中煤鄂能化甲醇裝置變換爐改造及催化劑應(yīng)用小結(jié)

劉立強(qiáng)

(中煤鄂爾多斯能源化工有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000)

0 引 言

中煤鄂爾多斯能源化工有限公司(簡稱中煤鄂能化)是中國中煤能源集團(tuán)有限公司的全資子公司，其主生產(chǎn)裝置分兩期建設(shè)，一期為1 000 kt/a合成氨和1 750 kt/a尿素項目，于2014年2月投產(chǎn)，二期為1 000 kt/a甲醇項目，于2021年4月投產(chǎn)。中煤鄂能化氣化裝置采用4.0 MPa BGL熔渣氣化工藝；一期、二期變換系統(tǒng)均分為兩個系列——一期變換系統(tǒng)為Ⅰ系列、Ⅱ系列，二期變換系統(tǒng)為Ⅲ系列、Ⅳ系列，一期單系列變換系統(tǒng)采用由4臺變換爐串聯(lián)而成的全變換工藝，二期單系列變換系統(tǒng)采用由2臺變換爐串聯(lián)而成的部分變換工藝，一期、二期變換爐設(shè)計基本相同。從一期變換系統(tǒng)的運行情況來看，變換催化劑使用情況不良，使用壽命不長，2020年一期變換系統(tǒng)采用昌邑凱特新材料有限公司(簡稱昌邑凱特)生產(chǎn)的KC-102S預(yù)硫化變換催化劑時，催化劑廠家指出一期變換催化劑使用壽命短等問題可能與變換爐的設(shè)計有關(guān)，故二期變換催化劑采用昌邑凱特KC-102S預(yù)硫化變換催化劑時同時實施了變換爐氣體分布器改造。以下就二期變換爐氣體分布器改造及其KC-102S預(yù)硫化變換催化劑的應(yīng)用情況作一小結(jié)。

1 二期變換爐氣體分布器改造

中煤鄂能化一期變換系統(tǒng)自2014年投產(chǎn)以來，變換催化劑使用情況不良，尤其是催化劑床層溫度下降過快的問題——變換系統(tǒng)導(dǎo)氣完成加負(fù)荷后，第一變換爐催化劑床層熱點溫度迅速下降，其熱點長期處于變換爐最底部或變換爐出口，一旦系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)波動，變換爐催化劑床層溫度很難調(diào)節(jié)，且變換催化劑使用壽命相較于同等規(guī)模的裝置偏短。

原始設(shè)計一期變換爐頂部氣體分布器上部構(gòu)造如圖1。變換爐頂部氣體分布器焊接在爐頂管道下方，分布器由樹狀支撐、環(huán)形分布板和底部阻隔板三部分組成，分布器最下面的底部阻隔板開有小孔。鑒于一期變換系統(tǒng)的運行情況，二期兩個系列變換爐設(shè)計建設(shè)階段，設(shè)計院和變換催化劑廠家進(jìn)行了模擬計算，發(fā)現(xiàn)阻隔板開孔后大量氣體從分布器底部進(jìn)入催化劑床層，會造成大量氣體從變換爐中部穿過，使得變換爐四周催化劑的利用率低，從而造成變換催化劑使用壽命短。因此，為改善變換爐內(nèi)的氣體分布情況，提高變換催化劑的使用率，延長變換催化劑的使用壽命，設(shè)計院提出將變換爐頂部氣體分布器的底部阻隔板之開孔堵上，于是二期變換系統(tǒng)兩個系列4臺變換爐設(shè)計建設(shè)階段全部進(jìn)行了底部阻隔板開孔封堵改造——改造后，粗煤氣從分布器側(cè)面出來，經(jīng)過變換爐頂部半球狀封頭，使氣體分布更加均勻，理論上可改善變換爐內(nèi)催化劑床層氣體分布不均的狀況。除了變換爐頂部氣體分布器進(jìn)行了改造外，變換爐其他部位均未作改動。

圖1 一期變換爐頂部氣體分布器上部構(gòu)造示意

2 二期變換系統(tǒng)工藝流程簡述

來自煤氣化裝置的粗煤氣，進(jìn)入洗滌分離器下部，與其上部的洗滌水逆流接觸，除去粗煤氣中的大部分煤塵和焦油后進(jìn)入氣氣換熱器，與來自第二變換爐的變換氣進(jìn)行熱交換，粗煤氣溫度升至240 ℃后進(jìn)入第一變換爐(第一變換爐分為兩段，段間設(shè)置了煤氣激冷段)進(jìn)行變換反應(yīng)，出第一變換爐的變換氣溫度約415 ℃；由于經(jīng)變換反應(yīng)后工藝氣中的大部分水蒸氣已消耗，工藝氣中水蒸氣含量已不足，第一變換爐出口變換氣經(jīng)補(bǔ)充中壓過熱蒸汽后送入淬冷增濕器，利用變換氣顯熱加熱鍋爐給水，為變換氣補(bǔ)充水蒸氣，同時降低變換氣的溫度；經(jīng)淬冷增濕器降溫至230 ℃的變換氣進(jìn)入第二變換爐，繼續(xù)進(jìn)行變換反應(yīng)；出第二變換爐的變換氣溫度約350 ℃，去往粗煤氣過濾器進(jìn)口處的氣氣換熱器內(nèi)預(yù)熱第一變換爐入口粗煤氣，此外，第二變換爐還設(shè)置有旁路，通過調(diào)節(jié)旁路流量控制出口氣的氫碳比。

