壳牌煤气化生产合成氨之变换装置水气比及工艺流程设计探讨
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2006 年毕业于南京 作者简介： 周明灿（ 1983 年 － ） ， 男， 重庆黔江人， 工业大学， 助理工程师， 从事化工工程项目工艺专业的设计和装置 开车工作。
ຫໍສະໝຸດ Baidu 第1 期
周明灿 等
壳牌煤气化生产合成氨之变换装置水气比及工艺流程设计探讨
· 17·
水蒸气是变换反应的反应物， 由于蒸汽热容较 ， 大 蒸汽同时也作为控制变换反应温升的压温介质 使用。当反 应 气 水 气 比 较 低 时， 随着蒸汽含量升 高， 变换反应更加深入， 反应温升增加， 此时蒸汽作 为反应物的作用表现得比较明显； 当煤气水气比超 过到一定值后， 反应温升却随着蒸汽含量的升高而 下降， 此时新增蒸汽作为压温介质的作用表现得更 明显。高水气比变换工艺就是指在反应气中加入 过量的蒸汽， 通过蒸汽的高热容来吸收变换反应 热， 以达到控制反应温升的目的。 低水气比变换工 艺则是通过控制反应气中的蒸汽含量来控制变换 反应深度， 以控制反应不超温。 高水气比与低水气 比的划分可以通过入口水气比与反应温升的关系 来表示， 见图 1 。 图 1 中曲线斜率不具有定量可比 曲线仅表示变化趋势。 性，
低水气比 4 段变换流程各变换炉进出口组成和温度
一变 入口 210 50． 69 16． 99 1． 35 0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32 一变 出口 404 34． 70 32． 97 17． 34 0． 03 12． 32 0． 45 1． 86 0． 32 二变 入口 220 28． 21 26． 80 14． 09 0． 02 10． 02 0． 36 20． 22 0． 26 二变 出口 376 14． 61 40． 40 27． 69 0． 02 10． 02 0． 36 6． 62 0． 26 三变 入口 210 12． 45 34． 41 23． 59 0． 02 8． 53 0． 31 20． 46 0． 22 三变 出口 304 4． 10 42． 76 31． 93 0． 02 8． 53 0． 31 12． 11 0． 22 四变 四变 入口 出口 210 240 3． 83 1． 19 39． 89 42． 53 29． 79 32． 43 0． 02 0． 02 7． 96 7． 96 0． 29 0． 29 18． 00 15． 36 0． 21 0． 21
若一变炉采用低水气比工艺， 设置 3 段变换， 需消耗约 29 t / h 的外供蒸汽才可满足变换装置出 口 CO 含量小于 1． 5% （ 干基， 体积） 的要求， 各变换 炉进出口组成及温度参数见表 3 。
表3 低水气比 3 段变换流程各变换炉进出口组成和温度
项目 一变 入口 210 50． 69 16． 99 1． 35 0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32 一变 出口 404 34． 70 32． 97 17． 34 0． 03 12． 32 0． 45 1． 86 0． 32 二变 入口 230 21． 90 20． 81 10． 94 0． 02 7． 78 0． 28 38． 06 0． 20 二变 出口 411 5． 60 37． 12 27． 25 0． 02 7． 78 0． 28 21． 75 0． 20 三变 入口 210 5． 37 35． 61 26． 14 0． 02 7． 46 0． 27 24． 93 0． 19 三变 出口 258 1． 11 39． 86 30． 39 0． 02 7． 46 0． 27 20． 68 0． 19
工艺与低水气比变换工艺的工艺流程 、 操作参数和外供蒸汽消耗 ； 总结了高水气比与低水气比的工艺特点 ； 结果表 明， 壳牌煤气化生产合成氨的变换装置采用低水气比工艺和高水气比工艺均可 ， 在相同反应器数量条件下 ， 高水气 比流程比低水气比流程节约外供蒸汽 ， 同时设置 4 段变换比 3 段变换更为合理。 关键词： 壳牌煤气化； 合成氨； CO 变换装置； 水气比； 工艺流程； 蒸汽消耗； 比较 中图分类号： TQ113． 264 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 8901 （ 2012 ） 01 － 0016 － 04
表1
组分 mol / % CO
某项目变换装置入口煤气组成
H2 CO2 CH4 N2 AR H2 O H2 S
50． 69 16． 99 1． 35
0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32
