馬 棟

（晉煤集團(tuán)煤化工事業(yè)部，山西晉城 048000）

1 一期項(xiàng)目生產(chǎn)情況

1.1 多段絕熱變換工藝簡(jiǎn)介

某肥料公司一期項(xiàng)目于2013年3月投運(yùn)，變換工序采用高水氣比多段絕熱變換工藝，設(shè)計(jì)水煤氣處理量150000m3／h，整套變換系統(tǒng)靜止設(shè)備共計(jì)28臺(tái)，其中主換熱設(shè)備10臺(tái)、變換爐4臺(tái) （變換催化劑裝填量合計(jì)為165m3）；1＃變換爐有2個(gè)催化劑床層 （段間用冷煤氣冷激），采用耐水合高溫型鈷鉬系催化劑，2?！?＃變換爐均裝填寬溫區(qū)低溫高活性鈷鉬系催化劑。一期項(xiàng)目多段絕熱變換工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2 生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問(wèn)題

（1）由于航天爐加壓氣化工藝所產(chǎn)的水煤氣CO含量高達(dá)60%以上，加之工藝方面的原因，水煤氣中夾帶的水汽量大，水煤氣水氣比達(dá)0.82，導(dǎo)致一期變換系統(tǒng) CO總轉(zhuǎn)化率僅為98.96%，CO轉(zhuǎn)化率較低。

（2）副產(chǎn)2.5～3.8MPa的高品位蒸汽較少，只有 5～6t／h，卻副產(chǎn)大量 （15～17t／h）0.5MPa的低品位蒸汽，能源利用效率較低。

（3）由于設(shè)備繁多、流程復(fù)雜，僅變換爐就有4臺(tái)，水煤氣通過(guò)催化劑床層會(huì)產(chǎn)生巨大的阻力降，系統(tǒng)壓差高達(dá)0.2MPa，壓縮機(jī)功耗大。

圖1 一期項(xiàng)目多段絕熱變換工藝流程圖

（4）實(shí)際操作中，一期變換系統(tǒng)存在易超溫等一系列問(wèn)題，需頻繁調(diào)整蒸汽添加量以維持變換爐爐溫，帶來(lái)很大的操作難度。

（5）整個(gè)一期變換系統(tǒng)需消耗大量的循環(huán)冷卻水，系統(tǒng)熱量沒(méi)有得到有效利用，能量白白被浪費(fèi)，而且給循環(huán)水系統(tǒng)的運(yùn)行增加了較大的負(fù)擔(dān)。

（6）大量高溫高壓設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，其中冷激汽化器、氣液分離器、換熱器的腐蝕尤為明顯。

一期變換系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí) （2013年5月20—23日）的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 一期變換系統(tǒng)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

續(xù)表1

2 變換系統(tǒng)問(wèn)題的解決方案

2.1 問(wèn)題的提出及目標(biāo)

二期項(xiàng)目設(shè)計(jì)產(chǎn)品和一期項(xiàng)目一樣，仍為合成氨，并設(shè)計(jì)為可轉(zhuǎn)產(chǎn)甲醇，且要求項(xiàng)目整體設(shè)計(jì)要優(yōu)于一期項(xiàng)目，作為合成氨裝置的核心系統(tǒng)——變換系統(tǒng)要達(dá)到以下目標(biāo)：① 要能將出變換系統(tǒng)的CO含量降到更低的水平，變換系統(tǒng)CO轉(zhuǎn)化率需達(dá)到99%以上；②提高副產(chǎn)高品位蒸汽的占比，降低副產(chǎn)低品位蒸汽的占比；③減少催化劑的裝填量，降低系統(tǒng)阻力，減少能量損耗等；④減輕設(shè)備腐蝕。

要解決CO轉(zhuǎn)化率不高等一系列問(wèn)題，其關(guān)鍵在于變換爐的設(shè)計(jì)。因此，二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)就是選擇適宜的變換爐類(lèi)型，并確定一個(gè)合適的配套流程。

2.2 水移熱等溫變換爐的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)一期項(xiàng)目變換系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行中存在的問(wèn)題，按照二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)要解決的問(wèn)題和需達(dá)到的目標(biāo)，二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)的重點(diǎn)設(shè)備——變換爐選擇了水移熱 （移熱管束式）等溫變換爐，其結(jié)構(gòu)及工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 水移熱等溫變換爐結(jié)構(gòu)及工作原理示意

