第6期2017年11月中氮肥M-Sized Nitrogenous Fertilizer ProgressNo. 6Nov. 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. 17210.21#变换炉（上段）25. 1713.69220.31变换炉（下段）13.69 6.44210.22#变换炉 6.440.80210.22 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• 6 • 中氮肥第6期换炉可采用轴向变换炉。
2.2.3典型工艺设计条件（表4)表4 Shell粉煤气化配套变换工艺典型工艺设计条件项目CO含量（干基)/%入口温度入口入口出口/C汽气比第一变换炉62.6812.50260 1.15第二变换炉25.99 6.832350.52第三变换炉 6.83 1.492300.423水煤浆气化配套耐硫变换工艺3.1典型工艺流程水煤浆加压气化过程是水煤浆与有限的〇2进行气化反应的过程，是一种非催化部分氧化反 应，气化压力2.7〜6.5 MPa，气化温度1 300〜1 500 〇C，碳转化率可达95%〜99%，有效气 (CO+A)含量可达78%〜82%[3]。
某合成氨 项目气化单元采用水煤浆气化工艺，其配套变换 工艺流程见图3[]。
图3 水煤浆气化配套变换工艺流程框图3.2 工艺流程特点3.2.1原料气特点来自气化单元的粗煤气经洗涤、激冷后直接 送变换界区，界区压力6.2MPa、温度22C，变换原料气组成见表5。
表5水煤浆气化配套耐硫变换工艺原料气组成％组分 C O c o2A c h4N2+ Ar H2S+ C O S H2O N H3+ H C N 含量18.8187.19215.3310.0390.161 0.16858.223 0.069由表5可知，水煤浆气化所产粗煤气CO含 量约45%(干基），不含〇2,进变换界区粗煤 气汽气比约1.4，含有大量饱和水蒸气。
3.2.2工艺流程特点水煤浆气化配套耐硫变换工艺与Shell粉煤 气化配套耐硫变换工艺均为加压变换工艺，对于 合成氨生产而言，变换程度深、转化率高、放热 量大是其共同特点。
但水煤浆气化进变换界区工 艺气汽气比要高得多，不用外加蒸汽即可满足高 温变换催化剂对汽气比的要求；如采用的是低汽气比变换催化剂，则进变换界区水煤气需通过气气换热或副产饱和蒸汽等手段回收部分热量，降低原料气汽气比后再进入变换炉参与变换反应。
另外，水煤浆气化进变换界区水煤气CO含量 (干基）比Shell气化低约18%，因此采用二段变换即可满足合成氨生产对变换深度的要求，其流程相对更简单。
3.2.3典型工艺设计条件（表6)表6水煤浆气化配套耐硫变换工艺典型工艺设计条件项目CO含量（干基)/%入口温度入口入口出口/C汽气比第一变换炉第二变换炉45.006.106.101.5025221.450.784结语综上所述，目前最典型的3种气化工艺配套变换工艺，其原料气特点、工艺流程特点及工艺设计条件总结如下。
(1)相对而言，常压富氧气化配套变换工 艺流程最简单，三段变换成串联设置，据外供蒸汽规格要求，适当设置锅炉水降温增湿，可减少蒸汽消耗；考虑到变换催化剂使用末期其活性降 低，变换炉需提温操作，一般可将开工电加热器串联在变换炉前。
(2) Shell粉煤气化配套变换工艺，需特别注意的是，第一变换炉反应推动力大，催化剂床层易超温，因此流程设置上应根据选用催化剂的特点设置合适的反应段数，人为控制每段的变换深度。
(3)水煤浆气化配套变换工艺变换深度与 常压富氧气化配套变换工艺变换深度较为接近，其突出的特点是，可回收热量较多，因此其流程需结合全厂蒸汽平衡状况进行灵活配置，以回收更多高品位热量，降低变换系统能耗。
[参考文献][]沈浚.化肥工学丛书—合成氨：第1版[M].北京：化学工业出版社，2001: 428.[2]周红军，王冬梅，吴全贵，等.全低变催化剂的失活原因及对策[J].化肥设计，2000 (3): 9 -10.[3]唐宏青.现代煤化工新技术：第1版[M].北京：化学工业出版社，2009: 45 -49.[4]王毅.水煤浆加压气化合成氨装置C O变换反应设计[].煤化工，2010 (6)：28-31.。