謝德虎

(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)

一氧化碳變換是當(dāng)前煤化工項目中極為關(guān)鍵的組成環(huán)節(jié),依托變換反應(yīng)的支持將粗煤氣里面含有的CO和H2O進一步轉(zhuǎn)化獲得H2,達到對粗煤氣介質(zhì)內(nèi)氫碳比進行調(diào)節(jié)控制的目的,更好地滿足下游裝置的生產(chǎn)需要。該變換反應(yīng)屬于可逆放熱反應(yīng),傳統(tǒng)變換技術(shù)通常選擇若干絕熱變換反應(yīng)器進行串聯(lián)的方式來獲得目標(biāo)變換深度,利用低水氣比工藝或者是高水氣比工藝的方式達到避免催化劑床層出現(xiàn)超溫問題的目的。但是,不管是何種高低水氣比形式的處理工藝,都難以由根本上解決高溫狀態(tài)下催化劑使用壽命較短的難題。在近些年的發(fā)展中,控溫變換技術(shù)獲得足夠的關(guān)注與重視,與此相關(guān)的技術(shù)突破很好地處理了“雙高”粗煤氣變換反應(yīng)催化劑床層超溫難題。

1 控溫變換技術(shù)原理

催化劑床層里面布置換熱單元,選擇的移熱介質(zhì)是水,借助副產(chǎn)蒸汽的形式達到轉(zhuǎn)移反應(yīng)熱的效果,確保整體變換反應(yīng)能夠在低溫水平下展開,避免催化劑床層超溫,盡量將反應(yīng)溫度控制到最佳溫度曲線水平。

2 控溫變換技術(shù)特點

對比傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù),控溫變換技術(shù)表現(xiàn)出下述特點。

(1)催化劑用量少,壽命長。反應(yīng)器內(nèi)配備著移熱單元,能夠確保整體變換反應(yīng)都處在最佳溫度曲線的范圍展開(見圖1),不僅所需要使用的催化劑量更少,而且催化劑床層溫度相對偏低,能夠提高催化劑整體的使用時間與使用效率。

圖1 催化劑床層與最佳溫度曲線

(2)系統(tǒng)阻力降低?？紤]到本反應(yīng)處在溫度相對較低的水平,因此,在CO轉(zhuǎn)化率得到提升的同時,流程得以精簡,設(shè)備數(shù)量更少,系統(tǒng)整體的阻力降有所降低。

(3)流程簡單,易操作。借助汽包壓力進行控制的方式就能夠管控反應(yīng)溫度,整體操作更加便捷。

3 控溫變換反應(yīng)器

按照變換反應(yīng)器內(nèi)流體流動方式的差別,將其區(qū)分為徑向反應(yīng)器、軸向反應(yīng)器以及軸徑向反應(yīng)器幾種形式。其中,徑向反應(yīng)器的阻力相對較小,能夠更好地實現(xiàn)反應(yīng)工作,因此,備受研究者的喜愛?，F(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域,用到較多的就是此種形式的反應(yīng)器裝置。

按照反應(yīng)器配置移熱單元的組成差別,將其區(qū)分成繞管式、列管式和套管式等三種形式。由于目前繞管式工業(yè)化應(yīng)用較少,在這里不做詳細(xì)介紹。目前在國內(nèi)市場上,其主要結(jié)構(gòu)形式為列管式和套管式。控溫變換工業(yè)化應(yīng)用業(yè)績較多的專利商分別為南京敦先、正元塔器、華爍科技和湖南安淳。以下對各專利商的控溫變換反應(yīng)器技術(shù)特點進行分別說明。

3.1 列管式控溫變換反應(yīng)器

按列管式結(jié)構(gòu)特點,主要有南京敦先、正元塔器和華爍科技等三家,但每家列管結(jié)構(gòu)、氣體進出口位置、上下部聯(lián)箱進出口、氣體收集口等局部結(jié)構(gòu)都有所不同。

3.1.1南京敦先控溫變換反應(yīng)器

南京敦先的控溫變換反應(yīng)器催化劑在管間,管內(nèi)是鍋爐水,反應(yīng)熱副產(chǎn)中壓蒸汽或低壓蒸汽。控溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 南京敦先-控溫變換反應(yīng)器

該控溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)為徑向反應(yīng)器,管外裝有催化劑,管內(nèi)通入蒸汽與水。粗煤氣由頂部進入到反應(yīng)器內(nèi),流經(jīng)筒體以及催化劑框兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內(nèi)配備收集管,結(jié)束反應(yīng)的變換氣能夠在收集管匯合,進而從反應(yīng)器底部流出反應(yīng)器。水室所需要的鍋爐給水則經(jīng)反應(yīng)器底部流入管內(nèi),由下部聯(lián)箱完成分配的情況下流入換熱管,水則會在換熱管內(nèi)獲取到足夠反應(yīng)熱的情況下生成蒸汽,并在上部蒸汽聯(lián)箱匯集后從反應(yīng)器頂部離開。

