低變催化劑運(yùn)行末期對裝置的影響

摘 要 ：合成低變爐催化劑更換至今已用3a。通過對催化劑各指標(biāo)參數(shù)分析，判定催化劑已進(jìn)入運(yùn)行末期。如繼續(xù)使用， 將導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性大幅下降，能耗大幅增加，后系統(tǒng)催化劑使用壽命大幅縮短，裝置將無法長周期安穩(wěn)運(yùn)行。因此，主要分析了低變催化劑運(yùn)行末期對裝置的影響。

關(guān)鍵詞 ：低變反應(yīng) ；床層溫差 ；變換率 ；經(jīng)濟(jì)性分析

1概述

       中海石油化學(xué)股份有限公司富島一期合成氨裝置采用ICI- AMV 工藝，以天然氣為原料氣，生產(chǎn)能力1 000t/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在有催化劑條件下變換成為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（主要組分銅微晶），裝填量85t，2016 年4 月7 日投用，至2019 年3月已累計運(yùn)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(shè)計≤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% 時壓差在51kPa，較去年上漲8kPa。

4如何判斷催化劑進(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

備注：—代表溫升增長為負(fù)數(shù)。

       綜合來看，經(jīng)過8 個月的運(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，第二床層催化劑活性已大幅下降，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。實踐證明，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)入運(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的0.19mol% 緩慢上漲至0.27mol%，低于設(shè)計值（≤0.30mol%），2018 年底，低變出口 CO 含量已突破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 年底將達(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)入了運(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)計表

       由表2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，變換率已經(jīng)由剛投用時的92% 下降至88%，與上一爐催化劑運(yùn)行至36 個月時的變換率相當(dāng)。截至2019 年6 月，本爐催化劑變換率降至85%，變換率嚴(yán)重不足。同時上一爐催化劑也是在變換率降至85%，活性大幅下降的情況下進(jìn)行了更換。由此判定本爐催化劑已進(jìn)入運(yùn)行末期， 應(yīng)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(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

       5.1.2根據(jù)以往經(jīng)驗，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。

       5.1.2若運(yùn)行至2020 大修周期催化劑仍不更換，運(yùn)行至2022 年，屆時低變催化劑將徹底失活，因減產(chǎn)帶來的損失將驟增至1 000萬元 /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19 008t，按中壓蒸汽成本40 元 /t 核算， 增加生產(chǎn)成本76 萬元，若按外購蒸汽價格185 元 /t 計算，將增加生產(chǎn)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(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錢。按運(yùn)行4a 計，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)行成本將會大幅度上升。

5.4裝置安全運(yùn)行方面的預(yù)估

       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(yán)重時直接導(dǎo)致催化劑和設(shè)備報廢。

       低變催化劑是整個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工藝指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)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 年大修周期及時更換，將導(dǎo)致整個合成裝置運(yùn)行成本和運(yùn)行風(fēng)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(yùn)行，2020 年必須更換低變催化劑。

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