可控移热变换炉运行总结

陈 超

(阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司临猗分公司 山西运城 044100)

阳煤丰喜肥业(集团)有限责任公司临猗分公司一分厂2#和3#系统原合成氨产能为660 t/d，其变换系统由3套0.8 MPa的变换装置组成。3套变换装置均采用绝热固定床反应器，经多次技术改造，变换工艺由原来的中温变换变更为中串低，后又改为全低变工艺，但存在能耗高、安全性差等问题。2016年1月采用压力等级2.0 MPa的等温变换技术将3套变换装置合并为1套，设计合成氨产能扩大至750 t/d。

1 技术原理

该等温变换技术所采用的可控移热变换炉是利用埋设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，从而确保催化剂床层温度可调控。埋设在可控移热变换炉催化剂床层内的换热管利用水转变为蒸汽的方式，将变换反应热加以回收利用，以达到节能降耗的目的；同时，利用饱和蒸汽压力一定时其饱和温度也相对稳定的特点，控制催化剂床层温度，操作方便。

可控移热变换炉内的水来自汽包下降管，经催化剂床层内的换热管加热后，水受热汽化为蒸汽，汽水混合物经上升管进入汽包，经分离后蒸汽去蒸汽缓冲罐，不含蒸汽的水经汽包下降管进入下一轮循环。可控移热变换炉设置2个不同压力等级的汽包(1#和2#汽包)，副产不同压力等级的蒸汽。

2 设计参数与运行参数

2.1 设计参数

装置合成氨生产规模：750 t/d。

处理气量：103 125 m3/h。

装置操作弹性：50%～110%。

年操作时间：≥8 000 h。

原料气：压力2.1 MPa，温度35 ℃，φ(CO)=32.0%，φ(H2)=42.0%，φ(CO2)=7.0%，φ(N2)=17.1%，φ(O2)=0.4%，φ(CH4+Ar)=1.5%。

变换系统出口变换气中φ(CO):≤1.5%。

压力指标：系统进口煤气压力≤2.1 MPa，添加蒸汽压力≥2.5 MPa，高压汽包副产蒸汽压力2.3～2.5 MPa，低压汽包副产蒸汽压力0.8～1.2 MPa。

温度指标：预变换炉进口气体温度200～230 ℃，预变换炉出口气体温度330～360 ℃，可控移热变换炉进口气体温度200～220 ℃，可控移热变换炉出口气体温度190～200 ℃。

2.2 目前运行参数

原料气：压力1.98 MPa，温度32.5 ℃，流量74 573 m3/h(标态)，φ(CO)=29.8%，φ(H2)=45.7%，φ(CO2)=6.9%，φ(N2)=16.1%，φ(O2)=0.5%，φ(CH4+Ar)=1.0%。

变换系统出口变换气中φ(CO)：1.5%。

压力指标：系统进口煤气压力1.98 MPa，添加蒸汽压力2.3 MPa，高压汽包副产蒸汽压力2.2 MPa，低压汽包副产蒸汽压力1.2 MPa。

温度指标：预变换炉进口气体温度202 ℃，预变换炉出口气体温度332 ℃，可控移热变换炉进口气体温度210 ℃，可控移热变换炉出口气体温度190 ℃。

3 操作要点

(1)可控移热变换炉的进口气体温度通过喷水增湿器的喷水量来进行调节，温度低时可适当减少喷水量，温度高时可适当增加喷水量。液态水与催化剂接触会使催化剂粉化并使其活性组分流失，因此喷水量不能过大，应尽量微调勤调，阀门开度不能忽大忽小，防止部分水滴未能及时蒸发而随气体进入催化剂床层。一旦发现有喷水未蒸发完全，应及时减少喷水量并加强排污，以防止液态水被带入催化剂床层。

(2)正常情况下，可控移热变换炉催化剂床层温度主要与汽包的蒸汽压力有关，汽包蒸汽压力一定时，催化剂床层的温度就可以保持一定。如果生产负荷发生变化，应及时调整蒸汽输出量，确保蒸汽压力在一个稳定的范围之内，即：当生产负荷降低时，CO反应量少，催化剂床层反应热减少，副产蒸汽量降低，将造成汽包蒸汽压力下降，继而导致催化剂床层温度下降，此时应减小汽包外供蒸汽阀开度以提高汽包蒸汽压力和催化剂床层换热管内的水温，从而保持床层温度的稳定；当生产负荷增大时，CO反应量增多，床层内反应热增加，副产蒸汽量增大，将造成汽包蒸汽压力上升，继而导致催化剂床层温度升高，此时应增大汽包外供蒸汽阀开度以降低汽包蒸汽压力，从而保持催化剂床层温度的稳定。

(3)变换系统出口变换气中CO浓度的控制主要依靠蒸汽添加量进行调节，生产负荷增大、出口变换气中CO浓度上升时，可增加蒸汽添加量以提高反应物的浓度，从而提高CO的转化率，降低出口变换气中CO浓度。但系统出口变换气中CO浓度不宜降得过低，满足工艺指标即可，长期保持高水汽比操作易使催化剂出现反硫化现象，从而影响催化剂的活性和使用寿命。

