可控移熱變換爐運行總結

陳 超

(陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司臨猗分公司 山西運城 044100)

陽煤豐喜肥業(集團)有限責任公司臨猗分公司一分廠2#和3#系統原合成氨產能為660 t/d，其變換系統由3套0.8 MPa的變換裝置組成。3套變換裝置均采用絕熱固定床反應器，經多次技術改造，變換工藝由原來的中溫變換變更為中串低，后又改為全低變工藝，但存在能耗高、安全性差等問題。2016年1月采用壓力等級2.0 MPa的等溫變換技術將3套變換裝置合并為1套，設計合成氨產能擴大至750 t/d。

1 技術原理

該等溫變換技術所采用的可控移熱變換爐是利用埋設在催化劑床層內部的移熱水管束將催化劑床層反應熱及時移出，從而確保催化劑床層溫度可調控。埋設在可控移熱變換爐催化劑床層內的換熱管利用水轉變為蒸汽的方式，將變換反應熱加以回收利用，以達到節能降耗的目的；同時，利用飽和蒸汽壓力一定時其飽和溫度也相對穩定的特點，控制催化劑床層溫度，操作方便。

可控移熱變換爐內的水來自汽包下降管，經催化劑床層內的換熱管加熱后，水受熱汽化為蒸汽，汽水混合物經上升管進入汽包，經分離后蒸汽去蒸汽緩沖罐，不含蒸汽的水經汽包下降管進入下一輪循環。可控移熱變換爐設置2個不同壓力等級的汽包(1#和2#汽包)，副產不同壓力等級的蒸汽。

2 設計參數與運行參數

2.1 設計參數

裝置合成氨生產規模：750 t/d。

處理氣量：103 125 m3/h。

裝置操作彈性：50%～110%。

年操作時間：≥8 000 h。

原料氣：壓力2.1 MPa，溫度35 ℃，φ(CO)=32.0%，φ(H2)=42.0%，φ(CO2)=7.0%，φ(N2)=17.1%，φ(O2)=0.4%，φ(CH4+Ar)=1.5%。

變換系統出口變換氣中φ(CO):≤1.5%。

壓力指標：系統進口煤氣壓力≤2.1 MPa，添加蒸汽壓力≥2.5 MPa，高壓汽包副產蒸汽壓力2.3～2.5 MPa，低壓汽包副產蒸汽壓力0.8～1.2 MPa。

溫度指標：預變換爐進口氣體溫度200～230 ℃，預變換爐出口氣體溫度330～360 ℃，可控移熱變換爐進口氣體溫度200～220 ℃，可控移熱變換爐出口氣體溫度190～200 ℃。

2.2 目前運行參數

原料氣：壓力1.98 MPa，溫度32.5 ℃，流量74 573 m3/h(標態)，φ(CO)=29.8%，φ(H2)=45.7%，φ(CO2)=6.9%，φ(N2)=16.1%，φ(O2)=0.5%，φ(CH4+Ar)=1.0%。

變換系統出口變換氣中φ(CO)：1.5%。

壓力指標：系統進口煤氣壓力1.98 MPa，添加蒸汽壓力2.3 MPa，高壓汽包副產蒸汽壓力2.2 MPa，低壓汽包副產蒸汽壓力1.2 MPa。

溫度指標：預變換爐進口氣體溫度202 ℃，預變換爐出口氣體溫度332 ℃，可控移熱變換爐進口氣體溫度210 ℃，可控移熱變換爐出口氣體溫度190 ℃。

3 操作要點

(1)可控移熱變換爐的進口氣體溫度通過噴水增濕器的噴水量來進行調節，溫度低時可適當減少噴水量，溫度高時可適當增加噴水量。液態水與催化劑接觸會使催化劑粉化并使其活性組分流失，因此噴水量不能過大，應盡量微調勤調，閥門開度不能忽大忽小，防止部分水滴未能及時蒸發而隨氣體進入催化劑床層。一旦發現有噴水未蒸發完全，應及時減少噴水量并加強排污，以防止液態水被帶入催化劑床層。

(2)正常情況下，可控移熱變換爐催化劑床層溫度主要與汽包的蒸汽壓力有關，汽包蒸汽壓力一定時，催化劑床層的溫度就可以保持一定。如果生產負荷發生變化，應及時調整蒸汽輸出量，確保蒸汽壓力在一個穩定的范圍之內，即：當生產負荷降低時，CO反應量少，催化劑床層反應熱減少，副產蒸汽量降低，將造成汽包蒸汽壓力下降，繼而導致催化劑床層溫度下降，此時應減小汽包外供蒸汽閥開度以提高汽包蒸汽壓力和催化劑床層換熱管內的水溫，從而保持床層溫度的穩定；當生產負荷增大時，CO反應量增多，床層內反應熱增加，副產蒸汽量增大，將造成汽包蒸汽壓力上升，繼而導致催化劑床層溫度升高，此時應增大汽包外供蒸汽閥開度以降低汽包蒸汽壓力，從而保持催化劑床層溫度的穩定。

(3)變換系統出口變換氣中CO濃度的控制主要依靠蒸汽添加量進行調節，生產負荷增大、出口變換氣中CO濃度上升時，可增加蒸汽添加量以提高反應物的濃度，從而提高CO的轉化率，降低出口變換氣中CO濃度。但系統出口變換氣中CO濃度不宜降得過低，滿足工藝指標即可，長期保持高水汽比操作易使催化劑出現反硫化現象，從而影響催化劑的活性和使用壽命。

