兩級V形可控移熱變換設(shè)計及運(yùn)行總結(jié)

李建新，劉遂民

(1.河南金山化工集團(tuán)， 鄭州 450046； 2.河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院漯河分院， 河南漯河 462000)

2017年河南金大地化工有限責(zé)任公司(簡稱金大地公司)總投資建設(shè)三期項目45萬t合成氨、60萬t聯(lián)堿、80萬t制鹽、5臺240 t/h鍋爐集中供熱項目。合成氨項目中氣化裝置選用清華大學(xué)與山西陽煤化工機(jī)械(集團(tuán))有限公司共同開發(fā)的日投煤量1 500 t、6.5 MPa晉華爐3.0(水煤漿水冷壁直連廢鍋氣化爐技術(shù))；為了在低水氣比條件下，獲得較高的凈化度，變換裝置選用南京敦先化工科技有限公司(簡稱南京敦先公司)兩級V形可控移熱變換爐。

2019年5月8日，變換裝置開始滿負(fù)荷運(yùn)行，兩級V形可控移熱變換爐配套低水氣比、高壓水煤漿氣化且生產(chǎn)合成氨的優(yōu)勢凸顯，各項指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計值。

1 變換技術(shù)的對比與選擇

在煤化工領(lǐng)域，可控移熱變換技術(shù)及等溫變換技術(shù)由國內(nèi)工程技術(shù)人員率先提出并應(yīng)用于工程上，處于國際領(lǐng)先水平。該項目初期經(jīng)過與各家反應(yīng)器供應(yīng)商深度交流溝通，發(fā)現(xiàn)各家反應(yīng)器供應(yīng)商對變換完成任務(wù)、催化劑床層溫度、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、反應(yīng)器材質(zhì)、工藝流程設(shè)置等諸多方面存在較大差異，而氣化爐選擇壓力為6.5 MPa、水氣比僅為0.78～0.82的晉華爐3.0又是世界首套。如何選擇與之配套科學(xué)合理、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的變換技術(shù)成為一大難題。在考察了國內(nèi)眾多等溫變換技術(shù)后，重點對福建、安徽2套運(yùn)行異常的等溫變換裝置進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其共性問題是等溫變換催化劑床層溫度過低，變換氣中大量有機(jī)硫未轉(zhuǎn)化，而且伴有硫醇硫醚及少量甲烷化生成，造成脫碳或低溫甲醇洗裝置難以運(yùn)行，氨合成及甲醇催化劑使用壽命縮短。為此，筆者圍繞高壓(6.5 MPa)、低水氣比(0.78～0.82)、低溫(第二變換爐反應(yīng)溫度250～210 ℃)變換確定工作重點。

1.1 變換爐床層溫度選擇

水煤氣中不僅有CO、H2等有效氣體組分，還含有噻吩、COS、CS2等有機(jī)硫及HCN。有機(jī)硫及HCN轉(zhuǎn)化不徹底會直接影響低溫甲醇洗裝置運(yùn)行消耗及穩(wěn)定性。變換催化劑有效組分為鈷鉬，主要任務(wù)是將水煤氣中CO轉(zhuǎn)化為H2產(chǎn)品，同時對有機(jī)硫及HCN又具有加氫和水解功能，而鈷鉬系催化劑完成有機(jī)硫加氫轉(zhuǎn)化受到動力學(xué)控制較明顯，溫度越高有機(jī)硫轉(zhuǎn)化速度越快。鈷鉬系催化劑最佳床層溫度在320～400 ℃，特別是噻吩等大分子有機(jī)硫水解無法轉(zhuǎn)化，只有通過加氫并在350 ℃以上才能轉(zhuǎn)化成無機(jī)硫。1#可控移熱變換爐裝填耐高溫、低水氣比、防止甲烷化副反應(yīng)的高溫寬溫區(qū)鈷鉬系催化劑，CO變換最佳反應(yīng)溫度在280～420 ℃，此溫區(qū)內(nèi)CO變換速率高，利于CO變換任務(wù)的完成。CO變換及有機(jī)硫、HCN加氫轉(zhuǎn)化最佳反應(yīng)溫區(qū)具有重合部分，變換爐床層溫度設(shè)置不僅要完成CO變換任務(wù)，而且要兼顧有機(jī)硫及HCN加氫轉(zhuǎn)化任務(wù)；變換爐床層溫度設(shè)置只有兼顧以上二者最佳反應(yīng)溫區(qū)才能夠保證后續(xù)裝置長周期穩(wěn)定運(yùn)行。該裝置1#可控移熱變換爐床層溫度在300 ℃以上，其中約1/3的催化劑在320～400 ℃，根據(jù)變換觸媒在線運(yùn)行數(shù)據(jù)、兩級控溫變換在線運(yùn)行數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，通過1#可控移熱變換爐反應(yīng)后，有機(jī)硫及HCN單程加氫轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上。

