魏文斌 王寶軍

摘 要：煤炭能源是我國能源儲備中最為重要的組成部分，為了滿足現代社會發(fā)展對能源的需求，彌補我國石油、天然氣能源儲量的相對匱乏，煤氣化行業(yè)成為了近年來社會廣泛關注的領域，煤氣CO的變換工藝研究就顯得至關重要。本文集中分析殼牌煤氣化技術中的CO變換工藝，以該項CO變換工藝的基本原理和工藝流程為分析切入點，探尋殼牌煤氣化CO變換工藝存在的具體問題，對存在的問題進行深入的分析和改進，找尋針對性的改進措施，進而為煤氣CO變換工藝的優(yōu)化設計找尋可行性發(fā)展方向，進而全面提升我國煤氣CO變換工藝的生產效率。

關鍵詞：煤氣化行業(yè);CO變換工藝;優(yōu)化設計

本文探究的煤氣CO變換工藝為目前較為先進的殼牌煤氣化工藝，采用德國魯奇低溫甲醇洗工藝進行原料氣的凈化，以脫除酸性氣體。殼牌煤氣化CO變換工藝主要采用高汽氣比的CO耐硫變換工藝，雖然該項工藝是當前較為先進的一種CO變換工藝，但在實際試車和開車的過程中，依然發(fā)現了諸多問題，其中，最為引人關注的問題即為CO變換工藝中變換爐的嚴重超溫現象，工況極其不穩(wěn)定，且還會發(fā)生甲烷化反應，造成CO變換工藝整體裝置的高負荷運轉，進而產生嚴重的問題。

1 殼牌CO變換工藝的基本原理及工藝流程

1.1 殼牌CO變換工藝的基本原理

CO變換工藝的基本原理是以CO和水蒸氣作為反應的原材料，在催化劑的作用下，在特定溫度和壓力的環(huán)境下產生的變換反應，該反應過程會產生大量的熱量，其具體反應方程式如下：

通過上述方程式反應，粗煤氣中的CO會通過變換反應生成H2，也就是合成氨的原材料，因此，CO變換工藝被廣泛應用到合成氨工業(yè)的設計當中。通常合成氨工業(yè)生產會將CO變換工藝的CO干基含量調整在0.4%左右，而通過上述反應方程式不難看出，CO在進行變換反應時，由65%至0.4%的過程需要釋放大量的反應熱，而變換反應是一種平衡性的反應，所以，通常煤氣CO變換工藝在設計工藝流程的過程中會將多段變換反應融入其中，工藝流程會增設中間回收反應熱的設計，因此，CO變換工藝流程設計的關鍵技術為：熱回收工藝方案、熱交換設備以及反應器。

1.2 殼牌CO變換工藝的工藝流程

殼牌煤氣化CO變化工藝設計的原始工藝流程圖，見圖1。

該反應的原料氣由濕基CO（55.6%）和干基CO（69.07%）組成，在168℃和3.8MPa的條件下進入原料氣分離器04S001中，經分離后進入原料氣過濾器04S002進行夾帶煤粉等固體雜質的進一步處理，將三分之一的粗合成氣經換熱器加熱至195-260℃區(qū)間后進入第一變換爐04R001，CO含量約為18%的450℃變換器與另三分之一粗煤氣進行混合，經淬冷器04S004處理降至210-260℃區(qū)間后輸送至第二變換爐04R002，以此類推，降溫后的氣體在混合剩余三分之一粗煤氣CO經淬冷器04S005降溫后輸送至第三變換爐04R003中，進而產生出350℃的18%-20%CO含量混合氣，最后經鍋爐給水預熱器04E003、脫鹽水預熱器04E004以及循環(huán)水冷卻器04E005的處理，最后將合成氣溫度降至40℃后輸送至酸性氣體脫除程序。

