軸徑向變換爐及變換催化劑裝填和使用

趙淵

（蒲城清潔能源化工有限責(zé)任公司，陜西 渭南 715500）

0 引言

2014 年，蒲城能化一期180 萬t/a 甲醇、68 萬t/a 聚烯烴項目投料成功。

氣化工藝采用世界先進(jìn)的且氣化壓力最高的8.7 Mpa 德士古水煤漿氣化技術(shù)。

氣化后的變換爐采用莊信萬豐設(shè)計的軸徑向變換爐。催化劑使用昌邑凱特生產(chǎn)的KC-103S 預(yù)硫化變換催化劑。經(jīng)過約7 a 左右的運行可知，其變換系統(tǒng)穩(wěn)定，催化劑活性良好。

本文主要介紹莊信萬豐設(shè)計的軸徑向變換爐特性、軸徑向變換爐催化劑情況、軸徑向變換爐裝填升溫后運行情況及預(yù)硫化耐硫變換催化劑KC-103S 的優(yōu)勢。

1 軸徑向變換爐特性

蒲城能化一期變換工段分為2 個系列，每個系列都有一臺軸徑向變換爐，該變換爐與傳統(tǒng)變換爐分布方式不同。

傳統(tǒng)變換爐一般是氣量上進(jìn)下出，中間放置催化劑進(jìn)行反應(yīng)，氣體僅依靠爐頂分布器進(jìn)行分布。

該軸徑向變換爐通過爐頂分布器分布?xì)饬骱?，進(jìn)入變換爐四周扇形管再次分布，氣流從純徑向流動變?yōu)檩S徑向流動。

軸徑向變換爐氣體流動簡圖如圖1 所示。

圖1 軸徑向變換爐氣體流動簡圖Fig.1 Gas flowdiagram of axial-radial converter

因蒲城能化氣化工段采用8.7 Mpa 德士古水煤漿氣化工藝，變換工段壓力較大，軸徑向變換爐工藝參數(shù)見表1。

表1 軸徑向變換爐工藝參數(shù)Table 1 Technological parameters of axial-radial converter

軸徑向變換爐內(nèi)件相較于普通變換爐來說相對復(fù)雜，軸徑向變換爐內(nèi)部有分布器、扇形管、中心管、熱電偶及催化劑、瓷球和絲網(wǎng)等，軸徑向變換爐內(nèi)件簡圖如圖2 所示。

圖2 軸徑向變換爐內(nèi)件簡圖Fig.2 Schematic diagram of furnace internals for axial and radial transformation

2 軸徑向變換爐催化劑裝填情況

2.1 催化劑裝填

蒲城能化使用的變換爐催化劑一直是昌邑凱特新材料有限公司生產(chǎn)的小顆粒變換催化劑。2016年更換為昌邑凱特新材料有限公司生產(chǎn)的預(yù)硫化變換催化劑KC-103S，針對蒲城能化高壓力軸徑向變換爐，催化劑廠家提供了特殊的裝填要求。

變換爐裝填需從上到下裝填，先裝底部三層瓷球（φ25、φ12、φ6 依次裝填），需一袋袋吊至爐內(nèi)裝填，避免摔碎。隨后覆蓋一層絲網(wǎng)，然后裝填催化劑，由爐口工作人員將催化劑倒入事先安裝在爐口的漏斗中，經(jīng)溜槽進(jìn)入帆布袋進(jìn)爐內(nèi)，爐內(nèi)作業(yè)人員拉住布袋出口，將催化劑撒開，裝填一定數(shù)量催化劑后（高度約0.5 m），應(yīng)停止裝填，把表面推平，裝填時要移動帆布袋，使催化劑鋪平，裝填催化劑時鋪平后用橡膠振動棒震動，使催化劑床層裝實，震動完畢后，攤平，根據(jù)裝填高度計算裝填密度，保證催化劑床層裝實，并保證催化劑床層上下的裝填密度一致，避免催化劑裝填偏流。最后在覆蓋一層瓷球。

軸徑向變換爐催化劑的裝填要點是裝填密實，催化劑在裝填過程中松散會造成催化劑沉降或架橋，這會引起氣流短路，造成催化劑在短時間內(nèi)出現(xiàn)變換爐出口CO 含量偏高，縮短檢修周期。

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，裝填催化劑78 m3。

2.2 變換系統(tǒng)開車

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，本次使用的催化劑為預(yù)硫化耐硫變換催化劑KC-103S，該催化劑無需硫化，升溫后直接接氣。

蒲城能化催化劑升溫是采用直接升溫法，升溫過程時刻關(guān)注系統(tǒng)O2含量小于0.02%，避免催化劑升溫火化過程中被氧化的情況，同時需在80～90 ℃恒溫2 h，120 ℃恒溫3 h，250～260 ℃左右，恒溫3 h，恒溫過程需排水。升溫結(jié)束后，將變換系統(tǒng)均壓至5.0 MPa，將氣化負(fù)荷控制在單爐60%左右負(fù)荷直接快速導(dǎo)氣，避免變換爐床層超溫，影響催化劑活性。