鈷鉬系催化劑對有機(jī)硫及HCN具有水解功能，常規(guī)水解催化劑有250 ℃、180 ℃、100 ℃ 3種使用溫區(qū)。水解催化屬于放熱反應(yīng)，溫度越低越利于有機(jī)硫及HCN水解轉(zhuǎn)化，但鈷鉬系催化劑完成CO變換任務(wù)時，操作溫度一般不低于200 ℃，鈷鉬系催化劑只能完成高溫水解任務(wù)，無法實現(xiàn)中低溫水解任務(wù)，不利于有機(jī)硫及HCN的徹底轉(zhuǎn)化；因此要求CO變換裝置在加氫過程中有機(jī)硫及HCN轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%以上。

鈷鉬系催化劑在中低溫狀態(tài)完成CO變換任務(wù)，主要對CO變換進(jìn)行平衡反應(yīng)，在相同水氣比前提條件下，催化劑床層出口溫度越低越利于CO轉(zhuǎn)化為H2，H2收率越高；在同樣CO轉(zhuǎn)化率前提條件下，催化劑床層出口溫度越低，則蒸汽消耗越低。該裝置2#可控移熱變換爐床層外圍設(shè)有充足的絕熱層，使CO在絕熱層內(nèi)完成變換任務(wù)，隨著變換氣體向中心集氣管流動時進(jìn)入換熱管區(qū)域，逐漸降低變換氣溫度。2#可控移熱變換爐的設(shè)計理念是傳統(tǒng)二級絕熱變換爐、廢熱鍋爐和三級絕熱變換爐3臺設(shè)備的組合，將2個絕熱催化劑床層組合到1個床層，并將廢熱鍋爐換熱管埋設(shè)到催化劑床層內(nèi)部，不僅降低工程投資、簡化操作流程，而且可以使2#可控移熱變換爐進(jìn)口溫度高、出口溫度低，確保變換裝置運(yùn)行能耗低，同時對有機(jī)硫及HCN進(jìn)一步完成水解轉(zhuǎn)化，確保出2#可控移熱變換爐的有機(jī)硫及HCN總轉(zhuǎn)化率達(dá)到98%以上。

為了獲得較高的凈化度，2#可控移熱變換爐設(shè)計床層熱點溫度為250 ℃，變換爐出口溫度僅為210 ℃。這不但要求催化劑低溫活性好，而且抗水合能力強(qiáng)。為此，青島聯(lián)信催化材料有限公司(簡稱青島聯(lián)信)反復(fù)試驗，最終研制出分別適合1#、2#可控移熱變換爐工藝運(yùn)行的催化劑。

1.2 變換爐結(jié)構(gòu)選擇

來自氣化島的水煤氣含有體積分?jǐn)?shù)為45%左右飽和態(tài)的水蒸氣，同時含有大量納米級的粉塵，粉塵很容易造成外圍催化劑黏合到一起；鈷鉬系催化劑如果含有堿金屬助劑，催化劑具有水合作用，很容易造成催化劑結(jié)塊；在低負(fù)荷時，外圍催化劑也很容易超溫造成高溫結(jié)塊，如果承壓殼體與換熱管束為一個不可拆卸的整體，很有可能在更換第二次催化劑時造成整臺變換爐報廢。2016年，在選擇變換技術(shù)時，可控移熱變換或等溫變換裝置已經(jīng)運(yùn)行5 a，部分使用單位更換了催化劑。圖1為某公司等溫變換爐更換催化劑時照片，該變換爐內(nèi)部催化劑順利卸出，但是外圍催化劑有納米級粉塵造成外圍催化劑黏合在一起無法卸出，需要將催化劑床層暴露在視野中才便于清除。

