耐硫變換催化劑升溫硫化改進建議

王立群

(黑龍江龍煤東化有限公司,黑龍江鶴崗 154111)

筆者自1992年參加工作以來,一直從事合成氨廠CO變換工作。在多年的生產實踐中總結出一些CO耐硫變換催化劑升溫、硫化經驗。筆者從黑龍江浩良河化肥廠、吉林長山化肥廠、內蒙古東能化工廠、內蒙古赤峰化工廠的初步設計和詳細設計中了解到,變換系統升溫、硫化仍然采用傳統的工藝。最近由于工作變動來到黑龍江龍煤東化公司從事工程前期建設工作,主要負責水煤漿氣化工藝。由于以前從事CO變換工藝,所以對龍煤東化公司變換工藝也進行了認真研究。筆者從“黑龍江龍煤東化年產300 kt合成氨初步設計”中看到,變換升溫硫化系統設計基本上是采用傳統的工藝,此工藝設計較復雜,操作難度大,并從概算中得知,此系統的整個投資大約為500萬元,投資金額較大?；谝陨戏N種原因,筆者始終不懈地努力去探討和完善該系統。特別是2010年9月份我公司組織赴外地考察學習時,我們重點考察了大連大化、安徽淮化等合成氨廠變換催化劑硫化方式,之后更加確信我們所提出的升溫硫化方案是完全可以代替傳統方案的。此方案不僅可節約大量投資,操作簡捷,同時對系統安全運行更有利。

1 傳統變換升溫硫化應具備的條件

以往變換升溫硫化時一般都需要以下條件:

(1)升溫必備加熱器(爐);

(2)升溫載氣;

(3)硫化物(H2S、CS2)及氫氣等。

這三者缺一不可,否則不可能完成升溫硫化以及開車工作。所以傳統的升溫工藝流程都是按照上述要求配置的。傳統的升溫硫化流程見圖1。

圖1 原設計變換硫化系統流程圖

2 變換催化劑升溫硫化系統改進

筆者提出的建議是在遵循傳統升溫硫化原則的前提下,進行改進。

2.1 升溫加熱器改進方案

方案1

在變換系統現有設備配置的基礎上,把升溫蒸汽加熱器挪到變換框架區內使用,可以縮短和簡化公用流程(圖略)。

方案2

在變換系統現有設備配置的基礎上,取消升溫蒸汽加熱器,同時把煤氣加熱器改為兩用,既操作簡單,勞動強度小,減少投資成本,需要升溫時又可以在其換熱器管間通蒸汽,提供熱源當加熱器使用;而在正常生產時,恢復到煤氣加熱功能即可(圖略)。

以上方案對比,方案2在操作強度和投資成本上比方案1有明顯的優勢。

2.2 關于氮氣鼓風機問題

“設計包”中鼓風機設計打氣量為47600 m3/h,功率450 kW·h,壓力為0.7 MPa。根據我們多年的生產經驗和其他工廠變換催化劑升溫硫化情況,在升溫過程中不需要用這么多的氣,實際用量在10000 m3/h左右。因此,建議取消氮氣鼓風機,之后升溫直接采用空分裝置提供的0.45 MPa氮氣。低壓氮氣在變換爐升溫硫化時其他車間基本不用,所以此方案也是可行的。

2.3 關于硫化催化劑的供煤氣方式問題

擬定設計硫化用的粗煤氣來自氣化爐,經過升溫系統的煤氣冷卻器和分離器后再送到蒸汽加熱器入口。針對這種供煤氣方式,提出改進建議:將由造氣來的濕煤氣經新配DN65管線(變換入口閥前)繞開變換爐系統,直接送到變換爐系統切斷閥之后,依次經過水冷器和分離器,冷卻后的煤氣通過新增的DN65管線,再回到變換系統的煤氣加熱器入口。改造后煤氣壓力和流量可根據催化劑硫化情況任意調節。

3 開發此工藝的操作優勢和經濟優勢

(1)操作方便簡捷。

(2)此工藝與傳統升溫硫化工藝相比,降低了勞動強度。

(3)將來在正常停車后,變換爐開車導氣時,采取向煤氣加熱器管間,即變換氣體側通中壓蒸汽的方式來提高煤氣溫度,大大縮短導氣時間,按每年縮短開車時間累計1天計算,可節省開車成本100～200萬元。

