控溫變換和絕熱變換在6.5 MPa 水煤漿氣化工藝中的應用分析

李國煒，張雄斌，魯煜坤，李新懷，李小定

（華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

引 言

變換反應是化學工業(yè)中廣泛應用的反應過程，主要應用于合成氣中碳氫比例的調節(jié)和工業(yè)化的大規(guī)模制氫，是眾多化石燃料加工的重要步驟[1-3]，其反應方程式見式（1）。由式（1）可知，變換反應是一個等摩爾、可逆的放熱反應，反應前后氣體總體積不變。從動力學角度看，升高反應溫度，能獲得較快的反應速率；而從熱力學角度看，降低反應溫度，有利于變換反應向正反應方向進行。因此，在不同的情況下，選擇合適的反應溫度，對于變換反應具有重大意義。

目前，水煤漿氣化技術得到了廣泛的應用，該技術具有一氧化碳濃度高、汽氣比高和壓力高的特點，對變換工段的工藝設計和變換催化劑要求較高。

控溫變換技術是一種新的變換工藝，利用水相變移熱原理，反應熱通過列管內水蒸氣帶出，通過控制汽包內飽和蒸汽壓力來控制催化劑床層的溫度。與單純追求低溫或盡可能沒有溫升的條件下完成變換反應的等溫變換相比，控溫變換采用專業(yè)的分布流場設計，對變換爐的反應溫區(qū)進行合理的設計，對反應熱力學和反應動力學進行精準控制，在保證反應向正反應方向進行的情況下，擁有最合適的反應速率，同時充分利用催化劑的有效溫區(qū)。反應器外層和中層設置為相對高溫區(qū)，利用高溫加快反應速率來轉化一氧化碳；內層設置為相對低溫區(qū)，利用低溫促使反應平衡向正反應方向移動來轉化一氧化碳?？販刈儞Q工藝能夠根據(jù)不同的工藝氣體條件和設計要求，在達到變換目的同時，讓各種有利副反應充分進行，又最大程度地限制有害副反應的發(fā)生，更好地除去不利的副產(chǎn)物。因此，控溫變換和等溫變換相比，減少了催化劑的用量，縮減了反應器數(shù)量或體積，延長了催化劑使用壽命，有效控制副反應的發(fā)生。

新疆天業(yè)（集團）有限公司乙二醇二期技改項目要求變換系統(tǒng)在原有140 000 m3/h 粗煤氣處理量基礎上，新增100 000 m3/h 粗煤氣的處理量，而且增加部分的粗煤氣需全部變換。經(jīng)核算，現(xiàn)有二段絕熱變換需增加負荷約75%，無論是催化劑的裝填量還是系統(tǒng)阻力都無法滿足要求。因此，經(jīng)研究，決定在原有6.5 MPa 水煤漿氣化裝置絕熱變換系統(tǒng)的基礎上，增加1 套粗煤氣處理能力相同的控溫變換系統(tǒng)，與原有絕熱變換系統(tǒng)并聯(lián)，并于2018 年8 月投入運行?，F(xiàn)對6.5 MPa 水煤漿氣化裝置中并聯(lián)的粗煤氣處理能力相同的絕熱變換系統(tǒng)和控溫變換系統(tǒng)應用情況進行介紹和分析。

