某造氣工藝技術改造項目CO變換工藝的優化及效果探究

楊學偉

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

變換工序是新型煤化工工藝中不可或缺的一道工序，其工藝位置設置在氣化工序之后，主要作用是促進富產氫氣，降低合成氣中CO的含量[1]。目前，對CO變換工藝技術的研究已超過130年，且未來變換工藝技術還將得到進一步的優化、提升和發展[2]。

本文以某公司造氣工藝技術改造項目中CO變換工藝為研究對象，對變換工段進行了必要的優化改造，以滿足后續甲醇生產需要。

1 項目概述及變換系統改造前現狀

1.1 項目概述

2016年，某10萬t/a合成油示范工程實施造氣工藝技術改造項目，為滿足甲醇生產對原料合成氣的要求，采用寬溫耐硫部分變換工藝及先進的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術，并通過旁路配氣等手段，使出變換系統的變換氣組分滿足后續工藝對CO含量的要求。

1.2 變換系統改造前現狀

原氣化系統為灰熔聚流化床造氣工藝及灰熔聚粉煤加壓氣化技術。據監測，此工藝煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量較低[出氣化界區粗煤氣中CO(干基)體積分數為30%]，進出口甲烷及變換氣中氨、粉塵等有害物質含量較高，不能很好地使出變換系統的變換氣組分滿足生產甲醇的要求。

甲醇合成反應需要控制合成新鮮氣中的氫碳體積比，要求出變換工段的變換氣中CO體積分數降低至20%左右。為了提高出氣化界區粗煤氣中CO(干基)體積分數，同時降低出變換工段的變換氣中CO體積分數，保證變換率，需對原變換系統進行相應改造。

2 變換系統優化改造

為了使出變換系統的變換氣組分滿足生產甲醇的要求，本優化改造項目首先采用先進的HT-L航天爐粉煤加壓氣化技術代替原技術，取消了原有變換裝置的變換爐、進料混合器等[3]。同時，為了節約投資，降低項目改造成本，本項目決定要盡可能多地利用原裝置中的設備。具體優化改造如下：

2.1 工藝技術優化

本項目的工藝優化主要包括以下三點：1號變換爐上段增加粗煤氣進口旁路管線；2號變換爐增加工藝副線；增加高壓CO2管線對變換爐進行降溫。工藝技術優化后具體工藝流程如第109頁圖1所示。

創新一：1號變換爐上段增加粗煤氣進口旁路管線，如圖1中序號①。具體作用為，當系統負荷低時，由于熱交換強度降低，爐內下段床層形成積熱，溫度會漲至450 ℃，也就是會造成“飛熱”現象，同時，還會造成爐內反應過深及甲烷化反應發生增加等問題。此時，如果打開進口旁路后，可通過調控旁路

圖1 變換爐操作優化工藝技術流程

粗煤氣進氣量，帶走爐內部分熱量，有效控制床層溫度在400 ℃以內，預防爐內“飛溫”現象，同時解決變換反應過深問題，以及降低爐內甲烷化反應幾率。

創新二：2號變換爐增加工藝副線，如圖1中序號②。具體作用有兩個方面：防止變換反應過深，進而導致不滿足后續甲醇生產要求；防止粗煤氣中有機硫未經高溫反應，影響后序低溫甲醇洗。因為如果不進行此優化操作，粗煤氣全部進入兩臺變換爐進行變換，會導致變換反應過深，不滿足后序甲醇生產；如果通過調整系統副線閥AV-611004，增加副線過氣量，來防止出口變換氣中CO體積分數過低，但又易造成有機硫帶入到后序低溫甲醇洗系統。因此，通過調整2號變換爐副線開度，不僅可以保證煤氣全部進1號變換爐進行反應，降低變換氣中的有機硫含量，還可控制2號變換爐的進氣量，防止出現變換反應過深，不滿足后序甲醇生產的要求。

創新三：增加高壓CO2管線對變換爐進行降溫，如圖1中序號③。由于CO2是很好的惰性氣體，利于變換物理降溫，可控制反應速度，同時，CO2可被后序低溫甲醇洗系統吸收脫除，副產CO2產品氣，因此，增加壓力6.5 MPa、溫度120 ℃的高壓CO2管線對變換爐進行降溫。