2.1
一变炉采用低水气比工艺
图2 二变炉入口水气比与反应温升分析结果
若一 变 炉 采 用 低 水 气 比 工 艺， 并设置 4 段变 换， 消耗约 8 t / h 的外供蒸汽即可满足变换装置出
口 CO 含量小于 1． 5% （ 干基， 体积） 的要求， 各变换 炉进出口组成及温度参数见表 2 。
表2
项目 操作温度 /℃ CO， mol /% mol /% H2 ， CO2， mol /% mol /% CH4， N2 ， mol /% AR， mol /% H2 O， mol /% mol /% H 2 S，
Feb． 2012
· 16·
化肥设计 Chemical Fertilizer Design
第 50 卷 第 1 期 2012 年 2 月
壳牌煤气化生产合成氨之变换装置 水气比及工艺流程设计探讨
周明灿， 李繁荣， 陈延林， 刘 伟， 孟 强
（ 中国五环工程有限公司， 湖北 武汉 430223 ） 摘 要： 介绍了 CO 变换工艺高水气比与低水气比的区别与作用 ； 比较了壳牌煤气化生产合成氨的高水气比变换
CO 变换工艺流程的设计主要依据原料气的特 性、 变换气的用途和催化剂的特性来确定， 在满足 工艺要求的条件下应尽量降低装置建设投资和操 作成本。壳牌粉煤加压气化工艺大多采用废锅流 程冷却 煤 气， 所 产 煤 气 压 力 约 3． 8 MPa， 温 度 165 ℃， 含饱和水蒸气， 水的体积百分含量约 20% 。 煤 气中 CO 含量因原料煤质的变化而略有区别， 但其 含量比固定层气化煤气高， 有的甚至接近 70% 。 在 合成氨装置中， 为了充分的利用原料煤气， 在下游 气体精制采用液氮洗工艺的条件下， 一般要求出变 换装置的 CO 浓度降低至 1． 5% （ 干基体积 ） 以下， 且 CO 变换大多采用耐硫变换催化剂。 笔者重点讨 论的是壳牌煤气化生产合成氨的变换工艺流程的 设计与选取。
以某壳牌煤气化 50 万 t / a 合成氨项目为例进 行变换水气比的讨论。 进入变换装置的煤气温度
3 165 ℃ ， 压力 3． 8 MPa， 总气量 168 638 m / h（ 干基） ， 变换装置入口煤气组成见表 1 。 本文主要对比外供
蒸汽消耗和各变换炉的进出口参数， 为了便于定量 比较外供蒸汽消耗， 变换装置高品位工艺余热在装 置内自行回收利用， 不对外输出高品位工艺余热， 中压蒸汽为 4. 3 MPa 的饱和蒸汽， 用于中压废热锅 炉或变换气增湿的水温为 130 ℃ 。
1
高水气比与低水气比介绍
目前， 壳牌煤气生产合成氨的变换工艺大致可 以分为高水气比和低水气比 2 种工艺。 按照 CO 变 换化学反应方程式 CO + H2 O → CO2 + H2 可知， 如果不考虑反应平衡推动力、 抑制甲烷化副反应和 1 kmol 的 CO 需要配 1 控制反应热点温度等因素， kmol 的水蒸气与其反应。 壳牌煤气自身水含量不 需要额外补充蒸汽 （ 或 能满足 CO 深度变换的要求， 水） 以使 CO 变换反应更加彻底。 高水气比流程与 低水气比流程都需要向煤气中加入蒸汽 （ 或水 ） ， 差 （ ） （ ） 别在于加入蒸汽 或水 的量和加入蒸汽 或水 的 过程有所区别。
图1
入口水气比与反应温升关系
操作温度 / ℃ CO， mol / % H2 ， mol / % CO2 ， mol / % mol / % CH4 ， mol / % N2 ， AR， mol / % H2 O ， mol / % H2 S ， mol / %
准确地讲， 在变换装置内部可能在某些反应段 某些反应段采用的是低水气 采用的是高水气比、 比， 但通常讲某个变换装置采用的是高水气比还是 低水气比变换工艺在习惯上指的是关键反应段的 水气比情况， 即针对 CO 浓度较高的反应段的水气 比。本文只讨论第 1 、 第 2 变换炉的水气比问题。
2
高水气比与低水比变换工艺比较
此时 二 变 入 口 水 蒸 气 的 摩 尔 百 分 含 量 为 38. 06% ， 即水气比为 0． 61 。 二变换炉入口水气比 与反应温升分析结果见图 2 。由图 2 可以看出， 第2 变换炉的入口水气比几乎正处于最大反应温升点， 但由于第 2 变换炉入口 CO 含量为 35． 36% （ 干基体 积） ， 故第 2 变换炉操作工况并不苛刻， 其反应温升 最高 181 ℃ 。故第 2 变换炉入口水气比可以根据变 换反应的深度要求来调节， 而无需过度关注反应超 温问题。
Discussion on Water / Gas Ratio for Shift Device of Shell Coal Gasification Synthesis Ammonia and Process Flow Design
