水移熱等溫變換爐在中串低工藝中的應用

(南京敦先化工科技有限公司，江蘇 南京 210048)

1 概 述

安鄉晉煤金牛化工有限公司合成氨裝置生產能力為50 kt/a，原變換工段為0.8 MPa中串低(中中低低)工藝流程。該工藝存在的問題較為突出，系統蒸汽添加量大，中變進出口溫度高，由于低變一段催化劑基本上已經失去活性，而中變未反應的CO要在低變爐中進行反應，造成低變爐催化劑床層溫度高，出低變爐變換氣溫度也高。而且，系統過剩蒸汽帶出的熱量，通過循環熱水帶入飽和塔，造成飽和塔熱量過剩，出飽和塔循環熱水溫度高；由于進入熱水塔的水溫高，出熱水塔的變換氣溫度也高，且夾帶的蒸汽量大，變換系統過剩的熱量又要從熱水塔中帶出，造成系統冷卻水耗高、蒸汽消耗量大、阻力大，設備腐蝕嚴重。

2012年5月，金牛公司決定對變換系統進行改造。本次改造由南京敦先化工科技有限公司承擔，在原中變二段出口與低變一段進口之間，新增1臺水移熱等溫變換爐(φ2 400 mm。敦先制造)及附屬設備(φ1 000 mm汽包1臺。敦先制造)。水移熱等溫變換爐(以下簡稱等溫變換爐)，即在變換催化劑床層設置換熱管，CO的反應熱不斷通過換熱管內的水移走，使催化劑床層溫度可控。等溫變換爐由耐壓外殼與換熱內件組成，正常操作時，氣體由上封頭中心管進入，通過內外筒之間的環隙，徑向進入催化劑床層反應，反應后的氣體由中心管匯集并從下封頭出口處流出；移熱的水由下封頭進水口經環管進入換熱管內，換熱后經上封頭出水管進入汽包。床層溫度由汽包壓力控制，移熱的水在汽包中分離蒸汽后循環使用，汽包補水為鍋爐除氧水。

改造后，裝置運行穩定，變換系統蒸汽消耗及阻力明顯下降，汽包副產蒸汽不僅滿足銅液再生用汽，副余蒸汽還可外供造氣工序使用，同時，鍋爐工段甩掉1臺產汽量為4 t/h的燃煤鍋爐，節能改造達到了預期的效果。

2 新增等溫變換爐工藝改造方案

2.1 改造后變換系統工藝流程

2.2 新增調溫副線

中變二段出口至調溫水加熱器(Ⅰ)進口增設調溫副線，便于調節等溫變換爐進口溫度；原低變一段進口管線調整為等溫變換爐進出口副線，便于調節變換系統出口CO含量，以滿足銅洗工藝條件，確保銅比不失調。

2.3 原低變催化劑的使用

等溫變換爐投入運行后，原低變一段、低變爐僅作為氣體通道使用，為確保原低變催化劑不受損害，進入低變一段、低變爐變換氣溫度高于露點30 ℃，完全可滿足對低變催化劑的保護。

本次改造對生產系統沒有太大的影響，等溫變換爐及其附屬設備的安裝，不需要停車進行；新增設備在安裝前，系統進出口接管已經預留，催化劑升溫硫化結束后，抽出盲板即可導氣生產。

3 催化劑升溫硫化

本次采用衡陽市化工研究所有限公司生產的HB303Q型耐硫變換催化劑，硫化方法采用冷卻分水后的變換氣一次通過法。等溫變換爐催化劑裝填量為18.75 m3，床層布置三組測溫電偶，共計12個測溫點；其中，f1、f3為徑向床層進口溫度，f2為徑向床層出口溫度。

2012年12月3日14：16推電升溫。升溫初期等溫變換爐溫升比較緩慢，出電加熱器后的變換氣，經內外筒之間的環隙徑向進入催化劑床層，床層溫升由外向內逐漸推進，氣體流通面積大、路線短、阻力小。由于催化劑本體含水量大(15%～20%)，升溫態勢又為徑向床整體升溫，因此升溫初期耗用時間較長；當電加熱器功率及空速一定時，床層催化劑排水量大，放空氣中水汽濃度較高。床層溫度由14 ℃升到202 ℃時，共耗用21 h。

