KC-102型耐硫變換催化劑在低變爐中的應(yīng)用總結(jié)

潘迪東

（安陽盈德氣體有限公司，河南滑縣 456400）

0 引 言

安陽盈德氣體有限公司（簡稱安陽盈德）位于河南省安陽市滑縣化工產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)內(nèi)，其工業(yè)氣體裝置氣化系統(tǒng)采用華東理工大學(xué)開發(fā)的4.2MPa四噴嘴水煤漿加壓氣化工藝，粗合成氣產(chǎn)量為150000m3／h，變換系統(tǒng)采用中串低變換工藝，粗合成氣經(jīng)第一變換爐、第二變換爐、第三變換爐（即低變爐，采用昌邑凱特新材料有限公司生產(chǎn)的KC-102型耐硫變換催化劑）變換合格后進入低溫甲醇洗系統(tǒng)，最終得到的凈化氣作為安陽中盈化肥有限公司500kt／a氨合成系統(tǒng)（配套800kt／a尿素裝置）的原料。

安陽盈德工業(yè)氣體裝置于2013年5月27日投料運行，在此后長達7a多的高負荷運行中，KC-102型耐硫變換催化劑活性優(yōu)異，長周期運行穩(wěn)定性良好，為安陽盈德生產(chǎn)任務(wù)的完成打下了良好的基礎(chǔ)。以下就本爐KC-102型耐硫變換催化劑的應(yīng)用情況進行介紹，并總結(jié)低變催化劑活性保護及延長其使用壽命的經(jīng)驗。

1 變換系統(tǒng)工藝流程簡述

安陽盈德變換系統(tǒng)的主要任務(wù)是將氣化系統(tǒng)產(chǎn)生的粗合成氣中的CO和H2O變換成CO2及H2，調(diào)節(jié)工藝氣的氫碳比，使其滿足氨合成系統(tǒng)對變換氣的氣質(zhì)要求；其中，低變爐的主要作用是將經(jīng)第二變換爐變換后剩余的CO在低溫、低水氣比條件下全部變換成H2，換言之，低變催化劑性能的好壞直接影響著整套裝置的高負荷、優(yōu)質(zhì)運行。

來自氣化系統(tǒng)設(shè)計溫度221℃、設(shè)計壓力4.50MPa（A）、設(shè)計水氣比1.49的粗合成氣，進入水煤氣分離器（V2101）分離夾帶的水分后，經(jīng)工藝氣預(yù)熱器（E2101）預(yù)熱至約245℃進入煤氣過濾器（V2102），除去工藝氣中的灰分后進入第一變換爐（R2101）進行變換反應(yīng)；離開第一變換爐（R2101）的高溫變換氣，經(jīng)換熱器降溫至260℃左右后進入第二變換爐（R2102）繼續(xù)進行變換反應(yīng)；離開第二變換爐（R2102）的變換氣，經(jīng)換熱冷卻至215℃左右后進入第三變換爐（R2103） ［設(shè)計第三變換爐（即低變爐）入口工藝氣溫度215～230℃、水氣比0.79］進行最終的變換反應(yīng)，工藝氣變換合格并經(jīng)一系列換熱器后進入低溫甲醇洗系統(tǒng)。

2 KC-102型耐硫變換催化劑的物化性能

KC-102型耐硫變換催化劑是以鈷鹽、鉬鹽和氧化鋁、氧化鎂等為原料，經(jīng)混捏、干燥、捏合、成型、焙燒和浸漬等工藝過程制造的以氧化鈷、三氧化鉬為活性組分的CO低溫耐硫變換催化劑。其使用溫度為180～480℃、壓力為1.0～5.0MPa、空速為1000～6500h-1（干氣）、汽氣比（摩爾比）為0.1～1.0，工藝氣中的硫含量≥0.005% （體積分數(shù)），已在國內(nèi)多套大型煤化工裝置上成功應(yīng)用，應(yīng)用情況表明，其性能可靠，活性組分利用率高，催化劑的強度、使用壽命、活性及穩(wěn)定性總體上優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。KC-102型耐硫變換催化劑物化性能見表1。

表1 KC-102型耐硫變換催化劑的物化性能

3 低變催化劑的運行情況及性能評價

3.1 低變催化劑的運行情況

安陽盈德變換系統(tǒng)低變爐裝填的KC-102型耐硫變換催化劑從2013年5月原始開車運行至今，運行時間已超過7a，由于低變催化劑使用時間跨度較長、數(shù)據(jù)較多（僅能保存3a左右的數(shù)據(jù)），以及運行初期開、停車次數(shù)較多，故選取2017年之后（截至2019年12月）每2個月中滿負荷工況下某天的運行數(shù)據(jù)作為評價依據(jù)，催化劑床層溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2，2017年之后（截至2019年12月）變換系統(tǒng)主要運行數(shù)據(jù)見表3。