(4)變換系統生產負荷過輕，若汽包外供蒸汽閥開度減小后爐溫仍不能保證在指標范圍內時，可采用2.5 MPa飽和蒸汽補充1#汽包壓力以提高催化劑床層溫度，確保可控移熱變換爐的熱平衡。

(5)系統升降壓速率過快會對催化劑床層造成瞬時附加壓差，特別是瞬時逆放會導致催化劑床層底部壓力遠高于頂部壓力，反沖力不僅會使催化劑床層松動，甚至會導致催化劑破碎，造成催化劑床層阻力升高。在系統停車卸壓時，須防止氣體倒流，應打開系統出口放空閥，禁止開啟系統進口放空閥，以防止催化劑被吹翻和破碎。系統升降壓速率以控制在0.02 MPa/min為宜。

(6)停車時如蒸汽閥泄漏或未用干氣置換，則催化劑床層的氣相中仍會有蒸汽，溫度下降后會使催化劑的微孔內充滿冷凝水，再次開車時催化劑受熱后會部分甚至大部分粉化。因此，停車時一定要先關閉蒸汽閥，再用干氣或惰性氣體置換并保持爐內處于正壓狀態。

(7)汽包壓力的調節應緩慢，同時應密切注意催化劑床層氣液兩側的壓差。高壓汽包的壓力控制在比變換系統壓力高0.2～0.3 MPa即可，盡可能多副產高壓蒸汽供變換系統自用；低壓汽包壓力根據可控移熱變換爐出口變換氣溫度進行調節，以保證出口變換氣溫度在190～200 ℃，此時的汽包壓力應維持在0.8～1.0 MPa，壓力太高會造成出口變換氣體溫度升高，從而增加蒸汽消耗。

(8)正常生產時，汽包液位應控制在正常指標范圍以內，并定期沖洗液位計，防止出現假液位；按時對汽包及下降管進行排污，定時分析汽包水質，確保水質符合要求。

(9)生產過程中如遇突然減量或短期停車，必須及時減少或切斷蒸汽的供給。關停蒸汽滯后、蒸汽閥門泄漏等，會在較短的時間內因蒸汽添加量過大而引起催化劑的反硫化，從而降低催化劑的活性。這點與中變催化劑的操作不同，須引起足夠的重視。

(10)在生產過程中，系統負荷、系統壓力及汽包蒸汽壓力均應保持穩定，調節幅度應緩慢；系統負荷及壓力變化過快，會使可控移熱變換爐內部換熱管及連接部位產生熱應力及壓差應力，易使金屬焊接部位產生疲勞而出現裂紋，嚴重時會造成換熱管泄漏。

4 常見問題分析及處理

(1)催化劑床層溫度升高

原因：生產負荷大、副產蒸汽量大、汽包壓力高。

措施：增大汽包出汽閥開度，適當降低汽包蒸汽壓力。

(2)催化劑床層溫度降低

原因：生產負荷低、副產蒸汽量小、汽包壓力低；汽包進水溫度低、進水量大、液位高。

措施：開系統冷副線；適當減小汽包外送蒸汽閥開度，提高汽包壓力；提高進水溫度并減少進水量，打開汽包排污閥以降低液位。

(3)汽包副產蒸汽量少，床層移熱效果差

原因：汽包進水量少、液位低。

措施：提高汽包進水壓力，增大汽包進水閥開度，恢復汽包液位至正常。

(4)測溫熱電偶測溫數值不準

原因：測溫熱電偶套管內有水汽存在。

措施：清除測溫熱電偶套管內水汽，重新校核熱電偶。

(5)催化劑活性降低

原因：催化劑活性組分發生流失；催化劑長期處于高溫狀態，晶體長大，晶型發生變化；催化劑發生反硫化。

措施：加強系統導淋的排放，防止工藝氣體帶水；嚴格控制可控移熱變換爐內溫度，避免長期高溫操作；防止超溫和過量添加蒸汽；更換催化劑，重新進行升溫硫化。

(6)催化劑床層阻力增大

原因：催化劑表面結塊、粉化，導致氣體分布器堵塞。

措施：利用停車檢修機會，用干煤氣或惰性氣體反吹，或停車卸出催化劑，過篩后重新裝入或者更換催化劑。

(7)催化劑床層同平面溫差增大

原因：催化劑裝填不均勻。

措施：利用停車檢修機會，用振動器重新振實。

(8)可控移熱變換爐換熱管泄漏

措施：按正常停車步驟停車后，吊出內件進行修復。

(9)變換系統出口變換氣中CO濃度高

原因：進口粗煤氣水汽比過小；前熱交換器換熱管破裂，粗煤氣泄漏。

措施：向系統進口添加外供蒸汽或汽包副產蒸汽，提高進口粗煤氣水汽比至正常指標范圍內；對熱交器進行堵漏。

5 結語

實際運行結果表明，可控移熱變換爐溫度容易控制，變換系統出口CO濃度相對穩定，而且可以副產不同等級的蒸汽，與傳統絕熱變換爐相比，更安全、更經濟。