張亞茹，郭振華

（河南能源化工集團安化公司，河南安陽 455133）

0 引 言

安陽化學工業(yè)集團有限責任公司（簡稱安化公司）隸屬于河南能源化工集團，其200kt／a煤制乙二醇裝置外圍配套工程之變換系統(tǒng)的主要任務是將常壓脫硫、壓縮加壓后的水煤氣通過變換反應將CO轉(zhuǎn)化為H2，以滿足乙二醇合成系統(tǒng)所需合成氣的氫碳比要求，同時將水煤氣中的O2脫除以及將有機硫轉(zhuǎn)化成無機硫，并在變脫系統(tǒng)將大部分的無機硫吸收，便于后續(xù)PSA系統(tǒng)脫除剩余的硫化物。乙二醇裝置外圍配套工程之工藝流程為：固定床氣化爐→氣柜→一級電除塵→羅茨鼓風機→常脫（常壓脫硫）系統(tǒng)→二級電除塵→水煤氣壓縮→變換系統(tǒng)→變脫系統(tǒng)→PSA一段脫除CO2（PSA-CO2）→精脫硫→PSA二段提純CO（PSA-CO）→PSA三段提純H2（PSA-H2）→乙二醇裝置。

安化公司乙二醇裝置于2012年10月投產(chǎn)，2015年7月開始組織四機生產(chǎn)（即4臺水煤氣壓縮機運行，下同），裝置負荷順利提升至約92%，乙二醇產(chǎn)量達到560t／d左右。隨著乙二醇裝置負荷的不斷提升，變換系統(tǒng)氣量逐漸增大，出現(xiàn)了變換系統(tǒng)阻力增大、變換系統(tǒng)出口總硫含量上漲、變脫塔入口氣溫度高、變脫塔填料軟化變形、變脫塔阻力增大、變換系統(tǒng)部分管線腐蝕泄漏等問題，嚴重影響著乙二醇裝置的安、穩(wěn)、長、滿、優(yōu)運行。針對一系列生產(chǎn)難題，安化公司決定對變換系統(tǒng)實施綜合技改，最終通過不斷的技術攻關有效解決了上述問題，變換系統(tǒng)的效能得以提升，并于2020年2月乙二醇裝置沖刺至102.14%的負荷目標，乙二醇最高日產(chǎn)達620.41t，創(chuàng)歷史新高。以下對變換系統(tǒng)實施的綜合技改及有關情況作一介紹。

1 變換系統(tǒng)工藝流程及主要設備

1.1 變換系統(tǒng)工藝流程

變換系統(tǒng)工藝流程簡圖見圖1（虛線部分為技改后增加的內(nèi)容）。水煤氣壓縮機三段出口來的水煤氣（溫度≤40℃，壓力≤1.1MPa）進入油過濾器，脫除水煤氣中的油污后依次經(jīng)煤氣預熱器Ⅲ（管程）、煤氣預熱器Ⅰ（管程）與殼程來自中溫水解塔的變換氣換熱提溫至約185℃，再進入煤氣預熱器Ⅱ（管程）與殼程來自變換爐的變換氣換熱提溫至約240℃，然后通過蒸汽三通與1.7MPa、330℃的蒸汽充分混合后經(jīng)電動閥進入變換爐；一定溫度（240～320℃）的水煤氣在變換催化劑的作用下進行除氧及變換反應，變換反應放出的熱量通過預熱除鹽水予以回收；出變換爐的變換氣（有30～50℃的溫升）經(jīng)煤氣預熱器Ⅱ（殼程）與水煤氣換熱降溫后，進入中溫水解塔（180～230℃）水解，之后依次進入煤氣預熱器Ⅰ（殼程）、煤氣預熱器Ⅲ（殼程）與水煤氣換熱降溫至約144℃，再經(jīng)除鹽水預熱器（管程）、變換氣水冷器換熱降溫至約40℃后進入變換氣分離器，分離出的變換氣送變換氣脫硫系統(tǒng)，分離出的冷凝液送污水處理系統(tǒng)。

