等温变换技术在几种煤气化变换装置中的应用

2013年第34卷第4期氮肥技术1等温变换技术在几种煤气化变换装置中的应用王庆新(南京敦先化工科技有限公司江苏南京 210048)摘要简要介绍等温变换技术在航天炉气化、水煤浆加压气化、有或无饱和热水塔变换装中的应用实例和效果,总结了等温变换技术的特点,并与传统变换工艺的技术经济指标进行了对比分析。关键词等温变换特点应用效果Application of isothermal transformation technology in kinds of coalgasification plantsWANG Qing -xin(Nanjing Dunxian Chemical Technology Company Limited, Nanjing 210048, Jiangsu Province)Abstract The paper briely introduces application example and eft of isothermal transformation technology applied inHT-L gasification, coal. -water slurry pressurized gaification and with or without hot water tower transformation device. The papersummarzea charateristics of isothernal transformation technology, and contrastive analysis economic indexes with traditionaltransformation process.Keywords isothermal transformation, characteristic, application, efeet前言变换装置所采用。南京敦先化工科技有限公司的“等温变换技与粉煤加压气化、水煤浆加压气化以及天然术”是利用埋在催化剂床层内部移热水管束将催气转化等高水气比、 高CO水煤气相配套的变换化剂床层反应热及系统多余的低品位热能转化装置不仅要完成CO转化任务,同时兼顾完成前为高品位蒸汽,同时降低催化剂床层温度,提高工序带进变换系统热量回收任务。变换装置热量反应推动力,延长催化剂使用寿命,降低系统阻回收率及回收热能品位高低直接关系到整个装力,降低工程投资、减少设备腐蚀。该技术已经被置综合能耗。目前, 与之相配套的传统变换工艺安徽昊源化工集团“18.30”合成氨项目(航天炉加多为“多段绝热反应+间接热能回收"方式,工艺压气化制水煤气3.78MPa)、内蒙古某能源单位流程长、设备多、工程投资大、系统阻力大、露点40亿m/a煤制天然气项目(单套通过干基水煤气腐蚀多、设备维修费用高、回收热能品位低、热量量66.7万Nm2/h)、山东联盟化工股份有限公司回收率低。15万ta合成氨项目(固定床间歇气化制半水煤与固定床间歇式气化以及尾气回收等低水气、2.2MPa)、河南新乡永昌化工股份有限公司17气比、低Co含量的半水煤气或水煤气相配套的万tla合成氨项目(固定床间歇气化制半水煤气、变换工艺流程类型繁多,从热能回收来分可以分0.8MPa)、湖北某化工集团10万tla合成氨项目为“有饱和热水塔”和“无饱和热水塔”两种类型;(固定床间歇气化制半水煤气、0.8MPa)、河北天从变换工艺流程及催化剂选型.上来分可以分为成化工股份有限公司卢龙分公司6万t/a合成氨“中串低”、“中低低”“全低变”三大类型。