控温变换和绝热变换在6.5 MPa 水煤浆气化工艺中的应用分析

李国炜，张雄斌，鲁煜坤，李新怀，李小定

（华烁科技股份有限公司，湖北 武汉 430074）

引 言

变换反应是化学工业中广泛应用的反应过程，主要应用于合成气中碳氢比例的调节和工业化的大规模制氢，是众多化石燃料加工的重要步骤[1-3]，其反应方程式见式（1）。由式（1）可知，变换反应是一个等摩尔、可逆的放热反应，反应前后气体总体积不变。从动力学角度看，升高反应温度，能获得较快的反应速率；而从热力学角度看，降低反应温度，有利于变换反应向正反应方向进行。因此，在不同的情况下，选择合适的反应温度，对于变换反应具有重大意义。

目前，水煤浆气化技术得到了广泛的应用，该技术具有一氧化碳浓度高、汽气比高和压力高的特点，对变换工段的工艺设计和变换催化剂要求较高。

控温变换技术是一种新的变换工艺，利用水相变移热原理，反应热通过列管内水蒸气带出，通过控制汽包内饱和蒸汽压力来控制催化剂床层的温度。与单纯追求低温或尽可能没有温升的条件下完成变换反应的等温变换相比，控温变换采用专业的分布流场设计，对变换炉的反应温区进行合理的设计，对反应热力学和反应动力学进行精准控制，在保证反应向正反应方向进行的情况下，拥有最合适的反应速率，同时充分利用催化剂的有效温区。反应器外层和中层设置为相对高温区，利用高温加快反应速率来转化一氧化碳；内层设置为相对低温区，利用低温促使反应平衡向正反应方向移动来转化一氧化碳。控温变换工艺能够根据不同的工艺气体条件和设计要求，在达到变换目的同时，让各种有利副反应充分进行，又最大程度地限制有害副反应的发生，更好地除去不利的副产物。因此，控温变换和等温变换相比，减少了催化剂的用量，缩减了反应器数量或体积，延长了催化剂使用寿命，有效控制副反应的发生。

新疆天业（集团）有限公司乙二醇二期技改项目要求变换系统在原有140 000 m3/h 粗煤气处理量基础上，新增100 000 m3/h 粗煤气的处理量，而且增加部分的粗煤气需全部变换。经核算，现有二段绝热变换需增加负荷约75%，无论是催化剂的装填量还是系统阻力都无法满足要求。因此，经研究，决定在原有6.5 MPa 水煤浆气化装置绝热变换系统的基础上，增加1 套粗煤气处理能力相同的控温变换系统，与原有绝热变换系统并联，并于2018 年8 月投入运行。现对6.5 MPa 水煤浆气化装置中并联的粗煤气处理能力相同的绝热变换系统和控温变换系统应用情况进行介绍和分析。

1 工艺流程

1.1 绝热变换工艺流程

绝热变换工艺流程示意图见图1。来自气化装置的水煤气经煤气分离器分离出夹带的冷凝液后，自煤气分离器顶部出来，经过主热交换器加热后进入脱毒炉，进一步过滤固体粉尘并脱除有毒物质。过滤后的工艺气分两部分，一部分进入第一变换炉，在钴钼变换催化剂的作用下进行CO 变换反应，变换反应后的气体在主热交换器中与水煤气换热后，进入中压废锅，与锅炉给水换热回收余热，副产约4.0 MPa 的饱和蒸汽去蒸汽管网。经换热后的气体进入第二变换炉继续反应，从第二变换炉出来的变换气与从脱毒炉出来的不经过第一变换炉、第二变换炉的水煤气混合后，进入1.5 MPa 废锅回收热量，副产1.5 MPa 的饱和蒸汽去蒸汽管网。经换热后的变换气进入1#分离器进行分离。出1#分离器变换气再进入0.5 MPa 废锅，副产0.5 MPa 饱和蒸汽去蒸汽管网，然后进入2#分离器。变换气出2#分离器后，进入脱盐水加热器，与脱盐水换热后，进入3#分离器进行分离，再进入变换气冷却器，与循环水换热后，进入4#分离器，分离出冷凝液后，变换气经变换气洗氨塔后，送入低温甲醇洗工段。

图1 绝热变换工艺流程示意图

1.2 控温变换工艺流程

控温变换工艺流程示意图见图2。来自气化装置的水煤气经煤气分离器分离出夹带的冷凝液后，自煤气分离器顶部出来，分两部分，一部分经煤气预热器，与中压汽包产生的或从蒸汽管网引入的中压蒸汽换热后，进入自热净化炉，另一部分直接进入自热净化炉。粗煤气进入自热净化炉后，进一步过滤固体粉尘、脱除有毒物质，同时发生变换反应，提升工艺气温度。过滤后的工艺气分两部分，一部分进入控温变换炉，在钴钼变换催化剂的作用下进行CO 变换反应，反应热通过控温变换炉换热管中的水汽化移出，副产约4.0 MPa 的饱和蒸汽去蒸汽管网。从控温变换炉出来的变换气与从自热净化炉出来的不经过控温变换炉的水煤气混合后，进入1.5 MPa 废锅回收热量，副产1.5 MPa 的饱和蒸汽去蒸汽管网，同时分离出冷凝液。变换气经1.5 MPa 废锅回收热量后，进入0.5 MPa 废锅，副产0.5 MPa 饱和蒸汽去蒸汽管网，并分离出冷凝液。之后流程与绝热变换工艺相同，最后符合要求的变换气进入低温甲醇洗工段。

