目前國內(nèi)UGI爐制氣的合成氨廠的變換工藝的主要特點之一是需要外加蒸汽，顯然降低蒸汽的添加量是從事研究設(shè)計科技工作者的首要任務(wù)，降低蒸汽的添加量主要有以下途徑：

    (1)降低反應(yīng)的汽氣比或者是水碳比(H₂O/CO)，大幅度降低所需回收的蒸汽量；

    (2)降低設(shè)備熱損或者在同樣熱損情況下提高生產(chǎn)能力。

    (3)提高反應(yīng)后多余蒸汽的回收率，這就是飽和熱水塔的技術(shù)，但總有一個效率問題，理論與實踐表明僅能達(dá)到～60%；

    上述的前面兩點要依靠催化劑及變換反應(yīng)工藝的進(jìn)步，上世紀(jì)80年代上海化工研究院開拓了這方面的工作，作出了杰出貢獻(xiàn)，他們開發(fā)的混碾法生產(chǎn)鈷鉬耐硫低變催化劑串在傳統(tǒng)的中變爐后的串低變工藝(中串低)使變換外加蒸汽消耗大幅度下降，生產(chǎn)能力也有所提高，1986年湖北省化學(xué)研究院用浸漬法生產(chǎn)了活性更好而成本較低的B302Q、B303Q催化劑，并對中串低工藝進(jìn)一步完善，1989年也對中低低工藝進(jìn)行了探討，由于中低低本質(zhì)上仍是中串低，但其反應(yīng)的汽氣比更低，而反應(yīng)汽氣比的降低會危害中變催化劑的性能從而影響正常生產(chǎn)，因此我們重點研究全低變工藝。所謂全低變工藝就是全部使用耐硫變換催化劑的“全低變工藝”，各段進(jìn)口溫度均為200℃左右。在相同操作條件和工況下其設(shè)備能力和節(jié)能效果都比原各種形式的中串低、中低低要好。

    1989年與湖北省化肥公司共同開發(fā)的全低變工藝是采用中串低的催化劑，無抗毒、抗低硫性能，開車初期的各項操作指標(biāo)明顯優(yōu)于中串低或中低低，使噸氨蒸汽消耗下降一半，能力提高一倍。由于但對鈷鉬催化劑的中毒規(guī)律認(rèn)識不夠，工藝上解決措施不多，導(dǎo)致工業(yè)應(yīng)用中出現(xiàn)催化劑失活等問題。這些問題在1991～1994年期間我院經(jīng)過研究全部解決^[3]，使得這一工藝在行業(yè)得到迅速推廣。

    1995～2000年期間化肥行業(yè)出現(xiàn)以下主要問題有①不具備開發(fā)全低變技術(shù)的催化劑生產(chǎn)單位也開始推廣全低變工藝。據(jù)不完全統(tǒng)計，先后有5個生產(chǎn)耐硫變換催化劑的單位在10多家中小型企業(yè)進(jìn)行全低變工藝的工業(yè)應(yīng)用實施工作均以失敗告終。②在這些失敗的案例發(fā)生以后少數(shù)行業(yè)人員在不明白失敗的真實原因情況下，在不同的場合發(fā)表了一些不正確的觀點，特別是對全低變技術(shù)作出了一些不科學(xué)的評價。③有些企業(yè)對全低變的一些技術(shù)細(xì)節(jié)重視不夠，操作控制不嚴(yán)也影響了全低變技術(shù)的經(jīng)濟(jì)效益。

    理論研究與實踐使用表明鈷鉬催化劑是會中毒的，我國中小合成氨廠的原料氣為固定床間歇法制氣工藝，該工藝包括制氣和吹風(fēng)的氧化、蒸汽分解、變換等反應(yīng)，其中既有放熱反應(yīng)又有吸熱反應(yīng)，造氣過程溫度波動也較大，所使用的固體燃料有無煙煤、焦炭及各種煤球(碳化煤球，粘土、陶土煤球、焦油煤球，紙漿煤球及清水棒)化學(xué)組成極其復(fù)雜。生成的半水煤氣中有大量雜質(zhì)，經(jīng)洗滌、脫硫后仍含有少量雜質(zhì)進(jìn)入變換系統(tǒng)，經(jīng)分析有氰氫酸、氨基甲酸、丙烯醛、亞氨基、乙酸及羰基化合物…等等。以上某些化合物對Co-Mo耐硫變換催化劑有明顯毒害作用，為此研制了保護(hù)催化劑用的抗毒劑。特別要說明的是所謂“抗氧劑”的提法是不正確的，Co-Mo變換催化劑都是抗氧的，否則就不能用含0.5%氧的半水煤氣進(jìn)行硫化了，由于抗毒劑也有促進(jìn)氧與氫、一氧化碳的反應(yīng)，所以往往有一定的溫升，也就俗稱為“抗氧劑”了。

    全低變技術(shù)經(jīng)過湖北省化學(xué)研究院17年的研究、摸索和實踐，在催化劑及工藝上都取得長足的進(jìn)步，日趨完善，最長已使用十二年，現(xiàn)推薦流程如下，如圖1：

