王照成，劉慶亮，李繁榮，丁 玲，肖敦峰，胡四斌

（中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢430223）

一氧化碳變換（簡稱變換）是現(xiàn)代煤化工項目的重要組成部分，通過變換反應將原料氣中的CO轉化為H2，調節(jié)原料氣中的氫碳比，以滿足下游裝置的要求。

變換反應為可逆放熱反應，傳統(tǒng)的變換技術一般采用多個絕熱變換反應器串聯(lián)，以達到所需要的變換深度。隨著煤氣化技術的不斷發(fā)展，干煤粉激冷流程氣化技術得到了廣泛的應用[1-2]，該類氣化技術所產粗煤氣具有水含量高、CO含量高的“雙高”特點，如果直接進入變換爐進行反應，催化劑床層溫度高達500℃以上，嚴重影響催化劑的使用壽命和系統(tǒng)的安全運行[3]。傳統(tǒng)的絕熱變換技術一般采用高水氣比或低水氣比工藝來防止催化劑床層超溫[4]。然而，無論是高水氣比工藝還是低水氣比工藝，都無法從根本上解決催化劑在高溫下使用的問題。近年來，等溫變換技術得到了眾多科研單位和企業(yè)的重視，并取得了突破性的發(fā)展，從根本上解決了“雙高”粗煤氣變換反應催化劑床層超溫的問題。本文概述了等溫變換技術的特點、等溫變換反應器的類型及工業(yè)應用情況，最后展望了等溫變換技術面臨的挑戰(zhàn)及其發(fā)展方向。

1 等溫變換技術原理及特點

1.1 等溫變換技術原理

等溫變換技術原理如圖1所示。在催化劑床層內部設置換熱單元，采用水作為移熱介質，通過副產蒸汽的方式移走反應熱，維持變換反應在較低溫度下進行，防止催化劑床層超溫，同時使變換反應盡可能接近最佳溫度曲線進行。

圖1 等溫變換技術原理示意圖

1.2 等溫變換技術特點

相對于絕熱變換技術，等溫變換技術具有如下特點：

（1）催化劑用量少，壽命長

反應器中設置了移熱單元，使得變換反應沿最佳溫度曲線進行，催化劑使用量最少。催化劑床層溫度較低，延長了催化劑的使用壽命。

（2）系統(tǒng)阻力降低

由于變換反應在較低溫度下進行，提高了CO的轉化率，縮短了流程，減少了設備數(shù)量，降低了系統(tǒng)的阻力降。

（3）流程簡單，易操作

通過控制汽包壓力即可控制反應溫度，操作簡單。

2 等溫變換反應器

等溫變換反應器是等溫變換技術的核心設備，根據(jù)流體在反應器中的流動方式，可以分為軸向反應器和徑向反應器。徑向反應器具有阻力降小、處理能力大的優(yōu)點，目前實現(xiàn)工業(yè)化應用的等溫變換反應器主要為徑向反應器。根據(jù)反應器內移熱單元的形式，等溫變換反應器又可分為列管式、套管式、繞管式等類型。

2.1 列管式等溫變換反應器

典型的列管式等溫變換反應器結構如圖2所示，水和蒸汽走管內，催化劑裝在管外。原料氣自頂部進入反應器，通過催化劑框與筒體之間的間隙徑向通過催化劑床層，催化劑框中間設有收集管，反應后的氣體進入收集管匯合后，從底部離開反應器。鍋爐給水從反應器底部進入，經過母管分配后進入換熱管，水在換熱管內吸收反應熱，部分發(fā)生汽化，隨后在母管匯集后從反應器頂部離開。

圖2 列管式等溫變換反應器結構示意圖

目前工業(yè)上主要的列管式等溫變換技術供應商為南京敦先化工科技有限公司（簡稱南京敦先）、河北陽煤正元化工集團有限公司（簡稱河北正元）和華爍科技股份有限公司（簡稱華爍科技），上述3家供應商的列管式等溫變換反應器分析如表1所示[5-7]。

表1 不同供應商列管式等溫變換反應器分析

由表1可知，雖然不同供應商的等溫變換反應器在封頭和筒體連接方式及水汽分配與收集結構上有所不同，但是主體結構類似，都是徑向結構，汽水循環(huán)采用自然循環(huán)方式，水汽走管內，催化劑裝填在換熱管之間。上述3家供應商提供的等溫變換技術均實現(xiàn)了工業(yè)化應用[8-10]。另外，具有雙汽包結構的列管式等溫變換反應器也得到了開發(fā)和工業(yè)化應用[11-13]。