3 軸徑向變換爐裝填升溫后運行情況

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，第一系列變換爐催化劑穩(wěn)定運行至今約有1 d 左右時間，第1 系列變換爐催化劑滿負(fù)荷運行數(shù)據(jù)見表2。

表2 1 系列運行數(shù)據(jù)顯示Table 21 Series operation data display

由表2 可以看出，滿負(fù)荷運行約12 個月，隨著使用時間的推移，床層高點溫度穩(wěn)定性良好，變換爐出口CO 濃度一直維持在4%左右，較為穩(wěn)定，床層溫度和出口CO 的穩(wěn)定表明，在裝填過程中催化劑密實程度穩(wěn)定，升溫導(dǎo)氣過程中沒有發(fā)生進(jìn)水板結(jié)的情況，也證明了催化劑的活性及活性穩(wěn)定性很好。

上述數(shù)據(jù)也表明，軸徑向爐兩種氣體流向?qū)τ诖呋瘎├寐矢?，在同樣大小的裝置中，催化劑裝量最小，穩(wěn)定性更好。

4 預(yù)硫化耐硫變換催化劑KC-103S 的優(yōu)勢

蒲城能化使用的預(yù)硫化耐硫變換催化劑KC-103S 是昌邑凱特新材料有限公司生產(chǎn)的，該催化劑具有自主知識產(chǎn)權(quán)的KTRES 器外預(yù)硫化技術(shù)，該技術(shù)通過特殊的工藝將催化劑經(jīng)深度硫化后，再鈍化處理，并且該催化劑的活性及強(qiáng)度優(yōu)于常規(guī)態(tài)的催化劑，裝填后用氮氣升溫即可，升溫導(dǎo)氣后即可提至滿負(fù)荷運行，鈍化物質(zhì)會分解成無毒害無腐蝕性的水、氮氣及二氧化碳等隨升溫所用的氮氣排出，對設(shè)備安全更有保障。

該技術(shù)的優(yōu)勢如下：

（1） 該催化劑的裝填及運輸過程中不需要任何保護(hù)，在出廠之前已經(jīng)經(jīng)過鈍化處理，跟常規(guī)催化劑一樣運輸與裝填。

（2） 催化劑硫化更充分，避免了鈷鉬活性組分被熱氫還原為低活性金屬的可能，從而大大提高了活性組分的利用率和催化活性（活性組分可得到最大限度的利用，提高穩(wěn)定性，延長催化劑使用壽命）。

（3） 催化劑開工簡便，只需氮氣升溫至260 ℃左右即可導(dǎo)氣提滿負(fù)荷，即可開工時間縮短2/3，大大節(jié)省開車成本。

（4） 減少污染，操作方便，減小安全隱患（避免了用H2、CS2等易燃易爆有毒硫化劑的使用，是整個裝置開車更加安全可靠）。

（5） 催化劑本身（包括特殊的鈍化物） 不存在對設(shè)備造成腐蝕的組分（如鉀離子、鈉離子等），鈍化物在升溫過程中分解成水、氮氣及二氧化碳等安全物質(zhì)隨著升溫所用的氮氣放空，因此對設(shè)備安全更加有保障。

（6） 預(yù)硫化耐硫變換催化劑的活性與傳統(tǒng)工藝制備的催化劑提高15%左右，且活性穩(wěn)定性好，并且具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（7） 預(yù)硫化耐硫變換催化劑對蒸汽的適應(yīng)能力寬，可在較寬水氣比下操作，也可在露點+15 ℃的條件下操作，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，并得出很高的CO 轉(zhuǎn)化率。

（8） 具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性。該催化劑的機(jī)械強(qiáng)度比同類催化劑高35%以上，工業(yè)使用后強(qiáng)度下降?。ㄒ簿褪谴呋瘎┑膹?qiáng)度保留率高），催化劑收縮率小。主要是避免了因催化劑的強(qiáng)度下降和收縮性大引起的催化劑床層阻力增大，導(dǎo)致能耗增加，或嚴(yán)重時更換催化劑的可能。經(jīng)高溫水激冷實驗證明，催化劑經(jīng)過二十次水激冷，催化劑的強(qiáng)度和活性未發(fā)現(xiàn)明顯的變化。

5 結(jié)語

本文通過變換系統(tǒng)實際運行情況，介紹了昌邑凱特新材料有限公司的KC-103S 預(yù)硫化催化劑的使用情況、技術(shù)優(yōu)勢等，表明了該催化劑和傳統(tǒng)催化劑相比較更具有優(yōu)勢，同時也說明了國產(chǎn)耐硫變換催化劑在行業(yè)內(nèi)具有領(lǐng)先的地位。