乙二醇裝置配套工程之變換系統(tǒng)綜合技改總結(jié)

張亞茹，郭振華

（河南能源化工集團(tuán)安化公司，河南安陽 455133）

0 引 言

安陽化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司（簡(jiǎn)稱安化公司）隸屬于河南能源化工集團(tuán)，其200kt／a煤制乙二醇裝置外圍配套工程之變換系統(tǒng)的主要任務(wù)是將常壓脫硫、壓縮加壓后的水煤氣通過變換反應(yīng)將CO轉(zhuǎn)化為H2，以滿足乙二醇合成系統(tǒng)所需合成氣的氫碳比要求，同時(shí)將水煤氣中的O2脫除以及將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化成無機(jī)硫，并在變脫系統(tǒng)將大部分的無機(jī)硫吸收，便于后續(xù)PSA系統(tǒng)脫除剩余的硫化物。乙二醇裝置外圍配套工程之工藝流程為：固定床氣化爐→氣柜→一級(jí)電除塵→羅茨鼓風(fēng)機(jī)→常脫（常壓脫硫）系統(tǒng)→二級(jí)電除塵→水煤氣壓縮→變換系統(tǒng)→變脫系統(tǒng)→PSA一段脫除CO2（PSA-CO2）→精脫硫→PSA二段提純CO（PSA-CO）→PSA三段提純H2（PSA-H2）→乙二醇裝置。

安化公司乙二醇裝置于2012年10月投產(chǎn)，2015年7月開始組織四機(jī)生產(chǎn)（即4臺(tái)水煤氣壓縮機(jī)運(yùn)行，下同），裝置負(fù)荷順利提升至約92%，乙二醇產(chǎn)量達(dá)到560t／d左右。隨著乙二醇裝置負(fù)荷的不斷提升，變換系統(tǒng)氣量逐漸增大，出現(xiàn)了變換系統(tǒng)阻力增大、變換系統(tǒng)出口總硫含量上漲、變脫塔入口氣溫度高、變脫塔填料軟化變形、變脫塔阻力增大、變換系統(tǒng)部分管線腐蝕泄漏等問題，嚴(yán)重影響著乙二醇裝置的安、穩(wěn)、長(zhǎng)、滿、優(yōu)運(yùn)行。針對(duì)一系列生產(chǎn)難題，安化公司決定對(duì)變換系統(tǒng)實(shí)施綜合技改，最終通過不斷的技術(shù)攻關(guān)有效解決了上述問題，變換系統(tǒng)的效能得以提升，并于2020年2月乙二醇裝置沖刺至102.14%的負(fù)荷目標(biāo)，乙二醇最高日產(chǎn)達(dá)620.41t，創(chuàng)歷史新高。以下對(duì)變換系統(tǒng)實(shí)施的綜合技改及有關(guān)情況作一介紹。

1 變換系統(tǒng)工藝流程及主要設(shè)備

1.1 變換系統(tǒng)工藝流程

變換系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖見圖1（虛線部分為技改后增加的內(nèi)容）。水煤氣壓縮機(jī)三段出口來的水煤氣（溫度≤40℃，壓力≤1.1MPa）進(jìn)入油過濾器，脫除水煤氣中的油污后依次經(jīng)煤氣預(yù)熱器Ⅲ（管程）、煤氣預(yù)熱器Ⅰ（管程）與殼程來自中溫水解塔的變換氣換熱提溫至約185℃，再進(jìn)入煤氣預(yù)熱器Ⅱ（管程）與殼程來自變換爐的變換氣換熱提溫至約240℃，然后通過蒸汽三通與1.7MPa、330℃的蒸汽充分混合后經(jīng)電動(dòng)閥進(jìn)入變換爐；一定溫度（240～320℃）的水煤氣在變換催化劑的作用下進(jìn)行除氧及變換反應(yīng)，變換反應(yīng)放出的熱量通過預(yù)熱除鹽水予以回收；出變換爐的變換氣（有30～50℃的溫升）經(jīng)煤氣預(yù)熱器Ⅱ（殼程）與水煤氣換熱降溫后，進(jìn)入中溫水解塔（180～230℃）水解，之后依次進(jìn)入煤氣預(yù)熱器Ⅰ（殼程）、煤氣預(yù)熱器Ⅲ（殼程）與水煤氣換熱降溫至約144℃，再經(jīng)除鹽水預(yù)熱器（管程）、變換氣水冷器換熱降溫至約40℃后進(jìn)入變換氣分離器，分離出的變換氣送變換氣脫硫系統(tǒng)，分離出的冷凝液送污水處理系統(tǒng)。

