“水移熱等溫變換”裝置在我廠成功投入運(yùn)行

水移熱等溫變換”裝置在我廠成功投入運(yùn)行，節(jié)能減排效果明顯
（山東聯(lián)盟化工集團(tuán)股份有限公司  劉志臣 張興德  郵編262700 ）

0、前言

    CO的變換反應(yīng)在現(xiàn)代天然氣化工、煤化工、石油化工等領(lǐng)域是不可缺少的工序，主要完成原料氣中的CO轉(zhuǎn)化為H2或?qū)2與CO調(diào)節(jié)在合理的比例范圍。天然氣化工變換裝置在轉(zhuǎn)化爐之后，水煤氣不含硫，變換催化劑采用中溫鐵系和低溫銅系催化劑；煤化工及石油化工的水煤氣或半水煤氣中含有硫，變換催化劑一般采用中溫鐵系和寬溫區(qū)鈷鉬系或全部為耐硫?qū)挏貐^(qū)鈷鉬系統(tǒng)催化劑。

    目前，在運(yùn)行的變換裝置均為“絕熱床層+間接換熱或水冷激”的工藝，催化劑分段數(shù)及各段催化劑裝填量由催化劑廠提供，設(shè)計(jì)院或業(yè)主完成軟件包設(shè)計(jì)。如果是高壓高水汽比高CO的水煤氣變換裝置普遍存在靜止設(shè)備臺(tái)數(shù)多、工藝流程長、工程投資大、系統(tǒng)阻力大、露點(diǎn)腐蝕多、設(shè)備維修費(fèi)用高、低品位熱能多、運(yùn)行能耗高、催化劑使用壽命短等缺陷；如果干基狀態(tài)水煤氣或半水煤氣，需要向系統(tǒng)添加蒸汽的變換裝置也同樣存在靜止設(shè)備臺(tái)數(shù)多、工藝流程長、工程投資大、系統(tǒng)阻力大、露點(diǎn)腐蝕多、設(shè)備維修費(fèi)用高、低品位熱能多、運(yùn)行能耗高等缺陷，同時(shí)還存在蒸汽消耗大問題。

    過去，許多文獻(xiàn)對CO低溫銅系催化劑或耐硫?qū)挏貐^(qū)鈷鉬系統(tǒng)催化劑和工藝的發(fā)展有詳細(xì)的論述，也為變換工序帶來多次節(jié)能降耗變革。但催化劑床層均為“絕熱結(jié)構(gòu)”，CO變換反應(yīng)是可逆放熱反應(yīng)，每轉(zhuǎn)換1.0%的CO就會(huì)造成絕熱催化劑床層有6.5～8.5℃的絕熱溫升，催化劑床層有很高出口溫度下，對應(yīng)的CO平衡轉(zhuǎn)化率很小，殘余的CO濃度依然很大，為了完成將CO轉(zhuǎn)化很低，必然要采用多段催化劑床層，每段之間要采用間接換熱，這也是采用絕熱催化劑床層變換工藝設(shè)備多、工藝流程長、系統(tǒng)阻力大、工程投資大的根本原因。第一級催化劑床層，CO濃度很高，反應(yīng)溫升使催化劑床層溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了催化劑的活性范圍，導(dǎo)致催化劑表面活性組份熔結(jié)，比表面積大幅度下降，活性下降，甚至無法使用，高水汽比高CO水煤氣的第一變爐催化劑使用壽命短充分說明這個(gè)問題。最后一級催化劑床層由于絕熱反應(yīng)造成催化劑床層出口溫度高，需要總水汽比升高，床層出口夾帶蒸汽量大，必定帶來運(yùn)行能耗高、低品位熱能多、露點(diǎn)腐蝕多等缺陷。