表2 KC-102型耐硫變換催化劑床層溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 低變催化劑的性能評價

安陽盈德變換系統(tǒng)的工藝氣經(jīng)過第一、第二變換爐變換后進入低變爐（R2103），入低變爐的工藝氣的工況條件發(fā)生了較大變化——低溫、低水氣比（設(shè)計入口工藝氣溫度215～230℃、水氣比0.79），在如此條件下要將經(jīng)第一、第二變換爐變換后的工藝氣再在低變爐實現(xiàn)全變換且長周期運行，非?？简灥妥兇呋瘎┑姆€(wěn)定性和活性。結(jié)合表2、表3的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我們對KC-102型耐硫變換催化劑作出如下評價。

（1）安陽盈德工業(yè)氣體裝置2013年5月原始開車以后，其負荷迅速提升至滿負荷甚至超負荷，在滿足后系統(tǒng)生產(chǎn)需求的同時，低變爐入口氣溫度基本穩(wěn)定在215℃左右，長年未發(fā)生過大的波動，且KC-102型耐硫變換催化劑床層溫度穩(wěn)定，表明其穩(wěn)定性良好，沒有因工況條件的變化而出現(xiàn)不穩(wěn)定的狀況。

（2）工藝氣經(jīng)過第二變換爐變換后，其中的CO含量已經(jīng)相當(dāng)?shù)土耍–O含量＜1.2%），而工藝設(shè)計要求低變爐出口氣中的CO含量要在0.41%以下，以實現(xiàn)全變換，這對低變催化劑來說是相當(dāng)大的考驗；由表3可以看出，直到2019年年底，在滿負荷甚至超負荷運行條件下低變爐出口氣中的CO含量依然保持在0.35%～0.40%，表明低變催化劑的低溫活性依然優(yōu)異。

表3 變換系統(tǒng)主要運行數(shù)據(jù)

總之，安陽盈德變換系統(tǒng)的實際運行情況表明：KC-102型耐硫變換催化劑的活性及穩(wěn)定性良好，在系統(tǒng)高負荷運行中性能穩(wěn)定；低變催化劑運行時間超過7a，其使用壽命較國內(nèi)外同類催化劑（普遍使用壽命在3a左右）有很大提升，大大節(jié)省了因更換催化劑而帶來的系統(tǒng)停車等費用。

4 保護低變催化劑活性及延長其使用壽命的經(jīng)驗

低變催化劑相較于中高變催化劑來說，其需要變換的CO的量不大，但其在更低的溫度、更低的水氣比工況下且變換深度更深，將中高變催化劑變換不了的少量CO變換成H2，從而滿足生產(chǎn)所需。故保護好低變催化劑的活性、延長低變催化劑的使用壽命，是系統(tǒng)長周期運行和降本增效的重要環(huán)節(jié)。

4.1 加強氣化系統(tǒng)管理并優(yōu)化調(diào)控變換系統(tǒng)

加強上游系統(tǒng)工藝運行管理的研究，減少氣化系統(tǒng)波動對變換系統(tǒng)及低變爐催化劑性能的影響。安陽盈德氣化系統(tǒng)采用的是4.2MPa四噴嘴水煤漿加壓氣化工藝，氣化爐產(chǎn)出的粗合成氣經(jīng)水洗塔（C1301）、氣液分離器（V2101）除去其中的煤灰（同時調(diào)節(jié)粗合成氣的水氣比）和液態(tài)水后，經(jīng)第一變換爐進出口換熱器（E2101）預(yù)熱后進入煤氣過濾器（V2102），之后依次進入第一變換爐（R2101）、廢熱鍋爐Ⅰ（E2102）、第二變換爐（R2102）、廢熱鍋爐Ⅱ（E2103）、低變爐（R2103）。為防止進入變換系統(tǒng)的工藝氣組分波動和帶灰?guī)?，需加強前系統(tǒng)工藝運行管理，并通過優(yōu)化工藝操作減少氣化系統(tǒng)工況波動對低變催化劑性能發(fā)揮造成的影響，具體措施如下。

（1）穩(wěn)定氣化爐用原料煤煤質(zhì)。安陽盈德主要依據(jù)原料煤的反應(yīng)活性、成漿性、灰熔融溫度來衡量煤種的適應(yīng)性，在生產(chǎn)中逐漸摸索出適合于四噴嘴水煤漿氣化爐的煤種，以神木及榆林地區(qū)煤炭為主，選擇低灰、低硫煤，適量摻燒內(nèi)蒙古等地的煤種；同時考慮到煤灰在還原性氣氛下的流動溫度和粘溫特性，針對原料煤煤質(zhì)變化引起的氣化爐工況變化，在實際運行過程中積極試驗和摸索，制定相應(yīng)的可操作性強的應(yīng)對措施，最大限度減輕原料煤煤質(zhì)變化對氣化爐運行帶來的不利影響，實現(xiàn)氣化爐的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行?？傊?，氣化原料煤煤質(zhì)的相對穩(wěn)定很重要，這不僅有利于氣化系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，而且對下游系統(tǒng)的穩(wěn)定運行也起著決定性的作用。

