陳國(guó)平

中石化寧波工程有限公司　寧波　315103

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Shell粉煤氣化變換工藝的優(yōu)化改造

陳國(guó)平*

中石化寧波工程有限公司寧波315103

分析與Shell粉煤氣化配套的高水氣比耐硫變換工藝在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，并對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化改造。對(duì)改造后的低串中水氣比變換工藝與原工藝進(jìn)行比較。

粉煤氣化變換優(yōu)化改造高水氣比

進(jìn)入二十一世紀(jì)以后，以煤替代石油、天然氣等作為原料生產(chǎn)合成氣成為了我國(guó)能源替代的主要技術(shù)路線之一，以此為背景，各種煤氣化技術(shù)(尤其是煤加壓氣化技術(shù))在我國(guó)得到了空前的推廣和發(fā)展[1]。其中，Shell粉煤氣化以煤種適應(yīng)范圍廣、冷煤氣效率高、有效氣成份高(CO+H2>89%)、能耗低、環(huán)境友好等特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。

Shell粉煤氣化制得的粗合成氣中CO干基含量大于60%，水氣比小于0.2。在變換工序進(jìn)行高放熱的CO變換反應(yīng)，如何有效控制CO變換反應(yīng)的床層溫度，降低中壓蒸汽消耗、避免甲烷化副反應(yīng)發(fā)生以及延長(zhǎng)變換催化劑使用壽命，是殼牌粉煤氣化相配套的高摩爾數(shù)CO變換流程開發(fā)所需考慮和關(guān)注的重點(diǎn)[2]。

某公司化肥油改煤工程配套的耐硫變換裝置采用的是高水氣比分段耐硫變換工藝流程，流程設(shè)置為一段預(yù)變換+二段中溫變換+一段低溫變換。粗合成氣在進(jìn)入預(yù)變換爐之前一次性配入足夠的水蒸汽，使其達(dá)到高水氣比，然后通過分段取熱的方式使其中CO與水蒸汽分段發(fā)生反應(yīng)，最終將變換氣中的CO降至0.5%以下。裝置在實(shí)際運(yùn)行過程中出現(xiàn)了第一變換爐超溫、蒸汽消耗高等問題。本文對(duì)該裝置的低串中水氣比改造工藝進(jìn)行介紹，從節(jié)能和工藝控制等方面對(duì)高水氣比和低串中水氣比兩種工藝流程進(jìn)行對(duì)比分析。

1　工藝參數(shù)

某公司Shell粉煤氣化裝置進(jìn)入變換裝置的粗合成氣溫度為160℃，壓力為3.70MPa(G)，總氣量為185980Nm3/h(濕基)，組成見表1。

表1　粗合成氣組成　(mol%)

表1中粗合成氣的CO干基含量高達(dá)66%，利用PRO/Ⅱ模擬軟件計(jì)算粗合成氣在不同水氣比時(shí)所對(duì)應(yīng)的變換反應(yīng)溫度，繪制出的變換爐出口溫度隨水氣比的變化曲線(V干基CO=66%)，見圖1。

從圖1可見，在CO干基體積濃度為66%的條件下，當(dāng)水氣比小于0.3時(shí)，變換反應(yīng)溫度較低，因?yàn)榇置簹庵械乃羝康?，反?yīng)的推動(dòng)力不足，變換反應(yīng)深度較低；隨著水氣比的增加，反應(yīng)的推動(dòng)力變大，反應(yīng)深度增加，床層的熱點(diǎn)溫度增加。研究表明[3]，在水氣比低時(shí)，特別是當(dāng)床層溫度大于400℃時(shí)，容易發(fā)生甲烷化反應(yīng)，造成床層飛溫，因此低水氣比數(shù)值的選取要保證床層的熱點(diǎn)溫度低于400℃。

圖1　變換爐出口溫度隨水氣比的變化曲線

2　原高水氣比變換工藝

2.1工藝流程

高水氣比變換工藝流程見圖2。

圖2　改造前高水氣比變換工藝流程

粉煤氣化工段送來的粗合成氣經(jīng)分液、預(yù)熱后與中壓蒸汽混合，并補(bǔ)入來自汽提的工藝?yán)淠?，粗合成氣在進(jìn)預(yù)變換爐之前一次性配入足夠的水蒸汽，使其達(dá)到高水氣比(約1.4)進(jìn)預(yù)變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，之后進(jìn)1#變換爐進(jìn)行深度CO變換反應(yīng)。離開1#變換爐的高溫變換氣換熱降溫后進(jìn)2#變換爐、3#變換爐繼續(xù)進(jìn)行變換反應(yīng)， 3#變換爐出口的變換氣經(jīng)過低壓廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽后去下游。