ZHOU Ming-can，LI Fan-rong，CHEN Yan-lin，LIU Wei，MENG Qiang （ China Wuhuan Engineering Company Ltd． ，Wuhan，Hubei 430223 China）
Abstract ： Author has introduced the difference and function between high water / gas ratio and low water / gas ratio for CO shift process； has compared the process flow，operating parameters and steam consume outside supplied for high water / gas ratio shift process with low water / gas ratio shift process of ammonia production of Shell coal gasification； has summarized the process features of high water / gas ratio with low water / gas ratio； result indicates that adopting both low water / gas ratio and high water / gas ratio can be suitable for shift devices of ammonia production of Shell coal gasification， under condition of equal quantity of reactors，more steam supplied from outside can be saved for high water / gas ratio compared with low water / gas ratio，in meantime arranging four stages of shifts is more rational than arranging three stages of shifts． Key words： Shell coal gasification； synthetic ammonia； CO shift device； water / gas ratio； process flow； steam consume； comparison
ຫໍສະໝຸດ Baidu 第1 期
周明灿 等
壳牌煤气化生产合成氨之变换装置水气比及工艺流程设计探讨
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水蒸气是变换反应的反应物， 由于蒸汽热容较 ， 大 蒸汽同时也作为控制变换反应温升的压温介质 使用。当反 应 气 水 气 比 较 低 时， 随着蒸汽含量升 高， 变换反应更加深入， 反应温升增加， 此时蒸汽作 为反应物的作用表现得比较明显； 当煤气水气比超 过到一定值后， 反应温升却随着蒸汽含量的升高而 下降， 此时新增蒸汽作为压温介质的作用表现得更 明显。高水气比变换工艺就是指在反应气中加入 过量的蒸汽， 通过蒸汽的高热容来吸收变换反应 热， 以达到控制反应温升的目的。 低水气比变换工 艺则是通过控制反应气中的蒸汽含量来控制变换 反应深度， 以控制反应不超温。 高水气比与低水气 比的划分可以通过入口水气比与反应温升的关系 来表示， 见图 1 。 图 1 中曲线斜率不具有定量可比 曲线仅表示变化趋势。 性，
低水气比 4 段变换流程各变换炉进出口组成和温度
一变 入口 210 50． 69 16． 99 1． 35 0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32 一变 出口 404 34． 70 32． 97 17． 34 0． 03 12． 32 0． 45 1． 86 0． 32 二变 入口 220 28． 21 26． 80 14． 09 0． 02 10． 02 0． 36 20． 22 0． 26 二变 出口 376 14． 61 40． 40 27． 69 0． 02 10． 02 0． 36 6． 62 0． 26 三变 入口 210 12． 45 34． 41 23． 59 0． 02 8． 53 0． 31 20． 46 0． 22 三变 出口 304 4． 10 42． 76 31． 93 0． 02 8． 53 0． 31 12． 11 0． 22 四变 四变 入口 出口 210 240 3． 83 1． 19 39． 89 42． 53 29． 79 32． 43 0． 02 0． 02 7． 96 7． 96 0． 29 0． 29 18． 00 15． 36 0． 21 0． 21
