變換工序出口CO含量升高原因分析及解決措施

李 鵬,楊晶晶,姜 云,王 進(jìn)

(湖北興發(fā)化工集團(tuán)宜都興發(fā)化工有限公司, 湖北宜都 443311)

湖北興發(fā)化工集團(tuán)40萬t合成氨裝置變換工序采用絕熱+等溫變換工藝,一變爐為徑向絕熱變換爐,二變爐為等溫變換爐。該裝置于2021 年5月一次性開車成功。自2021年12月變換工序出口CO含量處于上升趨勢(shì),造成有效氣CO損失和液氮洗冷箱負(fù)荷增加,影響產(chǎn)量消耗。

1 工藝流程概述

氣化工序出口粗合成氣首先進(jìn)入變換入口分離器(V1501),分離水分后進(jìn)入原料氣預(yù)熱器(E1501),被一變爐(R1501)出來的變換氣加熱至露點(diǎn)溫度30 ℃以上,然后依次進(jìn)入脫毒槽(S1501)、R1501、蒸汽過熱器(E1502)、原料氣預(yù)熱器(E1501)、廢鍋(E1503)、二變爐(R1502),最后進(jìn)入熱回收和冷卻系統(tǒng),變換氣被冷卻至小于40 ℃后送低溫甲醇洗工序。變換工序流程圖見圖1。

圖1 變換工序流程圖

2 變換工序出口CO上升情況

2021年7月生產(chǎn)裝置加滿負(fù)荷后變換工序出口CO體積分?jǐn)?shù)為0.59%,2021年12月后一直處于緩慢上升趨勢(shì),2022年12月最高達(dá)到1.05%。CO體積分?jǐn)?shù)上升趨勢(shì)見表1和表2。

表1 2021年變換工序出口CO體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表 %

表2 2022年變換工序出口CO體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)表 %

3 CO含量上漲原因分析

通過對(duì)比設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和歷史操作數(shù)據(jù),得出一變爐出口CO含量上漲是導(dǎo)致變換工序出口CO含量上漲的主要原因。一變爐出口CO體積分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)值為5.00%～7.00%,實(shí)際運(yùn)行時(shí)達(dá)到10.00%。一變爐出口CO含量見表3。導(dǎo)致一變換爐出口CO含量上升的可能因素分析如下。

表3 變換爐出口CO含量 %

3.1 變換工序入口氣量

2022年2月18日、4月20日、7月24日變換工序入口氣量均小于設(shè)計(jì)氣量(見表4),說明入口氣量過大不是導(dǎo)致一變爐出口CO含量上升的原因。

3.2 水氣比

水氣比是變換操作的重要調(diào)節(jié)手段[1],提高水氣比有利于降低變換出口CO含量。2022年4月20日和7月24日的水氣比與設(shè)計(jì)數(shù)值三基本接近,但是一變爐出口CO含量遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值(見表5),說明水氣比偏低不是導(dǎo)致一變爐出口CO含量上升的主要原因。

表5 水氣比與變換爐出口CO含量

3.3 催化劑裝填量

本裝置一變爐催化劑裝填量為66 m3,二變爐催化劑裝填量為63 m3。專利商計(jì)算在設(shè)計(jì)條件下裝填量為63 m3的催化劑可使一變爐出口CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到5.50%～6.50%。因此一變換爐催化劑裝填量足夠[2]。

3.4 催化劑床層溫度

2021年5月投產(chǎn)后,變換工序經(jīng)歷多次開停車,開停車期間通過加氮?dú)獗ＷC床層溫度不超過490 ℃。本裝置采用青島聯(lián)信化學(xué)有限公司的QDB-03和QDB-06催化劑,最高耐溫550 ℃,不存在因超溫造成催化劑活性大幅度衰退的情況。

3.5 變換工序入口CO含量

本裝置氣化工序采用6.50 MPa四噴嘴水煤漿氣化技術(shù),原料煤使用的是陜煤,未更換過煤種,變換工序入口CO含量基本保持穩(wěn)定,因此不會(huì)導(dǎo)致一變爐出口CO含量持續(xù)上升。具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 變換工序入口CO體積分?jǐn)?shù) %

3.6 催化劑效果

本裝置一變爐為絕熱反應(yīng)器,平衡溫距為10～30 K,表示催化劑處于最佳狀態(tài)。平衡溫距過小 (<10 K),說明出口處反應(yīng)已過于接近平衡,床層下部的催化劑不能很好地發(fā)揮作用,即催化劑裝填量過大或所處理的氣量過小,變換爐能力有富余。平衡溫距過大(>30 K)說明催化劑裝填量不夠,催化劑活性不高或催化劑已中毒衰老。本裝置一變爐平衡溫?fù)?jù)計(jì)算見表7,平衡溫距達(dá)到150 K,嚴(yán)重偏離正常值,說明變換爐的催化劑未很好發(fā)揮作用。截至2022年12月,一變爐催化劑使用時(shí)長(zhǎng)為18個(gè)月,遠(yuǎn)小于36個(gè)月的設(shè)計(jì)目標(biāo),且通過運(yùn)行參數(shù)可看出催化劑并未達(dá)到使用末期的現(xiàn)象。一變爐運(yùn)行參數(shù)見表8。

表7 一變爐的平衡溫距與變換爐出口CO含量

表8 一變爐運(yùn)行參數(shù)

