等溫變換技術(shù)及其工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展

王照成，劉慶亮，李繁榮，丁 玲，肖敦峰，胡四斌

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223）

一氧化碳變換（簡稱變換）是現(xiàn)代煤化工項(xiàng)目的重要組成部分，通過變換反應(yīng)將原料氣中的CO轉(zhuǎn)化為H2，調(diào)節(jié)原料氣中的氫碳比，以滿足下游裝置的要求。

變換反應(yīng)為可逆放熱反應(yīng)，傳統(tǒng)的變換技術(shù)一般采用多個(gè)絕熱變換反應(yīng)器串聯(lián)，以達(dá)到所需要的變換深度。隨著煤氣化技術(shù)的不斷發(fā)展，干煤粉激冷流程氣化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用[1-2]，該類氣化技術(shù)所產(chǎn)粗煤氣具有水含量高、CO含量高的“雙高”特點(diǎn)，如果直接進(jìn)入變換爐進(jìn)行反應(yīng)，催化劑床層溫度高達(dá)500℃以上，嚴(yán)重影響催化劑的使用壽命和系統(tǒng)的安全運(yùn)行[3]。傳統(tǒng)的絕熱變換技術(shù)一般采用高水氣比或低水氣比工藝來防止催化劑床層超溫[4]。然而，無論是高水氣比工藝還是低水氣比工藝，都無法從根本上解決催化劑在高溫下使用的問題。近年來，等溫變換技術(shù)得到了眾多科研單位和企業(yè)的重視，并取得了突破性的發(fā)展，從根本上解決了“雙高”粗煤氣變換反應(yīng)催化劑床層超溫的問題。本文概述了等溫變換技術(shù)的特點(diǎn)、等溫變換反應(yīng)器的類型及工業(yè)應(yīng)用情況，最后展望了等溫變換技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展方向。

1 等溫變換技術(shù)原理及特點(diǎn)

1.1 等溫變換技術(shù)原理

等溫變換技術(shù)原理如圖1所示。在催化劑床層內(nèi)部設(shè)置換熱單元，采用水作為移熱介質(zhì)，通過副產(chǎn)蒸汽的方式移走反應(yīng)熱，維持變換反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，防止催化劑床層超溫，同時(shí)使變換反應(yīng)盡可能接近最佳溫度曲線進(jìn)行。

圖1 等溫變換技術(shù)原理示意圖

1.2 等溫變換技術(shù)特點(diǎn)

相對(duì)于絕熱變換技術(shù)，等溫變換技術(shù)具有如下特點(diǎn)：

（1）催化劑用量少，壽命長

反應(yīng)器中設(shè)置了移熱單元，使得變換反應(yīng)沿最佳溫度曲線進(jìn)行，催化劑使用量最少。催化劑床層溫度較低，延長了催化劑的使用壽命。

（2）系統(tǒng)阻力降低

由于變換反應(yīng)在較低溫度下進(jìn)行，提高了CO的轉(zhuǎn)化率，縮短了流程，減少了設(shè)備數(shù)量，降低了系統(tǒng)的阻力降。

（3）流程簡單，易操作

通過控制汽包壓力即可控制反應(yīng)溫度，操作簡單。

2 等溫變換反應(yīng)器

等溫變換反應(yīng)器是等溫變換技術(shù)的核心設(shè)備，根據(jù)流體在反應(yīng)器中的流動(dòng)方式，可以分為軸向反應(yīng)器和徑向反應(yīng)器。徑向反應(yīng)器具有阻力降小、處理能力大的優(yōu)點(diǎn)，目前實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的等溫變換反應(yīng)器主要為徑向反應(yīng)器。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)移熱單元的形式，等溫變換反應(yīng)器又可分為列管式、套管式、繞管式等類型。

2.1 列管式等溫變換反應(yīng)器

典型的列管式等溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖2所示，水和蒸汽走管內(nèi)，催化劑裝在管外。原料氣自頂部進(jìn)入反應(yīng)器，通過催化劑框與筒體之間的間隙徑向通過催化劑床層，催化劑框中間設(shè)有收集管，反應(yīng)后的氣體進(jìn)入收集管匯合后，從底部離開反應(yīng)器。鍋爐給水從反應(yīng)器底部進(jìn)入，經(jīng)過母管分配后進(jìn)入換熱管，水在換熱管內(nèi)吸收反應(yīng)熱，部分發(fā)生汽化，隨后在母管匯集后從反應(yīng)器頂部離開。

圖2 列管式等溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

目前工業(yè)上主要的列管式等溫變換技術(shù)供應(yīng)商為南京敦先化工科技有限公司（簡稱南京敦先）、河北陽煤正元化工集團(tuán)有限公司（簡稱河北正元）和華爍科技股份有限公司（簡稱華爍科技），上述3家供應(yīng)商的列管式等溫變換反應(yīng)器分析如表1所示[5-7]。

表1 不同供應(yīng)商列管式等溫變換反應(yīng)器分析

由表1可知，雖然不同供應(yīng)商的等溫變換反應(yīng)器在封頭和筒體連接方式及水汽分配與收集結(jié)構(gòu)上有所不同，但是主體結(jié)構(gòu)類似，都是徑向結(jié)構(gòu)，汽水循環(huán)采用自然循環(huán)方式，水汽走管內(nèi)，催化劑裝填在換熱管之間。上述3家供應(yīng)商提供的等溫變換技術(shù)均實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[8-10]。另外，具有雙汽包結(jié)構(gòu)的列管式等溫變換反應(yīng)器也得到了開發(fā)和工業(yè)化應(yīng)用[11-13]。

