(南京敦先化工科技有限公司，江苏 南京 210048)

1 概 述

安乡晋煤金牛化工有限公司合成氨装置生产能力为50 kt/a，原变换工段为0.8 MPa中串低(中中低低)工艺流程。该工艺存在的问题较为突出，系统蒸汽添加量大，中变进出口温度高，由于低变一段催化剂基本上已经失去活性，而中变未反应的CO要在低变炉中进行反应，造成低变炉催化剂床层温度高，出低变炉变换气温度也高。而且，系统过剩蒸汽带出的热量，通过循环热水带入饱和塔，造成饱和塔热量过剩，出饱和塔循环热水温度高；由于进入热水塔的水温高，出热水塔的变换气温度也高，且夹带的蒸汽量大，变换系统过剩的热量又要从热水塔中带出，造成系统冷却水耗高、蒸汽消耗量大、阻力大，设备腐蚀严重。

2012年5月，金牛公司决定对变换系统进行改造。本次改造由南京敦先化工科技有限公司承担，在原中变二段出口与低变一段进口之间，新增1台水移热等温变换炉(φ2 400 mm。敦先制造)及附属设备(φ1 000 mm汽包1台。敦先制造)。水移热等温变换炉(以下简称等温变换炉)，即在变换催化剂床层设置换热管，CO的反应热不断通过换热管内的水移走，使催化剂床层温度可控。等温变换炉由耐压外壳与换热内件组成，正常操作时，气体由上封头中心管进入，通过内外筒之间的环隙，径向进入催化剂床层反应，反应后的气体由中心管汇集并从下封头出口处流出；移热的水由下封头进水口经环管进入换热管内，换热后经上封头出水管进入汽包。床层温度由汽包压力控制，移热的水在汽包中分离蒸汽后循环使用，汽包补水为锅炉除氧水。

改造后，装置运行稳定，变换系统蒸汽消耗及阻力明显下降，汽包副产蒸汽不仅满足铜液再生用汽，副余蒸汽还可外供造气工序使用，同时，锅炉工段甩掉1台产汽量为4 t/h的燃煤锅炉，节能改造达到了预期的效果。

2 新增等温变换炉工艺改造方案

2.1 改造后变换系统工艺流程

2.2 新增调温副线

中变二段出口至调温水加热器(Ⅰ)进口增设调温副线，便于调节等温变换炉进口温度；原低变一段进口管线调整为等温变换炉进出口副线，便于调节变换系统出口CO含量，以满足铜洗工艺条件，确保铜比不失调。

2.3 原低变催化剂的使用

等温变换炉投入运行后，原低变一段、低变炉仅作为气体通道使用，为确保原低变催化剂不受损害，进入低变一段、低变炉变换气温度高于露点30 ℃，完全可满足对低变催化剂的保护。

本次改造对生产系统没有太大的影响，等温变换炉及其附属设备的安装，不需要停车进行；新增设备在安装前，系统进出口接管已经预留，催化剂升温硫化结束后，抽出盲板即可导气生产。

3 催化剂升温硫化

本次采用衡阳市化工研究所有限公司生产的HB303Q型耐硫变换催化剂，硫化方法采用冷却分水后的变换气一次通过法。等温变换炉催化剂装填量为18.75 m3，床层布置三组测温电偶，共计12个测温点；其中，f1、f3为径向床层进口温度，f2为径向床层出口温度。

2012年12月3日14：16推电升温。升温初期等温变换炉温升比较缓慢，出电加热器后的变换气，经内外筒之间的环隙径向进入催化剂床层，床层温升由外向内逐渐推进，气体流通面积大、路线短、阻力小。由于催化剂本体含水量大(15%～20%)，升温态势又为径向床整体升温，因此升温初期耗用时间较长；当电加热器功率及空速一定时，床层催化剂排水量大，放空气中水汽浓度较高。床层温度由14 ℃升到202 ℃时，共耗用21 h。

