可变换热面积等温变换炉及其工艺流程开发.pdf

Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry2023 年 6 月第 46 卷第 3 期Jun.2023Vol.46 No.31概述采用粉煤气化技术造气来生产氨或甲醇，均需对煤气化所产合成气中的氢碳比进行调节，让合成气中的 CO 和 H2O 发生变换反应是进行氢碳比调节的主要方式。变换工艺流程设计首先是根据下游需求确定变换深度，其次是根据合成气水气比、需要的变换深度等工艺参数选择变换炉类型，然后围绕变换炉进行工艺流程设计。目前，配套变换工艺流程的变换炉主要分为绝热变换炉和等温变换炉。绝热变换炉的催化剂床层没有移热设施，因此，绝热变换炉在运行时催化剂床层温度较高，容易出现超温问题。等温变换炉是利用埋设在催化剂床层内部的热水换热管束将反应热及时移出，同时通过调节汽包所产蒸汽的压力来控制催化剂床层温度，较好的避免了床层超温问题1。但无论是绝热变换炉还是等温变换炉，都必须面对催化剂的末期升温工况。常规等温变换炉虽然较好的解决了床层超温问题，但始终无法有效解决催化剂末期工况时蒸汽压力的大幅波动及相关设备和管道工程投资增加问题。针对常规等温变换炉的技术优缺点，开发出了可变换热面积新型等温变换炉，有效解决了常规等温变换炉存在的技术问题。与此同时，完成了使用可变换热面积等温变换炉调节合成气中氢碳比的 CO 等温变换工艺流程开发，为设计单位在配套粉煤气化技术的等温变换工程设计及工艺选择提供参考。可变换热面积等温变换炉及其工艺流程开发孙琰，徐洁，许仁春（中石化宁波工程有限公司，浙江宁波 315103）摘要：常规等温变换炉在应对催化剂末期升温工况时表现并不理想，因此在消化吸收其技术优势的基础上，开发出了可变换热面积等温变换炉，完成了配套粉煤气化造气合成甲醇的可变换热面积等温变换工艺流程开发，阐述了该工艺技术的特点和优势，为相应工程设计及工艺选择提供参考。关键词：变换工艺等温变换炉可变换热面积收稿日期：2023-02-10；收到修改稿日期：2023-05-01。作者简介：孙琰，男，1972 年出生，本科学历，高级工程师，1994年毕业于西安交通大学锅炉专业，现在中石化宁波工程有限公司项目管理中心从事工程设计及项目管理工作。联系电话：[phone]；E-mail：。2常规等温变换炉存在问题在常规等温变换炉及其流程设计过程中，催化剂末期工况是通过提高汽包压力的方式来提高等温变换的反应温度，以此满足催化剂末期升温需求。但常规等温变换炉的末期工况升温方式有其固有的缺点。例如：在初期工况，等温变换炉副产压力（表压，下同）4.0MPa、温度 252的饱和蒸汽，反应温度约 280；在末期工况，催化剂床层需逐渐升温约 30，相应需将等温变换炉的汽包温度同步升高30，此时对应的饱和蒸汽压为 6.6MPa。常规等温变换炉虽然通过控制汽包蒸汽压力可调节 CO 变换反应温度，但催化剂初、末期工况的蒸汽压力温度相差很大，存在以下 2 个问题：1）由于换热管内所产蒸汽的压力在 4.06.6 MPa 波动，因此，与汽包相关联的设备及管道均需要考虑较高的设计压力，否则无法满足催化剂末期6.6MPa 的蒸汽压力要求，设备及管道壁厚的增加导致了工程投资的增加。2）催化剂后期虽然可以副产 6.6MPa 的高品质蒸汽，但全厂蒸汽管网平衡却由催化剂初期的4.0MPa 蒸汽决定，在工程设计时只能将 6.6MPa 的高品质蒸汽减压降级使用，不但需要增加与减压相1742023 年第 46 卷关的管道阀件及自控仪表元件，而且还会对全厂蒸汽管网造成一定冲击。针对现有常规等温变换炉存在的技术不足，考虑将等温变换炉的传热温差维持恒定，将等温变换炉的传热面积实现可调，就可以有效解决常规等温变换炉存在的技术难题，基于此，开发出了可变换热面积等温变换炉。3可变换热面积等温变换炉结构及工作原理3.1结构设计可变换热面积等温变换炉结构见图 1。图 1可变换热面积等温变换炉结构可变换热面积等温变换炉设有变换反应腔体，炉体上封头设有合成气入口管，变换炉炉体中心设有变换气收集管，用于收集完成变换反应的变换气，通过变换气出口管从炉体下封头送出炉体。变换反应腔体内设置有催化剂框，催化剂框内装填变换催化剂，催化剂框上均匀开设通孔，通孔不仅作为气体的流经通道，而且同时起到气体分布器的作用。