耐硫变换催化剂导气问题研究

马 伟，刘克存

（陕西咸阳化学工业有限公司，陕西西安 712000)

陕西咸阳化学工业有限公司（简称咸阳化工公司）年产600kt甲醇合成工艺以煤为原料，采用多元料浆气化制取粗原料气，经过部分耐硫变换、低温甲醇洗气体净化制备合格的合成气，再经过甲醇合成、精馏生产精甲醇产品。近几年来，咸阳化工公司已经实现了三年大检修一次，期间安排1～2次状态检修。状态检修后变换炉接气过程中存在一些问题，高能耗运行20h，因此优化变换炉接气工艺，降低能耗势在必行。

1 耐硫变换装置工艺简介

来自气化装置的粗煤气分离掉气体中夹带的水分及杂质后，56%的粗煤气进入粗煤气预热器E1501，与被蒸汽过热器E1502预冷的变换气进行热量交换。出变换炉的变换气温度为430℃，经蒸汽过热器E1502将2.5MPa饱和蒸汽过热后并入到2.5MPa过热蒸汽管网。变换气温度降至360℃，再经原料气预热器E1501将粗煤气由235℃预热至300℃，变换气温度降至325℃，与未参加变换反应的粗煤气混合，得到有效气H2/CO≈2.0～2.3的变换气。

2 变换炉接气过程中存在的问题及分析

2016年6月至7月变换系统停车三次，分别是6月2日9：00系统停车24h（简称A工况），6月15日20：00系统停车48h（简称B工况），7月2日9：00系统停车96h（简称C工况）。停车前系统100%负荷运行，变换炉床层温度相同，因停车时间不同，停车后接气前床层温度以及接气时间不同，详见表1。由表1可知，在A、B、C工况下，正常生产条件下，炉温相同，停车时间越长，变换炉进口温度TI02与变换炉出温度TI11温度变化最大，96h后达到常温。变换炉预变温度TI03在24h降低95℃，48h降低130℃，96h降低161℃。

表1 变换炉正常生产与不同工况条件下温度对比表

变炉接气前条件，系统压力稳定在3.5MPa，粗煤气温度198℃，水气比0.75。接气后变换炉入口温度涨至275℃，投自动，待变换炉床层温稳定，接气完成后，随着水气比的增加根据热点温度再逐渐提高变换炉入口温度。由表2可知，变换炉入口温度TI02从变换炉开始接气涨至275℃，A、B、C工况时间不同，A、B工况较为接近，C工况时间最长，主要原因是系统停车时间长，设备以及管线温降最大，因此升温时间长。

表2 不同工况下变换炉接气过程对比表

由表2还可知，不同工况下变换炉入口温度TI02滞升时间不同。变换炉进口阀后法兰至变换炉入口法兰段管线长39m（简称Ⅰ段管线），变换炉出口法兰至FV15002阀后三通段管线长78m（简称Ⅱ段管线）。变换炉接气前，系统升压暖管过程中，变换炉进口阀关闭，出口阀打开，变换系统与变换炉同时升压，当系统压力升至3.5MPa，系统压力投自动，打开变换炉进口阀，变换炉开始接气，Ⅰ、Ⅱ段管线无放空管线，因此在系统升压暖管过程中无法暖管。变换炉接气后，Ⅰ、Ⅱ段管线开始暖管。Ⅰ段管线长度短且无设备，暖管较为容易，从常温升高至粗煤气饱和温度198℃，需要5～15min。Ⅱ段管线包括两台换热器，随着系统充压，部分粗煤气冷凝，设备管线内存有一定冷凝液，停车时间越长，暖管时间越长，当变换炉接气后，变换气经过E1502管程，首先加热E1502管程，其次将E1502壳程的积水加热汽化，当E1502工艺气出口温度TI12温度升高至198℃，再经过E1501加热入变换炉的粗煤气，变换炉入口温度才开始上升，在这期间，变换炉入口温度稳定在粗煤气饱和温度，称为滞升时间。因此，停车时间越长，变换炉入口温度TI02滞升时间越长。

2015年10月，因更换合成催化状态检修，停车240h（简称D工况）。在D工况条件下，变换催化剂预变层温度降低至58℃， 主变层温度245℃。预变层温度低于接气条件220℃温度，不能正常接气，因此，投用开工加热器E1511，进行催化剂加热升温，但是变换炉入口温度滞升时间45分钟，升至275℃时间115分钟，接气时间180分钟，充分表明接气过程时间长，能耗高。