圖1 變換爐檢修期間內(nèi)件

變換爐是主裝置上的主設(shè)備，為確保變換爐能夠長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時兼顧后續(xù)檢修等諸多因素，決定在可控移熱變換爐筒體設(shè)置一對法蘭，便于安裝、檢修。南京敦先公司兩級V形可控移熱變換爐與其他變換爐相比，具有以下明顯優(yōu)勢：

(1) 殼體與內(nèi)件分開設(shè)計、制造，移熱管束可單獨吊出(見圖2)，即使外圍有少量催化劑結(jié)塊，檢修人員可從人孔進(jìn)入，打開扇形板將少量結(jié)塊清除，如果通過扇形板仍不能夠清除結(jié)塊，可以將移熱管束吊出，有效避免因催化劑無法卸出造成整臺設(shè)備報廢的情況發(fā)生。

圖2 南京敦先公司變換爐內(nèi)件結(jié)構(gòu)

(2) 換熱管上下聯(lián)箱采取球腔聯(lián)箱，進(jìn)出水總管與承壓殼體之間為焊接密封，采取柔性換熱管徹底消除換熱管與殼體之間的應(yīng)力，柔性換熱管產(chǎn)生熱應(yīng)力時全部在球腔厚壁處消除，球腔內(nèi)部焊縫無應(yīng)力，柔性換熱管與球腔內(nèi)部采取強(qiáng)度焊+貼脹，由進(jìn)水總管、分水球腔聯(lián)箱、柔性換熱管、集水球腔及出水總管組成的水路系統(tǒng)全部為無縫鋼管或球體，承壓能力強(qiáng)、應(yīng)力消除徹底、焊點少，確?？煽匾茻嶙儞Q爐安全可靠、運(yùn)行周期長。

(3) 采用球腔作為換熱管聯(lián)箱，實現(xiàn)了在不卸出催化劑的前提下對漏點進(jìn)行檢查、堵漏。如果發(fā)現(xiàn)漏點，將進(jìn)出口水管斷開，由進(jìn)水總管、分水球腔聯(lián)箱、柔性換熱管、集水球腔及出水總管組成水路系統(tǒng)自下而上形成空氣對流，水路系統(tǒng)內(nèi)側(cè)充滿流動的空氣，檢修人員可以自由進(jìn)出及施焊。

(4) 變換設(shè)備容易發(fā)生露點腐蝕。正常運(yùn)行時催化劑床層內(nèi)H2O全部為過熱態(tài)對變換爐任何部件不存在露點腐蝕；當(dāng)裝置開、停車時床層溫度降低，變換氣中的H2O會出現(xiàn)由過熱態(tài)轉(zhuǎn)化為飽和態(tài)，甚至成為冷凝水，造成露點腐蝕。該裝置設(shè)置氣側(cè)球腔，在變換氣出口管上設(shè)置N2反吹口，可以確保催化劑床層在停車過程中將催化劑床層的H2O全部被N2置換，即使催化劑床層有部分水蒸氣存在，并轉(zhuǎn)化成冷凝液時，冷凝液可順氣側(cè)球腔外表面流到殼體下部封頭，由排污管排出，有效保護(hù)了柔性換熱管與球腔貼脹部位。

(5) 球腔聯(lián)箱直徑僅為徑向氣體分布筒直徑的1/3，球腔遠(yuǎn)離徑向氣體分布筒；管板為球管板，應(yīng)力消除徹底，即使外圍床層溫度高、內(nèi)側(cè)溫度低，球管板也能夠徹底消除因兩側(cè)溫度差造成的熱應(yīng)力，有效避免平管板水側(cè)等溫且溫度低、氣側(cè)不等溫且溫度高而產(chǎn)生熱應(yīng)力造成平管板變形。球腔聯(lián)箱的使用可以在1#可控移熱變換爐外圍設(shè)置少量絕熱層，2#可控移熱變換爐設(shè)置充足的絕熱層，確保催化劑有結(jié)塊時不會將柔性換熱管抱死，利于催化劑自卸，更有利于1#可控移熱變換爐設(shè)置320～400 ℃高溫區(qū)，利于有機(jī)硫及HCN進(jìn)行加氫轉(zhuǎn)化，利于2#可控移熱變換爐實施高溫進(jìn)、低溫出，實現(xiàn)變換裝置節(jié)能降耗的目的。