反应腔体内设有 2 组相对独立的换热管束，分别为主换热管束和辅助换热管束。主换热管束和辅助换热管束垂直均匀分布于催化剂床层中，用于均匀移除催化剂床层反应热。主换热管束是等温变换炉的主要换热系统，能够满足等温变换炉的基本换热需求。辅助换热管束均匀交错布置在主换热管束的周边，辅助换热管束的换热面积占总换热面积的 30%。主换热管束和辅助换热管束连通相对独立的分配管和进水管。主换热管束连通分配管 1 和进水管1，进水管 1 管道上无控制阀；辅助换热管束连通分配管 2 和进水管 2，进水管 2 上设有控制阀。主换热管束和辅助换热管束的蒸汽出口位于炉体上方，汽水混合物汇总至蒸汽收集管后送至汽包。3.2工作原理从煤气化单元送来的合成气经预热后进入变换炉，通过变换炉上封头的空腔沿着合成气通道下行，经由催化剂框上的开孔均匀进入反应区催化剂床层，CO 与水蒸气在催化剂的作用下进行变换反应。经水换热系统移热后由变换气收集管收集，经由变换气出口管送出炉体。装置运行前期，中压锅炉水分 2 路分别从进水管 1 和进水管 2 同时进入主换热管束和辅助换热管束，共同负担移除催化剂床层的反应热量，生成汽水混合物返回汽包，副产的中压饱和蒸汽从汽包排出。装置运行前期催化剂活性高，性能好，根据变换反应压力及变换炉入口气的水气比情况的不同，一般可维持催化剂床层反应温度在 250290。在装置催化剂运行的末期，可变换热面积等温变换炉的温度调节方式与常规等温变换炉不同，当发现变换炉出口的 CO 转化率低于目标值时，表明催化剂已老化，此时关闭进水管 2 上的控制阀，关闭辅助换热管束（温度及风险可控）。通过关闭辅助换热管束，减少等温变换炉的换热面积，提高热传递温差值，以此提高催化剂床层温度，调节催化剂床层反应温度维持在 280320。随着催化剂床层温度的升高，CO 的转化率回归合理区间。催化剂床层升温阶段始终保持汽包压力不变，维持了蒸汽管网压力和温度的稳定。4可变面积等温变换工艺流程可变面积等温变换炉开发是针对常规等温变换炉催化剂末期工况，存在汽包温度大幅波动的技术难题而开发的。因此，可变换热面积等温变换炉可运用在各种等温变换工艺流程中。以配套粉煤气化工艺制甲醇的变换工艺为例，可变面积等温变换工艺流程见图 2。图 2用于制甲醇的等温变换工艺流程从粉煤气化单元来的温度约 201、压力 3.8 MPa、CO 干基体积含量 72%的合成气送入气液分离器，分离出的液相从底部排出，分液后的合成气分175第 3 期孙琰等.可变换热面积等温变换炉及其工艺流程开发为 2 股：第一股合成气占总流量的 25%，作为非变换气与变换气混合后送到下游；剩余的 75%作为第二股合成气先进入合成气预热器与可变面积等温变换炉出口的变换气换热提温至 250，此时合成气中水 干气摩尔比为 0.77，然后进入脱毒槽吸附和过滤出合成气中的焦油、粉尘、砷等杂质和毒物，保护催化剂免受毒物的损害，延长其使用寿命。装置运行前期，脱毒后的合成气进入可变面积等温变换炉进行变换反应，出可变面积等温变换炉的变换气温度为 280、CO 干基体积含量8%12%、水 干气摩尔比 0.13。中压锅炉水在汽包内混合后同时进入主换热管束和辅助换热管束，汽包内的锅炉水使用强制循环移热方式取走催化剂床层的反应热，维持可变面积等温变换炉内温度恒定；中压锅炉给水吸收热量变成压力 4.0MPa、温度 252的中压饱和蒸汽从可变面积等温变换炉内换热管束的出口排出，经由蒸汽收集管、蒸汽出口返回汽包，进行气液分离，副产的中压饱和蒸汽从汽包排出送蒸汽管网。随着装置的运行，催化剂活性降低，当 CO 干基体积含量大于 12%时，为维持转化率在合理区间，需提升可变面积等温变换炉的操作温度，具体操作为：关闭进水管 2 管道上的阀门，停止辅助换热管工作，保留主换热管工作。辅助换热管束关闭后，总换热面积减少 30%，通过减少换热面积，提高传热温差，使催化剂床层维持在活性温度范围内。当然也可以对进水管 2 管道上的阀门进行流量控制，达到减少辅助换热系统撤热量的目的。关闭辅助换热管后，汽包内的锅炉水仅进入主换热管束，主换热管束内的锅炉水与催化剂床层的反应热换热，依然副产压力 4.0MPa、温度 252的中压饱和蒸汽。可变面积等温变换炉出口变换气的温度 310、CO 干基体积含量 10%12%、水 干气摩尔比 0.13。