圖1 變換系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2 變換系統(tǒng)主要設(shè)備

（1）變換爐（1臺(tái)）。變換爐為立式設(shè)備，尺寸為?3800mm×26mm×14946mm，材質(zhì)為15CrMoR；內(nèi)裝催化劑分為3層，裝填高度分別為1.41m、2.00m、1.99m，另裝填有保護(hù)劑16m3，催化劑裝填量共計(jì)43m3，催化劑層上、下分別裝填有?25mm和?50mm的耐火球。

（2）中溫水解塔（1臺(tái)）。中溫水解塔為立式設(shè)備，尺寸為?3000mm×20mm×13140 mm，材質(zhì)為15CrMoR；內(nèi)裝填催化劑35m3，催化劑層上、下分別裝填有?25mm和?50mm的耐火球。

（3）煤氣預(yù)熱器Ⅰ（1臺(tái)）。煤氣預(yù)熱器Ⅰ為立式設(shè)備，尺寸為?1300mm×10mm×4116 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為88.7m2；工藝介質(zhì)為煤氣（管程）／變換氣（殼程）。

（4）煤氣預(yù)熱器Ⅱ（1臺(tái)）。煤氣預(yù)熱器Ⅱ?yàn)榕P式設(shè)備，尺寸為?1400mm×12mm×6840 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為312m2；工藝介質(zhì)為煤氣（管程）／變換氣（殼程）。

（5）1＃變換氣水冷器（1臺(tái)）。1＃變換氣水冷器為臥式設(shè)備，尺寸為?1340mm×10mm×6699mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為485.64m2；工藝介質(zhì)為變換氣（管程）／循環(huán)冷卻水（殼程）。

（6）變脫塔（2臺(tái)）。變脫塔為立式設(shè)備，尺寸為?3600mm×22mm×44716mm，材質(zhì)為Q345R；變脫塔內(nèi)裝填?76mm×76mm鮑爾環(huán)填料242.4m3、?50mm×50mm鮑爾環(huán)填料8.1m3；工藝介質(zhì)為變換氣和栲膠液。

（7）油分離過濾器（1臺(tái)）。油分離過濾器為立式設(shè)備，尺寸為?3600mm×18mm×7910 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti。

2 變換系統(tǒng)運(yùn)行中存在的主要問題

乙二醇裝置外圍配套系統(tǒng)四機(jī)運(yùn)行時(shí)，入變換系統(tǒng)工藝氣壓力約1.0MPa、溫度≤40℃，氣量約82000～84000m3／h（干基），入變換系統(tǒng)氣體組分全分析數(shù)據(jù)大致為CO26.78%、O20.29%、N28.25%、CH41.03%、CO32.73%、H250.91%、H2S149.20mg／m3、COS≤105.34 mg／m3。在乙二醇裝置負(fù)荷提升至92%時(shí)，變換系統(tǒng)出現(xiàn)了如下問題：系統(tǒng)阻力漲至1.050 MPa，變換爐入口蒸汽量增至3.9t／h，變換系統(tǒng)出口總硫含量上漲至18mg／m3（控制指標(biāo)≤17.5mg／m3），變脫塔入口氣溫度高達(dá)50℃（操作指標(biāo)38～42℃），變脫塔阻力增加1kPa；停車檢修期間發(fā)現(xiàn)變脫塔填料存在變形。為保證乙二醇裝置的高負(fù)荷、長(zhǎng)周期運(yùn)行，必須對(duì)變換系統(tǒng)實(shí)施改造。

