以壳牌煤气化为原料气源的CO变换装置的工艺设计与管线选材
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Aug．2011化肥设计ChemicalFertilizerDesign第49卷第4期
2011年8月
以壳牌煤气化为原料气源的CO变换装置的工艺设计与管线选材
李松连（中国五环工程有限公司，湖北武汉430223）
摘要：论述了以壳牌煤气化为原料气源的CO变换装置的工艺特点；简述了CO变换装置的工艺流程；提出了优化CO变换装置布置方案的建议；分析了CO变换装置管道腐蚀的原因并提出了相应的应对措施。关键词：壳牌煤气化；原料气；CO变换装置；工艺设计；管道腐蚀；材料中图分类号：TQ545文献标识码：B文章编号：1004－8901（2011）04－0030－03
BothProcessDesignandPipelineMaterialSelectionofCOShiftDeviceTakingShellCoalGasificationasRawGasSource
LISong-lian（ChinaWuhuanEngineeringCompanyLtd．，WuhanHubei430223China）
Abstract：AuthorhasdiscussedtheprocessfeaturesofCOshiftunittakingtheShellcoalgasificationasrawgassource；hasdescribedtheprocessflowofCOshiftunit；hasproposedthesuggestionofoptimizingthelayoutschemesofCOshiftunit；hasanalyzedthereasonofpipelinecorrosioninCOshiftunit，andhaspresentedtheappropriatecountermeasures．Keywords：Shellcoalgasification；rawgas；COshiftunit；processdesign；pipelinecorrosion；material
进入21世纪以来，C1化工逐渐成为我国经济发展的一个新兴产业链，如煤制甲醇、煤制二甲醚、煤制烯烃、煤制合成天然气、煤制油等。壳牌粉煤气化工艺技术是当今世界上最具竞争力的煤气化工艺之一，其具有气化温度高、碳转化率高、煤气中甲烷含量极少、不含重烃、（CO+H2）达到90%、冷煤气化效率达80%～83%、总的原料煤热效率高达98%等优点，成为C1化工中主要的原料气制备技术之一。目前，随着十几个壳牌粉煤气化装置投入运行，部分厂家CO变换装置的管线弯头及焊缝处出现砂眼状漏点及裂纹，影响了变换装置的正常生产，留下了重大的安全隐患。笔者以下简述这类变换装置的工艺及设备布置特点，分析管线材料出现的问题并提出相应的应对措施。1CO变换装置工艺特点在整个净化装置中，CO变换装置的作用是将煤气化粗合成气中CO变换为H2和CO2。壳牌粉煤气化原料气中有效气含量高，CO+H2含量约为90%，其中CO含量高达62%以上。对粗合成气通过变换调整其中的CO和H2含量，可以分别制取不同的下游产品。CO变换的能耗取决于原料气中CO的浓度、变换深度、催化剂的性能和变换反应热
的回收方式。目前，采用壳牌粉煤气化技术的CO变换工艺均采用宽温耐硫变换串低温耐硫变换工艺，因为高浓度的CO在耐硫变换催化剂、高温、低水汽比工况下会发生甲烷化副反应，因此，CO变换技术不仅要防止甲烷化副反应的发生，而且要有利于节能。CO变换工艺特点如下。（1）钴－钼耐硫催化剂适用于原料气中硫含