    目前“全低變”工藝在全國二百多家中、小氮肥廠運(yùn)行，最長達(dá)12年之久，被列入“九五”化工國家科技成果重點推廣計劃項目。僅中型廠及8萬噸以上的合成氨廠就有36家，值得一提的是，山西某化肥廠共有三套變換裝置，分別為中串低、中低低、全低變，經(jīng)過三年的運(yùn)行比較，全部改成了全低變流程，其中包括采用‘軸徑向’的中低低變換裝置。該流程的主要優(yōu)點：

    (1)杜絕了鐵鉻中變催化劑過度還原的問題，延長了一段變換催化劑的使用壽命；

    (2)床層溫度下降了100～200℃，氣體體積縮小25%，降低系統(tǒng)阻力，提高了變換爐的設(shè)備能力；減少壓縮機(jī)功率消耗；

    (3)高有機(jī)硫的轉(zhuǎn)化能力，在相同操作條件和工況下全低變工藝比中串低或中低低工藝有機(jī)硫轉(zhuǎn)化率提高5個百分點；

    (4)操作容易，起動快，增加了有效時間；

    其具體應(yīng)用工業(yè)實例都有報導(dǎo)

    我們注意到，隨著低溫變換技術(shù)的采用，特別是全低變工藝的應(yīng)用，變換氣中過量蒸汽已經(jīng)很少。也就是，利用飽和熱水塔熱水塔回收潛熱的意義也就不大了。計算表明當(dāng)變換出口CO為1.2%時飽和塔可回收的潛熱為噸氨～200公斤蒸汽，而當(dāng)聯(lián)醇工藝變換出口CO為4%時飽和塔可回收的潛熱僅為噸氨65公斤蒸汽。假如在流程上用噴水增濕來代替水加熱器回收變換氣的顯熱，而用外加蒸汽代替回收的潛熱，即聯(lián)醇工藝噸氨蒸汽消耗增加65公斤，這樣聯(lián)醇工藝完全可取消飽和熱水塔；而出口CO為1.2%的變換工藝的噸氨蒸汽消耗增加～200公斤，其潛熱可設(shè)法用其它方法回收，如：保留熱水塔，熱水用于銅洗再生器，兩者蒸汽消耗總和低于有飽和熱水塔流程，而操作及設(shè)備費(fèi)用卻大幅度下降。

    取消飽和塔后，由于半水煤氣的氧與硫化物處于無水情況，而熱水塔的循環(huán)水不與煤氣接觸，不含有氧，也就是使變換系統(tǒng)水、氣相分別處于“有氧則無水，有水則無氧”的“非腐蝕”狀態(tài)，從而杜絕由于飽和塔引起的各種問題。整個變換溫度控制都用噴水增濕量來調(diào)節(jié)，徹底解決了用水加熱器換熱工藝中的設(shè)備腐蝕快、材質(zhì)要求高、進(jìn)出口管線、閥門多的問題。同時由于噴水增濕的熱損小于水加熱器，加上沒有了飽和熱水塔的熱水排放，其熱量(蒸汽)回收率高。

    特別要指出的是：變換工段的低變爐出口的有機(jī)硫一般為～0.5ppm，但變換系統(tǒng)出口都為2～3ppm(這就需要專門配置精脫硫)，究其原因是傳統(tǒng)的變換系統(tǒng)都采用了飽和熱水塔工藝，煤氣中的各種有機(jī)硫通過循環(huán)熱水溶解，再通過變換氣釋放出來，循環(huán)熱水成為有機(jī)硫的‘綠色通道’，有些工廠精脫硫出口存在較高的‘非COS有機(jī)硫’，可能就是此原因。

    如果采用無飽和塔流程就不存在這個問題，精脫硫部份可以簡化。同時煤氣中的非COS有機(jī)硫(常用的水解方法難脫除)也不會串到后工段，對甲醇或合成催化劑是極有利的。

    上述工藝要求變換氣的最低硫化氫(總硫)含量為～120mg/NM³,如改變蒸汽加入位置，可降為～100mg/NM³；若將三段催化劑分為四段裝填，則最低硫化氫(總硫)含量降為～80mg/NM³，與傳統(tǒng)的中串低或中低低工藝相同。

4.1  流程示意圖

    取消飽和塔流程的流程如圖2，此時熱水塔出口的變換氣溫度～40℃。

4.2  目前的工業(yè)應(yīng)用       

    無飽和熱水塔工藝用戶：

    (1)南京化工廠，2萬噸,1998年應(yīng)用。

    (2)河北冀州化肥廠，4萬噸,2001年12月應(yīng)用。

    (3)山西原平化肥廠,10萬噸，2002年1月應(yīng)用。

    (4)湖南湘潭,16萬噸，2004年6月應(yīng)用。

    (5)安徽太和，5萬噸,2004年12月。

    (6)山東章丘二化5萬噸,2005年1月。

    (7)越南社會主義共和國河北化工氮肥廠，10萬噸，

    (8)山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司聞喜14萬噸，2005年4月應(yīng)用。