此类变项目(固定床间歇气化制半水煤气、0.8MPa)、湖换装置均需要向系统添加蒸汽,流程设置上也是南安乡晋煤金牛化工有限公司5万ta合成氨项.“多段绝热中国煤化工式。就现有运目(固定床间歇气化制半水煤气、0.8MPa)等单位行的变换MYHCNMHG消耗高、系统.12氮肥技术2013年第34卷阻力大、设备腐蚀严重低品位热能多等缺陷。束将催化剂床层反应热及时移出的,确保催化剂现有变换装置工艺流程及热能回收,是按照床层温度可控,在一般工况下,第一变换炉催化催化剂使用温区、CO转化率、各段平衡温距作为剂床层温 度均可以控制在180-350C范围，彻底主要设计依据的,并按绝热催化剂床层设计理念杜绝飞温等安全事故发生;进行设计。但随着CO摩尔分率的提高、CO转化(2)催化剂装填量不受温度限制、运行周期.率提高、催化剂使用温区窄,在确保每段具有较长。“等温变换技术”是利用埋在催化剂床层内部大反应推动力时,势必造成催化剂床层多、间接移 热水管束将催化剂床层反应热及时移出,催化移热设备多、工艺流程长、系统阻力大热能回收剂装填量不受超温限制,有效延长催化剂使用寿率低低品位热能多等缺陷。随着煤价不断攀升, .命,确保每炉催化剂使用寿命均在8年以上;变换装置已经成为各类煤化工企业降低综合能(3)热能回收率高、运行费用低:“等温变换耗、降低产品成本的主要工序。技术”热能回收率达96.5%以上,副产蒸汽品位南京敦先化工科技有限公司针对现有变换高,脱盐水加热到104C直接去热力除氧,无需外装置存在的问题以及不同气化路线所产的水煤加蒸汽,变换系统冷却水“零”消耗。与传统变换气或半水煤气分别开发出适合煤制合成氨、煤制变换工艺相比，吨氨节省运行费用92.944 1元，天然气、煤制氢、煤制油、煤制乙二醇、煤制甲醇、对于-套30万t合成氨装置而言,全年可以节省煤制烯烃等“等温变换技术”。现就本公司各种2 788.323万元;“等温变换技术”阐述如下。(4)开车时间短开车平稳有效降低生产费1粉煤加压气化制水煤气的“等 温变换技术"用。“等温变换炉”配置开工蒸汽喷枪,每次开车以航天气化炉为例,粉煤加压连续气化所产前 通过蒸汽喷射枪将蒸汽添加在等温变换炉内水煤气具有水气比高、CO摩尔分率高、系统压力部水管中,并利用本身的热水循环系统将催化剂高等优点,水煤气中CO的体积分数高达68%以床层温度提高到200心以上。负荷较轻时,通过蒸上。目前在运行的变换装置为“五段绝热+冷激+汽喷射枪过来的蒸汽维持 催化剂床层热平衡;负间接换热”式，系统静止设备24台,其中换热设荷较大时,循环水吸收催化剂床层热量转化为蒸备10台，工艺路线长、系统运行阻力在汽向外界输送,完全可以实现变换装置开车时间0.46~0.75MPa，热能回收副产有0.5MPa、为“零”,每次开车时间至少可以缩短10h以上。1.27MPa2.5MPa的饱和蒸汽及180%C、100C、有效避免了传统变换炉催化剂床层开车时需用84心热水,冷却水消耗高达7 820.1k/NH,系统电 炉把催化剂床层温度升起来,在随着进入气量低品位热能较多、运行能耗高、工程投资大。- -变加大后,催化剂床层温度又降下来,又要加大电炉催化剂易超温，催化剂使用寿命短,1.0~1.5年炉功率再提升催化剂床层温度等不断来回折腾就要更换一次催化剂。的现象; .南京敦先化工科技有限公司针对上述情况，(5)等温变换炉操作温度易于控制,杜绝催采用“等温变换”专利技术设计,等温变换系统静化剂反硫化现象。水煤气的变换装置必须选用宽止设备仅为13台,其中换热设备为6台,工艺路温区耐硫钴钼系催化剂,该类型催化剂在高水气线缩短13,工程投资仅为原工艺的2/3,系统阻比、高温低硫等状态下均会出现反硫化现象,造力由现有的0.46~0.75MPa降至0.13~0.18MPa,副成催化剂中硫丢失,催化剂活性下降。