可控移热变换技术的节能分析与发展

裴松鹏

（南京敦先化工科技有限公司,南京 210048)

CO变换反应是合成氨生产过程中的重要工序，由于传统的CO变换反应采用的是多段绝热反应过程，工艺流程较为复杂，绝热反应温度高，热量回收较困难，设备投资大。随着 近年新型煤气化技术的发展，传统绝热变换技术已不能满足高汽气比、高CO变换反应的要求。CO变换反应是一放热反应，高汽气比、高CO的变换反应将十分剧烈，变换难度极大， 反应温度也难以控制。所以寻求开发能适应高汽气比、高CO变换的可控移热变换技术显得尤为重要。本文就可控移热变换技术及与绝热变换技术的对比来阐述可控移热变换技术的优点及其发展方向。

1 CO变换反应原理

合成氨生产CO变换反应工艺主要用于CO与水蒸气在催化剂存在条件下进行变换反应生成H2和CO2，除去原料气中的CO，变换反应如下：

从该反应可以看出，CO变换反应是放热反应，反应速率受反应平衡常数的影响.由于反应热与温度有关，温度对CO平衡常数的影响很大，温度越高，平衡常数Kp值越小，CO变换率就越低，变换反应就有可能达不到生产指标。另外，随着反应的进行，反应温度不断升高，如果反应温度高于催化剂使用的最高温度时，会严重影响催化剂的活性。

原料气中的汽气比也是影响变换反应及能量回收的重要因素。当原料气中汽气比高时， 物料消耗增加，反应后过剩水蒸气增加，系统需要增加能量回收装置，增加了水消耗。但 当在低汽气比，反应温度大于400℃时，系统又会发生甲烷化副反应，该反应比变换反应放出的热量更多，温升更快，严重影响催化剂的正常操作，并增加了后续工段处理的困难。

航天炉加压连续气化制得的半水煤气由于变换系统的压力高，汽气比高，CO含量高， 传统的绝热变换工艺已经不能满足此类变换反应，寻求一种新的变换技术(恒温低温水管式变换技术)是解决上述难题较好的方法.近年来由南京敦先化工公司研发的可控移热变换反应器由于反应温度恒定，能够及时将反应热移出反应体系，较节能，现应用在一些化工企业。

2 可控移热变换技术介绍

由于变换反应是强放热反应，反应热就需要在反应过程中及时移出。可控移热变换技术就是利用埋在催化剂床层内部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。采用该技术后对催化剂要求降低，能杜绝催化剂飞温，使得催化剂使用寿命延长。同时由于可控移热变换技术使反应热在可控移热反应器内部就已经被移走，因此减少了变换系统的换热设备，使得变换流程缩短，降低了整个变换系统阻力。

可控移热变换反应器相当于在反应器中内置一个换热器，通过及时移走反应生成的热量保持床层基本恒温。由于温度降低，平衡常数增大，反应程度加深，转化率更高。低温还使变换反应过程温和，一直保持在最适宜温度下。操作温度的下降不仅降低了对变换炉的材质要求，降低了设备投资，而且使换热设备的传热面积也大大缩小。

3 与原有的绝热变换工艺对比

下面我们以某厂60000Nm3/h半水煤气生产合成氨为例做一简单的对比，组成如下：

表1 粗煤气成分(mol%)

工艺一：可控移热变换炉+可控移热变换炉

工艺二：绝热变换炉+废热锅炉十绝热变换炉+废热锅炉，我们用ASPEN计算软件分别对两种工艺进行模拟，得出以下结果：

表2 两种工艺经济技术指标对比

从表2可以看出，与工艺二相比，工艺一具有明显的生产优势：

（l）工艺一把工艺二中的绝热变换炉与废热锅炉合二为一，也就是把废热锅炉移热管束直接放到可控移热变换炉内，能够做到尾部热量移，更多的副产高品位蒸汽并用于变换自身反应，使热能得到有效的利用；

（2）与绝热变换相比，可控移热变换能够做热量前移，变换循环冷却水消耗为“零”，这样就大大减少了循环水的用量；

（3）工艺二中催化剂床层温度最高达到450℃，工艺一由于管束中的水移走了催化反应热，催化剂床层的最高点温度只有280℃。催化剂床层温度的降低，有效杜绝了反硫化现象，并且催化剂在低温下进行反应，反应速率常数变大，反应比较彻底，低温还有效延长了催化剂使用寿命；

4 可控移热反应器与绝热反应器结构对比

4.1 绝热反应器

在此类反应器中，往往流体的流速较大，流体在轴向流经催化剂床层时，由于受到较小流通截面积的限制，床层压降较大，同时为了保证工艺气体能够与催化剂较好的反应，经常装填较多的催化剂。这样的话，催化剂床层高度较高，催化剂热点温度上移，催化剂得不到有效利用，活性下降较快，这样使得出口CO含量增加，热量回收困难，能耗增加，这样也会使得催化剂更换频繁，影响整个生产周期。

4.2 可控移热变换反应器

可控移热变换技术的关键是可控移热变换反应器，或称为可控移热变换炉，它采用的 是径向结构，由内件与外筒组成。内件与外筒可以拆卸，管内走水、管外装填催化剂，下部设有催化剂自卸口。原料气从变换反应器上部进入变换反应器后进入催化剂床层，然后沿径向通过催化剂床层，反应的同时与埋设在催化剂床层内的水管换热，再经内部集气筒收集后由下部出变换反应器。水自变换反应器下部进水管入反应器，与反应气体换热，然后通过集水箱收集后出变换反应器。可控移热变换反应器及配套工艺特点：采用单台可控移热变换炉代替多段绝热变换 炉，避免了在管道中发生的热量损失，使更多的反应热副产饱和蒸汽并用于变换系统，工艺流程更加简单，设备更加紧凑，能耗更加节省.在操作过程中只需汽包副产蒸汽的压力即可调节变换炉床层温度，另外通过控制蒸汽加入量，即可有效控制可控移热变换炉出口气体中的含量，操作更加方便。

可控移热变换反应器简化了传统绝热变换复杂的换热体系，并简化了工艺流程，使生 产的能耗和物耗都有所降低。

5 小结

综上所述，可控移热变换无论是在能耗、物耗的投资、生产周期，还是在变换反应的适应性上(包括粉煤气化与航天炉加压气化)，都比传统的绝热反应有着较大的优势。

[1] 王庆新.“水移热等温变换技术”在高水气比、高CO变换装置的应用[J].中氮肥，2013(04):21-22.

[2] 张丽一.氧化碳等温变换工艺与常规变换工艺对比[J].大氮肥，2010(04):232-235.