中低低变换改造总结

李 勇, 张 凯

(安徽晋煤中能化工股份有限公司， 安徽临泉 236400)

安徽晋煤中能化工股份有限公司1#合成氨系统有3套变换装置，其中2套为全低变工艺、1套为中低低变工艺。中低低变换在1#合成氨系统称为3#变换。在高温、加压条件下，3套变换装置在钴钼系催化剂作用下，来自压缩二段半水煤气中的CO与水蒸气进行化学反应，生成CO2和H2，制得合格的变换气。系统设有若干换热设备，可合理利用反应热，并通过充分回收余热来降低能耗[1]。2013年4月，3#变换发生工艺波动、蒸汽消耗居高不下。

1 工艺流程

2006年7月，3#变换装置建成并投产，正常生产时，来自压缩二段的半水煤气，经过焦炭过滤器分离油后，进入饱和塔塔底与热水逆流接触，提温增湿后由塔顶出来，进入主热交底部水分离器，同时添加适量的饱和蒸汽，以达到工艺指标所规定的气汽比；经水分离器分离水后,经主热交(管内)与中变炉二段出口变换气换热，再通过电加热器进入中变炉一、二段进行换热反应，以调节中变炉一、二段触媒层温度。其中，一部分半水煤气不经主热交换器，走副线直接进入中变炉一、二段。经中变二段反应的气体经过主热交(管间)换热降温后，再经一冷凝器换热降温，进入低变炉一段进行变换反应，进入二冷凝器换热降温(管间)，再进入低变炉二段完成低变反应。

从低变二段出来的变换气，进入一水加热器(管内)、热水塔换热降温后，进入二水加换热降温，最后再经冷却塔进一步冷却并分离水后，直接进变脱岗位(见图1)。

2 存在问题

2013年4月，煤炭供应紧张，此时煤质较差、H2S含量较高，导致装置运行存在以下问题：

(1) 饱和塔筒体易腐蚀泄漏。中变炉进口温度高，其进口管段易产生水汽，经常出现高温腐蚀泄漏现象。

(2) 中变炉CO反应不彻底，造成变换气CO不宜控制，蒸汽消耗增加。触媒使用前期阶段，系统外吨氨加蒸汽量一般为1 200～1 500 kg。

(3) 系统阻力大，压差高达0.10 MPa。

(4) 触媒活性差，各段触媒层温度时常超低温，提温速度慢。当低变一段中,当氧体积分数低于0.35%时，触媒层温度很难提上来。

(5) 中变炉二段塔壁温度不稳定，尤其在气量波动时多次升高，最高达375 ℃，超出其塔壁材质(16MnR)的最高使用温度(350 ℃)，存在安全隐患。

3 原因分析

(1) 由于气液交替冲刷，饱和塔上部筒体易发生泄漏；同时饱和塔及中变炉进口管道材质均为16MnR，而半水煤气中一般含有CO2(体积分数为6%～14%)、H2S (体积分数为0.1%～0.3%)等酸性气体，CO2、H2S溶于水后生成酸性介质，造成酸性腐蚀，从而破坏了氧化膜，导致碳钢被CO2、H2S腐蚀。

(2) 中变炉段间采用喷水冷激，此方法虽然简单易行、调节灵活，但由于喷水不匀，部分反应热不能及时转化为蒸汽用于变换反应，导致气体净化不彻底。

(3) 中变温度高，所需要的换热设备多，增加了系统阻力。

(4) 中变触媒使用初期，变换系统中对半水煤气的预处理不过关，造成低变触媒上部氧化后被焦油堵死，从而增加了变换系统阻力；中变触媒使用后期因粉化问题，导致系统阻力进一步增加。

(5) 中变炉内衬保温部分可能出现开裂，引起塔壁温度升高，特别是在气量波动时尤其明显。

4 实施改造

4.1 饱和塔及管道腐蚀、泄漏

(1) 由于饱和塔填料层气液交替部分特别容易被腐蚀减薄，为避免饱和塔筒体16MnR材料与介质接触，在饱和塔内壁进水管的周边内衬一块厚度为3 mm的304L不锈钢板[2]。

