低變催化劑運(yùn)行末期對裝置的影響

1. 概述

      中海石油化學(xué)股份有限公司富島一起合成氨裝置采用ICI-AMV工藝，以天然氣為原料氣，生產(chǎn)能力1000t/d。本裝置變換工序的目的是將蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)后，含12%-14%CO的工藝氣中的CO在由催化劑條件下變換成易被脫碳單元吸收的CO₂。

2. 變換工序反應(yīng)簡介

      變換工序由高溫變換和低溫變換組成，高溫變換催化劑以Fe₃O₄為主要活性組分，活性溫度為350~430℃，在此溫度下可獲得較高的反應(yīng)速度，但不能取得較低的CO濃度。為了進(jìn)一步取得較低的CO濃度，就必須在活性 溫度為195~250℃溫度下，使用以銅為活性組分的低變催化劑進(jìn)行低溫變換反應(yīng)，這樣才可以使變換反應(yīng)比較徹底，變換后CO濃度降至0.29%以下，以滿足工藝需求。

3.低變爐催化劑運(yùn)行狀況

      低變催化劑于2016年3月進(jìn)行更換，型號：B205-1（主要組人銅微晶），裝填量85t，2016年4月7日投用，至2019年3月已累計(jì)運(yùn)行34個(gè)月，水碳比：2.9~3.05工況下，低變出口CO含量為0.32%，（設(shè)計(jì)≤0.30mol%）與正常生產(chǎn)指標(biāo)稍有偏差，但尚可滿足生產(chǎn)運(yùn)行。截至2019年3月，負(fù)荷96%時(shí)壓差在51kPa，較去年上漲8kPa。

4. 負(fù)荷判斷催化劑進(jìn)入了運(yùn)行末期

4.1 床層溫度的變化

      床層溫度的變化如表1所示。

表1 本爐催化劑投用至今床層溫差

注：---代表溫升增長為負(fù)數(shù)。

      綜合來看，經(jīng)過8個(gè)月的運(yùn)行，頂層催化劑活性基本消失，第二、第三床層溫差相差不多 ，說明當(dāng)前反應(yīng)主要集中第二、第三床層。2018年9月，第二床層催化活性已大幅下降，第三床層催化劑開始承擔(dān)主要反應(yīng)，至2019年6月，主要反應(yīng)將移至底層。從溫差上反應(yīng)，本爐催化劑在相同運(yùn)行周期內(nèi)的反應(yīng)表現(xiàn)顯然不如上一爐催化劑好。時(shí)間證明，2019年6月，催化劑床層反應(yīng)已經(jīng)移至底層，催化劑已進(jìn)出運(yùn)行末期。

4.2 低變出口CO的變化

      通過查閱近兩年低變出口CO數(shù)據(jù)變化趨勢發(fā)現(xiàn)，2018年6月低變出口微量由剛開始投用時(shí)的0.19mol%緩慢上漲至0.27mol%，低于設(shè)計(jì)值（≤0.30mol%），2018年底，低變出口CO含量已圖譜0.3mol%，2019年3月底低變爐出口CO含量已高達(dá)0.32%。預(yù)測2019年底達(dá)到0.36mol%以上。說明低變爐催化劑處理CO能力大幅下降，大部分催化劑已經(jīng)失活，催化劑進(jìn)出了運(yùn)行末期。

4.3 變換率的變化

      變換率的變化如表2所示。

表2 低變爐變換率統(tǒng)計(jì)表

      由表1可以看出，本爐催化劑變換率不斷下降，至2018年6月，在運(yùn)行至25月時(shí)，變換率已經(jīng)由剛投用時(shí)的92%下降至88%，與上一爐催化劑運(yùn)行至36個(gè)月時(shí)的變換率相當(dāng)。截至2019年6月，本爐催化劑變換率降低至85%，變換率嚴(yán)重不足。同事上一爐催化劑也是在變換率降至85%，活性答復(fù)下降的情況下進(jìn)行了更換。由此判定本爐催化劑已經(jīng)如運(yùn)行末期，應(yīng)及時(shí)更換。