量较高的变换工艺，对原料气中硫含量只有最低要求，无上限，因此使整个净化流程更为简单。钴－钼耐硫催化剂起活温度较低，一般宽温变换催
化剂起活温度为240℃，最高温度可耐480℃，低温变换催化剂起活温度为180℃，最高温度可耐450℃，较宽的温度范围适应于CO浓度高而引起
温升大的特点。（2）在第1变换炉中由于原料气CO浓度高，CO2浓度低，反应速度快，常引起床层超温，采用热
作者简介：李松连（1970年－）男，湖北武汉人，1992年毕业于武汉大学，工程师，从事化工工程管道布置设计工作。
·03·力学方面的措施很难控制，必须采用动力学控制。这就必须要求催化剂制造商有可靠的动力学模型，且有该催化剂在类似工程的使用经验。（3）一氧化碳变换的余热采用分等级回收方
式，高温工艺余热采用气化激冷水和预热锅炉给水的方式回收，低温工艺余热用于预热除盐水。（4）CO变换冷凝液送至煤气化装置作为煤气
化系统的补充水，该冷凝液加至煤气洗涤塔，洗涤粗合成气，并使粗合成气中的水分达到饱和，以节省变换工序中低压蒸汽消耗。
2CO变换装置工艺流程以CO变换气制H2为例，来自壳牌煤气化的粗合成气，温度约170℃，压力3．8MPa（绝），首先进入粗煤气分离器中分离夹带的水分，然后进入粗煤气过滤器，粗煤气过滤器设计为2台，1开1备，其中装有保护剂，可以将煤气中夹带的粉尘和对催化剂有毒害的物质过滤掉。过滤后的煤气进入煤气预热器进行预热，其中1股与来自第3变换炉的变换气换热到220℃，进入蒸汽混合器，与来自管网中压蒸汽混合后，在煤气换热器中与来自第1变换炉的变换气换热到260℃后进入第1变换炉进行变换反应。反应方程式如下：CO+H2幑幐OH2+CO2+Q出第1变换炉的变换气温度为450℃，进入1#淬冷过滤器，与煤气预热器来的另1股合成气一起被冷却到272℃，煤气混合后进入第2变换炉继续进行变换反应。出第2变换炉的变换气温度为361℃，并通过低压蒸汽过热器后进入2#淬冷过滤
器，然后进入第3变换炉。出第3变换炉的变换气进入煤气预热器换热，低压废锅产生的低压饱和蒸汽与低压蒸汽过热器换热后送到低压蒸汽管网，变换气依次经过除盐水预热器回收热量后，进入2#变换气分离器，然后再进入变换气冷却器进一步降温，进入1#变换气分离器分离水分，最后在变换气水冷器中变换气被冷却到约40℃后去酸性气体脱除工序。CO变换装置工艺流程见图1。
图1CO变换装置工艺流程
3CO变换装置设备布置建议方案笔者先后参与了大唐国际、中国神华（EPC）、山西兰花、湖北化肥厂（EPC）、湖北双环等工程的CO变换装置的设计工作，综合各工程现场的反馈
意见，推荐采用如下设备布置方案。（1）设备布置采用露天布置，可以节省投资以
及可以防止危害气体积聚。（2）变换炉选择靠近道路布置，充分考虑：①设
备吊装的空间；②催化剂的更换及装卸；③便于日常检修。（3）设置2层框架，分别为EL0．000平面和EL6.000平面。冷凝液泵、氮气鼓风机及分析小屋均
布置在框架EL0．000平面。（4）为防止CO变换冷凝液泵产生汽蚀现象，冷
凝液闪蒸槽通常要求距离泵入口最小高度为5m，因此可以将冷凝液闪蒸槽布置在EL6．000框架上，以满足工艺要求。（5）考虑到CO变换装置的管线基本为高温、高
压、大口径管线，所以要充分考虑管线应力问题，应将煤气预热器、煤气换热器、除盐水预热器、低压蒸汽过热器、水冷器、变换气冷却器等卧式设备布置在框架上，以合理地利用管线的自然补偿，充分解决管线的应力问题。（6）在满足安全规范的前提下，采用框架形式
