中低低變換改造總結

李 勇, 張 凱

(安徽晉煤中能化工股份有限公司， 安徽臨泉 236400)

安徽晉煤中能化工股份有限公司1#合成氨系統有3套變換裝置，其中2套為全低變工藝、1套為中低低變工藝。中低低變換在1#合成氨系統稱為3#變換。在高溫、加壓條件下，3套變換裝置在鈷鉬系催化劑作用下，來自壓縮二段半水煤氣中的CO與水蒸氣進行化學反應，生成CO2和H2，制得合格的變換氣。系統設有若干換熱設備，可合理利用反應熱，并通過充分回收余熱來降低能耗[1]。2013年4月，3#變換發生工藝波動、蒸汽消耗居高不下。

1 工藝流程

2006年7月，3#變換裝置建成并投產，正常生產時，來自壓縮二段的半水煤氣，經過焦炭過濾器分離油后，進入飽和塔塔底與熱水逆流接觸，提溫增濕后由塔頂出來，進入主熱交底部水分離器，同時添加適量的飽和蒸汽，以達到工藝指標所規定的氣汽比；經水分離器分離水后,經主熱交(管內)與中變爐二段出口變換氣換熱，再通過電加熱器進入中變爐一、二段進行換熱反應，以調節中變爐一、二段觸媒層溫度。其中，一部分半水煤氣不經主熱交換器，走副線直接進入中變爐一、二段。經中變二段反應的氣體經過主熱交(管間)換熱降溫后，再經一冷凝器換熱降溫，進入低變爐一段進行變換反應，進入二冷凝器換熱降溫(管間)，再進入低變爐二段完成低變反應。

從低變二段出來的變換氣，進入一水加熱器(管內)、熱水塔換熱降溫后，進入二水加換熱降溫，最后再經冷卻塔進一步冷卻并分離水后，直接進變脫崗位(見圖1)。

2 存在問題

2013年4月，煤炭供應緊張，此時煤質較差、H2S含量較高，導致裝置運行存在以下問題：

(1) 飽和塔筒體易腐蝕泄漏。中變爐進口溫度高，其進口管段易產生水汽，經常出現高溫腐蝕泄漏現象。

(2) 中變爐CO反應不徹底，造成變換氣CO不宜控制，蒸汽消耗增加。觸媒使用前期階段，系統外噸氨加蒸汽量一般為1 200～1 500 kg。

(3) 系統阻力大，壓差高達0.10 MPa。

(4) 觸媒活性差，各段觸媒層溫度時常超低溫，提溫速度慢。當低變一段中,當氧體積分數低于0.35%時，觸媒層溫度很難提上來。

(5) 中變爐二段塔壁溫度不穩定，尤其在氣量波動時多次升高，最高達375 ℃，超出其塔壁材質(16MnR)的最高使用溫度(350 ℃)，存在安全隱患。

3 原因分析

(1) 由于氣液交替沖刷，飽和塔上部筒體易發生泄漏；同時飽和塔及中變爐進口管道材質均為16MnR，而半水煤氣中一般含有CO2(體積分數為6%～14%)、H2S (體積分數為0.1%～0.3%)等酸性氣體，CO2、H2S溶于水后生成酸性介質，造成酸性腐蝕，從而破壞了氧化膜，導致碳鋼被CO2、H2S腐蝕。

(2) 中變爐段間采用噴水冷激，此方法雖然簡單易行、調節靈活，但由于噴水不勻，部分反應熱不能及時轉化為蒸汽用于變換反應，導致氣體凈化不徹底。

(3) 中變溫度高，所需要的換熱設備多，增加了系統阻力。

(4) 中變觸媒使用初期，變換系統中對半水煤氣的預處理不過關，造成低變觸媒上部氧化后被焦油堵死，從而增加了變換系統阻力；中變觸媒使用后期因粉化問題，導致系統阻力進一步增加。

(5) 中變爐內襯保溫部分可能出現開裂，引起塔壁溫度升高，特別是在氣量波動時尤其明顯。

4 實施改造

4.1 飽和塔及管道腐蝕、泄漏

(1) 由于飽和塔填料層氣液交替部分特別容易被腐蝕減薄，為避免飽和塔筒體16MnR材料與介質接觸，在飽和塔內壁進水管的周邊內襯一塊厚度為3 mm的304L不銹鋼板[2]。