    “水移熱等溫變換”技術(shù)開發(fā)成功很好解決了上述問題，我公司新建一套“水移熱等溫變換”裝置于2013年12月6日投入運(yùn)行。在同樣負(fù)荷前提下，“水移熱等溫變換”裝置與我廠原有“四段絕熱+間接換熱”全低變裝置相比，系統(tǒng)阻力降低了0.07MPa、氫氮?dú)鈮嚎s機(jī)節(jié)電5.1KWh/tNH3、節(jié)省飽和蒸汽100kg/tNH3、利用變換余熱副350kg/tNH3飽和蒸汽、節(jié)省冷卻水耗3650kg/tNH3、變換系統(tǒng)冷凝水減少1/2以上、工程總投資比傳統(tǒng)工藝下降25%左右、出氣氣換熱器的變換氣溫度降至84.6℃，變換氣第一個(gè)露點(diǎn)在脫鹽水加熱器中才出現(xiàn)，露點(diǎn)腐蝕后移，有效延長了變換系統(tǒng)設(shè)備使用。

    該套“水移熱等溫變換”裝置屬國內(nèi)首套新建完整裝置，工藝軟件包及水移熱等溫變換爐由南京敦先化工科技有限公司提供，工藝流程設(shè)計(jì)及部分設(shè)備結(jié)構(gòu)由我方技術(shù)人員與南京敦先公司共同完成。為了便于推廣或挖掘仍存在沒有暴露出來的問題，本文從工藝流程、等溫變換爐選型、運(yùn)行工藝指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益作等方面詳細(xì)論述，以供大家參考或給予提出寶貴意見，利于“水移熱等溫變換”技術(shù)進(jìn)一步完善。

    1、工藝流程設(shè)計(jì)

    我方工程技術(shù)人員與南京敦先公司共同商定采用“預(yù)變換爐+一級噴水+全徑向水移熱變換爐+水解爐+余熱回收”的工藝流程，工藝流程上設(shè)置了除油除焦?fàn)t、預(yù)變換爐、水解爐、水移熱等溫變換爐，噴水為一級，在低品位熱能回收上設(shè)置了除氧水加熱器、脫鹽水加熱器，其各自的任務(wù)如下：

    除油除焦?fàn)t：除油除焦?fàn)t分為兩級，一級為絲網(wǎng)除油器，主要通過重力分離和絲網(wǎng)過濾分離實(shí)現(xiàn)半水煤氣中98%以上的潤滑油、煤焦油被脫除。利用其它工段短暫停車機(jī)會(huì)，用蒸汽蒸煮絲網(wǎng)使絲網(wǎng)再恢復(fù)除油、除焦功能；二級裝填吸附劑，利用吸附劑毛細(xì)孔吸附能力將余下2%的潤滑油、煤焦油吸附掉。此種設(shè)計(jì)理念不僅可以延長吸附劑、催化劑使用壽命，有效降低了運(yùn)行成本。

    預(yù)變換爐：預(yù)變換爐為全軸向結(jié)構(gòu)，上部裝填脫氧劑、脫毒劑，下部裝填部分寬溫區(qū)鈷鉬系催化劑。在預(yù)變換爐內(nèi)，半水煤氣中的O2被脫除、96%以上的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，并進(jìn)行部分CO的變換反應(yīng)。

    噴水增濕器：我廠原來“四段絕熱+間接換熱或噴水冷激”的全低變工藝采用了兩級以上噴水措施，特別對含有O2的半水煤氣進(jìn)行噴水冷激，通過運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)：噴水增濕器內(nèi)壁、不銹鋼填料及相連接的管道均出現(xiàn)不同程度腐蝕，我們分析后主要是O2腐蝕及電化學(xué)腐蝕。為了減少變換設(shè)備O2腐蝕，本套工藝流程進(jìn)設(shè)置一級噴水，是對預(yù)變換爐之后不含有O2的變換氣進(jìn)行噴水降溫，有效解決了原有變換裝置噴水增濕器腐蝕問題。

    水移熱等溫變換爐：水移熱等溫變換爐為南京敦先公司專利產(chǎn)品，是變換系統(tǒng)CO主要反應(yīng)催化劑床層，也是本變換工藝中最后一級催化劑床層，完成CO變換反應(yīng)的主要任務(wù)，同時(shí)利用埋在催化劑出層內(nèi)部水移熱管束將CO變換反應(yīng)熱及變換系統(tǒng)低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位蒸汽移出系統(tǒng)。水移熱等溫變換爐是本“水移熱等溫變換”裝置核心設(shè)備,直接關(guān)系到變換系統(tǒng)各接點(diǎn)溫度設(shè)置、總水汽比、蒸汽消耗、冷卻水耗、工程投資及系統(tǒng)運(yùn)行阻力的大小或高低。

