng)，本爐催化劑在相同運(yùn)行周期內(nèi)的反應(yīng)表現(xiàn)顯然不如上一爐催化劑好。實(shí)踐證明，2019年6月，催化劑床層反應(yīng)已經(jīng)移至底層，催化劑已進(jìn)入運(yùn)行末期。

4.2 低變出口CO的變化

通過(guò)查閱近兩年低變出口CO 數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)發(fā)現(xiàn)，2018年6月低變出口微量由剛開(kāi)始投用時(shí)的0.19mol%緩慢上漲至0.27mol%，低于設(shè)計(jì)值（≤0.30mol%），2018年底，低變出口CO 含量已突破0.3mol%，2019年3月底低變爐出口CO 含量已高達(dá)0.32%。預(yù)測(cè)2019年底將達(dá)到0.36mol%以上。說(shuō)明低變爐催化劑處理CO 能力大幅下降，大部分催化劑已經(jīng)失活，催化劑進(jìn)入了運(yùn)行末期。

4.3 變換率的變化

變換率的變化如表2所示。

由表1可以看出，本爐催化劑變換率不斷下降，至2018年6月，在運(yùn)行至25月時(shí)，變換率已經(jīng)由剛投用時(shí)的92%下降至88%，與上一爐催化劑運(yùn)行至36個(gè)月時(shí)的變換率相當(dāng)。截至2019年6月，本爐催化劑變換率降至85%，變換率嚴(yán)重不足。同時(shí)上一爐催化劑也是在變換率降至85%，活性大幅下降的情況下進(jìn)行了更換。由此判定本爐催化劑已進(jìn)入運(yùn)行末期，應(yīng)及時(shí)更換。

4.4 床層壓差的變化

床層壓差變化如表3所示。

由表3可以看出，截至2019年3月，低變床層壓差由剛投用時(shí)的30kPa 左右上漲至52kPa，低變壓差整體呈上漲趨勢(shì)，說(shuō)明催化劑強(qiáng)度下降，初步判斷壓差上漲可能與多次開(kāi)停車(chē)過(guò)程中催化劑的不斷粉化堵塞有關(guān)。壓差的上漲說(shuō)明催化劑粉化嚴(yán)重，已逐漸進(jìn)入運(yùn)行末期。

5 對(duì)裝置運(yùn)行的影響進(jìn)行分析

5.1 生產(chǎn)成本損失的預(yù)估

（1）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行至2020年大修周期，低變出口CO 微量將達(dá)到0.36%以上。假設(shè)微量上漲是勻速的，按面積計(jì)算法推算，運(yùn)行至2018年底，已損失尿素1kt，折合生產(chǎn)成本122萬(wàn)元；如運(yùn)行至2019年底，全年將損失尿素4.1kt，折合生產(chǎn)成本487萬(wàn)元。

（2）若運(yùn)行至2020 大修周期催化劑仍不更換，運(yùn)行至2022年，屆時(shí)低變催化劑將徹底失活，因減產(chǎn)帶來(lái)的損失將驟增至1000萬(wàn)元/a。

5.2 蒸汽消耗損失的預(yù)估

運(yùn)行至2020年壓差上漲20kPa，增加蒸汽1.6t/h，運(yùn)行至2019年底增加蒸汽消耗19008t，按中壓蒸汽成本40元/t 核算，增加生產(chǎn)成本76萬(wàn)元，若按外購(gòu)蒸汽價(jià)格185元/t 計(jì)算，將增加生產(chǎn)成本352萬(wàn)元。考慮壓差為勻速上漲，增加蒸汽成本38～176萬(wàn)元。

5.3 催化劑運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估

從經(jīng)濟(jì)性考慮，若低變爐運(yùn)行至2020年大修，各類(lèi)能耗損失費(fèi)用高達(dá)647～785萬(wàn)元，相當(dāng)于更換一整爐新催化劑的價(jià)錢(qián)。按運(yùn)行4a 計(jì)，平均成本200萬(wàn)/a，這說(shuō)明我廠低變催化劑運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳時(shí)間就是前三年。若2020年大修周期不更換，勉強(qiáng)運(yùn)行至2022年大修周期，裝置的運(yùn)行成本將會(huì)大幅度上升。

5.4 裝置安全運(yùn)行方面的預(yù)估

（1）低變出口CO 含量每增加0.1%，甲烷化爐溫將上漲約8℃，當(dāng)前甲烷化熱點(diǎn)溫度約330℃。若2020年大修周期不更換，催化劑后期將徹底失活，出口CO 含量上漲將超過(guò)1%，甲烷化爐床層也將上漲80℃以上，會(huì)立即引起甲烷化爐超溫，甚至燒壞催化劑，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致催化劑和設(shè)備報(bào)廢。

（2）低變催化劑是整個(gè)變換工段的最后把關(guān)，關(guān)系到甲烷化及后系統(tǒng)能否安全運(yùn)行，若低變催化劑徹底失活，裝置將被迫長(zhǎng)期停車(chē)，帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)損失更是無(wú)法估量。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)低變催化劑各項(xiàng)工藝指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)的綜合分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是從指標(biāo)參數(shù)的變化，還是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的評(píng)估，低變催化劑都已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行周期的末期，如不在2020年大修周期及時(shí)更換，將導(dǎo)致整個(gè)合成裝置運(yùn)行成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的大幅提高。所以，為了保證后期裝置能夠“安”“穩(wěn)”“長(zhǎng)”“優(yōu)”的運(yùn)行，2020年必須更換低變催化劑。