(2) 從飽和塔出口至主熱交、中變爐一段進口管道均采用304L不銹鋼材質，雖然增加了費用，但是提高了可靠性和安全性。

(3) 利用提氫崗位來的氨水來調節循環熱水的pH值,將其控制在8～9之間，有效防止酸性腐蝕。

4.2 增濕降溫

將中變爐的一、二段改變為全低變爐的第一段、第二段，段間采用增濕降溫，不再使用中變爐內噴水冷激。

4.3 中變爐段間新增增濕器

采用增濕流程可以有效降低飽和熱水塔的負荷。增濕器用脫鹽水單獨用2臺多級離心泵或利用鍋爐給水泵供水[3]。

(1) 增濕器加水用調節閥控制簡單易行，調節靈活。

(2) 水的蒸發熱大而且均勻，噴少量水冷激蒸發即能達到調溫目的，同時增加氣汽比，利于下段變換反應的同時，還節省了蒸汽。

(3) 利用爐外設置增濕器噴水降溫，既能適應催化劑活性變換的要求，又能達到氣體凈化的目的。

(4) 中變爐段間部分反應熱及時轉化為蒸汽用于變換反應，飽和熱水塔余熱回收負荷減輕，利于提高熱水塔效率及降低出氣溫度。

4.4 更換催化劑

將中變爐的一、二段改裝低變催化劑分別作為變換的第一段、第二段。為避免催化劑中毒，保證各段催化劑長周期安全穩定運行，同時利于爐溫控制，將原中變爐、低變爐使用的抗毒劑、催化劑進行合理裝填。

以煤氣體積流量為60 000 m3/h為參考,催化劑裝填方案見表1。

表1 催化劑裝填方案

4.5 全面檢查中變爐內襯

修復中變爐內襯裂紋、凹坑等有缺陷部分，確保內襯結構的完整性及必要的強度。

5 修改后的工藝流程

改造后的工藝流程為：高壓機二段來的半水煤氣經冷卻除油后進入飽和塔與循環熱水傳質傳熱；出飽和塔的半水煤氣添加蒸汽后進主熱交換器與變換二段出口溫度為285 ℃的變換氣換熱，溫度升至200 ℃進入變換爐一段(中變一段)發生變換反應；溫度升至370 ℃、CO體積分數降至13%以下后，進入增濕器噴水冷激降溫至200 ℃；之后進入變換爐二段(中變二段)再次發生變換反應；溫度升至285 ℃、CO體積分數再次降至4.5%以下后，進入主熱交換器換熱后溫度降至210 ℃，進入一冷凝器降溫至180～190 ℃；而后再一次進入變換爐三段(低變)發生變換反應；溫度升至210～220 ℃、CO體積分數最后降至1.5%以下后，出變換爐進入二冷凝器、一水加熱器降溫(并聯)至90～100 ℃，在熱水飽和塔內洗滌降溫至72 ℃，經二水加熱器降溫后送至變脫。

熱水塔出口熱水經循環水泵加壓，經一水加熱器、一冷凝器加熱至113 ℃后進入飽和塔[4](見圖2)。

圖2 中低低改造后3#變換工藝流程圖

6 結語

該裝置自2013年8改造投運至今，完全達到了預期的工藝設計要求。

(1) 飽和塔筒體及中變爐進口管段腐蝕得到很好的控制，未發生泄漏。

(2) 在滿負荷的情況下，系統阻力不超過0.03 MPa，有效降低了壓縮機的動力消耗。

(3) 噸氨蒸汽消耗非常低(≤90 kg)。

(4) 用噴水增濕取代調溫水，有效降低了飽和塔的負荷；熱回收效率高，熱水塔出氣溫度最高為58 ℃。

(5) 氣體凈化徹底，系統出口CO體積分數≤1.5%。

(6) 塔壁溫度穩定在200 ℃，保溫層外表溫度為25 ℃左右，保證了裝置安全穩定運行。