60萬t/a合成氨等溫變換工藝改造

方 國

(湖南安淳高新技術有限公司，湖南 長沙 410205)

河南晉開投資控股集團公司(以下簡稱河南晉開集團)于2011年新建120萬t/a合成氨裝置，單套60萬t/a合成氨，采用航天爐造氣、傳統(tǒng)四段絕熱變換工藝，設計變換出口φ(CO)<0.6%。自2012年運行以來，該裝置存在變換系統(tǒng)阻力大、出口變換氣CO含量偏高及耐硫變換催化劑壽命短等問題。業(yè)主經(jīng)過比較論證，決定采用湖南安淳高新技術有限公司(以下簡稱湖南安淳)提供的技改方案，在變換系統(tǒng)新增一臺等溫變換爐，該改造于2019年7月完成并投入使用。

1 工藝改造

為避免和減少改造導致的系統(tǒng)停車、平面布置造成的局限性等問題，要求不能對原系統(tǒng)進行大幅度改動，盡量利用原來的設備，同時，改造設備接入原系統(tǒng)的時間不能太長，只能利用檢修時間。在此原則基礎上，湖南安淳提出的主要設計思路是，將原變換系統(tǒng)一段變換副線改為等溫變換，從而降低第二變換爐熱點溫度，以降低后序的變換負荷。

1.1 改造前流程

改造前變換工藝流程見圖1。從航天爐造氣送來的200℃、3.8MPa(g)的粗煤氣，經(jīng)煤氣水分離器分離管道溫損產(chǎn)生的冷凝液，再經(jīng)第一換熱器升溫至250℃，進入并聯(lián)的脫毒槽除去粗煤氣中雜質(zhì)，70%粗煤氣經(jīng)過并聯(lián)的第一變換爐反應，第一變換爐反應出口380℃的變換氣經(jīng)第一換熱器降溫后，與30%的未變換氣混合，進入增濕器和中壓廢熱鍋爐，降溫至240℃后，進入第二變換爐反應，第二變換爐反應出口434℃、CO含量為6.7%的變換氣經(jīng)增濕器、中壓鍋爐水預熱器和冷凝液預熱器降溫至220℃后，進入第三變換爐反應，第三變換爐反應出口260℃、CO含量為2.5%的變換氣經(jīng)低壓廢熱鍋爐降溫至200℃后，進入第四變換爐反應，第四變換爐反應出口200℃、φ(CO)含量為1.7%的變換氣送至余熱回收系統(tǒng)。

圖1 改造前流程示意圖注：1—煤氣水分離器；2—第一換熱器；3—脫毒槽；4—第一變換爐；5—增濕器；6—中壓廢熱鍋爐；7—第二變換爐；8—增濕器；9—中壓鍋爐水預熱器；10—冷凝液預熱器；11—第三變換爐；12—低壓廢熱鍋爐；13—第四變換爐

1.2 改造后流程

改造后變換工藝流程見圖2。從航天爐造氣送來的200℃、3.8MPa(g)的粗煤氣，經(jīng)煤氣水分離器分離管道溫損產(chǎn)生的冷凝液，再經(jīng)第一換熱器升溫至250℃，進入并聯(lián)的脫毒槽除去粗煤氣中雜質(zhì)，60%粗煤氣經(jīng)過并聯(lián)的第一變換爐反應，第一變換爐反應出口420℃的變換氣經(jīng)第一換熱器降溫后，與40%粗煤氣經(jīng)過等溫變換爐反應的變換氣混合，進入增濕器和中壓廢熱鍋爐，降溫至230℃后進入第二變換爐反應，第二變換爐反應出口300℃、φ(CO)為3.8%的變換氣經(jīng)增濕器、中壓鍋爐水預熱器和冷凝液預熱器降溫至200℃后，進入第三變換爐反應，第三變換爐反應出口220℃、φ(CO)為0.65%的變換氣經(jīng)低壓廢熱鍋爐降溫至190℃后，進入第四變換爐反應，第四變換爐反應出口195℃、φ(CO)為0.4%的變換氣送至余熱回收系統(tǒng)。

圖2 改造后流程示意圖注：1—煤氣水分離器；2—第一換熱器；3—脫毒槽；4—第一變換爐；5—等溫變換爐；6—增濕器；7—中壓廢熱鍋爐；8—第二變換爐；9—增濕器；10—中壓鍋爐水預熱器；11—冷凝液預熱器；12—第三變換爐；13—低壓廢熱鍋爐；14—第四變換爐