（2）水洗塔液位及文丘里流量計一定要準確。設(shè)置沖洗水裝置，氣化爐運行（周期）末期定期進行沖洗，并對易結(jié)垢的區(qū)域進行工藝干預(yù)，通過定點投加藥劑以保持藥劑濃度，減輕結(jié)垢傾向。

（3）防止液態(tài)水帶入變換系統(tǒng)。氣液分離器（V2101）液位不能太高，正常生產(chǎn)時控制V2101液位在30%左右，開車過程中或工況波動情況下V2101液位超過70%時須進行工藝干預(yù)，以防液態(tài)水帶入第一變換爐。

（4）確保第一、第二變換爐的穩(wěn)定運行。低變爐處于變換系統(tǒng)的末端，第一、第二變換爐的穩(wěn)定運行是低變爐穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)，尤其是當(dāng)中變氣帶水帶灰致中變催化劑活性變差時，相應(yīng)就會加重低變催化劑的負荷，從而影響低變催化劑的使用壽命。

（5）低變爐與第一、第二變換爐隔離單獨或并聯(lián)升溫。更換第一、第二變換爐催化劑后，開車升溫時采取單獨或并聯(lián)升溫的方式，并用盲板或工藝氣大閥將低變爐與第一、第二變換爐隔離，以免前系統(tǒng)變換催化劑升溫過程中產(chǎn)生的大量液態(tài)水進入低變爐而影響低變催化劑的活性。

總之，應(yīng)通過加強工藝運行管理，盡量避免粗合成氣組分波動和粗合成氣帶灰?guī)?，這是保證低變催化劑活性和使用壽命的關(guān)鍵所在。

4.2 穩(wěn)定低變爐入口氣溫度及催化劑床層溫度

變換催化劑的變換率取決于變換反應(yīng)的溫度和壓力，滿負荷工況下變換系統(tǒng)的壓力取決于氣化系統(tǒng)的壓力，變換系統(tǒng)自身無法對反應(yīng)壓力進行調(diào)控，但變換反應(yīng)溫度可以通過相關(guān)手段進行調(diào)控，在保證中變氣不帶水的前提下將低變爐入口氣溫度適當(dāng)降低是延長低變催化劑使用壽命的有效方式，當(dāng)然，前提是必須根據(jù)系統(tǒng)的工藝特性進行調(diào)節(jié)。低變催化劑運行過程中，一般要求低變爐入口氣溫度高于中變氣飽和溫度25℃，安陽盈德變換系統(tǒng)低變爐設(shè)計入口氣溫度為215～230℃，實際上在其運行初期會將低變爐入口氣溫度控制在215℃左右，后期因催化劑活性降低會將低變爐入口氣溫度提高至230℃以上。

另外，生產(chǎn)中嚴禁低變催化劑床層超溫。在升溫硫化過程中控制工藝氣流量在20000～50000m3／h以內(nèi)，同時控制工藝氣中的硫含量在3000×10-6左右（達到催化劑起活的目的），防止反應(yīng)熱過大導(dǎo)致催化劑床層超溫；導(dǎo)氣過程中，均壓在符合壓力增長要求下盡量快一點，如果出現(xiàn)泄漏或其他緊急情況應(yīng)當(dāng)機立斷退氣以確保催化劑床層不超溫。

當(dāng)然了，低變催化劑的活性及使用壽命取決于很多因素，穩(wěn)定低變爐入口氣溫度及低變催化劑床層溫度只是其使用過程中的重要保護措施，催化劑的制造工藝及催化劑的性能（強度、水合性等）也是催化劑使用壽命的重要影響因素。

5 結(jié)束語

綜上所述，KC-102型耐硫變換催化劑（低變催化劑）在安陽盈德工業(yè)氣體裝置變換系統(tǒng)7a多的應(yīng)用情況表明，該型低變催化劑活性及穩(wěn)定性優(yōu)異，高負荷生產(chǎn)中性能穩(wěn)定，使用壽命較國內(nèi)外同類催化劑有很大提升；只要加強前系統(tǒng)的工藝運行管理，通過技術(shù)手段穩(wěn)定好低變爐入口氣溫度及低變催化劑床層溫度等，KC-102型低變催化劑的活性就能得到很好保護，其使用壽命就能得到有效延長，運行期內(nèi)完全能達到預(yù)期的使用效果。