装置运行过程中，不需要改变汽包压力，降低了对蒸汽管网的设备要求，保证蒸汽管网和装置的稳定运行，同时也保证变换气产率的恒定，装置运行稳定。出可变面积等温变换炉的变换气，送合成气预热器加热第二股合成气后，变换气温度降至 232，然后进入变换气换热器回收热能，变换气温度降至200与非变换气汇合，混合气中 H2与 CO 的摩尔比控制在 2.2 左右，送下游甲醇合成装置。5技术优势可变换热面积等温变换炉通过调整换热面积的方法应对催化剂末期升温需求，与常规等温变换炉通过调整汽包压力来应对催化剂末期工况的方法相比，具有显著的技术优势。1）主换热和辅助换热管束等管路对汽包、蒸汽管道的耐压要求降低，能够降低投资。以副产60t h 蒸汽对比两种技术，数据见表 1。表 1两种技术对比项目可变换热面积等温变换技术普通等温变换技术蒸汽温度 252252283蒸汽压力 MPa4.04.06.6换热管（32mm）计算壁厚 mm2.63.1管道（DN250mm）计算壁厚 mm6.510汽包（2400mm）计算壁厚 mm3460惰气冷凝器5225由表 1 可知，汽包及蒸汽管道因耐压和温度要求的降低，带来了壁厚的大幅降低，从壁厚差可简单估算，相关类投资至少降低 30%，也不包含荷载降低所带来的结构费用的降低，有效的降低了工程投资费用。以上壁厚的计算值是理论计算值，实际设计都有安全设计裕度，此处不详细叙述。2）有效解决了催化剂初末期工况蒸汽压力温度大幅波动的问题，减少末期工况的高压蒸汽对蒸汽管网的冲击，能有效提高蒸汽管网压力的稳定性，进而有利于装置运行的稳定性。避免末期高压蒸汽减压降级使用工况，降低了对仪表元件和管阀件的要求。可变换热面积等温变换炉可配套在大多数的等温变换工艺流程中，应用范围广泛。6结束语可变面积等温变换技术是对常规等温变换技术的集成创新，在变换炉的炉体内设置两路相对独立的换热管束，其中一组辅助的换热系统设置阀门，通过减少换热面积的方法来提高催化剂床层温度，有效解决了常规等温变换反应催化剂初末期工况蒸汽压力温度大幅波动的技术难题，降低了工程投资，提高了整个蒸汽管网的运行稳定性。参考文献1邹杰.配套水煤浆气化的新型双等温变换制氢技术研究 J.大氮肥，2020，43（2）：90-92.（下转第 194 页）1942023 年第 46 卷DURING RAW WATER SUPPLY DISRUPTION Zhang Futing，Liang Jincang，Zhang Ming，Zhang Lei（Ili Xintian Coal Chemical Co.，Ltd.，Yining 835000）Abstract：Themainsourceofrawwateranditsconsumptioninacoal-to-naturalgasprojectwereintroduced.Accordingtothecharacteristicsoftheprocess,waterwithdifferentqualitygeneratedfromtheprocesswasrecoveredforreutilizationaftertakingdifferenttreatmentmeasuresinordertoachievethegoalof“cascadeusageofhighqualityforhighuse，lowqualityforlowuse”andtoreducethewasteofwaterresource.Byanalyzingtheplant-widewaterbalance，watersupplysourceandconsumption，aportfolioofwatersupplyregulationincaseofrawwaterdisruptionwaspresented.Whenrawwatersupplywasoff，thetimeofrestorewastakenintoconsiderationtotaketheoptimaladjustingplantobalancetheproductionandsafeguardthemainchemicalsystematitslargestextendtoachievescientificcoordination，reasonabledistribution,productionoptimization，andthereductionofloss，whichreducedtheimpactofrawwaterdisruptiontoitsminimum，andenhancedthesafetyproductiontoitsmaximum.Key