绝热与等温变换工艺方案比选探析

赵玉玉

摘 要：随着经济的发展，我国的现代化建设的发展也日新月异，“可控移热变换反应器”是利用埋在催化剂床层内部移热水管束，将催化剂床层反应热及时移出的设计理念，确保催化剂床层温度可调控。埋设在“可控移热变换反应器”催化剂床层内的换热管，利用水转化为蒸汽的方式，将变换反应热加以回收利用，以达到节能降耗的目的;同时，利用饱和蒸汽压力一定时其饱和温度也相对稳定的特点，控制催化剂床层温度，操作方便。“可控移热变换反应器”内的水来自汽包下降管，经床层内的换热管加热后，水受热汽化为蒸汽，汽水混合物经上升管进入汽包，经分离后干蒸汽去管网，不含蒸汽的水经汽包下降管进入下一轮循环。

关键词：绝热与等温变换工艺;方案比选;探析

0 引言

变换是将煤气中的CO转化为H2的过程，其配置方案与进界区煤气组成和出界区变换气中CO含量要求有关。其中，进界区煤气组成取决于煤气化工艺，出界区变换气中CO含量要求取决于最终产品。目前，我国着力推广各种先进的洁净煤气化技术，与传统固定层煤气化技术相比，其在节能环保、煤种适应性等方面具有十分突出的优势。航天炉粉煤加压气化属于先进煤气化技术之一，该工艺生产的粗煤气水气比高达1.1左右、CO体积分数高达65%左右，不少新建合成氨装置采用这种气化工艺。对于合成氨装置，CO基本要达到完全变换，出界区变换气中CO体积分数一般要求为低于0.4%。CO体积分数从65%变换到0.4%，转化率要求相当高。

1 流程简述

来自气化装置的粗煤气，温度为190℃，CO体积分数67%（干基），经过气液分离器分离冷凝液，再经进料换热器提温后进入净化炉，净化炉上部为脱毒剂下部为催化剂，出净化炉的粗煤气中CO体积分数降为57%（干基），加入自产蒸汽调节水气比后再进入等温变换炉。等温变换炉炉内通过大量的水管及时移走反应热，使炉温维持在280℃左右，副产3.8MPa的饱和蒸汽，出等温变换炉的粗煤气中CO体积分数降为1.5%（干基），再经过换热器和冷激汽化器调节温度、水气比后进入深度变换炉，最终得到CO体积分数为0.4%（干基）的原料气，再经过一系列的换热器和气液分离器，使原料气温度降为35℃进入低温甲醇洗工段，脱除二氧化碳和硫化氢。

2 响变换反应的因素

2.1 温度

由热力学可知，反应温度越低，变换反应进行得越彻底，CO转化率越高;但由动力学可知，温度越低反应速率越小。因此反应速率随反应温度的增加先增后降，当合成气组成确定，即存在一条与转化率Xa变化相对应的最佳温度Top曲线，一般反应器的操作温度应接近最佳温度曲线附近，这样才能使反应速率最大，反应器尺寸最优。

2.2 压力

变换反应是在催化剂作用下进行的等体积可逆放热反应，因此压力对变换反应的平衡没有影响。但变换反应的速率与压力的平方根大体呈正比关系，提高变换反应压力，可提高催化剂的操作空速、减小催化剂装填量，降低反应器尺寸，节省设备投资。

2.3 水气比对反应的影响

由平衡关系可知，水气比增加（即增加原料气中水蒸气含量），则平衡变换率提高，但平衡变换率增加的趋势是先快后慢，蒸汽耗量大以及后系统热量回收和凝液回收的负荷增大;水气比过低，则为了保证变换深度的要求，必须补充适量蒸汽或者锅炉给水，增加运营成本。因此，过高或过低的水气比对变换反应均不利，应根据原料气组成、变换率、反应温度及催化剂活性等因素综合考虑，合理控制水气比。可选择低水气比高活性的催化剂，同时结合调整变换炉进口温度，保证反应稳定高效进行。

3 案比选结果

3.1 “等温+等温”方案优劣分析

优点：①采用等温变换，可防止反应器超温和催化剂活性的热衰减问题，降低反应器和出口管线材质;②两段等温变换催化剂寿命基本相同，可实现催化剂同周期更换。

缺点：①只能副产中低压饱和蒸汽，不能直接用于驱动透平;②催化剂末期起活温度超过290℃时，原料气升温有限，容易使变换炉系统出现运行瓶颈;③催化剂成本较传统绝热变换铁系铜系催化剂高;④等温变换所需催化剂适宜空速较低，平衡温距均较小，反应器尺寸和催化剂装填量较大;⑤由于操作温度低，COS及HCN水解反应速率较低，总体转化率偏低，对下游净化装置操作不利。