水煤氣從等溫變換爐頂部進(jìn)氣口進(jìn)入，沿筒壁進(jìn)入催化劑筐環(huán)隙，然后沿催化劑筐中小孔徑向進(jìn)入催化劑床層，水煤氣中的CO與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)，放出大量的熱，通過(guò)分布埋藏在催化劑床內(nèi)的由設(shè)備底部進(jìn)入有流動(dòng)加壓熱水的移熱管將反應(yīng)熱移走；吸收了大量熱量的水發(fā)生相變，產(chǎn)生中壓蒸汽，沿出水管從設(shè)備頂部出變換爐；完成變換反應(yīng)的氣體則沿出氣管上的小孔進(jìn)入出氣管，經(jīng)出氣管聚集后從變換爐底部出去。

相較于傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝，水移熱等溫變換工藝具有設(shè)備少、流程短、露點(diǎn)腐蝕少、系統(tǒng)阻力低、工程投資少等優(yōu)點(diǎn)。由于可提前通過(guò)控制蒸汽壓力提升催化劑床層的溫度，系統(tǒng)開(kāi)車(chē)非常迅速且安全，較短時(shí)間內(nèi)就可提升至滿負(fù)荷運(yùn)行。此外，水移熱等溫變換爐催化劑裝填量不受超溫問(wèn)題的限制，而是根據(jù)催化劑的使用年限及T F值來(lái)選取的，一、二級(jí)等溫變換爐催化劑的使用壽命分別可達(dá)5a、10a，與傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝大概每年均需停車(chē)更換一級(jí)變爐催化劑相比，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

2.3 二期變換系統(tǒng)工藝流程

為實(shí)現(xiàn)效益的最大化，二期項(xiàng)目航天爐加壓氣化工藝后配置150kt／a甲醇系統(tǒng)和180kt／a合成氨系統(tǒng)各1套，變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需滿足既可生產(chǎn)合成氨又可生產(chǎn)甲醇的要求。為此，設(shè)計(jì)時(shí)在2＃等溫變換爐后串聯(lián)了1臺(tái)絕熱變換爐，當(dāng)生產(chǎn)合成氨時(shí)，由于需要深度變換，水煤氣通過(guò)1＃、2＃等溫變換爐后達(dá)到工藝指標(biāo)要求，不進(jìn)絕熱變換爐，通過(guò)旁路直接進(jìn)入冷凝液加熱器和除氧水加熱器；當(dāng)生產(chǎn)甲醇時(shí)，由于不需要深度變換，水煤氣通過(guò)1＃等溫變換爐后走2＃等溫變換爐旁路進(jìn)入3＃絕熱變換爐，將因等溫變換爐爐溫較低未反應(yīng)的羰基硫轉(zhuǎn)化為硫化氫，使變換氣氫碳比達(dá)到甲醇生產(chǎn)所需的2∶1。二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)水移熱等溫變換工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 二期項(xiàng)目水移熱等溫變換工藝流程圖

對(duì)比圖3與圖1可以看出，二期變換系統(tǒng)與一期變換系統(tǒng)主要有以下不同之處：①變換爐由一期的4臺(tái)絕熱變換爐改為二期的2臺(tái)等溫變換爐+1臺(tái)絕熱變換爐，變換爐臺(tái)數(shù)減少，相應(yīng)鈷鉬系變換催化劑的填裝量減少，且二期變換系統(tǒng)1＃等溫變換爐催化劑也由一期的耐高溫鈷鉬系催化劑更改為使用壽命更長(zhǎng)的低溫鈷鉬系催化劑；②二期變換系統(tǒng)1＃等溫變換爐副產(chǎn)2.5～3.8MPa蒸汽，2＃等溫變換爐副產(chǎn)1.0～1.6MPa蒸汽，此2種蒸汽壓力等級(jí)均較高，屬較高品位的蒸汽，由此去掉了一期變換系統(tǒng)的1＃、2＃、3＃低壓蒸發(fā)冷凝器；③ 二期變換系統(tǒng)設(shè)置2＃等溫變換爐、3＃絕熱變換爐旁路 （見(jiàn)圖3虛線），可根據(jù)工況需要在CO濃度發(fā)生改變或產(chǎn)品市場(chǎng)發(fā)生變化時(shí)進(jìn)行流程調(diào)整，系統(tǒng)操作更加靈活，裝置效率及效益更高。

3 變換系統(tǒng)升級(jí)前后運(yùn)行情況的比較分析

2014年4月二期項(xiàng)目開(kāi)車(chē)，經(jīng)過(guò)6個(gè)月的輕負(fù)荷運(yùn)行后，裝置轉(zhuǎn)為滿負(fù)荷生產(chǎn)。二期變換系統(tǒng)2014年4月投運(yùn)初期和2015年6月連續(xù)3d的主要運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2?？梢钥闯?，穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，變換系統(tǒng)進(jìn)口CO含量維持在63.0%（干基）左右，1＃等溫變換爐出口 CO含量≤2.97%，2＃等溫變換爐出口 CO含量≤0.39%，等溫變換爐阻力≤0.01MPa，系統(tǒng)總阻力≤0.09MPa，可副產(chǎn)2.5MPa蒸汽25～28t／h、1.0MPa蒸汽4～6t／h，床層溫度平穩(wěn)，同溫面溫差基本控制在10℃以?xún)?nèi)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)與設(shè)計(jì)值基本一致。