綜上所述，南京敦先公司的兩級V形可控移熱變換爐對CO變換和有機(jī)硫、HCN轉(zhuǎn)化等反應(yīng)機(jī)理考慮全面，同時對裝置使用前、中、后期的注意事項及檢維修等問題均有具體解決措施。

1.3 變換內(nèi)件材質(zhì)選擇

變換爐內(nèi)件材質(zhì)需要考慮高溫氫腐蝕、濕態(tài)H2S腐蝕及濕態(tài)氯離子腐蝕。水蒸氣為過熱態(tài)，水煤氣或變換氣中的H2S及氯離子對碳鋼、低合金鋼、不銹鋼均不存在應(yīng)力腐蝕；只有當(dāng)水煤氣或變換氣中的水蒸氣低于露點溫度，造成H2S及氯離子為濕態(tài)H2S及濕態(tài)氯離子時，H2S及氯離子才對碳鋼、低合金鋼及不銹鋼存在應(yīng)力腐蝕[1-2]。低合金鋼中的MnS夾雜物是引起濕H2S應(yīng)力腐蝕的主要原因，防止H2S應(yīng)力腐蝕的有益元素有Cr、Mo、V、Ti、B。其中，Cr元素能夠起到細(xì)化晶粒作用，Ti元素可以提高相變點溫度，提高鋼板的淬透性，易于形成晶粒細(xì)化的回火馬氏體組織[3]。由于高合金鋼中Cr、Ti含量高，MnS夾雜物少，在濕態(tài)H2S及濕態(tài)氯離子狀態(tài)下，材質(zhì)抗腐蝕能力從大到小排列為S32168、S30403、S30408、15CrMo。

變換爐內(nèi)件如果選用15CrMo材質(zhì)，柔性換熱管與球腔內(nèi)側(cè)焊接質(zhì)量難以保證。主要原因為：(1) 15CrMo材質(zhì)焊接難度大，一般需要預(yù)熱150 ℃上焊接，而且需要保溫使其溫度逐漸降低；(2) 球腔內(nèi)部為150 ℃高溫，難以保證焊接質(zhì)量；(3) 隨著球腔焊接柔性換熱管數(shù)量增加，焊縫處傳熱速度增加，焊縫及母體材質(zhì)容易出現(xiàn)裂紋；(4) 在運(yùn)行過程中柔性換熱管與球腔發(fā)現(xiàn)漏點時也難以處理，由于柔性換熱管、催化劑、球腔等均為極佳導(dǎo)熱體，再加上空氣流通等諸多因素導(dǎo)致焊點處熱量損失較快，即使選用特種焊材，不需要對母體預(yù)熱，但焊縫處及母材熱損失大、溫度降速快，也會造成柔性換熱管及球腔母材出現(xiàn)裂紋，很有可能造成漏點越補(bǔ)越大，甚至造成球腔出現(xiàn)裂縫，使整臺變換爐報廢。

國內(nèi)某公司在線運(yùn)行的1套等溫變換裝置，其內(nèi)件管束為15CrMo材質(zhì)，運(yùn)行不到1.5 a，內(nèi)件管束出現(xiàn)漏點，難以修復(fù)，最終更換整臺變換爐內(nèi)件。因此，決定僅承壓殼體采用15CrMoR材質(zhì)，內(nèi)件全部采用S32168材質(zhì)。雖然內(nèi)件制造成本增加30%以上，但是提高了裝置的安全性。

