王照成，刘庆亮，李繁荣，丁 玲，肖敦峰，胡四斌

（中国五环工程有限公司，湖北 武汉430223）

一氧化碳变换（简称变换）是现代煤化工项目的重要组成部分，通过变换反应将原料气中的CO转化为H2，调节原料气中的氢碳比，以满足下游装置的要求。

变换反应为可逆放热反应，传统的变换技术一般采用多个绝热变换反应器串联，以达到所需要的变换深度。随着煤气化技术的不断发展，干煤粉激冷流程气化技术得到了广泛的应用[1-2]，该类气化技术所产粗煤气具有水含量高、CO含量高的“双高”特点，如果直接进入变换炉进行反应，催化剂床层温度高达500℃以上，严重影响催化剂的使用寿命和系统的安全运行[3]。传统的绝热变换技术一般采用高水气比或低水气比工艺来防止催化剂床层超温[4]。然而，无论是高水气比工艺还是低水气比工艺，都无法从根本上解决催化剂在高温下使用的问题。近年来，等温变换技术得到了众多科研单位和企业的重视，并取得了突破性的发展，从根本上解决了“双高”粗煤气变换反应催化剂床层超温的问题。本文概述了等温变换技术的特点、等温变换反应器的类型及工业应用情况，最后展望了等温变换技术面临的挑战及其发展方向。

1 等温变换技术原理及特点

1.1 等温变换技术原理

等温变换技术原理如图1所示。在催化剂床层内部设置换热单元，采用水作为移热介质，通过副产蒸汽的方式移走反应热，维持变换反应在较低温度下进行，防止催化剂床层超温，同时使变换反应尽可能接近最佳温度曲线进行。

图1 等温变换技术原理示意图

1.2 等温变换技术特点

相对于绝热变换技术，等温变换技术具有如下特点：

（1）催化剂用量少，寿命长

反应器中设置了移热单元，使得变换反应沿最佳温度曲线进行，催化剂使用量最少。催化剂床层温度较低，延长了催化剂的使用寿命。

（2）系统阻力降低

由于变换反应在较低温度下进行，提高了CO的转化率，缩短了流程，减少了设备数量，降低了系统的阻力降。

（3）流程简单，易操作

通过控制汽包压力即可控制反应温度，操作简单。

2 等温变换反应器

等温变换反应器是等温变换技术的核心设备，根据流体在反应器中的流动方式，可以分为轴向反应器和径向反应器。径向反应器具有阻力降小、处理能力大的优点，目前实现工业化应用的等温变换反应器主要为径向反应器。根据反应器内移热单元的形式，等温变换反应器又可分为列管式、套管式、绕管式等类型。

2.1 列管式等温变换反应器

典型的列管式等温变换反应器结构如图2所示，水和蒸汽走管内，催化剂装在管外。原料气自顶部进入反应器，通过催化剂框与筒体之间的间隙径向通过催化剂床层，催化剂框中间设有收集管，反应后的气体进入收集管汇合后，从底部离开反应器。锅炉给水从反应器底部进入，经过母管分配后进入换热管，水在换热管内吸收反应热，部分发生汽化，随后在母管汇集后从反应器顶部离开。

图2 列管式等温变换反应器结构示意图

目前工业上主要的列管式等温变换技术供应商为南京敦先化工科技有限公司（简称南京敦先）、河北阳煤正元化工集团有限公司（简称河北正元）和华烁科技股份有限公司（简称华烁科技），上述3家供应商的列管式等温变换反应器分析如表1所示[5-7]。

表1 不同供应商列管式等温变换反应器分析

由表1可知，虽然不同供应商的等温变换反应器在封头和筒体连接方式及水汽分配与收集结构上有所不同，但是主体结构类似，都是径向结构，汽水循环采用自然循环方式，水汽走管内，催化剂装填在换热管之间。上述3家供应商提供的等温变换技术均实现了工业化应用[8-10]。另外，具有双汽包结构的列管式等温变换反应器也得到了开发和工业化应用[11-13]。

