王加磊

（呼倫貝爾金新化工有限公司，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾 021506）

呼倫貝爾金新化工有限公司（以下簡(jiǎn)稱金新化工）變換裝置選用高CO含量低水氣比變換工藝，為抑制或減少甲烷化副反應(yīng)引起的超溫，借鑒粉煤氣化高CO濃度原料氣低水氣比變換裝置的設(shè)計(jì)及運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)[1-2]，變換爐采用青島聯(lián)信催化材料有限公司生產(chǎn)的QDB系列耐硫變換催化劑，裝置于2011年5月建成投產(chǎn)。該裝置為金新化工50萬t/a以煤為原料合成氨裝置的配套裝置，是煤制氣合成氨裝置的重要組成部分，其主要任務(wù)是將制氣裝置（由3臺(tái)BGL氣化爐和1臺(tái)殼牌氣化爐組成）送來的粗煤氣在合適的工藝條件下經(jīng)鈷鉬系耐硫變換催化劑進(jìn)行深度變換，制得合格的變換合成氣，滿足下游合成氨裝置對(duì)合成氣中H2的需要。本文針對(duì)該裝置在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的變換爐壓差過高的問題，進(jìn)行了原因分析，并有針對(duì)性地提出了優(yōu)化解決措施，對(duì)變換裝置的生產(chǎn)維護(hù)以及同類裝置的運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。

圖1 變換裝置工藝流程示意圖

1 變換裝置工藝流程

金新化工變換裝置工藝流程示意圖見圖1。

BGL氣化爐送來的粗煤氣先進(jìn)入2個(gè)并聯(lián)的文丘里洗滌器進(jìn)行洗滌，去除粗煤氣中的焦油、煤塵、固體顆粒雜質(zhì)。經(jīng)過洗滌后的粗煤氣進(jìn)入洗滌分離器進(jìn)行氣液分離，分離后飽和粗煤氣與殼牌氣化爐產(chǎn)煤氣一同進(jìn)入到氣氣換熱器管程，與第二變換爐（簡(jiǎn)稱二變爐）出口變換氣進(jìn)行換熱，溫度升至220℃～250℃后，進(jìn)入2臺(tái)并聯(lián)脫塵槽，利用脫塵槽中吸附劑將粗煤氣中的煤塵、焦油等雜質(zhì)再次進(jìn)行脫除，降低粗煤氣中雜質(zhì)的含量。從脫塵槽出來的粗煤氣進(jìn)入3個(gè)串聯(lián)的變換爐（分別簡(jiǎn)稱一變爐、二變爐、三變爐），3臺(tái)變換爐合計(jì)裝填寬溫耐硫變換催化劑180 m3，在催化劑作用下，粗煤氣中CO與水蒸氣發(fā)生變換反應(yīng)，生成氫氣和二氧化碳。出三變爐的變換氣經(jīng)一系列熱回收之后，被冷卻至40℃送入低溫甲醇洗裝置和液氮洗裝置進(jìn)行凈化處理，為合成氨裝置提供所需要的原料氫氣。

2 存在的問題

變換裝置一、二變爐催化劑于2019年7月大修時(shí)整爐更換，三變爐催化劑于2016年7月整爐更換、并于2019年7月篩分更換25 m3。2019年7月大修更換催化劑投運(yùn)后，變換催化劑運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，一、二、三變爐壓差分別由初期的42 kPa、50 kPa、31 kPa上漲至2020年3月的64 kPa、228 kPa和44kPa，出變換裝置的CO體積分?jǐn)?shù)（干基）由0.83%上漲至1.87%，嚴(yán)重制約著系統(tǒng)長(zhǎng)周期高負(fù)荷運(yùn)行。

表1 變換催化劑運(yùn)行數(shù)據(jù)

3 原因分析

3.1 催化劑部分失活

正常生產(chǎn)中，在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)下，定期測(cè)取平衡溫距可以作為判斷催化劑中毒程度和衰老進(jìn)程的依據(jù)。若平衡溫距接近或小于10℃，可以認(rèn)為現(xiàn)有的變換觸媒尚有能力富余，有潛力可挖，可以適當(dāng)增加負(fù)荷，強(qiáng)化生產(chǎn)；若平衡溫距已接近30℃，則無潛力可挖，如強(qiáng)行增加負(fù)荷，會(huì)造成出口變換率過低而使CO含量超標(biāo)及生產(chǎn)不經(jīng)濟(jì)。如觸媒粉化嚴(yán)重，也可能出現(xiàn)平衡溫距增大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況而定。