圖1 變換系統(tǒng)工藝流程簡圖

1.2 變換系統(tǒng)主要設備

（1）變換爐（1臺）。變換爐為立式設備，尺寸為?3800mm×26mm×14946mm，材質(zhì)為15CrMoR；內(nèi)裝催化劑分為3層，裝填高度分別為1.41m、2.00m、1.99m，另裝填有保護劑16m3，催化劑裝填量共計43m3，催化劑層上、下分別裝填有?25mm和?50mm的耐火球。

（2）中溫水解塔（1臺）。中溫水解塔為立式設備，尺寸為?3000mm×20mm×13140 mm，材質(zhì)為15CrMoR；內(nèi)裝填催化劑35m3，催化劑層上、下分別裝填有?25mm和?50mm的耐火球。

（3）煤氣預熱器Ⅰ（1臺）。煤氣預熱器Ⅰ為立式設備，尺寸為?1300mm×10mm×4116 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為88.7m2；工藝介質(zhì)為煤氣（管程）／變換氣（殼程）。

（4）煤氣預熱器Ⅱ（1臺）。煤氣預熱器Ⅱ為臥式設備，尺寸為?1400mm×12mm×6840 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為312m2；工藝介質(zhì)為煤氣（管程）／變換氣（殼程）。

（5）1＃變換氣水冷器（1臺）。1＃變換氣水冷器為臥式設備，尺寸為?1340mm×10mm×6699mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti，換熱面積為485.64m2；工藝介質(zhì)為變換氣（管程）／循環(huán)冷卻水（殼程）。

（6）變脫塔（2臺）。變脫塔為立式設備，尺寸為?3600mm×22mm×44716mm，材質(zhì)為Q345R；變脫塔內(nèi)裝填?76mm×76mm鮑爾環(huán)填料242.4m3、?50mm×50mm鮑爾環(huán)填料8.1m3；工藝介質(zhì)為變換氣和栲膠液。

（7）油分離過濾器（1臺）。油分離過濾器為立式設備，尺寸為?3600mm×18mm×7910 mm，材質(zhì)為06Cr18Ni11Ti。

2 變換系統(tǒng)運行中存在的主要問題

乙二醇裝置外圍配套系統(tǒng)四機運行時，入變換系統(tǒng)工藝氣壓力約1.0MPa、溫度≤40℃，氣量約82000～84000m3／h（干基），入變換系統(tǒng)氣體組分全分析數(shù)據(jù)大致為CO26.78%、O20.29%、N28.25%、CH41.03%、CO32.73%、H250.91%、H2S149.20mg／m3、COS≤105.34 mg／m3。在乙二醇裝置負荷提升至92%時，變換系統(tǒng)出現(xiàn)了如下問題：系統(tǒng)阻力漲至1.050 MPa，變換爐入口蒸汽量增至3.9t／h，變換系統(tǒng)出口總硫含量上漲至18mg／m3（控制指標≤17.5mg／m3），變脫塔入口氣溫度高達50℃（操作指標38～42℃），變脫塔阻力增加1kPa；停車檢修期間發(fā)現(xiàn)變脫塔填料存在變形。為保證乙二醇裝置的高負荷、長周期運行，必須對變換系統(tǒng)實施改造。

3 原因分析及技改方案

3.1 變換系統(tǒng)阻力增大問題

3.1.1 原因分析

水煤氣壓縮機三段出口水煤氣夾帶有大量油水進入變換系統(tǒng)內(nèi)，首先經(jīng)油分離過濾器，通過1次／h的頻次排放油分離過濾器內(nèi)的油水。隨著變換系統(tǒng)負荷的不斷提升，由于油分離過濾器過濾能力未增加，油水不能及時排出，導致油分離過濾器阻力增大，其內(nèi)件——過濾網(wǎng)每年均需進行更換；油水隨水煤氣進入變換系統(tǒng)，工藝氣氣質(zhì)差，油水附著于變換系統(tǒng)管線、彎頭、閥門及變換催化劑床層等處，造成變換系統(tǒng)阻力增大，系統(tǒng)運行狀況惡化。另外，由于設計方面的原因，油分離過濾器入口管線（DN500）進口閥設計為自調(diào)閥加前后切斷閥，實際生產(chǎn)中多次發(fā)生自調(diào)閥誤動作甚至誤關閉的情況，嚴重威脅系統(tǒng)的安全生產(chǎn)。