    水解爐：水解爐設(shè)置在水移熱等溫變換爐之后，主要利用低溫狀態(tài)下水解反應(yīng)，將其殘余4%左右的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫。

    南京敦先化工科技有限公司的軟件包做到了（1）將出變換系統(tǒng)低品位熱能前移，使低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位飽和蒸汽；（2）采取措施使出換熱器的變換氣體溫度由傳統(tǒng)全低變工藝的120℃降低到90℃以下，將此30℃溫差的變換氣余熱也留在變系統(tǒng)依副產(chǎn)飽和蒸汽的方式移出系統(tǒng)；（3）通過降低水移熱等溫變換爐出口氣體溫度，降低總水汽比，減少蒸汽添加量；（4）采用等溫變換技術(shù)，通過降低變換系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)溫度、減少總物料流量、減少設(shè)備臺(tái)數(shù)、縮短工藝流程等手段來實(shí)現(xiàn)降低工程總投資目標(biāo)；（5）采用降低總水汽比方式，最大限度降低減少變換氣夾帶蒸汽量，確保變換氣露點(diǎn)腐蝕僅在脫鹽水加熱器、變換氣冷卻器內(nèi)出現(xiàn)，露點(diǎn)腐蝕后移，有效延長了變換系統(tǒng)設(shè)備使用，減少變換系統(tǒng)外排冷凝水量；（6）變換催化劑床層僅為兩段，而且水移熱等溫變換爐為全徑向結(jié)構(gòu)，有效降低系統(tǒng)阻力。

    2、水移熱等溫變換爐結(jié)構(gòu)說明及優(yōu)點(diǎn)

    2011年，我公司在建設(shè)“40.60”項(xiàng)目時(shí)，變換工段計(jì)劃采用“水移熱等溫變換”技術(shù)，我們研究后發(fā)現(xiàn)變換等溫反應(yīng)與低壓甲醇反應(yīng)有著很大區(qū)別,CO的變換反應(yīng)空速低催化劑裝填量大，氣體一次性通過催化劑床層就要完成CO的變換任務(wù)，反應(yīng)物中的蒸汽含量受到人為因素影響不穩(wěn)定，耐硫?qū)挏貐^(qū)鈷鉬系統(tǒng)催化劑易發(fā)生水合造成催化劑結(jié)塊，水煤氣或半水煤氣氣質(zhì)臟等。用于煤化工或石油化工領(lǐng)域變換裝置上的水移熱等溫變換爐結(jié)構(gòu)必須滿足催化劑裝填量大、催化劑易自卸、催化劑框?yàn)槿珡较蚪Y(jié)構(gòu)、換熱元件承受正負(fù)壓差大、承壓外筒與內(nèi)件分開來設(shè)計(jì)避免結(jié)塊造成整臺(tái)設(shè)備報(bào)廢、催化劑床層要有100℃以上合理的溫度與催化劑床層深度操作曲線、結(jié)構(gòu)簡單易消除熱應(yīng)力等硬性條件。由于各家沒有運(yùn)行業(yè)績及南京敦先公司當(dāng)時(shí)提出的單管板結(jié)構(gòu)及板式結(jié)構(gòu)達(dá)不到上述要求，我們在“40.60”項(xiàng)目上沒有采用水移熱等溫變換技術(shù)。

    2013年初，國內(nèi)有三家技術(shù)單位已經(jīng)有運(yùn)行業(yè)績，我們從水移熱變換爐結(jié)構(gòu)合理性及滿足上述要求等方面進(jìn)行衡量，最終采用南京敦先公司的“水移熱等溫變換爐”，水移熱管束式等溫變換爐由殼體和內(nèi)件組成。殼體由筒體、上封頭、下封頭組成，上封頭與筒體之間采用法蘭連接，法蘭之間采用“Ω”密封，上下封頭分別設(shè)有氣體進(jìn)出口。內(nèi)件由水移熱管束，氣體分布器、氣體集氣筒、密封板、支撐座等部件組成，水移熱管束與進(jìn)出水管之間采用管式聯(lián)箱結(jié)構(gòu)。內(nèi)件與外筒可以拆卸，管內(nèi)走水、管外裝填催化劑，下部設(shè)有催化劑自卸口。

