可控移熱變換技術的節(jié)能分析與發(fā)展

裴松鵬

（南京敦先化工科技有限公司,南京 210048)

CO變換反應是合成氨生產(chǎn)過程中的重要工序，由于傳統(tǒng)的CO變換反應采用的是多段絕熱反應過程，工藝流程較為復雜，絕熱反應溫度高，熱量回收較困難，設備投資大。隨著 近年新型煤氣化技術的發(fā)展，傳統(tǒng)絕熱變換技術已不能滿足高汽氣比、高CO變換反應的要求。CO變換反應是一放熱反應，高汽氣比、高CO的變換反應將十分劇烈，變換難度極大， 反應溫度也難以控制。所以尋求開發(fā)能適應高汽氣比、高CO變換的可控移熱變換技術顯得尤為重要。本文就可控移熱變換技術及與絕熱變換技術的對比來闡述可控移熱變換技術的優(yōu)點及其發(fā)展方向。

1 CO變換反應原理

合成氨生產(chǎn)CO變換反應工藝主要用于CO與水蒸氣在催化劑存在條件下進行變換反應生成H2和CO2，除去原料氣中的CO，變換反應如下：

從該反應可以看出，CO變換反應是放熱反應，反應速率受反應平衡常數(shù)的影響.由于反應熱與溫度有關，溫度對CO平衡常數(shù)的影響很大，溫度越高，平衡常數(shù)Kp值越小，CO變換率就越低，變換反應就有可能達不到生產(chǎn)指標。另外，隨著反應的進行，反應溫度不斷升高，如果反應溫度高于催化劑使用的最高溫度時，會嚴重影響催化劑的活性。

原料氣中的汽氣比也是影響變換反應及能量回收的重要因素。當原料氣中汽氣比高時， 物料消耗增加，反應后過剩水蒸氣增加，系統(tǒng)需要增加能量回收裝置，增加了水消耗。但 當在低汽氣比，反應溫度大于400℃時，系統(tǒng)又會發(fā)生甲烷化副反應，該反應比變換反應放出的熱量更多，溫升更快，嚴重影響催化劑的正常操作，并增加了后續(xù)工段處理的困難。

航天爐加壓連續(xù)氣化制得的半水煤氣由于變換系統(tǒng)的壓力高，汽氣比高，CO含量高， 傳統(tǒng)的絕熱變換工藝已經(jīng)不能滿足此類變換反應，尋求一種新的變換技術(恒溫低溫水管式變換技術)是解決上述難題較好的方法.近年來由南京敦先化工公司研發(fā)的可控移熱變換反應器由于反應溫度恒定，能夠及時將反應熱移出反應體系，較節(jié)能，現(xiàn)應用在一些化工企業(yè)。

2 可控移熱變換技術介紹

由于變換反應是強放熱反應，反應熱就需要在反應過程中及時移出。可控移熱變換技術就是利用埋在催化劑床層內(nèi)部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。采用該技術后對催化劑要求降低，能杜絕催化劑飛溫，使得催化劑使用壽命延長。同時由于可控移熱變換技術使反應熱在可控移熱反應器內(nèi)部就已經(jīng)被移走，因此減少了變換系統(tǒng)的換熱設備，使得變換流程縮短，降低了整個變換系統(tǒng)阻力。

可控移熱變換反應器相當于在反應器中內(nèi)置一個換熱器，通過及時移走反應生成的熱量保持床層基本恒溫。由于溫度降低，平衡常數(shù)增大，反應程度加深，轉化率更高。低溫還使變換反應過程溫和，一直保持在最適宜溫度下。操作溫度的下降不僅降低了對變換爐的材質要求，降低了設備投資，而且使換熱設備的傳熱面積也大大縮小。

3 與原有的絕熱變換工藝對比

下面我們以某廠60000Nm3/h半水煤氣生產(chǎn)合成氨為例做一簡單的對比，組成如下：

表1 粗煤氣成分(mol%)