3.1.2 技改方案

（1）在水煤氣壓縮機三段出口總管上原油分離過濾器（老油分）前增加1臺油水分離器（新油分，尺寸?1200mm×10mm×4300 mm），與原油分離過濾器串聯(lián)運行，使水煤氣中的油水先經(jīng)油水分離器分離掉一部分，再進入油分離過濾器進行分離，以緩解油分離過濾器的過濾壓力，減少水煤氣中的油水帶入后系統(tǒng)。

（2）在油分離過濾器入口管線自調(diào)閥及前后切斷閥處增設一DN450副線，正常生產(chǎn)中DN450副線閥全開，以保證系統(tǒng)的安全運行。

3.2 變換系統(tǒng)出口總硫上漲問題

3.2.1 原因分析

隨著乙二醇裝置負荷的提升，變換系統(tǒng)內(nèi)氣體流速加快，而原中溫水解塔未進行相應的擴能改造，致使其吸收H2S的能力下降，在乙二醇裝置負荷沖刺至92%時，中溫水解塔入口氣溫度高達249℃左右（設計溫度≤250℃），高于180～230℃的常規(guī)操作溫度，已接近設計指標上限。生產(chǎn)中，調(diào)整中溫水解塔入口氣溫度主要采取如下手段：一是實施副線調(diào)節(jié)，即將由煤氣預熱器Ⅰ出來的溫度為180℃的水煤氣，不經(jīng)過變換爐和煤氣預熱器Ⅱ而直接進入中溫水解塔，但如此一來會出現(xiàn)副線開度過小起不到降溫效果、副線開度過大中溫水解塔入口氣總硫含量過高甚至超標（工藝指標要求中溫水解塔入口氣H2S含量100～300mg／m3、COS含量≤150mg／m3）的問題；二是開變換爐出口1.7MPa蒸汽調(diào)節(jié)（中溫水解轉(zhuǎn)化有機硫時需少量蒸汽），但蒸汽閥開度稍大會造成中溫水解系統(tǒng)阻力增大，同時中溫水解催化劑長期在高溫下操作衰老過快，影響水解效果，另外，此處添加蒸汽還可能存在設備腐蝕的風險，但不開變換爐出口蒸汽進行調(diào)節(jié)中溫水解塔出口總硫指標又無法保證。簡言之，變換系統(tǒng)出口總硫上漲的問題制約著乙二醇裝置負荷的提升。

3.2.2 技改方案

為降低中溫水解塔的阻力，增強其對COS的水解能力，保證變脫塔出口總硫指標合格，在煤氣預熱器Ⅱ（殼程）管線出口增設中溫水解塔B（中溫水解塔B為立式設備，尺寸?3000 mm×20mm×13230m，材質(zhì)為15CrMoR，容積為74.3m3，內(nèi)裝催化劑35m3、?50mm耐火球1.4m3、?25mm耐火球2.8m3），并配套增設導淋、取樣點、入口自調(diào)閥及副線、出口閥等，與中溫水解塔A并聯(lián)運行，并引各溫度點入DCS監(jiān)控。

3.3 變脫塔入口氣溫度高帶來的系列問題

3.3.1 原因分析

由前述可知，由于中溫水解溫度過高，使后系統(tǒng)熱負荷過大，隨著系統(tǒng)負荷的不斷提升，變脫塔入口氣溫度高達50℃，高于38～42℃的常規(guī)操作控制指標，導致填料（鮑爾環(huán)）軟化，檢修時發(fā)現(xiàn)填料存在變形情況；另外，脫硫溶液溫度偏高，溶液再生效果變差，變脫溶液在再生槽中形成的硫泡沫量減少，硫回收量減少，導致未在再生槽中完全析出的硫在變脫塔內(nèi)析出并粘附在填料上，造成變脫塔阻力上漲；同時，由于出變換系統(tǒng)氣體溫度過高，還造成PSA-CO2脫除CO2效果越來越差，影響CO產(chǎn)品氣的純度。