    原料氣從水移熱等溫變換爐上部進(jìn)入后由側(cè)面徑向分布器進(jìn)入催化劑床層，然后沿徑向通過催化劑床層，反應(yīng)的同時(shí)與埋設(shè)在催化劑床層內(nèi)的水管換熱，再經(jīng)內(nèi)部集氣筒收集后由下部出水移熱等溫變換爐。 
 
    來自汽包的不飽和水自水移熱等溫變換爐下部進(jìn)水管進(jìn)入水移熱等溫變換爐，再經(jīng)進(jìn)下部大環(huán)管、分配管分配至各換熱管內(nèi)與反應(yīng)氣體換熱，然后通過上環(huán)管或集水箱收集后經(jīng)出水管去汽包，在汽包中分離出蒸汽去蒸汽緩沖器參加變換反應(yīng)或外送其它工序使用，分離下來的水從汽包下部再次進(jìn)入等溫變換爐參與下一循環(huán)。

    從運(yùn)行結(jié)果來看，實(shí)際運(yùn)行參數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)是一致的，該水移熱等溫變換爐具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）具有最合理操作溫度曲線，防止帶水、確保有機(jī)硫轉(zhuǎn)化和脫除半水煤氣中O2，有效降低設(shè)備投資：該類型水移熱等溫變換爐采用單根換熱管為移熱單元，每一單元（換熱管）換熱面積小，通過調(diào)整布管數(shù)量很容易實(shí)現(xiàn)單位體積催化劑內(nèi)換熱面的調(diào)整，可以根據(jù)不同水煤氣或半水煤氣設(shè)計(jì)不同的合理操作溫度曲線。我公司水移熱等溫變換爐目前實(shí)際運(yùn)行為：催化劑床層熱點(diǎn)310℃，出催化劑床層200℃，進(jìn)口氣體溫度為可調(diào)。僅從催化劑反應(yīng)溫度曲線就可以判斷該水移熱等溫變換爐非常合理：（A）催化劑床層有高于280℃溫區(qū)，可以將變換氣中殘余的部分的O2與大量H2發(fā)生反應(yīng)生成H2O，也利于殘余部分有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，杜絕后序設(shè)備腐蝕；（B）出口均為200℃，使承壓殼體及與其相連接的管道材質(zhì)等級降低，帶來整個(gè)工程投資降低；（C）含液態(tài)水的氣體進(jìn)入催化劑床層高溫區(qū)后，氣體溫度迅速升高，液態(tài)水蒸發(fā)為過熱蒸汽，完全杜絕催化劑水合結(jié)塊現(xiàn)象發(fā)生；（D）200℃出口溫度，有效降低總水汽比、降低蒸汽消耗，同時(shí)減少變換氣夾帶蒸汽量，做到露點(diǎn)腐蝕減少和后移，有效延長變換設(shè)備使用壽命；（E）進(jìn)口氣體溫度可調(diào)，確保寬溫區(qū)催化劑由低溫到高溫的活性被充分利用，有效延長了催化劑使用壽命。

    僅從合理溫度操作曲線可知：水移熱等溫變換爐不是把甲醇塔直接搬到變換系統(tǒng)使用就可以了，而要根據(jù)變換不同特性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)理念，南京敦先化工科技有限公司做到了，這也是我們從三家運(yùn)行業(yè)績中選擇南京敦先公司水移熱等溫變換爐的主要原因。

    （2）內(nèi)件與外筒分開設(shè)計(jì)、便于檢修和催化劑自卸：該水移熱等溫變換爐由承壓外筒和內(nèi)件組成，內(nèi)件為一整體結(jié)構(gòu)，可以單獨(dú)吊裝，不僅利于催化劑裝填和自卸，也利于設(shè)備檢修，更重要的是即使催化劑結(jié)塊也不至于造成整臺(tái)設(shè)備報(bào)廢。

