绝热多段式中温变换节能方案

 摘　要：分析目前中温变换存在的弊端，提出增加一个换热器的改进方案。
    关键词：中温变换；汽耗；改进
    中图分类号：ＴＱ１１３．２６＋４．２　　文献标志码：Ｂ　　文章编号：１００３－６４９０（２０１２）０２－００５４－０３
    １　现有控制中变炉温度的方式根据变换反应
    ＣＯ＋Ｈ２Ｏ=ＣＯ２＋Ｈ２＋４１．１９ｋＪ／ｍｏｌ
    绝热变换炉内的温度随反应的进行而逐步升高。随着变换炉内温度的升高，当反应温度超过最佳温度线以后，就离变换反应平衡曲线越来越近，反应速率明显下降，过高的温度还会使变换催化剂的活性寿命缩短。在实际生产中我们通常采用以下三种方法来控制变换炉内温度的平衡。
    １．１　中间间接冷却式多段绝热反应流程
    这是一种反应时与外界无热交换，冷却时将反应气体引至热交换器中与脱盐水进行间壁式换热、降温的流程。这种方法在低温变换中应用较多，移出的热量传给进饱和热水塔的热水。此流程的缺点是大量高品位热能被转化成低品位热能，导致饱和热水塔循环热水温度高，出系统变换气温度、湿度高，损失大量热能并给后工序带来较大的冷却和分离负担。
    １．２　脱盐水冷激式多段绝热反应流程
    变换反应需要水蒸气参加，故可采取向高温气体直接加入脱盐水，水吸热汽化生成水蒸气，通过调节冷激水量来调节变换炉各段进口气体温度。缺点是在向各段进口加的冷激水，会因气流速度大，水未来得及汽化就接触了变换催化剂，造成因温度骤降催化剂表面粉化、结疤的情况；或者脱盐水中的残留盐分在催化剂表面结疤，从而导致气体偏流，通过催化剂层的阻力增大，催化剂活性降低等问题。
    １．３　原料气冷激式多段绝热反应流程
    这是一种向反应器添加冷煤气进行直接冷却的方式。出饱和塔含水蒸气的低温（相对出热交换器的煤气温度）煤气不经热交换器直接进入变换炉各段，通过调节低温煤气的量来调节变换炉各段的进口气体温度。
    此方法避免了冷激水对催化剂的不利影响，大大延长了催化剂的使用寿命，但是也有导致正常运行时能耗偏高的弊病。
    对于二段中变流程，根据气体温度的差值和热量守恒原理，可计算出起冷激作用的冷煤气量大致占总气量的４０％。一方面由于这部分冷煤气不经过热交换器，造成能量交换过程中冷介质流量降低，出热交换器的中变气温度升高，流向低变系统的能量增加，从而提高了循环热水的温度，间接提高了出变换系统变换气温度和湿度，能耗增加；另一方面由于直接向中变二段添加冷煤气调温，对此部分（占总气量的２０％）煤气而言，未经过变换炉前段，变换反应时间短，ＣＯ变换率变低，为了达到相同的转化率，就要多加蒸汽。这种流程理论上要比水冷激流程蒸汽消耗高。
    ２　改进方案
    为了节能降耗，我建议对变换流程进行如下改动。
    增加一个热交换器，饱和塔出来的冷煤气先经过热交１，在此吸收中变二段出来的变换气热量。调节阀ＴＩＣ１为热交１的近路阀，以中变一段进气温度为参数，低关高开。中变一段出来的变换气进入热交２，和出中变１的煤气换热，降温后进入中变２。调节阀ＴＩＣ２为热交２的近路阀，以中变二段进气温度为调节参数，低开高关。由于进入中变一段的气体中ＣＯ和水蒸气的浓度高，变换反应速度快，放出的热量多。一般说来，在中变１的热点温度高于中变２热点温度１０℃的情况下，中变一段的进气温度和中变二段的进气温度大致相等。只要热交２的换热面积不太小，在冷、热流体热容、流量大致相等的情况下，被降温后的热流体（中变２进口气体）温度完全可以低于被加热后的冷流体（中变１进口气体）温度。也就是说不存在ＴＩＣ２关闭而中变二段温度仍高的情况。