若一变炉采用低水气比工艺， 设置 3 段变换， 需消耗约 29 t / h 的外供蒸汽才可满足变换装置出 口 CO 含量小于 1． 5% （ 干基， 体积） 的要求， 各变换 炉进出口组成及温度参数见表 3 。
表3 低水气比 3 段变换流程各变换炉进出口组成和温度
项目 一变 入口 210 50． 69 16． 99 1． 35 0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32 一变 出口 404 34． 70 32． 97 17． 34 0． 03 12． 32 0． 45 1． 86 0． 32 二变 入口 230 21． 90 20． 81 10． 94 0． 02 7． 78 0． 28 38． 06 0． 20 二变 出口 411 5． 60 37． 12 27． 25 0． 02 7． 78 0． 28 21． 75 0． 20 三变 入口 210 5． 37 35． 61 26． 14 0． 02 7． 46 0． 27 24． 93 0． 19 三变 出口 258 1． 11 39． 86 30． 39 0． 02 7． 46 0． 27 20． 68 0． 19
工艺与低水气比变换工艺的工艺流程 、 操作参数和外供蒸汽消耗 ； 总结了高水气比与低水气比的工艺特点 ； 结果表 明， 壳牌煤气化生产合成氨的变换装置采用低水气比工艺和高水气比工艺均可 ， 在相同反应器数量条件下 ， 高水气 比流程比低水气比流程节约外供蒸汽 ， 同时设置 4 段变换比 3 段变换更为合理。 关键词： 壳牌煤气化； 合成氨； CO 变换装置； 水气比； 工艺流程； 蒸汽消耗； 比较 中图分类号： TQ113． 264 文献标识码： A 文章编号： 1004 － 8901 （ 2012 ） 01 － 0016 － 04
表1
组分 mol / % CO
某项目变换装置入口煤气组成
H2 CO2 CH4 N2 AR H2 O H2 S
50． 69 16． 99 1． 35
0． 03 12． 32 0． 45 17． 84 0． 32
2.1
一变炉采用低水气比工艺
图2 二变炉入口水气比与反应温升分析结果
若一 变 炉 采 用 低 水 气 比 工 艺， 并设置 4 段变 换， 消耗约 8 t / h 的外供蒸汽即可满足变换装置出
口 CO 含量小于 1． 5% （ 干基， 体积） 的要求， 各变换 炉进出口组成及温度参数见表 2 。
表2
项目 操作温度 /℃ CO， mol /% mol /% H2 ， CO2， mol /% mol /% CH4， N2 ， mol /% AR， mol /% H2 O， mol /% mol /% H 2 S，
Feb． 2012
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化肥设计 Chemical Fertilizer Design
第 50 卷 第 1 期 2012 年 2 月
壳牌煤气化生产合成氨之变换装置 水气比及工艺流程设计探讨
周明灿， 李繁荣， 陈延林， 刘 伟， 孟 强
（ 中国五环工程有限公司， 湖北 武汉 430223 ） 摘 要： 介绍了 CO 变换工艺高水气比与低水气比的区别与作用 ； 比较了壳牌煤气化生产合成氨的高水气比变换
CO 变换工艺流程的设计主要依据原料气的特 性、 变换气的用途和催化剂的特性来确定， 在满足 工艺要求的条件下应尽量降低装置建设投资和操 作成本。壳牌粉煤加压气化工艺大多采用废锅流 程冷却 煤 气， 所 产 煤 气 压 力 约 3． 8 MPa， 温 度 165 ℃， 含饱和水蒸气， 水的体积百分含量约 20% 。 煤 气中 CO 含量因原料煤质的变化而略有区别， 但其 含量比固定层气化煤气高， 有的甚至接近 70% 。 在 合成氨装置中， 为了充分的利用原料煤气， 在下游 气体精制采用液氮洗工艺的条件下， 一般要求出变 换装置的 CO 浓度降低至 1． 5% （ 干基体积 ） 以下， 且 CO 变换大多采用耐硫变换催化剂。 笔者重点讨 论的是壳牌煤气化生产合成氨的变换工艺流程的 设计与选取。
以某壳牌煤气化 50 万 t / a 合成氨项目为例进 行变换水气比的讨论。 进入变换装置的煤气温度
3 165 ℃ ， 压力 3． 8 MPa， 总气量 168 638 m / h（ 干基） ， 变换装置入口煤气组成见表 1 。 本文主要对比外供
蒸汽消耗和各变换炉的进出口参数， 为了便于定量 比较外供蒸汽消耗， 变换装置高品位工艺余热在装 置内自行回收利用， 不对外输出高品位工艺余热， 中压蒸汽为 4. 3 MPa 的饱和蒸汽， 用于中压废热锅 炉或变换气增湿的水温为 130 ℃ 。
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高水气比与低水气比介绍
