在現(xiàn)代煤化工中，由于加壓煤氣化產(chǎn)生的氣體中一氧化碳濃度高、水氣比大，導(dǎo)致變換反應(yīng)絕熱溫升較高，采用傳統(tǒng)多段絕熱變換工藝流程長、系統(tǒng)阻力較高，裝置投資及占地面積均大大增加；一變催化劑經(jīng)常超溫、使用壽命短，影響正常生產(chǎn)。此外，電石爐氣、黃磷爐氣中CO含量甚至高達(dá)75～90%，這些工況條件下采用傳統(tǒng)變換工藝問題將更加嚴(yán)重。高濃度CO對變換技術(shù)提出了新的需求。

為此，根據(jù)鈷鉬系變換催化劑活性溫區(qū)寬的特性，我們開發(fā)了控溫變換技術(shù)和控溫反應(yīng)器等專利技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用表明該技術(shù)是變換工藝的一次技術(shù)突破，具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和推廣前景，能獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

 

1 什么是控溫變換

催化劑是CO變換技術(shù)的核心，變換工藝應(yīng)充分發(fā)揮催化劑的各種性能。鈷鉬系變換催化劑在180～480℃具有優(yōu)良活性，充分利用催化劑的有效溫區(qū)，讓變換系統(tǒng)不但完成CO變換功能，而且還要具備氣體凈化功能，如利用催化劑的高溫加氫性能將煤氣中含有后工序難以脫除的復(fù)雜有機(jī)硫轉(zhuǎn)換為易于脫除的硫化氫，有利于后工序氣體凈化。

CO變換反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)平衡常數(shù)隨溫度的升高而減小，在熱力學(xué)上低溫有利于變換反應(yīng)出口的CO濃度降低，通過降低變換終端反應(yīng)溫度實現(xiàn)降低CO濃度。另一方面，在反應(yīng)動力學(xué)上，溫度升高，變換反應(yīng)速度常數(shù)增大、反應(yīng)速度加快，在高溫下達(dá)到相同變換率所需催化劑用量少。

因此，對于CO變換而言，應(yīng)當(dāng)兼顧其熱力學(xué)和動力學(xué)特性，在反應(yīng)的不同階段選擇合適的反應(yīng)溫度，既可減少催化劑用量、縮小設(shè)備體積，又能控制出口CO濃度，簡化工藝過程、達(dá)到降低設(shè)備投資和節(jié)能降耗的目的。

2 控溫變換技術(shù)

2.1控溫變換反應(yīng)器

（1）控溫變換爐

反應(yīng)器采用了專業(yè)的徑向分布流場設(shè)計，確保反應(yīng)器內(nèi)氣體均勻分布；

通過精確的水動力計算達(dá)到移熱快速充分的目的；

通過準(zhǔn)確的反應(yīng)熱力學(xué)和動力學(xué)計算，合理分布反應(yīng)溫區(qū)能夠充分發(fā)揮催化劑的各種功能。

催化劑自卸通道流暢、裝卸自如；

反應(yīng)器承壓部件選材合理，避免發(fā)生應(yīng)力開裂，導(dǎo)致反應(yīng)器失效；

反應(yīng)溫區(qū)控制精確，換熱管束應(yīng)能自由伸縮，自應(yīng)力補(bǔ)償，應(yīng)用合理換熱管束結(jié)構(gòu)，充分吸收和消除熱應(yīng)力。

 

（2）自熱式凈化爐

代替變換前脫毒槽、進(jìn)料分離器和粗煤氣預(yù)熱器，徹底解決換熱設(shè)備易堵問題。

 

（3）多段內(nèi)冷激控溫變換爐

開發(fā)了多段內(nèi)冷激式軸向控溫變換爐及工藝技術(shù)，在較低水氣比的工藝氣氛中，利用變換反應(yīng)熱在爐內(nèi)直接噴水汽化冷激、轉(zhuǎn)化為水蒸汽，反應(yīng)器系統(tǒng)熱效率極高。既降低下段床層的入口溫度，又達(dá)到用噴水替代大部分外加水蒸汽的目的。即使在較高CO濃度氣氛下，變換反應(yīng)仍然溫和可控、不可能出現(xiàn)超溫，系統(tǒng)通過水為載體，能將變換系統(tǒng)的低品位熱回收利用。達(dá)到簡化流程、節(jié)約能源及降低投資的目的。

