KC-102型耐硫变换催化剂在低变炉中的应用总结

潘迪东

（安阳盈德气体有限公司，河南滑县 456400）

0 引 言

安阳盈德气体有限公司（简称安阳盈德）位于河南省安阳市滑县化工产业集聚区内，其工业气体装置气化系统采用华东理工大学开发的4.2MPa四喷嘴水煤浆加压气化工艺，粗合成气产量为150000m3／h，变换系统采用中串低变换工艺，粗合成气经第一变换炉、第二变换炉、第三变换炉（即低变炉，采用昌邑凯特新材料有限公司生产的KC-102型耐硫变换催化剂）变换合格后进入低温甲醇洗系统，最终得到的净化气作为安阳中盈化肥有限公司500kt／a氨合成系统（配套800kt／a尿素装置）的原料。

安阳盈德工业气体装置于2013年5月27日投料运行，在此后长达7a多的高负荷运行中，KC-102型耐硫变换催化剂活性优异，长周期运行稳定性良好，为安阳盈德生产任务的完成打下了良好的基础。以下就本炉KC-102型耐硫变换催化剂的应用情况进行介绍，并总结低变催化剂活性保护及延长其使用寿命的经验。

1 变换系统工艺流程简述

安阳盈德变换系统的主要任务是将气化系统产生的粗合成气中的CO和H2O变换成CO2及H2，调节工艺气的氢碳比，使其满足氨合成系统对变换气的气质要求；其中，低变炉的主要作用是将经第二变换炉变换后剩余的CO在低温、低水气比条件下全部变换成H2，换言之，低变催化剂性能的好坏直接影响着整套装置的高负荷、优质运行。

来自气化系统设计温度221℃、设计压力4.50MPa（A）、设计水气比1.49的粗合成气，进入水煤气分离器（V2101）分离夹带的水分后，经工艺气预热器（E2101）预热至约245℃进入煤气过滤器（V2102），除去工艺气中的灰分后进入第一变换炉（R2101）进行变换反应；离开第一变换炉（R2101）的高温变换气，经换热器降温至260℃左右后进入第二变换炉（R2102）继续进行变换反应；离开第二变换炉（R2102）的变换气，经换热冷却至215℃左右后进入第三变换炉（R2103） ［设计第三变换炉（即低变炉）入口工艺气温度215～230℃、水气比0.79］进行最终的变换反应，工艺气变换合格并经一系列换热器后进入低温甲醇洗系统。

2 KC-102型耐硫变换催化剂的物化性能

KC-102型耐硫变换催化剂是以钴盐、钼盐和氧化铝、氧化镁等为原料，经混捏、干燥、捏合、成型、焙烧和浸渍等工艺过程制造的以氧化钴、三氧化钼为活性组分的CO低温耐硫变换催化剂。其使用温度为180～480℃、压力为1.0～5.0MPa、空速为1000～6500h-1（干气）、汽气比（摩尔比）为0.1～1.0，工艺气中的硫含量≥0.005% （体积分数），已在国内多套大型煤化工装置上成功应用，应用情况表明，其性能可靠，活性组分利用率高，催化剂的强度、使用寿命、活性及稳定性总体上优于国内外同类产品。KC-102型耐硫变换催化剂物化性能见表1。

表1 KC-102型耐硫变换催化剂的物化性能

3 低变催化剂的运行情况及性能评价

3.1 低变催化剂的运行情况

安阳盈德变换系统低变炉装填的KC-102型耐硫变换催化剂从2013年5月原始开车运行至今，运行时间已超过7a，由于低变催化剂使用时间跨度较长、数据较多（仅能保存3a左右的数据），以及运行初期开、停车次数较多，故选取2017年之后（截至2019年12月）每2个月中满负荷工况下某天的运行数据作为评价依据，催化剂床层温度监测数据见表2，2017年之后（截至2019年12月）变换系统主要运行数据见表3。

表2 KC-102型耐硫变换催化剂床层温度监测数据

3.2 低变催化剂的性能评价

安阳盈德变换系统的工艺气经过第一、第二变换炉变换后进入低变炉（R2103），入低变炉的工艺气的工况条件发生了较大变化——低温、低水气比（设计入口工艺气温度215～230℃、水气比0.79），在如此条件下要将经第一、第二变换炉变换后的工艺气再在低变炉实现全变换且长周期运行，非常考验低变催化剂的稳定性和活性。结合表2、表3的统计数据，我们对KC-102型耐硫变换催化剂作出如下评价。

（1）安阳盈德工业气体装置2013年5月原始开车以后，其负荷迅速提升至满负荷甚至超负荷，在满足后系统生产需求的同时，低变炉入口气温度基本稳定在215℃左右，长年未发生过大的波动，且KC-102型耐硫变换催化剂床层温度稳定，表明其稳定性良好，没有因工况条件的变化而出现不稳定的状况。

（2）工艺气经过第二变换炉变换后，其中的CO含量已经相当低了（CO含量＜1.2%），而工艺设计要求低变炉出口气中的CO含量要在0.41%以下，以实现全变换，这对低变催化剂来说是相当大的考验；由表3可以看出，直到2019年年底，在满负荷甚至超负荷运行条件下低变炉出口气中的CO含量依然保持在0.35%～0.40%，表明低变催化剂的低温活性依然优异。

表3 变换系统主要运行数据

总之，安阳盈德变换系统的实际运行情况表明：KC-102型耐硫变换催化剂的活性及稳定性良好，在系统高负荷运行中性能稳定；低变催化剂运行时间超过7a，其使用寿命较国内外同类催化剂（普遍使用寿命在3a左右）有很大提升，大大节省了因更换催化剂而带来的系统停车等费用。