12月4日10：40进入硫化初期。硫化初期起始温度为202 ℃，CS2加入量为30 L/h，6 h后逐渐增加至60 L/h，升温速率10～15 ℃；当日中班22：00硫化初期还未结束，床层出口H2S含量仅为0.83 g/m3，没能达到初期硫化指标(1.5 g/m3以上)，其原因为CS2加入量偏小。随后逐渐增加CS2的加入量，2 h后床层出口H2S含量达标。床层热点温度由225 ℃升至320 ℃时，电炉功率加满，经过20 h床层温度上升不明显；经厂方同意，升温气源由变换气改为半水煤气，因变换气中CO2含量高、热容大、且不含O2，所以升温较慢，此后等温变换炉升温趋于正常，硫化初期结束时，床层热点温度为345 ℃。硫化初期共耗用24 h。

12月5日11：00进入硫化主期。床层热点温度为345 ℃，CS2加入量增加至100 L/h，温度达到425 ℃时，恒温6 h；12月6日4：10硫化主期结束。硫化主期及末期共耗用19 h。

12月6日6：10降温排硫。9：00降温排硫结束，等温变换炉进出口抽盲板，连接上升管法兰；当床层温度降至270 ℃时，汽包水路通入蒸汽并缓慢补水。降温排硫约4 h。

本次升温硫化共耗用68 h，而催化剂厂家提供的方案耗时为38 h(见表1)。多耗用的时间主要为硫化初期没有能够及时改变升温气源，其次为硫化主期停炉补充CS2所致。

表1 催化剂升温硫化方案(催化剂厂家提供)

4 导气运行

12月6日9：55等温变换炉并入系统。轻负荷生产期间，等温变换炉进出口副线关死，在进口CO含量不变的情况下(6.6%～7.4%)，等温变换炉出口CO仅为0.2%。由于金牛公司为铜洗净化工序，为满足铜洗净化工艺要求，等温变换炉副线没能完全关闭；变换出口CO必须保证在0.6%～1.2%之间，否则铜液再生岗位铜比易失调。等温变换炉进口温度为210 ℃时，床层热点温度在245～250 ℃之间。

12月9日上午，对调温水加热器(Ⅰ)进行调试，因调温水加热器泄漏而停止。2013年5月利用停车检修机会更换调温水加热器，将等温变换炉进口温度降至195 ℃，等温变换炉热点温度总体下降约20 ℃，实际运行温度为230 ℃；满负荷生产期间，变换系统运行平稳。

5 改造效果

在本次变换系统节能改造中，由于等温变换炉的串入，变换系统操作条件发生了较大的变化，一是进入中变炉半水煤气中的蒸汽量(即汽气比)大幅下降；二是中变出口气体中的CO含量也由于汽气比的大幅下降而提高到8.4%，出变换系统的CO可控制在0.2%～1.2%之间，不仅变换系统操作弹性大大提高，而且操作控制极为方便，同时也大幅度降低了系统能耗。改造前后变换系统运行数据见表2、表3。

表2 改造前变换系统运行参数 ℃

表3 改造后变换系统运行参数 ℃

改造后，变换系统运行稳定，吨氨副产蒸汽236 kg，蒸汽消耗下降135 kg，变换冷却水耗下降20 m3，系统阻力下降0.05 MPa，热水塔出口变换气温度下降16 ℃。等温变换炉阻力几乎为零，操作方便。本次改造完全达到了预期效果。

6 存在的问题

由于安乡晋煤金牛化工有限公司在近一年内要整体搬迁(前期准备工作已经有一年)，本次改造仅是解决变换系统短期运行中存在的问题，未能从根本上解决流程优化及系统工艺方面的问题。再者，由于饱和热水塔变换工艺设备腐蚀严重，热交换器、调温水加热器等易出现泄漏，极易造成低变催化剂中毒失活，要从根本上解决问题，就要对系统工艺进行彻底改造。当然了，这是下一步整体搬迁要做的事情。

7 结 语

由南京敦先化工科技有限公司开发的水移热等温变换炉，在湖南安乡晋煤金牛化工有限公司顺利投入运行，经过近一年的实际运行，各项指标均达到预期效果。“水移热等温变换技术”的应用，对现有中、小型合成氨装置变换系统的节能改造，具有十分重要的现实意义。