肖 笛，孫兆飛，崔志杰

(1.杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司 浙江杭州 310012；2.山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司 山西稷山 043200)

山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司“30·52”尿素聯(lián)產(chǎn)70 kt/a液化天然氣項(xiàng)目于2015年12月28日成功投產(chǎn)，迄今已穩(wěn)定運(yùn)行3年以上。該項(xiàng)目的變換裝置采用水冷移熱變換工藝，水移熱變換爐選用杭州林達(dá)化工技術(shù)工程有限公司繞管反應(yīng)器技術(shù)，為國內(nèi)較早投運(yùn)的幾套大型水冷移熱變換裝置之一，經(jīng)歷了長周期生產(chǎn)的檢驗(yàn)。

1 變換裝置工藝流程

變換裝置以來自水煤漿加壓氣化裝置的粗煤氣和焦?fàn)t氣混合氣為原料氣，經(jīng)2臺(tái)變換爐使氣體中的CO含量降至設(shè)計(jì)要求，其中：第1臺(tái)變換爐采用水移熱變換，第2臺(tái)變換爐采用絕熱深度變換。設(shè)計(jì)要求：處理氣量約240 000 m3/h(標(biāo)態(tài))，粗煤氣中含CO約39.0%(干基，物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，下同)，1#變換爐出口氣體含CO降至≤1.2%，2#變換爐出口變換氣含CO≤0.4%。變換裝置工藝流程如圖1所示。

來自氣化裝置的粗煤氣與焦?fàn)t氣混合(溫度206.5 ℃，壓力3.59 MPa)，經(jīng)氣液分離器分離出工藝?yán)淠汉筮M(jìn)入煤氣預(yù)熱器殼程與移熱變換后的氣體換熱，再進(jìn)入脫毒槽。脫毒槽1開1備，主要用于除氧、阻擋煤灰等固體雜質(zhì)。過濾脫除煤灰后的煤氣進(jìn)入移熱變換爐(1#變換爐)進(jìn)行變換反應(yīng)，變換后的氣體經(jīng)煤氣預(yù)熱器管程加熱進(jìn)1#變換爐的粗煤氣，然后進(jìn)入絕熱變換爐(2#變換爐)進(jìn)行變換反應(yīng)，并可根據(jù)運(yùn)行情況通過激冷汽化器補(bǔ)入鍋爐水來調(diào)整CO變換深度(目前未補(bǔ)入鍋爐水)。經(jīng)2#變換爐絕熱變換后的變換氣(CO含量降至0.4%以下)依次經(jīng)工藝?yán)淠侯A(yù)熱器、低壓廢熱鍋爐、鍋爐水預(yù)熱器、蒸汽冷凝液預(yù)熱器、脫鹽水預(yù)熱器及1#～4#氣液分離器回收熱量降溫，然后經(jīng)水冷器冷卻至40 ℃，再經(jīng)5#氣液分離器洗氨分液后送至低溫甲醇洗裝置。1#～4#氣液分離器分離出的工藝?yán)淠航?jīng)工藝?yán)淠侯A(yù)熱器預(yù)熱后送至氣化裝置；5#氣液分離器分離出的工藝?yán)淠航?jīng)汽提塔汽提后，液相送氣化裝置，解析氣去高點(diǎn)放空。

1.1#氣液分離器 2.煤氣預(yù)熱器 3.脫毒槽 4.移熱變換爐 5.汽包 6.絕熱變換爐 7.冷凝液預(yù)熱器 8.低壓廢熱鍋爐9.2#氣液分離器 10.蒸汽冷凝液預(yù)熱器 11.鍋爐水預(yù)熱器 12.3#氣液分離器 13.脫鹽水預(yù)熱器 14.4#氣液分離器15.水冷器 16.冷凝液緩沖罐 17.冷凝液增壓泵 18.5#氣液分離器 19.汽提塔圖1 變換裝置工藝流程

1#變換爐塔頂汽包副產(chǎn)4.30 MPa(表壓)飽和蒸汽，經(jīng)過2段變換后的變換氣在低壓廢熱鍋爐副產(chǎn)0.50 MPa(表壓)飽和蒸汽。

1#變換爐裝填Φ4 mm×6 mm QDB- 06型變換催化劑78 m3，2#變換爐裝填Φ4 mm×6 mm EB- 6型變換催化劑75 m3。

2 技術(shù)特點(diǎn)

(1)流程上設(shè)置兩級(jí)變換，1#變換爐解決了變換反應(yīng)過程中的放熱問題，出口氣體溫度低，利于CO更接近于平衡濃度，變換裝置的絕大部分反應(yīng)熱通過副產(chǎn)中壓蒸汽予以回收，有效降低了第2段變換反應(yīng)的負(fù)荷；2#變換爐僅在1#變換爐內(nèi)變換催化劑活性逐漸衰退時(shí)起到把關(guān)作用。整個(gè)工藝流程短，配置合理。