1.4 工藝流程選擇

晉華爐3.0水氣比僅為0.78～0.82，按照催化劑床層分段及模擬結(jié)果，至少需要三段絕熱變換才能夠?qū)⒓s45%(體積分?jǐn)?shù)，下同)的CO變換到0.8%以下，而且需要在最后二、三段絕熱變換爐之前添加部分蒸汽。特別是開車初期，當(dāng)負(fù)荷低于30%、水氣比低于0.4時，一段絕熱變換爐會出現(xiàn)超溫、飛溫現(xiàn)象，存在大量甲烷化副反應(yīng)。該裝置兩級V形可控移熱變換工藝流程，1#可控移熱變換爐將45%的CO變換到5.0%，并副產(chǎn)4.0 MPa飽和蒸汽，埋設(shè)在催化劑床層內(nèi)的移熱管束及時地將變換反應(yīng)熱移出，杜絕超溫、飛溫現(xiàn)象，有效減少變換反應(yīng)過程中的甲烷化副反應(yīng)；2#可控移熱變換爐將二、三段絕熱變換爐及2段絕熱段之間的廢熱鍋爐組合到一起，做到進(jìn)口溫度高、出口溫度低，確保變換系統(tǒng)出口CO體積分?jǐn)?shù)≤0.8%，極大地降低了工程投資[4-5]。

2 工程實施

2.1 運(yùn)行工藝流程設(shè)計

2.1.1 氣流程

進(jìn)界區(qū)223.8 ℃、6.30 MPa水煤氣經(jīng)1#氣液分離器分離液態(tài)水后進(jìn)入主熱交換器與變換氣換熱至255 ℃左右,進(jìn)入脫毒槽A/B，脫除有害物質(zhì)(粉塵、Si、As等)后進(jìn)入1#可控移熱變換爐內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，并副產(chǎn)4.0 MPa飽和蒸汽；出1#可控移熱變換爐的變換氣去主熱交換器加熱進(jìn)界區(qū)水煤氣，然后進(jìn)入2#可控移熱變換爐反應(yīng)使CO體積分?jǐn)?shù)(干基)降至0.8%以下，并副產(chǎn)1.7 MPa飽和蒸汽；出2#可控移熱變換爐變換氣溫度約為215 ℃，去低低壓廢熱鍋爐副產(chǎn)0.5 MPa飽和蒸汽，出低低壓廢熱鍋爐變換氣溫度約為169 ℃，經(jīng)2#氣液分離器分離冷凝液后進(jìn)入脫鹽水加熱器降溫至65 ℃左右，經(jīng)3#氣液分離器分離冷凝液后進(jìn)入變換氣冷卻器冷卻至40 ℃，冷卻后氣體進(jìn)入脫氨塔脫除氨后去低溫甲醇洗工段。

2.1.2 水及蒸汽流程

界外來脫鹽水溫度約為43 ℃，經(jīng)脫鹽水加熱器加熱至132 ℃左右后，部分去除氧器，剩余部分去鍋爐。

除氧器出來的除氧水分兩路，一路經(jīng)中壓除氧水泵加壓至2.5 MPa后，分別送至低低壓廢熱鍋爐、2#汽包和氣化工段(沖洗水)；另一路經(jīng)高壓除氧水泵加壓至5.5 MPa后，分別送至1#汽包、氨合成工段和硫回收工段。

高壓除氧水進(jìn)入1#汽包副產(chǎn)4.0 MPa飽和蒸汽，副產(chǎn)蒸汽送入中壓飽和蒸汽管網(wǎng)。

中壓除氧水進(jìn)入2#汽包副產(chǎn)1.5 MPa飽和蒸汽, 副產(chǎn)蒸汽送入低壓飽和蒸汽管網(wǎng)。

中壓除氧水進(jìn)入低低壓廢熱鍋爐副產(chǎn)0.5 MPa飽和蒸汽, 副產(chǎn)蒸汽送入低低壓飽和蒸汽管網(wǎng)。

2.2 升溫還原流程設(shè)計

該工藝擬采用老廠區(qū)合成放空提氫氣或老廠區(qū)合成補(bǔ)氣為氫源，分別對1#可控移熱變換爐和2#可控移熱變換爐進(jìn)行硫化還原，硫化方式為循環(huán)硫化。

來自低壓氮氣系統(tǒng)的N2，以羅茨鼓風(fēng)機(jī)入口為接入口，依次經(jīng)蒸汽加熱器、1#可控移熱變換爐、2#可控移熱變換爐、開工冷卻器、開工氣液分離器對系統(tǒng)置換。

