典型一氧化碳变换工艺流程综述

第6期2017年11月

中氮肥

M-Sized Nitrogenous Fertilizer Progress

No. 6

Nov. 2017

!合成氨及下游产品！

典型一氧化碳变换工艺流程综述

向国军

(武汉金中石化工程有限公司，湖北武汉430223)

[摘要]结合合成氨工业变换工艺的发展历史，对目前3种主流变换工艺—

—常压富氧气化配套变换工艺、S h e ll粉煤气化配套耐硫变换工艺、水煤浆气化配套耐硫变换工艺的典型工艺流程、原料气特点、工艺流程特点、工艺设计条件进行分析和阐述，以便大家对这3种气化工艺配套变换工艺有一个比较完整的了解和认识。

[关键词]变换工艺；典型工艺流程；原料气特点；工艺流程特点；工艺设计条件

[中图分类号]T Q 113.26+4.2 [文献标志码]B[文章编号]1004 -9932(2017)06 -0004 -03

〇引言

一氧化碳与水蒸气在催化剂的作用下发生变 换反应生成H2和C〇2，这个工艺过程在1913年 就已用于合成氨工业[1]。变换系统是合成氨生 产中的重要净化工序，一方面变换系统提供氨合 成反应所需的重要原料—

—H，另一方面变换 系统将合成系统氨合成催化剂的毒物—

—C0转 化为易于脱除的C〇2。近百年来，变换工艺伴随 着合成氨工业及变换催化剂技术的发展，其工艺 流程发生了巨变。从我国上世纪50、60年代研 制成功的抗硫性能较差的FeCr系催化剂、Cu-Zn系催化剂发展到目前广泛应用的Co-Mo系宽 温耐硫变换催化剂，变换工艺流程也由传统的中 串低、中低低发展到全低变，流程配置得到不断 优化，公用工程消耗得以持续降低。以下就目前 主流的变换工艺进行阐述，并对其主要特性进行 分析。

1常压富氧气化配套变换工艺

1.1 典型工艺流程

常压富氧连续气化工艺作为中小型氮肥厂原 有固定床间歇气化工艺的升级替代工艺，由于其

[收稿日期]2017-05-08

[作者简介]向国军（1983—）男，湖北宜昌人，注册化工工程师，主要从事化工项目工艺和管道设计工作。气化强度及气化效率较高，无废气排放，安全性 得到提高，因此目前应用较为广泛。如黑龙江某 焦化企业升级改造其化工产品项目气化单元时即 采用了常压富氧连续气化，其配套变换工艺流程 见图1。

图1常压富氧气化配套变换工艺流程框图

12工艺流程特点

1.2.1原料气特点

来自气化单元的粗煤气经电捕焦油、粗脱 硫、增压后送变换界区，界区压力2.2 M P a、温 度40 〇C，气量65 000 m3/h，变换原料气组成 (摩尔分数，下同）见表1。

表1常压富氧气化配套变换工艺原料气组成 ％组分C0C〇2 H2c h4H2S + C0S H20Ar02

含量39. 998 14. 282 43. 2550. 8870.9650.0080.3460.0810. 178由表1可知：常压富氧气化系统所产粗煤气 C0含量约4%(干基），含少量〇2

；由于煤气

第6期向国军：典型一氧化碳变换工艺流程综述• 5 •

压缩机末级出口粗煤气经冷却（分离）后送变

换界区，进变换界区粗煤气温度仅有40 °C，此

粗煤气中水含量很低，这意味着参与变换反应的

水蒸气全部依赖于补水（蒸汽）。因此，变换系

统流程配置围绕着原料气水含量少的特点而进行

设计。

1.2.2工艺流程特点

(1)设置有预处理槽（一开一备）。设置预

处理槽的目的是脱除进界区粗煤气中夹带的少量

焦油、粉尘等杂质，以免上述杂质被带入变换炉

内而造成变换催化剂微孔堵塞，以延长催化剂的 使用寿命。

(变换炉前设置有除氧预变炉。由于半 水煤气中的〇2含量<0. 5%，不管是半水煤气中 的^3,还是变换催化剂中硫化物含有的S2'都会在〇2的作用下继续氧化生成s〇4_，生成的 S〇r又与催化剂中的K+反应生成1〈^04,从而使钾丧失其促进催化剂低温活性的动能，使催化 剂低温活性快速丧失[2]。因此，为保证变换催 化剂长周期、稳定运行，必须设法在变换炉前除 去原料气中的微量〇2。

(3)常压富氧气化配套变换系统主流程设 置为1段预变换+3段主变换，采用绝热反应 器，段间喷水降温增湿，并在适当位置补入过热 蒸汽调温。

1.2.3典型工艺设计条件（表2)。

表2常压富氧气化配套变换工艺典型工艺设计条件项目

C0含量（干基)/%入口温度入口

入口出口/C汽气比除氧预变炉40.4925. 17210.2

1#变换炉（上段）25. 1713.69220.3

1变换炉（下段）13.69 6.44210.2

2#变换炉 6.440.80210.2

2 Shell粉煤气化配套耐硫变换工艺

2.1 典型工艺流程

Shell粉煤气化工艺以干煤粉为原料，在加 压及高温条件下进行气化反应，碳转化率高，有 效气体（CO+A)含量可达90%以上，是目前 世界上较先进的气化技术之一。某合成氨项目气 化单元采用Shell粉煤气化工艺，其配套变换工 艺流程见图2。

图2 Shell粉煤气化配套变换工艺流程框图

22工艺流程特点

2.2.1原料气特点

来自气化单元的粗煤气经飞灰处理、显热回

收后直接送变换界区，界区压力3.7 MPa、温度

170 C，气量204 568 m3/h，变换原料气组成见

表3。

表3 Shell粉煤气化配套变换工艺原料气组成 ％

组分C0C02ch4h2s h20Ar

含量50.209.19.3. 1.300.2019.900.10由表3可知，Shell粉煤气化所产粗煤气C0

含量约62.68% (干基），不含〇2,进变换界区

粗煤气汽气比约0.25。为此，需选用不同的变

换催化剂，变换流程有不同的配置方法。

2.2.2工艺流程特点

(1)为满足出变换界区C0含量<1%(干 基）的要求，Shell粉煤气化配套变换工艺流程

具有变换程度深、转化率高、放热量大的特点。

针对一段变换反应推动力大、反应器易超温的特

点，在流程配置上第一变换炉往往选择高温变换

催化剂；二段、三段则选择低温变换催化剂。另

外，第一变换炉前分出部分工艺气走旁路，以减

轻第一变换炉的负荷。

(2)由于加压变换进变换界区饱和水温度 高，加上深度变换反应放热量大，因此变换系统

可回收热量较多，在流程设置上对高位余热副产

的中压饱和蒸汽予以回收，低位余热则用来预热

锅炉给水或除盐水。据不同项目全厂蒸汽平衡状

况，变换系统余热利用方式略有不同，但总体思

路是一^致的。

(3)变换系统主流程设置为3段绝热变换，第一变换炉可采用轴径向变换炉，

第二、第三变