60万t/a合成氨等温变换工艺改造

方 国

(湖南安淳高新技术有限公司，湖南 长沙 410205)

河南晋开投资控股集团公司(以下简称河南晋开集团)于2011年新建120万t/a合成氨装置，单套60万t/a合成氨，采用航天炉造气、传统四段绝热变换工艺，设计变换出口φ(CO)<0.6%。自2012年运行以来，该装置存在变换系统阻力大、出口变换气CO含量偏高及耐硫变换催化剂寿命短等问题。业主经过比较论证，决定采用湖南安淳高新技术有限公司(以下简称湖南安淳)提供的技改方案，在变换系统新增一台等温变换炉，该改造于2019年7月完成并投入使用。

1 工艺改造

为避免和减少改造导致的系统停车、平面布置造成的局限性等问题，要求不能对原系统进行大幅度改动，尽量利用原来的设备，同时，改造设备接入原系统的时间不能太长，只能利用检修时间。在此原则基础上，湖南安淳提出的主要设计思路是，将原变换系统一段变换副线改为等温变换，从而降低第二变换炉热点温度，以降低后序的变换负荷。

1.1 改造前流程

改造前变换工艺流程见图1。从航天炉造气送来的200℃、3.8MPa(g)的粗煤气，经煤气水分离器分离管道温损产生的冷凝液，再经第一换热器升温至250℃，进入并联的脱毒槽除去粗煤气中杂质，70%粗煤气经过并联的第一变换炉反应，第一变换炉反应出口380℃的变换气经第一换热器降温后，与30%的未变换气混合，进入增湿器和中压废热锅炉，降温至240℃后，进入第二变换炉反应，第二变换炉反应出口434℃、CO含量为6.7%的变换气经增湿器、中压锅炉水预热器和冷凝液预热器降温至220℃后，进入第三变换炉反应，第三变换炉反应出口260℃、CO含量为2.5%的变换气经低压废热锅炉降温至200℃后，进入第四变换炉反应，第四变换炉反应出口200℃、φ(CO)含量为1.7%的变换气送至余热回收系统。

图1 改造前流程示意图注：1—煤气水分离器；2—第一换热器；3—脱毒槽；4—第一变换炉；5—增湿器；6—中压废热锅炉；7—第二变换炉；8—增湿器；9—中压锅炉水预热器；10—冷凝液预热器；11—第三变换炉；12—低压废热锅炉；13—第四变换炉

1.2 改造后流程

改造后变换工艺流程见图2。从航天炉造气送来的200℃、3.8MPa(g)的粗煤气，经煤气水分离器分离管道温损产生的冷凝液，再经第一换热器升温至250℃，进入并联的脱毒槽除去粗煤气中杂质，60%粗煤气经过并联的第一变换炉反应，第一变换炉反应出口420℃的变换气经第一换热器降温后，与40%粗煤气经过等温变换炉反应的变换气混合，进入增湿器和中压废热锅炉，降温至230℃后进入第二变换炉反应，第二变换炉反应出口300℃、φ(CO)为3.8%的变换气经增湿器、中压锅炉水预热器和冷凝液预热器降温至200℃后，进入第三变换炉反应，第三变换炉反应出口220℃、φ(CO)为0.65%的变换气经低压废热锅炉降温至190℃后，进入第四变换炉反应，第四变换炉反应出口195℃、φ(CO)为0.4%的变换气送至余热回收系统。

图2 改造后流程示意图注：1—煤气水分离器；2—第一换热器；3—脱毒槽；4—第一变换炉；5—等温变换炉；6—增湿器；7—中压废热锅炉；8—第二变换炉；9—增湿器；10—中压锅炉水预热器；11—冷凝液预热器；12—第三变换炉；13—低压废热锅炉；14—第四变换炉

1.3 主要改造内容

本次改造要解决的主要问题是，原变换系统运行阻力大(达到0.8MPa)，第一变换炉和第二变换炉的催化剂长期高温运行，造成使用寿命短以及出口变换气中CO含量提高(达到1.7%)等问题。

针对以上问题，此次改造的内容主要有：①原来第一变换炉30%气量粗煤气的副线新增一台等温变换炉，使等温变换炉运行气量为40%，从而降低第一变换炉负荷；②新增一台汽包用于正常运行中回收能量副产3.7MPa(g)的中压蒸汽；③新增一台排污膨胀槽用于正常运行中回收能量副产低压蒸汽；④新增一台开工循环泵，在开车时使用。⑤降低第二变换炉负荷，第二变换炉运行温度由原来的430℃下降到300℃，从而延长了催化剂的使用寿命。新增设备见表1。

表1 新增设备一览表

2 运行情况对比

本次改造于2019年7月完成并投入运行以来，系统运行稳定，优于设计指标，实现了改造的目的。改造前后部分运行数据见表2。

表2 改造前后部分运行参数对比

由表2数据可以看出，在相同规模粗煤气处理量的情况下，系统运行情况有所改善，主要体现在以下5点：①变换系统阻力下降了0.2MPa；②第一变换炉运行气量降低，热点温度下降12℃；③ 第二变换炉正常运行热点温度下降了134℃，且出口CO含量下降2.9%；④变换系统出口φ(CO)含量下降了1.2%，增加了合成气量，从而增加了一定的合成氨产量；⑤减少了低压蒸汽产量，使之相应增加了中压蒸汽产量，提高了能量回收率。

3 改造效益分析

(1)系统阻力降低了0.2MPa，相当于每小时节电800kW·h，按电价0.47元/kW·h计算，则年工作7 200h产生的效益为270.7万元。

(2)变换气中φ(CO)含量从1.7%降至0.5%，相当于H2量增加了229Nm3/h，按吨氨消耗新鲜气2 650Nm3、吨氨单价3 000元、放空气燃气单价0.5元/Nm3计算，则年工作7 200h产生的效益为166.36万元。

(3)根据表2中蒸汽产量数据，3.7MPa蒸汽按85元/t计算，1.5MPa和0.5MPa蒸汽按80元/t计算，则年工作7 200h产生的效益为854.6万元。

另外，改造后第一和第二变换炉内耐硫催化剂使用温度降低，且变换负荷降低，使催化剂使用寿命延长，催化剂更换次数和更换催化剂带来的开停车次数减少，也将产生可观的经济效益。此项效益暂不计算，仅按上述三项效益计，总和为1291.6万元，本次改造总投入约为2 400万元，2年内可回收投资。

4 结语

(1)河南晋开集团60万t/a合成氨变换工段通过本次改造降低了系统阻力，降低了出口变换气CO含量，提高了催化剂的使用寿命，达到改造目的。改造后系统运行平稳，实现了节能降耗增产，为企业创造了效益。

(2)因本次改造受改造碰头时间、改造预算等因素制约，改造后的变换系统仍有进一步优化的空间，可进一步降低系统运行能耗。

(3)本次改造为航天炉粉煤气化等温变换工艺设计提供了新思路，新建项目若采用湖南安淳提供的两级等温变换工艺设计，相比于绝热变换工艺，出口变换气CO含量将进一步下降，系统阻力能降低至0.3MPa，变换催化剂使用寿命将提高至5年，从而为生产企业创造更大的效益。