如果采用产2.5~3.7MPa高品位蒸汽1 030kg/NHs,副产绝热催化剂床层变换技术,- -变催化剂床层温度0.8~1.3MPa低品位饱和蒸汽273kg/tNH,变换冷大部分在 450公C以上，此类工况F催化剂会出现却水为“零”消耗。该“等温变换技术”与传统变换反硫化,影响催化剂活性,缩短催化剂使用寿命。工艺相比具有以下优点。而“等温变换技术”是利用埋在催化剂床层内部(1)杜绝- -变炉发生催化剂飞温事故。“等温移热水管束中国煤化工时移出,确保变换技术”是利用埋在催化剂床层内部移热水管催化剂床YHCNMHGI以控制在.第4期王庆新:等温变换技术在几种煤气化变换装置中的应用13180~350C范围内,杜绝了催化剂反硫化; .平稳,易于控制;(6)等温变换炉操作温度低,有效减少甲烷(9)等温变换炉操作温度低、催化剂用量少、化反应。目前运行的传统变换工艺，气化来的水生产成本低。变换催化转化反应主要受热力学和煤气温度~ -般在~208C ,水气比在0.971 6左右。.动力学控制，如果将催化剂床层反应热及时移.-变催化剂床层温度大部分在450心以上，转化出,变换反应主要受热力学控制,则催化剂用量率较高,一变炉中下部水气比降低，很容易发生就减少。现有绝热变换技术是随着气体流经催化甲烷化反应,而“等温变换技术”- -变炉催化剂床剂床层深度增加,气体温度越来越高,平衡温距层温度在180~350C范围内，杜绝甲烷化副反应变小,绝热催化剂床层的变换反应主要受动力学发生;控制,不得不采用加大催化剂用量及降低空速的(7)工艺路线短、露点腐蚀少、维修费用低。手段来完成催化任务。催化剂用量大,床层阻力传统变换工艺,绝热变换炉4台、换热器10台、进 一步增加,带来运行能耗高。而“等温变换技主设备不少于24台,工艺路线长,有多处露点温术”二变炉催化剂床层温度完全可以控制在度点,设备腐蚀点多。而“等温变换技术”变换炉180 300C范围内,催化反应主要受热力学控制，仅2台、换热设备6台,主设备13台,回收变换催化剂装填量少,势必带来系统阻力低工程总系统潜热和显热大部分在等温变换炉内完成,有投资降低 生产费用低等优点。效减少露点腐蚀,降低运行维修费用;南京敦先化工有限公司开发的“等温变换技(8)操作简单方便。“等温变换技术”变换炉术” 与传统变换技术经济指标分别列于表1。床层温度是通过副产蒸汽压力控制的,操作简单表1 “等温变换技术”与传统变换技术经济指标比较kg/NHs主要技术经济指标南京敦先等温变换技术航天炉气化传统变换技术副产2.5MPa蒸汽量1 030.00291.21副产1.27MPa蒸汽量273.0072.80副产0.5MPa蒸汽量1430.63加热除氧水量(满足变换及氨合成需求)1 341.20764.40加热脱盐水量6 133.5910 338.00洗涤净化消耗脱盐水量213.60汽提消耗低压蒸汽量227.1627.16除氧水加热器冷凝液量95.20脱盐水加热器冷凝液量440.64加热工艺冷凝液量(80°加到215C)1 102.97外部供给180C喷淋增湿水量400.42冷却循环水量7 820.10系统设计阻力MPa0.180.35系统运行阻力MPa0.150.46~0.75高温发生副反应增加的煤耗量82.10副反应及系统阻力增加压缩机电耗/kW.h25.80主要静止设备/台为20万t合成氨配套工程投资1万元~4 850~68902水煤浆加压气化制水煤气的“等温 变换技术”较快, 设计中国煤化工压力等级已近二十年来,我国水煤浆气化技术发展速度经发展到1.MYHCNMH及。