一氧化碳等温变换技术助力节能减排

戴丰育

传统的一氧化碳变换采用多段绝热变换工艺，存在反应温度高、热能回收率低、能耗较大、流程长且复杂、系统阻力大、控制操作难度大等难题，第一变换炉（段）容易“飞温”烧坏催化剂，难以实现长周期稳定运行。随着煤气化技术的发展，采用低阶煤连续气化的粗煤气中一氧化碳含量越来越高，传统变换工艺的弊端愈加明显。很多工业尾气如电石炉尾气、黄磷尾气等主要成分是一氧化碳，受传统变换技术制约，难以高效综合利用，只能简单燃烧。湖南安淳高新技术有限公司开发的一氧化碳等温变换技术通过设备结构的改进，用物理方法及时移走反应热而提高一氧化碳变换工艺的技术水平，开辟了提高一氧化碳变换工艺技术水平不只靠催化剂的另一条路，是对一氧化碳变换工艺技术特别是对高一氧化碳含量变换工艺的历史性的重要贡献。

一、关键技术的创新优势

湖南安淳高新技术有限公司开发的一氧化碳等温变换技术，是一项节能、环保、安全、高效的国产原创先进技术，解决了传统多段绝热变换存在的难题。该技术的核心是开发设计了相变移热等温变换反应器，根据气固相可逆放热反应原理，充分考虑反应不同阶段的放热量，设计了独特的换热元件结构置于反应器内部，利用沸腾水相变吸热，及时、高效移出反应热，实现等温、低温反应，达到保护催化剂、提高反应效率、高效回收反应热的目的。反应器为全径向结构，可替代传统变换系统中的多台设备，简化生产流程，系统阻力由0.5MPa降至0.2MPa以下，压缩电耗降低。该反应器主要有4个创新点：一是将气气换热改为气水相变换热。二是将绝热反应或气气换热反应器改为双套水管换热等温反应器。三是径向反应气体分布均匀，有效提高了催化剂的利用率，降低了床层阻力，特殊布置的装料管使催化剂床层装填均匀，有效利用反应空间。四是悬挂双套管使水汽流向合理，并能吸收换热管自身的热膨胀，消除反应设备因膨胀差不同带来的局部应力过大的问题，设备安全可靠。

该技术已获2项国家发明专利和2项实用新型专利。2014年12月通过中国石油和化学工业联合会组织的科学技术成果鉴定，鉴定委员会认为：相变移热等温反应器结构合理，技术指標先进，达到国际领先水平，一致同意通过鉴定，建议加快该成果的拓展开发和推广应用。2015年12月，国家发改委公告的《国家重点节能低碳技术推广目录》（2015年本节能部分）列入“基于相变移热的等温变换节能技术”。2016年7月，应用于新疆中能的“30万吨/年合成氨相变移热等温变换技术工程应用”获中国氮肥工业协会“十二五”期间氮肥、甲醇行业技术进步奖一等奖。2017年7月，“一氧化碳等温变换技术”被认定为“十三五”期间氮肥、甲醇行业推广的节能减排先进适用技术。2018年4月，“新疆玛纳斯中能万源一氧化碳等温变换技术应用”入选国家节能中心重点节能技术应用典型案例。

二、典型案例及节能减排效果

新疆中能万源化工有限公司新型煤化工一期工程年产40万吨合成氨、60万吨尿素项目，采用航天炉气流床粉煤加压气化技术造气。湖南安淳高新技术有限公司负责等温变换全部设计并提供DN3800等温变换反应器和辅助设备。等温变换装置自2015年10月顺利投产以来，保持运行平稳，各项参数优良，体现了其先进的设计理念。一氧化碳含量高达68%的粗煤气经等温变换后，一氧化碳干基含量降至0.6%—0.4%以满足合成氨的要求，一氧化碳转换率超过99.6%，仅一个压力阀即可控制反应温度在280℃左右，杜绝了超温现象，安全可靠。相比传统变换工艺，系统阻力降低0.37MPa，蒸汽用量降低50%，催化剂活性稳定，寿命延长2年以上，每小时节电1012.5kWh、节约蒸汽6吨，合计每年节省标煤7120吨，减少二氧化碳排放1.2万吨，既节省了煤的使用，又降低了二氧化碳等有害气体的排放。一期工程年底投产后当年即实现利润153万元，2016年实现利润6251万元，2017年实现利润超过1亿元。

一氧化碳等温变换技术于2012年首次应用于新疆天业集团电石炉尾气综合利用制乙二醇项目，取得了极大成功后，迅速在全国各地不断应用。2013年应用于山西丰喜临猗10万t/a的水煤浆气化制合成氨改造项目；2015年应用于新疆中能万源HT-L气流床粉煤气化高一氧化碳粗合成气变换；2016年，DN4600相变移热等温反应器应用于阳煤集团太原新材料化工有限公司航天炉粉煤加压气化高一氧化碳变换，相当于55万吨/年合成氨规模；2017年，国内首次成功应用于河南心连心6.5MPa水煤浆气化制合成氨改造项目。目前，该技术已在全国20多家大型企业实现产业化，涉及电石炉尾气、清华炉制气、航天炉粉煤气化、固定床造气、水煤浆气化、富氧气化等气化工艺，以及2.0MPa、4.0MPa、6.5MPa的不同压力等级，折合成氨总产能约650万吨/年，年综合节能量达到9.26万吨标准煤，二氧化碳减排24.45万吨，技术优势凸显，社会经济效益显著。

该技术适用于以煤为原料制合成氨、甲醇、乙二醇、烯烃、油、天然气等生产装置和各种工业尾气资源回收利用中的一氧化碳变换，对高一氧化碳、高汽气比煤气变换，其技术经济优势更明显；还可拓展应用到石化行业带有换热管结构的设备如重沸器、加氢重整设备，以及硫化氢制硫磺、乙二醇反应、MTBE裂解等，推广应用范围非常广阔。

（作者为湖南安淳高新技术有限公司副总经理、高级工程师）