2.2運(yùn)行中存在的問題

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明[4]：高水氣比變換工藝雖然可以避免甲烷化副反應(yīng)，但是由于水氣比和CO含量都較高，反應(yīng)推動(dòng)力大，反應(yīng)深度較難控制，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)1#變換爐超溫和蒸汽消耗高的問題。該裝置已經(jīng)運(yùn)行近10年，經(jīng)過一系列改造后，裝置的各項(xiàng)操作參數(shù)得到了優(yōu)化。但目前采用的高水氣比變換工藝仍存在蒸汽消耗較高、操作不穩(wěn)定等問題，主要表現(xiàn)：

(1)粗合成氣在進(jìn)預(yù)變換爐之前一次性補(bǔ)入大量的中壓過熱蒸汽，使其水氣比達(dá)1.4以上，能耗偏高。

(2)水氣比高造成了反應(yīng)推動(dòng)力過大，反應(yīng)的深度受催化劑裝填量的影響明顯，預(yù)變爐床層溫度控制難度大，經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)變換爐出口溫度過高的現(xiàn)象，進(jìn)而影響后續(xù)的1#變換爐入口溫度的控制。

(3)在預(yù)變催化劑的使用初期，裝置開車負(fù)荷較低時(shí)，預(yù)變換爐容易出現(xiàn)超溫現(xiàn)象，只能通過提高預(yù)變換爐入口粗合成氣的水氣比來控制出口溫度，而提高水氣比，水蒸汽分壓大，預(yù)變催化劑極易出現(xiàn)泡水板結(jié)和反硫化問題，影響裝置的正常生產(chǎn)。

3　改造后的低串中水氣比變換工藝

3.1主要改造內(nèi)容

(1)更換原裝置的預(yù)變換爐A及內(nèi)部高水氣比變換催化劑，將其改為低水氣比預(yù)變換爐，內(nèi)裝低水氣比變換催化劑。

(2)將原裝置的預(yù)變換爐B改為噴水凈化器，即作為汽水混合器使用。

(3)為了利于調(diào)節(jié)低水氣比預(yù)變換爐的變換深度及出口溫度，在預(yù)變換爐的進(jìn)口增設(shè)中壓蒸汽管線及蒸汽流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.2工藝流程

改造后的變換工藝流程見圖3。

圖3　改造后低串中水氣比變換工藝流程

粉煤氣化工段送來粗煤氣經(jīng)分液、預(yù)熱后進(jìn)預(yù)變換爐進(jìn)行變換反應(yīng)，出預(yù)變換爐的變換氣與中壓蒸汽混合，并通過新增的噴水減溫器補(bǔ)入工藝?yán)淠汉椭袎哄仩t水，將變換氣溫度降低后進(jìn)噴水凈化器充分混合，然后進(jìn)1#變換爐進(jìn)行深度CO變換反應(yīng)。離開1#變換爐的高溫變換氣換熱降溫后通過噴水減溫器補(bǔ)入工藝?yán)淠?，進(jìn)2#變換爐繼續(xù)進(jìn)行變換反應(yīng)。2#變換爐出口變換氣降溫后再通過噴水減溫器補(bǔ)入工藝?yán)淠海M(jìn)入3#變換爐。3#變換爐出口變換氣經(jīng)過低壓廢鍋副產(chǎn)低壓蒸汽后去下游。

3.3主要優(yōu)點(diǎn)

改造后的工藝稱為低串中水氣比變換工藝，與原裝置的高水氣比變換工藝相比較，其主要特點(diǎn)如下：

(1)預(yù)變換過程中主要使用粗煤氣自帶的水蒸汽進(jìn)行變換反應(yīng)，不添加或少量補(bǔ)入中壓過熱蒸汽，這樣充分利用了Shell粉煤氣化工藝原料氣水氣比低的特點(diǎn)，減少了蒸汽用量。

(2)后續(xù)1#、2#、3#變換爐需要補(bǔ)充的水份在滿足其對(duì)水氣比和溫度要求的前提下，可以盡量多用變換工藝凝液作為激冷水，這樣可明顯減少補(bǔ)加的界外中壓蒸汽，降低了能耗。

(3)進(jìn)入預(yù)變換爐的原料氣水氣比低，相應(yīng)的露點(diǎn)溫度低，因此，預(yù)變爐的入口溫度可以降低，由此節(jié)約了原料氣預(yù)熱的熱量。

