軸徑向變換爐及變換催化劑裝填和使用

趙淵

（蒲城清潔能源化工有限責任公司，陜西 渭南 715500）

0 引言

2014 年，蒲城能化一期180 萬t/a 甲醇、68 萬t/a 聚烯烴項目投料成功。

氣化工藝采用世界先進的且氣化壓力最高的8.7 Mpa 德士古水煤漿氣化技術。

氣化后的變換爐采用莊信萬豐設計的軸徑向變換爐。催化劑使用昌邑凱特生產的KC-103S 預硫化變換催化劑。經過約7 a 左右的運行可知，其變換系統穩定，催化劑活性良好。

本文主要介紹莊信萬豐設計的軸徑向變換爐特性、軸徑向變換爐催化劑情況、軸徑向變換爐裝填升溫后運行情況及預硫化耐硫變換催化劑KC-103S 的優勢。

1 軸徑向變換爐特性

蒲城能化一期變換工段分為2 個系列，每個系列都有一臺軸徑向變換爐，該變換爐與傳統變換爐分布方式不同。

傳統變換爐一般是氣量上進下出，中間放置催化劑進行反應，氣體僅依靠爐頂分布器進行分布。

該軸徑向變換爐通過爐頂分布器分布氣流后，進入變換爐四周扇形管再次分布，氣流從純徑向流動變為軸徑向流動。

軸徑向變換爐氣體流動簡圖如圖1 所示。

圖1 軸徑向變換爐氣體流動簡圖Fig.1 Gas flowdiagram of axial-radial converter

因蒲城能化氣化工段采用8.7 Mpa 德士古水煤漿氣化工藝，變換工段壓力較大，軸徑向變換爐工藝參數見表1。

表1 軸徑向變換爐工藝參數Table 1 Technological parameters of axial-radial converter

軸徑向變換爐內件相較于普通變換爐來說相對復雜，軸徑向變換爐內部有分布器、扇形管、中心管、熱電偶及催化劑、瓷球和絲網等，軸徑向變換爐內件簡圖如圖2 所示。

圖2 軸徑向變換爐內件簡圖Fig.2 Schematic diagram of furnace internals for axial and radial transformation

2 軸徑向變換爐催化劑裝填情況

2.1 催化劑裝填

蒲城能化使用的變換爐催化劑一直是昌邑凱特新材料有限公司生產的小顆粒變換催化劑。2016年更換為昌邑凱特新材料有限公司生產的預硫化變換催化劑KC-103S，針對蒲城能化高壓力軸徑向變換爐，催化劑廠家提供了特殊的裝填要求。

變換爐裝填需從上到下裝填，先裝底部三層瓷球（φ25、φ12、φ6 依次裝填），需一袋袋吊至爐內裝填，避免摔碎。隨后覆蓋一層絲網，然后裝填催化劑，由爐口工作人員將催化劑倒入事先安裝在爐口的漏斗中，經溜槽進入帆布袋進爐內，爐內作業人員拉住布袋出口，將催化劑撒開，裝填一定數量催化劑后（高度約0.5 m），應停止裝填，把表面推平，裝填時要移動帆布袋，使催化劑鋪平，裝填催化劑時鋪平后用橡膠振動棒震動，使催化劑床層裝實，震動完畢后，攤平，根據裝填高度計算裝填密度，保證催化劑床層裝實，并保證催化劑床層上下的裝填密度一致，避免催化劑裝填偏流。最后在覆蓋一層瓷球。

軸徑向變換爐催化劑的裝填要點是裝填密實，催化劑在裝填過程中松散會造成催化劑沉降或架橋，這會引起氣流短路，造成催化劑在短時間內出現變換爐出口CO 含量偏高，縮短檢修周期。

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，裝填催化劑78 m3。

2.2 變換系統開車

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，本次使用的催化劑為預硫化耐硫變換催化劑KC-103S，該催化劑無需硫化，升溫后直接接氣。