1 工藝流程

1.1 絕熱變換工藝流程

絕熱變換工藝流程示意圖見圖1。來自氣化裝置的水煤氣經(jīng)煤氣分離器分離出夾帶的冷凝液后，自煤氣分離器頂部出來，經(jīng)過主熱交換器加熱后進入脫毒爐，進一步過濾固體粉塵并脫除有毒物質。過濾后的工藝氣分兩部分，一部分進入第一變換爐，在鈷鉬變換催化劑的作用下進行CO 變換反應，變換反應后的氣體在主熱交換器中與水煤氣換熱后，進入中壓廢鍋，與鍋爐給水換熱回收余熱，副產(chǎn)約4.0 MPa 的飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)。經(jīng)換熱后的氣體進入第二變換爐繼續(xù)反應，從第二變換爐出來的變換氣與從脫毒爐出來的不經(jīng)過第一變換爐、第二變換爐的水煤氣混合后，進入1.5 MPa 廢鍋回收熱量，副產(chǎn)1.5 MPa 的飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)。經(jīng)換熱后的變換氣進入1#分離器進行分離。出1#分離器變換氣再進入0.5 MPa 廢鍋，副產(chǎn)0.5 MPa 飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)，然后進入2#分離器。變換氣出2#分離器后，進入脫鹽水加熱器，與脫鹽水換熱后，進入3#分離器進行分離，再進入變換氣冷卻器，與循環(huán)水換熱后，進入4#分離器，分離出冷凝液后，變換氣經(jīng)變換氣洗氨塔后，送入低溫甲醇洗工段。

圖1 絕熱變換工藝流程示意圖

1.2 控溫變換工藝流程

控溫變換工藝流程示意圖見圖2。來自氣化裝置的水煤氣經(jīng)煤氣分離器分離出夾帶的冷凝液后，自煤氣分離器頂部出來，分兩部分，一部分經(jīng)煤氣預熱器，與中壓汽包產(chǎn)生的或從蒸汽管網(wǎng)引入的中壓蒸汽換熱后，進入自熱凈化爐，另一部分直接進入自熱凈化爐。粗煤氣進入自熱凈化爐后，進一步過濾固體粉塵、脫除有毒物質，同時發(fā)生變換反應，提升工藝氣溫度。過濾后的工藝氣分兩部分，一部分進入控溫變換爐，在鈷鉬變換催化劑的作用下進行CO 變換反應，反應熱通過控溫變換爐換熱管中的水汽化移出，副產(chǎn)約4.0 MPa 的飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)。從控溫變換爐出來的變換氣與從自熱凈化爐出來的不經(jīng)過控溫變換爐的水煤氣混合后，進入1.5 MPa 廢鍋回收熱量，副產(chǎn)1.5 MPa 的飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)，同時分離出冷凝液。變換氣經(jīng)1.5 MPa 廢鍋回收熱量后，進入0.5 MPa 廢鍋，副產(chǎn)0.5 MPa 飽和蒸汽去蒸汽管網(wǎng)，并分離出冷凝液。之后流程與絕熱變換工藝相同，最后符合要求的變換氣進入低溫甲醇洗工段。

圖2 控溫變換工藝流程示意圖

1.3 流程對比

由以上流程描述及圖1 和圖2 對比可以看出，控溫變換系統(tǒng)的工藝流程簡單，設備數(shù)量少，控制點少，便于操控，給日常生產(chǎn)帶來便利。

2 設 備

2.1 絕熱變換

絕熱變換主要設備配置見表1。絕熱變換中脫毒爐、第一變換爐和第二變換爐均采用軸向反應器，結構簡單。同時由于粗煤氣中氫氣和硫化氫的存在，設備需考慮氫腐蝕和濕硫化氫腐蝕，尤其高溫會加劇氫腐蝕影響。中壓廢鍋、1.5 MPa 廢鍋和0.5 MPa 廢鍋均采用臥式廢鍋，設備布置時除了需要考慮廢鍋本身的體積外，還需預留出其抽芯的位置。

表1 絕熱變換工藝主要設備

絕熱變換設備布置采用立式設備集中、其他設備分散布置的方式，使變換爐和脫毒爐靠近路邊的位置，布置占地35 m×69 m，需搭建3 層平臺。

2.2 控溫變換

控溫變換主要設備配置見表2。其中自熱凈化爐兼具凈化和換熱兩項功能，一方面利用抗毒劑達到凈化的目的，另一方面利用設備內部的特殊結構，使部分工藝氣多次經(jīng)過催化劑層發(fā)生變換反應后與未反應氣體混合，提高工藝氣溫度，達到換熱的目的，具有可操作性強，有效防止超溫的特點?？販刈儞Q爐為軸徑向反應器，反應熱通過水相變移出，變換爐操作溫度沒有過高的情況。1.5 MPa 廢鍋和0.5 MPa 廢鍋為立式廢鍋，分上下兩部分，上部與鍋爐給水換熱回收余熱，副產(chǎn)相應等級的蒸汽，下部分離夾帶的冷凝液。