N2置換完畢后，經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)升壓后進(jìn)入蒸汽加熱器加熱，加熱后煤氣進(jìn)入1#可控移熱變換爐對催化劑進(jìn)行升溫(過程中補(bǔ)入老廠區(qū)合成放空提氫氣或老廠區(qū)合成補(bǔ)氣)，升溫達(dá)到指定溫度后按要求補(bǔ)入CS2，對1#可控移熱變換爐內(nèi)催化劑進(jìn)行硫化，出1#可控移熱變換爐氣體去開工冷卻器冷卻至40 ℃以下，經(jīng)開工氣液分離器分離冷凝水后，再進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)升壓進(jìn)入下一循環(huán)。

1#可控移熱變換爐內(nèi)催化劑硫化完畢后，經(jīng)羅茨鼓風(fēng)機(jī)循環(huán)氣經(jīng)蒸汽加熱器加熱升溫后進(jìn)入2#可控移熱變換爐，對2#可控移熱變換爐內(nèi)催化劑進(jìn)行升溫硫化，出2#可控移熱變換爐氣體去開工冷卻器冷卻至40 ℃以下，經(jīng)開工氣液分離器分離冷凝水后，再進(jìn)入羅茨鼓風(fēng)機(jī)升壓進(jìn)入下一循環(huán)。

硫化工藝流程見圖3。

2100V006—1#氣液分離器；2100E002—蒸汽加熱器；2100E001—主熱交換器；2100V001A/B—脫毒槽A/B；2100R001—1#可控移熱變換爐；2100V002—1#汽泡；2100V003—2#汽包；2100R002—2#可控移熱變換爐；2100E004—低低壓廢熱鍋爐；2100V007—2#氣液分離器；2100P003AB—中壓除氧水泵；2100P004AB—高壓除氧水泵；2100V010—除氧器；2100E005—脫鹽水加熱器；2100E007—低溫冷凝液預(yù)熱器；2100T002—汽提塔；2100V008—3#氣液分離器；2100E006—變換氣冷卻器；2100P005AB—冷凝液泵；2100V009—廢氣氣液分離器；2100T001—脫氨塔；CWS—循環(huán)水進(jìn)水。

2.3 設(shè)備設(shè)計選型

主要設(shè)備見表1。

表1 主要設(shè)備參數(shù)

2.4 裝置優(yōu)化

考慮到氣化爐原始或檢修后開車初期，輻射式廢鍋換熱效果良好，激冷初始溫度低，水氣比低的可能性，在1#氣液分離器前設(shè)置了7.6 MPa、430 ℃的過熱蒸汽加入口。在實際運(yùn)行過程中，原始開車時氣化洗氣塔出口溫度僅為200 ℃左右；檢修后開車初期輻射式廢鍋產(chǎn)汽質(zhì)量流量為76 t/h，1周后質(zhì)量流量仍為65 t/h，洗氣塔出口溫度僅為205～210 ℃，水氣比嚴(yán)重偏低，必須添加高壓過熱蒸汽才能維持較高的凈化度。

變換裝置中的蒸汽加熱器一般為低壓設(shè)備，僅在觸媒硫化時使用，將該設(shè)備設(shè)置為高壓設(shè)備，在原始開車、檢修后開車時同步投用，提高了進(jìn)變換爐的氣體溫度，杜絕了露點腐蝕，有效避免了觸媒的水合反應(yīng)。

3 裝置運(yùn)行情況

3.1 催化劑選型及裝填

青島聯(lián)信針對壓力為6.5 MPa、水氣比為0.78～0.82的兩級V形可控移熱變換爐開發(fā)了新型催化劑，該裝置催化劑裝填總體積為186 m3。1#可控移熱變換爐裝填耐高溫、低水氣比、抑制甲烷化副反應(yīng)的高溫寬溫區(qū)催化劑，2#可控移熱變換爐裝填低溫、低水氣比、防止硫醇硫醚副反應(yīng)的低溫活性好寬溫區(qū)催化劑。從外觀上就可以判斷出兩種催化劑規(guī)格及性能不同(見圖4)。由于催化劑床層為全徑向結(jié)構(gòu)，2級可控移熱變換爐均選擇直徑為3 mm、長度為3～5 mm的小顆粒催化劑，堆密度≥0.95 t/m3。