    （3）安全可靠、設(shè)備使用壽命長：承受負(fù)壓元件中，同樣厚度前提下，球體或圓管承受負(fù)壓能力遠(yuǎn)大于管板、板及橢圓體等。該水移熱等溫變換爐換熱管束為無縫鋼管，分水箱、集水箱、進(jìn)水管、出水管等承受負(fù)壓元件全部為無縫鋼管，承壓元件安全可靠；

    3、運(yùn)行工藝指標(biāo)

    我公司新建水移熱等溫變換裝置于2013年12月6日投入運(yùn)行。目前滿負(fù)荷狀態(tài)工藝指標(biāo)如下

    通過干基半水煤氣氣量： 56368.84Nm3/hr；

    進(jìn)口（干基）CO含量：30%

    出口（干基）CO含量：5.0%（設(shè)計(jì)為1.5%,目前為了提高甲醇產(chǎn)量，人為提高出口CO）

    系統(tǒng)運(yùn)行壓力：2.05MPaG;

    系統(tǒng)阻力:0.03MPaG;

    添加3.3MPa飽和蒸汽量:5.87t/hr;

    水移熱等溫變換爐副產(chǎn)1.3MPa飽和蒸汽量:8.07t/hr;

    催化劑床層同平面溫差≤5℃;

    出氣氣換熱器（末端換熱器）變換氣溫度≤84.6℃;

    4、優(yōu)點(diǎn)

    通過實(shí)際運(yùn)行后的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與我廠原來“四段絕熱+間接換熱或水冷激”工藝相比，該“水移熱等溫變換”裝置具有以下優(yōu)點(diǎn)：

    4.1運(yùn)行費(fèi)用低，噸氨節(jié)省80.40元以上

    我們按照3.3MPa蒸汽200元/t、1.3MPa蒸汽150元/t、電耗0.69元/KWhr、循環(huán)水1.2元/m3計(jì)算，則噸氨可以節(jié)省的運(yùn)行費(fèi)用為：

    蒸汽部分：100×200×0.001≈20.00元/tNH3；

    副產(chǎn)蒸汽部分：350×150×0.001≈52.50元/tNH3；

    節(jié)電部分：5.1×0.69≈3.52元/tNH3；

    節(jié)冷卻水部分：3650×0.001×1.2≈4.38元/tNH3；

    合計(jì)噸氨節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用：20.00+52.50+3.52+4.38=80.40元/tNH3；

    4.2工程總投資節(jié)省25%以上

    大家可能認(rèn)為“水移熱等溫變換爐”如同低壓甲醇反應(yīng)器，水移熱等溫變換裝置投資大，其實(shí)不然！同等規(guī)模的變換裝置，如果采用南京敦先的水移熱等溫變換專利技術(shù)（軟件包由南京敦先公司提供），工程總投資可以下降25%左右。與傳統(tǒng)全低變工藝相比，降低工程投資主要在以下幾方面：

    （1）催化劑床層比傳統(tǒng)變換減少2段、噴水減少1級，設(shè)備減少2臺(tái)，工藝流程僅是傳統(tǒng)絕熱變換流程的3/5，管道、管件、儀表、保溫防腐等工程項(xiàng)目投資費(fèi)用降低；

    （2）總水汽比下降0.02～0.03左右、末端催化劑床層出口變換氣中夾帶水蒸汽（H2O）含量下降～2.0%，等溫變換系統(tǒng)中“露點(diǎn)腐蝕”僅在脫鹽水加熱器中才出現(xiàn)，有“露點(diǎn)腐蝕”的設(shè)備減少3臺(tái)、管道減少8根，化劑床層出口氣體溫度高于250℃只有2處，比傳統(tǒng)四段絕熱全低變工藝減少2處高溫管線，工程上選用耐酸性腐蝕或抗氫腐蝕材質(zhì)的設(shè)備、管道、管件等工程投資大幅度降低；另外，傳統(tǒng)四段變換工藝中三段、四段催化劑主要起到反應(yīng)“平衡”作用，處于低溫狀態(tài)運(yùn)行的催化劑占總用量的～36.67%，而水移熱等溫變換技術(shù)處于低溫狀態(tài)運(yùn)行的催化劑比例高達(dá)66.0%以上。采用等溫變換技術(shù)時(shí)，與傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)相比，催化劑總用量可以降低～19.99%。

