閆 慧，李 偉

(1.中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.昌邑凱特新材料有限公司，山東 昌邑 261000)

0 引 言

中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司(簡稱中天合創(chuàng))成立于2007年9月，是集煤炭、煤化工產(chǎn)品和電力生產(chǎn)為一體的特大型煤炭深加工現(xiàn)代化企業(yè)，主生產(chǎn)裝置為3 600 kt/a甲醇裝置和1 370 kt/a烯烴裝置；其中，氣化系統(tǒng)采用6.5 MPa水煤漿氣化工藝，變換系統(tǒng)分為4個系列(分別稱作Ⅰ系列、Ⅱ系列、Ⅲ系列、Ⅳ系列)，全部采用軸徑向變換爐。

中天合創(chuàng)甲醇裝置投產(chǎn)以來，變換系統(tǒng)使用過多家催化劑廠家生產(chǎn)的催化劑，催化劑使用壽命均不長；2018年起，中天合創(chuàng)變換系統(tǒng)開始使用昌邑凱特新材料有限公司(簡稱昌邑凱特)生產(chǎn)的KC-103S型預(yù)硫化耐硫變換催化劑，使用效果較好，但仍未達(dá)到該型催化劑的理論計算使用壽命——36個月以上；2020年10月，中天合創(chuàng)生產(chǎn)管理人員會同設(shè)計院與昌邑凱特對變換爐進(jìn)行多次模擬計算，并與同類型多個項目進(jìn)行對標(biāo)分析，認(rèn)為中天合創(chuàng)甲醇裝置變換爐底部未形成催化劑“封”，導(dǎo)致氣流短路，進(jìn)而造成催化劑使用壽命縮短。按照討論與計算得出的結(jié)論，中天合創(chuàng)對3 600 kt/a甲醇裝置變換爐進(jìn)行了相應(yīng)的改造，收到了良好的效果。以下對有關(guān)情況作一介紹。

1 改造前變換系統(tǒng)運(yùn)行情況

1.1 變換催化劑使用過程中出現(xiàn)的問題

中天合創(chuàng)甲醇裝置4個系列的變換催化劑都出現(xiàn)了使用壽命短的問題，表現(xiàn)為催化劑更換后15個月左右變換爐中下層溫度開始明顯下降、床層溫度分布不均、變換爐出口氣CO含量開始快速上漲，運(yùn)行至24個月后變換爐出口氣CO含量上漲至10%(體積分?jǐn)?shù)，下同)以上，系統(tǒng)難以維持正常運(yùn)行，不得不開始考慮更換催化劑；在變換催化劑運(yùn)行后期(24個月后)僅僅1個月內(nèi)，變換爐中下層溫降可達(dá)20 ℃以上。對于此種異?，F(xiàn)象，昌邑凱特認(rèn)為：催化劑使用壽命短可能不是催化劑活性快速衰退所致，從中天合創(chuàng)變換爐設(shè)計圖紙以及前幾次催化劑裝填現(xiàn)場照片來看，變換爐按照設(shè)計方案裝填催化劑時，催化劑層下端面剛好與中心管下孔道持平，如此的話部分工藝氣從環(huán)隙下部進(jìn)入后可能不走催化劑床層，而是從下部阻力更小的瓷球區(qū)域直接穿過進(jìn)入中心管；至于變換催化劑使用初期變換爐溫度分布較為均勻、出口氣CO含量較低、變換率較高，是因?yàn)槌跗谏喜看呋瘎┗钚院?，但隨著上部催化劑活性的下降而下部催化劑發(fā)揮不出應(yīng)有的效能，催化劑使用后期就會表現(xiàn)出變換率迅速下降的現(xiàn)象。

中天合創(chuàng)甲醇裝置軸徑向變換爐催化劑設(shè)計裝填示意如圖1。可以看出，正常情況下氣體是通過扇形管進(jìn)入變換爐催化劑床層，氣流沿催化劑床層的走向?yàn)檩S徑向，氣流在催化劑床層反應(yīng)后從中心管出變換爐，但因扇形管底部開孔與變換爐底部瓷球?qū)由隙嗣娉制剑瑢?dǎo)致進(jìn)入扇形管下段的氣體少有阻力，會直接通過瓷球區(qū)域進(jìn)入中心管，即催化劑床層下段部分氣流根本沒有進(jìn)行變換反應(yīng)，這應(yīng)該是變換爐出口氣CO含量高的主要原因。

圖1 軸徑向變換爐催化劑設(shè)計裝填示意圖

1.2 變換催化劑使用情況

由于此后改造的變換爐為第Ⅲ系列153變換爐，故選擇第Ⅲ系列153變換爐的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)呈現(xiàn)變換催化劑的使用情況。甲醇裝置投運(yùn)以來第Ⅲ系列153變換爐催化劑的使用情況見表1。

表1 第Ⅲ系列153變換爐催化劑的使用情況

第Ⅲ系列153變換爐上一爐催化劑的裝填時間為2019年4月，催化劑裝填量為75 m3，催化劑使用至第24個月后的有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表2。可以看出：第Ⅲ系列153變換爐催化劑下層110B、110C、111C、112D這4個溫度點(diǎn)溫度異常——明顯下降，而正常情況下軸徑向變換爐催化劑床層所有溫度點(diǎn)的數(shù)據(jù)應(yīng)該大致一致，溫差一般不應(yīng)超過10 ℃；另外，工藝指標(biāo)要求變換爐出口氣CO含量≤7%，而實(shí)際變換爐出口氣CO含量過高——大多數(shù)時候在10%以上，表明該爐變換催化劑已不能滿足生產(chǎn)需求了，催化劑處于使用壽命末期，應(yīng)該更換催化劑了，而該爐催化劑此時僅僅運(yùn)行了2 a時間，與設(shè)計使用壽命3 a相差太大，根本還沒到使用年限，這會導(dǎo)致前后系統(tǒng)檢修聯(lián)動性差，難以協(xié)同檢修，浪費(fèi)檢修時間，大大減少系統(tǒng)有效生產(chǎn)時間。