3 二期變換催化劑應(yīng)用情況

3.1 二期變換催化劑簡介

中煤鄂能化氣化裝置采用4.0 MPa BGL熔渣氣化工藝，具有所產(chǎn)粗煤氣中有效氣含量高、煤炭利用率高等優(yōu)點，但粗煤氣中含有較多的焦油。中煤鄂能化二期變換系統(tǒng)兩個系列變換爐初次裝填的催化劑為昌邑凱特KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑。該催化劑主要成分為CoS和MoS2——CoS含量(1.8±0.5)%、MoS2含量(8.0±1.0)%，載體與助劑為余量；外觀為淺灰黑色條形，外形尺寸為φ(2.0～3.0)mm×(3.0～5.0) mm；堆密度為850～1 050 kg/m3，抗碎壓力≥130 N/cm(平均值)，孔容≥0.28 mL/g，比表面積≥100 m2/g。KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑適用于低溫、低水氣比的變換工藝，其抗工藝氣中炭黑和焦油污染能力強(qiáng)，且催化劑強(qiáng)度高、適應(yīng)能力強(qiáng)，系統(tǒng)操作彈性大。

3.2 變換催化劑的裝填、升溫及導(dǎo)氣

2021年3月4日，中煤鄂能化二期變換催化劑開始初次裝填，裝填完全按照設(shè)計方案進(jìn)行：以單系列單臺設(shè)備為例，粗煤氣過濾器中分別裝填KC-104除氧劑10.2 m3、KC-101吸附劑25 m3，第一變換爐裝填KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑70.2 m3，第二變換爐裝填KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑55 m3。裝填過程中，嚴(yán)格遵守催化劑廠家的裝填要求，杜絕催化劑(吸附劑、除氧劑)從0.5 m以上高度自由落下，而是將催化劑(吸附劑、除氧劑)用起重機(jī)吊至裝填口，由爐口工作人員將催化劑(吸附劑、除氧劑)倒入事先安裝在爐口的漏斗中，經(jīng)溜槽進(jìn)入帆布袋再進(jìn)入爐內(nèi)，爐內(nèi)作業(yè)人員移動布袋出口將催化劑(吸附劑、除氧劑))撒開，裝填約0.5 m高的催化劑(吸附劑、除氧劑)后，停止裝填，將其表面推平，并計算堆密度，保證上、下層裝填密度一致，催化劑裝填工作于2021年3月15日結(jié)束。

2021年4月13日，中煤鄂能化二期變換系統(tǒng)開始升溫，升溫前按操作規(guī)程進(jìn)行氮氣置換，確保置換至系統(tǒng)O2含量<0.02%；系統(tǒng)置換合格后，建立氮氣流量，向系統(tǒng)中導(dǎo)入氮氣，控制升壓速率≤0.1 MPa/min，使系統(tǒng)壓力逐漸升至0.20～0.35 MPa；氮氣流量至20 000 m3/h以上時，開始升溫，控制開工加熱爐出口氮氣升溫速率≤50 ℃/h、催化劑(除氧劑)床層升溫速率≤25 ℃/h；催化劑(除氧劑)床層溫度達(dá)80～90 ℃時恒溫2 h，床層溫度達(dá)120 ℃時恒溫3 h，床層溫度達(dá)250～260 ℃時恒溫3 h，至2021年4月23日，變換催化劑升溫結(jié)束。

2021年4月23日變換催化劑升溫結(jié)束后，停氮氣及氮氣加熱器，開始倒盲板，隨后開始均壓，均壓至3.6 MPa；均壓完成后，變換系統(tǒng)開始暖管，暖管至160 ℃且位置到達(dá)進(jìn)出口換熱器時，暖管完成；之后現(xiàn)場人員再次確認(rèn)流程，開粗煤氣過濾器前電動大閥導(dǎo)氣，第一變換爐、第二變換爐催化劑床層溫度開始上漲，隨后配入中壓氮氣降溫，當(dāng)?shù)谝蛔儞Q爐、第二變換爐催化劑床層溫度逐漸穩(wěn)定時，導(dǎo)氣完成。整個導(dǎo)氣過程中，第一變換爐催化劑床層最高溫度498 ℃，未超溫(指標(biāo)為520 ℃以下)。

