低变催化剂的还原与使用情况总结黄 智(乌鲁木齐石化公司化肥厂,新疆乌鲁木齐,830019)摘要 对低温变换催化剂的还原及使用情况进行详细分析与总结。

关键词 低温变换 催化剂 还原收稿日期:2000-11-12。

作者简介:黄 智,工程师,学士学位,1992年毕业于新疆工学院化学工程专业,现在乌鲁木齐石化总厂化肥厂第二合成氨车间工作,曾在5大氮肥6上发表论文1篇。

乌鲁木齐石化公司化肥厂第二套合成氨装置的低温变换首炉所选用的催化剂是由南化(集团)公司催化剂厂生产的B -206型低变催化剂,首炉装填量8914t,约5717m 3,于1997年3月初进行还原,4月正式投用,至2000年7月,共累计运转1004天。

以下对该炉催化剂的还原及运行情况进行总结和分析。

1 催化剂还原情况催化剂的还原回路加热介质采用高纯度(99199%)氮气。

还原流程如图1所示。

循环氮气出原料气压缩机(C -4)出口,经蒸汽加热器(E -35)加热后进入低温变换炉(R -3A/B),出低温变换炉后的循环氮气经原料压缩机旁路冷却器(E -5)冷却后进入气液分离罐(V -4),最后回到C -4入口。

系统新鲜氮气以C -4入口补充,还原氢气自低温变换炉入口加入。

催化剂中的水分由热氮气带出,在E -5中冷却下来,在V -4中分离并排出系统。

111 还原前的升温1997年3月4日21:00,在将整个还原回路打通并置换合格后,催化剂床层开始用氮气升温,循环氮气以12000~17000m 3/h 的流量通过床层,空速约270~290h -1,系统压力控制在10MPa 左右。

由于最初床温只有5~10e ,而压缩机出口氮气温度80~100e ,为避免床温下升过快,先在E -35中通入冷却水,冷却床层进口气,待床温升至接近压缩机出口氮气温度时,再切换为318MPa 中压蒸汽。

整个升温过程中保持升温速率在20~30e /h,其间在床层温度达80e 后恒温4h,120e 时恒温12h,180e 时恒温24h,以除去催化剂中物理水分。

至3月7日3:00,经分析低变出口气中水汽浓度已降至74mg/L,V -4底部也几乎无水排出,催化剂床层升温结束。

整个升、恒温过程共计约50h,期间共排水约216t 。

图1 低变还原流程示意图112 催化剂的还原1997年3月7日4:00,催化剂开始加氢还原,所用还原氢气为一化合成气,其氢浓度为72%,其余为氮气。

为慎重起见,先进行了配氢实验:采用间断加氢,连续取样分析的方法,将加氢阀稍开半扣约30s 后关闭,同时立即在床层进出口连续多次取样,经分析床层入口首次加入的氢浓度为0118%,在加氢阀打开约8min 后,在床层出口测到氢浓度为01002%,氢耗为01178%,氢气几乎全部消耗,说明床层还原反应明显。

配氢试验结束后,经多次调节,将床层入口加氢浓度控制在012%~013%后,开始连续加氢还2001年大 氮 肥Large Scale Nitrogenous Fertilizer Industry第24卷 第3期原。

还原初期,床层入口氢浓度及温度控制较低,整个床层温差不大,但有明显的逐层还原的特点。

还原中期,床层排水量明显增多,约占总排水量的50%左右。

床温也随加氢量的逐渐增加表现出明显的热点温度由上向下依次传递,最终各层温度拉平的特点。

氢耗稳定。

还原末期,床层温差逐渐缩小,在分别提高床层入口氢浓度和入口温度后,床层温差不明显,同时床层出水量明显减少,低变出口气中水汽浓度已降到45mg/L,氢耗迅速降低。

到3月10日14:00,床层入口温度已提至210e ,入口氢浓度已提至17%以上,但床层各点温度仍无明显温升,且氢耗只有0124%。

根据以上迹象,确认还原已基本结束。

低变催化剂升温、还原全过程,共历时123h 。

其间由于装置大面积停电,中途被迫中断还原25h 。

还原过程中共排水约1011t 。

还原后期,受E -35加热能力限制,床层入口温度无法提高到原计划的220e ,给催化剂最终还原的确认带来一定的困难。

但从氢耗及水汽浓度上看,还原已经结束。

还原数据如表1所示。

表1 催化剂还原数据时间入口温度e 热点温度e 出口温度e 氢含量,%入口出口氢耗累计时间h 排水量t 还原初期180~185193~196180~185012~01301002~010101198~0129111117还原中期185~190190~200200~212217~228190~198202~211014~016018~1150102~01110123~01810138~01490157~0169405331781185还原末期200~205211~224200~208210~3131151~21970149~0136680164最终确认210213211171871716301247301082 催化剂的使用情况经过还原后的低变催化剂在首次接触工艺气时,其床层出现了较明显的热波。

