低變催化劑運行末期對裝置的影響

1. 概述

      中海石油化學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，生產能力1000t/d。本裝置變換工序的目的是將蒸汽轉化反應后，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速度，但不能取得較低的CO濃度。為了進一步取得較低的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行低溫變換反應，這樣才可以使變換反應比較徹底，變換后CO濃度降至0.29%以下，以滿足工藝需求。

3.低變爐催化劑運行狀況

      低變催化劑于2016年3月進行更換，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月已累計運行34個月，水碳比：2.9~3.05工況下，低變出口CO含量為0.32%，（設計≤0.30mol%）與正常生產指標稍有偏差，但尚可滿足生產運行。截至2019年3月，負荷96%時壓差在51kPa，較去年上漲8kPa。

4. 負荷判斷催化劑進入了運行末期

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：---代表溫升增長為負數。

      綜合來看，經過8個月的運行，頂層催化劑活性基本消失，第二、第三床層溫差相差不多 ，說明當前反應主要集中第二、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主要反應，至2019年6月，主要反應將移至底層。從溫差上反應，本爐催化劑在相同運行周期內的反應表現(xiàn)顯然不如上一爐催化劑好。時間證明，2019年6月，催化劑床層反應已經移至底層，催化劑已進出運行末期。

4.2 低變出口CO的變化

      通過查閱近兩年低變出口CO數據變化趨勢發(fā)現(xiàn)，2018年6月低變出口微量由剛開始投用時的0.19mol%緩慢上漲至0.27mol%，低于設計值（≤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0.32%。預測2019年底達到0.36mol%以上。說明低變爐催化劑處理CO能力大幅下降，大部分催化劑已經失活，催化劑進出了運行末期。

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，在運行至25月時，變換率已經由剛投用時的92%下降至88%，與上一爐催化劑運行至36個月時的變換率相當。截至2019年6月，本爐催化劑變換率降低至85%，變換率嚴重不足。同事上一爐催化劑也是在變換率降至85%，活性答復下降的情況下進行了更換。由此判定本爐催化劑已經如運行末期，應及時更換。

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。壓差的上漲說明催化劑粉化嚴重，已逐漸進入運行 末期。

5. 對裝置運行的影響進行分析

5.1 生產成本損失的預估

     （1）根據以往經驗，運行至2020年大修周期，低變出口CO微量將達到0.36%以上。假設微量上漲是勻速的，按面積計算法推算，運行至2020年大修周期，低變出口CO微量將達到0.36%以上。假設微量上漲是勻速的，按面積計算法推算，運行至2018年底，已損失尿素1kt，折合生產成本122萬元；如運行至2019年底，全年將損失尿素4.1kt，折合生產成本487萬元。

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

5.2 蒸汽消耗損失的預估

      運行至2020年壓差上漲20kPa，增加蒸汽1.6t/h，運行至2019年底增加蒸汽消耗19008t，按中壓蒸汽成本40元/t核算，增加生產成本76萬元，若按外購蒸汽價格185元/t計算，將增加生產成本352萬元?？紤]壓差為勻速上漲，增加蒸汽成本38~176萬元。

5.3 催化劑運行經濟性的評估

      從經濟性考慮，若低變爐運行至2020年大修，各類能耗損失費用高達647~785萬元，相當于更換一整爐新催化劑的價格。安運行4a計，平均成本200萬/a，這說明我廠低變催化劑運行經濟性最佳時間就是前三年。若2020年大修周期不更換，勉強運行至2022年大修周期，裝置的運行成本將會大幅度上升。

5.4 裝置安全運行方面的預估

     （1）低變出口CO含量每增加0.1%，甲烷化爐溫將上漲約8℃，當前甲烷化熱點溫度約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，會立即引起甲烷化爐超溫，甚至燒壞催化劑，嚴重時直接導致催化劑和設備報廢。

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

6. 結束語

      通過對低變催化劑各項工藝指標和運行蠶食的綜合分析，發(fā)現(xiàn)無論是從指標參數的變化，還是運行經濟性的評估，低變催化劑都已經進入運行周期的末期，如不在2020年大修周期及時更換，將到時整個合成裝置運行成本和運行風險的大幅提高。所以，為了保證后期裝置能夠“安”、“穩(wěn)”、“長”、“優(yōu)”的運行，2020年必須更換低變催化劑。

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