水煤氣變換系統(tǒng)運行問題及技術(shù)改造實踐

鄧文剛

（中海石油華鶴煤化有限公司，黑龍江 鶴崗154100）

中海石油華鶴煤化有限公司（簡稱華鶴公司）以煤為原料，設(shè)計生產(chǎn)30萬t/a合成氨、52萬t/a尿素，于2015年3月投料生產(chǎn)，煤氣化裝置采用6.5 MPa（G）德士古水煤漿工藝，變換系統(tǒng)采用耐硫深度變換工藝，氣體凈化精制采用低溫甲醇洗和液氮洗工藝，合成采用丹麥托普索合成技術(shù)。

2015年4月開車接氣后，在實際運行中發(fā)現(xiàn)水煤氣變換系統(tǒng)出現(xiàn)了第一變換爐催化劑入口溫度高且低溫活性得不到充分應(yīng)用、高溫冷凝液閃蒸槽壓力低、煤氣預(yù)熱器頻繁結(jié)垢堵塞、汽提系統(tǒng)結(jié)晶和中壓廢熱鍋爐排污水不能回收等問題，導(dǎo)致運行成本增加，嚴(yán)重制約了裝置長周期穩(wěn)定運行。根據(jù)2015年—2018年裝置的實際運行情況，進(jìn)行了多項技術(shù)改造，現(xiàn)將其介紹如下。

1 變換系統(tǒng)工藝流程

水煤氣變換系統(tǒng)工藝流程示意圖見圖1，圖中虛線為改造新增部分。

圖1 水煤氣變換系統(tǒng)工藝流程示意圖

來自煤氣化裝置的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)為46%的粗煤氣進(jìn)入變換系統(tǒng)，經(jīng)過液態(tài)水分離、過濾、預(yù)熱后進(jìn)入第一變換爐、第二變換爐進(jìn)行深度變換，變換后的一氧化碳體積分?jǐn)?shù)小于1.5%的變換氣進(jìn)入低溫甲醇洗系統(tǒng)，中間回收的反應(yīng)熱量可生產(chǎn)4.2 MPa（G）、420℃的中壓蒸汽和0.6 MPa（G）、165℃的低壓蒸汽，并對鍋爐給水和脫鹽水進(jìn)行預(yù)熱，冷卻后的180℃高溫冷凝液進(jìn)入高溫冷凝液閃蒸槽，由高溫冷凝液泵送到氣化裝置洗滌塔，低溫冷凝液送到汽提系統(tǒng)汽提，之后送到氣化裝置，汽提尾氣送到火炬。

2 存在的問題及改造措施

2.1 高溫冷凝液閃蒸槽壓力低

高溫冷凝液閃蒸槽的設(shè)計壓力為5.5 MPa（G），閃蒸后的冷凝液經(jīng)高溫冷凝液泵加壓至8.0 MPa（G）后，送到氣化裝置洗滌塔。變換系統(tǒng)實際運行中，工藝?yán)淠悍蛛x罐壓力為5.8 MPa（G）～6.0 MPa（G），冷凝液經(jīng)過閥門減壓后送到高溫冷凝液閃蒸槽，此時壓力低于4.7 MPa（G），達(dá)不到高溫冷凝液閃蒸槽的設(shè)計壓力，前后壓差小、閃蒸量小，加之溫度降低后水蒸氣被冷凝，造成高溫冷凝液泵入口壓力低于4.7 MPa（G），達(dá)不到設(shè)計壓力5.6 MPa（G），導(dǎo)致泵出口壓力達(dá)不到8.0 MPa（G），很難將高溫冷凝液送到氣化裝置洗滌塔。

為了提高閃蒸槽壓力，考慮將高壓氮氣接入閃蒸槽。2015年6月，華鶴公司利用就近的高壓氮氣高點排氣，引一根25 mm管道到閃蒸槽頂部的預(yù)留口（見圖1虛線D），接入氮氣后很容易將閃蒸槽壓力控制在5.5 MPa（G）左右，滿足了生產(chǎn)需要，并且使高溫冷凝液泵電機(jī)頻率輸出降低9個百分點，電費下降。接入氮氣前后數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 接入氮氣前后數(shù)據(jù)對比

2.2 第一變換爐催化劑低溫活性得不到充分利用，使用壽命降低

進(jìn)變換系統(tǒng)粗煤氣的溫度（飽和）為235℃，按照規(guī)定和催化劑初期低溫活性的要求，需要將第一變換爐入口溫度控制在255℃～260℃，實際運行中發(fā)現(xiàn)入口溫度最低只能控制在288℃，即使將煤氣預(yù)熱器旁路閥全部打開，也無法達(dá)到理想溫度，導(dǎo)致催化劑低溫活性得不到充分利用，催化劑使用壽命降低。