3.3.2 技改方案

（1）在變換爐入口煤氣預熱器Ⅰ前、油分離過濾器后串聯(lián)1臺煤氣預熱器Ⅲ （尺寸為?1400mm×12mm×6840mm，換熱面積為312m2），以更好地利用中溫水解熱量來提高變換爐入口氣溫度，以減輕后系統(tǒng)的熱負荷，降低變脫塔入口氣的溫度。

（2）增設2＃變換氣水冷器（尺寸?1200 mm×12mm×8939mm），并配套增加去1＃變換氣水冷器蝶閥（DN500）1個，即在除鹽水預熱器出口氣相管線上增開2＃變換氣水冷器入口管線，1＃、2＃變換氣水冷器并聯(lián)運行，利用新增蝶閥的開度控制1＃、2＃變換氣水冷器的過氣量，以降低變脫塔入口氣的溫度，減少變脫塔脫硫溶液副鹽生成，同時降低變脫塔阻力及填料變形風險，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.4 變換系統(tǒng)管線等腐蝕泄漏問題

3.4.1 原因分析

乙二醇裝置自2012年10月投運以來，上游變換系統(tǒng)出現(xiàn)過2次管線彎頭焊縫裂紋及砂眼而致泄漏的問題：第1次為2018年9月16日，除鹽水預熱器出口彎頭管壁焊縫及熱影響區(qū)逐漸出現(xiàn)應力腐蝕裂紋，彎頭減薄，氣體泄漏，系統(tǒng)被迫停車；第2次為2020年2月，除鹽水預熱器氣相出口去1＃變換氣水冷器碳鋼閥門（DN500）出現(xiàn)多處砂眼，多次進行堵漏，危及系統(tǒng)的安全運行。經(jīng)對系統(tǒng)運行情況、堵漏情況和漏點部位的全面分析，認為有如下原因：油水分離器至變換爐的水煤氣溫度由約40℃逐漸升至240℃以上，溫度逐漸升高的過程中氣相中的飽和水以氣態(tài)形式存在，故H2S在氣相狀態(tài)下存在，因而變換爐前一般不易發(fā)生設備腐蝕，但變換爐出口至變換氣分離器的變換氣溫度由約290℃逐漸降至約40℃，隨著氣體溫度的降低，未反應完的蒸汽會冷凝而產(chǎn)生大量冷凝水，因氣體流速較快，氣體將會夾帶液態(tài)水，而氣體中含有H2S（含量約200mg／m3），H2S的存在會使冷凝液呈酸性，原設計管線材質(zhì)為15CrMo，耐腐蝕能力有限，從而導致變換爐出口至變換氣分離器入口間管線、彎頭、設備及閥門處發(fā)生腐蝕泄漏，進而引起系統(tǒng)波動。

3.4.2 技改方案／應對措施

（1）利用每年停車機會對變換系統(tǒng)管線及設備進行檢測，針對減薄部位組織進行處理。

（2）將煤氣預熱器Ⅲ（殼程）出口管線、進出副線、配套導淋及放空管線材質(zhì)由碳鋼變更為304不銹鋼，在不銹鋼與碳鋼焊接時，因碳鋼與不銹鋼的膨脹系數(shù)不同，焊后冷卻時易在焊接過渡區(qū)產(chǎn)生應力而易出現(xiàn)裂紋，故對焊接質(zhì)量提出嚴格要求，并督促施工方按照施工方案保質(zhì)保量完成焊接碰頭及試壓試漏。

（3）對于存在的漏點，制定應急預案，加強巡檢，準備膠管接氮氣備用，確保漏點在可控狀態(tài)。

（4）利用停車機會將除鹽水預熱器氣相出口去1＃變換氣水冷器DN500碳鋼閥門更換為不銹鋼閥門。

4 技改后變換系統(tǒng)的運行情況

上述技改措施落實后，并通過摸索逐漸固化操作和相關工藝指標控制，變換系統(tǒng)運行狀況明顯改善（技改前后變換系統(tǒng)主要工藝運行數(shù)據(jù)的對比見表1），具體體現(xiàn)在以下方面。