由表3可知，停车240h，预变温度降低至58℃，主变温度245℃，整个床层温度升高至220℃，升温时间18h。顺流程升温度过程中，因预变床层温度低于主变床层温度，因此主变温度先降低，然后升高。

表3 D工况条件下变换催化剂升温数据 ℃

3 变换炉接气工艺优化

从2014年起，我公司开始实施三年大修检修一次，期间可能有短停消缺、更换合成催化剂等状态检修，每次安排8～15d。为了避免在此期间变换炉升温，系统高能耗运行，对变换炉保温、接气进行了工艺优化，实现了系统短停13d，变换炉未使用氮气升温，一次接气成功，主系统提前20h开车。具体工艺优化措施如下：

1）变换系统切气前2h，通过提高变换炉入口温度TI02，将变换炉主变层热点温度提高30℃，控制在450～460℃，让变换炉提前多蓄热量。

2）随着变换炉床层温度的降低以及进出口大阀内漏，压力逐渐降低，为了保证变换炉内微正压，防止空气进入发生氧化反应，需要间断补充氮气，当变换炉内压力PI15002低于0.005MPa，开始补充氮气，当压力升高至0.020MPa，停止补充氮气，将变换炉压力控制在0.005～0.020MPa。

3）少气量倒接气，提高预变床层温度。关闭E1511进口阀，打开E1511出口阀，粗煤气从变换炉出口进入，通过E1511出口阀前2”放空阀放空至火炬，同时打开进、出口1”导淋阀，变换炉进行少量粗煤气倒接气，当系统压力提高至3.5MPa，变换炉出口1”导淋阀排放粗煤气量约2 000m3/h以及冷凝液，变换炉出口1”导淋阀以及E1511出口阀前2”放管线排放变换气量约10 000m3/h。12 000m3/h粗煤气经过Ⅱ段管线以及设备，进行暖管。10 000m3/h粗煤气从变换炉出口进入后，首先在主变段进行反应，然后将热量传递至预变段，通过反应热提高预变段床层温度以及Ⅰ段管线温度。通过此操作，将预变层温度TI04提高至260℃，为了稳定接气，比起活温度高40℃。

4）投用开工加热器E1511，辅助变换炉接气。变炉预变段床层温度达到260℃，投用E1511开工加热器，辅助变换炉接气。因E1511换热面积较小，通过2019年8月接气经验数据，将粗煤气从198℃加热至260℃，最高加热粗煤气40 000m3/h，消耗2.5MPa过热蒸汽25t/h。当E1502出口温度大于198℃时，变换气经过E1501给进入变换炉的粗煤气加热时，缓慢减少E1511蒸汽用量，待变换炉入口温度完全通过E1501加热至275℃，缓慢打开变换炉进口阀，关闭E1511进出口阀，E1511开工加热器退出。

4 实施效果

2019年8月更换合成催化剂，系统状态检修，停车316h（简称工况E），通过工艺优化之后，变换炉床层未使用氮气升温，一次接气成功。由表4可知，系统停车前288h，预变温度198℃，主变温度415℃，表明系统保温措施有效。但是，变换系统换热检修完后，需要使用空气做气密试验，为防止空气进入变换炉内发生氧化反应，将变换炉内充压始终高于变换系统0.5MPa。变换炉持续充装常温中压氮气18h，流量为1 200m3/h，导致主变床层温度由415℃降低至179℃，低于接气起活温度。通过少量倒接气，变换炉预、主变温度达到接气条件。在系统均压暖管过程中，变换炉少量倒接气操作2h，因此未增加系统接气时间。

表4 E工况不同状态条件下变换炉床层温度对比表

在E工况条件下，变换炉入口温度升高至275℃需要时间30分钟，滞升时间0min。主要原因系统接气前，Ⅰ段管线达到充分暖管，且投用E1511配合接气，所以变换炉入口温度升高不再受Ⅱ段管线暖管不充分的影响。因此，变换炉入口温度不再滞升，变换炉接气效率提高。

5 结论

通过优化变换炉保温、接气工艺，实现了系统状态检修停车316h，变换炉床层未使用氮气升温，一次接气成功，主系统提前20h开车。缩短了接气时间，减少了接气过程中床层温度波动，产生了一定的经济效益，节约氮气升温时间18h，减少接气时间2h，节约原料消耗费用180万元。