3 原因分析及技改方案

3.1 變換系統(tǒng)阻力增大問題

3.1.1 原因分析

水煤氣壓縮機(jī)三段出口水煤氣夾帶有大量油水進(jìn)入變換系統(tǒng)內(nèi)，首先經(jīng)油分離過濾器，通過1次／h的頻次排放油分離過濾器內(nèi)的油水。隨著變換系統(tǒng)負(fù)荷的不斷提升，由于油分離過濾器過濾能力未增加，油水不能及時(shí)排出，導(dǎo)致油分離過濾器阻力增大，其內(nèi)件——過濾網(wǎng)每年均需進(jìn)行更換；油水隨水煤氣進(jìn)入變換系統(tǒng)，工藝氣氣質(zhì)差，油水附著于變換系統(tǒng)管線、彎頭、閥門及變換催化劑床層等處，造成變換系統(tǒng)阻力增大，系統(tǒng)運(yùn)行狀況惡化。另外，由于設(shè)計(jì)方面的原因，油分離過濾器入口管線（DN500）進(jìn)口閥設(shè)計(jì)為自調(diào)閥加前后切斷閥，實(shí)際生產(chǎn)中多次發(fā)生自調(diào)閥誤動(dòng)作甚至誤關(guān)閉的情況，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。

3.1.2 技改方案

（1）在水煤氣壓縮機(jī)三段出口總管上原油分離過濾器（老油分）前增加1臺(tái)油水分離器（新油分，尺寸?1200mm×10mm×4300 mm），與原油分離過濾器串聯(lián)運(yùn)行，使水煤氣中的油水先經(jīng)油水分離器分離掉一部分，再進(jìn)入油分離過濾器進(jìn)行分離，以緩解油分離過濾器的過濾壓力，減少水煤氣中的油水帶入后系統(tǒng)。

（2）在油分離過濾器入口管線自調(diào)閥及前后切斷閥處增設(shè)一DN450副線，正常生產(chǎn)中DN450副線閥全開，以保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3.2 變換系統(tǒng)出口總硫上漲問題

3.2.1 原因分析

隨著乙二醇裝置負(fù)荷的提升，變換系統(tǒng)內(nèi)氣體流速加快，而原中溫水解塔未進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)能改造，致使其吸收H2S的能力下降，在乙二醇裝置負(fù)荷沖刺至92%時(shí)，中溫水解塔入口氣溫度高達(dá)249℃左右（設(shè)計(jì)溫度≤250℃），高于180～230℃的常規(guī)操作溫度，已接近設(shè)計(jì)指標(biāo)上限。生產(chǎn)中，調(diào)整中溫水解塔入口氣溫度主要采取如下手段：一是實(shí)施副線調(diào)節(jié)，即將由煤氣預(yù)熱器Ⅰ出來的溫度為180℃的水煤氣，不經(jīng)過變換爐和煤氣預(yù)熱器Ⅱ而直接進(jìn)入中溫水解塔，但如此一來會(huì)出現(xiàn)副線開度過小起不到降溫效果、副線開度過大中溫水解塔入口氣總硫含量過高甚至超標(biāo)（工藝指標(biāo)要求中溫水解塔入口氣H2S含量100～300mg／m3、COS含量≤150mg／m3）的問題；二是開變換爐出口1.7MPa蒸汽調(diào)節(jié)（中溫水解轉(zhuǎn)化有機(jī)硫時(shí)需少量蒸汽），但蒸汽閥開度稍大會(huì)造成中溫水解系統(tǒng)阻力增大，同時(shí)中溫水解催化劑長(zhǎng)期在高溫下操作衰老過快，影響水解效果，另外，此處添加蒸汽還可能存在設(shè)備腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，但不開變換爐出口蒸汽進(jìn)行調(diào)節(jié)中溫水解塔出口總硫指標(biāo)又無法保證。簡(jiǎn)言之，變換系統(tǒng)出口總硫上漲的問題制約著乙二醇裝置負(fù)荷的提升。