(2)生產(chǎn)控制手段多，2臺(tái)變換爐進(jìn)口均設(shè)置了補(bǔ)水口和補(bǔ)汽口，可以滿足不同負(fù)荷、催化劑不同使用階段的生產(chǎn)，調(diào)節(jié)更加靈活。該裝置投運(yùn)3年來，出口變換氣中CO含量基本無變化。

(3)1#變換爐采用繞管反應(yīng)器技術(shù)，內(nèi)件每根纏繞管為等長無縫鋼管，內(nèi)部無焊接點(diǎn)，本質(zhì)安全可靠；管子兩端連在殼體上，焊縫質(zhì)量可通過內(nèi)部充壓外部進(jìn)行檢查，保證安全連續(xù)生產(chǎn)。變換爐的鍋爐水系統(tǒng)采用自然循環(huán)。

(4)一級(jí)變換副產(chǎn)壓力4.30 MPa以上蒸汽，設(shè)計(jì)時(shí)考慮補(bǔ)入變換裝置，避免使用外部高壓蒸汽。

(5)高位反應(yīng)熱用于加熱工藝?yán)淠?、鍋爐水和蒸汽冷凝液，低位熱能用于副產(chǎn)低壓蒸汽和加熱脫鹽水，熱量得到充分回收。

3 主要設(shè)備

變換裝置主要設(shè)備如表1所示。

4 運(yùn)行情況

4.1 催化劑的裝填、硫化及開車

先在1#變換爐底部依次裝填Ф 25 mm以及Ф 15 mm耐火瓷球7 m3和2 m3，然后在瓷球上部裝填變換催化劑。變換催化劑采用均勻撒布法裝填，裝填過程通過分段多點(diǎn)測(cè)量裝填高度確保裝填均勻一致，裝填時(shí)間總計(jì)約48 h。

變換催化劑采用絕熱循環(huán)法硫化。變換裝置先采用純氮?dú)庋h(huán)升溫，當(dāng)催化劑床層各點(diǎn)溫度均達(dá)到200～220 ℃時(shí)恒溫2 h，然后配氫及CS2對(duì)變換催化劑進(jìn)行硫化。開工加熱器采用電加熱，總功率為2 000 kW。通過測(cè)定氣體中H2S含量來精確控制CS2的加入量，共消耗CS2約6.2 t。

表1 變換裝置主要設(shè)備

類別設(shè)備名稱規(guī)格、數(shù)量材質(zhì)容器類汽包Φ 2 000 mm×8 250 mm,1臺(tái)Q345R工藝?yán)淠壕彌_罐Φ 2 400 mm×9 600 mm,1臺(tái)Q345R+3211#氣液分離器Φ 2 800 mm×8 160 mm,1臺(tái)Q345R+3042#氣液分離器Φ 2 800 mm×8 200 mm,1臺(tái)Q345R+3043#氣液分離器Φ 2 800 mm×8 200 mm,1臺(tái)Q345R+3044#氣液分離器Φ 2 400 mm×9 306 mm,1臺(tái)Q345R+3045#氣液分離器Φ 2 400 mm×8 090 mm,1臺(tái)Q345R+304激冷汽化器Q345R+304換熱器類煤氣預(yù)熱器518.5 m2,1臺(tái)15CrMoR/321工藝?yán)淠侯A(yù)熱器約281 m2,1臺(tái)321+Q345R、304、321低壓廢熱鍋爐約1 414 m2,1臺(tái)Q345R、321鍋爐水預(yù)熱器約979 m2,1臺(tái)Q345R+304/304蒸汽冷凝液預(yù)熱器約614 m2,1臺(tái)Q345、321脫鹽水預(yù)熱器約752 m2,1臺(tái)Q345R+304/304水冷器約491 m2,1臺(tái)Q345R+304/304反應(yīng)器、塔類移熱變換爐Φ 3 600 mm×15 380 mm,1臺(tái)15CrMoR+321絕熱變換爐Φ 3 600 mm×14 200 mm,1臺(tái)15CrMoR脫毒槽Φ 3 200 mm×10 800 mm,2臺(tái)15CrMoR汽提塔Φ 1 000 mm×15 000 mm,1座304機(jī)泵類冷凝液加壓泵流量約100 m3/h(標(biāo)態(tài)),揚(yáng)程204 m,2臺(tái),1開1備鼓風(fēng)機(jī)流量約21 000 m3/h(標(biāo)態(tài)),2臺(tái),1開1備

當(dāng)催化劑床層進(jìn)出口H2S濃度分析結(jié)果合格后(H2S質(zhì)量濃度達(dá)到15～20 g/m3，標(biāo)態(tài))于400 ℃下恒溫約4 h，硫化結(jié)束。整個(gè)升溫及硫化過程總計(jì)耗時(shí)約80 h。