3.2 “绝热+等温+绝热”方案优劣分析

优点：①由于绝热变换采用轴径向结构，整个变换系统压降很低;②绝热变换炉结构形式简单，无内部换热管束，操作维护简单;③可副产中压过热蒸汽约36.9t/h，总副产蒸汽量约62.3t/h，由于副产过热蒸汽，大幅提高了蒸汽利用效率;④1#绝热变换炉可使COS及HCN转化率超过99%，有利于提高下游净化装置的效率;⑤当1#变换炉催化剂末期工况，可及时通过调节原料气预热器的负荷，来确保整个变换装置出口CO干基含量指标。

缺点：①1#变换炉采用绝热变换，且上游配套粉煤气化，水气比较低，存在开车初期超温风险;②等温变换炉和绝热变换炉催化剂寿命不同，不能同周期更换。

3.3 公用工程消耗

对于变换装置来说，消耗的公用工程只有添加到系统内的蒸汽和增湿水以及循环冷却水，用来回收余热的公用工程包括蒸汽、脱盐水和锅炉水等。绝热变换的1#变换炉出口变换气部分热量用来生产中压蒸汽，3#变换炉、4#变换炉出口变换气部分热量用来生产低压蒸汽。由于1#变换炉出口的温度较高（约450℃），该部分可生产较高压力等级的蒸汽，但蒸汽压力一般与全厂蒸汽平衡匹配后确定。若产生的蒸汽量较少，一味的提高蒸汽压力，反而会造成设备投资的提高。等温变换中1#变换炉操作温度约290℃，生产中压蒸汽的压力与绝热变换相比受到一定的限制，为维持变换炉操作温度，生产3.8MPa饱和蒸汽后，减压到2.5MPa蒸汽管网。2#等温变换炉用来生产低压蒸生产1t合成氨，绝热变换需要的总水、汽量比等温变换高约369kg（602kg-233kg=369kg），这是由于绝热变换分4级反应，并且末段变换炉的温度要比等温变换温度高造成的。但等温变换生产时，需要补充4.2MPa蒸汽，而绝热变换只需要通过补充装置内加热后的增湿水即可，不需要外加蒸汽。与绝热变换相比，生产1t合成氨，等温变换多产2.5MPa中压蒸汽783kg，少产0.6MPa低压蒸汽347kg;同时等温变换获得的加热脱盐水多2533kg，获得的加热锅炉水多1306kg，而循环水消耗少20t。等温变换存在的不足在于，由于流程配置相对较短，没有合适的位置适合大量的喷水增湿，难以直接通过喷水增湿达到合适的水气比使变换深度达到<0.4%的要求。解决办法在于尽量使煤气化出口的压力温度提高，以使进变换的水气比提高，降低蒸汽消耗。

4 结语

今后煤化工發展的趋势，控温变换炉的结构比较有优势，热应力消除充分，避免应力腐蚀，不仅提高运行安全性，设备维护保养简单，同时易于大型化。根据工艺需要，换热管按照变换催化剂的热力学和动力学特性进行非均匀布局，外圈及内圈采用不同管径，充分发挥催化剂的变换及净化功能。新的等温变换炉设计径向分布器及水动力循环，确保气体分布均匀，管程的水汽混合介质无动力循环，保证工艺指标，从根本上保障了长周期运行的可靠性，延长催化剂的使用寿命，整个设备及催化剂阻力小。可采用高空速，增加反应器能力，使用小颗粒催化剂，减少催化剂颗粒内扩散过程对反应速率的影响，提高转化率。反应器采用落地裙座设计，省却了土建承台;汽包直接支撑于反应器顶部，其支架钢构件、承台与反应器外筒体进行整体设计制造（包含在供货范围内），可大幅降低水相上升下降管热应力及阻力，简化工艺配管，且反应器不用另建外框架，达到降低节约建设投资的目的。新技术、新工艺在运行过程中，经过不断的完善、改进会逐步取代工业传统的发展。

参考文献：

[1]谢定中.粗煤气CO的恒等温变换[J].煤化工，2012，40（5）： 16-18.

[2]王庆新.等温变换技术在几种煤气化变换装置中的应用[J].氮肥技术，2013，34（4）：11-17.