新疆乌鲁木齐市兖矿新疆煤化工有限公司 王鹏扬 任娅梅 张路强 侯传宝 830000
摘要：甲醇装置的变换系统于2008年5月投料运行。2010年5月,变换系统工艺流程由原高水气比耐硫变换工艺改造为低水气比变换工艺,2010年9月投入运行后，取得了良好的节能效果。改造后,变换炉无需额外消耗中压蒸汽，但在催化剂使用周期内，发现第1变换炉(以下简称一变炉)压差上升较快,尤其是在2012年10月更换一变炉催化剂后，7个月运行时间内，一变炉压差持续上升，一变炉催化剂活性受到影响，严重制约变换系统运行。
关键词：变换炉催化剂无氧过筛
引言:变换系统作为合成氨装置的重要一环，在很大程度上直接影响着整条生产线的运行周期和效率.2013年开车至今6a来，合成氨装置出现了各类问题，通过逐步摸索，问题基本上得到解决并积累了操作经验，但变换系统的不少问题，如CO变换率低、系统压差大、系统低品位热能较多、运行能耗高等，则一直困扰着我们。为此，对一期合成氨装置变换系统实施了改造。
1.变换系统概况
1.1变换系统改造背景
合成氨装置变换系统主要存在的问题如下:变换炉(绝热变换炉)变换效率太低，出口变换气CO含量高,液氮洗系统操作难度大;变换系统阻力大，会导致航天炉超压而存在安全隐患,且造成航天炉负荷加不满;副产低品位蒸汽(主要为0.3MPa蒸汽)量大而无处消纳，为防止蒸汽管网超压,只得全部直接放空，导致系统热量损失大,能耗较高。据了解，近年来新兴的水移热等温变换炉(简称等温变换炉)，与传统的绝热变换炉相比，具有单差小、副产蒸汽品质高、炉温控制相对简单且调整灵活等优点，经综合分析与研究,河南晋开决定在一期合成氨装置(简称一期装置)一变炉处并联1台等温变换炉，以利一期装置的稳定、高效、高负荷运行。
1.2变换系统的作用
变换系统的作用就是将气化系统(采用航天炉)送来的粗煤气中的CO和H2O(g),在催化剂的作用下反应生成H2和CO2［CO+H2O(g)幑幐CO2+H2+41.16kJ/mol］,为下游低温甲醇洗系统输送合格的变换气,同时利用反应热副产蒸汽并回收系统冷凝液。
在合成氨生产过程中，气化炉制取的粗煤气中都含有CO，CO并不是合成氨生产所需的原料气，而且会使氨合成催化剂中毒，因此须将其除去，以便为氨合成提供良好的环境;同时，变换产生的H2是氨合成的必要原料,而产生的CO2又是生产尿素和液体CO2等的原料气。因此,变换过程既是原料气的净化过程，又是原料气制造的继续。
2.变换炉压差问题表现
在2012年10月至2013年2月运行期间，一变炉负荷无变化，一变炉的压差(PDI15104)波动较小，稳定维持在32～34kPa，低于设计允许值(40kPa)。自2013年3月后，一变炉压差逐渐升高。为缩小系统压差,将一变炉负荷缓慢向后续变换设备分配，但一变炉压差增大速度仍在加快，至2013年4月9日达到86kPa。
为了遏制一变炉压差继续增大的趋势，2013年4月11日利用短停机会对一变炉进行了反吹.反吹后,一变炉压差降至43kPa，但很快又开始缓慢上升，最高升至100kPa以上，对变换系统的安全运行构成威胁。
3.材料控制
