全低溫變換工藝優(yōu)化改造探討

郭風(fēng)光

(山西金象煤化工有限責(zé)任公司， 山西晉城 048000)

在最終產(chǎn)品為尿素的合成氨工藝中，變換單元處于承前啟后的關(guān)鍵位置，將來自壓縮工段的半水煤氣與水蒸氣反應(yīng)，在一定溫度下借助觸媒的催化作用使CO變換為CO2和H2。2011年11月某化工公司年產(chǎn)180 kt合成氨、300 kt尿素項(xiàng)目投入正常生產(chǎn)，配套的合成氨氣體凈化系統(tǒng)的變換裝置采用全低溫變換噴水工藝。該公司盤活閑置設(shè)備后，變換裝置氣量增加，導(dǎo)致變換系統(tǒng)阻力增大、噸氨電耗明顯上升。

1 工藝流程

1.1 全廠工藝流程

全廠工藝流程見圖1。

圖1 全廠工藝流程

合成氨裝置由原料氣制備、原料氣凈化、原料氣壓縮、氨合成四部分組成[1]。原料氣制備采用常壓固定床制氣，原料氣凈化采用柴油超深度加氫脫硫(RTS)、全低溫變換、變壓吸附脫碳、精脫硫、低壓聯(lián)醇、雙甲精制工藝，原料氣壓縮采用6級壓縮，氨合成采用國產(chǎn)中壓氨合成工藝。尿素采用CO2汽提法工藝技術(shù)和造粒塔造粒工藝。

1.2 變換流程

來自壓縮三段2.5 MPa、40 ℃的半水煤氣，經(jīng)氣液分離器分離油水后經(jīng)除油器進(jìn)一步除油。除油后的半水煤氣進(jìn)入主熱交換器殼程與管程的變換氣換熱，溫度升到177 ℃后，進(jìn)入中間換熱器殼程與管程變換氣換熱，溫度升到250 ℃后，進(jìn)入蒸汽混合器。此時，向蒸汽混合器中添加蒸汽，加蒸汽后的半水煤氣溫度約為270 ℃，進(jìn)入一變爐一段，氣體經(jīng)過所裝的抗毒劑后，除去對變換觸媒有害的成分，一變爐一段出口溫度控制在320 ℃左右。出一變爐一段的變換氣進(jìn)入增濕器一段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至200 ℃左右后進(jìn)入一變爐二段進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為360 ℃左右。出一變爐二段的變換氣進(jìn)入增濕器二段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至200 ℃后進(jìn)入一變爐三段進(jìn)行反應(yīng)。出一變爐三段的變換氣進(jìn)入中間換熱器管程，與殼程的半水煤氣換熱，溫度降到228 ℃左右，再經(jīng)過高效調(diào)溫水加熱器管程與殼程的脫鹽水換熱，將溫度降至185 ℃后進(jìn)入二變爐繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為210 ℃左右。出二變爐的變換氣進(jìn)入主熱交換器管程與殼程的半水煤氣換熱，溫度降為130 ℃左右，進(jìn)入高效鍋爐水加熱器管程與殼程脫鹽水換熱，溫度降為90 ℃左右，經(jīng)冷凝水收集器排出變換氣中的水分后，變換氣進(jìn)入變換氣冷卻器管程與殼程的循環(huán)水換熱后溫度降到40 ℃，進(jìn)一步冷卻分離后去變脫工段[2-3]。變換流程見圖2。

圖2 變換流程

2 設(shè)計指標(biāo)

變換裝置工藝設(shè)計指標(biāo)為：(1) 操作壓力小于2.7 MPa；(2) 系統(tǒng)入口半水煤氣體積流量為108 000 m3/h；(3) 系統(tǒng)入口半水煤氣H2S質(zhì)量濃度為 80～180 mg/m3；(4) 系統(tǒng)出口變換氣CO體積分?jǐn)?shù)為1.6%～3.0%；(5) 系統(tǒng)壓差小于0.22 MPa。

3 主要設(shè)備

變換裝置采用全低溫變換噴水工藝，主要設(shè)備見表1。

表1 變換裝置主要設(shè)備

4 工藝原理

CO變換是指其與水蒸氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成CO2和H2的過程。CO變換是一個放熱、物質(zhì)的量不變的可逆反應(yīng)。

溫度對變換反應(yīng)的速度影響較大，而且對正逆反應(yīng)速度的影響不同。溫度升高，CO變換率隨溫度的升高而降低，因此當(dāng)變換反應(yīng)開始時，反應(yīng)物濃度大，提高溫度可加快變換速度；反應(yīng)末期，需要降低反應(yīng)溫度，使逆反應(yīng)速度減慢，可得到較高的變換率。同時，反應(yīng)溫度的確定還和汽氣比、氣體成分、觸媒的活性溫度范圍等因素有關(guān)。

變換反應(yīng)前后氣體體積不變，所以提高壓力不能改變反應(yīng)過程的平衡狀態(tài)，但提高壓力后，反應(yīng)物濃度增加，促進(jìn)了分子間的接觸，同時增加催化劑內(nèi)表面的利用率及氣體與催化劑的接觸時間，故其空速隨壓力提高而加大，從而提高了催化劑的生產(chǎn)強(qiáng)度。加壓后，CO能發(fā)生一些副反應(yīng)；受設(shè)備材質(zhì)、觸媒強(qiáng)度的限制，壓力不宜控制太高。