4 保护低变催化剂活性及延长其使用寿命的经验

低变催化剂相较于中高变催化剂来说，其需要变换的CO的量不大，但其在更低的温度、更低的水气比工况下且变换深度更深，将中高变催化剂变换不了的少量CO变换成H2，从而满足生产所需。故保护好低变催化剂的活性、延长低变催化剂的使用寿命，是系统长周期运行和降本增效的重要环节。

4.1 加强气化系统管理并优化调控变换系统

加强上游系统工艺运行管理的研究，减少气化系统波动对变换系统及低变炉催化剂性能的影响。安阳盈德气化系统采用的是4.2MPa四喷嘴水煤浆加压气化工艺，气化炉产出的粗合成气经水洗塔（C1301）、气液分离器（V2101）除去其中的煤灰（同时调节粗合成气的水气比）和液态水后，经第一变换炉进出口换热器（E2101）预热后进入煤气过滤器（V2102），之后依次进入第一变换炉（R2101）、废热锅炉Ⅰ（E2102）、第二变换炉（R2102）、废热锅炉Ⅱ（E2103）、低变炉（R2103）。为防止进入变换系统的工艺气组分波动和带灰带水，需加强前系统工艺运行管理，并通过优化工艺操作减少气化系统工况波动对低变催化剂性能发挥造成的影响，具体措施如下。

（1）稳定气化炉用原料煤煤质。安阳盈德主要依据原料煤的反应活性、成浆性、灰熔融温度来衡量煤种的适应性，在生产中逐渐摸索出适合于四喷嘴水煤浆气化炉的煤种，以神木及榆林地区煤炭为主，选择低灰、低硫煤，适量掺烧内蒙古等地的煤种；同时考虑到煤灰在还原性气氛下的流动温度和粘温特性，针对原料煤煤质变化引起的气化炉工况变化，在实际运行过程中积极试验和摸索，制定相应的可操作性强的应对措施，最大限度减轻原料煤煤质变化对气化炉运行带来的不利影响，实现气化炉的安、稳、长、满、优运行。总之，气化原料煤煤质的相对稳定很重要，这不仅有利于气化系统的稳定运行，而且对下游系统的稳定运行也起着决定性的作用。

（2）水洗塔液位及文丘里流量计一定要准确。设置冲洗水装置，气化炉运行（周期）末期定期进行冲洗，并对易结垢的区域进行工艺干预，通过定点投加药剂以保持药剂浓度，减轻结垢倾向。

（3）防止液态水带入变换系统。气液分离器（V2101）液位不能太高，正常生产时控制V2101液位在30%左右，开车过程中或工况波动情况下V2101液位超过70%时须进行工艺干预，以防液态水带入第一变换炉。

（4）确保第一、第二变换炉的稳定运行。低变炉处于变换系统的末端，第一、第二变换炉的稳定运行是低变炉稳定运行的基础，尤其是当中变气带水带灰致中变催化剂活性变差时，相应就会加重低变催化剂的负荷，从而影响低变催化剂的使用寿命。

（5）低变炉与第一、第二变换炉隔离单独或并联升温。更换第一、第二变换炉催化剂后，开车升温时采取单独或并联升温的方式，并用盲板或工艺气大阀将低变炉与第一、第二变换炉隔离，以免前系统变换催化剂升温过程中产生的大量液态水进入低变炉而影响低变催化剂的活性。

总之，应通过加强工艺运行管理，尽量避免粗合成气组分波动和粗合成气带灰带水，这是保证低变催化剂活性和使用寿命的关键所在。

4.2 稳定低变炉入口气温度及催化剂床层温度

变换催化剂的变换率取决于变换反应的温度和压力，满负荷工况下变换系统的压力取决于气化系统的压力，变换系统自身无法对反应压力进行调控，但变换反应温度可以通过相关手段进行调控，在保证中变气不带水的前提下将低变炉入口气温度适当降低是延长低变催化剂使用寿命的有效方式，当然，前提是必须根据系统的工艺特性进行调节。低变催化剂运行过程中，一般要求低变炉入口气温度高于中变气饱和温度25℃，安阳盈德变换系统低变炉设计入口气温度为215～230℃，实际上在其运行初期会将低变炉入口气温度控制在215℃左右，后期因催化剂活性降低会将低变炉入口气温度提高至230℃以上。

另外，生产中严禁低变催化剂床层超温。在升温硫化过程中控制工艺气流量在20000～50000m3／h以内，同时控制工艺气中的硫含量在3000×10-6左右（达到催化剂起活的目的），防止反应热过大导致催化剂床层超温；导气过程中，均压在符合压力增长要求下尽量快一点，如果出现泄漏或其他紧急情况应当机立断退气以确保催化剂床层不超温。

当然了，低变催化剂的活性及使用寿命取决于很多因素，稳定低变炉入口气温度及低变催化剂床层温度只是其使用过程中的重要保护措施，催化剂的制造工艺及催化剂的性能（强度、水合性等）也是催化剂使用寿命的重要影响因素。

5 结束语

综上所述，KC-102型耐硫变换催化剂（低变催化剂）在安阳盈德工业气体装置变换系统7a多的应用情况表明，该型低变催化剂活性及稳定性优异，高负荷生产中性能稳定，使用寿命较国内外同类催化剂有很大提升；只要加强前系统的工艺运行管理，通过技术手段稳定好低变炉入口气温度及低变催化剂床层温度等，KC-102型低变催化剂的活性就能得到很好保护，其使用寿命就能得到有效延长，运行期内完全能达到预期的使用效果。