    流程示意见图１。

    由于变换反应是放热的，为了控制中变一段的进口温度，ＴＩＣ１就要保持一定的开度，让高温气体将中变系统内多余的热量带出。由于本流程在中变一段进口就加入了全部的ＣＯ和水蒸气，这样在其他条件不变的情况下，反应物的浓度高，变换反应的速度最快，ＣＯ气体在变换炉内的停留时间最长，最接近反应平衡，变换率也就高。在气量、热点温度等条件恒定的情况下，我们主要是通过增减向变换炉加入的蒸汽量来调节低变出气的ＣＯ成分。在成分要求一定的情况下，本流程较原料气冷激流程需要加入的蒸汽量少。由于水冷激流程的调温原理是向高温煤气加入脱盐水吸热汽化，以替代部分参加变换反应的蒸汽，能量留在了中变系统。而本流程是让中变反应的余热流出中变系统。从能量方面分析，水冷激流程中温变换向低温变换能量流失最低。为了充分回收流向低变的热能，我们可以把原来低变的一段冷却器改为余热锅炉。根据经验，原料气冷激流程的出热交变换气温度在３００℃上下，低变一段入口温度在２４０℃上下，此部分温差完全可以作为１．２ＭＰａ蒸汽余热锅炉的热源。由于新流程中所有蒸汽在变换反应初期全部加入，反应物浓度最高，所以达到同样变换率所需蒸汽量相对于水冷激流程要少。由于新流程加入的蒸汽多为低压饱和蒸汽，温度在１８０℃左右，而出热交去低变的变换气温度在３００℃上下，所加入的过量蒸汽在中变过程中吸热，由此可分析出，在新流程中出热交去低变的变换气中的水蒸气含量略少，气体温度略高，故在新流程中此部分介质更适合作为余热锅炉的热源。余热锅炉产生的蒸汽经压力控制阀ＰＩＣ１并入１．０ＭＰａ蒸汽网，供变换使用，这部分能量就返回了中变系统，起到了与水冷激相同的作用，更避免了水冷激流程的弊病。经余热锅炉冷却后的中变气温度为１８５℃，在此温度下的饱和水蒸气分压在１．０ＭＰａ以上，高于变换系统压力，所以不存在中变气中的水蒸气被冷凝成液体的可能，不存在出现液击而损坏设备的可能。
    变换低变１进口变换气温度在２３０℃左右。调节阀ＴＩＣ３为余热锅炉的近路阀，以低变一段进气温度为参数，低开高关。如果低变进口温度需要低于１８５℃，可以将余热锅炉的蒸汽出口连到变换蒸汽加入阀ＦＩＣ１之后，余热锅炉压力可降至变换系统压力０．８ＭＰａ，相应变换气温度可降至１７０℃。
    这样，流向低变的能量减少，向循环热水提供热能的设备就只有低变一、二段间的水冷，低变出口的水加热器和热水塔。需要热水回收的能量减少，热水温度低，相应出热水塔的变换气温度、湿度低，更多的能量就留在了变换系统之内，蒸汽能耗因此而降低。同时，由于热水回收能量负荷的降低，热水泵的流量降低，这就节省了电耗。
    如果作冷激用的脱盐水质量过关，可以对水冷激流程稍加改动，来避免冷激水对变换催化剂的不利影响。在中变各段催化剂的上面交错铺两层波纹填料，经雾化喷头喷出的冷激水可在填料表面汽化后再与催化剂接触。此方法相对简单、易行。
    ３　实例分析
    鲁西化工煤化一公司变换为煤