    (9)貴州化肥廠13萬噸，2005年1月應(yīng)用。

    (10)山西晉豐煤化工有限責(zé)任公司高平17萬噸，2005年12月應(yīng)用。

    (11)河南新鄉(xiāng)化肥總廠23萬噸。

5.1  取消填料可行性

    各種各樣的填料在飽和熱水塔在變換工段已延用多年，其作用是提高氣液接觸面積，加快氣液兩相的平衡，但此設(shè)備本身存在填料多，阻力大的弊病是無法克服的。往往影響變換系統(tǒng)能力的提高。要提高變換系統(tǒng)的能力往往只有重新制造一個較大的飽和熱水塔。由于填料是造成飽和熱水塔阻力的主要原因。最近開發(fā)成功的取消飽和熱水塔工藝提示我們，飽和熱水塔的回收的熱量已愈來愈少，填料的作用也已愈來愈小，這為取消填料創(chuàng)造了條件。

5.2  高效霧化噴頭  

    噴頭的霧化度對氣液間的傳熱傳質(zhì)效率影響極大，設(shè)計中采用國外引進(jìn)自行生產(chǎn)的高效霧化噴頭全部取代傳統(tǒng)填料，該噴頭不同于傳統(tǒng)“傘狀水膜狀”為撞擊式，霧化度極高，水珠粒度為0.1mm，1M³水霧化成lmm的液滴，其表面積增大1000倍，霧化成0.1mm的液滴，其表面積增大10000倍，極大提高飽和熱水塔的水氣間的傳熱傳質(zhì)效率。

5.3  流程示意圖

    去掉飽和塔的填料，在塔內(nèi)設(shè)置多層高效霧化噴頭，將熱水塔、一水加出來的熱水增壓后進(jìn)入高效霧化噴頭噴成霧狀與進(jìn)入的半水煤氣混合增濕，以提高半水煤氣的含濕量，也就是回收熱水中的熱量，多余的溫度較低的水進(jìn)入熱水塔。

    去掉熱水塔的填料，在塔內(nèi)設(shè)置多層高效霧化噴頭，將飽和塔出來的溫度較低的水加壓進(jìn)入高效霧化噴頭噴成霧狀與進(jìn)入熱水塔的溫度較高的(接近露點)變換氣混合，使變換氣冷凝“下雨”，生成熱水部分直徑進(jìn)入飽和塔下層，一水加熱器。

5.3.1  該工藝的優(yōu)點

  1)熱量回收不低于填料式。

  2)節(jié)省大量的填料投資，目前填料多為不銹鋼材料，其效益可觀。

  3)由于無填料，克服了塔盤、填料等易堵塞的缺點，使操作會維護(hù)變得非常簡便。

  4)氣體流動阻力大幅度減少，設(shè)備能力也就大幅度增加。

5.3.2工業(yè)應(yīng)用

    目前正在河南臨穎6萬噸合成氨廠應(yīng)用五年^[13]，由于擔(dān)心飽和塔熱水出口與熱水塔熱水進(jìn)口壓差小，難以保證噴嘴在熱水塔中的使用效果，僅在飽和塔使用噴嘴代替填料，如下圖，采用霧化噴嘴飽和塔系統(tǒng)壓差0.03MPa，另一套填料塔為0.06MPa,出飽和塔半水煤氣與熱水溫度相差4～5℃；變換蒸汽消耗200kg/tNH3,變換氣CO含量1.6%，飽和塔回收蒸汽、降低阻力達(dá)到了理想水平。

    實際上飽和塔熱水出口與熱水塔熱水進(jìn)口有0.02MPa壓差，半水煤氣與變換氣有0.03MPa的壓差，總共有0.05MPa壓差，噴嘴完全可使用在熱水塔，只是噴嘴的形式與飽和塔不同。

    此外，湖北新生源公司(湖北公安縣)應(yīng)用四年。還有河南正陽氮肥廠，浙江開化清華化工。

    單醇生產(chǎn)中原料氣都為水煤氣，其組分為：CO-38%；CO₂-6%；H₂-50%。變換出口CO含量20～25%左右，反應(yīng)的汽氣比更低，其T(溫度)—R(汽氣比)的CO平衡計算見表1：

    從表中可知，在出口CO為22%時，其總汽氣比很低～0.14。是不能用中變催化劑，必需用鈷鉬低變催化劑，而用鈷鉬低變催化劑其反應(yīng)汽氣比低、溫度低、催化劑空速低對有機(jī)硫轉(zhuǎn)化不利，為此需要配置有機(jī)硫轉(zhuǎn)化(爐)段。

6.1  變換熱交換器后串中溫水解爐

    流程應(yīng)用：河南尉氏，應(yīng)用3年，出口COS～0.2mg/m³。

6.2  變換爐內(nèi)串高溫水解爐

    該流程適用于非COS及高硫原料氣的轉(zhuǎn)化，流程應(yīng)用：湖北中天，應(yīng)用4年，出口COS～0.5mg/m³。高硫原料氣用戶：四川高縣進(jìn)口的有機(jī)硫>500mg／NM³。