汽氣比是指入變換爐水蒸氣與煤氣中CO的體積比，但生產(chǎn)中常用水蒸氣與干半水煤氣的體積比表示。汽氣比對CO變換率有很大的影響，平衡變換率隨汽氣比提高而增加，但其趨勢為先快后慢，當(dāng)汽氣比提高到某一值時，平衡變換率曲線逐漸趨于平坦。汽氣比對于反應(yīng)速度的影響，一般在汽氣比較低時反應(yīng)速度隨汽氣比增加而上升較快，而后隨汽氣比的不斷上升逐漸緩慢下來。適當(dāng)提高汽氣比對提高CO變換率及反應(yīng)速度均有利，但汽氣比過高則經(jīng)濟(jì)性不佳，且會造成低溫變換觸媒的反硫化反應(yīng)[4]。

5 存在的問題

變換裝置采用的是全低溫變換噴水工藝，該公司盤活閑置設(shè)備后，變換裝置半水煤氣處理體積流量由108 000 m3/h增加至140 000 m3/h，導(dǎo)致變換系統(tǒng)阻力由0.09～0.10 MPa增大至0.20～0.22 MPa，噸氨電耗明顯上升。

6 應(yīng)對措施

6.1 增加1臺變換爐及附屬設(shè)備

新增1臺除油爐、1臺一變爐B、1臺增濕器B、1臺脫鹽水加熱器。具體新增設(shè)備見表2。

表2 變換新增設(shè)備

6.2 新增設(shè)備與原設(shè)備并聯(lián)運(yùn)行

新增除油爐與原絲網(wǎng)除油器、除油爐并聯(lián)使用；新增一變爐B、增濕器B與原一變爐、增濕器并聯(lián)運(yùn)行。在二變爐后新增高效脫鹽水加熱器，回收二變爐的余熱。

6.3 原部分流程由串聯(lián)改為并聯(lián)

主熱交換器、中間交換器由串聯(lián)改為并聯(lián)使用；二變爐后的鍋爐水加熱器、冷凝水收集器、變換氣冷卻器串聯(lián)運(yùn)行改為鍋爐水加熱器和冷凝水收集器、變換氣冷卻器并聯(lián)運(yùn)行。

7 改造后的變換流程

改造后的變換流程見圖3。

圖3 改造后變換流程

2路來自壓縮三段的2.5 MPa、40 ℃半水煤氣并聯(lián)進(jìn)入變換工段。

一路進(jìn)入氣液分離器分離油水后經(jīng)除油器進(jìn)一步除油。除油后的半水煤氣進(jìn)入主熱交換器的殼程與管程的變換氣換熱，進(jìn)入一變爐B的一段，氣體經(jīng)過上層所裝的抗毒劑、除氧脫毒后，進(jìn)入下層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為360 ℃左右。出一變爐B一段的變換氣進(jìn)入增濕器B的一段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至210 ℃左右后進(jìn)入一變爐B的二段進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為320 ℃左右。出一變爐B二段的變換氣進(jìn)入增濕器B的二段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至210 ℃后進(jìn)入一變爐B的三段進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為265 ℃左右。出一變爐B三段的變換氣與一變爐A變換氣匯合后去高效調(diào)溫水加熱器管程。

另一路半水煤氣經(jīng)除油爐除油后，進(jìn)入中間換熱器的殼程與管程的變換氣換熱后，進(jìn)入蒸汽混合器。此時向半水煤氣中添加蒸汽，加蒸汽后的半水煤氣溫度約為205 ℃，進(jìn)入一變爐A的一段，氣體經(jīng)過上層所裝的抗毒劑、除氧脫毒后，進(jìn)入下層進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為360 ℃左右。出一變爐A一段的變換氣進(jìn)入增濕器A的一段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至210 ℃左右后進(jìn)入一變爐A的二段進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為320 ℃左右。出一變爐A二段的變換氣進(jìn)入噴水增濕器A的二段進(jìn)行噴水增濕、降溫，氣體溫度降至210 ℃后進(jìn)入一變爐A的三段進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為265 ℃左右。出一變爐A三段的變換氣與一變爐B變換氣匯合后去高效調(diào)溫水加熱器管程。

匯合后的變換氣經(jīng)過調(diào)溫水加熱器管程與殼程的脫鹽水換熱將溫度降至210 ℃后進(jìn)入二變爐繼續(xù)反應(yīng)，反應(yīng)后的變換氣溫度為230 ℃左右，出來的變換氣分別進(jìn)入主熱交換器和中間換熱器的管程與殼程的半水煤氣換熱，溫度降為135 ℃左右，變換氣匯合后進(jìn)入脫鹽水加熱器管程與殼程脫鹽水換熱，溫度降為85 ℃左右。

降溫后的變換氣再分為2路。一路進(jìn)入鍋爐水加熱器的管程與殼程的循環(huán)水換熱后溫度降到40 ℃左右，出口的變換氣經(jīng)過冷凝水收集器去變換氣冷卻器氣相出口。另一路進(jìn)入變換氣冷卻器的管程與殼程的循環(huán)水換熱后溫度降到40 ℃左右除去冷凝液，與來自冷凝水收集器的變換氣匯合后去變脫工段。

8 運(yùn)行效果

經(jīng)過技術(shù)升級后， 系統(tǒng)阻力由原來的0.20～0.22 MPa降低為0.092～0.097 MPa，達(dá)到了預(yù)期效果。

技術(shù)升級后，在前系統(tǒng)條件不變、變換出口CO指標(biāo)不變的情況下，噸氨電耗下降約58 kW·h。改造前后噸氨電耗對比見表3。

表3 改造前后噸氨電耗對比 kW·h

9 結(jié)語

在合成氨工藝中，降低系統(tǒng)阻力是控制噸氨電耗的有效途徑。通過對全低溫變換工藝的認(rèn)真分析與研究，對變換裝置進(jìn)行升級改造，系統(tǒng)阻力由0.20～0.22 MPa降低為0.092～0.097 MPa，噸氨電耗由1 252.1 kW·h降低為1 194.1 kW·h，達(dá)到了預(yù)期效果。