目前， 壳牌煤气生产合成氨的变换工艺大致可 以分为高水气比和低水气比 2 种工艺。 按照 CO 变 换化学反应方程式 CO + H2 O → CO2 + H2 可知， 如果不考虑反应平衡推动力、 抑制甲烷化副反应和 1 kmol 的 CO 需要配 1 控制反应热点温度等因素， kmol 的水蒸气与其反应。 壳牌煤气自身水含量不 需要额外补充蒸汽 （ 或 能满足 CO 深度变换的要求， 水） 以使 CO 变换反应更加彻底。 高水气比流程与 低水气比流程都需要向煤气中加入蒸汽 （ 或水 ） ， 差 （ ） （ ） 别在于加入蒸汽 或水 的量和加入蒸汽 或水 的 过程有所区别。
图1
入口水气比与反应温升关系
操作温度 / ℃ CO， mol / % H2 ， mol / % CO2 ， mol / % mol / % CH4 ， mol / % N2 ， AR， mol / % H2 O ， mol / % H2 S ， mol / %
准确地讲， 在变换装置内部可能在某些反应段 某些反应段采用的是低水气 采用的是高水气比、 比， 但通常讲某个变换装置采用的是高水气比还是 低水气比变换工艺在习惯上指的是关键反应段的 水气比情况， 即针对 CO 浓度较高的反应段的水气 比。本文只讨论第 1 、 第 2 变换炉的水气比问题。
2
高水气比与低水比变换工艺比较
此时 二 变 入 口 水 蒸 气 的 摩 尔 百 分 含 量 为 38. 06% ， 即水气比为 0． 61 。 二变换炉入口水气比 与反应温升分析结果见图 2 。由图 2 可以看出， 第2 变换炉的入口水气比几乎正处于最大反应温升点， 但由于第 2 变换炉入口 CO 含量为 35． 36% （ 干基体 积） ， 故第 2 变换炉操作工况并不苛刻， 其反应温升 最高 181 ℃ 。故第 2 变换炉入口水气比可以根据变 换反应的深度要求来调节， 而无需过度关注反应超 温问题。
Discussion on Water / Gas Ratio for Shift Device of Shell Coal Gasification Synthesis Ammonia and Process Flow Design
ZHOU Ming-can，LI Fan-rong，CHEN Yan-lin，LIU Wei，MENG Qiang （ China Wuhuan Engineering Company Ltd． ，Wuhan，Hubei 430223 China）
Abstract ： Author has introduced the difference and function between high water / gas ratio and low water / gas ratio for CO shift process； has compared the process flow，operating parameters and steam consume outside supplied for high water / gas ratio shift process with low water / gas ratio shift process of ammonia production of Shell coal gasification； has summarized the process features of high water / gas ratio with low water / gas ratio； result indicates that adopting both low water / gas ratio and high water / gas ratio can be suitable for shift devices of ammonia production of Shell coal gasification， under condition of equal quantity of reactors，more steam supplied from outside can be saved for high water / gas ratio compared with low water / gas ratio，in meantime arranging four stages of shifts is more rational than arranging three stages of shifts． Key words： Shell coal gasification； synthetic ammonia； CO shift device； water / gas ratio； process flow； steam consume； comparison