(4)按新開發的升溫硫化工藝及變換系統進行優化設計施工,節約設計安裝費用400多萬元是有可能的,僅用100萬元改造變換系統,主要用于適當增加煤氣加熱器面積及配相關管線。

4 催化劑升溫硫化方案新啟示

目前國內許多設計部門和使用單位在擬定催化劑升溫硫化方法時,認為開啟氮氣風機后再循環催化劑升溫硫化,會節省很多開車費用,所以投入相當大的投資,建催化劑升溫硫化系統。以筆者多年的經驗看,這種方法在過去高溫變換、低溫變換、氧化鋅脫硫槽、甲烷化催化劑(原稱“三觸媒”)凈化工藝流程時使用非常合適。眾所周知,按原化工部要求“三觸媒”開車升溫還原所需要時間10～15天。而當今合成氨凈化工藝實施了許多重大的技術創新,現代化大型合成氨裝置選擇凈化工藝時,普遍采用世界公認的低能耗工藝。包括耐硫變換催化劑和“雙洗”凈化工藝代替“三觸媒”、以及脫硫脫碳技術。使用這些創新工藝的同時,給耐硫催化劑升溫硫化方案的優化創造了條件。按優化方案開車,可以在2～3天內完成(專家擬定時間只有1天)。與此同時,按順序開“雙洗”系統。雙洗系統原始開車必須要經過吹除、試壓檢漏,尤其是液氮洗原始開工階段,除上述過程之外,還必須將所有設備用氮氣吹干,直至放空氮氣中含水量小于10× 10-6。之后再進行設備裸冷,整個開車過程大約需要3 d時間。實踐表明,液氮洗系統開車必須保證空分開車正常,并提供約20 000 m3/h高壓氮量。因此,擬定變換催化劑開車計劃時,有步驟地與“雙洗”系統同步開車。

以上給我們的啟示是,變換催化劑升溫硫化和液氮洗裝置裸冷都需要氮氣,只要安排在空分開車后,可以同時進行;為耐硫催化劑升溫硫化實現“一次通過法”創造了條件。這樣可以取消原設計的變換升溫循環系統。同時能縮短2天多開車時間(只要在上述情況下開車,一次可節約開車費400萬元,一般每二年出現一次)。

說明:采用“一次通過法”技術進行催化劑硫化的不足之處為,硫化一噸催化劑所需要的CS2為120 kg,而循環法一噸催化劑硫化用 CS290 kg,但這對整個大裝置開車來講影響企業效益是微乎其微的。

附:催化劑廠專家制定的升溫硫方案(表1)

表1 催化劑升溫及硫化程序

5 硫化時的注意事項

(1)催化劑硫化時,預防CS2、H2S中毒和著火。

(2)硫化時堅持的原則:提硫不提溫,提溫不提硫,嚴格控制催化劑床層熱點溫度,不得超過450℃,防止催化劑嚴重超溫。

(3)若床層溫度增長過快并超過500℃時,要立即停加CS2,降低氮氣入口溫度并加大煤氣的流量,使溫度下降。

(4)加入氫氣時催化劑床層的溫度一定要控制在200℃左右,要設專人定時檢測氫氣濃度,控制氫氣濃度在25%～35%。嚴防氫氣濃度過高,發生催化劑的還原反應。

(5)補入CS2時一定要有專人負責,CS2的加入要緩慢穩定,防止CS2過量,使床層超溫或在系統內冷凝。出口H2S不超過15 g/m3為宜。

CS2的加入溫度以220～250℃為宜,因為CS2在200℃以上才能發生氫解反應,但溫度超過250℃再加入CS2,就可能發生CoO或MoO3的還原反應,使床層溫度爆漲并使催化劑失活。

(6)硫化結束后,將煤氣加熱器出口溫度控制在200℃,以準備開車導氣。

總之,此工藝的開發應用將節約原始投資,同時創造出節能減排及低碳工藝的新路子,也為其他企業提供借鑒。