李 勇, 張 凱

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司1#合成氨系統(tǒng)有3套變換裝置，其中2套為全低變工藝、1套為中低低變工藝。中低低變換在1#合成氨系統(tǒng)稱為3#變換。在高溫、加壓條件下，3套變換裝置在鈷鉬系催化劑作用下，來自壓縮二段半水煤氣中的CO與水蒸氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成CO2和H2，制得合格的變換氣。系統(tǒng)設(shè)有若干換熱設(shè)備，可合理利用反應(yīng)熱，并通過充分回收余熱來降低能耗[1]。2013年4月，3#變換發(fā)生工藝波動(dòng)、蒸汽消耗居高不下。

1 工藝流程

2006年7月，3#變換裝置建成并投產(chǎn)，正常生產(chǎn)時(shí)，來自壓縮二段的半水煤氣，經(jīng)過焦炭過濾器分離油后，進(jìn)入飽和塔塔底與熱水逆流接觸，提溫增濕后由塔頂出來，進(jìn)入主熱交底部水分離器，同時(shí)添加適量的飽和蒸汽，以達(dá)到工藝指標(biāo)所規(guī)定的氣汽比；經(jīng)水分離器分離水后,經(jīng)主熱交(管內(nèi))與中變爐二段出口變換氣換熱，再通過電加熱器進(jìn)入中變爐一、二段進(jìn)行換熱反應(yīng)，以調(diào)節(jié)中變爐一、二段觸媒層溫度。其中，一部分半水煤氣不經(jīng)主熱交換器，走副線直接進(jìn)入中變爐一、二段。經(jīng)中變二段反應(yīng)的氣體經(jīng)過主熱交(管間)換熱降溫后，再經(jīng)一冷凝器換熱降溫，進(jìn)入低變爐一段進(jìn)行變換反應(yīng)，進(jìn)入二冷凝器換熱降溫(管間)，再進(jìn)入低變爐二段完成低變反應(yīng)。

從低變二段出來的變換氣，進(jìn)入一水加熱器(管內(nèi))、熱水塔換熱降溫后，進(jìn)入二水加換熱降溫，最后再經(jīng)冷卻塔進(jìn)一步冷卻并分離水后，直接進(jìn)變脫崗位(見圖1)。

2 存在問題

2013年4月，煤炭供應(yīng)緊張，此時(shí)煤質(zhì)較差、H2S含量較高，導(dǎo)致裝置運(yùn)行存在以下問題：

(1) 飽和塔筒體易腐蝕泄漏。中變爐進(jìn)口溫度高，其進(jìn)口管段易產(chǎn)生水汽，經(jīng)常出現(xiàn)高溫腐蝕泄漏現(xiàn)象。

(2) 中變爐CO反應(yīng)不徹底，造成變換氣CO不宜控制，蒸汽消耗增加。觸媒使用前期階段，系統(tǒng)外噸氨加蒸汽量一般為1 200～1 500 kg。

(3) 系統(tǒng)阻力大，壓差高達(dá)0.10 MPa。

(4) 觸媒活性差，各段觸媒層溫度時(shí)常超低溫，提溫速度慢。當(dāng)?shù)妥円欢沃?當(dāng)氧體積分?jǐn)?shù)低于0.35%時(shí)，觸媒層溫度很難提上來。

(5) 中變爐二段塔壁溫度不穩(wěn)定，尤其在氣量波動(dòng)時(shí)多次升高，最高達(dá)375 ℃，超出其塔壁材質(zhì)(16MnR)的最高使用溫度(350 ℃)，存在安全隱患。

3 原因分析

(1) 由于氣液交替沖刷，飽和塔上部筒體易發(fā)生泄漏；同時(shí)飽和塔及中變爐進(jìn)口管道材質(zhì)均為16MnR，而半水煤氣中一般含有CO2(體積分?jǐn)?shù)為6%～14%)、H2S (體積分?jǐn)?shù)為0.1%～0.3%)等酸性氣體，CO2、H2S溶于水后生成酸性介質(zhì)，造成酸性腐蝕，從而破壞了氧化膜，導(dǎo)致碳鋼被CO2、H2S腐蝕。

(2) 中變爐段間采用噴水冷激，此方法雖然簡單易行、調(diào)節(jié)靈活，但由于噴水不勻，部分反應(yīng)熱不能及時(shí)轉(zhuǎn)化為蒸汽用于變換反應(yīng)，導(dǎo)致氣體凈化不徹底。

(3) 中變溫度高，所需要的換熱設(shè)備多，增加了系統(tǒng)阻力。

(4) 中變觸媒使用初期，變換系統(tǒng)中對半水煤氣的預(yù)處理不過關(guān)，造成低變觸媒上部氧化后被焦油堵死，從而增加了變換系統(tǒng)阻力；中變觸媒使用后期因粉化問題，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力進(jìn)一步增加。

(5) 中變爐內(nèi)襯保溫部分可能出現(xiàn)開裂，引起塔壁溫度升高，特別是在氣量波動(dòng)時(shí)尤其明顯。

4 實(shí)施改造

4.1 飽和塔及管道腐蝕、泄漏

(1) 由于飽和塔填料層氣液交替部分特別容易被腐蝕減薄，為避免飽和塔筒體16MnR材料與介質(zhì)接觸，在飽和塔內(nèi)壁進(jìn)水管的周邊內(nèi)襯一塊厚度為3 mm的304L不銹鋼板[2]。