2.2 套管式等溫變換反應(yīng)器

套管式等溫變換反應(yīng)器由湖南安淳高新技術(shù)有限公司開發(fā)[14]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。其結(jié)構(gòu)為徑向反應(yīng)器，水和蒸汽走管內(nèi)，催化劑裝在管外。原料氣自底部進(jìn)入反應(yīng)器，經(jīng)過催化劑框和筒體之間的間隙徑向流動(dòng)通過催化劑床層，反應(yīng)器中間設(shè)有集氣管，反應(yīng)后的變換氣進(jìn)入集氣管匯合后，從反應(yīng)器底部離開。反應(yīng)器上部設(shè)置水室和汽室，換熱管為套管結(jié)構(gòu)，內(nèi)管與水室相連，外管與汽室相連，外管下端部為盲端。水室內(nèi)的鍋爐給水通過內(nèi)管底部流入外管中，被變換氣加熱后生成蒸汽，進(jìn)入汽室后離開反應(yīng)器。該反應(yīng)器采用套管換熱，外管下端部為盲端，內(nèi)管自由伸縮，在消除熱應(yīng)力方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，但是由于水室和汽室占用了部分反應(yīng)器容積，反應(yīng)器容積利用率相對(duì)較低。目前，套管式等溫變換反應(yīng)器也實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用[15]。

圖3 套管式等溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 繞管式等溫變換反應(yīng)器

繞管式等溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)如圖4所示，水和蒸汽走管內(nèi)，催化劑裝在管外。原料氣自頂部進(jìn)入反應(yīng)器，通過催化劑框與筒體之間的間隙進(jìn)入反應(yīng)器，隨后徑向通過催化劑床層，催化劑框中間設(shè)有收集管，反應(yīng)后的氣體進(jìn)入收集管匯合后，從底部離開反應(yīng)器。鍋爐給水從反應(yīng)器底部進(jìn)入，水在換熱管內(nèi)吸收反應(yīng)熱部分汽化后，從反應(yīng)器頂部離開。繞管式等溫變換反應(yīng)器具有結(jié)構(gòu)緊湊、單位體積傳熱面積大、換熱管熱應(yīng)力自行補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)。目前，多個(gè)單位研發(fā)了不同結(jié)構(gòu)的繞管式等溫變換反應(yīng)器[16-17]，其中杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司開發(fā)的繞管式等溫變換技術(shù)已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用[18]。

圖4 繞管式等溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 等溫變換工藝及其工業(yè)應(yīng)用情況

3.1 等溫變換工藝

根據(jù)等溫反應(yīng)器和絕熱反應(yīng)器的不同組合方式，等溫變換工藝主要分為全等溫變換工藝、等溫+絕熱變換工藝和絕熱+等溫變換工藝3種[19]。

變換單元除了承擔(dān)將CO轉(zhuǎn)化為H2的任務(wù)之外，還會(huì)影響全廠的熱量平衡及熱量利用情況。等溫變換反應(yīng)器雖然和絕熱變換反應(yīng)器相比有諸多優(yōu)勢(shì)，但是其只能副產(chǎn)飽和蒸汽，通過變換單元自身無法進(jìn)一步提高蒸汽品位，如果副產(chǎn)的飽和蒸汽無法合理利用，則會(huì)造成能量的浪費(fèi)。因此，在選擇等溫變換工藝時(shí)應(yīng)兼顧全廠蒸汽平衡，比如對(duì)于水煤漿氣化制氫（制合成氨）項(xiàng)目推薦采用絕熱+等溫變換工藝[20]。

3.2 等溫變換典型應(yīng)用案例

和傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)相比，等溫變換技術(shù)具有系統(tǒng)阻力降低、催化劑使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，目前該技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于處理各種高CO濃度粗煤氣和其他工業(yè)氣體[7-8，21-23]。等溫變換典型工業(yè)化應(yīng)用案例見表2。

表2 等溫變換典型工業(yè)化應(yīng)用案例

3.3 等溫變換技術(shù)應(yīng)用中存在的問題

雖然等溫變換技術(shù)和傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)相比有諸多優(yōu)勢(shì)，但也存在一些不足之處。等溫變換爐結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作不當(dāng)容易造成內(nèi)件損壞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并且其查漏檢修困難[24]，如某合成氨裝置變換系統(tǒng)開停車期間等溫變換爐內(nèi)件發(fā)生內(nèi)漏，嚴(yán)重影響了催化劑的使用壽命及系統(tǒng)的安全運(yùn)行[25-26]。另外，等溫變換爐只能副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，在變換系統(tǒng)內(nèi)部無法對(duì)副產(chǎn)蒸汽進(jìn)行過熱，如果中壓飽和蒸汽無合適用戶，需要額外設(shè)置蒸汽過熱爐過熱蒸汽。因此，等溫變換技術(shù)應(yīng)進(jìn)一步提高反應(yīng)器可靠性及熱量利用效率。

4 結(jié) 語

等溫變換技術(shù)具有流程簡單，系統(tǒng)阻力降小，占地少，催化劑裝填量少、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，適合處理高CO濃度的粗煤氣或其他工業(yè)氣體。

在進(jìn)行等溫變換工藝選擇時(shí)，應(yīng)兼顧全廠蒸汽平衡，提高全廠能量利用效率，選擇最優(yōu)的變換工藝。等溫變換技術(shù)未來研究重點(diǎn)應(yīng)集中在提高反應(yīng)器的可靠性及反應(yīng)熱的合理利用等方面，推動(dòng)等溫變換技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)。