无论什么.氨肥技术2013年第34卷压力下的水煤浆气化炉,在完成水煤浆气化时,的回收，采用循环冷却水直接降温,造成从气化气化炉内部也进行部分CO的变换反应，与粉煤带 出的热能回收率低,冷却水消耗量大、系统综加压连续气化相比,水煤浆气化所产水煤气中H2合能耗高。含量高、CO含量略低,但总的有效气体成分变化南京敦先化工科技有限公司针对6.5MPa水不大。因此与之配套变换装置回收气化带过来的煤浆 气化所产水煤气变换装置采用“等温变换"显热和潜热任务更艰巨。传统变换装置低品位热专利技术设计,将原来传统低品位热能转化为高能非常多(以产合成氨为例),副产中低压蒸汽压品位热能，副产5.0MPa.3.2MPa及0.5MPa 三个力等级大致为2.5 (或4.0)MPa、1.27MPa.0.5MPa压力等级蒸汽,预热除氧水温度≥220C ,预热脱等,低品位热能虽有所利用，副产0.5MPa低盐水温度≥1049,脱盐水无需添加蒸汽可以直品位蒸汽1 180.56kg/NH, 预热99.19C脱盐接去热力除氧系统,做到变换冷却水“零”消耗，水6 009.71kg/tNH3,但给整个工序水汽平衡带来两种变换工艺主要技术经济指标见表2。很大难度,部分企业放弃对80C以下变换气热能表2两种变换工艺主要技术经济指标比较 kg/tNHs主要技术经济指标南京敦先等温变换技术水煤浆气化传统变换技术副产5.0MPa蒸汽量835.52副产3.2MPa蒸汽量180.42副产2.5或4.0MPa蒸汽量/430.39副产0.5MPa蒸汽量1 124.031 180.56加热除氧水量(220公满足变换及合成)3 693.86加热除氧水量(202°满足变换及合成)6009.71外供102C除氧水量1 946.81加热脱盐水量6 707.41循环冷却水量12737.70系统运行阻力/MPa~0.15-0.45主要静止设备1台148从表2可以明显看出“等温变换技术”与传(6)系统阻力低,系统阻力仅有0.15MPa,比统变换相比具有以下优点。传统变换阻力降低0.3MPa;(1)系统热量回收前移,回收蒸汽热能品位(7)系统设备少、流程短、工程投资低。高，副产5.0MPa及3.2MPa高品位蒸汽分别为3有饱和热水塔的“等温变换技术"835.52kg/NH、180.42kg/tNH,而传统变换副产3.1 以出口变换气温度来衡量变换能耗高低2.5(或4.0)MPa蒸汽仅有430.39kg/tNH;系统压力在0.8~2.0MPa范围内的中串低、中(2)加热除氧水温度可达220工以上,主要是低低或全低变装置大部分设有饱和热水塔,饱和满足变换及氨合成需要,而常规变换技术预热除热水塔上部为饱和塔、下部为热水塔,饱和热水氧水温度仅为202C;塔是变换工艺中回收热量的主要设备。半水煤气(3)外供102C除氧水仅有1 946.81kgftNH,在饱和塔中与热水逆向接触,进行热量和质量的变换外送低品位热能少;传递,使半水煤气的热含量和湿含量提高。出饱(4)脱盐水直接加热到1049C ,无需外加蒸汽和塔半水煤气温度愈高，则夹带蒸汽量愈多,变可以直接热力除氧;换系统需要中国煤化工答内,热水与(5)实现变换系统冷却水“零”消耗;变换气逆向MHCNMHG热和潜热,热.第4期王庆新:等温变换技术在几种煤气化变换装置中的应用水塔出口变换气温度是衡量变换系统热能回收(1kcal=4.186 8kJ),而此部分热量是以潜热形式带率高低及变换系统蒸汽消耗冷却水消耗的重要出变换系统,温度低。有的单位采用脱盐水回收,指标。