楊學(xué)偉

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037000)

變換工序是新型煤化工工藝中不可或缺的一道工序，其工藝位置設(shè)置在氣化工序之后，主要作用是促進(jìn)富產(chǎn)氫氣，降低合成氣中CO的含量[1]。目前，對(duì)CO變換工藝技術(shù)的研究已超過(guò)130年，且未來(lái)變換工藝技術(shù)還將得到進(jìn)一步的優(yōu)化、提升和發(fā)展[2]。

本文以某公司造氣工藝技術(shù)改造項(xiàng)目中CO變換工藝為研究對(duì)象，對(duì)變換工段進(jìn)行了必要的優(yōu)化改造，以滿足后續(xù)甲醇生產(chǎn)需要。

1 項(xiàng)目概述及變換系統(tǒng)改造前現(xiàn)狀

1.1 項(xiàng)目概述

2016年，某10萬(wàn)t/a合成油示范工程實(shí)施造氣工藝技術(shù)改造項(xiàng)目，為滿足甲醇生產(chǎn)對(duì)原料合成氣的要求，采用寬溫耐硫部分變換工藝及先進(jìn)的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)，并通過(guò)旁路配氣等手段，使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足后續(xù)工藝對(duì)CO含量的要求。

1.2 變換系統(tǒng)改造前現(xiàn)狀

原氣化系統(tǒng)為灰熔聚流化床造氣工藝及灰熔聚粉煤加壓氣化技術(shù)。據(jù)監(jiān)測(cè)，此工藝煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量較低[出氣化界區(qū)粗煤氣中CO(干基)體積分?jǐn)?shù)為30%]，進(jìn)出口甲烷及變換氣中氨、粉塵等有害物質(zhì)含量較高，不能很好地使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足生產(chǎn)甲醇的要求。

甲醇合成反應(yīng)需要控制合成新鮮氣中的氫碳體積比，要求出變換工段的變換氣中CO體積分?jǐn)?shù)降低至20%左右。為了提高出氣化界區(qū)粗煤氣中CO(干基)體積分?jǐn)?shù)，同時(shí)降低出變換工段的變換氣中CO體積分?jǐn)?shù)，保證變換率，需對(duì)原變換系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造。

2 變換系統(tǒng)優(yōu)化改造

為了使出變換系統(tǒng)的變換氣組分滿足生產(chǎn)甲醇的要求，本優(yōu)化改造項(xiàng)目首先采用先進(jìn)的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術(shù)代替原技術(shù)，取消了原有變換裝置的變換爐、進(jìn)料混合器等[3]。同時(shí)，為了節(jié)約投資，降低項(xiàng)目改造成本，本項(xiàng)目決定要盡可能多地利用原裝置中的設(shè)備。具體優(yōu)化改造如下：

2.1 工藝技術(shù)優(yōu)化

本項(xiàng)目的工藝優(yōu)化主要包括以下三點(diǎn)：1號(hào)變換爐上段增加粗煤氣進(jìn)口旁路管線；2號(hào)變換爐增加工藝副線；增加高壓CO2管線對(duì)變換爐進(jìn)行降溫。工藝技術(shù)優(yōu)化后具體工藝流程如第109頁(yè)圖1所示。

創(chuàng)新一：1號(hào)變換爐上段增加粗煤氣進(jìn)口旁路管線，如圖1中序號(hào)①。具體作用為，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷低時(shí)，由于熱交換強(qiáng)度降低，爐內(nèi)下段床層形成積熱，溫度會(huì)漲至450 ℃，也就是會(huì)造成“飛熱”現(xiàn)象，同時(shí)，還會(huì)造成爐內(nèi)反應(yīng)過(guò)深及甲烷化反應(yīng)發(fā)生增加等問(wèn)題。此時(shí)，如果打開進(jìn)口旁路后，可通過(guò)調(diào)控旁路

圖1 變換爐操作優(yōu)化工藝技術(shù)流程

粗煤氣進(jìn)氣量，帶走爐內(nèi)部分熱量，有效控制床層溫度在400 ℃以內(nèi)，預(yù)防爐內(nèi)“飛溫”現(xiàn)象，同時(shí)解決變換反應(yīng)過(guò)深問(wèn)題，以及降低爐內(nèi)甲烷化反應(yīng)幾率。

創(chuàng)新二：2號(hào)變換爐增加工藝副線，如圖1中序號(hào)②。具體作用有兩個(gè)方面：防止變換反應(yīng)過(guò)深，進(jìn)而導(dǎo)致不滿足后續(xù)甲醇生產(chǎn)要求；防止粗煤氣中有機(jī)硫未經(jīng)高溫反應(yīng)，影響后序低溫甲醇洗。因?yàn)槿绻贿M(jìn)行此優(yōu)化操作，粗煤氣全部進(jìn)入兩臺(tái)變換爐進(jìn)行變換，會(huì)導(dǎo)致變換反應(yīng)過(guò)深，不滿足后序甲醇生產(chǎn)；如果通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)副線閥AV-611004，增加副線過(guò)氣量，來(lái)防止出口變換氣中CO體積分?jǐn)?shù)過(guò)低，但又易造成有機(jī)硫帶入到后序低溫甲醇洗系統(tǒng)。因此，通過(guò)調(diào)整2號(hào)變換爐副線開度，不僅可以保證煤氣全部進(jìn)1號(hào)變換爐進(jìn)行反應(yīng)，降低變換氣中的有機(jī)硫含量，還可控制2號(hào)變換爐的進(jìn)氣量，防止出現(xiàn)變換反應(yīng)過(guò)深，不滿足后序甲醇生產(chǎn)的要求。