(4)变换系统生产负荷过轻，若汽包外供蒸汽阀开度减小后炉温仍不能保证在指标范围内时，可采用2.5 MPa饱和蒸汽补充1#汽包压力以提高催化剂床层温度，确保可控移热变换炉的热平衡。

(5)系统升降压速率过快会对催化剂床层造成瞬时附加压差，特别是瞬时逆放会导致催化剂床层底部压力远高于顶部压力，反冲力不仅会使催化剂床层松动，甚至会导致催化剂破碎，造成催化剂床层阻力升高。在系统停车卸压时，须防止气体倒流，应打开系统出口放空阀，禁止开启系统进口放空阀，以防止催化剂被吹翻和破碎。系统升降压速率以控制在0.02 MPa/min为宜。

(6)停车时如蒸汽阀泄漏或未用干气置换，则催化剂床层的气相中仍会有蒸汽，温度下降后会使催化剂的微孔内充满冷凝水，再次开车时催化剂受热后会部分甚至大部分粉化。因此，停车时一定要先关闭蒸汽阀，再用干气或惰性气体置换并保持炉内处于正压状态。

(7)汽包压力的调节应缓慢，同时应密切注意催化剂床层气液两侧的压差。高压汽包的压力控制在比变换系统压力高0.2～0.3 MPa即可，尽可能多副产高压蒸汽供变换系统自用；低压汽包压力根据可控移热变换炉出口变换气温度进行调节，以保证出口变换气温度在190～200 ℃，此时的汽包压力应维持在0.8～1.0 MPa，压力太高会造成出口变换气体温度升高，从而增加蒸汽消耗。

(8)正常生产时，汽包液位应控制在正常指标范围以内，并定期冲洗液位计，防止出现假液位；按时对汽包及下降管进行排污，定时分析汽包水质，确保水质符合要求。

(9)生产过程中如遇突然减量或短期停车，必须及时减少或切断蒸汽的供给。关停蒸汽滞后、蒸汽阀门泄漏等，会在较短的时间内因蒸汽添加量过大而引起催化剂的反硫化，从而降低催化剂的活性。这点与中变催化剂的操作不同，须引起足够的重视。

(10)在生产过程中，系统负荷、系统压力及汽包蒸汽压力均应保持稳定，调节幅度应缓慢；系统负荷及压力变化过快，会使可控移热变换炉内部换热管及连接部位产生热应力及压差应力，易使金属焊接部位产生疲劳而出现裂纹，严重时会造成换热管泄漏。

4 常见问题分析及处理

(1)催化剂床层温度升高

原因：生产负荷大、副产蒸汽量大、汽包压力高。

措施：增大汽包出汽阀开度，适当降低汽包蒸汽压力。

(2)催化剂床层温度降低

原因：生产负荷低、副产蒸汽量小、汽包压力低；汽包进水温度低、进水量大、液位高。

措施：开系统冷副线；适当减小汽包外送蒸汽阀开度，提高汽包压力；提高进水温度并减少进水量，打开汽包排污阀以降低液位。

(3)汽包副产蒸汽量少，床层移热效果差

原因：汽包进水量少、液位低。

措施：提高汽包进水压力，增大汽包进水阀开度，恢复汽包液位至正常。

(4)测温热电偶测温数值不准

原因：测温热电偶套管内有水汽存在。

措施：清除测温热电偶套管内水汽，重新校核热电偶。

(5)催化剂活性降低

原因：催化剂活性组分发生流失；催化剂长期处于高温状态，晶体长大，晶型发生变化；催化剂发生反硫化。

措施：加强系统导淋的排放，防止工艺气体带水；严格控制可控移热变换炉内温度，避免长期高温操作；防止超温和过量添加蒸汽；更换催化剂，重新进行升温硫化。

(6)催化剂床层阻力增大

原因：催化剂表面结块、粉化，导致气体分布器堵塞。

措施：利用停车检修机会，用干煤气或惰性气体反吹，或停车卸出催化剂，过筛后重新装入或者更换催化剂。

(7)催化剂床层同平面温差增大

原因：催化剂装填不均匀。

措施：利用停车检修机会，用振动器重新振实。

(8)可控移热变换炉换热管泄漏

措施：按正常停车步骤停车后，吊出内件进行修复。

(9)变换系统出口变换气中CO浓度高

原因：进口粗煤气水汽比过小；前热交换器换热管破裂，粗煤气泄漏。

措施：向系统进口添加外供蒸汽或汽包副产蒸汽，提高进口粗煤气水汽比至正常指标范围内；对热交器进行堵漏。

5 结语

实际运行结果表明，可控移热变换炉温度容易控制，变换系统出口CO浓度相对稳定，而且可以副产不同等级的蒸汽，与传统绝热变换炉相比，更安全、更经济。