“水移熱等溫變換技術(shù)”用于高水氣比高一氧化碳煤化工裝置簡述

王慶新

（南京敦先化工科技有限公司，江蘇 南京 210048）

南京敦先化工科技有限公司開發(fā)的第一套“水移熱等溫變換技術(shù)”在湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛化工有限公司順利投入運行后，此項專利技術(shù)又被安徽昊源化工集團有限公司 “合成氨尿素18·30原料路線改造”的加壓連續(xù)氣化（航天爐加壓氣化、干基CO含量71.15%）的高水氣比高一氧化碳大型煤化工變換裝置采用，該套水移熱等溫變換裝置將于2013年底投入運行。“水移熱等溫變換技術(shù)”之所以被大型加壓氣化所選用，主要因為該項專利技術(shù)與傳統(tǒng)高水氣比高一氧化碳變換裝置相比，主設備減少1／3，流程縮短1／3，工程投資僅為原工藝的2／3，系統(tǒng)阻力由現(xiàn)有的0.46MPa 降至0.16MPa，噸氨副產(chǎn)2.5～3.7MPa高品位蒸汽1030kg，0.8～1.3MPa低品位飽和蒸汽273kg。

“水移熱等溫變換技術(shù)”是利用埋在催化劑床層內(nèi)部的移熱水管束將催化劑床層反應熱及時移出，確保催化劑床層溫度可控，改變原來通過催化劑裝填量來控制催化劑床層溫升的被動設計理念。“水移熱等溫變換技術(shù)”對催化劑要求降低，杜絕飛溫現(xiàn)象，催化劑裝填量不受超溫限制，有效延長催化劑使用壽命，確保每爐催化劑使用壽命均在8年以上。同時，埋在催化劑床層內(nèi)部的移熱水管束有效回收變換系統(tǒng)反應熱及水煤氣帶進變換系統(tǒng)的顯熱和潛熱，熱量回收集中，品位高。在工藝流程設置上，變換系統(tǒng)不僅換熱設備少、流程短、阻力低，而且工程投資也低。

1 現(xiàn)有高水氣比高一氧化碳變換工藝狀況及存在的問題

高水氣比高一氧化碳的變換一般采用鈷鉬系催化劑全低變工藝，水氣比高、CO濃度高、系統(tǒng)壓力高，工藝上存在缺陷，投入運行的裝置已暴露諸多問題。以航天爐變換工藝為例，原料氣中CO高達68%以上。如果增加一變爐催化劑用量，稍不注意一變爐催化劑被燒掉；減少一變爐催化劑用量，雖然解決了超溫難題，但催化劑使用壽命短，1.0～1.5a就要更換一次，催化劑運行周期不適應大型化裝置的要求。目前，航天爐加壓氣化水煤氣的變換為“五段絕熱（一變爐分兩段分流進入）”式，系統(tǒng)靜止設備為24臺，其中換熱設備10臺，工藝路線長，系統(tǒng)阻力為0.46MPa，熱能回收有 0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa的飽和蒸汽及84℃、100℃、180℃的熱水，噸氨冷卻水消耗高達7820.1kg，系統(tǒng)低品位熱能較多、運行能耗高、工程投資大。

引進的殼牌（Shell）氣化工藝，變換存在航天爐氣化變換同樣的問題。近幾年，部分煤化工企業(yè)將殼牌氣化爐的出口氣體溫度降低，降低水氣比，然后又添加蒸汽。改造后的工藝解決了催化劑超溫燒結(jié)難題，但系統(tǒng)工藝流程更長，人為增加工程投資，增加系統(tǒng)阻力，系統(tǒng)能耗增高。

水煤漿氣化的變換工藝，雖然CO摩爾分率偏低一些，采用的變換技術(shù)仍為三段或四段絕熱反應的工藝流程，水煤氣或變換氣每一階段顯熱和潛熱的回收均需要單獨一臺間接換熱設備，與航天爐、殼牌等水煤氣變換工藝一樣，存在工藝路線長、工程投資大、系統(tǒng)阻力大、低品位熱能多等缺陷。

2 水移熱等溫變換技術(shù)研發(fā)與進展

近幾年來，部分技術(shù)研發(fā)單位對現(xiàn)有變換存在的問題進行研究，并開發(fā)出水管埋在催化劑床層副產(chǎn)蒸汽的等溫變換技術(shù)，但僅是將低壓甲醇反應器搬到變換系統(tǒng)使用，而沒有將變換本征動力學、宏觀動力學、熱力學以及變換系統(tǒng)本身有顯熱和潛熱的特點結(jié)合起來，同時也沒有對現(xiàn)有不同類型的變換工藝作深入調(diào)查和研究。因此，推廣較慢、收效甚微。

南京敦先化工科技有限公司自成立至今始終把降低變換能耗作為主攻方向之一，并將徑向氣體分布專利技術(shù)、水移熱低壓甲醇合成專利技術(shù)、低阻力高效換熱器專利技術(shù)、階梯式回收余熱理念與變換本征動力學、宏觀動力學、熱力學以及變換系統(tǒng)本身固有顯熱和潛熱的特性有機結(jié)合起來，成功開發(fā)出 “有飽和熱水塔低水氣比水移熱等溫變換技術(shù)”、“無飽和熱水塔低水氣比水移熱等溫變換技術(shù)”、“高水氣比高一氧化碳水移熱等溫變換技術(shù)”。以上 “水移熱等溫變換技術(shù)”不僅適用新裝置，同時也可用來改造已投入運行的高能耗變換裝置。

南京敦先開發(fā)的 “水移熱等溫變換技術(shù)”已被湖南安鄉(xiāng)晉煤金牛公司有飽和熱水塔的低水氣比變換裝置及安徽昊源化工集團高水氣比高一氧化碳的大型煤化工變換裝置所采用，充分說明“水移熱等溫變換技術(shù)”已經(jīng)非常成熟。

表1 技術(shù)經(jīng)濟指標對比（噸氨）

3 “水移熱等溫變換技術(shù)”與航天爐氣化原有變換工藝運行指標對比

我們將為安徽昊源化工集團有限公司 “合成氨尿素18·30原料路線改造”的加壓連續(xù)氣化高水氣比高一氧化碳大型煤化工變換裝置設計的“水移熱等溫變換”裝置與航天爐加壓氣化變換裝置技術(shù)經(jīng)濟指標分別列于表1。

我們按照0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa蒸汽價格為80元／t、120元／t、150元／t以及原料煤、電價、循環(huán)水等分別為850元／t、0.35元／（kW·h）、0.8元／t，并把加熱脫鹽水，除氧水、工藝冷凝水、消耗的冷卻水等全部按照熱能折算為23MJ的煤耗計算。與傳統(tǒng)變換工藝相比，南京敦先化公司“水移熱等溫變換技術(shù)”噸氨可以節(jié)省142.13元的運行費用，對于單套200kt／a合成氨裝置，全年可以節(jié)省2842.60萬元。

4 結(jié) 論

南京敦先公司開發(fā)的 “水移熱等溫變換技術(shù)”不僅適用于航天爐、殼牌、水煤漿等各類加壓氣化新建變換裝置，也適用于原有老變換裝置節(jié)能改造。該項技術(shù)開發(fā)成功不僅為化肥企業(yè)節(jié)能，同時可以為煤制天然氣、煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制烯烴等大型煤化工企業(yè)節(jié)能增效。