(4)避免了原裝置中極易出現(xiàn)的預(yù)變催化劑泡水板結(jié)問題，預(yù)變催化劑的使用壽命延長(zhǎng)。

(5)與原裝置相比，改造后預(yù)變換爐的變換率有所增加，進(jìn)入1#變換爐的CO濃度降低。1#變換爐內(nèi)催化劑的運(yùn)行溫度和水氣比均低于高水氣比工藝，運(yùn)行環(huán)境較溫和，因此1#變換爐內(nèi)的催化劑使用壽命延長(zhǎng)，節(jié)省了裝置運(yùn)行費(fèi)用。

(6)改造后變換裝置沒有新增污水量，且裝置內(nèi)汽提塔底的工藝?yán)淠旱玫搅顺浞掷?，變換凈化冷凝液不再外排。

4　改造前后對(duì)比分析

4.1主要工藝參數(shù)

兩種變換工藝的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比見表2。

表2　兩種變換工藝主要參數(shù)對(duì)比

從表2 中可見，與原裝置的高水氣比變換工藝相比，改造為低串中水氣比變換工藝后，變換反應(yīng)蒸汽消耗減少，催化劑壽命延長(zhǎng)，1#變換爐熱點(diǎn)溫度降低。

4.2公用物料及能量消耗

改造前后主要公用物料及能量消耗見表3。

表3　改造前后的主要公用物料消耗比較

折算成標(biāo)油后消耗指標(biāo)的比較結(jié)果見表4。

從表4中改造前后的能量折算值可以得出改造

表4　折算標(biāo)油后的消耗指標(biāo)比較

前后的能源消耗差值?？梢?，改造后比改造前的總能耗降低了6511.2t標(biāo)油 /a，公用工程節(jié)能約9.3%。

4.3變換工藝?yán)淠旱睦们闆r

原耐硫變換裝置預(yù)變爐系統(tǒng)是高水氣比工藝，變換反應(yīng)需要的大量水分均通過在預(yù)變爐入口補(bǔ)加大量中壓蒸汽來滿足。改造后，預(yù)變爐不再配加蒸汽，由于預(yù)變換爐入口的粗合氣水氣比只有約0.2，而出口變換氣的水氣比更低(約0.015)，因此，如果維持后續(xù)的各變換爐系統(tǒng)不做調(diào)整，則該高溫變換氣在進(jìn)入后續(xù)的變換爐反應(yīng)之前需要補(bǔ)充一定量的蒸汽和水。蒸汽的作用主要是補(bǔ)充水汽，水的作用主要是降低高溫變換氣的溫度同時(shí)兼顧補(bǔ)充水分的作用。改造將充分利用原變換冷凝液汽提塔底產(chǎn)出的經(jīng)過汽提凈化的工藝?yán)淠海瑢⑵溆糜?#、2#、3#變換爐入口變換氣的噴水調(diào)溫，不足部分再用鍋爐水補(bǔ)充。這樣使原裝置部分排放至污水處理場(chǎng)的工藝?yán)淠旱玫搅顺浞掷?，無需再排放至污水處理場(chǎng)。改造前后變換工藝?yán)淠旱睦们闆r詳見表5。

表5　變換工藝?yán)淠旱睦们闆r

5　結(jié)　語

通過對(duì)改造前后的變換工藝的水氣比、公用工程消耗、變換工藝?yán)淠豪们闆r等進(jìn)行對(duì)比，可以看出：將變換裝置由高水氣變換工藝改為低串中水氣比變換工藝后，每年可節(jié)省大量的中壓蒸汽，減少污水的排放量，節(jié)能效果明顯，裝置的生產(chǎn)穩(wěn)定性提高，催化劑的使用壽命延長(zhǎng)。由此可以得出：改造后在節(jié)能、工藝控制等方面具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。因此在富一氧化碳的粉煤氣化下游的變換工藝中，采用低串中水氣比變換工藝將能給企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

1亢萬忠，當(dāng)前煤氣化技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 大氮肥，2012.35(1)：1-6.

2許若超. 一氧化碳變換系統(tǒng)優(yōu)化及其效果分析[J].大氮肥，2009.32(1)：67-69.

3縱秋云，余漢濤，田兆明. Shell粉煤氣化工藝中甲烷化副反應(yīng)問題探討[J].中氮肥，2004.3：15-17.

4王建輝，李棟. Shell粉煤氣化低水氣比耐硫變換工藝運(yùn)行總結(jié)[J]. 河南工業(yè)，2010.(17):42-45.

2016-05-09)

*陳國(guó)平：工程師。2006年畢業(yè)于華東理工大學(xué)工業(yè)催化專業(yè)獲碩士學(xué)位。從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。

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