圖4 觸媒裝填照片

兩級V形可控移熱變換爐外筒與內(nèi)件為分體結(jié)構(gòu)，上部大蓋打開后，內(nèi)件平蓋上6只扇形孔全部暴露在視野中，采用1只3 m3的簡易吊斗，吊斗下部設(shè)置2個出料口，2個出料口分別與內(nèi)件平蓋上的兩側(cè)扇形孔連接，并將振動器固定在上部出水總管上，振動波通過柔性換熱管傳遞到床層每一個角落。在裝填催化劑的同時，開啟振動器，不僅催化劑裝填方便，而且有效避免架橋、不均勻現(xiàn)象，186 m3催化劑在1 d內(nèi)全部裝完。

完成試壓后的變換裝置采取N2置換，放空氣中O2體積分?jǐn)?shù)<0.5%為置換合格，采用N2按照≤0.01 MPa/min的升壓速度將系統(tǒng)壓力升至0.1～0.2 MPa。啟動羅茨鼓風(fēng)機(jī)和蒸汽加熱器，沿循環(huán)硫化回路開始升溫，催化劑床層升溫速率在20～25 K/h，循環(huán)氣體積流量控制在20 000～25 000 m3/h，床層升溫升至120 ℃左右時，恒溫2 h 以徹底釋放催化劑內(nèi)的吸附水，并加強(qiáng)各設(shè)備(特別是變換爐)進(jìn)出口導(dǎo)淋，排除凝液。床層整體溫度升至180 ℃以上時，減少部分循環(huán)N2體積流量并開始配入H2，逐漸提高H2體積分?jǐn)?shù)至25%左右，總循環(huán)氣體積流量保持在20 000～25 000 m3/h，逐漸提高變換爐床層溫度至200～220 ℃，恒溫2 h以拉平床層溫差，此后即可加入CS2轉(zhuǎn)入硫化初期。

3.2 催化劑硫化

3.2.1 硫化初期

將CS2提前加入硫化罐內(nèi)，用N2對罐內(nèi)充壓，通過轉(zhuǎn)子流量計控制流量，經(jīng)蒸汽加熱器后導(dǎo)入兩級V形可控移熱變換爐內(nèi)，嚴(yán)格控制CS2的加入量，調(diào)節(jié)量從小到大緩慢進(jìn)行，密切觀察床層溫度的變化；控制床層與入口氣體之間的溫差為30～50 K，溫度以調(diào)節(jié)進(jìn)蒸汽加熱器過熱蒸汽流量為主、調(diào)整氣量為輔的原則進(jìn)行。硫化初期溫度在250～280 ℃，熱點溫度嚴(yán)格控制不超過300 ℃，維持足夠時間，以確保低溫硫穿透。硫化期間如床層溫度上升過快，可減少或停止加入CS2，同時加大N2量，至床層溫度冷卻到250 ℃后再加入CS2。

3.2.2 硫化主期

兩級V形可控移熱變換爐出口有硫穿透時，逐步提高兩級V形可控移熱變換爐入口溫度，床層溫度控制在360～380 ℃，升溫速率為10～15 K/h。同時增加H2的補(bǔ)入量，并加強(qiáng)H2含量的分析，確保床層出口H2體積分?jǐn)?shù)不低于25%。

3.2.3 強(qiáng)化期

當(dāng)兩級V形可控移熱變換爐出口H2S質(zhì)量濃度顯著升高時，提升床層溫度并控制在400 ℃左右，保持4～6 h，熱點溫度不超過420 ℃(若達(dá)不到400 ℃可適當(dāng)延長1～2 h)。連續(xù)2次分析出口氣體硫含量不再繼續(xù)減少且與入口硫含量基本持平時，可視為硫化結(jié)束(2次分析的間隔時間大于10 min)。