脱盐水最高温度为60~70C，此类低品位热能无以热水塔出口变换气压力为0.80MPa(表压)处可用;也有的单位采用大量循环冷却水将变换为例,计算在不同温度下每m3干变换气夹带饱和气冷却到40C,造成大量热能损失及循环水消蒸汽量,其结果如下:耗。105C时,变换气夹带饱和蒸汽量为0.124 73.3“等温变换技术”解决措施kg/Nm'千变换气;有饱和热水塔的变换工艺，各段催化剂床层95C时,变换气夹带饱和蒸汽量为0.0834反应热依靠循环热水带出,并通过循环热水实现变换系统热量分配。南京敦先化工科技有限公司85C时,变换气夹带饱和蒸汽量为0.0552根据各类变换工艺流程分别找出最佳节能点设kgNm3干变换气:置一台“等温变换炉”,将由热水塔出口变换气带75C时,变换气夹带饱和蒸汽量为0.0360出系统热量转化为高品位蒸汽,同时减少变换系kg/Nm3干变换气。统蒸汽添加量、降低系统阻力、降低循环冷却水按照合成氨消耗干基变换气为3 960Nm/tNH3计，如果将热水塔出口变换气温度由105C分别我们对湖南安乡晋煤金牛化工有限公司降至95C、859C、75C时,则变换气从热水塔少带5万ta合成氨的中低低装置(系统压力0.8MPa)走饱和态蒸汽量分别为:进行节能改造时,保持原有“中低低”工艺不变,仅105C降至95C时，变换气减少夹带饱和蒸在原有变换工艺装置上增加一台等温变换炉,类.汽量为163.548kg/tNH;似于在变换装置上设置一台副产~3th饱和蒸汽105C降至85C时，变换气减少夹带饱和蒸的余热回收锅炉,工程量小,投资低,不影响有效汽量为275.220kg/tNHs;生生产时间。该装置于2012年12月6日投入运.105C降至75C时，变换气减少夹带饱和蒸行后效果较好。汽量为351.252kg/NH3o(1)变换系统出口气中CO的体积分数由原如果将热水塔出口变换气温度由105C分别来的 1.2%降至0.6%;降至95C 85C、75C时，冷却水按照10C温差(2)系统阻力由原来的0.12MPa降至0.07MPa;计算,则变换气减少冷却水量分别为:(3)蒸汽消耗下降了135kg/tNH;105降至95C时，变换气减少冷却水量为(4)变换冷却水消耗下降了20m/1NH;11 330.568k/tNH;(5)副产0.6 ~ 1.3MPa饱和蒸汽236 kg/tNHs,105C降至85C时,变换气减少冷却水量为供造气及铜洗使用;19 543.79kg/NH3;(6)热水循环量由原来的9 860k/NH,降至1059降至75C时，变换气减少冷却水量为5 670kg/tNHz;25 615.37kg/NHzo(7)热水塔出口变换气温度由原来的~102C从上面计算结果可以看出，热水塔出口变换降至 ~82C;气温度越高,变换气夹带蒸汽量越大,造成变换(8)等温变换炉投运后，公司停运一台4t/h蒸汽消耗越高,冷却水消耗也高。沸腾锅炉; .3.2热水塔 出口变换气的低品位热能难以回收(9)改造后节省运行费用~45.6元/tENH3,5个以热水塔出口变换气温度为95C计算,则带月可以回收全部工程投资;出蒸汽量为3 960 x 0.083 4=328.68kg/t NH,此部我们为河南新乡永昌化工有限公司17万tla分蒸汽转化为40C冷凝水时,则放出的热量高达合成氨项目中国煤化工塔的全低变328.68 x(640.97- -40)≈1.975 x 105 keal/tNH3(0.8MPa)装|YHCNMH G技术,CO变.16氨肥技术2013年第34卷换反应主要在“等温变换炉”内完成,副产0.7~后 - .段催化剂床层的变换气夹带蒸汽量大、达露1.3MPa饱和蒸汽,主要经济指标如下。