2.2 套管式等温变换反应器

套管式等温变换反应器由湖南安淳高新技术有限公司开发[14]，其结构示意图如图3所示。其结构为径向反应器，水和蒸汽走管内，催化剂装在管外。原料气自底部进入反应器，经过催化剂框和筒体之间的间隙径向流动通过催化剂床层，反应器中间设有集气管，反应后的变换气进入集气管汇合后，从反应器底部离开。反应器上部设置水室和汽室，换热管为套管结构，内管与水室相连，外管与汽室相连，外管下端部为盲端。水室内的锅炉给水通过内管底部流入外管中，被变换气加热后生成蒸汽，进入汽室后离开反应器。该反应器采用套管换热，外管下端部为盲端，内管自由伸缩，在消除热应力方面具有显著优势，但是由于水室和汽室占用了部分反应器容积，反应器容积利用率相对较低。目前，套管式等温变换反应器也实现了工业化应用[15]。

图3 套管式等温变换反应器结构示意图

2.3 绕管式等温变换反应器

绕管式等温变换反应器结构如图4所示，水和蒸汽走管内，催化剂装在管外。原料气自顶部进入反应器，通过催化剂框与筒体之间的间隙进入反应器，随后径向通过催化剂床层，催化剂框中间设有收集管，反应后的气体进入收集管汇合后，从底部离开反应器。锅炉给水从反应器底部进入，水在换热管内吸收反应热部分汽化后，从反应器顶部离开。绕管式等温变换反应器具有结构紧凑、单位体积传热面积大、换热管热应力自行补偿的优点。目前，多个单位研发了不同结构的绕管式等温变换反应器[16-17]，其中杭州林达化工技术工程有限公司开发的绕管式等温变换技术已经成功实现工业应用[18]。

图4 绕管式等温变换反应器结构示意图

3 等温变换工艺及其工业应用情况

3.1 等温变换工艺

根据等温反应器和绝热反应器的不同组合方式，等温变换工艺主要分为全等温变换工艺、等温+绝热变换工艺和绝热+等温变换工艺3种[19]。

变换单元除了承担将CO转化为H2的任务之外，还会影响全厂的热量平衡及热量利用情况。等温变换反应器虽然和绝热变换反应器相比有诸多优势，但是其只能副产饱和蒸汽，通过变换单元自身无法进一步提高蒸汽品位，如果副产的饱和蒸汽无法合理利用，则会造成能量的浪费。因此，在选择等温变换工艺时应兼顾全厂蒸汽平衡，比如对于水煤浆气化制氢（制合成氨）项目推荐采用绝热+等温变换工艺[20]。

3.2 等温变换典型应用案例

和传统绝热变换技术相比，等温变换技术具有系统阻力降低、催化剂使用寿命长等优点，目前该技术已经成功应用于处理各种高CO浓度粗煤气和其他工业气体[7-8，21-23]。等温变换典型工业化应用案例见表2。

表2 等温变换典型工业化应用案例

3.3 等温变换技术应用中存在的问题

虽然等温变换技术和传统绝热变换技术相比有诸多优势，但也存在一些不足之处。等温变换炉结构复杂，操作不当容易造成内件损坏，影响系统稳定运行，并且其查漏检修困难[24]，如某合成氨装置变换系统开停车期间等温变换炉内件发生内漏，严重影响了催化剂的使用寿命及系统的安全运行[25-26]。另外，等温变换炉只能副产中压饱和蒸汽，在变换系统内部无法对副产蒸汽进行过热，如果中压饱和蒸汽无合适用户，需要额外设置蒸汽过热炉过热蒸汽。因此，等温变换技术应进一步提高反应器可靠性及热量利用效率。

4 结 语

等温变换技术具有流程简单，系统阻力降小，占地少，催化剂装填量少、使用寿命长等优点，适合处理高CO浓度的粗煤气或其他工业气体。

在进行等温变换工艺选择时，应兼顾全厂蒸汽平衡，提高全厂能量利用效率，选择最优的变换工艺。等温变换技术未来研究重点应集中在提高反应器的可靠性及反应热的合理利用等方面，推动等温变换技术的优化升级。