表2 二期變換系統(tǒng)主要運(yùn)行數(shù)據(jù)

據(jù)表1、表2的數(shù)據(jù)及實(shí)際生產(chǎn)情況可以看出，二期變換系統(tǒng)與一期變換系統(tǒng)相比具有以下明顯優(yōu)勢(shì)。

（1）開(kāi)車(chē)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)。因?yàn)榈葴刈儞Q爐可以提前通過(guò)蒸汽換熱將爐內(nèi)催化劑床層溫度提升至其反應(yīng)活性溫度，而不需要反應(yīng)氣從常溫慢慢循環(huán)加熱提溫，所以從導(dǎo)氣至轉(zhuǎn)入正常生產(chǎn)用時(shí)僅約0.5h，速度非?？?；且由于等溫變換爐內(nèi)的移熱管束起到了維持床層溫度穩(wěn)定的作用，多余的熱量被帶走 （副產(chǎn)高品位蒸汽），不會(huì)出現(xiàn)催化劑床層超溫或飛溫現(xiàn)象。

（2）生產(chǎn)操作簡(jiǎn)便、省心。系統(tǒng)工藝控制僅有3個(gè)點(diǎn)且均可自動(dòng)調(diào)節(jié) （通過(guò)控制汽包內(nèi)的蒸汽壓力即可輕松控制床層溫度；通過(guò)調(diào)節(jié)變換爐入口蒸汽量調(diào)整汽氣比，即可控制變換爐出口CO含量），較一期變換系統(tǒng)的操作輕松了許多。

（3）對(duì)CO含量容忍度大。即使在進(jìn)入變換系統(tǒng)的CO含量接近70%的情況下，床層溫度依然平穩(wěn) （反應(yīng)放出的大量熱量均用于副產(chǎn)蒸汽），1＃等溫變換爐出口CO含量變化在0.5%以?xún)?nèi)，系統(tǒng)出口CO含量基本上保持不變。

（4）床層溫度穩(wěn)定、均勻。一級(jí)等溫變換爐 （1＃變換爐）同溫面溫差≤10℃，二級(jí)等溫變換爐 （2＃變換爐）同溫面溫差≤5℃，催化劑床層溫度分布與催化劑特性一致 （表明設(shè)計(jì)科學(xué)，氣體在爐內(nèi)管道中分布均勻、無(wú)偏流現(xiàn)象），預(yù)計(jì)其催化劑使用壽命較一期變換系統(tǒng)至少多出3a（一期變換催化劑的設(shè)計(jì)使用壽命為365d），系統(tǒng)連運(yùn)水平明顯提高。

（5）副產(chǎn)高品位蒸汽量大、低品位熱能少。正式投產(chǎn)以來(lái)，二期變換系統(tǒng)副產(chǎn)2.5MPa蒸汽量基本在25～28 t／h、1.0MPa蒸汽量在4～6 t／h，其為整個(gè)工藝系統(tǒng)貢獻(xiàn)的蒸汽用于生產(chǎn)水煤氣、尿素以及發(fā)電等，從而節(jié)省了鍋爐產(chǎn)蒸汽；另外，相較于一期約228t／h的脫鹽水用量來(lái)說(shuō)，達(dá)到相同的變換程度二期變換系統(tǒng)脫鹽水用量較一期變換系統(tǒng)少約93t／h，且系統(tǒng)出口變換氣溫度降低約3.8℃。

（6）變換爐及系統(tǒng)阻力低。由于等溫變換爐保證了爐內(nèi)溫度在催化劑設(shè)計(jì)反應(yīng)溫度范圍，保護(hù)了催化劑的活性，防止了因超溫等不規(guī)范操作導(dǎo)致的催化劑粉化、結(jié)塊等現(xiàn)象，從而降低了系統(tǒng)阻力；即使在滿負(fù)荷生產(chǎn)情況下，二期變換系統(tǒng)平均阻力降也在0.09MPa以下 （折電耗每小時(shí)下降約266kW·h），遠(yuǎn)低于一期變換系統(tǒng)0.20MPa的阻力降，一級(jí)等溫變換爐、二級(jí)等溫變換爐阻力降低至0.01MPa左右。

（7）變換催化劑使用量減少。等溫變換爐的高效反應(yīng)特性使得二期項(xiàng)目2臺(tái)等溫變換爐可以達(dá)到一期項(xiàng)目4臺(tái)絕熱變換爐的工作效率，二期項(xiàng)目變換催化劑裝填量較一期項(xiàng)目少33m3。