点温度点多、腐蚀点多,加热半水煤气的换热器、(1)变换系统出口气中CO的体积分数≤除氧水加热器脱盐水加热器以及喷水增湿器等1.2% ;设备均需要选择不锈钢材质,势必造成工程投资(2)热水塔出口变换气温度≤71.2C;大,即使选择了不锈钢材质,由于夹带蒸汽量大、(3 )系统阻力≤0.0 5 MPa:露点腐蚀多,气体中有CL-',所以设备腐蚀严重,(3)变换系统蒸汽消耗≤100kg/tNHs;维修费用高。(4)变换冷却水消耗≤8m2/tNH;南京敦先化工科技有限公司针对无饱和热(5)热水循环量≤5m/NH3。水塔低水汽比低CO半水煤气变换工艺采用“等4无饱和热水塔的“等温 变换技术”温变换”专利技术很好地解决了以上问题。我们有的固定床间歇式气化炉所产低水气比、低为联盟化工股份有限公司设计-套2.5MPa、合成CO半水煤气的合成氨厂，单套合成氨装置生产氨生产能力为15万Va的“等温变换”装置,主要能力达到18万ta以上,变换装置压力一般提高经济技术指标如下。到2.0~ 2.7MPa之间。由于压力提高,CO2、HS等(1)变换系统出气中CO的体积分数≤4.0%;酸性气体在热水中溶解度增大，循环热水pH值(2)变换系统蒸汽消耗≤85kg/tNH3(添加蒸低,酸性腐蚀加剧,部分厂家添加到热水塔中的汽减副产蒸汽);水质不稳定或热水塔排污不及时,水中总固体偏(3)系统阻力≤0.06MPa;高,CL-及其它酸根离子对不锈钢焊缝有晶间腐(4)出最后催化剂床层变换气中夹带蒸汽的蚀,变换系统在低于露点温度以下的设备、管道体积分数≤~2. 49% ,有效延长设备使用寿命;及管件均出现大量腐蚀。近十年来所建系统压(5 )变换冷却水消耗≤5.012m/tNH3。力> 2.0MPa的变换装置均取消了饱和热水塔,采5与“等温变换”专利技术配套的等温变换炉用“绝热反应+喷水冷激"的全低变工艺设计,此5.1等温变换炉结构类型变换装置普遍存在以下问题。我公司设计的等温变换炉(专利号:ZL 2009(1)系统阻力偏高。加热半水煤气或回收变2 0048 469.7)由壳体和内件组成。换气热量只能采用间接换热方式，换热设备多,壳体由筒体、上封头、下封头组成,上封头与.变换工艺流程长，已运行的装置系统阻力在简体之间采用法兰连接，法兰之间采用“Q”密1.0MPa左右;封,上下封头分别设有气体进、出口。内件由水移(2)催化剂活性下降造成运行能耗高。一二热管束、气体分布筒、气体集气筒、密封板、支撑段催化剂反硫化现象严重,使用寿命短或活性下座等部件组成,水移热管束与进出水管之间采用降,大量CO被移到后续催化剂床层反应,本来用管式联箱结构。内件与外筒可以拆卸,管内走水，于平衡段的催化剂床层温度升高,造成蒸汽消耗管外装填催化剂,下部设有催化剂自卸口。高,回收变换系统热量的设备腐蚀加剧,变换系等温变换炉结构简图见图1。统冷却水耗量大;5.2 等温变换炉流体走向(3 )蒸汽消耗高。如果变换系统出口气中CO(1)气体走向。原料气从等温变换炉上部进的体积分数在1.2%~ 1.5%之间，蒸汽消耗- -般入后由侧面径向分布器进入催化剂床层,然后沿在350 ~ 400 kg/tNH;径向(与换热水管呈90° ,垂直换热传热效果好)(4)低品位热能多。取消饱和热水塔后,只能通过催化剂床层,反应的同时与埋设在催化剂床采用除氧水或脱盐水间接换热方式回收变换气层内的水管换热,再经内部集气筒收集后由下部显热和潜热,由于采取逐级间接移热设计,则产出等温变换炉。生大量低品位热能;(2)水中国煤化工水自等温变(5)工程投资大设备维修费用高。由于出最换炉下部MYHCNMHG环管、分配管.