可控移熱變換技術(shù)的節(jié)能分析與發(fā)展

裴松鵬

（南京敦先化工科技有限公司,南京 210048)

CO變換反應(yīng)是合成氨生產(chǎn)過程中的重要工序，由于傳統(tǒng)的CO變換反應(yīng)采用的是多段絕熱反應(yīng)過程，工藝流程較為復(fù)雜，絕熱反應(yīng)溫度高，熱量回收較困難，設(shè)備投資大。隨著 近年新型煤氣化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)絕熱變換技術(shù)已不能滿足高汽氣比、高CO變換反應(yīng)的要求。CO變換反應(yīng)是一放熱反應(yīng)，高汽氣比、高CO的變換反應(yīng)將十分劇烈，變換難度極大， 反應(yīng)溫度也難以控制。所以尋求開發(fā)能適應(yīng)高汽氣比、高CO變換的可控移熱變換技術(shù)顯得尤為重要。本文就可控移熱變換技術(shù)及與絕熱變換技術(shù)的對比來闡述可控移熱變換技術(shù)的優(yōu)點及其發(fā)展方向。

1 CO變換反應(yīng)原理

合成氨生產(chǎn)CO變換反應(yīng)工藝主要用于CO與水蒸氣在催化劑存在條件下進(jìn)行變換反應(yīng)生成H2和CO2，除去原料氣中的CO，變換反應(yīng)如下：

從該反應(yīng)可以看出，CO變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)速率受反應(yīng)平衡常數(shù)的影響.由于反應(yīng)熱與溫度有關(guān)，溫度對CO平衡常數(shù)的影響很大，溫度越高，平衡常數(shù)Kp值越小，CO變換率就越低，變換反應(yīng)就有可能達(dá)不到生產(chǎn)指標(biāo)。另外，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)溫度不斷升高，如果反應(yīng)溫度高于催化劑使用的最高溫度時，會嚴(yán)重影響催化劑的活性。

原料氣中的汽氣比也是影響變換反應(yīng)及能量回收的重要因素。當(dāng)原料氣中汽氣比高時， 物料消耗增加，反應(yīng)后過剩水蒸氣增加，系統(tǒng)需要增加能量回收裝置，增加了水消耗。但 當(dāng)在低汽氣比，反應(yīng)溫度大于400℃時，系統(tǒng)又會發(fā)生甲烷化副反應(yīng)，該反應(yīng)比變換反應(yīng)放出的熱量更多，溫升更快，嚴(yán)重影響催化劑的正常操作，并增加了后續(xù)工段處理的困難。

航天爐加壓連續(xù)氣化制得的半水煤氣由于變換系統(tǒng)的壓力高，汽氣比高，CO含量高， 傳統(tǒng)的絕熱變換工藝已經(jīng)不能滿足此類變換反應(yīng)，尋求一種新的變換技術(shù)(恒溫低溫水管式變換技術(shù))是解決上述難題較好的方法.近年來由南京敦先化工公司研發(fā)的可控移熱變換反應(yīng)器由于反應(yīng)溫度恒定，能夠及時將反應(yīng)熱移出反應(yīng)體系，較節(jié)能，現(xiàn)應(yīng)用在一些化工企業(yè)。

2 可控移熱變換技術(shù)介紹

由于變換反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，反應(yīng)熱就需要在反應(yīng)過程中及時移出?？煽匾茻嶙儞Q技術(shù)就是利用埋在催化劑床層內(nèi)部移熱水管束將催化劑床層反應(yīng)熱及時移出，確保催化劑床層溫度可控。采用該技術(shù)后對催化劑要求降低，能杜絕催化劑飛溫，使得催化劑使用壽命延長。同時由于可控移熱變換技術(shù)使反應(yīng)熱在可控移熱反應(yīng)器內(nèi)部就已經(jīng)被移走，因此減少了變換系統(tǒng)的換熱設(shè)備，使得變換流程縮短，降低了整個變換系統(tǒng)阻力。

可控移熱變換反應(yīng)器相當(dāng)于在反應(yīng)器中內(nèi)置一個換熱器，通過及時移走反應(yīng)生成的熱量保持床層基本恒溫。由于溫度降低，平衡常數(shù)增大，反應(yīng)程度加深，轉(zhuǎn)化率更高。低溫還使變換反應(yīng)過程溫和，一直保持在最適宜溫度下。操作溫度的下降不僅降低了對變換爐的材質(zhì)要求，降低了設(shè)備投資，而且使換熱設(shè)備的傳熱面積也大大縮小。

