低变催化剂运行末期对装置的影响

1. 概述

      中海石油化学股份有限公司富岛一起合成氨装置采用ICI-AMV工艺，以天然气为原料气，生产能力1000t/d。本装置变换工序的目的是将蒸汽转化反应后，含12%-14%CO的工艺气中的CO在由催化剂条件下变换成易被脱碳单元吸收的CO₂。

2. 变换工序反应简介

      变换工序由高温变换和低温变换组成，高温变换催化剂以Fe₃O₄为主要活性组分，活性温度为350~430℃，在此温度下可获得较高的反应速度，但不能取得较低的CO浓度。为了进一步取得较低的CO浓度，就必须在活性 温度为195~250℃温度下，使用以铜为活性组分的低变催化剂进行低温变换反应，这样才可以使变换反应比较彻底，变换后CO浓度降至0.29%以下，以满足工艺需求。

3.低变炉催化剂运行状况

      低变催化剂于2016年3月进行更换，型号：B205-1（主要组人铜微晶），装填量85t，2016年4月7日投用，至2019年3月已累计运行34个月，水碳比：2.9~3.05工况下，低变出口CO含量为0.32%，（设计≤0.30mol%）与正常生产指标稍有偏差，但尚可满足生产运行。截至2019年3月，负荷96%时压差在51kPa，较去年上涨8kPa。

4. 负荷判断催化剂进入了运行末期

4.1 床层温度的变化

      床层温度的变化如表1所示。

表1 本炉催化剂投用至今床层温差

注：---代表温升增长为负数。

      综合来看，经过8个月的运行，顶层催化剂活性基本消失，第二、第三床层温差相差不多 ，说明当前反应主要集中第二、第三床层。2018年9月，第二床层催化活性已大幅下降，第三床层催化剂开始承担主要反应，至2019年6月，主要反应将移至底层。从温差上反应，本炉催化剂在相同运行周期内的反应表现显然不如上一炉催化剂好。时间证明，2019年6月，催化剂床层反应已经移至底层，催化剂已进出运行末期。

4.2 低变出口CO的变化

      通过查阅近两年低变出口CO数据变化趋势发现，2018年6月低变出口微量由刚开始投用时的0.19mol%缓慢上涨至0.27mol%，低于设计值（≤0.30mol%），2018年底，低变出口CO含量已图谱0.3mol%，2019年3月底低变炉出口CO含量已高达0.32%。预测2019年底达到0.36mol%以上。说明低变炉催化剂处理CO能力大幅下降，大部分催化剂已经失活，催化剂进出了运行末期。

4.3 变换率的变化

      变换率的变化如表2所示。

表2 低变炉变换率统计表

      由表1可以看出，本炉催化剂变换率不断下降，至2018年6月，在运行至25月时，变换率已经由刚投用时的92%下降至88%，与上一炉催化剂运行至36个月时的变换率相当。截至2019年6月，本炉催化剂变换率降低至85%，变换率严重不足。同事上一炉催化剂也是在变换率降至85%，活性答复下降的情况下进行了更换。由此判定本炉催化剂已经如运行末期，应及时更换。

4.4 床层压差的变化

      床层压差变化如表3所示。

表3  低变炉床层压差统计表

      由表3可以看出，截至2019年3月，低变床层压差由刚投用时的30kPa左右上涨至52kPa，低变压差整体呈上涨趋势，说明催化剂强度下降，初步判断压差上涨可能与多次开停车过程中催化剂的不断粉化堵塞有关。压差的上涨说明催化剂粉化严重，已逐渐进入运行 末期。

5. 对装置运行的影响进行分析

5.1 生产成本损失的预估

     （1）根据以往经验，运行至2020年大修周期，低变出口CO微量将达到0.36%以上。假设微量上涨是匀速的，按面积计算法推算，运行至2020年大修周期，低变出口CO微量将达到0.36%以上。假设微量上涨是匀速的，按面积计算法推算，运行至2018年底，已损失尿素1kt，折合生产成本122万元；如运行至2019年底，全年将损失尿素4.1kt，折合生产成本487万元。

     （2）若运行至2020大修周期催化剂仍不更换，运行至2022年，届时低变催化剂将彻底失活，因减产带来的损失将骤增至1000万元/a。

5.2 蒸汽消耗损失的预估

      运行至2020年压差上涨20kPa，增加蒸汽1.6t/h，运行至2019年底增加蒸汽消耗19008t，按中压蒸汽成本40元/t核算，增加生产成本76万元，若按外购蒸汽价格185元/t计算，将增加生产成本352万元。考虑压差为匀速上涨，增加蒸汽成本38~176万元。

5.3 催化剂运行经济性的评估

      从经济性考虑，若低变炉运行至2020年大修，各类能耗损失费用高达647~785万元，相当于更换一整炉新催化剂的价格。安运行4a计，平均成本200万/a，这说明我厂低变催化剂运行经济性最佳时间就是前三年。若2020年大修周期不更换，勉强运行至2022年大修周期，装置的运行成本将会大幅度上升。

5.4 装置安全运行方面的预估

     （1）低变出口CO含量每增加0.1%，甲烷化炉温将上涨约8℃，当前甲烷化热点温度约330℃。若2020年大修周期不更换，催化剂后期将彻底失活，出口CO含量上涨将超过1%，甲烷化炉床层也将上涨80℃以上，会立即引起甲烷化炉超温，甚至烧坏催化剂，严重时直接导致催化剂和设备报废。

     （2）低变催化剂是整个变换工段的最后把关，关系到甲烷化及后系统能否安全运行，若低变催化剂彻底失活，装置将被迫长期停车，带来的经济损失更是无法估量。

6. 结束语

      通过对低变催化剂各项工艺指标和运行蚕食的综合分析，发现无论是从指标参数的变化，还是运行经济性的评估，低变催化剂都已经进入运行周期的末期，如不在2020年大修周期及时更换，将到时整个合成装置运行成本和运行风险的大幅提高。所以，为了保证后期装置能够“安”、“稳”、“长”、“优”的运行，2020年必须更换低变催化剂。

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