“水移热等温变换技术”用于高水气比高一氧化碳煤化工装置简述

王庆新

（南京敦先化工科技有限公司，江苏 南京 210048）

南京敦先化工科技有限公司开发的第一套“水移热等温变换技术”在湖南安乡晋煤金牛化工有限公司顺利投入运行后，此项专利技术又被安徽昊源化工集团有限公司 “合成氨尿素18·30原料路线改造”的加压连续气化（航天炉加压气化、干基CO含量71.15%）的高水气比高一氧化碳大型煤化工变换装置采用，该套水移热等温变换装置将于2013年底投入运行。“水移热等温变换技术”之所以被大型加压气化所选用，主要因为该项专利技术与传统高水气比高一氧化碳变换装置相比，主设备减少1／3，流程缩短1／3，工程投资仅为原工艺的2／3，系统阻力由现有的0.46MPa 降至0.16MPa，吨氨副产2.5～3.7MPa高品位蒸汽1030kg，0.8～1.3MPa低品位饱和蒸汽273kg。

“水移热等温变换技术”是利用埋在催化剂床层内部的移热水管束将催化剂床层反应热及时移出，确保催化剂床层温度可控，改变原来通过催化剂装填量来控制催化剂床层温升的被动设计理念。“水移热等温变换技术”对催化剂要求降低，杜绝飞温现象，催化剂装填量不受超温限制，有效延长催化剂使用寿命，确保每炉催化剂使用寿命均在8年以上。同时，埋在催化剂床层内部的移热水管束有效回收变换系统反应热及水煤气带进变换系统的显热和潜热，热量回收集中，品位高。在工艺流程设置上，变换系统不仅换热设备少、流程短、阻力低，而且工程投资也低。

1 现有高水气比高一氧化碳变换工艺状况及存在的问题

高水气比高一氧化碳的变换一般采用钴钼系催化剂全低变工艺，水气比高、CO浓度高、系统压力高，工艺上存在缺陷，投入运行的装置已暴露诸多问题。以航天炉变换工艺为例，原料气中CO高达68%以上。如果增加一变炉催化剂用量，稍不注意一变炉催化剂被烧掉；减少一变炉催化剂用量，虽然解决了超温难题，但催化剂使用寿命短，1.0～1.5a就要更换一次，催化剂运行周期不适应大型化装置的要求。目前，航天炉加压气化水煤气的变换为“五段绝热（一变炉分两段分流进入）”式，系统静止设备为24台，其中换热设备10台，工艺路线长，系统阻力为0.46MPa，热能回收有 0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa的饱和蒸汽及84℃、100℃、180℃的热水，吨氨冷却水消耗高达7820.1kg，系统低品位热能较多、运行能耗高、工程投资大。

引进的壳牌（Shell）气化工艺，变换存在航天炉气化变换同样的问题。近几年，部分煤化工企业将壳牌气化炉的出口气体温度降低，降低水气比，然后又添加蒸汽。改造后的工艺解决了催化剂超温烧结难题，但系统工艺流程更长，人为增加工程投资，增加系统阻力，系统能耗增高。

水煤浆气化的变换工艺，虽然CO摩尔分率偏低一些，采用的变换技术仍为三段或四段绝热反应的工艺流程，水煤气或变换气每一阶段显热和潜热的回收均需要单独一台间接换热设备，与航天炉、壳牌等水煤气变换工艺一样，存在工艺路线长、工程投资大、系统阻力大、低品位热能多等缺陷。

2 水移热等温变换技术研发与进展

近几年来，部分技术研发单位对现有变换存在的问题进行研究，并开发出水管埋在催化剂床层副产蒸汽的等温变换技术，但仅是将低压甲醇反应器搬到变换系统使用，而没有将变换本征动力学、宏观动力学、热力学以及变换系统本身有显热和潜热的特点结合起来，同时也没有对现有不同类型的变换工艺作深入调查和研究。因此，推广较慢、收效甚微。

南京敦先化工科技有限公司自成立至今始终把降低变换能耗作为主攻方向之一，并将径向气体分布专利技术、水移热低压甲醇合成专利技术、低阻力高效换热器专利技术、阶梯式回收余热理念与变换本征动力学、宏观动力学、热力学以及变换系统本身固有显热和潜热的特性有机结合起来，成功开发出 “有饱和热水塔低水气比水移热等温变换技术”、“无饱和热水塔低水气比水移热等温变换技术”、“高水气比高一氧化碳水移热等温变换技术”。以上 “水移热等温变换技术”不仅适用新装置，同时也可用来改造已投入运行的高能耗变换装置。

南京敦先开发的 “水移热等温变换技术”已被湖南安乡晋煤金牛公司有饱和热水塔的低水气比变换装置及安徽昊源化工集团高水气比高一氧化碳的大型煤化工变换装置所采用，充分说明“水移热等温变换技术”已经非常成熟。

表1 技术经济指标对比（吨氨）

3 “水移热等温变换技术”与航天炉气化原有变换工艺运行指标对比

我们将为安徽昊源化工集团有限公司 “合成氨尿素18·30原料路线改造”的加压连续气化高水气比高一氧化碳大型煤化工变换装置设计的“水移热等温变换”装置与航天炉加压气化变换装置技术经济指标分别列于表1。

我们按照0.5MPa、1.27MPa、2.5MPa蒸汽价格为80元／t、120元／t、150元／t以及原料煤、电价、循环水等分别为850元／t、0.35元／（kW·h）、0.8元／t，并把加热脱盐水，除氧水、工艺冷凝水、消耗的冷却水等全部按照热能折算为23MJ的煤耗计算。与传统变换工艺相比，南京敦先化公司“水移热等温变换技术”吨氨可以节省142.13元的运行费用，对于单套200kt／a合成氨装置，全年可以节省2842.60万元。

4 结 论

南京敦先公司开发的 “水移热等温变换技术”不仅适用于航天炉、壳牌、水煤浆等各类加压气化新建变换装置，也适用于原有老变换装置节能改造。该项技术开发成功不仅为化肥企业节能，同时可以为煤制天然气、煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、煤制烯烃等大型煤化工企业节能增效。