4 一期與二期變換催化劑運行情況對比

4.1 導(dǎo)氣過程的對比

一期變換系統(tǒng)第一變換爐導(dǎo)氣過程非常困難，導(dǎo)氣時變換系統(tǒng)溫度很難控制，尤其是第一變換爐入口溫度及第一變換爐催化劑床層熱點溫度，原因是BGL熔渣氣化工藝所產(chǎn)粗煤氣中CO含量很高(>57%)、水氣比很低(約0.25～0.30)，一旦變換爐內(nèi)氣體分布不均，熱量很容易在變換爐催化劑床層盲區(qū)集聚，造成第一變換爐超溫，而第一變換爐超溫會間接影響第二變換爐入口溫度、第二變換爐催化劑床層溫度以及后期的變換反應(yīng)，需頻繁進(jìn)行操作調(diào)整，但頻繁操作后，系統(tǒng)工況更加不穩(wěn)定，形成惡性循環(huán)；且若第一變換爐催化劑床層超溫時間長，會導(dǎo)致催化劑長時間超溫?zé)Y(jié)，影響其使用壽命。

2020年7月一期Ⅱ系列第一變換爐開車導(dǎo)氣，2021年4月二期Ⅳ系列第一變換爐開車導(dǎo)氣，導(dǎo)氣過程中二期Ⅳ系列第一變換爐與一期Ⅱ系列第一變換爐催化劑床層熱點溫度的對比見表1?？梢钥闯?，由于二期變換系統(tǒng)兩個系列設(shè)計建設(shè)階段就對變換爐氣體分布器進(jìn)行了改造，因此二期變換系統(tǒng)導(dǎo)氣過程中若變換爐催化劑床層溫度上漲，配入中壓氮氣就能將床層溫度壓住，并沒有出現(xiàn)一期變換爐導(dǎo)氣時易超溫的情況?？梢?，變換爐頂部氣體分布器改造后，工藝氣進(jìn)入變換爐后分布更加均勻，變換爐催化劑床層盲區(qū)明顯減少，工藝氣帶出熱量更多，催化劑床層溫度快速上漲的問題可得到有效控制，變換爐催化劑床層溫度控制難度降低。

4.2 第一變換爐運行數(shù)據(jù)的對比

一期Ⅱ系列檢修后第一變換爐2020年7月開車導(dǎo)氣運行，二期建成后Ⅳ系列第一變換爐2021年4月開車導(dǎo)氣運行，為考察二期變換爐頂部氣體分布器改造后系統(tǒng)的運行情況，選取一期Ⅱ系列穩(wěn)定運行4個多月后第一變換爐的部分運行數(shù)據(jù)(見表2)，與二期Ⅳ系列開車初期及穩(wěn)定運行后第一變換爐的部分運行數(shù)據(jù)(見表3)進(jìn)行對比?？梢钥闯觯鹤儞Q爐氣體分布器進(jìn)行了改造的二期Ⅳ系列變換系統(tǒng)，開車初期第一變換爐催化劑床層的溫度梯度比一期Ⅱ系列更加明顯，催化劑的使用情況更好，CO變換率更高——一期Ⅱ系列第一變換爐出口氣CO含量平均約29.8%、二期Ⅳ系列第一變換爐出口氣CO含量平均約27.05%；二期Ⅳ系列變換系統(tǒng)9個月的穩(wěn)定運行表明，KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑對于BGL氣化工藝所產(chǎn)粗煤氣的適應(yīng)性良好，KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑表現(xiàn)出良好的活性和活性穩(wěn)定性。

表1 導(dǎo)氣過程中二期Ⅳ系列與一期Ⅱ系列第一變換爐催化劑床層熱點溫度的對比

表2 一期Ⅱ系列第一變換爐部分運行數(shù)據(jù)

表3 二期Ⅳ系列第一變換爐部分運行數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

中煤鄂能化針對其一期1 000 kt/a合成氨裝置變換系統(tǒng)開車導(dǎo)氣完成加負(fù)荷時第一變換爐催化劑床層熱點溫度迅速下降、系統(tǒng)負(fù)荷波動時變換爐床層溫度很難調(diào)節(jié)、變換催化劑使用壽命偏短的問題，通過與設(shè)計院及變換催化劑廠家的交流，在二期1 000 kt/a甲醇裝置變換系統(tǒng)設(shè)計建設(shè)階段就進(jìn)行了變換爐頂部氣體分布器底部阻隔板開孔封堵改造，在二期變換系統(tǒng)與一期變換系統(tǒng)同樣選用KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑的情況下，二期變換系統(tǒng)KC-102S預(yù)硫化耐硫變換催化劑表現(xiàn)出對BGL氣化工藝所產(chǎn)粗煤氣適應(yīng)性良好、催化劑活性和活性穩(wěn)定性良好的運行態(tài)勢；從二期變換系統(tǒng)的運行情況來看，變換爐氣體分布器底部阻隔板開孔封堵改造達(dá)到了改善爐內(nèi)氣體分布狀況的目的，預(yù)計可有效延長二期變換催化劑的使用壽命。