耐硫變換催化劑導氣問題研究

馬 偉，劉克存

（陜西咸陽化學工業有限公司，陜西西安 712000)

陜西咸陽化學工業有限公司（簡稱咸陽化工公司）年產600kt甲醇合成工藝以煤為原料，采用多元料漿氣化制取粗原料氣，經過部分耐硫變換、低溫甲醇洗氣體凈化制備合格的合成氣，再經過甲醇合成、精餾生產精甲醇產品。近幾年來，咸陽化工公司已經實現了三年大檢修一次，期間安排1～2次狀態檢修。狀態檢修后變換爐接氣過程中存在一些問題，高能耗運行20h，因此優化變換爐接氣工藝，降低能耗勢在必行。

1 耐硫變換裝置工藝簡介

來自氣化裝置的粗煤氣分離掉氣體中夾帶的水分及雜質后，56%的粗煤氣進入粗煤氣預熱器E1501，與被蒸汽過熱器E1502預冷的變換氣進行熱量交換。出變換爐的變換氣溫度為430℃，經蒸汽過熱器E1502將2.5MPa飽和蒸汽過熱后并入到2.5MPa過熱蒸汽管網。變換氣溫度降至360℃，再經原料氣預熱器E1501將粗煤氣由235℃預熱至300℃，變換氣溫度降至325℃，與未參加變換反應的粗煤氣混合，得到有效氣H2/CO≈2.0～2.3的變換氣。

2 變換爐接氣過程中存在的問題及分析

2016年6月至7月變換系統停車三次，分別是6月2日9：00系統停車24h（簡稱A工況），6月15日20：00系統停車48h（簡稱B工況），7月2日9：00系統停車96h（簡稱C工況）。停車前系統100%負荷運行，變換爐床層溫度相同，因停車時間不同，停車后接氣前床層溫度以及接氣時間不同，詳見表1。由表1可知，在A、B、C工況下，正常生產條件下，爐溫相同，停車時間越長，變換爐進口溫度TI02與變換爐出溫度TI11溫度變化最大，96h后達到常溫。變換爐預變溫度TI03在24h降低95℃，48h降低130℃，96h降低161℃。

表1 變換爐正常生產與不同工況條件下溫度對比表

變爐接氣前條件，系統壓力穩定在3.5MPa，粗煤氣溫度198℃，水氣比0.75。接氣后變換爐入口溫度漲至275℃，投自動，待變換爐床層溫穩定，接氣完成后，隨著水氣比的增加根據熱點溫度再逐漸提高變換爐入口溫度。由表2可知，變換爐入口溫度TI02從變換爐開始接氣漲至275℃，A、B、C工況時間不同，A、B工況較為接近，C工況時間最長，主要原因是系統停車時間長，設備以及管線溫降最大，因此升溫時間長。

表2 不同工況下變換爐接氣過程對比表

由表2還可知，不同工況下變換爐入口溫度TI02滯升時間不同。變換爐進口閥后法蘭至變換爐入口法蘭段管線長39m（簡稱Ⅰ段管線），變換爐出口法蘭至FV15002閥后三通段管線長78m（簡稱Ⅱ段管線）。變換爐接氣前，系統升壓暖管過程中，變換爐進口閥關閉，出口閥打開，變換系統與變換爐同時升壓，當系統壓力升至3.5MPa，系統壓力投自動，打開變換爐進口閥，變換爐開始接氣，Ⅰ、Ⅱ段管線無放空管線，因此在系統升壓暖管過程中無法暖管。變換爐接氣后，Ⅰ、Ⅱ段管線開始暖管。Ⅰ段管線長度短且無設備，暖管較為容易，從常溫升高至粗煤氣飽和溫度198℃，需要5～15min。Ⅱ段管線包括兩臺換熱器，隨著系統充壓，部分粗煤氣冷凝，設備管線內存有一定冷凝液，停車時間越長，暖管時間越長，當變換爐接氣后，變換氣經過E1502管程，首先加熱E1502管程，其次將E1502殼程的積水加熱汽化，當E1502工藝氣出口溫度TI12溫度升高至198℃，再經過E1501加熱入變換爐的粗煤氣，變換爐入口溫度才開始上升，在這期間，變換爐入口溫度穩定在粗煤氣飽和溫度，稱為滯升時間。因此，停車時間越長，變換爐入口溫度TI02滯升時間越長。

2015年10月，因更換合成催化狀態檢修，停車240h（簡稱D工況）。在D工況條件下，變換催化劑預變層溫度降低至58℃， 主變層溫度245℃。預變層溫度低于接氣條件220℃溫度，不能正常接氣，因此，投用開工加熱器E1511，進行催化劑加熱升溫，但是變換爐入口溫度滯升時間45分鐘，升至275℃時間115分鐘，接氣時間180分鐘，充分表明接氣過程時間長，能耗高。

