“水移熱等溫變換技術(shù)”用于高水氣比高一氧化碳煤化工裝置簡述

王慶新

（南京敦先化工科技有限公司，江蘇 南京 210048）

南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的第一套“水移熱等溫變換技術(shù)”在湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛化工有限公司順利投入運(yùn)行后，此項(xiàng)專利技術(shù)又被安徽昊源化工集團(tuán)有限公司 “合成氨尿素18·30原料路線改造”的加壓連續(xù)氣化（航天爐加壓氣化、干基CO含量71.15%）的高水氣比高一氧化碳大型煤化工變換裝置采用，該套水移熱等溫變換裝置將于2013年底投入運(yùn)行。“水移熱等溫變換技術(shù)”之所以被大型加壓氣化所選用，主要因?yàn)樵擁?xiàng)專利技術(shù)與傳統(tǒng)高水氣比高一氧化碳變換裝置相比，主設(shè)備減少1／3，流程縮短1／3，工程投資僅為原工藝的2／3，系統(tǒng)阻力由現(xiàn)有的0.46MPa 降至0.16MPa，噸氨副產(chǎn)2.5～3.7MPa高品位蒸汽1030kg，0.8～1.3MPa低品位飽和蒸汽273kg。

“水移熱等溫變換技術(shù)”是利用埋在催化劑床層內(nèi)部的移熱水管束將催化劑床層反應(yīng)熱及時(shí)移出，確保催化劑床層溫度可控，改變原來通過催化劑裝填量來控制催化劑床層溫升的被動(dòng)設(shè)計(jì)理念。“水移熱等溫變換技術(shù)”對(duì)催化劑要求降低，杜絕飛溫現(xiàn)象，催化劑裝填量不受超溫限制，有效延長催化劑使用壽命，確保每爐催化劑使用壽命均在8年以上。同時(shí)，埋在催化劑床層內(nèi)部的移熱水管束有效回收變換系統(tǒng)反應(yīng)熱及水煤氣帶進(jìn)變換系統(tǒng)的顯熱和潛熱，熱量回收集中，品位高。在工藝流程設(shè)置上，變換系統(tǒng)不僅換熱設(shè)備少、流程短、阻力低，而且工程投資也低。

1 現(xiàn)有高水氣比高一氧化碳變換工藝狀況及存在的問題

高水氣比高一氧化碳的變換一般采用鈷鉬系催化劑全低變工藝，水氣比高、CO濃度高、系統(tǒng)壓力高，工藝上存在缺陷，投入運(yùn)行的裝置已暴露諸多問題。以航天爐變換工藝為例，原料氣中CO高達(dá)68%以上。如果增加一變爐催化劑用量，稍不注意一變爐催化劑被燒掉；減少一變爐催化劑用量，雖然解決了超溫難題，但催化劑使用壽命短，1.0～1.5a就要更換一次，催化劑運(yùn)行周期不適應(yīng)大型化裝置的要求。目前，航天爐加壓氣化水煤氣的變換為“五段絕熱（一變爐分兩段分流進(jìn)入）”式，系統(tǒng)靜止設(shè)備為24臺(tái)，其中換熱設(shè)備10臺(tái)，工藝路線長，系統(tǒng)阻力為0.46MPa，熱能回收有 0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa的飽和蒸汽及84℃、100℃、180℃的熱水，噸氨冷卻水消耗高達(dá)7820.1kg，系統(tǒng)低品位熱能較多、運(yùn)行能耗高、工程投資大。

引進(jìn)的殼牌（Shell）氣化工藝，變換存在航天爐氣化變換同樣的問題。近幾年，部分煤化工企業(yè)將殼牌氣化爐的出口氣體溫度降低，降低水氣比，然后又添加蒸汽。改造后的工藝解決了催化劑超溫?zé)Y(jié)難題，但系統(tǒng)工藝流程更長，人為增加工程投資，增加系統(tǒng)阻力，系統(tǒng)能耗增高。