分析發(fā)現(xiàn)，出第一變換爐的變換氣進(jìn)入煤氣預(yù)熱器殼程或者旁路管道時，由于殼程阻力小，即使將旁路閥全開，大部分高溫變換氣仍然通過殼程預(yù)熱粗煤氣，導(dǎo)致出煤氣預(yù)熱器管程的粗煤氣溫度較高。所以，必須盡可能減少進(jìn)入煤氣預(yù)熱器殼程的變換氣量、增加進(jìn)入旁路的變換氣量，以減少換熱量，從而降低進(jìn)入第一變換爐粗煤氣的溫度。

2016年7月檢修期間，在變換氣進(jìn)入煤氣預(yù)熱器殼程管道前增加一個現(xiàn)場閥門（見圖1虛線C），用于控制進(jìn)入煤氣預(yù)熱器的變換氣流量，改造后可以將第一變換爐入口溫度調(diào)節(jié)到理想溫度（255℃～260℃），催化劑低溫活性得到了充分利用，使用壽命得到了延長。

2.3 蒸汽汽提系統(tǒng)結(jié)晶

含有氨、二氧化碳、硫化氫、水的變換低溫冷凝液經(jīng)過汽提塔汽提后送到氣化裝置，汽提后的回流冷凝液中的氨以銨鹽形式存在，并被進(jìn)一步提濃，溫度低時銨鹽達(dá)到飽和而結(jié)晶析出固體[1]，進(jìn)而堵塞管道、導(dǎo)壓管、閥門等位置，導(dǎo)致壓力表、液位計失真，冷凝液回流泵機(jī)封經(jīng)常損壞（機(jī)封需要兩個月更換一次），造成汽提系統(tǒng)不穩(wěn)定，低溫冷凝液中氨氮超標(biāo)等。

經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)堵塞的部分管道沒有伴熱或者伴熱溫度較低，導(dǎo)致冷凝液中銨鹽析出，進(jìn)而堵塞管道、閥門等位置；冷凝液回流泵機(jī)封經(jīng)常損壞是由于機(jī)封沖洗水來自泵出口，屬于自密封，密封水含有的固體結(jié)晶物加劇了磨損，導(dǎo)致使用壽命遠(yuǎn)低于設(shè)計值。

根據(jù)實際運行情況，進(jìn)行如下改造：（1）將冷凝液回流泵進(jìn)出管道、回流管道、汽提塔頂部測壓導(dǎo)管、汽提氣水冷器管束和汽提氣分離器液位計等易堵位置進(jìn)行疏通，全部加低壓蒸汽無盲端伴熱，并調(diào)整汽提氣水冷器出口汽提氣溫度大于80℃，可保證冬季前效果明顯，運行穩(wěn)定；（2）在冬季遇到極寒天氣后，汽提塔頂部測壓導(dǎo)管和汽提氣分離器液位計仍會失真，為了解決該問題，在測壓導(dǎo)管變送器根部和液位計結(jié)晶堵塞位置增加一噴射蒸汽，很好地解決了結(jié)晶堵塞造成儀表失真的問題；（3）對于回流泵機(jī)封易磨損的問題，將機(jī)封沖洗水改用潔凈的預(yù)熱前的1.2 MPa（G）低壓鍋爐給水，經(jīng)減壓到0.4 MPa（G）～0.6 MPa（G），實際溫度約80℃，改造后機(jī)封的使用壽命由2個月提高到18個月，效果良好，類似的改造也應(yīng)用到其他裝置中。

2.4 原料氣過濾器、煤氣預(yù)熱器結(jié)垢堵塞、第一變換爐催化劑活性下降

變換系統(tǒng)接粗煤氣后，發(fā)現(xiàn)原料氣過濾器濾芯（外徑、長度和精度分別為75 mm、1 200 mm和50 μm）頻繁堵塞，平均每18 d就需要切換過濾器更換濾芯，運行成本增加；煤氣預(yù)熱器管程堵塞，壓差上漲，換熱效果下降，2015年3月—2018年6月停車清理5次，嚴(yán)重制約裝置長周期生產(chǎn)；第一變換爐催化劑活性下降，第一床層非正常急劇下降，壓差上漲，2016年9月打開第一變換爐發(fā)現(xiàn)頂部積灰嚴(yán)重，催化劑和瓷球被灰塵包裹。