3.2.2 技改方案

為降低中溫水解塔的阻力，增強(qiáng)其對(duì)COS的水解能力，保證變脫塔出口總硫指標(biāo)合格，在煤氣預(yù)熱器Ⅱ（殼程）管線出口增設(shè)中溫水解塔B（中溫水解塔B為立式設(shè)備，尺寸?3000 mm×20mm×13230m，材質(zhì)為15CrMoR，容積為74.3m3，內(nèi)裝催化劑35m3、?50mm耐火球1.4m3、?25mm耐火球2.8m3），并配套增設(shè)導(dǎo)淋、取樣點(diǎn)、入口自調(diào)閥及副線、出口閥等，與中溫水解塔A并聯(lián)運(yùn)行，并引各溫度點(diǎn)入DCS監(jiān)控。

3.3 變脫塔入口氣溫度高帶來的系列問題

3.3.1 原因分析

由前述可知，由于中溫水解溫度過高，使后系統(tǒng)熱負(fù)荷過大，隨著系統(tǒng)負(fù)荷的不斷提升，變脫塔入口氣溫度高達(dá)50℃，高于38～42℃的常規(guī)操作控制指標(biāo)，導(dǎo)致填料（鮑爾環(huán)）軟化，檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)填料存在變形情況；另外，脫硫溶液溫度偏高，溶液再生效果變差，變脫溶液在再生槽中形成的硫泡沫量減少，硫回收量減少，導(dǎo)致未在再生槽中完全析出的硫在變脫塔內(nèi)析出并粘附在填料上，造成變脫塔阻力上漲；同時(shí)，由于出變換系統(tǒng)氣體溫度過高，還造成PSA-CO2脫除CO2效果越來越差，影響CO產(chǎn)品氣的純度。

3.3.2 技改方案

（1）在變換爐入口煤氣預(yù)熱器Ⅰ前、油分離過濾器后串聯(lián)1臺(tái)煤氣預(yù)熱器Ⅲ （尺寸為?1400mm×12mm×6840mm，換熱面積為312m2），以更好地利用中溫水解熱量來提高變換爐入口氣溫度，以減輕后系統(tǒng)的熱負(fù)荷，降低變脫塔入口氣的溫度。

（2）增設(shè)2＃變換氣水冷器（尺寸?1200 mm×12mm×8939mm），并配套增加去1＃變換氣水冷器蝶閥（DN500）1個(gè)，即在除鹽水預(yù)熱器出口氣相管線上增開2＃變換氣水冷器入口管線，1＃、2＃變換氣水冷器并聯(lián)運(yùn)行，利用新增蝶閥的開度控制1＃、2＃變換氣水冷器的過氣量，以降低變脫塔入口氣的溫度，減少變脫塔脫硫溶液副鹽生成，同時(shí)降低變脫塔阻力及填料變形風(fēng)險(xiǎn)，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 變換系統(tǒng)管線等腐蝕泄漏問題