1.3 主要改造內(nèi)容

本次改造要解決的主要問題是，原變換系統(tǒng)運行阻力大(達到0.8MPa)，第一變換爐和第二變換爐的催化劑長期高溫運行，造成使用壽命短以及出口變換氣中CO含量提高(達到1.7%)等問題。

針對以上問題，此次改造的內(nèi)容主要有：①原來第一變換爐30%氣量粗煤氣的副線新增一臺等溫變換爐，使等溫變換爐運行氣量為40%，從而降低第一變換爐負荷；②新增一臺汽包用于正常運行中回收能量副產(chǎn)3.7MPa(g)的中壓蒸汽；③新增一臺排污膨脹槽用于正常運行中回收能量副產(chǎn)低壓蒸汽；④新增一臺開工循環(huán)泵，在開車時使用。⑤降低第二變換爐負荷，第二變換爐運行溫度由原來的430℃下降到300℃，從而延長了催化劑的使用壽命。新增設備見表1。

表1 新增設備一覽表

2 運行情況對比

本次改造于2019年7月完成并投入運行以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，優(yōu)于設計指標，實現(xiàn)了改造的目的。改造前后部分運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 改造前后部分運行參數(shù)對比

由表2數(shù)據(jù)可以看出，在相同規(guī)模粗煤氣處理量的情況下，系統(tǒng)運行情況有所改善，主要體現(xiàn)在以下5點：①變換系統(tǒng)阻力下降了0.2MPa；②第一變換爐運行氣量降低，熱點溫度下降12℃；③ 第二變換爐正常運行熱點溫度下降了134℃，且出口CO含量下降2.9%；④變換系統(tǒng)出口φ(CO)含量下降了1.2%，增加了合成氣量，從而增加了一定的合成氨產(chǎn)量；⑤減少了低壓蒸汽產(chǎn)量，使之相應增加了中壓蒸汽產(chǎn)量，提高了能量回收率。

3 改造效益分析

(1)系統(tǒng)阻力降低了0.2MPa，相當于每小時節(jié)電800kW·h，按電價0.47元/kW·h計算，則年工作7 200h產(chǎn)生的效益為270.7萬元。

(2)變換氣中φ(CO)含量從1.7%降至0.5%，相當于H2量增加了229Nm3/h，按噸氨消耗新鮮氣2 650Nm3、噸氨單價3 000元、放空氣燃氣單價0.5元/Nm3計算，則年工作7 200h產(chǎn)生的效益為166.36萬元。

(3)根據(jù)表2中蒸汽產(chǎn)量數(shù)據(jù)，3.7MPa蒸汽按85元/t計算，1.5MPa和0.5MPa蒸汽按80元/t計算，則年工作7 200h產(chǎn)生的效益為854.6萬元。

另外，改造后第一和第二變換爐內(nèi)耐硫催化劑使用溫度降低，且變換負荷降低，使催化劑使用壽命延長，催化劑更換次數(shù)和更換催化劑帶來的開停車次數(shù)減少，也將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。此項效益暫不計算，僅按上述三項效益計，總和為1291.6萬元，本次改造總投入約為2 400萬元，2年內(nèi)可回收投資。

4 結(jié)語

(1)河南晉開集團60萬t/a合成氨變換工段通過本次改造降低了系統(tǒng)阻力，降低了出口變換氣CO含量，提高了催化劑的使用壽命，達到改造目的。改造后系統(tǒng)運行平穩(wěn)，實現(xiàn)了節(jié)能降耗增產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了效益。

(2)因本次改造受改造碰頭時間、改造預算等因素制約，改造后的變換系統(tǒng)仍有進一步優(yōu)化的空間，可進一步降低系統(tǒng)運行能耗。

(3)本次改造為航天爐粉煤氣化等溫變換工藝設計提供了新思路，新建項目若采用湖南安淳提供的兩級等溫變換工藝設計，相比于絕熱變換工藝，出口變換氣CO含量將進一步下降，系統(tǒng)阻力能降低至0.3MPa，變換催化劑使用壽命將提高至5年，從而為生產(chǎn)企業(yè)創(chuàng)造更大的效益。