表2 第Ⅲ系列153變換爐上一爐催化劑使用至第24個月后的有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

2 優(yōu)化改造

2.1 改造方案的確定

針對變換催化劑使用過程中存在的問題，對生產(chǎn)企業(yè)來說，解決催化劑使用壽命短的問題，可減少檢修時間、聯(lián)動前后系統(tǒng)檢修，從而提高運(yùn)行效益，這在競爭激烈的市場環(huán)境中顯得尤為重要。為此，2020年10月，中天合創(chuàng)生產(chǎn)管理人員會同設(shè)計院與昌邑凱特技術(shù)人員進(jìn)行模擬計算，參考同類裝置的設(shè)計要求，共同討論變換爐的改造方案。

討論會上，形成了部分氣流短路而未經(jīng)催化劑床層充分反應(yīng)導(dǎo)致變換爐出口氣CO含量高和催化劑使用壽命短的初步意見。隨后確定了優(yōu)化改造方案，包括兩個部分的內(nèi)容：第一部分，變換爐下部形成催化劑下封，阻止氣流不經(jīng)過催化劑床層而直接進(jìn)入中心管，即在變換爐底部少裝瓷球、多裝催化劑形成“封”；第二部分，對變換爐中心管底部大部分排水孔進(jìn)行封堵，防止氣流通過瓷球?qū)咏?jīng)排水孔出變換爐。

2.2 改造的實(shí)施

2021年7月，第Ⅲ系列153變換爐系統(tǒng)停車檢修，變換爐催化劑卸完后，拆除變換爐中心管絲網(wǎng)，進(jìn)行變換爐底部排水孔封堵，隨后進(jìn)行底部瓷球裝填、絲網(wǎng)裝填以及催化劑裝填，至2021年7月18日完成。具體改造內(nèi)容如下。

(1)變換爐“爐底”高度1 430 mm，少裝瓷球850 mm，從催化劑層下端面向下多裝填催化劑850 mm(約4 m3)，使變換爐下部形成催化劑“封”；而且，本次催化劑裝填進(jìn)行密相裝填，須保證裝填過程中上下層催化劑堆密度保持一致(避免工藝氣偏流)，裝填一定數(shù)量的催化劑后(高度約0.5 m)應(yīng)停止裝填，把催化劑表面推平，并用橡膠振動棒將催化劑床層振動裝實(shí)，然后繼續(xù)裝填催化劑。改造后第Ⅲ系列153變換爐的催化劑裝填情況見表3。

表3 改造后第Ⅲ系列153變換爐的催化劑裝填情況

(2)變換爐中心管底部用于排水的16個φ8 mm孔道，除最底部一排4個孔道外，其余12個孔道全部采用封錐封堵。

3 變換爐改造后變換催化劑的運(yùn)行情況

2021年7月18日，變換系統(tǒng)第Ⅲ系列153變換爐催化劑裝填結(jié)束，倒通盲板進(jìn)行置換；7月20日，系統(tǒng)置換合格(系統(tǒng)內(nèi)氧含量<0.2%)后，按照催化劑廠家要求的升溫曲線開始升溫，升溫至80～90 ℃時進(jìn)行第一次恒溫同時排水，升溫至120 ℃時進(jìn)行第二次恒溫同時排水，升溫至260 ℃時進(jìn)行第三次恒溫；7月21日，變換催化劑升溫結(jié)束，準(zhǔn)備導(dǎo)氣，導(dǎo)氣前，用工藝氣暖管至變換爐前溫度為240 ℃，暖管結(jié)束后，打開變換爐前大閥進(jìn)行導(dǎo)氣，導(dǎo)氣采用均壓導(dǎo)氣(即將變換爐前后壓力升至5.0～6.0 MPa后進(jìn)行導(dǎo)氣)，整個導(dǎo)氣過程平穩(wěn)，變換催化劑床層熱點(diǎn)溫度471.8 ℃，未出現(xiàn)超溫現(xiàn)象；7月22日，系統(tǒng)加至滿負(fù)荷運(yùn)行。

改造后第Ⅲ系列153變換爐的有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)見表4。可以看出，改造后153變換爐運(yùn)行數(shù)據(jù)非常穩(wěn)定——催化劑床層溫度均勻，沒有出現(xiàn)溫度下降的情況；催化劑下層溫度穩(wěn)定，下層110B、110C、111C、112D這4個溫度點(diǎn)與其他溫度點(diǎn)溫度相差不大，其溫差均在10 ℃以內(nèi)；變換爐出口氣CO含量穩(wěn)定在4.0%以下。

表4 改造后第Ⅲ系列153變換爐的有關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

總體而言，中天合創(chuàng)變換系統(tǒng)第Ⅲ系列153變換爐經(jīng)過改造后，變換催化劑的各項運(yùn)行數(shù)據(jù)優(yōu)異，變換催化劑使用約8個月后床層溫度均勻，沒有出現(xiàn)溫度下降的情況，催化劑下層溫度穩(wěn)定，變換爐出口氣CO含量較改造前明顯降低且穩(wěn)定，催化劑使用狀況良好。第Ⅲ系列153變換爐改造達(dá)到了預(yù)期效果，從目前來看本次改造取得了成功。