該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器的殼體一般采用鉻鉬鋼,而換熱管及相應(yīng)內(nèi)件都采用奧氏體不銹鋼。該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器有以下特點。

(1)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。殼體承壓部分與催化劑框分開設(shè)計,發(fā)現(xiàn)內(nèi)件有漏點也不影響生產(chǎn),可單獨更換催化劑筐。

(2)制造周期短。外殼體和內(nèi)件分開制造,外殼體可以提前交付,以供項目現(xiàn)場安裝配管,內(nèi)件可在催化劑裝填前進行制造,不影響工期。

(3)管束安全性能高。換熱管全部為不銹鋼無縫鋼管,可以自由伸縮,安全系數(shù)高。

(4)催化劑利用率高、阻力降低、床層溫度穩(wěn)定。無軸徑向混合流區(qū),只有徑向流區(qū)。

(5)催化劑裝卸方便。下部設(shè)有多個自卸口。

(6)換熱管管頭封堵方便。聯(lián)箱直徑足夠大,人員可以進入里面。

(7)殼體直徑不宜太大。由于設(shè)備殼體上設(shè)置法蘭,如設(shè)備殼體直徑太大,導(dǎo)致設(shè)備法蘭也越大,設(shè)備法蘭的密封就越困難。

3.1.2正元塔器控溫變換反應(yīng)器

該工藝控溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 正元塔器-控溫變換反應(yīng)器

該控溫變換反應(yīng)器屬于軸徑向反應(yīng)器,管外裝有催化劑,管內(nèi)則安排通入蒸汽與水。粗煤氣由上部進入到反應(yīng)器內(nèi),部分從上部直接進入催化劑床層,部分流經(jīng)筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內(nèi)配有收集管,結(jié)束反應(yīng)的變換氣能夠在進入收集管的情況下匯合,進而從反應(yīng)器頂部流出。水室所需要的鍋爐給水則經(jīng)反應(yīng)器底部流入管內(nèi),由下部聯(lián)箱分配水流入換熱管內(nèi),被變換氣加熱后的蒸汽進入上部蒸汽聯(lián)箱,收集后從反應(yīng)器頂部離開。

該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器的殼體一般采用鉻鉬鋼或鉻鉬鋼與不銹鋼復(fù)合板,而換熱管及相應(yīng)內(nèi)件都采用奧氏體不銹鋼。該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器有以下特點。

(1)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。殼體承壓部分與催化劑筐焊接在一起,更換內(nèi)件較麻煩。

(2)管束安全性能高。換熱管全部為不銹鋼無縫鋼管,可以自由伸縮,安全系數(shù)高。

(3)催化劑床層阻力降較低,床層溫度有波動。有軸徑向混合流區(qū),徑向流區(qū)面積多,軸向流區(qū)面積少。

(4)催化劑卸料不太方便。下部設(shè)有裙座,卸料口在裙座內(nèi)影響卸料。

(5)換熱管管頭封堵不太方便。上下部聯(lián)箱直徑較小,人員進入困難。

(6)設(shè)備宜大型化。設(shè)備殼體上未設(shè)置設(shè)備法蘭,殼體整體焊接,殼體直徑一般不受設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

3.1.3華爍科技控溫變換反應(yīng)器

華爍科技的控溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4 華爍科技-控溫變換反應(yīng)器

該控溫變換反應(yīng)器為全徑向結(jié)構(gòu),管外裝有催化劑,管內(nèi)則安排走水與蒸汽。粗煤氣由下部側(cè)向進入到反應(yīng)器內(nèi),流經(jīng)筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內(nèi)配備收集管,結(jié)束反應(yīng)的變換氣能夠在進入收集管的情況下匯合,進而從反應(yīng)器底部流出反應(yīng)器。水室所需要的鍋爐給水則經(jīng)內(nèi)管底部球形聯(lián)箱進行分配后再流向換熱管。后續(xù)被變換氣加熱后的蒸汽進入球形聯(lián)箱收集后從反應(yīng)器頂部離開。

該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器的殼體、換熱管及內(nèi)件一般都采用鉻鉬鋼。該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器有以下特點。

(1)管束連接結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單。換熱管無應(yīng)力設(shè)計,管頭焊縫不與工藝氣體接觸,避免H2S、H2O對焊縫的應(yīng)力腐蝕。