布置，可以充分利用空间，有效节省装置占地面积。另外，可以将管线布置在EL3．000标高以上，避免管线在地面穿行，影响操作工及巡检工的工作界面，这样即可以保持操作检修通道及逃身通道的顺畅，又能满足管线配管的美观。CO变换装置设备布置建议方案见图2。
图2CO变换装置设备布置建议方案4CO变换装置管线腐蚀原因分析通过对笔者参与设计的几家工厂CO变换装置的调查，发现采用壳牌煤气化作为原料气进行CO变换的管道不锈钢材料弯头处不同程度地出现环焊缝裂纹。
·13·第4期
李松连以壳牌煤气化为原料气源的CO变换装置的工艺设计与管线选材4.1典型案例（1）北方某厂变换装置不锈钢管道RT检测过程及结果。检测过程：首先对所有的直缝管焊缝、焊制弯头的内弯和外弯焊缝、现场焊接的环缝进行检测。直缝检测得到的392张底片中仅发现1张有夹渣缺陷。随后重点检测弯头上的纵缝，底片总数416张，不合格底片16张。CO变换装置不锈钢管
道RT检测结果见表1。表1CO变换装置不锈钢管道RT检测结果
序号管线编号弯头个数不合格底片总数不合格底片数直缝底片总数不合格底片数缺陷性质裂纹渣母材缺陷母材凹坑缺陷情况分布1PG-23011-DN600112128213511W25-7（裂纹）；W3-5（渣）2PG-23012-DN600627231431321N1-2（裂纹）；W4-1（凹坑）、N4-2（裂纹）；4-6（裂纹）4-36/38（母材缺陷）
3PG-23013-DN600516119611W4-1（凹坑）；8-3（裂纹）4PG-23017-DN6009387853W1-2（渣）、N1-3、4（裂纹）；W2-8（渣）、N2-1、2（裂纹）；W6-5（渣）、N6-2（裂纹）
5PG-23015-DN7005268211W5-5（渣）；W4-4（裂纹）6合计361041616374111522
（2）南方某厂CO变换装置管道腐蚀泄漏情况
调查。该厂CO变换装置管道材料的设计均为无缝钢管及管件，管道最大规格为DN500mm，壁厚最大16mm，材质为0Cr18Ni9，最高设计温度475℃，实
际最高温度可达500℃，操作压力3．6MPa左右。第1变换炉出口温度为480℃左右，第1淬冷器出口焊缝热影响区首先开裂。不仅管线焊缝发现裂纹，在运行过程中所有分离罐304复合板衬里都有裂纹并造成泄漏，目前已经全部返修。经对变换装置的所有焊缝进行RT检测，发现多处弯头环焊缝存在裂纹。4.2腐蚀原因（1）出现裂缝和砂眼的管道、管件经检测，均未
出现管道及管件壁厚减薄现象，且出现裂缝和砂眼的管线材质全部都是0Cr18Ni9（304）。（2）目前已经投用的几套气化装置的冷凝液
如果返回煤气化系统，用于洗涤粗合成气会加剧变换系统的腐蚀，这是因为冷凝液反复循环所富集的氨将促使Cl－的迁移和富集，导致管线腐蚀加剧。所以变换工艺冷凝液应尽量保持其碱性环境。（3）采用废锅工艺流程比采用淬冷工艺流程更
为可靠，采用淬冷工艺将使设备管线面临H2S与Cl－的双重腐蚀，管线材料选取比较困难。（4）从送样材料结果分析，一方面是因为管线
内Cl－局部富集造成局部产生应力腐蚀裂纹，另一
方面是因为施工焊接质量不好加速了Cl－腐蚀，导致管线局部开裂和砂眼状漏点。
5CO变换装置管道腐蚀的应对措施（1）增设CO变换汽提装置，对变换工艺冷凝液
进行汽提处理，并加强冷凝液中Cl－含量的监控。经气提后的冷凝液送往水处理装置，不再返回煤气化装置。（2）已运行的装置应根据管线实际操作温度，对有可能出现冷凝液积聚的管道，采取新增低点导淋和加强伴热的防护措施，以减少形成Cl－应力腐蚀的环境。（3）在CO变换装置不锈钢材料的施工中，焊缝