4.4 床層壓差的變化

      床層壓差變化如表3所示。

表3  低變爐床層壓差統(tǒng)計(jì)表

      由表3可以看出，截至2019年3月，低變床層壓差由剛投用時(shí)的30kPa左右上漲至52kPa，低變壓差整體呈上漲趨勢，說明催化劑強(qiáng)度下降，初步判斷壓差上漲可能與多次開停車過程中催化劑的不斷粉化堵塞有關(guān)。壓差的上漲說明催化劑粉化嚴(yán)重，已逐漸進(jìn)入運(yùn)行 末期。

5. 對裝置運(yùn)行的影響進(jìn)行分析

5.1 生產(chǎn)成本損失的預(yù)估

     （1）根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行至2020年大修周期，低變出口CO微量將達(dá)到0.36%以上。假設(shè)微量上漲是勻速的，按面積計(jì)算法推算，運(yùn)行至2020年大修周期，低變出口CO微量將達(dá)到0.36%以上。假設(shè)微量上漲是勻速的，按面積計(jì)算法推算，運(yùn)行至2018年底，已損失尿素1kt，折合生產(chǎn)成本122萬元；如運(yùn)行至2019年底，全年將損失尿素4.1kt，折合生產(chǎn)成本487萬元。

     （2）若運(yùn)行至2020大修周期催化劑仍不更換，運(yùn)行至2022年，屆時(shí)低變催化劑將徹底失活，因減產(chǎn)帶來的損失將驟增至1000萬元/a。

5.2 蒸汽消耗損失的預(yù)估

      運(yùn)行至2020年壓差上漲20kPa，增加蒸汽1.6t/h，運(yùn)行至2019年底增加蒸汽消耗19008t，按中壓蒸汽成本40元/t核算，增加生產(chǎn)成本76萬元，若按外購蒸汽價(jià)格185元/t計(jì)算，將增加生產(chǎn)成本352萬元。考慮壓差為勻速上漲，增加蒸汽成本38~176萬元。

5.3 催化劑運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的評估

      從經(jīng)濟(jì)性考慮，若低變爐運(yùn)行至2020年大修，各類能耗損失費(fèi)用高達(dá)647~785萬元，相當(dāng)于更換一整爐新催化劑的價(jià)格。安運(yùn)行4a計(jì)，平均成本200萬/a，這說明我廠低變催化劑運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性最佳時(shí)間就是前三年。若2020年大修周期不更換，勉強(qiáng)運(yùn)行至2022年大修周期，裝置的運(yùn)行成本將會(huì)大幅度上升。

5.4 裝置安全運(yùn)行方面的預(yù)估

     （1）低變出口CO含量每增加0.1%，甲烷化爐溫將上漲約8℃，當(dāng)前甲烷化熱點(diǎn)溫度約330℃。若2020年大修周期不更換，催化劑后期將徹底失活，出口CO含量上漲將超過1%，甲烷化爐床層也將上漲80℃以上，會(huì)立即引起甲烷化爐超溫，甚至燒壞催化劑，嚴(yán)重時(shí)直接導(dǎo)致催化劑和設(shè)備報(bào)廢。

     （2）低變催化劑是整個(gè)變換工段的最后把關(guān)，關(guān)系到甲烷化及后系統(tǒng)能否安全運(yùn)行，若低變催化劑徹底失活，裝置將被迫長期停車，帶來的經(jīng)濟(jì)損失更是無法估量。

6. 結(jié)束語

      通過對低變催化劑各項(xiàng)工藝指標(biāo)和運(yùn)行蠶食的綜合分析，發(fā)現(xiàn)無論是從指標(biāo)參數(shù)的變化，還是運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的評估，低變催化劑都已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)行周期的末期，如不在2020年大修周期及時(shí)更換，將到時(shí)整個(gè)合成裝置運(yùn)行成本和運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的大幅提高。所以，為了保證后期裝置能夠“安”、“穩(wěn)”、“長”、“優(yōu)”的運(yùn)行，2020年必須更換低變催化劑。

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