4 變換系統(tǒng)升級(jí)前后技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及效益對(duì)比

4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

一期項(xiàng)目與二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù) （工況條件）基本相同，僅僅是采用的工藝技術(shù)不同。一、二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)2015年6月21日同一時(shí)刻的主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 一、二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

4.2 經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比

4.2.1 計(jì)算基準(zhǔn)

4.6MPa蒸汽價(jià)格 150元／t、2.5MPa蒸汽價(jià)格 130元／t、1.0MPa蒸汽價(jià)格 110元／t、0.5MPa蒸汽價(jià)格100元／t；電價(jià)0.54元／（kW·h）；脫鹽水價(jià)格1元／t；一期項(xiàng)目絕熱變換爐催化劑平均價(jià)格11.5萬(wàn)元／m3，二期項(xiàng)目等溫變換爐催化劑價(jià)格9萬(wàn)元／m3；全年有效運(yùn)行時(shí)間8000h（330d）。

4.2.2 直接經(jīng)濟(jì)效益

據(jù)表3數(shù)據(jù)及上述計(jì)算基準(zhǔn)，二期項(xiàng)目變換系統(tǒng)直接經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算如下。

副產(chǎn)2.5MPa蒸汽效益：（27.4-5.8）×130×8000÷10000＝2246.4萬(wàn)元。

副產(chǎn)1.0MPa蒸汽效益：（4.10-0）×110×8000÷10000＝360.8萬(wàn)元。

節(jié)電效益：266×0.54×8000÷10000＝114.9萬(wàn)元。

節(jié)水 （少用脫鹽水）效益：（228-135）×1×8000÷10000＝74.4萬(wàn)元。

少產(chǎn)0.5MPa蒸汽減少的效益：（16-0）×100×8000÷10000＝1280萬(wàn)元。

多用4.6MPa蒸汽增加的費(fèi)用：（5.9-1.5）×150×8000÷10000＝528萬(wàn)元。

合計(jì)全年直接經(jīng)濟(jì)效益：2246.4+360.8+114.9+74.4-1280-528＝988.5萬(wàn)元。

4.2.3 間接經(jīng)濟(jì)效益

長(zhǎng)周期運(yùn)行主要考慮變換催化劑整體使用周期的問(wèn)題。二期項(xiàng)目采用等溫變換工藝后，因無(wú)超溫對(duì)催化劑的損害，鈷鉬系變換催化劑使用壽命將大大延長(zhǎng)。按照二期項(xiàng)目等溫變換爐催化劑使用周期為4a、一期項(xiàng)目絕熱變換爐催化劑使用周期平均為1.5a進(jìn)行間接經(jīng)濟(jì)效益核算。

該公司2015年財(cái)務(wù)報(bào)表顯示：二期項(xiàng)目總投資15億元，每次原始開(kāi)車(chē)消耗原材料、輔材、一次水、循環(huán)水、電、蒸汽、人工等費(fèi)用在600萬(wàn)元左右，每次更換變換催化劑及硫化需耗時(shí)20d；二期裝置稅前利潤(rùn)為10000萬(wàn)元／a，設(shè)備折舊為10a。

等溫變換爐年節(jié)省催化劑費(fèi)用：165×11.5÷1.5-132×9÷4＝968萬(wàn)元。

減少更換催化劑及硫化耗時(shí)年增加的稅前利潤(rùn)：10000÷8000×20×24×（1÷1.5-1÷4）＝250萬(wàn)元。

減少年折舊費(fèi)用：150000÷10÷8000×20×24× （1÷1.5-1÷4） ＝374萬(wàn)元。

年節(jié)省生產(chǎn)費(fèi)用：600×（1÷1.5-1÷4）＝250萬(wàn)元。

合計(jì)全年間接經(jīng)濟(jì)效益：968+250+374+250＝1842萬(wàn)元。間接經(jīng)濟(jì)效益在總經(jīng)濟(jì)效益中的占比為1842÷（1842+988.5）＝65.1%。

5 結(jié)束語(yǔ)

企業(yè)是以盈利為目的的，失去利潤(rùn)的企業(yè)將難以生存。在國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)合成氨、甲醇企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越白熱化的今天，誰(shuí)能在生產(chǎn)工藝中挖潛提效、抓好技術(shù)創(chuàng)新，誰(shuí)就能在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中生存下去。某肥料公司二期變換系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在一期變換系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，選擇了在高水氣比、高CO含量工況下有明顯優(yōu)勢(shì)的水移熱等溫變換新工藝后，每年產(chǎn)生近3000萬(wàn)元的比較收益，有效地提升了企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的支撐。