(2) 从饱和塔出口至主热交、中变炉一段进口管道均采用304L不锈钢材质，虽然增加了费用，但是提高了可靠性和安全性。

(3) 利用提氢岗位来的氨水来调节循环热水的pH值,将其控制在8～9之间，有效防止酸性腐蚀。

4.2 增湿降温

将中变炉的一、二段改变为全低变炉的第一段、第二段，段间采用增湿降温，不再使用中变炉内喷水冷激。

4.3 中变炉段间新增增湿器

采用增湿流程可以有效降低饱和热水塔的负荷。增湿器用脱盐水单独用2台多级离心泵或利用锅炉给水泵供水[3]。

(1) 增湿器加水用调节阀控制简单易行，调节灵活。

(2) 水的蒸发热大而且均匀，喷少量水冷激蒸发即能达到调温目的，同时增加气汽比，利于下段变换反应的同时，还节省了蒸汽。

(3) 利用炉外设置增湿器喷水降温，既能适应催化剂活性变换的要求，又能达到气体净化的目的。

(4) 中变炉段间部分反应热及时转化为蒸汽用于变换反应，饱和热水塔余热回收负荷减轻，利于提高热水塔效率及降低出气温度。

4.4 更换催化剂

将中变炉的一、二段改装低变催化剂分别作为变换的第一段、第二段。为避免催化剂中毒，保证各段催化剂长周期安全稳定运行，同时利于炉温控制，将原中变炉、低变炉使用的抗毒剂、催化剂进行合理装填。

以煤气体积流量为60 000 m3/h为参考,催化剂装填方案见表1。

表1 催化剂装填方案

4.5 全面检查中变炉内衬

修复中变炉内衬裂纹、凹坑等有缺陷部分，确保内衬结构的完整性及必要的强度。

5 修改后的工艺流程

改造后的工艺流程为：高压机二段来的半水煤气经冷却除油后进入饱和塔与循环热水传质传热；出饱和塔的半水煤气添加蒸汽后进主热交换器与变换二段出口温度为285 ℃的变换气换热，温度升至200 ℃进入变换炉一段(中变一段)发生变换反应；温度升至370 ℃、CO体积分数降至13%以下后，进入增湿器喷水冷激降温至200 ℃；之后进入变换炉二段(中变二段)再次发生变换反应；温度升至285 ℃、CO体积分数再次降至4.5%以下后，进入主热交换器换热后温度降至210 ℃，进入一冷凝器降温至180～190 ℃；而后再一次进入变换炉三段(低变)发生变换反应；温度升至210～220 ℃、CO体积分数最后降至1.5%以下后，出变换炉进入二冷凝器、一水加热器降温(并联)至90～100 ℃，在热水饱和塔内洗涤降温至72 ℃，经二水加热器降温后送至变脱。

热水塔出口热水经循环水泵加压，经一水加热器、一冷凝器加热至113 ℃后进入饱和塔[4](见图2)。

图2 中低低改造后3#变换工艺流程图

6 结语

该装置自2013年8改造投运至今，完全达到了预期的工艺设计要求。

(1) 饱和塔筒体及中变炉进口管段腐蚀得到很好的控制，未发生泄漏。

(2) 在满负荷的情况下，系统阻力不超过0.03 MPa，有效降低了压缩机的动力消耗。

(3) 吨氨蒸汽消耗非常低(≤90 kg)。

(4) 用喷水增湿取代调温水，有效降低了饱和塔的负荷；热回收效率高，热水塔出气温度最高为58 ℃。

(5) 气体净化彻底，系统出口CO体积分数≤1.5%。

(6) 塔壁温度稳定在200 ℃，保温层外表温度为25 ℃左右，保证了装置安全稳定运行。