粉煤气化绝热变换技改等温变换的利与弊

刘天亮，李蒙蒙，范 坤

（安徽晋煤中能化工股份有限公司，安徽临泉 236400）

1 技改背景

安徽晋煤中能化工股份有限公司，气化装置采用航天炉粉煤气化装置，气化来的粗煤气（T：210.5℃、P：3.72MPa、气体组成CO：70.16%、H2：20.27%、CO2：7.97%、N2：1.42%、Ar：0.037%、H2S：0.11%、COS：0.019%、NH3：0.004%），制得合格的变换气（T：40℃、P：3.3MPa、气体组成CO：19.61%、H2：43.95%、CO2：35.31%、N2：0.99%、Ar：0.026%、H2S：0.09%、COS：0.001%、NH3：0.002%）送往低温甲醇洗脱硫脱碳工段。变换装置采用绝热炉，规格直径DN2600，触媒分上下两段，上为11m3触媒，下段装26m3，触媒型号为QDB-03，2013年因触媒活性降低，系统阻力增大，需要提高入炉汽气比维持床层温度，提高变换率，消耗部分过热蒸汽，增加了触媒粉化速度，系统冷凝液相应增加，造成后序分离冷凝液量增加。由于系统阻力增加，后序甲醇进口压力降低，吸收效果差，为确保净化气合格，需要增加甲醇循环量，醇耗、动力电耗增加，造成后序合成压缩机汽耗也增加。为降低系统阻力，合理回收变换反应热，经综合考虑，为操作方便，避免催化剂床层超温，催化剂在≤300℃的温度下运行，延长催化剂使用寿命长；尽可能地提高变换系统热能回收率；将系统阻力降到0.15MPa 以下，结合绝热炉运行工况，对粉煤气化变换岗位进行工艺技改，采用等温炉变换工艺，消除现装置设备及管道安全隐患。

2 技改前工艺流程

技改前工艺流程图如图1所示。

3 改造后的流程

技改后流程简述：从气化来的3.72MPa（G），210℃的粗煤气，首先经净化气分离器，分离粗煤气冷凝液、粉尘后进入低压蒸气发生器（E-2001），利用粗煤气的热量副产0.4MPa（G）的低压饱和蒸汽，副产的低压饱和蒸汽送入界区外低压蒸汽管网。粗煤气经低压蒸汽发生器（E-2001）降温后（194℃）进入变换炉进料分离器（S-2001）分离液体后，气相从分离器顶端排出，在变换炉进料分离器顶部气相管线上设置了温度调节系统，通过调节低压蒸汽发生器的产气压力来调节粗煤气的温度，相应改变了粗煤气中的气相水含量，以保证粗煤气在对应温度、压力下的H2O/气=0.6。如图2所示。

图1 技改前流程图

粗煤气随后进入变换炉进料换热器（E-2002），在此被来自等温变换炉的变换气加热至240℃后，进入脱毒槽在炉内除尘及有毒气体HCN、氯、P 元素，进入变换炉，粗煤气中的部分CO 和H2O 发生变换反应，并放出大量的热，反应温度控制在280℃。从变换炉出来的变换气283℃进入变换炉进料换热器（E-2002），与变换炉进料分离器（S-2001）来的粗煤气换热冷却至220℃进入锅炉给水预热器（E-2005），通过加热脱氧水回收变换气中的余热，并使变换气的温度降至约180℃然后进入脱盐水预热器（E-2006）进一步冷却至70℃后，再经变换气水冷器（E-2007）用循环水冷却至40℃进入变换气分离器（S-2002）进行气液分离，分离液相后约40℃，3.30MPa（G）的变换气送入脱硫、脱碳单元。

图2 技改后流程图

4 具体技改措施

1）增加并联的二台规格为Φ3 000*～7 000的脱毒槽，装填吸附剂、脱毒剂以脱除粉尘等毒物。

2）增加控温炉规格为Φ2 800/Φ3 200*～20 000，取代原绝热变换炉，并增加汽包一台。

3）现有进料换热器（E-2002）面积偏小且有安全隐患，因此需新做一台面积约334m2的进料换热器（E-2002）。

4）利用现有的升温硫化设备对脱毒槽及控温变换炉预先进行升温、硫化。为满足循环硫化要求，需要一台硫化冷却器

5）改造时，切除中温水解槽、绝热炉变换炉、两台中压锅炉换热器

5 技改后效果检查

1）操作方便，避免平时操作时，因气量波动或气体成份变化，催化剂床层超温现象的发生。

2）催化剂在≤300℃的温度下运行，延长催化剂使用寿命长。

3）等温变换炉在≤300℃的温度下运行，变化率可以达到98%，满足生产需要，提高了变换系统热能回收率。

4）系统阻力由原来的0.45MPa 下降到0.15MPa 以下，降低了后序的能耗。

5）消除了装置设备及管道安全隐患，因绝热变换炉特别在开停车过程中，超温现象比较严重，缩短了设备使用寿命。

6 技改后的弊端

1）由于等温变换炉气体采用径向分布，经径向气体分布器分布后沿径向通过催化剂床层，在等温床层顶部存在变换反应的死区，变换反应热不易移走，因发生甲烷化副反应，浪费了原料气。

2）由于气化粗煤气一氧化碳吧含量正常生产时在65%左右，要确保变换出口一氧化碳含量合格，提高变换率时，需要适当提高入炉汽气比，增加了蒸汽消耗。

3）变换触媒在低温活性下，易生成硫醇硫醚的副反应，这种物质易溶于甲醇，且在甲醇溶液再生过程中，不易释放出来，造成甲醇吸收效果差，污染甲醇，排放气异味重现象的发生。

7 结语

今后煤化工发展的趋势，控温变换炉的结构比较有优势，热应力消除充分，避免应力腐蚀，不仅提高运行安全性，设备维护保养简单，同时易于大型化。根据工艺需要，换热管按照变换催化剂的热力学和动力学特性进行非均匀布局，外圈及内圈采用不同管径，充分发挥催化剂的变换及净化功能。新的等温变换炉设计径向分布器及水动力循环，确保气体分布均匀，管程的水汽混合介质无动力循环，保证工艺指标，从根本上保障了长周期运行的可靠性，延长催化剂的使用寿命，整个设备及催化剂阻力小。可采用高空速，增加反应器能力，使用小颗粒催化剂，减少催化剂颗粒内扩散过程对反应速率的影响，提高转化率。反应器采用落地裙座设计，省却了土建承台；汽包直接支撑于反应器顶部，其支架钢构件、承台与反应器外筒体进行整体设计制造（包含在供货范围内），可大幅降低水相上升下降管热应力及阻力，简化工艺配管，且反应器不用另建外框架，达到降低节约建设投资的目的。新技术、新工艺在运行过程中，经过不断的完善、改进会逐步取代工业传统的发展。