3 與原有的絕熱變換工藝對比

下面我們以某廠60000Nm3/h半水煤氣生產(chǎn)合成氨為例做一簡單的對比，組成如下：

表1 粗煤氣成分(mol%)

工藝一：可控移熱變換爐+可控移熱變換爐

工藝二：絕熱變換爐+廢熱鍋爐十絕熱變換爐+廢熱鍋爐，我們用ASPEN計算軟件分別對兩種工藝進(jìn)行模擬，得出以下結(jié)果：

表2 兩種工藝經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

從表2可以看出，與工藝二相比，工藝一具有明顯的生產(chǎn)優(yōu)勢：

（l）工藝一把工藝二中的絕熱變換爐與廢熱鍋爐合二為一，也就是把廢熱鍋爐移熱管束直接放到可控移熱變換爐內(nèi)，能夠做到尾部熱量移，更多的副產(chǎn)高品位蒸汽并用于變換自身反應(yīng)，使熱能得到有效的利用；

（2）與絕熱變換相比，可控移熱變換能夠做熱量前移，變換循環(huán)冷卻水消耗為“零”，這樣就大大減少了循環(huán)水的用量；

（3）工藝二中催化劑床層溫度最高達(dá)到450℃，工藝一由于管束中的水移走了催化反應(yīng)熱，催化劑床層的最高點溫度只有280℃。催化劑床層溫度的降低，有效杜絕了反硫化現(xiàn)象，并且催化劑在低溫下進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)速率常數(shù)變大，反應(yīng)比較徹底，低溫還有效延長了催化劑使用壽命；

4 可控移熱反應(yīng)器與絕熱反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對比

4.1 絕熱反應(yīng)器

在此類反應(yīng)器中，往往流體的流速較大，流體在軸向流經(jīng)催化劑床層時，由于受到較小流通截面積的限制，床層壓降較大，同時為了保證工藝氣體能夠與催化劑較好的反應(yīng)，經(jīng)常裝填較多的催化劑。這樣的話，催化劑床層高度較高，催化劑熱點溫度上移，催化劑得不到有效利用，活性下降較快，這樣使得出口CO含量增加，熱量回收困難，能耗增加，這樣也會使得催化劑更換頻繁，影響整個生產(chǎn)周期。

4.2 可控移熱變換反應(yīng)器

可控移熱變換技術(shù)的關(guān)鍵是可控移熱變換反應(yīng)器，或稱為可控移熱變換爐，它采用的 是徑向結(jié)構(gòu)，由內(nèi)件與外筒組成。內(nèi)件與外筒可以拆卸，管內(nèi)走水、管外裝填催化劑，下部設(shè)有催化劑自卸口。原料氣從變換反應(yīng)器上部進(jìn)入變換反應(yīng)器后進(jìn)入催化劑床層，然后沿徑向通過催化劑床層，反應(yīng)的同時與埋設(shè)在催化劑床層內(nèi)的水管換熱，再經(jīng)內(nèi)部集氣筒收集后由下部出變換反應(yīng)器。水自變換反應(yīng)器下部進(jìn)水管入反應(yīng)器，與反應(yīng)氣體換熱，然后通過集水箱收集后出變換反應(yīng)器。可控移熱變換反應(yīng)器及配套工藝特點：采用單臺可控移熱變換爐代替多段絕熱變換 爐，避免了在管道中發(fā)生的熱量損失，使更多的反應(yīng)熱副產(chǎn)飽和蒸汽并用于變換系統(tǒng)，工藝流程更加簡單，設(shè)備更加緊湊，能耗更加節(jié)省.在操作過程中只需汽包副產(chǎn)蒸汽的壓力即可調(diào)節(jié)變換爐床層溫度，另外通過控制蒸汽加入量，即可有效控制可控移熱變換爐出口氣體中的含量，操作更加方便。

可控移熱變換反應(yīng)器簡化了傳統(tǒng)絕熱變換復(fù)雜的換熱體系，并簡化了工藝流程，使生 產(chǎn)的能耗和物耗都有所降低。

5 小結(jié)

綜上所述，可控移熱變換無論是在能耗、物耗的投資、生產(chǎn)周期，還是在變換反應(yīng)的適應(yīng)性上(包括粉煤氣化與航天爐加壓氣化)，都比傳統(tǒng)的絕熱反應(yīng)有著較大的優(yōu)勢。

[1] 王慶新.“水移熱等溫變換技術(shù)”在高水氣比、高CO變換裝置的應(yīng)用[J].中氮肥，2013(04):21-22.

[2] 張麗一.氧化碳等溫變換工藝與常規(guī)變換工藝對比[J].大氮肥，2010(04):232-235.