2020年在裝置大修前，為了判斷變換觸媒是否需要更換，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)測(cè)取蒸汽/干氣比（水氣比，體積比）及干氣組分，計(jì)算出的平衡溫距見表2。由表2可知，變換催化劑出現(xiàn)部分失活的現(xiàn)象，一變爐和三變爐尤為明顯，因?yàn)槿儬t催化劑運(yùn)行的年限已超過設(shè)計(jì)使用年限。

表2 變換平衡溫距數(shù)據(jù)

3.2 開車導(dǎo)氣過程易發(fā)生帶液

開車初期，前系統(tǒng)在向變換裝置導(dǎo)氣時(shí)，由于導(dǎo)氣的速率控制不均及管道和設(shè)備預(yù)熱溫度不足，導(dǎo)致煤氣帶液進(jìn)入一變爐，對(duì)一變爐催化劑活性及使用壽命影響較大。

3.3 BGL氣化爐煤氣流量波動(dòng)大

由于BGL氣化爐加煤形式為2臺(tái)煤鎖間斷交替加煤，3爐運(yùn)行期間，6臺(tái)煤鎖在加煤操作過程中存在2臺(tái)煤鎖甚至3臺(tái)煤鎖同時(shí)下煤的情況，導(dǎo)致BGL氣化爐產(chǎn)煤氣量波動(dòng)大。2020年6月7日3臺(tái)BGL氣化爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)煤氣量波動(dòng)趨勢(shì)見圖2，由圖2可以看出，BGL氣化爐煤氣量波動(dòng)為3.7萬m3/h，約為總氣量的23%。

圖2 BGL氣化爐產(chǎn)煤氣量波動(dòng)趨勢(shì)

由于煤氣量波動(dòng)大，而工藝流程中粗煤氣洗滌水量、淬冷補(bǔ)水量及蒸汽加入量基本都是手動(dòng)調(diào)節(jié)，這些工藝參數(shù)存在調(diào)節(jié)反饋的滯后性，最終導(dǎo)致各變換爐入口溫度及水氣比發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致床層溫度發(fā)生波動(dòng)。為了穩(wěn)定操作，操作工需要頻繁調(diào)整，給生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行帶來一定的困擾。

3.4 水氣比偏高

因變換裝置超負(fù)荷運(yùn)行（為設(shè)計(jì)負(fù)荷的120%左右），為達(dá)到相應(yīng)的CO轉(zhuǎn)化率，保持變換裝置穩(wěn)定，需要更高的水氣比才能維持運(yùn)行；4臺(tái)氣化爐同時(shí)運(yùn)行時(shí)，一變爐入口水氣比為0.42，遠(yuǎn)超出設(shè)計(jì)值（0.38）；且隨著催化劑活性的逐漸衰退，催化劑運(yùn)行中后期需要更高的水氣比，二變爐入口水氣比最高會(huì)達(dá)到0.45，也超出設(shè)計(jì)水氣比（0.38）。由于水氣比超出設(shè)計(jì)值，在運(yùn)行初期采用較低的入口溫度操作，距離工藝氣露點(diǎn)溫度較近，容易導(dǎo)致變換爐上層催化劑水合相變結(jié)塊，最終導(dǎo)致催化劑使用壽命減短。

3.5 變換爐間歇帶液

3臺(tái)變換爐設(shè)計(jì)氣量與實(shí)際氣量對(duì)比，一變爐超負(fù)荷34%，二變爐超負(fù)荷15%，三變爐超負(fù)荷7%，整個(gè)變換裝置超負(fù)荷18%。由于一變爐超負(fù)荷34%運(yùn)行，導(dǎo)致第一淬冷器超負(fù)荷34%運(yùn)行，使淬冷水無法完全汽化，造成二變爐間歇帶液，壓差上漲明顯。2019年9月高負(fù)荷運(yùn)行期間，變換氣量為27.3萬m3/h時(shí)二變爐壓差變化趨勢(shì)見圖3。

圖3 2019年9月二變爐壓差上漲趨勢(shì)

4 應(yīng)對(duì)措施

4.1 更換催化劑

根據(jù)以上分析，金新化工決定在2020年6月22日—7月18日大修期間對(duì)三變爐催化劑進(jìn)行全部更換，共計(jì)更換70 m3；對(duì)一變爐催化劑和二變爐催化劑進(jìn)行全部篩分，其中一變爐催化劑篩分后補(bǔ)充新催化劑10 m3。在對(duì)二變爐催化劑篩分過程中，發(fā)現(xiàn)二變爐底部收集器的絲網(wǎng)損壞嚴(yán)重，和運(yùn)行中收集的數(shù)據(jù)分析相吻合，故對(duì)該底部收集器的絲網(wǎng)進(jìn)行更換。