图2 控温变换工艺流程示意图

1.3 流程对比

由以上流程描述及图1 和图2 对比可以看出，控温变换系统的工艺流程简单，设备数量少，控制点少，便于操控，给日常生产带来便利。

2 设 备

2.1 绝热变换

绝热变换主要设备配置见表1。绝热变换中脱毒炉、第一变换炉和第二变换炉均采用轴向反应器，结构简单。同时由于粗煤气中氢气和硫化氢的存在，设备需考虑氢腐蚀和湿硫化氢腐蚀，尤其高温会加剧氢腐蚀影响。中压废锅、1.5 MPa 废锅和0.5 MPa 废锅均采用卧式废锅，设备布置时除了需要考虑废锅本身的体积外，还需预留出其抽芯的位置。

表1 绝热变换工艺主要设备

绝热变换设备布置采用立式设备集中、其他设备分散布置的方式，使变换炉和脱毒炉靠近路边的位置，布置占地35 m×69 m，需搭建3 层平台。

2.2 控温变换

控温变换主要设备配置见表2。其中自热净化炉兼具净化和换热两项功能，一方面利用抗毒剂达到净化的目的，另一方面利用设备内部的特殊结构，使部分工艺气多次经过催化剂层发生变换反应后与未反应气体混合，提高工艺气温度，达到换热的目的，具有可操作性强，有效防止超温的特点。控温变换炉为轴径向反应器，反应热通过水相变移出，变换炉操作温度没有过高的情况。1.5 MPa 废锅和0.5 MPa 废锅为立式废锅，分上下两部分，上部与锅炉给水换热回收余热，副产相应等级的蒸汽，下部分离夹带的冷凝液。

由于部分设备与原有绝热变换工艺公用，中压汽包布置在控温变换炉上方，所以只有余下6 台设备需要考虑布置的问题，布置占地6 m×20 m，无需搭建平台。

表2 控温变换工艺主要设备

2.3 设备对比

绝热变换的主要设备有16 台，控温变换的主要设备有12 台。其中，控温变换中控温变换炉和中压汽包取代了绝热变换中的第一变换炉、第二变换炉、主热交换器和中压废锅4 台设备，控温变换中1.5 MPa和0.5 MPa 的立式废锅取代了绝热变换中1.5 MPa 和0.5 MPa 的卧式废锅和1#、2#分离器。另外，绝热变换中第一变换炉内操作温度达到450 ℃，高温对设备和管道的设计要求都较高，对催化剂危害较大[4]；而控温变换工艺只有一个变换炉，在变换炉内通过水相变移热对变换反应热进行回收，其操作温度小于300 ℃，对设备及管道材质要求低，同时延长了催化剂使用寿命。另外，控温变换的设备占地面积较小，无需搭建平台。

3 催化剂

3.1 绝热变换

绝热变换为两段变换，使用2 台脱毒炉和2 台变换炉，各设备催化剂装填情况见表3。由表3 可知，4台设备合计装填催化剂132 m3。虽然第一变换炉反应条件苛刻，一段催化剂使用寿命依然能够超过3 a。

表3 绝热变换工艺催化剂装填情况

3.2 控温变换

控温变换为一段变换，使用1 台自热净化炉和1台控温变换炉，各设备催化剂装填情况见表4。由表4可知，2 台设备合计装填催化剂106 m3。控温变换炉的反应温度降低，反应条件温和，预计催化剂使用寿命将达到5 a 以上。

表4 控温变换工艺催化剂装填情况

3.3 催化剂使用情况对比

由以上分析可以看出，控温变换的催化剂总装填量比绝热变换少26 m3，减少约20%。这是由于控温变换对反应温度的控制更合理，对反应热力学和反应动力学进行精准控制，在保证反应向正反应方向推动的同时，拥有最合适的反应速率，同时反应温度更低。控温变换催化剂较绝热变换的使用寿命能够延长约2 a。

4 投资及运行情况

两种变换工艺投资情况见表5。由表5 可以看出，与绝热变换相比，控温变换的工程总投资少约3 900 万元，控温变换工艺具有较好的经济性。

表5 绝热变换与控温变换投资情况 万元

新疆天业（集团）有限公司乙二醇二期技改项目6.5 MPa 水煤浆气化装置绝热变换系统于2015 年初次开车，至2018 年6 月停车更换催化剂，运行时间超过3 a。更换催化剂后的绝热变换与新建设的控温变换2 套装置于2018 年8 月先后开车投入运行，截至2019 年 6 月，运行时间 10 个月，在此期间 2 套装置均能平稳运行，各项指标达到设计目的。

5 结 语

5.1 与绝热变换工艺相比，控温变换工艺流程更简单，反应温度低，控制点少，操控简单，对设备和管道材质要求低。

5.2 控温变换占地面积小，无需搭建平台；控温变换比绝热变换使用催化剂数量少约20%，催化剂寿命长约2 a；控温变换投资小，约为绝热变换投资的50%。

5.3 6.5 MPa 水煤浆气化装置中绝热变换系统和新建控温变换系统均能达到设计目的，平稳运行。