2.2 適用于控溫變換的催化劑和凈化劑

優(yōu)異的寬溫活性

有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率高

機(jī)械強(qiáng)度高、流動性好

熱穩(wěn)定性好

耐不同水汽分壓

2.3 控溫變換工藝

適用于水煤漿的控溫變換工藝

適用于粉煤氣化變換工藝 

3 控溫變換工業(yè)應(yīng)用業(yè)績

新疆天業(yè)二期工程電石爐氣制20萬噸乙二醇及18萬噸1、4-丁二醇采用控溫變換技術(shù)，針對該企業(yè)氣體條件和工況要求，在設(shè)計時將上述兩種類型控溫變換爐進(jìn)行組合使用，投入運行后取得了顯著的效果，系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)滿負(fù)荷穩(wěn)定運行，反應(yīng)溫和可控，并具有變換和凈化雙重功能，完全達(dá)到了各項設(shè)計指標(biāo)的要求。

表1 控溫變換爐運行數(shù)據(jù)

項目	天業(yè)一期	天業(yè)二期
入爐溫度(℃)	198	195
出口溫度(℃)	217.4	211.6
進(jìn)口CO含量(%)	74.0	82.0
出口CO含量(%)	31.5	15.2
阻力( kPa )	10	6
副產(chǎn)蒸汽( kg/h )	2740( 2.1MPa )	3000
不飽和烴轉(zhuǎn)化率%	92.3	99.6
有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率%	93.2	96.5

 

業(yè)績表：

新疆天業(yè)2臺，淮河化工2臺、新疆帕拉菲1臺、四川茂縣鑫新能源1臺、新疆圣雄2臺，三寧化工1臺，晉煤中能1臺。

4 控溫變換設(shè)備制造團(tuán)隊——江蘇普格機(jī)械有限公司

江蘇普格機(jī)械有限公司具有國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督總局頒發(fā)的 A1、A2 級壓力容器設(shè)計、制造許可證，以及美國機(jī)械工程師協(xié)會頒發(fā)ASME制造許可證 （U鋼?。?，具有ISO9001:2008 質(zhì)量體系管理認(rèn)證、中國船級社質(zhì)量管理體系認(rèn)證及日本、法國、英國、韓國等船級社認(rèn)證，具有豐富的歐標(biāo)制造業(yè)績。公司制造技術(shù)精湛，計劃執(zhí)行力強(qiáng)，檢測手段齊備，質(zhì)保體系健全。在國內(nèi)外石油化工、煤化工、化肥、海洋工程、冶金和制藥等行業(yè)享有很好聲譽(yù)。

公司多年來致力于煤化工領(lǐng)域新技術(shù)、新裝備的開發(fā)研究工作，先后成功制造了煤化工壓力容器的各種核心設(shè)備，如：高壓高溫變換爐、加氫反應(yīng)器、合成反應(yīng)器、等溫反應(yīng)器、低溫洗滌塔、MTO流化床反應(yīng)器和高效換熱設(shè)備。公司設(shè)備加工能力：板材冷卷180mm、熱卷250mm；無損檢測探照深度250mm；起吊250噸。

公司自行設(shè)計完成了控溫變換爐制造的專用機(jī)加工工裝、設(shè)備制造組裝工裝、徑向分布器沖壓工裝等專用設(shè)備，應(yīng)用數(shù)控機(jī)加工平臺，從根本上保障了設(shè)備的制造品質(zhì)。在該設(shè)備的爐內(nèi)腔不采用任何的填料及大法蘭結(jié)構(gòu)，根據(jù)公司多年的制造經(jīng)驗，上述兩種結(jié)構(gòu)裝配難度較大，人為的因素影響很大。設(shè)備在運行過程中如果產(chǎn)生蠕變，緊固件易產(chǎn)生松動，從而引起泄露。而控溫變換爐的爐內(nèi)腔，除裝、卸料口以外，其余受壓部件均采用焊接連接，通過無損檢測、壓力試驗來保證沒有任何的泄露。設(shè)備管程的換熱管采用整根制造，裝配前逐根試壓，從源頭上杜絕了換熱管的泄露。管頭的與管板的連接采用強(qiáng)度焊加貼脹的結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行氦檢漏，保證工藝氣體與管頭焊縫的完全隔離。

典型應(yīng)用業(yè)績

新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司，電石爐尾氣，20萬噸乙二醇/年。

安徽晉煤中能化工有限公司，航天爐制氣，25萬噸甲醇/年。

新疆天業(yè)集團(tuán)有限公司，6.5MPa水煤漿制氣，30萬噸甲醇+5萬方氫氣。

湖北三寧化工有限公司，6.5MPa水煤漿制氣，60萬噸煤制乙二醇。