2.2 套管式等溫變換反應器

套管式等溫變換反應器由湖南安淳高新技術有限公司開發(fā)[14]，其結構示意圖如圖3所示。其結構為徑向反應器，水和蒸汽走管內，催化劑裝在管外。原料氣自底部進入反應器，經過催化劑框和筒體之間的間隙徑向流動通過催化劑床層，反應器中間設有集氣管，反應后的變換氣進入集氣管匯合后，從反應器底部離開。反應器上部設置水室和汽室，換熱管為套管結構，內管與水室相連，外管與汽室相連，外管下端部為盲端。水室內的鍋爐給水通過內管底部流入外管中，被變換氣加熱后生成蒸汽，進入汽室后離開反應器。該反應器采用套管換熱，外管下端部為盲端，內管自由伸縮，在消除熱應力方面具有顯著優(yōu)勢，但是由于水室和汽室占用了部分反應器容積，反應器容積利用率相對較低。目前，套管式等溫變換反應器也實現(xiàn)了工業(yè)化應用[15]。

圖3 套管式等溫變換反應器結構示意圖

2.3 繞管式等溫變換反應器

繞管式等溫變換反應器結構如圖4所示，水和蒸汽走管內，催化劑裝在管外。原料氣自頂部進入反應器，通過催化劑框與筒體之間的間隙進入反應器，隨后徑向通過催化劑床層，催化劑框中間設有收集管，反應后的氣體進入收集管匯合后，從底部離開反應器。鍋爐給水從反應器底部進入，水在換熱管內吸收反應熱部分汽化后，從反應器頂部離開。繞管式等溫變換反應器具有結構緊湊、單位體積傳熱面積大、換熱管熱應力自行補償?shù)膬?yōu)點。目前，多個單位研發(fā)了不同結構的繞管式等溫變換反應器[16-17]，其中杭州林達化工技術工程有限公司開發(fā)的繞管式等溫變換技術已經成功實現(xiàn)工業(yè)應用[18]。

圖4 繞管式等溫變換反應器結構示意圖

3 等溫變換工藝及其工業(yè)應用情況

3.1 等溫變換工藝

根據(jù)等溫反應器和絕熱反應器的不同組合方式，等溫變換工藝主要分為全等溫變換工藝、等溫+絕熱變換工藝和絕熱+等溫變換工藝3種[19]。

變換單元除了承擔將CO轉化為H2的任務之外，還會影響全廠的熱量平衡及熱量利用情況。等溫變換反應器雖然和絕熱變換反應器相比有諸多優(yōu)勢，但是其只能副產飽和蒸汽，通過變換單元自身無法進一步提高蒸汽品位，如果副產的飽和蒸汽無法合理利用，則會造成能量的浪費。因此，在選擇等溫變換工藝時應兼顧全廠蒸汽平衡，比如對于水煤漿氣化制氫（制合成氨）項目推薦采用絕熱+等溫變換工藝[20]。

3.2 等溫變換典型應用案例

和傳統(tǒng)絕熱變換技術相比，等溫變換技術具有系統(tǒng)阻力降低、催化劑使用壽命長等優(yōu)點，目前該技術已經成功應用于處理各種高CO濃度粗煤氣和其他工業(yè)氣體[7-8，21-23]。等溫變換典型工業(yè)化應用案例見表2。

表2 等溫變換典型工業(yè)化應用案例

3.3 等溫變換技術應用中存在的問題

雖然等溫變換技術和傳統(tǒng)絕熱變換技術相比有諸多優(yōu)勢，但也存在一些不足之處。等溫變換爐結構復雜，操作不當容易造成內件損壞，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運行，并且其查漏檢修困難[24]，如某合成氨裝置變換系統(tǒng)開停車期間等溫變換爐內件發(fā)生內漏，嚴重影響了催化劑的使用壽命及系統(tǒng)的安全運行[25-26]。另外，等溫變換爐只能副產中壓飽和蒸汽，在變換系統(tǒng)內部無法對副產蒸汽進行過熱，如果中壓飽和蒸汽無合適用戶，需要額外設置蒸汽過熱爐過熱蒸汽。因此，等溫變換技術應進一步提高反應器可靠性及熱量利用效率。

4 結 語

等溫變換技術具有流程簡單，系統(tǒng)阻力降小，占地少，催化劑裝填量少、使用壽命長等優(yōu)點，適合處理高CO濃度的粗煤氣或其他工業(yè)氣體。

在進行等溫變換工藝選擇時，應兼顧全廠蒸汽平衡，提高全廠能量利用效率，選擇最優(yōu)的變換工藝。等溫變換技術未來研究重點應集中在提高反應器的可靠性及反應熱的合理利用等方面，推動等溫變換技術的優(yōu)化升級。