3.4.1 原因分析

乙二醇裝置自2012年10月投運(yùn)以來，上游變換系統(tǒng)出現(xiàn)過2次管線彎頭焊縫裂紋及砂眼而致泄漏的問題：第1次為2018年9月16日，除鹽水預(yù)熱器出口彎頭管壁焊縫及熱影響區(qū)逐漸出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕裂紋，彎頭減薄，氣體泄漏，系統(tǒng)被迫停車；第2次為2020年2月，除鹽水預(yù)熱器氣相出口去1＃變換氣水冷器碳鋼閥門（DN500）出現(xiàn)多處砂眼，多次進(jìn)行堵漏，危及系統(tǒng)的安全運(yùn)行。經(jīng)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行情況、堵漏情況和漏點(diǎn)部位的全面分析，認(rèn)為有如下原因：油水分離器至變換爐的水煤氣溫度由約40℃逐漸升至240℃以上，溫度逐漸升高的過程中氣相中的飽和水以氣態(tài)形式存在，故H2S在氣相狀態(tài)下存在，因而變換爐前一般不易發(fā)生設(shè)備腐蝕，但變換爐出口至變換氣分離器的變換氣溫度由約290℃逐漸降至約40℃，隨著氣體溫度的降低，未反應(yīng)完的蒸汽會(huì)冷凝而產(chǎn)生大量冷凝水，因氣體流速較快，氣體將會(huì)夾帶液態(tài)水，而氣體中含有H2S（含量約200mg／m3），H2S的存在會(huì)使冷凝液呈酸性，原設(shè)計(jì)管線材質(zhì)為15CrMo，耐腐蝕能力有限，從而導(dǎo)致變換爐出口至變換氣分離器入口間管線、彎頭、設(shè)備及閥門處發(fā)生腐蝕泄漏，進(jìn)而引起系統(tǒng)波動(dòng)。

3.4.2 技改方案／應(yīng)對(duì)措施

（1）利用每年停車機(jī)會(huì)對(duì)變換系統(tǒng)管線及設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，針對(duì)減薄部位組織進(jìn)行處理。

（2）將煤氣預(yù)熱器Ⅲ（殼程）出口管線、進(jìn)出副線、配套導(dǎo)淋及放空管線材質(zhì)由碳鋼變更為304不銹鋼，在不銹鋼與碳鋼焊接時(shí)，因碳鋼與不銹鋼的膨脹系數(shù)不同，焊后冷卻時(shí)易在焊接過渡區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力而易出現(xiàn)裂紋，故對(duì)焊接質(zhì)量提出嚴(yán)格要求，并督促施工方按照施工方案保質(zhì)保量完成焊接碰頭及試壓試漏。

（3）對(duì)于存在的漏點(diǎn)，制定應(yīng)急預(yù)案，加強(qiáng)巡檢，準(zhǔn)備膠管接氮?dú)鈧溆?，確保漏點(diǎn)在可控狀態(tài)。

（4）利用停車機(jī)會(huì)將除鹽水預(yù)熱器氣相出口去1＃變換氣水冷器DN500碳鋼閥門更換為不銹鋼閥門。

4 技改后變換系統(tǒng)的運(yùn)行情況

上述技改措施落實(shí)后，并通過摸索逐漸固化操作和相關(guān)工藝指標(biāo)控制，變換系統(tǒng)運(yùn)行狀況明顯改善（技改前后變換系統(tǒng)主要工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比見表1），具體體現(xiàn)在以下方面。

表1 技改前后變換系統(tǒng)主要工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比

（1）同等負(fù)荷情況下，水煤氣壓縮機(jī)三段出口壓力由1.050MPa降至0.995MPa，降低了55kPa；同時(shí)，油分離過濾器至變換爐入口阻力由63kPa降至35kPa，降低了28kPa，相應(yīng)地變換爐阻力也由30kPa降至28kPa，降低了2kPa；變換系統(tǒng)阻力由0.274MPa降至0.183 MPa，降低了91kPa。

（2）增設(shè)1臺(tái)中溫水解塔B實(shí)現(xiàn)2臺(tái)中溫水解塔（A／B）并聯(lián)運(yùn)行后，中溫水解塔對(duì)COS的水解能力得到增強(qiáng)，中溫水解塔阻力由35kPa降至16kPa，降低了19kPa，變換系統(tǒng)出口氣總硫也由18mg／m3降至3.59mg／m3。

（3）增設(shè)煤氣預(yù)熱器Ⅲ后，中溫水解熱量得到更好地利用，變換爐入口氣溫度降低3℃，變換爐蒸汽投加量由3.9t／h降至3.3t／h，減少了0.6t／h。

