探究煤氣CO的變換工藝及優(yōu)化設(shè)計(jì)

魏文斌 王寶軍

摘 要：煤炭能源是我國能源儲(chǔ)備中最為重要的組成部分，為了滿足現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展對能源的需求，彌補(bǔ)我國石油、天然氣能源儲(chǔ)量的相對匱乏，煤氣化行業(yè)成為了近年來社會(huì)廣泛關(guān)注的領(lǐng)域，煤氣CO的變換工藝研究就顯得至關(guān)重要。本文集中分析殼牌煤氣化技術(shù)中的CO變換工藝，以該項(xiàng)CO變換工藝的基本原理和工藝流程為分析切入點(diǎn)，探尋殼牌煤氣化CO變換工藝存在的具體問題，對存在的問題進(jìn)行深入的分析和改進(jìn)，找尋針對性的改進(jìn)措施，進(jìn)而為煤氣CO變換工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)找尋可行性發(fā)展方向，進(jìn)而全面提升我國煤氣CO變換工藝的生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：煤氣化行業(yè);CO變換工藝;優(yōu)化設(shè)計(jì)

本文探究的煤氣CO變換工藝為目前較為先進(jìn)的殼牌煤氣化工藝，采用德國魯奇低溫甲醇洗工藝進(jìn)行原料氣的凈化，以脫除酸性氣體。殼牌煤氣化CO變換工藝主要采用高汽氣比的CO耐硫變換工藝，雖然該項(xiàng)工藝是當(dāng)前較為先進(jìn)的一種CO變換工藝，但在實(shí)際試車和開車的過程中，依然發(fā)現(xiàn)了諸多問題，其中，最為引人關(guān)注的問題即為CO變換工藝中變換爐的嚴(yán)重超溫現(xiàn)象，工況極其不穩(wěn)定，且還會(huì)發(fā)生甲烷化反應(yīng)，造成CO變換工藝整體裝置的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生嚴(yán)重的問題。

1 殼牌CO變換工藝的基本原理及工藝流程

1.1 殼牌CO變換工藝的基本原理

CO變換工藝的基本原理是以CO和水蒸氣作為反應(yīng)的原材料，在催化劑的作用下，在特定溫度和壓力的環(huán)境下產(chǎn)生的變換反應(yīng)，該反應(yīng)過程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，其具體反應(yīng)方程式如下：

通過上述方程式反應(yīng)，粗煤氣中的CO會(huì)通過變換反應(yīng)生成H2，也就是合成氨的原材料，因此，CO變換工藝被廣泛應(yīng)用到合成氨工業(yè)的設(shè)計(jì)當(dāng)中。通常合成氨工業(yè)生產(chǎn)會(huì)將CO變換工藝的CO干基含量調(diào)整在0.4%左右，而通過上述反應(yīng)方程式不難看出，CO在進(jìn)行變換反應(yīng)時(shí)，由65%至0.4%的過程需要釋放大量的反應(yīng)熱，而變換反應(yīng)是一種平衡性的反應(yīng)，所以，通常煤氣CO變換工藝在設(shè)計(jì)工藝流程的過程中會(huì)將多段變換反應(yīng)融入其中，工藝流程會(huì)增設(shè)中間回收反應(yīng)熱的設(shè)計(jì)，因此，CO變換工藝流程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)為：熱回收工藝方案、熱交換設(shè)備以及反應(yīng)器。

1.2 殼牌CO變換工藝的工藝流程

殼牌煤氣化CO變化工藝設(shè)計(jì)的原始工藝流程圖，見圖1。

該反應(yīng)的原料氣由濕基CO（55.6%）和干基CO（69.07%）組成，在168℃和3.8MPa的條件下進(jìn)入原料氣分離器04S001中，經(jīng)分離后進(jìn)入原料氣過濾器04S002進(jìn)行夾帶煤粉等固體雜質(zhì)的進(jìn)一步處理，將三分之一的粗合成氣經(jīng)換熱器加熱至195-260℃區(qū)間后進(jìn)入第一變換爐04R001，CO含量約為18%的450℃變換器與另三分之一粗煤氣進(jìn)行混合，經(jīng)淬冷器04S004處理降至210-260℃區(qū)間后輸送至第二變換爐04R002，以此類推，降溫后的氣體在混合剩余三分之一粗煤氣CO經(jīng)淬冷器04S005降溫后輸送至第三變換爐04R003中，進(jìn)而產(chǎn)生出350℃的18%-20%CO含量混合氣，最后經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器04E003、脫鹽水預(yù)熱器04E004以及循環(huán)水冷卻器04E005的處理，最后將合成氣溫度降至40℃后輸送至酸性氣體脫除程序。

