CO等温变换技术在合成氨生产中的应用研究

摘 要：本文对等温变换工艺与原理进行分析，并阐述该项技术在合成氨生产中的技术进展与实践应用。力求通过对水移热等温变化技术、等温变换炉及配套工艺、CO等温变换技术的应用，达到节能环保的效果。

关键词：CO;等温变换;合成氨生产

在合成氨生产中，CO变换属于十分重要的环节，在以往生产中主要采用多段绝热反应技术，不但工序繁琐、投资量大，且热损失度较高，随着氮肥生产与煤气化技术不断成熟，变换气中的一氧化碳含量不断增加，因此对等温变换技术进行创新，与高效节能的目标充分符合。

1 等温变换的工艺与原理

等温变换的原理在于发挥催化剂中热水管束的作用，使系统中冗余的低品位热能清除，使其转变为高品位蒸汽。通过对副产蒸汽压力进行控制，使水移热技术的作用充分发挥，对催化剂床层温度有效控制，使其始终处于180-350℃之间，以免出现飞温事故，使催化剂的使用寿命得以延长，缓解设备腐蚀情况发生。与此同时，在热量移除过程中，变换反应的推动力随之增加，促进煤气中一氧化碳气体的转化。

在合成氨生产过程中，多种粗原料气体在制取时均存在一氧化碳，体积分数在12-40%之间，合成氨主要包括两种成分，即氢气与氮气，应对其进行净化后，将除两种气体之外的杂质起初，才可使目标产品要求得以满足。一氧化碳的变换工艺流传已久，主要是通过CO与水蒸气的接触，在催化剂作用下实现等温变化，达到剔除杂质的目的，变换反应如下：CO+H2O→H2+CO2+40.15kJ/mol。

式中，一氧化碳在发生变换时释放出强大的热能，应分段进行回收，并对出口处剩余一氧化碳的含量进行严格控制。首先进行高温变换，将大量一氧化碳变成氢气与二氧化碳，然后再低温变换，使一氧化碳的含量降低，达到0.3%左右，在原料气制造的同时，实现净化目标，为以后的脱碳工作提供极大便利[1]。

2 合成氨生产中CO等温变换技术的应用

在变换反应理论指导下，通过多年对工艺设备的开发研究，在CO等温变换方面已经取得一定成就，主要的技术进展与应用如下。

2.1 水移热等温变化技术

将径向气体分布技术、低阻力换热器技术、水移热合成技术以及宏观动力学中的特性有机结合，以降低变换能耗为主要目标，成功研发出水移热等温变化技术，在粉煤加压气化、水煤浆加压气化等方面得到广泛应用。该技术的应用原理为：采用催化剂床层中的移热水管束，使床层发生反应热能够及时移出，保障催化剂的床层温度处于可控状态。同时，热水管束还可对变换系统中的热能进行回收，具有品位高、集中回收等特点。目前，此技术已经得到广泛应用，成为氨尿素原料改造中的主要技术之一，对于加压气化水煤气变换装置也实施了此项技术，并在2018年已经正式建成并投入使用[2]。

2.2 等温变换炉及配套工艺

经过多年的研究和工艺设备的开发，在变换工段反应理论的指导下，研制出等温变换炉与配套工艺，将其应用到催化剂床层之中，依靠副产蒸汽的方式，将反应生成的热量被移除，并产生大量品位较高的蒸汽，实现床层温度恒定不变的目标。与此同时，该技术的应用还可减少换热与热量回收设备的应用，使生产流程得到精简。该项工艺的应用将变换炉技术应用其中，减少了系统阻力，通过反应温度的不断变化，在蒸汽压力得到灵活改变，操作方法更加简单实用。在水管式反应器应用时，产生大量3.8MPa饱和蒸汽，与氨合成系统中的加热器相结合，由加热器为其提供热水，实现对变换系统的“准零汽耗”。

2.3 CO等温变换技术

该技术是在全径向变换技术的基础上进行优化，将换热器加入到催化剂床层之中，在水相变换热原理的指导下，依靠副产蒸汽将多余的反应热移除，确保床层能够正常发生低温或者恒温反应，在反应的同时将热量移除，床层的反应温度较低，且稳定性较强，可使催化剂的使用更具持久性，以免将大量变换炉应用其中，使反应流程缩短。在一氧化碳转化方面，转化率应超过98%，使原料气中的利用率得以提升，生产成本得到节约。同时，在变换炉中安装反应器，以悬挂式为主，可有效避免受热膨胀或者遇冷收缩对设备产生的危害，采用反应热中的中压蒸汽，使系统实现无动力的自然循环。

2.4 大型合成氨系统

在化肥产业飞速发展背景下，合成氨的装置逐渐朝着规模化、系统化的方向发展，尤其在新型煤气化技术日益成熟背景下，连续气化技术进入到发展的黄金时期，大型合成氨系统得到推广使用，包括航天炉、水煤浆炉等等，以航天炉变换工艺为例，原料中的一氧化碳含量超过68%。在高浓度原料气的作用下，实现管式反应器的有效变化，与合成氨装置的工艺需求充分满足。对于传统技术中存在的CO摩尔分率较小的问题，合成氨系统的应用可使这一问题得到良好解决，充分发挥恩德炉、水煤浆气化等多种装置的作用，不但使CO摩尔分率达到最佳状态，还具有节能效果，有效降低合成氨生产中的能耗，为大型煤化工行业的发展与装置更新提供了新路径[3]。

3 结论

综上所述，CO等温变换技术的应用不但可有效突破传统技术的应用瓶颈，还可加快氮肥、甲醇的生产与技術创新，为企业带来更加可观的经济和社会效益，发展前景十分广阔。

参考文献：

[1]马明.等温变换技术在传统合成氨生产中的探索应用[J].化工催化剂及甲醇技术， 2015（6）：10-12.

[2]汪家铭.CO等温变换技术在合成氨生产中的应用[J].泸天化科技，2018（3）：1-4.

[3]本刊通讯员.合成氨HT-L煤气首用等温变换技术优势明显[J].化肥设计，2017（1）：44-44.

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