2.2 設備技術優化

本項目的設備優化主要包括以下兩點：1號和2號變換爐內催化劑支撐由篩板改為瓷球；在洗氨裝置內增加噴嘴，霧化洗滌水，降低變換氣中氨含量。具體如下：

1) 催化劑支撐優化。變換爐內支撐原設計為篩板支撐，經工藝操作和運行發現，篩板支撐存在設備結構不合理，易因工藝條件劇烈變化產生破裂，導致催化劑漏入集氣器，隨變換氣進入2號變換爐，導致2號變換爐壓差升高，直接影響到系統運行。而將1號爐上、下兩層與2號爐上層分別更換為Φ25 mm與Φ10 mm瓷球，可以彌補催化劑篩板支撐的缺點，解決設備結構不合理引起催化劑粉化的問題，從而促進系統正常運行。變換爐內催化劑支撐由篩板改為瓷球，具體如圖2所示。

圖2 變換爐內催化劑支撐優化后效果圖

2) 在洗氨裝置內增加噴嘴。粗煤氣中存在一定量的氨，隨變換氣直接進入低溫甲醇洗系統，影響系統穩定運行。而如果常規的洗氨塔等設備，雖然可以去除氨，防止低溫甲醇洗系統發生氨累積，但投資較高。為此，在變換裝置第一分離器前的一段管線上增加噴嘴混合器，霧化洗滌水，經氣液分離后冷凝液送汽提塔氣提，不僅可以大幅降低變換氣中的氨含量，還可降低投資，實現運行效果與經濟效益的雙贏。

3 CO變換工藝優化改造效果及分析

通過本次工藝技術優化及設備技術優化，變換系統改造前后100%負荷下系統氣量、進出口甲烷、變換氣中有害物質對比結果如表1所示。

表1 變換系統改造前、后各指標對比

由表1可知，系統改造后有如下優點：

1) 系統氣量。系統改造后，煤氣、煤氣中有效氣(H2+CO)量及變換氣量明顯增加，不僅大幅度提高了合成反應的合成氣量，提高了了甲醇產能，還增加了變換氣中可以利用的CO2量。

2) 進、出口甲烷對比。系統改造后，變換系統100%負荷下進、出口甲烷明顯降低，大幅度提高了碳轉化率，進一步釋放了甲醇合成產能，降低了甲醇生產成本。

3) 變換氣中有害物質對比。系統改造后，由于在分離器前加裝了噴嘴洗氨裝置，變換氣中氨含量由10 mg/m3降低為4 mg/m3，有效地脫除了變換氣中氨，降低了變換氣中氨含量；系統改造后，煤氣經過水激冷，又經變換入口降溫分離后，粉塵含量由0.96 mg/m3降低為0.01 mg/m3，大大降低了粉塵含量，改善了低溫甲醇洗的甲醇品質；系統改造后，水含量由0.26 t/h變為0.28 t/h，略有升高，可能是因為，改造前、后變換氣的溫度均為30 ℃，夾帶水皆被分離，但改造后系統在洗氨裝置內增加噴嘴，霧化洗滌水，故略有升高，但總體而言，變化不明顯，影響不大。

本次改造利用了原系統中舊的換熱設備及變換爐，降低了投資成本。變換系統自2017年1月開車，通過優化工藝操作和運行參數，滿負荷穩定運行，日產甲醇最高達1 237 t。目前，2號變換爐工藝副線開度控制在30%左右，變換催化劑已使用2年時間，催化劑活性穩定，且沒有出現有機硫和煤粉的攜帶問題，以及因催化劑粉化造成的系統壓差高的現象。

4 結論

綜上所述，本次項目通過對工藝、設備等進行一系列優化創新改造，大幅提高了合成反應的合成氣量，降低了變換氣中甲烷含量以及氨、粉塵等有害物質含量，為甲醇合成系統提供了合格的變換氣，為后序系統生產合格的甲醇奠定了基礎，最重要的是變換后系統還實現了長周期、滿負荷的穩定運行。