導(dǎo)氣前，用循環(huán)氮?dú)鈱⒋呋瘎┐矊訙囟冉抵?20～150 ℃，然后將鍋爐水補(bǔ)入汽包，與1#變換爐換熱建立汽包液位，用開工蒸汽補(bǔ)入汽包與1#變換爐內(nèi)件之間的鍋爐水循環(huán)系統(tǒng)中，對(duì)鍋爐水系統(tǒng)升溫，同時(shí)用氮?dú)鈱?duì)變換系統(tǒng)充壓。當(dāng)催化劑床層溫度上升至250 ℃后，開始引入原料粗煤氣至1#變換爐中。整個(gè)導(dǎo)氣過程用時(shí)約2 h。

4.2 正常生產(chǎn)情況

如表2所示，變換裝置投運(yùn)3年來，各項(xiàng)工藝參數(shù)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值。出變換系統(tǒng)變換氣中CO含量始終≤0.4%，外部蒸汽消耗量為零(變換系統(tǒng)未補(bǔ)入蒸汽)，噸氨汽包副產(chǎn)2.50 MPa(表壓)飽和蒸汽450 kg、低壓廢熱鍋爐副產(chǎn)0.50 MPa(表壓)飽和蒸汽450 kg，噸氨送至氣化裝置的高溫冷凝液(190 ℃)為1 140 kg，變換裝置噸氨消耗循環(huán)冷卻水(30 ℃進(jìn)界區(qū)，40 ℃出界區(qū))和電分別為3.6 t和約3.2 kW·h。

變換裝置總體運(yùn)行穩(wěn)定，需改進(jìn)之處：①煤氣預(yù)熱器換熱面積偏小，傳熱溫差偏大，1#變換爐進(jìn)口氣體溫度偏低，后期改造可考慮增加1臺(tái)換熱器；②1#變換爐催化劑裝填方案可以優(yōu)化，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來看，底部可以多裝填瓷球，減少催化劑用量。

5 結(jié)語

通過3年多運(yùn)行，移熱變換+絕熱變換工藝的可靠性得到了充分驗(yàn)證。通過移熱變換將換熱元件與反應(yīng)器合二為一，可以省去相關(guān)的換熱和熱能回收設(shè)備，簡化工藝流程，減少設(shè)備數(shù)量。移熱變換流程催化劑裝填量僅約為傳統(tǒng)工藝的75%，變換爐及催化劑投資比傳統(tǒng)絕熱流程減少約20%[1]。

繞管水冷反應(yīng)器因其具有設(shè)備結(jié)構(gòu)可靠、傳熱效率高、檢修方便等特點(diǎn)，不僅在甲醇合成裝置中得到應(yīng)用，在變換裝置中也得到了廣泛應(yīng)用。

表2 變換裝置主要運(yùn)行參數(shù)

運(yùn)行天數(shù)/d粗煤氣總流量/(m3·h-1,濕基,標(biāo)態(tài))1#變換爐入口氣體溫度/℃催化劑床層溫度/℃ABCDEFG出口氣體溫度/℃2#變換爐出口氣體溫度/℃汽包壓力/MPa(表壓)出系統(tǒng)氣體中CO干基含量/%60206 187228.6244.3294.8329.8306.2272.4284.1271.6270.4226.94.350.3890216 609228.6240.6277.3325.5311.0279.0279.8269.2266.5225.84.350.40120222 419229.5239.7268.2336.2320.5284.3278.6269.0266.4225.84.350.40180218 643230.8241.3255.3349.8327.1286.1274.8270.5270.6226.54.720.40775218 100228.5245.2255.2329.9338.2285.7280.1275.0270.0226.34.800.32806217 343228.4244.8254.7326.2242.1287.1281.0275.8268.4225.94.800.33834228 098230.9243.2252.1306.0344.2293.2280.2274.2270.1226.34.800.33865228 008231.7244.0253.3307.3349.3296.1282.3276.6271.9226.84.800.38895221 553230.5242.1252.2313.0342.3294.7279.9274.0269.4226.44.800.34931217 975230.6242.4252.6305.1346.7296.7281.8275.3273.7227.94.800.35960226 152229.6241.2251.7302.1340.2296.2281.1275.2273.2227.64.800.40注:1)1#變換爐出口CO含量為手動(dòng)分析,裝置運(yùn)行3年來均保持穩(wěn)定,在0.8%～1.0%;2)A～G點(diǎn)是測(cè)溫?zé)犭娕紡纳现料略O(shè)置的7個(gè)測(cè)溫點(diǎn),測(cè)溫?zé)犭娕驾S向埋在催化劑床層中,測(cè)溫點(diǎn)分別距變換爐上封頭焊縫1.0、2.0、3.0、4.5、6.0、7.5和9.5 m

采用移熱變換工藝將換熱元件置于反應(yīng)器內(nèi)，通過汽包鍋爐水吸收工藝余熱副產(chǎn)蒸汽的方式移走反應(yīng)熱，保持催化劑床層恒溫，促進(jìn)反應(yīng)向平衡方向移動(dòng)，從而可減少催化劑用量。