（4）增設(shè)2＃變換氣水冷器與1＃變換氣水冷器并聯(lián)運(yùn)行，以及配套增加去1＃變換氣水冷器DN500蝶閥后，變脫塔阻力由9kPa降至8kPa，降低了1kPa；中溫水解塔入口氣溫度由251℃降至233℃，降低了18℃；變脫塔入口氣溫度由50℃降至40℃，降低了10℃。

（5）增加油水分離器與原油分離過濾器串聯(lián)及增設(shè)油分離過濾器入口自調(diào)閥副線后，油分離過濾器負(fù)荷得到有效降低，油分離過濾器阻力由10kPa降至5kPa，降低了5kPa，水煤氣質(zhì)量得到提高，對(duì)后系統(tǒng)催化劑起到了很好地保護(hù)作用。

變換系統(tǒng)除上述工藝運(yùn)行數(shù)據(jù)得到優(yōu)化外，停車檢修時(shí)，檢查變脫塔填料未發(fā)現(xiàn)有變形情況，變脫塔填料由每年更換1次延長(zhǎng)至每3年更換1次；易腐蝕減薄部位材質(zhì)更新后，設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)明顯降低?？傮w而言，制約乙二醇裝置高負(fù)荷運(yùn)行的變換系統(tǒng)瓶頸問題得到有效解決，技改達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。

5 經(jīng)濟(jì)效益分析

（1）技改后，變換爐蒸汽投加量減少0.6t／h，按蒸汽價(jià)格115元／t（不含稅）、年運(yùn)行330d計(jì)算，全年節(jié)約的蒸汽費(fèi)用為0.6×24×330×115÷10000＝54.65萬元；蒸汽使用量減少后，廢水排放也相應(yīng)減少，按污水處理費(fèi)用22元／t（不含稅）、年運(yùn)行330d計(jì)算，全年減少的污水處理費(fèi)用為0.6×24×330×22÷10000＝10.45萬元。

（2）技改后，除鹽水用量由改造前55t／h降至47t／h，按除鹽水價(jià)格6元／t（不含稅）、年運(yùn)行330d計(jì)算，全年減少的除鹽水費(fèi)用為（55-47）×24×330×6÷10000＝38.02萬元。

（3）技改后，變換系統(tǒng)阻力降低，相應(yīng)提高了水煤氣壓縮機(jī)的綜合做功能力，水煤氣壓縮機(jī)電耗明顯下降；工藝氣的清潔度得到提高，變換催化劑及中溫水解催化劑的使用壽命得到延長(zhǎng)，同時(shí)變脫塔阻力的降低使得變脫塔填料的使用壽命也得以延長(zhǎng)；減少了變換系統(tǒng)設(shè)備腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)，保證了乙二醇裝置的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。變換系統(tǒng)在這些方面的改善雖未進(jìn)行詳細(xì)的效益核算，但估計(jì)其帶來的降本增效等直接或間接經(jīng)濟(jì)效益也是比較可觀的。

6 結(jié) 語

安化公司針對(duì)煤制乙二醇裝置負(fù)荷提升中外圍配套工程之變換系統(tǒng)出現(xiàn)的系統(tǒng)阻力增大、變換爐投加蒸汽量增加、變換系統(tǒng)出口總硫上漲，以及變脫塔入口氣溫度高帶來的變脫塔填料軟化變形、阻力增加等制約乙二醇裝置高負(fù)荷運(yùn)行的瓶頸問題，通過對(duì)變換系統(tǒng)實(shí)施一系列的綜合技改，問題均得到有效解決，變換系統(tǒng)運(yùn)行狀況有效改善、效能明顯提升，乙二醇裝置實(shí)現(xiàn)了滿負(fù)荷甚至102.14%負(fù)荷的運(yùn)行目標(biāo)，整套裝置取得了不錯(cuò)的降本增效成果。