由表3可知，停車240h，預變溫度降低至58℃，主變溫度245℃，整個床層溫度升高至220℃，升溫時間18h。順流程升溫度過程中，因預變床層溫度低于主變床層溫度，因此主變溫度先降低，然后升高。

表3 D工況條件下變換催化劑升溫數據 ℃

3 變換爐接氣工藝優化

從2014年起，我公司開始實施三年大修檢修一次，期間可能有短停消缺、更換合成催化劑等狀態檢修，每次安排8～15d。為了避免在此期間變換爐升溫，系統高能耗運行，對變換爐保溫、接氣進行了工藝優化，實現了系統短停13d，變換爐未使用氮氣升溫，一次接氣成功，主系統提前20h開車。具體工藝優化措施如下：

1）變換系統切氣前2h，通過提高變換爐入口溫度TI02，將變換爐主變層熱點溫度提高30℃，控制在450～460℃，讓變換爐提前多蓄熱量。

2）隨著變換爐床層溫度的降低以及進出口大閥內漏，壓力逐漸降低，為了保證變換爐內微正壓，防止空氣進入發生氧化反應，需要間斷補充氮氣，當變換爐內壓力PI15002低于0.005MPa，開始補充氮氣，當壓力升高至0.020MPa，停止補充氮氣，將變換爐壓力控制在0.005～0.020MPa。

3）少氣量倒接氣，提高預變床層溫度。關閉E1511進口閥，打開E1511出口閥，粗煤氣從變換爐出口進入，通過E1511出口閥前2”放空閥放空至火炬，同時打開進、出口1”導淋閥，變換爐進行少量粗煤氣倒接氣，當系統壓力提高至3.5MPa，變換爐出口1”導淋閥排放粗煤氣量約2 000m3/h以及冷凝液，變換爐出口1”導淋閥以及E1511出口閥前2”放管線排放變換氣量約10 000m3/h。12 000m3/h粗煤氣經過Ⅱ段管線以及設備，進行暖管。10 000m3/h粗煤氣從變換爐出口進入后，首先在主變段進行反應，然后將熱量傳遞至預變段，通過反應熱提高預變段床層溫度以及Ⅰ段管線溫度。通過此操作，將預變層溫度TI04提高至260℃，為了穩定接氣，比起活溫度高40℃。

4）投用開工加熱器E1511，輔助變換爐接氣。變爐預變段床層溫度達到260℃，投用E1511開工加熱器，輔助變換爐接氣。因E1511換熱面積較小，通過2019年8月接氣經驗數據，將粗煤氣從198℃加熱至260℃，最高加熱粗煤氣40 000m3/h，消耗2.5MPa過熱蒸汽25t/h。當E1502出口溫度大于198℃時，變換氣經過E1501給進入變換爐的粗煤氣加熱時，緩慢減少E1511蒸汽用量，待變換爐入口溫度完全通過E1501加熱至275℃，緩慢打開變換爐進口閥，關閉E1511進出口閥，E1511開工加熱器退出。

4 實施效果

2019年8月更換合成催化劑，系統狀態檢修，停車316h（簡稱工況E），通過工藝優化之后，變換爐床層未使用氮氣升溫，一次接氣成功。由表4可知，系統停車前288h，預變溫度198℃，主變溫度415℃，表明系統保溫措施有效。但是，變換系統換熱檢修完后，需要使用空氣做氣密試驗，為防止空氣進入變換爐內發生氧化反應，將變換爐內充壓始終高于變換系統0.5MPa。變換爐持續充裝常溫中壓氮氣18h，流量為1 200m3/h，導致主變床層溫度由415℃降低至179℃，低于接氣起活溫度。通過少量倒接氣，變換爐預、主變溫度達到接氣條件。在系統均壓暖管過程中，變換爐少量倒接氣操作2h，因此未增加系統接氣時間。

表4 E工況不同狀態條件下變換爐床層溫度對比表

在E工況條件下，變換爐入口溫度升高至275℃需要時間30分鐘，滯升時間0min。主要原因系統接氣前，Ⅰ段管線達到充分暖管，且投用E1511配合接氣，所以變換爐入口溫度升高不再受Ⅱ段管線暖管不充分的影響。因此，變換爐入口溫度不再滯升，變換爐接氣效率提高。

5 結論

通過優化變換爐保溫、接氣工藝，實現了系統狀態檢修停車316h，變換爐床層未使用氮氣升溫，一次接氣成功，主系統提前20h開車?？s短了接氣時間，減少了接氣過程中床層溫度波動，產生了一定的經濟效益，節約氮氣升溫時間18h，減少接氣時間2h，節約原料消耗費用180萬元。