(2)換熱管全部為鉻鉬鋼無縫鋼管,耐腐蝕性能不高。

(3)催化劑床層阻力降低,床層溫度可控制。全部為徑向流區(qū),阻力小,壓降低。

(4)催化劑卸料較方便。下部設(shè)有多個卸料口,卸料較方便。

(5)換熱管管頭封堵方便。上下聯(lián)箱為大球形容器,進入方便,換熱管有問題時方便封堵管頭。

(6)換熱管熱應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)合理。主要換熱管與殼體材料相近,且換熱管下部采用U形彎結(jié)構(gòu),管束收縮自由,釋放了熱應(yīng)力。

(7)設(shè)備宜大型化。設(shè)備殼體上未設(shè)置設(shè)備法蘭,殼體整體焊接,殼體直徑一般不受設(shè)備法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

3.2 套管式控溫變換反應(yīng)器

湖南安淳的控溫變換反應(yīng)器為套管式,該控溫變換反應(yīng)器結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 湖南安淳-控溫變換反應(yīng)器

該反應(yīng)器為雙套管式控溫變換反應(yīng)器,其結(jié)構(gòu)為徑向反應(yīng)器。

外套管外裝有催化劑,外套管內(nèi)則安排通入蒸汽與水。粗煤氣由底部接入到反應(yīng)器內(nèi),流經(jīng)筒體以及催化劑筐兩者間隙徑向流過催化劑床層。其中,催化劑筐內(nèi)配備著收集管,結(jié)束反應(yīng)的變換氣在收集管匯合,進而從反應(yīng)器底部流出。

反應(yīng)器上方配有汽室與水室,內(nèi)外套管組成的換熱管,其外套管連接到汽室,內(nèi)套管則連接到水室,外套管端部位置則處在盲死狀態(tài)。水室所需要的鍋爐給水則經(jīng)內(nèi)套管底部進入到外套管內(nèi),吸收變換反應(yīng)熱量得到蒸汽,然后流經(jīng)汽室并流出反應(yīng)器。

該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器的殼體、大法蘭一般采用鉻鉬鋼,外套管采用奧氏體不銹鋼,內(nèi)套管采用碳鋼。該結(jié)構(gòu)的控溫變換反應(yīng)器有以下特點。

(1)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計安全可靠。雙套管采用了雙管板的結(jié)構(gòu),采用了直管無縫鋼管,使換熱管管頭焊接質(zhì)量和檢測質(zhì)量得到保證。

(2)管束材料分介質(zhì)使用。內(nèi)套管內(nèi)外接觸水和蒸汽介質(zhì),采用普通碳鋼;外套管接觸變換氣,采用奧氏體不銹鋼。

(3)催化劑床層阻力低,床層溫度低。管板全部為特殊的均勻布管,每個裝料孔周圍都是換熱管(見圖6),催化劑床層阻力≤0.02 MPa,系統(tǒng)阻力≤0.3 MPa,有效降低生產(chǎn)運行費用。

圖6 裝料孔布置示意

(4)催化劑裝卸較方便。上部有多個裝料孔,下部設(shè)有多個卸料口,卸料較方便。

(5)換熱管管頭封堵方便。管板結(jié)構(gòu)都可以抽出,封堵管頭較方便。

(6)換熱管熱應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)合理。雙管板結(jié)構(gòu),外套管與內(nèi)套管分別與下管板和上管板相連,換熱管垂直安裝,伸縮自由,有效吸收熱膨脹應(yīng)力,使用安全可靠。

(7)設(shè)備殼體設(shè)置設(shè)備法蘭,一般需采用焊接密封來保證其密封性能。同時由于受設(shè)備殼體大法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計的限制,也在一定程度上限制了設(shè)備的大型化。

(8)設(shè)備材料用量較大。使用套管結(jié)構(gòu),換熱管較多,雙管板結(jié)構(gòu),材料用量較多。

4 各結(jié)構(gòu)的技術(shù)對比

不同結(jié)構(gòu)的綜合技術(shù)對比見表1。

表1 不同結(jié)構(gòu)的綜合技術(shù)對比

5 結(jié)語

以上結(jié)合不同專利商的控溫變換反應(yīng)工藝,分析了各種控溫變換反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點及其優(yōu)缺點?？販刈儞Q反應(yīng)器的設(shè)計應(yīng)系統(tǒng)地從結(jié)構(gòu)可靠性、投資費用、應(yīng)用業(yè)績、便于使用維護等多方面綜合考慮,以便設(shè)計出安全可靠、經(jīng)濟合理的控溫變換反應(yīng)器。