3.7 工藝氣走近路

一變換爐和二變爐為徑向變換爐,工藝氣由變換爐上部進(jìn)入催化劑床層,在催化劑床層反應(yīng)后進(jìn)入中心集氣筒收集后出變換爐。存在催化劑床層下沉導(dǎo)致少量工藝氣未經(jīng)變換反應(yīng)直接進(jìn)入中心集氣筒的可能性[3],一變換爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 一變換爐內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

綜合以上分析,一變爐出口CO含量持續(xù)上升的主要原因是變換爐催化劑床層下沉導(dǎo)致工藝氣未經(jīng)變換反應(yīng)直接走近路出變換爐。系統(tǒng)停車檢修拆開一變爐檢查,發(fā)現(xiàn)催化劑床層下沉1.50 m,二變爐催化劑床層下沉0.25 m。現(xiàn)場(chǎng)照片見圖3和圖4。為降低變換工序出口CO含量,大修時(shí)聘請(qǐng)專業(yè)裝填單位在無氧狀態(tài)下對(duì)一變爐和二變爐分別補(bǔ)充預(yù)硫化催化劑10 m3和4 m3[4]。

圖3 一變爐床層下沉現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 二變爐床層下沉現(xiàn)場(chǎng)

4 催化劑無氧裝填注意事項(xiàng)

(1) 變換裝置停車泄壓至0.15 MPa;使用氮?dú)庵脫Q合格后,啟動(dòng)硫化風(fēng)機(jī)和電加熱器對(duì)催化劑床層循環(huán)降溫至40 ℃以下,降溫速率控制在20 K/h以內(nèi)。

(2) 無氧裝填時(shí)配備無氧裝填專用空壓機(jī)組。一是進(jìn)風(fēng)口放置氧含量檢測(cè)儀及聲光報(bào)警器;二是空壓機(jī)組包括正常供氣的大空壓機(jī)1臺(tái)、應(yīng)急小空壓機(jī)1臺(tái)、儲(chǔ)氣罐1臺(tái),儲(chǔ)氣罐在空壓機(jī)跳車后能供氣10 min。

(3) 裝填催化劑時(shí),在變換爐人孔處設(shè)置臨時(shí)風(fēng)向標(biāo),實(shí)時(shí)確認(rèn)人孔處有微風(fēng)吹出,說明變換爐內(nèi)呈微正壓,防止空氣進(jìn)入變換爐。

(4) 采用兩組人員輪流作業(yè),每組人員在無氧環(huán)境下作業(yè)不得超過1 h;爐內(nèi)監(jiān)護(hù)人員每隔10 min使用對(duì)講機(jī)向外通話一次。

(5) 催化劑裝填人員先對(duì)原催化劑進(jìn)行攤平處理,然后測(cè)量需補(bǔ)充催化劑的高度,計(jì)算裝填量。預(yù)硫化催化劑在裝填之前方可開密封桶。應(yīng)盡量加快裝填速度,縮短催化劑暴露在空氣中的時(shí)長(zhǎng),防止催化劑損壞。

(6) 作業(yè)人員保持裝填軟管口距離催化劑表面0.8 m左右,隨著添裝高度可調(diào)整軟管長(zhǎng)度以保持此距離。以圓周式的方式移動(dòng)帆布軟管,使催化劑散落在爐內(nèi)各方向,以便攤平。要求床層中催化劑每上升300 mm攤平一次,攤平后徑向高度差不超過5 mm。催化劑裝填完畢后要攤平催化劑床層。

5 催化劑床層下沉的原因及措施

(1) 本裝置變換催化劑床層下沉的主要原因一是氣化倒?fàn)t時(shí)因氧氣不足導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)加減負(fù)荷頻繁。每次倒?fàn)t10 min變換氣量波動(dòng)4次,氣量波動(dòng)從134 000 m3/h至170 000 m3/h。二是開停車次數(shù)多,變換接氣時(shí)速率過快。

(2) 催化劑因破損和粉化等原因自然下沉5%～12%屬正常現(xiàn)象。為防止催化劑床層下降造成變換工序出口CO含量上漲,制造變換爐時(shí)建議封堵部分中心筒高度(見圖5)。

圖5 變換爐中心筒封堵示意圖

6 改造效果

檢修開車后一變爐出口CO體積分?jǐn)?shù)下降至5.60%,變換工序出口CO體積分?jǐn)?shù)下降至0.58%。有效降低了液氮洗工序負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)提產(chǎn)降耗的目標(biāo)。檢修后變換工序運(yùn)行參數(shù)見表9。

表9 檢修后變換工序運(yùn)行參數(shù)

7 結(jié)語

降低變換工序出口變換氣CO含量有利于降低合成氨成本及能耗,本裝置變換氣CO體積分?jǐn)?shù)由1.00%下降至0.53%,相當(dāng)于多產(chǎn)液氨0.36 t/h,年產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益800萬元。通過對(duì)比變換工序不同時(shí)間運(yùn)行參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)差異,結(jié)合變換爐結(jié)構(gòu)及催化劑運(yùn)行情況找到導(dǎo)致變換工序出口變換氣CO含量升高的原因,同時(shí)總結(jié)了無氧裝填預(yù)硫化變換催化劑的注意事項(xiàng),為同類企業(yè)解決此類問題的提供參考。