(2) 從飽和塔出口至主熱交、中變爐一段進(jìn)口管道均采用304L不銹鋼材質(zhì)，雖然增加了費(fèi)用，但是提高了可靠性和安全性。

(3) 利用提氫崗位來的氨水來調(diào)節(jié)循環(huán)熱水的pH值,將其控制在8～9之間，有效防止酸性腐蝕。

4.2 增濕降溫

將中變爐的一、二段改變?yōu)槿妥儬t的第一段、第二段，段間采用增濕降溫，不再使用中變爐內(nèi)噴水冷激。

4.3 中變爐段間新增增濕器

采用增濕流程可以有效降低飽和熱水塔的負(fù)荷。增濕器用脫鹽水單獨(dú)用2臺(tái)多級離心泵或利用鍋爐給水泵供水[3]。

(1) 增濕器加水用調(diào)節(jié)閥控制簡單易行，調(diào)節(jié)靈活。

(2) 水的蒸發(fā)熱大而且均勻，噴少量水冷激蒸發(fā)即能達(dá)到調(diào)溫目的，同時(shí)增加氣汽比，利于下段變換反應(yīng)的同時(shí)，還節(jié)省了蒸汽。

(3) 利用爐外設(shè)置增濕器噴水降溫，既能適應(yīng)催化劑活性變換的要求，又能達(dá)到氣體凈化的目的。

(4) 中變爐段間部分反應(yīng)熱及時(shí)轉(zhuǎn)化為蒸汽用于變換反應(yīng)，飽和熱水塔余熱回收負(fù)荷減輕，利于提高熱水塔效率及降低出氣溫度。

4.4 更換催化劑

將中變爐的一、二段改裝低變催化劑分別作為變換的第一段、第二段。為避免催化劑中毒，保證各段催化劑長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)利于爐溫控制，將原中變爐、低變爐使用的抗毒劑、催化劑進(jìn)行合理裝填。

以煤氣體積流量為60 000 m3/h為參考,催化劑裝填方案見表1。

表1 催化劑裝填方案

4.5 全面檢查中變爐內(nèi)襯

修復(fù)中變爐內(nèi)襯裂紋、凹坑等有缺陷部分，確保內(nèi)襯結(jié)構(gòu)的完整性及必要的強(qiáng)度。

5 修改后的工藝流程

改造后的工藝流程為：高壓機(jī)二段來的半水煤氣經(jīng)冷卻除油后進(jìn)入飽和塔與循環(huán)熱水傳質(zhì)傳熱；出飽和塔的半水煤氣添加蒸汽后進(jìn)主熱交換器與變換二段出口溫度為285 ℃的變換氣換熱，溫度升至200 ℃進(jìn)入變換爐一段(中變一段)發(fā)生變換反應(yīng)；溫度升至370 ℃、CO體積分?jǐn)?shù)降至13%以下后，進(jìn)入增濕器噴水冷激降溫至200 ℃；之后進(jìn)入變換爐二段(中變二段)再次發(fā)生變換反應(yīng)；溫度升至285 ℃、CO體積分?jǐn)?shù)再次降至4.5%以下后，進(jìn)入主熱交換器換熱后溫度降至210 ℃，進(jìn)入一冷凝器降溫至180～190 ℃；而后再一次進(jìn)入變換爐三段(低變)發(fā)生變換反應(yīng)；溫度升至210～220 ℃、CO體積分?jǐn)?shù)最后降至1.5%以下后，出變換爐進(jìn)入二冷凝器、一水加熱器降溫(并聯(lián))至90～100 ℃，在熱水飽和塔內(nèi)洗滌降溫至72 ℃，經(jīng)二水加熱器降溫后送至變脫。

熱水塔出口熱水經(jīng)循環(huán)水泵加壓，經(jīng)一水加熱器、一冷凝器加熱至113 ℃后進(jìn)入飽和塔[4](見圖2)。

圖2 中低低改造后3#變換工藝流程圖

6 結(jié)語

該裝置自2013年8改造投運(yùn)至今，完全達(dá)到了預(yù)期的工藝設(shè)計(jì)要求。

(1) 飽和塔筒體及中變爐進(jìn)口管段腐蝕得到很好的控制，未發(fā)生泄漏。

(2) 在滿負(fù)荷的情況下，系統(tǒng)阻力不超過0.03 MPa，有效降低了壓縮機(jī)的動(dòng)力消耗。

(3) 噸氨蒸汽消耗非常低(≤90 kg)。

(4) 用噴水增濕取代調(diào)溫水，有效降低了飽和塔的負(fù)荷；熱回收效率高，熱水塔出氣溫度最高為58 ℃。

(5) 氣體凈化徹底，系統(tǒng)出口CO體積分?jǐn)?shù)≤1.5%。

(6) 塔壁溫度穩(wěn)定在200 ℃，保溫層外表溫度為25 ℃左右，保證了裝置安全穩(wěn)定運(yùn)行。