科技成果——基于相变移热的等温变换节能技术

科技成果——基于相变移热的等温变换节能技术
适用范围
化工行业甲醇、合成氨、尿素等生产过程中CO变换，以及电石炉、高炉、黄磷等工业尾气回收利用中的CO变换
行业现状
随着煤气化技术的发展，采用低阶煤连续气化的粗煤气中CO含量越来越高，如粉煤气化的CO含量高达68%以上。

传统变换技术采用多段绝热反应的方式进行，由于反应温度高，只能采用段间喷水冷却增加水汽比以达到目标变换率，导致变换系统热能回收率低，能耗较大。

由于流程长且复杂，系统阻力大，控制操作难度大，难以实现长周期稳定运行。

此外，工业尾气如电石炉尾气、黄磷尾气等，其主要成分是CO，因传统变换技术的制约，高效综合利用难度大，通常只能进行简单燃烧，造成大量的能源浪费。

成果简介
1、技术原理
变换反应方程式：
CO+H2O（汽）=CO2+H2-41.4KJ/mol
由上式可知，CO变换反应是强放热可逆反应，如果反应热不能及时移走会造成反应床层的超温，进而烧坏催化剂，影响生产系统的正常运行。

该技术的核心是开发设计了相变移热等温反应器，及时移走变换反应所产生的反应热，保证变换反应催化剂床层的恒温低温。

等温变换反应温度低，远离平衡，反应推动力大，反应效率高。

同时，
移热产生高品位蒸汽，可直接回收反应热，相对传统绝热变换工艺可提高反应热回收效率，实现节能。

此外，由于反应器为全径向结构，塔压降低，可替代传统变换系统中的多台设备，简化生产流程，大幅减少系统阻力，降低压缩电耗。

2、关键技术
（1）双管板结构技术
相变移热等温反应器采用双管板结构，巧妙分隔移热与反应区间，同时悬挂固定移热水管，结构简单，安全可靠。

根据放热反应特点研发的布管方法，可精确控制反应床层温度，温差≤5℃，反应效率高，催化剂使用寿命长，能量回收率高。

（2）双套管与全径向技术
相变移热等温反应器中双套管悬挂在管板上，可自由伸缩，有效吸收了热应力，使用安全；利用双套管输送移热的水相，换热效率高；催化剂装填在水管间，反应气流向为径向，反应压降小。

（3）径向分布技术
径向分布器采用多级腔体结构控制，使气体分布均匀，有效提高催化剂的利用率。

3、工艺流程
CO等温变换技术的核心为等温变换反应器，其结构如图1所示。

粗煤气经加热和净化后进入等温变换炉发生CO变换反应，反应后的气体首先用来加热粗煤气，而后加热汽包给水降温，再经过脱盐水预热器和水冷器降温至常温后送入下一工段，如图2所示。

图1 等温变换反应器结构示意图
图2 等温变换工艺流程图
主要技术指标
1、CO一次变换率超过98%；
2、反应温度不超过300℃；
3、床层温差不超过5℃；
4、等温变换系统阻力不超过0.2MPa。

技术水平
该技术获得国家发明专利2项，并于2014年通过中国石油和化学工业联合会组织的成果鉴定。

2012年底该技术首先在新疆天业乙二醇项目进行应用。

截止目前，该技术已山西临猗丰喜合成氨改造项目等近二十家企业进行应用。

典型案例
典型用户：新疆天业有限公司、丰喜集团临猗分公司、新疆中能万源化工有限责任公司等。

典型案例1
案例名称：新疆天业电石炉尾气综合利用制乙二醇项目
建设规模：30500Nm3/h的电石炉尾气，系统入口CO浓度65%-80%。

建设条件：在项目新建时应用。

主要技改内容：建设等温变换装置，高效利用电石炉尾气中大量的CO，采用变换反应制取合成气。

主要设备为DN2200等温变换反应器。

项目投资额约3000万元，建设期18个月。

项目年年节能量854tce，碳减排量为2256tCO2。

年节能经济效益为1500万元，投资回收期不到2年。

典型案例2
案例名称：丰喜集团临猗分公司水煤浆气化制合成氨项目
建设规模：10万t/a的合成氨装置。

建设条件：原甲醇生产装置改造。

主要技改内容：新增等温变换炉取代原来的绝热变换炉，将变换系统出口的CO含量由改造前的18%左右降至0.9%以下，以满足合成氨对原料气的要求；并新增一个汽包回收变换反应放出的热量，利用相变移热产生蒸汽。

主要设备为DN2400等温变换反应器。

改造投资额为1905万元，建设期7个月。

项目年年节能量1424tce，碳减排量为3759tCO2。

年节能经济效益为918万元，投资回收期不到3年。

市场前景
该技术广泛应用于煤气变换工段，是煤化工、合成氨、电石炉尾气利用等领域关键基础技术之一，其推广潜力巨大。

预计未来5年，该技术在行业内的推广比例将达到25%，项目总投资27亿元，可形成的年节能能力20万tce，年碳减排能力53万tCO2。