2 殼牌煤氣CO變換工藝在反應(yīng)過程中存在的問題

縱觀殼牌煤氣CO變換工藝的流程圖不難發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)工藝的設(shè)計(jì)采用了三個(gè)變換爐進(jìn)行合成氣處理，而第一和第二變換爐均采用高汽氣比的反應(yīng)催化劑，同時(shí)通過加大蒸汽量的方式來提高汽氣比，雖然這種方法可以有效提升空速，但同時(shí)也會(huì)帶走大量的化學(xué)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的熱量，進(jìn)而工藝流程在實(shí)際開車過程中會(huì)出現(xiàn)以下幾點(diǎn)問題：①在生產(chǎn)過程中的開車初期，由于運(yùn)行負(fù)荷較低或煤氣化粗合成氣量較小會(huì)對床層的熱點(diǎn)溫度產(chǎn)生較大的影響，產(chǎn)生的溫度會(huì)高于工藝設(shè)計(jì)的溫度;②在實(shí)際開車過程中，第一變換爐的熱點(diǎn)溫度會(huì)經(jīng)常徘徊在480℃，最高時(shí)甚至?xí)_(dá)到700℃，這種頻繁超溫的運(yùn)行狀態(tài)使得第一變換爐運(yùn)行極不穩(wěn)定，安全生產(chǎn)隱患問題嚴(yán)重;③整體CO變換工藝流程會(huì)產(chǎn)生大量的蒸汽和反應(yīng)熱，過量的廢熱無法進(jìn)行有效回收而積累在工藝末端;④蒸汽的高消耗給污水處理帶來的工作量的顯著提升，大量蒸汽通過冷凝而形成有待處理的工藝?yán)淠?⑤催化劑在第一變化爐的長時(shí)間高溫條件下會(huì)逐漸喪失活性，致使壽命周期較短。

3 殼牌煤氣CO變換工藝的改進(jìn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

由于煤氣CO變換反應(yīng)是一種氣相均相可逆的放熱反應(yīng)，CO量以及蒸汽輸入量的汽氣比控制顯得至關(guān)重要，殼牌煤氣CO變換工藝就采用了高汽氣比的設(shè)計(jì)模式，雖然高汽氣比設(shè)計(jì)在理論上不會(huì)在反應(yīng)床層中積累過高的溫度，能夠?qū)崿F(xiàn)床層溫度的有效控制，但是在實(shí)際開車過程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)床層溫度超標(biāo)的現(xiàn)象，這就需要加大水蒸氣的輸入，進(jìn)而提升的生產(chǎn)成本。但低汽氣比的設(shè)計(jì)對CO變換工藝中的甲烷化反應(yīng)具有較高的抑制條件需求，一旦在低汽氣比的設(shè)計(jì)條件下出現(xiàn)床層溫度增高的現(xiàn)象，就會(huì)極易產(chǎn)生甲烷化副反應(yīng)，因此，本文依照高汽氣比和低汽氣比的基本反應(yīng)原理，并通過大量的實(shí)踐生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析，對殼牌煤氣CO變換工藝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)改造，通過調(diào)整第一和第二變換爐部分來實(shí)現(xiàn)CO變換工藝的優(yōu)化升級。

3.1 流程優(yōu)化

我們將原有的高汽氣比CO工藝流程增加了一條冷激氣管線，該冷激氣管線自原料氣過濾器04S002的出口Φ400管線上起始，至第一變換爐04R001的進(jìn)口閥Φ400管線上終止，采用Φ250管線規(guī)格，在新設(shè)的冷激氣管線上增加一個(gè)截止閥，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)控，這條冷激氣管線的微小改動(dòng)目的是不經(jīng)過加熱過程就可以將原料氣直接輸送至第一變換爐04R001當(dāng)中，進(jìn)而有效降低變換爐的入口溫度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能優(yōu)化合理變動(dòng)。

具體流程與原流程基本一致，只是將原來進(jìn)入第一變換爐的原料氣分成兩個(gè)部分，一個(gè)部分依然按原流程進(jìn)行，而另一個(gè)部分則通過新增加的DN250管線旁路直接跨過兩個(gè)換熱器，以168℃的原始溫度直接送達(dá)變換爐入口，兩個(gè)部分氣體在入口處進(jìn)行混合，溫度則通過兩個(gè)管線的流量控制閥進(jìn)行調(diào)控，在達(dá)到225℃、約0.24汽氣比后進(jìn)入殼牌煤氣CO變換工藝的第一變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，經(jīng)過調(diào)整后的第一變換爐產(chǎn)生的變換氣與原流程所產(chǎn)生的組成基本一致，CO含量為42%（干基）以及420℃的溫度。

3.2 催化劑優(yōu)化

首先，將第一變換爐中的高汽氣比催化劑更改成為QDB-04低汽氣比催化劑，將低汽氣比廠家提供的3.0Nm3的吸附劑填裝至最上層，進(jìn)而保護(hù)催化劑不受反應(yīng)中的粉塵、毒物等雜質(zhì)毒害，增長催化劑的使用壽命;其次，將7Nm3原催化劑自第二變化爐中卸除，將5.9Nm3QDB-04催化劑與之替換，進(jìn)而有效提升第二變換爐中催化劑上部的低溫活性;同時(shí)，第三變化爐中的催化劑依舊保持不變。這種調(diào)整最大限度的保障了三座變換爐中的催化劑的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，極大的提升了催化劑的活性和使用時(shí)長，進(jìn)而有效降低CO變換的生產(chǎn)成本。

綜上所述，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求與日俱增，煤化企業(yè)要充分結(jié)合社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對煤化工生產(chǎn)提出的全新要求，深入研究和開展煤氣化技術(shù)，對煤氣CO變換工藝不斷的進(jìn)行分析和探索，找尋現(xiàn)階段CO變換工藝設(shè)計(jì)存在的具體問題，進(jìn)而進(jìn)行針對性的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以確保CO變換工藝在滿足社會(huì)生產(chǎn)需求的同時(shí)，向著穩(wěn)定運(yùn)行、節(jié)能環(huán)保的方向邁進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐邦浩.Shell粉煤氣化一氧化碳變換工藝的選擇[J].化肥工業(yè)，2006，33（4）：7-12.