2 殼牌煤氣CO變換工藝在反應過程中存在的問題

縱觀殼牌煤氣CO變換工藝的流程圖不難發(fā)現，該項工藝的設計采用了三個變換爐進行合成氣處理，而第一和第二變換爐均采用高汽氣比的反應催化劑，同時通過加大蒸汽量的方式來提高汽氣比，雖然這種方法可以有效提升空速，但同時也會帶走大量的化學反應過程中產生的熱量，進而工藝流程在實際開車過程中會出現以下幾點問題：①在生產過程中的開車初期，由于運行負荷較低或煤氣化粗合成氣量較小會對床層的熱點溫度產生較大的影響，產生的溫度會高于工藝設計的溫度;②在實際開車過程中，第一變換爐的熱點溫度會經常徘徊在480℃，最高時甚至會達到700℃，這種頻繁超溫的運行狀態(tài)使得第一變換爐運行極不穩(wěn)定，安全生產隱患問題嚴重;③整體CO變換工藝流程會產生大量的蒸汽和反應熱，過量的廢熱無法進行有效回收而積累在工藝末端;④蒸汽的高消耗給污水處理帶來的工作量的顯著提升，大量蒸汽通過冷凝而形成有待處理的工藝冷凝液;⑤催化劑在第一變化爐的長時間高溫條件下會逐漸喪失活性，致使壽命周期較短。

3 殼牌煤氣CO變換工藝的改進優(yōu)化設計。

由于煤氣CO變換反應是一種氣相均相可逆的放熱反應，CO量以及蒸汽輸入量的汽氣比控制顯得至關重要，殼牌煤氣CO變換工藝就采用了高汽氣比的設計模式，雖然高汽氣比設計在理論上不會在反應床層中積累過高的溫度，能夠實現床層溫度的有效控制，但是在實際開車過程中，經常會出現床層溫度超標的現象，這就需要加大水蒸氣的輸入，進而提升的生產成本。但低汽氣比的設計對CO變換工藝中的甲烷化反應具有較高的抑制條件需求，一旦在低汽氣比的設計條件下出現床層溫度增高的現象，就會極易產生甲烷化副反應，因此，本文依照高汽氣比和低汽氣比的基本反應原理，并通過大量的實踐生產數據分析，對殼牌煤氣CO變換工藝進行優(yōu)化設計改造，通過調整第一和第二變換爐部分來實現CO變換工藝的優(yōu)化升級。

3.1 流程優(yōu)化

我們將原有的高汽氣比CO工藝流程增加了一條冷激氣管線，該冷激氣管線自原料氣過濾器04S002的出口Φ400管線上起始，至第一變換爐04R001的進口閥Φ400管線上終止，采用Φ250管線規(guī)格，在新設的冷激氣管線上增加一個截止閥，進而實現流量的調控，這條冷激氣管線的微小改動目的是不經過加熱過程就可以將原料氣直接輸送至第一變換爐04R001當中，進而有效降低變換爐的入口溫度，實現節(jié)能優(yōu)化合理變動。

具體流程與原流程基本一致，只是將原來進入第一變換爐的原料氣分成兩個部分，一個部分依然按原流程進行，而另一個部分則通過新增加的DN250管線旁路直接跨過兩個換熱器，以168℃的原始溫度直接送達變換爐入口，兩個部分氣體在入口處進行混合，溫度則通過兩個管線的流量控制閥進行調控，在達到225℃、約0.24汽氣比后進入殼牌煤氣CO變換工藝的第一變換爐進行變換反應，經過調整后的第一變換爐產生的變換氣與原流程所產生的組成基本一致，CO含量為42%（干基）以及420℃的溫度。

3.2 催化劑優(yōu)化

首先，將第一變換爐中的高汽氣比催化劑更改成為QDB-04低汽氣比催化劑，將低汽氣比廠家提供的3.0Nm3的吸附劑填裝至最上層，進而保護催化劑不受反應中的粉塵、毒物等雜質毒害，增長催化劑的使用壽命;其次，將7Nm3原催化劑自第二變化爐中卸除，將5.9Nm3QDB-04催化劑與之替換，進而有效提升第二變換爐中催化劑上部的低溫活性;同時，第三變化爐中的催化劑依舊保持不變。這種調整最大限度的保障了三座變換爐中的催化劑的正常運轉，極大的提升了催化劑的活性和使用時長，進而有效降低CO變換的生產成本。

綜上所述，隨著我國經濟的快速發(fā)展，對能源的需求與日俱增，煤化企業(yè)要充分結合社會經濟發(fā)展對煤化工生產提出的全新要求，深入研究和開展煤氣化技術，對煤氣CO變換工藝不斷的進行分析和探索，找尋現階段CO變換工藝設計存在的具體問題，進而進行針對性的優(yōu)化設計，以確保CO變換工藝在滿足社會生產需求的同時，向著穩(wěn)定運行、節(jié)能環(huán)保的方向邁進。

參考文獻：

[1]徐邦浩.Shell粉煤氣化一氧化碳變換工藝的選擇[J].化肥工業(yè)，2006，33（4）：7-12.