創(chuàng)新三：增加高壓CO2管線對(duì)變換爐進(jìn)行降溫，如圖1中序號(hào)③。由于CO2是很好的惰性氣體，利于變換物理降溫，可控制反應(yīng)速度，同時(shí)，CO2可被后序低溫甲醇洗系統(tǒng)吸收脫除，副產(chǎn)CO2產(chǎn)品氣，因此，增加壓力6.5 MPa、溫度120 ℃的高壓CO2管線對(duì)變換爐進(jìn)行降溫。

2.2 設(shè)備技術(shù)優(yōu)化

本項(xiàng)目的設(shè)備優(yōu)化主要包括以下兩點(diǎn)：1號(hào)和2號(hào)變換爐內(nèi)催化劑支撐由篩板改為瓷球；在洗氨裝置內(nèi)增加噴嘴，霧化洗滌水，降低變換氣中氨含量。具體如下：

1) 催化劑支撐優(yōu)化。變換爐內(nèi)支撐原設(shè)計(jì)為篩板支撐，經(jīng)工藝操作和運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，篩板支撐存在設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理，易因工藝條件劇烈變化產(chǎn)生破裂，導(dǎo)致催化劑漏入集氣器，隨變換氣進(jìn)入2號(hào)變換爐，導(dǎo)致2號(hào)變換爐壓差升高，直接影響到系統(tǒng)運(yùn)行。而將1號(hào)爐上、下兩層與2號(hào)爐上層分別更換為Φ25 mm與Φ10 mm瓷球，可以彌補(bǔ)催化劑篩板支撐的缺點(diǎn)，解決設(shè)備結(jié)構(gòu)不合理引起催化劑粉化的問(wèn)題，從而促進(jìn)系統(tǒng)正常運(yùn)行。變換爐內(nèi)催化劑支撐由篩板改為瓷球，具體如圖2所示。

圖2 變換爐內(nèi)催化劑支撐優(yōu)化后效果圖

2) 在洗氨裝置內(nèi)增加噴嘴。粗煤氣中存在一定量的氨，隨變換氣直接進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)，影響系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。而如果常規(guī)的洗氨塔等設(shè)備，雖然可以去除氨，防止低溫甲醇洗系統(tǒng)發(fā)生氨累積，但投資較高。為此，在變換裝置第一分離器前的一段管線上增加噴嘴混合器，霧化洗滌水，經(jīng)氣液分離后冷凝液送汽提塔氣提，不僅可以大幅降低變換氣中的氨含量，還可降低投資，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效果與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。

3 CO變換工藝優(yōu)化改造效果及分析

通過(guò)本次工藝技術(shù)優(yōu)化及設(shè)備技術(shù)優(yōu)化，變換系統(tǒng)改造前后100%負(fù)荷下系統(tǒng)氣量、進(jìn)出口甲烷、變換氣中有害物質(zhì)對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 變換系統(tǒng)改造前、后各指標(biāo)對(duì)比

由表1可知，系統(tǒng)改造后有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 系統(tǒng)氣量。系統(tǒng)改造后，煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量明顯增加，不僅大幅度提高了合成反應(yīng)的合成氣量，提高了了甲醇產(chǎn)能，還增加了變換氣中可以利用的CO2量。

2) 進(jìn)、出口甲烷對(duì)比。系統(tǒng)改造后，變換系統(tǒng)100%負(fù)荷下進(jìn)、出口甲烷明顯降低，大幅度提高了碳轉(zhuǎn)化率，進(jìn)一步釋放了甲醇合成產(chǎn)能，降低了甲醇生產(chǎn)成本。

3) 變換氣中有害物質(zhì)對(duì)比。系統(tǒng)改造后，由于在分離器前加裝了噴嘴洗氨裝置，變換氣中氨含量由10 mg/m3降低為4 mg/m3，有效地脫除了變換氣中氨，降低了變換氣中氨含量；系統(tǒng)改造后，煤氣經(jīng)過(guò)水激冷，又經(jīng)變換入口降溫分離后，粉塵含量由0.96 mg/m3降低為0.01 mg/m3，大大降低了粉塵含量，改善了低溫甲醇洗的甲醇品質(zhì)；系統(tǒng)改造后，水含量由0.26 t/h變?yōu)?.28 t/h，略有升高，可能是因?yàn)?，改造前、后變換氣的溫度均為30 ℃，夾帶水皆被分離，但改造后系統(tǒng)在洗氨裝置內(nèi)增加噴嘴，霧化洗滌水，故略有升高，但總體而言，變化不明顯，影響不大。

本次改造利用了原系統(tǒng)中舊的換熱設(shè)備及變換爐，降低了投資成本。變換系統(tǒng)自2017年1月開車，通過(guò)優(yōu)化工藝操作和運(yùn)行參數(shù)，滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，日產(chǎn)甲醇最高達(dá)1 237 t。目前，2號(hào)變換爐工藝副線開度控制在30%左右，變換催化劑已使用2年時(shí)間，催化劑活性穩(wěn)定，且沒(méi)有出現(xiàn)有機(jī)硫和煤粉的攜帶問(wèn)題，以及因催化劑粉化造成的系統(tǒng)壓差高的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

綜上所述，本次項(xiàng)目通過(guò)對(duì)工藝、設(shè)備等進(jìn)行一系列優(yōu)化創(chuàng)新改造，大幅提高了合成反應(yīng)的合成氣量，降低了變換氣中甲烷含量以及氨、粉塵等有害物質(zhì)含量，為甲醇合成系統(tǒng)提供了合格的變換氣，為后序系統(tǒng)生產(chǎn)合格的甲醇奠定了基礎(chǔ)，最重要的是變換后系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)周期、滿負(fù)荷的穩(wěn)定運(yùn)行。