    4.3將低品位熱能轉(zhuǎn)化為高品位蒸汽，降低冷卻水耗

末端氣氣換熱器是變換裝置半水煤氣回收變換系統(tǒng)熱能的最終設(shè)備，如果出口變換氣溫度高說明變換裝置不節(jié)能。該套水移熱等溫變換裝置末端氣氣換熱器出口變換氣≤90℃，實(shí)際上水移熱等溫變換技術(shù)是把末端氣氣換熱器出口變換氣由120℃降至90℃的顯熱和潛熱在“等溫變換爐”內(nèi)直接轉(zhuǎn)化為飽和蒸汽移出變換系統(tǒng)，不僅可以回收1.0～2.0MPa飽和蒸汽高達(dá)～350.0kg/tNH3，同時(shí)循環(huán)冷卻水耗可以下降3650kg/tNH3，南京敦先等溫變換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了變換系統(tǒng)低品位熱能回收轉(zhuǎn)化為高品位蒸汽和降低變換氣冷卻水消耗的雙向節(jié)能效果。

    4.4有效延長裝置運(yùn)行周期

    與傳統(tǒng)工藝相比，南京敦先等溫變換技術(shù)總水汽比下降0.02～0.03左右，“露點(diǎn)腐蝕”僅在脫鹽水加熱器才出現(xiàn)，有“露點(diǎn)腐蝕”的設(shè)備減少3臺(tái)、管道減少8根，有效延長了變換系統(tǒng)設(shè)備、管道、管件的使用壽命。

    如果變換系統(tǒng)阻力大，則會(huì)造成部分換熱設(shè)備泄漏，變換裝置無法運(yùn)行。在同樣腐蝕厚度前提下，低阻力不易造成換熱器泄漏，有效延長了換熱設(shè)備的使用壽命。

    4.5縮短開車時(shí)間

    傳統(tǒng)絕熱變換開車時(shí)，利用電加熱器、小空速將絕熱變換爐爐溫升起來，如果加大空速則絕熱變換爐爐溫降低、出口CO升高，造成后續(xù)工段波動(dòng)，每次開車絕熱變換裝置可能影響4～6小時(shí)有效生產(chǎn)時(shí)間，并伴有大量有效氣體放空，造成一定經(jīng)濟(jì)損失及污染環(huán)境；

     水移熱等溫變換爐催化劑床層提溫時(shí)可以利用自身循環(huán)水系統(tǒng)提升到200℃以上，并利用循環(huán)熱水維持催化劑床層溫度不下降。當(dāng)負(fù)荷加滿時(shí)，變換系統(tǒng)出口CO立即降至～1.0%；當(dāng)反應(yīng)熱量過剩時(shí)，反應(yīng)熱量又被埋在催化劑床層的移熱管束移出，有效縮短開車時(shí)間。

    5、結(jié)論

    從目前運(yùn)行各項(xiàng)工藝指標(biāo)看，水移熱等溫變換技術(shù)是一個(gè)節(jié)能、環(huán)保、先進(jìn)技術(shù)，是在低溫變換催化劑誕生后，降低變換能耗方面是一次質(zhì)的飛躍，值得全面推廣。但裝置運(yùn)行時(shí)間較短，可能好多問題沒有考慮全或沒有暴露出來，有待通過裝置長期運(yùn)行去證明。水煤氣或半水煤氣種類繁多、成份各異、壓力懸殊較大，這也給技術(shù)單位提出更高要求，不能照搬套用，要根據(jù)不同條件設(shè)計(jì)出不同的工藝流程及水移熱等溫變換爐操作溫度曲線。本文客觀實(shí)際分析了我公司在運(yùn)行的水移熱等溫變換裝置，以供大家參考和審查，目地在于水移熱等溫變換技術(shù)進(jìn)一步完善、路走得更好，為天然氣化工、煤化工及石油化工在節(jié)能降耗、環(huán)保減排等方面提更好服務(wù)。