床层热点温度自190e 快速涨至223e ,持续约2min 后,温度开始回落并趋于稳定。

经过调整后,将床层入口温度控制在200e 时,床层热点温度保持在220e 左右,床层出口C O 含量在0125%左右,完全可以满足工艺要求。

图2 催化剂床层温度示意图低变催化剂使用初期,反应活性良好,出口CO 含量较低且稳定。

温差主要集中在床层第一、二层之间。

1997年6月,发现低变入口温度突然上涨,入口温度调节阀TV127卡涩,同时高变出口气/锅炉给水换热器E -11的出口水温明显下降。

经判断确认为E -11内漏,锅炉水走短路,造成换热能力下降,导致低变入口温度上涨。

为避免催化剂在高温条件下长期运行而缩短其使用寿命,装置在6月底进行了抢修。

检查发现E -11内部隔板压盖垫片损坏,隔板上部分螺栓脱落,个别脱落的螺栓被锅炉给水带入调节阀TV127的阀体中,造成调节阀卡涩。

检修时更换了隔板压盖垫片,在每个螺栓上加装了防松垫片,E -11复位重新投用后,效果良好。

低变入口温度调节阀TC -127可轻易地将入口温度控制在要求范围内。

经历了近一个月的高温运行后的低变催化剂重新在较低温度下运行时,从床层热点变化情况来看,床层反应仍集中在第一、二层之间,但第二、三层温差拉大,说明反应区有所下移,但出CO 含量仍然较低。

自1998年8月开始,发现低变入口温度又有明显上涨趋势,但上涨速度较缓。

从现象上看,仍为E -11内漏所致,但由于当时装置没有其它重大隐患,加之E -11内漏程度较前一次为轻,所以没有停车处理,一直运行到1999年2月。

此间,低变入口温度最高时涨至225e 。

1999年2月中旬,抢修废热锅炉E -8的同时,对E -11进行了检查,发现隔板压盖垫部分损坏。

为彻底消除E -11的内漏,检修时将已损坏的隔板垫抽掉,将隔板与管箱直接焊死。

在E -11重新投用后,至今未发现内漏迹象,换热效果良好。

然而催化剂的运行情况却发生了很大变化,从床层各点温度分布情况175第3期黄 智1低变催化剂的还原与使用情况总结来看,床层反应区明显下移,第一、二层温度由过去的10~12e缩小到3~4e,而第二、三层温差则由过去的3~5e增大到10~12e,出口CO含量在入口温度相同的情况下较过去上涨约012%,涨幅近80%,超出了原0138%的设计值。

此后,由于TV-127阀再次出现故障,主控调节不起作用,被迫进行现场手动调节,致使低温变换炉入口温度长期波动较大。

加之系统运行负荷较高,而合成气压缩机(C T-2)耗汽量又偏大,为确保系统高负荷运行,必须将低变炉入口温度控制稍高以多产蒸汽,满足C T-2的用汽需求,这就使低变催化剂被迫在偏高温度条件下运行,加快了催化剂的老化。

至2000年4月发现催化剂床层出口CO含量明显上涨,床层反应区又有较明显下移现象。

在床层入口温度控制在210e时,第一、二层温度几乎拉平,第二、三层温差由过去的10~12e缩小到目前的7e左右,而第三、四层温度逐渐由过去的2~3e增大到目前的6~8e。

说明反应区已移至催化剂床层中下层并有继续下移趋势,其出口C O含量涨至016%左右。

另外,做为后续工段的甲烷化炉,由于其床层温度的需要,过去低变炉旁路阀一直要保持一定开度以提高低变炉出口气中的CO含量,用以保持甲烷化炉的床层反应热,而现在由于低变炉出口C O的升高,不但不需要再打开低变炉旁路阀,而且因进入甲烷化炉的CO比过去增大了很多,甲烷化炉入口冷却旁路经常要打开,用降低甲烷化炉入口温度来平衡因CO造成的床层反应热,因此目前低变催化剂的运行状况对甲烷化炉的运行影响日益增大。

怎样确保甲烷化炉的安全运行,进而确保装置的长周期、平稳运行,关键在于低变催化剂运行情况的好坏。

表2催化剂运行数据日期入口/e床层温度/e出口/e CO,%负荷,%TC127TI133ATI134ATI135ATI136ATI133BTI134BTI135BTI136BTI137AI100B1997年6月752352402542562562402542552562560131 1997年7月931962012112172182012112172182190127 1997年10月752052052172202212052172202212210123 1997年12月722082072172222232072172222232220121 1998年4月722092082172212212092172212212210128 1998年8月902122112202272282122192262282280126 1998年10月952252292412492512292402492502480.35 1999年2月952232232312452462232292442462450123 1999年3月1002082082112232282092112212272260141 1999年7月952092082112222272092102202262250144 1999年10月1002182182212312352182192302342350143 2000年2月1002132112112202272122122212262260144 2000年4月1002132132142222292142142202272270161 2000年5月1002122122122192242132122162232240165 2000年6月1002132132142202282132142172282270168取不同阶段的运行参数计算低变催化剂在不同阶段的平衡温距。

以1997年7月数据为例计算如下:由低变出口气中的N2+Ar的含量可算出由二段炉带入系统的氧原子数为:2@(25199@21A79)=13182低变出口气中的氧原子总数为:0127+2@17178=35183则由水蒸汽分解的氧原子数为:35183-13182=22101根据低变出口气总碳数及水碳比可求出工艺蒸汽量为:(0127+17178+0156)@2198=55146由此可知低变出口气中残余未分解的H2O 量为:55146-22101=33145据变换反应平衡常数公式求出平衡常数为:K P=[CO2][H2][C O][H2O]=17178@551400127@34145=109106由变换反应平衡常数数据表可查得:T平=237e平衡温距=T平-T实=237-219=18e按以上方法将催化剂在不同阶段的平衡温距分别计算后列于表3。