蒲城能化催化劑升溫是采用直接升溫法，升溫過程時刻關注系統O2含量小于0.02%，避免催化劑升溫火化過程中被氧化的情況，同時需在80～90 ℃恒溫2 h，120 ℃恒溫3 h，250～260 ℃左右，恒溫3 h，恒溫過程需排水。升溫結束后，將變換系統均壓至5.0 MPa，將氣化負荷控制在單爐60%左右負荷直接快速導氣，避免變換爐床層超溫，影響催化劑活性。

3 軸徑向變換爐裝填升溫后運行情況

最近的一次催化劑更換是在2020 年6 月更換的第一系列變換爐，第一系列變換爐催化劑穩定運行至今約有1 d 左右時間，第1 系列變換爐催化劑滿負荷運行數據見表2。

表2 1 系列運行數據顯示Table 21 Series operation data display

由表2 可以看出，滿負荷運行約12 個月，隨著使用時間的推移，床層高點溫度穩定性良好，變換爐出口CO 濃度一直維持在4%左右，較為穩定，床層溫度和出口CO 的穩定表明，在裝填過程中催化劑密實程度穩定，升溫導氣過程中沒有發生進水板結的情況，也證明了催化劑的活性及活性穩定性很好。

上述數據也表明，軸徑向爐兩種氣體流向對于催化劑利用率更高，在同樣大小的裝置中，催化劑裝量最小，穩定性更好。

4 預硫化耐硫變換催化劑KC-103S 的優勢

蒲城能化使用的預硫化耐硫變換催化劑KC-103S 是昌邑凱特新材料有限公司生產的，該催化劑具有自主知識產權的KTRES 器外預硫化技術，該技術通過特殊的工藝將催化劑經深度硫化后，再鈍化處理，并且該催化劑的活性及強度優于常規態的催化劑，裝填后用氮氣升溫即可，升溫導氣后即可提至滿負荷運行，鈍化物質會分解成無毒害無腐蝕性的水、氮氣及二氧化碳等隨升溫所用的氮氣排出，對設備安全更有保障。

該技術的優勢如下：

（1） 該催化劑的裝填及運輸過程中不需要任何保護，在出廠之前已經經過鈍化處理，跟常規催化劑一樣運輸與裝填。

（2） 催化劑硫化更充分，避免了鈷鉬活性組分被熱氫還原為低活性金屬的可能，從而大大提高了活性組分的利用率和催化活性（活性組分可得到最大限度的利用，提高穩定性，延長催化劑使用壽命）。

（3） 催化劑開工簡便，只需氮氣升溫至260 ℃左右即可導氣提滿負荷，即可開工時間縮短2/3，大大節省開車成本。

（4） 減少污染，操作方便，減小安全隱患（避免了用H2、CS2等易燃易爆有毒硫化劑的使用，是整個裝置開車更加安全可靠）。

（5） 催化劑本身（包括特殊的鈍化物） 不存在對設備造成腐蝕的組分（如鉀離子、鈉離子等），鈍化物在升溫過程中分解成水、氮氣及二氧化碳等安全物質隨著升溫所用的氮氣放空，因此對設備安全更加有保障。

（6） 預硫化耐硫變換催化劑的活性與傳統工藝制備的催化劑提高15%左右，且活性穩定性好，并且具有較高的機械強度和穩定性。

（7） 預硫化耐硫變換催化劑對蒸汽的適應能力寬，可在較寬水氣比下操作，也可在露點+15 ℃的條件下操作，結構穩定，并得出很高的CO 轉化率。

（8） 具有較高的機械強度和穩定性。該催化劑的機械強度比同類催化劑高35%以上，工業使用后強度下降小（也就是催化劑的強度保留率高），催化劑收縮率小。主要是避免了因催化劑的強度下降和收縮性大引起的催化劑床層阻力增大，導致能耗增加，或嚴重時更換催化劑的可能。經高溫水激冷實驗證明，催化劑經過二十次水激冷，催化劑的強度和活性未發現明顯的變化。

5 結語

本文通過變換系統實際運行情況，介紹了昌邑凱特新材料有限公司的KC-103S 預硫化催化劑的使用情況、技術優勢等，表明了該催化劑和傳統催化劑相比較更具有優勢，同時也說明了國產耐硫變換催化劑在行業內具有領先的地位。