水煤漿氣化的變換工藝，雖然CO摩爾分率偏低一些，采用的變換技術(shù)仍為三段或四段絕熱反應(yīng)的工藝流程，水煤氣或變換氣每一階段顯熱和潛熱的回收均需要單獨(dú)一臺(tái)間接換熱設(shè)備，與航天爐、殼牌等水煤氣變換工藝一樣，存在工藝路線長、工程投資大、系統(tǒng)阻力大、低品位熱能多等缺陷。

2 水移熱等溫變換技術(shù)研發(fā)與進(jìn)展

近幾年來，部分技術(shù)研發(fā)單位對(duì)現(xiàn)有變換存在的問題進(jìn)行研究，并開發(fā)出水管埋在催化劑床層副產(chǎn)蒸汽的等溫變換技術(shù)，但僅是將低壓甲醇反應(yīng)器搬到變換系統(tǒng)使用，而沒有將變換本征動(dòng)力學(xué)、宏觀動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及變換系統(tǒng)本身有顯熱和潛熱的特點(diǎn)結(jié)合起來，同時(shí)也沒有對(duì)現(xiàn)有不同類型的變換工藝作深入調(diào)查和研究。因此，推廣較慢、收效甚微。

南京敦先化工科技有限公司自成立至今始終把降低變換能耗作為主攻方向之一，并將徑向氣體分布專利技術(shù)、水移熱低壓甲醇合成專利技術(shù)、低阻力高效換熱器專利技術(shù)、階梯式回收余熱理念與變換本征動(dòng)力學(xué)、宏觀動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)以及變換系統(tǒng)本身固有顯熱和潛熱的特性有機(jī)結(jié)合起來，成功開發(fā)出 “有飽和熱水塔低水氣比水移熱等溫變換技術(shù)”、“無飽和熱水塔低水氣比水移熱等溫變換技術(shù)”、“高水氣比高一氧化碳水移熱等溫變換技術(shù)”。以上 “水移熱等溫變換技術(shù)”不僅適用新裝置，同時(shí)也可用來改造已投入運(yùn)行的高能耗變換裝置。

南京敦先開發(fā)的 “水移熱等溫變換技術(shù)”已被湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛公司有飽和熱水塔的低水氣比變換裝置及安徽昊源化工集團(tuán)高水氣比高一氧化碳的大型煤化工變換裝置所采用，充分說明“水移熱等溫變換技術(shù)”已經(jīng)非常成熟。

表1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比（噸氨）

3 “水移熱等溫變換技術(shù)”與航天爐氣化原有變換工藝運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

我們將為安徽昊源化工集團(tuán)有限公司 “合成氨尿素18·30原料路線改造”的加壓連續(xù)氣化高水氣比高一氧化碳大型煤化工變換裝置設(shè)計(jì)的“水移熱等溫變換”裝置與航天爐加壓氣化變換裝置技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)分別列于表1。

我們按照0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa蒸汽價(jià)格為80元／t、120元／t、150元／t以及原料煤、電價(jià)、循環(huán)水等分別為850元／t、0.35元／（kW·h）、0.8元／t，并把加熱脫鹽水，除氧水、工藝?yán)淠⑾牡睦鋮s水等全部按照熱能折算為23MJ的煤耗計(jì)算。與傳統(tǒng)變換工藝相比，南京敦先化公司“水移熱等溫變換技術(shù)”噸氨可以節(jié)省142.13元的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于單套200kt／a合成氨裝置，全年可以節(jié)省2842.60萬元。

4 結(jié) 論

南京敦先公司開發(fā)的 “水移熱等溫變換技術(shù)”不僅適用于航天爐、殼牌、水煤漿等各類加壓氣化新建變換裝置，也適用于原有老變換裝置節(jié)能改造。該項(xiàng)技術(shù)開發(fā)成功不僅為化肥企業(yè)節(jié)能，同時(shí)可以為煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制烯烴等大型煤化工企業(yè)節(jié)能增效。