工藝一：可控移熱變換爐+可控移熱變換爐

工藝二：絕熱變換爐+廢熱鍋爐十絕熱變換爐+廢熱鍋爐，我們用ASPEN計算軟件分別對兩種工藝進行模擬，得出以下結果：

表2 兩種工藝經(jīng)濟技術指標對比

從表2可以看出，與工藝二相比，工藝一具有明顯的生產(chǎn)優(yōu)勢：

（l）工藝一把工藝二中的絕熱變換爐與廢熱鍋爐合二為一，也就是把廢熱鍋爐移熱管束直接放到可控移熱變換爐內(nèi)，能夠做到尾部熱量移，更多的副產(chǎn)高品位蒸汽并用于變換自身反應，使熱能得到有效的利用；

（2）與絕熱變換相比，可控移熱變換能夠做熱量前移，變換循環(huán)冷卻水消耗為“零”，這樣就大大減少了循環(huán)水的用量；

（3）工藝二中催化劑床層溫度最高達到450℃，工藝一由于管束中的水移走了催化反應熱，催化劑床層的最高點溫度只有280℃。催化劑床層溫度的降低，有效杜絕了反硫化現(xiàn)象，并且催化劑在低溫下進行反應，反應速率常數(shù)變大，反應比較徹底，低溫還有效延長了催化劑使用壽命；

4 可控移熱反應器與絕熱反應器結構對比

4.1 絕熱反應器

在此類反應器中，往往流體的流速較大，流體在軸向流經(jīng)催化劑床層時，由于受到較小流通截面積的限制，床層壓降較大，同時為了保證工藝氣體能夠與催化劑較好的反應，經(jīng)常裝填較多的催化劑。這樣的話，催化劑床層高度較高，催化劑熱點溫度上移，催化劑得不到有效利用，活性下降較快，這樣使得出口CO含量增加，熱量回收困難，能耗增加，這樣也會使得催化劑更換頻繁，影響整個生產(chǎn)周期。

4.2 可控移熱變換反應器

可控移熱變換技術的關鍵是可控移熱變換反應器，或稱為可控移熱變換爐，它采用的 是徑向結構，由內(nèi)件與外筒組成。內(nèi)件與外筒可以拆卸，管內(nèi)走水、管外裝填催化劑，下部設有催化劑自卸口。原料氣從變換反應器上部進入變換反應器后進入催化劑床層，然后沿徑向通過催化劑床層，反應的同時與埋設在催化劑床層內(nèi)的水管換熱，再經(jīng)內(nèi)部集氣筒收集后由下部出變換反應器。水自變換反應器下部進水管入反應器，與反應氣體換熱，然后通過集水箱收集后出變換反應器。可控移熱變換反應器及配套工藝特點：采用單臺可控移熱變換爐代替多段絕熱變換 爐，避免了在管道中發(fā)生的熱量損失，使更多的反應熱副產(chǎn)飽和蒸汽并用于變換系統(tǒng)，工藝流程更加簡單，設備更加緊湊，能耗更加節(jié)省.在操作過程中只需汽包副產(chǎn)蒸汽的壓力即可調節(jié)變換爐床層溫度，另外通過控制蒸汽加入量，即可有效控制可控移熱變換爐出口氣體中的含量，操作更加方便。

可控移熱變換反應器簡化了傳統(tǒng)絕熱變換復雜的換熱體系，并簡化了工藝流程，使生 產(chǎn)的能耗和物耗都有所降低。

5 小結

綜上所述，可控移熱變換無論是在能耗、物耗的投資、生產(chǎn)周期，還是在變換反應的適應性上(包括粉煤氣化與航天爐加壓氣化)，都比傳統(tǒng)的絕熱反應有著較大的優(yōu)勢。

[1] 王慶新.“水移熱等溫變換技術”在高水氣比、高CO變換裝置的應用[J].中氮肥，2013(04):21-22.

[2] 張麗一.氧化碳等溫變換工藝與常規(guī)變換工藝對比[J].大氮肥，2010(04):232-235.