12月4日10：40進入硫化初期。硫化初期起始溫度為202 ℃，CS2加入量為30 L/h，6 h后逐漸增加至60 L/h，升溫速率10～15 ℃；當日中班22：00硫化初期還未結束，床層出口H2S含量僅為0.83 g/m3，沒能達到初期硫化指標(1.5 g/m3以上)，其原因為CS2加入量偏小。隨后逐漸增加CS2的加入量，2 h后床層出口H2S含量達標。床層熱點溫度由225 ℃升至320 ℃時，電爐功率加滿，經過20 h床層溫度上升不明顯；經廠方同意，升溫氣源由變換氣改為半水煤氣，因變換氣中CO2含量高、熱容大、且不含O2，所以升溫較慢，此后等溫變換爐升溫趨于正常，硫化初期結束時，床層熱點溫度為345 ℃。硫化初期共耗用24 h。

12月5日11：00進入硫化主期。床層熱點溫度為345 ℃，CS2加入量增加至100 L/h，溫度達到425 ℃時，恒溫6 h；12月6日4：10硫化主期結束。硫化主期及末期共耗用19 h。

12月6日6：10降溫排硫。9：00降溫排硫結束，等溫變換爐進出口抽盲板，連接上升管法蘭；當床層溫度降至270 ℃時，汽包水路通入蒸汽并緩慢補水。降溫排硫約4 h。

本次升溫硫化共耗用68 h，而催化劑廠家提供的方案耗時為38 h(見表1)。多耗用的時間主要為硫化初期沒有能夠及時改變升溫氣源，其次為硫化主期停爐補充CS2所致。

表1 催化劑升溫硫化方案(催化劑廠家提供)

4 導氣運行

12月6日9：55等溫變換爐并入系統。輕負荷生產期間，等溫變換爐進出口副線關死，在進口CO含量不變的情況下(6.6%～7.4%)，等溫變換爐出口CO僅為0.2%。由于金牛公司為銅洗凈化工序，為滿足銅洗凈化工藝要求，等溫變換爐副線沒能完全關閉；變換出口CO必須保證在0.6%～1.2%之間，否則銅液再生崗位銅比易失調。等溫變換爐進口溫度為210 ℃時，床層熱點溫度在245～250 ℃之間。

12月9日上午，對調溫水加熱器(Ⅰ)進行調試，因調溫水加熱器泄漏而停止。2013年5月利用停車檢修機會更換調溫水加熱器，將等溫變換爐進口溫度降至195 ℃，等溫變換爐熱點溫度總體下降約20 ℃，實際運行溫度為230 ℃；滿負荷生產期間，變換系統運行平穩。

5 改造效果

在本次變換系統節能改造中，由于等溫變換爐的串入，變換系統操作條件發生了較大的變化，一是進入中變爐半水煤氣中的蒸汽量(即汽氣比)大幅下降；二是中變出口氣體中的CO含量也由于汽氣比的大幅下降而提高到8.4%，出變換系統的CO可控制在0.2%～1.2%之間，不僅變換系統操作彈性大大提高，而且操作控制極為方便，同時也大幅度降低了系統能耗。改造前后變換系統運行數據見表2、表3。

表2 改造前變換系統運行參數 ℃

表3 改造后變換系統運行參數 ℃

改造后，變換系統運行穩定，噸氨副產蒸汽236 kg，蒸汽消耗下降135 kg，變換冷卻水耗下降20 m3，系統阻力下降0.05 MPa，熱水塔出口變換氣溫度下降16 ℃。等溫變換爐阻力幾乎為零，操作方便。本次改造完全達到了預期效果。

6 存在的問題

由于安鄉晉煤金牛化工有限公司在近一年內要整體搬遷(前期準備工作已經有一年)，本次改造僅是解決變換系統短期運行中存在的問題，未能從根本上解決流程優化及系統工藝方面的問題。再者，由于飽和熱水塔變換工藝設備腐蝕嚴重，熱交換器、調溫水加熱器等易出現泄漏，極易造成低變催化劑中毒失活，要從根本上解決問題，就要對系統工藝進行徹底改造。當然了，這是下一步整體搬遷要做的事情。

7 結 語

由南京敦先化工科技有限公司開發的水移熱等溫變換爐，在湖南安鄉晉煤金牛化工有限公司順利投入運行，經過近一年的實際運行，各項指標均達到預期效果。“水移熱等溫變換技術”的應用，對現有中、小型合成氨裝置變換系統的節能改造，具有十分重要的現實意義。