采用航天粉煤加压气化技术制取的原料气首先进入变换装置的煤气分离器分离冷凝液, 然后进入变换炉进料换热器的壳程, 被管程来自第一变换炉的变换气加热后进入脱毒槽, 经脱毒槽脱除杂质后进入第一变换炉进行变换反应；出第一变换炉的变换气进入变换炉进料换热器的管程预热原料气, 然后进入中压蒸汽发生器副产中压饱和蒸汽，再进入冷凝液加热器降温, 经第一喷水净化器淬水降温并调整水气比后，进入第二变换炉进行变换反应；出第二变换炉的变换气进入第二喷水净化器，通过淬水降温并调整水气比后, 进入第一低压蒸汽发生器副产低压饱和蒸汽，再进入第三变换炉进行变换反应；从第三变换炉底部出来的变换气进入第二低压蒸汽发生器副产低压饱和蒸汽^[3], 变换气降低温度后进入第四变换炉进行变换反应；出第四变换炉的变换气中CO体积分数降至约0.4%后送后工序处理。改造前四段绝热耐硫变换工艺流程见图 1。

图 1

改造前四段绝热耐硫变换工艺流程

来自航天粉煤加压气化装置的原料气首先经1^#气液分离器分离因热损失产生的冷凝液，然后经变换炉进料换热器加热后进入脱毒槽，脱除对等温变换催化剂有害的杂质后，原料气进入1^#等温变换炉进行变换反应；出1^#等温变换炉的变换气中CO体积分数降至4.5%以下，进入变换炉进料换热器加热原料气，然后进入冷凝液加热器加热冷凝液，再进入2^#等温变换炉进行深度变换反应；出2^#等温变换炉的变换气中CO体积分数降至0.4%以下后送后工序处理。改造后等温变换工艺流程见图 2。

图 2

改造后等温变换工艺流程

由于等温变换反应温度较低、水气比相对较高，对变换催化剂的活性，特别是对1^#等温变换炉内催化剂的低温活性和抗水合性能要求较高。青岛联信公司根据等温变换工艺的特点，在原QDB系列变换催化剂的基础上，对变换催化剂的低温活性和抗水合性能进行研究，开发出抗水合性能高且低温活性好的QDB-06型等温变换催化剂^[4]。自2014年4月起，QDB-06型等温变换催化剂已在国内30套等温变换装置上得到成功应用，实际运行结果表明其具有较好的抗水合性能和低温活性。

催化剂的装填质量非常重要，是用好催化剂的关键，因此，装填过程中要尽量达到催化剂颗粒破损率小、床层密度分布均匀的要求，以获得催化剂床层阻力小、工艺气流分布均匀的理想装填效果^[2-5]。变换催化剂的装填方式有多种，可以从桶内直接倒入变换炉，也可以采用布袋、溜槽、充填管溜入等方法。等温变换炉为径向反应器，为避免气体走“短路”影响系统出口指标，催化剂装填量需满足装填高度的要求。催化剂装填时，由于作业人员无法进入设备内，且设备内换热管之间的间隙较小，为避免装填的催化剂疏密不均，需在设备上安装振动器，在装填过程中充分振动，使催化剂装填得尽可能密实。安徽晋煤中能公司1^#等温变换炉和2^#等温变换炉共装填QDB-06型催化剂114 m³，催化剂装填累计耗时约2 d^[6]。

新装填的变换催化剂中的活性组分钴、钼分别以氧化钴、氧化钼的形态存在，使用前须采用氮气加氢气并配入CS₂的循环硫化法对变换催化剂进行升温硫化后才具有活性，硫化质量直接影响催化剂的使用效果。为了使催化剂中的氧化钴、氧化钼被充分硫化，根据催化剂床层温度的变化情况，通过调整变换装置CS₂和H₂的加入量，在催化剂床层温度达到300 ℃前使H₂S穿透床层。硫化时坚持“提硫不提温，提温不提硫”的原则^{[2, 6-8]}；催化剂硫化穿透后，再对催化剂提温，完成高温强化。本次采用1^#等温变换炉和2^#等温变换炉串联硫化的方式，于2023年9月6日完成了QDB-06型催化剂的升温硫化工作，整个催化剂升温硫化耗时约108 h。

2023年9月19日脱毒槽升温至240 ℃左右，1^#等温变换炉升温至240 ℃左右，2^#等温变换炉升温至200 ℃左右，变换装置停止升温。2023年9月20日，二期合成氨系统的航天炉点火成功，待其外送原料气后，变换装置开始暖管；当脱毒槽入口暖管温度至165 ℃时，打通变换装置开车流程，等温变换装置开车成功。

根据后工段的情况，等温变换装置逐步提高负荷，2023年9月22日实现满负荷运行。截至目前，QDB-06型耐硫变换催化剂已满负荷运行超过6个月，催化剂运行状况良好。

自2023年9月等温变换装置实现满负荷运行后，装置运行情况比较稳定，典型运行数据见表 1。

(1) QDB-06型耐硫变换催化剂的低温活性好^{[2, 6]}。1^#等温变换炉入口原料气温度一直控制在228 ℃左右，2^#等温变换炉入口变换气温度一直控制在200 ℃左右；1^#等温变换炉出口变换气中CO体积分数可控制为≤4.5%，2^#等温变换炉出口变换气中CO体积分数可控制为≤0.8%。

(2) 变换装置蒸汽消耗量低。原料气饱和温度一直低于190 ℃，原料气中CO体积分数为62%~68%，变换装置仅需添加蒸汽8~13 t/h，即可满足变换深度的要求。

(3) QDB-06型耐硫变换催化剂的强度和强度稳定性较好^[2]。经过半年的运行，变换装置压差一直未超过180 kPa，说明QDB-06型耐硫变换催化剂在运行过程中无破碎和粉化现象。

以变换装置进口干基原料气量68 445 m³/h(标态)为基准, 对变换装置出口变换气中CO体积分数分别控制为0.8%、0.4%进行核算，结果见表 2。

从表 2可以看出：变换装置出口变换气中CO体积分数由0.8%降至0.4%，可以多产氢气438 m³/h(标态)，同时至少多消耗蒸汽14 t/h。氢气单价以0.8元/m³(标态)计，多产氢气效益约350元/h；蒸汽单价以180元/t计，增加消耗约2 520元/h。变换装置出口变换气中CO体积分数由0.8%降至0.4%，整体经济效益为负值。

通过核算对比可知，在变换装置出口变换气中CO体积分数满足后工段要求的前提下，当前装置出口变换气中CO体积分数控制在0.8%更为经济。

改造前变换装置压差约为460 kPa，改造后约为180 kPa，变换装置压差降低约280 kPa。以变换气干基气量110 000 m³/h(标态)计，可降低压缩机功耗约440 kW。按变换装置年运行时间8 000 h、电价0.7元/(kW·h)计，每年仅压差降低可节约生产成本约246.4万元。