设备主体材料14Cr1MoR,材料标准：GB/T713—2014《锅炉和压力容器用钢板》,它是抗氢耐热铬钼钢，热处理状态为正火+回火,其高温强度和高温耐氧化性较好.含碳量在0.05%~0.17%,淬硬性强,所以在成形、焊接操作过程中严格按照评定要求进行操作.它具有良好的韧性和塑性、较高的高温强度、抗氢、抗回火脆化性能等特点，同时具有较优良的焊接性能和加工性能，广泛应用于煤化工、核电、石油化工、汽轮机缸体、火电等高温高压、与氢或氢混合介质接触的大型核心设备中。它是压力容器的常用材料，使用状态为正火加回火。同时，钢板逐张进行100%超声波检测和高温拉伸试验，非金属夹杂物、晶粒度必须符合相关技术要求。按《容规》和技术条件要求复验合格后用于设备的制造。
4.原因分析及处理
4.1煤气过滤器保护剂失去吸附过滤作用
甲醇装置变换系统煤气过滤器内装填抗露点腐蚀的保护剂，用于吸附去除煤气中大部分灰尘等杂质，以保护变换催化剂，延长其使用寿命。变换系统自2008年5月投运以来，因煤气过滤器压差并无大的变化，故一直没有更换其中的保护剂。2013年9月，利用一变炉催化剂过筛处理机会，将煤气过滤器中7m3保护剂全部卸出，发现保护剂有板结现象，底部还存在粉化现象，其表面已经被灰尘覆盖，保护剂已失去吸附过滤作用。
煤气过滤器中装填的保护剂平均吸附孔容20%，堆密度0．9t/m3，可吸附灰尘最大容量为1260kg。变换系统要求来自Shell粉煤气化系统的原料煤气含尘质量浓度≤1mg/m3(标态)，若以煤气中含尘质量浓度1mg/m3(标态)、500kt/a甲醇装置原料煤气量180000m3/h(标态)、年生产时间8000h计，则运行1年变换系统累积的灰量为1440kg，已超过煤气过滤器中保护剂的吸附容量。由此可见，煤气带灰对变换系统的影响不容忽视,煤气过滤器中的保护剂最好每年更换1次。
4.2变换炉催化剂过筛处理
因变换炉积灰严重，灰尘积聚在催化剂表面，阻止了气体分子进入催化剂内层，影响催化剂活性发挥，故决定将催化剂卸出过筛。因使用后的催化剂为硫化态，在空气中易自燃，过筛操作必须在氮气保护下进行，尽量避免催化剂与空气接触。催化剂经降温处理后，在氮气环境下卸出过筛，过筛后的催化剂装入密闭的集装箱内并使用氮气保护，然后按原装填顺序在氮气保护下回装催化剂。鉴于氮气环境下施工的危险性较高，本次催化剂无氧装卸由专业的催化剂装填公司完成。
4.3变换炉上部保护剂结块
变换炉上部保护剂结块严重，说明发生了部分水合相变。2012年更换一变炉催化剂时，其中的保护剂已使用2年，但并没有出现结块现象.变换炉上部保护剂结块原因:开、停车过程中，因床层温度较低，有微量水被带入变换炉中;煤气中的灰尘穿过煤气过滤器进入变换炉，灰与水同时作用，导致保护剂板结，这必然会使变换炉压差增大。2013年9月检修期间，将一变炉中的2m3保护剂全部更换。
4.4煤气分离器内的除沫丝网破裂
煤气分离器内装填有除沫丝网，以防止带液及大颗粒杂质进入后续设备和管道。拆检中发现，分离器内部除沫丝网存在多处破裂，运行过程中可能导致部分液态水无法分离，造成煤气过滤器内保护剂粉化,引起阻力增大。
结语
实践表明，水移热等温热变换炉与传统绝热变换炉相比，是一种新兴的变换设备，在变换炉本体压差、催化剂床层温度及其活性、系统阻力、副产蒸汽品质等方面均表现出明显的优势，但等温变换炉自身构造也存在着一定的不安全因素。因此，在今后的运行中,要尽量靠近设计参数操作,通过不断地摸索使系统达到最经济、最理想的工况，并不断地借鉴和积累经验，以尽可能地避免不必要事故的发生。
参考文献
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