大修前后各臺(tái)變換爐壓差變化見表3。由表3可知，經(jīng)過大修對(duì)一變爐和二變爐催化劑進(jìn)行篩分和部分補(bǔ)充，開車后系統(tǒng)負(fù)荷變化不大的情況下，一變爐壓差由大修前的74.59 kPa降至大修后的42.00 kPa左右，二變爐壓差由大修前的345.94 kPa降至大修后的33.00 kPa左右，效果明顯。

表3 變換爐壓差數(shù)據(jù)

4.2 根據(jù)不同工況及時(shí)優(yōu)化參數(shù)

2020年裝置大修后導(dǎo)氣開車時(shí)，導(dǎo)氣順序?yàn)椋旱谝慌_(tái)BGL氣化爐→第二臺(tái)BGL氣化爐→殼牌氣化爐→第三臺(tái)BGL氣化爐，將開車過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和分析，作為運(yùn)行過程中不同工況的調(diào)整依據(jù)，并在催化劑的不同使用周期進(jìn)行不斷優(yōu)化。

為避免一變爐超溫，采取降低一變爐入口水氣比的措施，通過控制反應(yīng)的水氣比來控制反應(yīng)的平衡，從而控制床層熱點(diǎn)溫度。

4.3 錯(cuò)峰加煤，控制BGL氣化爐煤氣量波動(dòng)

為控制BGL氣化爐煤氣量波動(dòng)，實(shí)施BGL氣化爐錯(cuò)峰加煤，具體措施如下：（1）盡量避免加煤時(shí)2臺(tái)或3臺(tái)氣化爐出口溫度同漲同降情況的發(fā)生；（2）避免單臺(tái)氣化爐高溫加煤的發(fā)生。

4.4 優(yōu)化PID參數(shù)及閥門配置

鑒于變換系統(tǒng)仍可能存在的工況變化大、負(fù)荷變化大的情況，為了盡可能穩(wěn)定二變爐及三變爐入口溫度，進(jìn)而穩(wěn)定控制整個(gè)變換系統(tǒng)操作，通過調(diào)整二變、三變鍋爐水及蒸汽溫控閥PID參數(shù)，將二變爐、三變爐入口溫度波動(dòng)范圍降至最低。與此同時(shí)，優(yōu)化調(diào)整一變爐入口蒸汽閥門與裝置氣量、粗煤氣溫度的參數(shù)協(xié)調(diào)匹配，使一變爐入口溫度控制盡可能平穩(wěn)。

4.5 提高二變爐入口溫度

因淬冷器嚴(yán)重超負(fù)荷運(yùn)行，導(dǎo)致變換爐帶液進(jìn)而壓差上漲，操作時(shí)提高二變爐入口溫度，以降低帶液風(fēng)險(xiǎn)。2019年9月二變爐入口溫度與壓差的變化趨勢(shì)見圖4，由圖4可知，提高二變爐入口溫度后，二變爐壓差趨于穩(wěn)定。在催化劑運(yùn)行后期，一變爐催化劑活性降低，二變爐反應(yīng)增加后，第二淬冷器也會(huì)面臨超負(fù)荷嚴(yán)重的問題，調(diào)整思路相同。該調(diào)整手段只是臨時(shí)措施，根本的解決措施是需要對(duì)淬冷器及混合器進(jìn)行改造，以滿足高負(fù)荷運(yùn)行需要。

圖4 2019年9月二變爐壓差與入口溫度關(guān)系圖

5 運(yùn)行效果

影響變換裝置高負(fù)荷長(zhǎng)周期運(yùn)行的因素較多，金新化工通過對(duì)催化劑實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的分析，對(duì)長(zhǎng)期困擾變換裝置的壓差問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析，分別從催化劑失活、開車導(dǎo)氣過程易發(fā)生帶液、BGL氣化爐煤氣流量波動(dòng)大、水氣比偏高、變換爐間歇帶液等方面進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并采取針對(duì)性的優(yōu)化解決措施，現(xiàn)一變爐壓差控制在45 kPa，二變爐壓差控制在38 kPa，從根本上解決了變換裝置壓差高制約裝置長(zhǎng)周期運(yùn)行的瓶頸問題，對(duì)金新化工變換裝置的生產(chǎn)維護(hù)以及同類裝置的運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。