由于部分設備與原有絕熱變換工藝公用，中壓汽包布置在控溫變換爐上方，所以只有余下6 臺設備需要考慮布置的問題，布置占地6 m×20 m，無需搭建平臺。

表2 控溫變換工藝主要設備

2.3 設備對比

絕熱變換的主要設備有16 臺，控溫變換的主要設備有12 臺。其中，控溫變換中控溫變換爐和中壓汽包取代了絕熱變換中的第一變換爐、第二變換爐、主熱交換器和中壓廢鍋4 臺設備，控溫變換中1.5 MPa和0.5 MPa 的立式廢鍋取代了絕熱變換中1.5 MPa 和0.5 MPa 的臥式廢鍋和1#、2#分離器。另外，絕熱變換中第一變換爐內操作溫度達到450 ℃，高溫對設備和管道的設計要求都較高，對催化劑危害較大[4]；而控溫變換工藝只有一個變換爐，在變換爐內通過水相變移熱對變換反應熱進行回收，其操作溫度小于300 ℃，對設備及管道材質要求低，同時延長了催化劑使用壽命。另外，控溫變換的設備占地面積較小，無需搭建平臺。

3 催化劑

3.1 絕熱變換

絕熱變換為兩段變換，使用2 臺脫毒爐和2 臺變換爐，各設備催化劑裝填情況見表3。由表3 可知，4臺設備合計裝填催化劑132 m3。雖然第一變換爐反應條件苛刻，一段催化劑使用壽命依然能夠超過3 a。

表3 絕熱變換工藝催化劑裝填情況

3.2 控溫變換

控溫變換為一段變換，使用1 臺自熱凈化爐和1臺控溫變換爐，各設備催化劑裝填情況見表4。由表4可知，2 臺設備合計裝填催化劑106 m3。控溫變換爐的反應溫度降低，反應條件溫和，預計催化劑使用壽命將達到5 a 以上。

表4 控溫變換工藝催化劑裝填情況

3.3 催化劑使用情況對比

由以上分析可以看出，控溫變換的催化劑總裝填量比絕熱變換少26 m3，減少約20%。這是由于控溫變換對反應溫度的控制更合理，對反應熱力學和反應動力學進行精準控制，在保證反應向正反應方向推動的同時，擁有最合適的反應速率，同時反應溫度更低。控溫變換催化劑較絕熱變換的使用壽命能夠延長約2 a。

4 投資及運行情況

兩種變換工藝投資情況見表5。由表5 可以看出，與絕熱變換相比，控溫變換的工程總投資少約3 900 萬元，控溫變換工藝具有較好的經(jīng)濟性。

表5 絕熱變換與控溫變換投資情況 萬元

新疆天業(yè)（集團）有限公司乙二醇二期技改項目6.5 MPa 水煤漿氣化裝置絕熱變換系統(tǒng)于2015 年初次開車，至2018 年6 月停車更換催化劑，運行時間超過3 a。更換催化劑后的絕熱變換與新建設的控溫變換2 套裝置于2018 年8 月先后開車投入運行，截至2019 年 6 月，運行時間 10 個月，在此期間 2 套裝置均能平穩(wěn)運行，各項指標達到設計目的。

5 結 語

5.1 與絕熱變換工藝相比，控溫變換工藝流程更簡單，反應溫度低，控制點少，操控簡單，對設備和管道材質要求低。

5.2 控溫變換占地面積小，無需搭建平臺；控溫變換比絕熱變換使用催化劑數(shù)量少約20%，催化劑壽命長約2 a；控溫變換投資小，約為絕熱變換投資的50%。

5.3 6.5 MPa 水煤漿氣化裝置中絕熱變換系統(tǒng)和新建控溫變換系統(tǒng)均能達到設計目的，平穩(wěn)運行。