表1 技改前后變換系統(tǒng)主要工藝運行數(shù)據(jù)的對比

（1）同等負荷情況下，水煤氣壓縮機三段出口壓力由1.050MPa降至0.995MPa，降低了55kPa；同時，油分離過濾器至變換爐入口阻力由63kPa降至35kPa，降低了28kPa，相應地變換爐阻力也由30kPa降至28kPa，降低了2kPa；變換系統(tǒng)阻力由0.274MPa降至0.183 MPa，降低了91kPa。

（2）增設1臺中溫水解塔B實現(xiàn)2臺中溫水解塔（A／B）并聯(lián)運行后，中溫水解塔對COS的水解能力得到增強，中溫水解塔阻力由35kPa降至16kPa，降低了19kPa，變換系統(tǒng)出口氣總硫也由18mg／m3降至3.59mg／m3。

（3）增設煤氣預熱器Ⅲ后，中溫水解熱量得到更好地利用，變換爐入口氣溫度降低3℃，變換爐蒸汽投加量由3.9t／h降至3.3t／h，減少了0.6t／h。

（4）增設2＃變換氣水冷器與1＃變換氣水冷器并聯(lián)運行，以及配套增加去1＃變換氣水冷器DN500蝶閥后，變脫塔阻力由9kPa降至8kPa，降低了1kPa；中溫水解塔入口氣溫度由251℃降至233℃，降低了18℃；變脫塔入口氣溫度由50℃降至40℃，降低了10℃。

（5）增加油水分離器與原油分離過濾器串聯(lián)及增設油分離過濾器入口自調(diào)閥副線后，油分離過濾器負荷得到有效降低，油分離過濾器阻力由10kPa降至5kPa，降低了5kPa，水煤氣質(zhì)量得到提高，對后系統(tǒng)催化劑起到了很好地保護作用。

變換系統(tǒng)除上述工藝運行數(shù)據(jù)得到優(yōu)化外，停車檢修時，檢查變脫塔填料未發(fā)現(xiàn)有變形情況，變脫塔填料由每年更換1次延長至每3年更換1次；易腐蝕減薄部位材質(zhì)更新后，設備腐蝕風險明顯降低?？傮w而言，制約乙二醇裝置高負荷運行的變換系統(tǒng)瓶頸問題得到有效解決，技改達到了預期的目標。

5 經(jīng)濟效益分析

（1）技改后，變換爐蒸汽投加量減少0.6t／h，按蒸汽價格115元／t（不含稅）、年運行330d計算，全年節(jié)約的蒸汽費用為0.6×24×330×115÷10000＝54.65萬元；蒸汽使用量減少后，廢水排放也相應減少，按污水處理費用22元／t（不含稅）、年運行330d計算，全年減少的污水處理費用為0.6×24×330×22÷10000＝10.45萬元。

（2）技改后，除鹽水用量由改造前55t／h降至47t／h，按除鹽水價格6元／t（不含稅）、年運行330d計算，全年減少的除鹽水費用為（55-47）×24×330×6÷10000＝38.02萬元。

（3）技改后，變換系統(tǒng)阻力降低，相應提高了水煤氣壓縮機的綜合做功能力，水煤氣壓縮機電耗明顯下降；工藝氣的清潔度得到提高，變換催化劑及中溫水解催化劑的使用壽命得到延長，同時變脫塔阻力的降低使得變脫塔填料的使用壽命也得以延長；減少了變換系統(tǒng)設備腐蝕的風險，保證了乙二醇裝置的安全、穩(wěn)定運行。變換系統(tǒng)在這些方面的改善雖未進行詳細的效益核算，但估計其帶來的降本增效等直接或間接經(jīng)濟效益也是比較可觀的。

6 結 語

安化公司針對煤制乙二醇裝置負荷提升中外圍配套工程之變換系統(tǒng)出現(xiàn)的系統(tǒng)阻力增大、變換爐投加蒸汽量增加、變換系統(tǒng)出口總硫上漲，以及變脫塔入口氣溫度高帶來的變脫塔填料軟化變形、阻力增加等制約乙二醇裝置高負荷運行的瓶頸問題，通過對變換系統(tǒng)實施一系列的綜合技改，問題均得到有效解決，變換系統(tǒng)運行狀況有效改善、效能明顯提升，乙二醇裝置實現(xiàn)了滿負荷甚至102.14%負荷的運行目標，整套裝置取得了不錯的降本增效成果。