分析發(fā)現(xiàn)，粗煤氣中灰含量較設(shè)計值高，造成原料氣過濾器頻繁堵塞，并且由于很多灰塵、石灰石添加劑以及含鹽物質(zhì)粒徑小于50 μm，會穿透原料氣過濾器，進(jìn)入煤氣預(yù)熱器而堵塞管程。煤氣預(yù)熱器內(nèi)堵塞位置距煤氣入口約0.5 m處，堵塞長度約0.8 m，此區(qū)域帶有液滴的粗煤氣瞬間蒸發(fā)、溫度變化劇烈，所含灰塵、鹽類等固體物析出，形成堅固污垢附著在管壁。還有一部分灰塵最終到達(dá)第一變換爐催化劑頂部被過濾，導(dǎo)致頂部催化劑被灰塵包裹，微孔堵塞，活性下降。另外，在煤氣預(yù)熱器清理出的污垢中發(fā)現(xiàn)了含砷物質(zhì)，砷會使催化劑永久中毒，這也是頂部催化劑活性急劇下降的原因之一。

2018年7月，華鶴公司利用大修期，在原料氣分離器后增加一預(yù)變換爐（預(yù)過濾器）和一高壓蒸汽混合器（見圖1虛線B和虛線A）；在預(yù)變換爐內(nèi)裝多孔瓷球、舊催化劑等，用于吸附灰塵、毒物，分上下兩段，在壓差高時可以相互切換，進(jìn)行更換清理；加入約1.5 t/h過熱的高壓蒸汽（520℃），粗煤氣溫度可提高2℃左右，在進(jìn)入煤氣預(yù)熱器前成過熱狀態(tài)，避免了灰塵、鹽類等物質(zhì)在管內(nèi)附著[2]。改造后，發(fā)現(xiàn)粗煤氣中的灰塵被預(yù)變換爐中的催化劑吸附，原料氣過濾器濾芯僅需一年更換一次，煤氣預(yù)熱器壓差上漲得到遏制，換熱效果沒有下降。

2.5 中壓廢熱鍋爐污水就地排放，冬季地溝結(jié)冰、框架掛霜，增加了污水處理負(fù)荷

變換系統(tǒng)中壓廢熱鍋爐排污（260℃、4.4 MPa）設(shè)計直接排到地溝，最終匯入污水，不僅增大了污水處理費用，還造成了水的浪費，閃蒸后蒸汽就地排放還會造成熱能浪費，并且由于處在高寒地帶，冬季地溝會結(jié)冰、高溫蒸汽會在框架上冷卻凝結(jié)為霜甚至冰等。

通過對排污水進(jìn)行化學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行評估和回收可行性分析，決定將中壓廢熱鍋爐排污回收至合成裝置擴(kuò)容器，此擴(kuò)容器原設(shè)計用于回收中壓蒸汽伴熱冷凝液，把同樣壓力等級的中壓廢熱鍋爐排污并入；閃蒸的低壓蒸汽進(jìn)入低壓蒸汽管網(wǎng)，用于下游用戶；冷凝液送入水處理。

技術(shù)改造后，冷凝液和閃蒸余熱得到了回收，降低了污水處理負(fù)荷和成本，創(chuàng)造效益近40萬元/a，冬季也不會出現(xiàn)地溝結(jié)冰和框架掛霜與結(jié)冰現(xiàn)象，消除了安全風(fēng)險。

3 遺漏問題及解決思路

華鶴公司在2018年1月對第一變換爐催化劑進(jìn)行了全部更換，但在2019年底發(fā)現(xiàn)第一變換爐上層催化劑活性又有明顯下降，根據(jù)實際運行，在2020年將上層20 m3催化劑進(jìn)行更換，把卸下的催化劑分頂、中、底三層取樣，并委托專業(yè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，在上層頂部催化劑中發(fā)現(xiàn)了As2O3（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.94%），通過X射線熒光和X光電子能譜的標(biāo)準(zhǔn)分析，確認(rèn)頂部催化劑主要存在砷中毒。根據(jù)分析結(jié)果和建議，計劃于2021年檢修期間在預(yù)變換爐內(nèi)增加可以脫除砷的吸附劑，從根本上解決第一變換爐催化劑運行達(dá)不到設(shè)計要求的問題。

4 結(jié) 語

華鶴公司對變換系統(tǒng)出現(xiàn)的高溫冷凝液閃蒸槽壓力低、第一變換爐催化劑壽命短、煤氣預(yù)熱器和汽提系統(tǒng)堵塞、中壓廢熱鍋爐排污就地排放等問題，進(jìn)行了分析研究，增加了高壓氮氣、預(yù)變換爐、伴熱和噴射蒸汽，改造了中壓廢熱鍋爐排污路徑和機(jī)封沖洗水來源等，很好地解決了變換系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，降低了運行費用，實現(xiàn)了變換系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。