戴豐育

傳統(tǒng)的一氧化碳變換采用多段絕熱變換工藝，存在反應(yīng)溫度高、熱能回收率低、能耗較大、流程長且復(fù)雜、系統(tǒng)阻力大、控制操作難度大等難題，第一變換爐（段）容易“飛溫”燒壞催化劑，難以實(shí)現(xiàn)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。隨著煤氣化技術(shù)的發(fā)展，采用低階煤連續(xù)氣化的粗煤氣中一氧化碳含量越來越高，傳統(tǒng)變換工藝的弊端愈加明顯。很多工業(yè)尾氣如電石爐尾氣、黃磷尾氣等主要成分是一氧化碳，受傳統(tǒng)變換技術(shù)制約，難以高效綜合利用，只能簡單燃燒。湖南安淳高新技術(shù)有限公司開發(fā)的一氧化碳等溫變換技術(shù)通過設(shè)備結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，用物理方法及時(shí)移走反應(yīng)熱而提高一氧化碳變換工藝的技術(shù)水平，開辟了提高一氧化碳變換工藝技術(shù)水平不只靠催化劑的另一條路，是對一氧化碳變換工藝技術(shù)特別是對高一氧化碳含量變換工藝的歷史性的重要貢獻(xiàn)。

一、關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新優(yōu)勢

湖南安淳高新技術(shù)有限公司開發(fā)的一氧化碳等溫變換技術(shù)，是一項(xiàng)節(jié)能、環(huán)保、安全、高效的國產(chǎn)原創(chuàng)先進(jìn)技術(shù)，解決了傳統(tǒng)多段絕熱變換存在的難題。該技術(shù)的核心是開發(fā)設(shè)計(jì)了相變移熱等溫變換反應(yīng)器，根據(jù)氣固相可逆放熱反應(yīng)原理，充分考慮反應(yīng)不同階段的放熱量，設(shè)計(jì)了獨(dú)特的換熱元件結(jié)構(gòu)置于反應(yīng)器內(nèi)部，利用沸騰水相變吸熱，及時(shí)、高效移出反應(yīng)熱，實(shí)現(xiàn)等溫、低溫反應(yīng)，達(dá)到保護(hù)催化劑、提高反應(yīng)效率、高效回收反應(yīng)熱的目的。反應(yīng)器為全徑向結(jié)構(gòu)，可替代傳統(tǒng)變換系統(tǒng)中的多臺(tái)設(shè)備，簡化生產(chǎn)流程，系統(tǒng)阻力由0.5MPa降至0.2MPa以下，壓縮電耗降低。該反應(yīng)器主要有4個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：一是將氣氣換熱改為氣水相變換熱。二是將絕熱反應(yīng)或氣氣換熱反應(yīng)器改為雙套水管換熱等溫反應(yīng)器。三是徑向反應(yīng)氣體分布均勻，有效提高了催化劑的利用率，降低了床層阻力，特殊布置的裝料管使催化劑床層裝填均勻，有效利用反應(yīng)空間。四是懸掛雙套管使水汽流向合理，并能吸收換熱管自身的熱膨脹，消除反應(yīng)設(shè)備因膨脹差不同帶來的局部應(yīng)力過大的問題，設(shè)備安全可靠。

該技術(shù)已獲2項(xiàng)國家發(fā)明專利和2項(xiàng)實(shí)用新型專利。2014年12月通過中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的科學(xué)技術(shù)成果鑒定，鑒定委員會(huì)認(rèn)為：相變移熱等溫反應(yīng)器結(jié)構(gòu)合理，技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)，達(dá)到國際領(lǐng)先水平，一致同意通過鑒定，建議加快該成果的拓展開發(fā)和推廣應(yīng)用。2015年12月，國家發(fā)改委公告的《國家重點(diǎn)節(jié)能低碳技術(shù)推廣目錄》（2015年本節(jié)能部分）列入“基于相變移熱的等溫變換節(jié)能技術(shù)”。2016年7月，應(yīng)用于新疆中能的“30萬噸/年合成氨相變移熱等溫變換技術(shù)工程應(yīng)用”獲中國氮肥工業(yè)協(xié)會(huì)“十二五”期間氮肥、甲醇行業(yè)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。2017年7月，“一氧化碳等溫變換技術(shù)”被認(rèn)定為“十三五”期間氮肥、甲醇行業(yè)推廣的節(jié)能減排先進(jìn)適用技術(shù)。2018年4月，“新疆瑪納斯中能萬源一氧化碳等溫變換技術(shù)應(yīng)用”入選國家節(jié)能中心重點(diǎn)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用典型案例。

