赵志刚，侯玉婷
（新疆中能万源化工有限公司，新疆 玛纳斯832200）
［摘 要］新疆中能万源化工有限公司一期400 kt/a合成氨装置、600 kt/a尿素装置2015年建成投产，原设计合成氨装置变换系统采用等温变换串绝热变换工艺，经分析与论证，认为变换系统还有节能降耗空间，结合变换反应的特点，于2021年11月对变换系统实施了“高CO双等温变换炉串联工艺实现蒸汽零消耗”的技改（即将等温变换串绝热变换工艺技改为双等温变换炉串联工艺），并优化了二级等温变换炉（二变炉）的选型及一级/二级等温变换炉（一变炉/二变炉）催化剂的装填量，最终实现了变换系统蒸汽零消耗的目标，取得了良好的节能效益和环保效益，可为高CO变换系统的工艺设计提供参考与借鉴，开辟了一条节能、环保效益显著的变换工艺设计新思路。
［关键词］高CO变换；等温变换炉；等温变换串绝热变换工艺；双等温变换炉串联工艺；技改方案；蒸汽零消耗；效益分析
［中图分类号］TQ113.26+4.2 ［文献标志码］B ［文章编号］1004-9932（2024）01-0022-04
0 引 言
新疆中能万源化工有限公司（简称中能万源化工）一期项目——400 kt/a合成氨装置、600 kt/a尿素装置于2015年建成投产，主要生产单元包括煤气化、CO变换、低温甲醇洗、液氮洗、氨合成；其中，气化系统采用航天炉粉煤加压气化工艺，出气化系统粗煤气采用N2为输煤介质时CO含量为60%（干基，下同）、采用CO2为输煤介质时CO含量为66%，粗煤气中CO含量高，给后续变换系统的工艺设计带来了困难。原设计变换系统采用等温变换串绝热变换工艺，所用等温变换炉为当时国内工业化应用最大直径的等温炉，其应用解决了绝热变换工艺易超温、工艺流程长、系统阻力大的缺点，达到了不超温、操作简单安全、系统阻力低的设计目标，满负荷运行时吨氨蒸汽消耗约200 kg，达国内同类变换工艺先进水平。其实，等温变换炉内催化剂床层温度分布并不是“等温”的，而是随着催化剂床层内换热管布置密度的变化而变化，设计单位在设计等温变换炉时，会通过调节换热管的密度控制炉内不同区域有不同的反应温度，也就有了“控温”的理论，现将“等温”、“控温”统称为“等温”。
中能万源化工一期400 kt/a合成氨装置平稳运行至2020年，等温变换炉内的变换催化剂使用寿命已至后期，活性有下降的趋势，等温变换炉也出现了大量换热管内漏的情况，且内漏换热管数量逐渐增多，于是，于2020年11月更换了等温变换炉及其装填的变换催化剂，当时由于未更换绝热变换炉内装填的催化剂，变换系统蒸汽消耗未见明显下降。蒸汽是CO变换反应过程中唯一消耗的辅助物料，其消耗水平直接反映了变换系统的技术水平，变换系统是合成氨装置蒸汽消耗大户，降低变换系统蒸汽消耗对于装置节能降耗（降碳）具有重要的意义。经过充分的分析与论证，基于一期400 kt/a合成氨装置变换系统还有节能降耗（降碳）的空间，中能万源化工于2021年11月实施了“高CO双等温变换炉串联工艺实现蒸汽零消耗”的技改（即将等温变换串绝热变换工艺技改为双等温变换炉串联工艺）。技改后，满负荷运行时一期400 kt/a合成氨装置变换系统实现了蒸汽零消耗，且二变炉出口变换气CO含量可控制在1.0%以下，处于国内同行业领先水平，取得了良好的节能效益和环保效益。以下对本项技改的有关情况作一总结，供业内参考与借鉴。
1 技改前变换系统工艺流程简介
技改前，中能万源化工一期400 kt/a合成氨装置变换系统由三部分组成：前段为预处理单元，依次由水分离器、过滤器、净化炉组成；中段为变换反应单元，依次由主热交、一变炉、锅炉水加热器、二变炉组成；后段为降温分离冷凝液单元，依次由冷凝液加热器、锅炉水加热器、脱盐水加热器、循环水冷却器、水分离器组成。
预处理单元的作用是分离粗煤气中夹带的液态水、煤灰等，以保护变换催化剂。变换反应单元的作用是使CO和水蒸气在变换催化剂的作用下反应生成CO2和H2——经预处理的粗煤气（3.4 MPa、200 ℃）由主热交提温至220 ℃后加入4.0 MPa的过热蒸汽，之后进入净化炉，出净化炉的粗煤气进入一变炉（一变炉为径向结构的等温变换炉，副产2.5 MPa饱和蒸汽），出一变炉变换气温度为260 ℃，进入主热交加热粗煤气后进入锅炉水加热器，经锅炉水加热器降温至205 ℃后进入二变炉（二变炉为绝热变换炉），出二变炉变换气温度为215 ℃，经回收热量降温至35 ℃并分离液态水后去往低温甲醇洗系统。
2 技改前变换系统运行情况
中能万源化工一期400 kt/a合成氨装置于2015年10月原始开车，其变换系统基于等温变换炉不超温的良好运行环境及完善的催化剂保护措施，第一炉变换催化剂保持了4 a的连续稳定运行，催化剂性能依然良好，没有明显的老化迹象，变换系统的蒸汽消耗也较为稳定，一直保持在吨氨约200 kg的水平，没有出现明显上涨。其间，2019年4月，运行了3 a多的等温变换炉有3根换热管出现内漏，对内漏的换热管进行修复（封堵外套管）后变换系统重启；2020年4月，变换系统停车检查发现等温变换炉内漏的换热管达30多根，当时同样采取了封堵外套管的修复措施；2020年11月，对等温变换炉及其装填的变换催化剂进行了整体更换，本次等温变换炉更换后（技改前）变换系统主要工艺运行数据见表1。可以看出，技改前二变炉出口变换气CO含量可控制在1.0%以下，变换系统蒸汽消耗为8.75 t/h，折吨氨蒸汽消耗约200 kg，变换系统蒸汽消耗处于业内先进水平。
随着国家“双碳”目标的逐步落实与推进，节能降耗（降碳）成为企业技术改造的主要目标。中能万源化工技术中心经过充分的分析与论证，认为一期400 kt/a合成氨装置变换系统还有节能降耗的空间，可以进一步降低蒸汽消耗。于是，计划对一期变换系统实施节能技改。
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