改变净化炉催化剂装填量提高催化剂使用寿命的研究

赵惠蓉

（潞安化工集团太原化工新材料有限公司，山西 太原 030400）

引言

潞安化工新材料合成氨装置由气化、变换、低温甲醇洗3 个装置构成，将煤燃烧、转换反应、脱硫脱碳、最终处理出98%以上的氢气，并为后续生产液氨、双氧水、己二酸、己内酰胺、尼龙六提供了重要原料[1]。

变换装置由净化炉、等温变换炉、深度炉组成；净化炉原催化剂5.5 m3，等温变换炉147 m3，深度炉114 m3；净化炉催化剂一年一换，一次费用260 万，如何合理装填净化炉催化剂，提高其寿命，减少停车检修时间，是本文研究的方向。

1 变换简介

变换装置处理气化来的粗煤气设计量347 979 m3/h（湿基）、163 435 m3/h（干基），CO 实际体积分数62%，经过净化炉、等温变换炉、深度炉变换反应后B（CO）≤0.4%，B（H2）≥52.51%。气体成份见表1、表2。

表1 粗煤气成份表（湿基）

2 变换催化剂原状况

变换装置由净化炉、等温变换炉、深度炉组成；净化炉原设计装有催化剂10.2 m3，催化剂设计使用寿命为一年。此催化剂的作用是调整等温变换炉入口温度，同时有少量的CO 转换作用，转换率16%左右[2-3]。转化效率见表3 和图1。

图1 2017 年净化炉CO 转换率曲线图

表3 2017 年净化炉CO 转换率统计表

催化剂使用半年后进入到催化剂末期，反应温度较高，床层温度达到400 ℃，且CO 转换率下降，经过更换新催化剂，情况依旧，净化炉催化剂使用寿命不达一年。更新催化剂需停车处置。

催化剂装填方法：下段催化剂的装填1）从净化炉中部的人孔进入净化炉下段，根据下段催化剂和保护剂装填的高度，在格栅以上720 mm 处和2 340 mm处分别画上装填线。2）在格栅支撑上面铺三层不锈钢网[下层2.03 目（8 000 μm，下同）GFW10.0/2.50，中层和上层10.16 目（1 700 μm，下同）GFW2.0/0.50]，中层和上层向上翻边150 mm，为便于翻边，中层和上层交叉铺设。丝网单边覆盖不小于100 mm。用不锈钢丝将丝网与格栅扎成一个整体，丝网边缘捆扎点相距不得大于200 mm，其余间距不大于350 mm。3）将催化剂吊装到人孔处的平台，装填催化剂约5.5 m3（高约720 mm），丝网编织隔离后，装填保护剂11.21 m3（高约1 620 mm，）。4）在保护剂上铺2 层不锈钢网（下层10.16 目GFW2.0/0.50，上层2.03 目GFW10.0/2.50）。装好格栅压盖。

上段催化剂的装填：1）从净化炉上部的人孔进入净化炉上段，根据上段保护剂和鲍尔环装填的高度，在格栅以上2 040 mm 处和2 340 mm 处分别画上装填线。2）在格栅支撑上面铺三层不锈钢网（下层2.03目GFW10.0/2.50，中层和上层10.16 目GFW2.0/0.50），中层和上层向上翻边150 mm，为便于翻边，中层和上层交叉铺设。3）将装填除尘保护剂约14.11 m3（高约2040 mm）。4）编织丝网后，装填Φ16 mm不锈钢鲍尔环2.12 m3（高约300 mm），在编织丝网后，装好格栅压盖。

3 催化剂重新设计装填量后

2019 年9 月在更换催化剂过程中，经过核算及前期经验的总结，改变催化剂装填量由10.2 m3提至14 m3。投用后使用情况良好，提高了净化炉的稳定性，且提高一定转换率，CO 转换率提高至20%～25%。催化剂使用寿命达到两年。转换率见表4、图2。反应方程见式（1）。

图2 2019 年净化炉CO 转换率曲线图

表4 2019 年净化炉催化剂转换率统计表

原设计入口粗煤气中CO 体积分数60%，净化炉转换后为50%，转换率16%，催化剂装填量10.2 m3。其空速：SV=V0/VR=163 435 m3/h×62%/10.2=24 843.6 h-1。

实际检验催化剂寿命小于1 年。

2019 年装填催化剂14 m3增加了3 m3催化剂。其空速：SV=V0/VR=163 435 m3/h×62%/14=7 237 h-1，处理气：163 435 m3/h×62%×10%24 843.6 h-1/7 237h-1=34 785 m3/h。

转换率：34 785 m3/h/163 435 m3/h=21%。

2019 年至2021 年7 月更换催化剂，催化剂使用寿命达到1 年10 个月。

2019 年净化炉催化剂装填，净化炉单炉下段催化剂装填约7 m3（高约990 mm），装填除毒保护剂约11.21 m3（1 620 mm）；上部除尘保护剂、鲍尔环装填数量不变。

同时，净化炉少量催化剂分担等温变换炉催化剂负荷，使得起主要转换作用的等温变换炉催化剂寿命延长。等温变换炉催化剂在末期阶段，由于净化炉催化剂装填量的改变，协助变换系统一氧化碳转换率符合工艺指标[4]。2021 年净化炉催化剂装填量增加到8 m3，很大程度上分担了等温变换炉末期催化剂的转换功能，确保了变换系统正常生产运行。

2021 年6 月15 日～9 月15 日年度大检修后，在系统气量为21 万m3时净化炉出口CO 体积分数在31%左右，比检修前CO 转换率高出2%，但整体炉温降低明显下降，使净化炉有了更大的操作空间。

净化炉出口分析指标：B（CO）=31%、B（CO2）=23.52%、B（H2）=53.03%，转换率为51.28%。

等温变换炉出口分析指标：检修前，B（CO）=6.5%、B（CO2）=40.39%、B（H2）=53.13%、转换率为82.6%；检修后，B（CO）=5%、B（CO2）=36.24%、B（H2）=54.27%、转换率为85%。

深度炉分析指标：检修前，B（CO）=0.5%、转换率为88%；检修后，B（CO）=0.66%，转换率为90%，床层温度平均240 ℃；检修后：出口B（CO）=0.5%，转换率为90%；床层温度平均230 ℃。转化率比较见表5。

表5 2021 年变换装置各变换炉CO 转换率统计表

4 经济价值

变换系统检修后，净化炉、深度炉更换新催化剂后，变换炉温度、水消耗等整体工艺指标下降；有效指标上升，H2产量比检修前提高3 000 m3/h。

每年净化炉更换催化剂需260 万元，增加4 m3催化剂后，成为两年一次更换催化剂，节约一次催化剂采购费用260 万元，更换催化剂需检修5 d，减少5 d检修停车损失，按5 d 产氨4 200 t，2 000 元/t，5 d 创造利润840 万元，共计1 100 万元。

5 结语

净化炉催化剂装填量的改变，不仅延长了自身催化剂的使用寿命，还延长了后设备等温变换炉催化剂的使用寿命，起到了提高整体产量的作用，对公司的发展有着十分正面的影响。