3.2.4 降溫排硫

硫化結(jié)束后，逐步減小蒸汽加熱器過熱蒸汽流量，打開放空降溫排硫，其間繼續(xù)補(bǔ)充少量CS2，嚴(yán)格控制兩級V形可控移熱變換爐外殼壁溫與床層溫度差不得大于50 K。當(dāng)溫度降至300 ℃以下時，停加CS2，加大氣量繼續(xù)將床層溫度降到250 ℃以下，分析出口H2S質(zhì)量濃度<1.0 g/m3時，可視降溫排硫結(jié)束，降溫速率<25 K/h，硫化各階段時間分配及工藝指標(biāo)見表2。

表2 硫化主要指標(biāo)

3.3 滿負(fù)荷運(yùn)行

截至2019年5月10日，變換裝置已滿負(fù)荷運(yùn)行。1#可控移熱變換爐進(jìn)口溫度為259.3 ℃,出口溫度為286.4 ℃;2#可控移熱變換爐進(jìn)口溫度為248.7 ℃,出口溫度為214.0 ℃。1#可控移熱變換爐進(jìn)口壓力為5.85 MPa,出口壓力為5.82 MPa;2#可控移熱變換爐進(jìn)口壓力為5.81 MPa,出口壓力為5.77 MPa。1#、2#可控移熱變換爐進(jìn)出口濕基組分見表3。

表3 1#及2#可控移熱變換爐出口濕基組分

裝置運(yùn)行主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表4。

表4 裝置運(yùn)行主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4 結(jié)語

在氣化島水冷壁、輻射廢鍋副產(chǎn)6.5 MPa、7.5 MPa飽和蒸汽質(zhì)量流量高達(dá)147.6 t/h的前提下，1#可控移熱變換爐副產(chǎn)4.0 MPa 蒸汽66.4 t/h、2#可控移熱變換爐副產(chǎn)1.7 MPa蒸汽5.43 t/h、低壓廢熱鍋爐副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽47.6 t/h，變換系統(tǒng)出口CO體積分?jǐn)?shù)(干基)≤0.792%,CO總轉(zhuǎn)化率≥97.508%,H2體積流量≥158 259.02 m3/h，有機(jī)硫及HCN總轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.0%以上，系統(tǒng)阻力≤0.29 MPa，床層阻力≤0.034 6 MPa,1#可控移熱變換爐出口溫度僅為283.6 ℃，2#可控移熱變換爐出口溫度僅為214.0 ℃，以上各項經(jīng)濟(jì)指標(biāo)充分體現(xiàn)兩級V形可控移熱變換裝具有以下優(yōu)勢：

(1) 在保證CO轉(zhuǎn)化率及H2產(chǎn)能前提下，確保氣化島可以副產(chǎn)高溫高壓飽和蒸汽，減壓后作為聯(lián)堿煅燒爐加熱蒸汽使用，僅此一項可以使噸氨生產(chǎn)成本下降80元以上。

(2) 與傳統(tǒng)三段絕熱變換工藝相比，設(shè)備減少25%、流程縮短25%、工程投資降低15%以上、系統(tǒng)阻力降低50%、床層阻力降低60%，并做到正常開車變換影響時間為零。

(3) 有機(jī)硫及HCN總轉(zhuǎn)化率達(dá)到98.0%以上，無硫醇硫醚生成，有效保證低溫甲醇裝置穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)一步降低合成氨成本。

(4) 變換系統(tǒng)噸氨副產(chǎn)4.0 MPa 蒸汽0.8 t，副產(chǎn)1.7 MPa蒸汽0.08 t，副產(chǎn)0.5 MPa蒸汽0.6 t，回收高品位熱能多、低品位熱能少，利于全廠水汽平衡；1.7 MPa蒸汽送干銨裝置使用，0.5 MPa 蒸汽送制鹽裝置使用，匹配效果極佳。

(5) 從系統(tǒng)阻力、床層阻力，以及1#可控移熱變換爐出口溫度為283.6 ℃、2#可控移熱變換爐出口溫度為214.0 ℃判斷，該套變換裝置仍有20%的裕量，可進(jìn)一步優(yōu)化挖潛氣化爐潛力。

(6) 2臺兩級V形可控移熱變換爐的成熟設(shè)計理念，使其催化劑發(fā)揮各自作用，有力保證整個裝置能夠安全、節(jié)能、長周期、穩(wěn)定運(yùn)行。