words：rawwatersource；preparationofdemineralizedwater；rawwaterdisruption；consumptionofcirculatingwater；watersavingmeasuresEQUIPMENT AND PROCESS DEVELOPMENT OF VARIABLE HEAT EXCHANGE AREA ISOTHERMAL SHIFT REACTORSun Yan，Xu Jie，Xu Renchun（SINOPEC Ningbo Engineering Co.，Ltd.，Ningbo 315103）Abstract：Theregularisothermalshiftreactorcouldntperformwellduringheatingupintheterminalstageofthecatalyst.Soanewvariableheatexchangeareaisothermalshiftreactorwasdeveloped，aswellastheprocessflowwiththenewreactorformethanolsynthesisfromsyntheticgasofcoalgasification.Thispaperdescribedthecharacteristicsandtheadvantagesofthisprocess，andaimedatprovidingreferenceforprocessselectionofsimilarengineeringdesign.Key words：shiftprocess；isothermalshiftreactor；variableheatexchangeareaFu Hao（Zhongan United Coal Chemical Co.，Ltd.，Huainan 232090）Abstract：Highpressureboilerwaterinboilerfeedwatersystemmaintainsthecharacteristicsofhightemperature，highpressureandbeingeasytovaporize，whichoftenleadtofailureofmechanicalseal，evenseriousaccident.Weanalyzedthemainreasonsofmechanicalfailurefrommechanicalsealwashingsystem，themediumcompositionandthesealstructure，andpresentedrelatedpracticalmeasuresforimprovement.Key words：boilerfeedwaterpump；mechanicalseal；washingmode；leakagefailuredioxidestrippingureaunitsduringtheoperationformanyyears，putforwardsomeoptimizationmeasuresfortheprocesscorrosionpreventioncontrolofcarbondioxidestrippingureaunitsmadeofdifferentmaterials，andanalyzedthekeypointsofprocesscorrosionpreventionduringtheproductionprocess.Key words：carbondioxidestripping；ureaplant；leakage；anti-corrosion；controlmeasures（上接第 166 页）（上接第 169 页）（上接第 175 页）