二、典型案例及節(jié)能減排效果

新疆中能萬源化工有限公司新型煤化工一期工程年產(chǎn)40萬噸合成氨、60萬噸尿素項(xiàng)目，采用航天爐氣流床粉煤加壓氣化技術(shù)造氣。湖南安淳高新技術(shù)有限公司負(fù)責(zé)等溫變換全部設(shè)計(jì)并提供DN3800等溫變換反應(yīng)器和輔助設(shè)備。等溫變換裝置自2015年10月順利投產(chǎn)以來，保持運(yùn)行平穩(wěn)，各項(xiàng)參數(shù)優(yōu)良，體現(xiàn)了其先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念。一氧化碳含量高達(dá)68%的粗煤氣經(jīng)等溫變換后，一氧化碳干基含量降至0.6%—0.4%以滿足合成氨的要求，一氧化碳轉(zhuǎn)換率超過99.6%，僅一個(gè)壓力閥即可控制反應(yīng)溫度在280℃左右，杜絕了超溫現(xiàn)象，安全可靠。相比傳統(tǒng)變換工藝，系統(tǒng)阻力降低0.37MPa，蒸汽用量降低50%，催化劑活性穩(wěn)定，壽命延長2年以上，每小時(shí)節(jié)電1012.5kWh、節(jié)約蒸汽6噸，合計(jì)每年節(jié)省標(biāo)煤7120噸，減少二氧化碳排放1.2萬噸，既節(jié)省了煤的使用，又降低了二氧化碳等有害氣體的排放。一期工程年底投產(chǎn)后當(dāng)年即實(shí)現(xiàn)利潤153萬元，2016年實(shí)現(xiàn)利潤6251萬元，2017年實(shí)現(xiàn)利潤超過1億元。

一氧化碳等溫變換技術(shù)于2012年首次應(yīng)用于新疆天業(yè)集團(tuán)電石爐尾氣綜合利用制乙二醇項(xiàng)目，取得了極大成功后，迅速在全國各地不斷應(yīng)用。2013年應(yīng)用于山西豐喜臨猗10萬t/a的水煤漿氣化制合成氨改造項(xiàng)目；2015年應(yīng)用于新疆中能萬源HT-L氣流床粉煤氣化高一氧化碳粗合成氣變換；2016年，DN4600相變移熱等溫反應(yīng)器應(yīng)用于陽煤集團(tuán)太原新材料化工有限公司航天爐粉煤加壓氣化高一氧化碳變換，相當(dāng)于55萬噸/年合成氨規(guī)模；2017年，國內(nèi)首次成功應(yīng)用于河南心連心6.5MPa水煤漿氣化制合成氨改造項(xiàng)目。目前，該技術(shù)已在全國20多家大型企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，涉及電石爐尾氣、清華爐制氣、航天爐粉煤氣化、固定床造氣、水煤漿氣化、富氧氣化等氣化工藝，以及2.0MPa、4.0MPa、6.5MPa的不同壓力等級，折合成氨總產(chǎn)能約650萬噸/年，年綜合節(jié)能量達(dá)到9.26萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤，二氧化碳減排24.45萬噸，技術(shù)優(yōu)勢凸顯，社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益顯著。

該技術(shù)適用于以煤為原料制合成氨、甲醇、乙二醇、烯烴、油、天然氣等生產(chǎn)裝置和各種工業(yè)尾氣資源回收利用中的一氧化碳變換，對高一氧化碳、高汽氣比煤氣變換，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢更明顯；還可拓展應(yīng)用到石化行業(yè)帶有換熱管結(jié)構(gòu)的設(shè)備如重沸器、加氫重整設(shè)備，以及硫化氫制硫磺、乙二醇反應(yīng)、MTBE裂解等，推廣應(yīng)用范圍非常廣闊。

（作者為湖南安淳高新技術(shù)有限公司副總經(jīng)理、高級工程師）