天然气制甲醇蒸汽转化工艺流程及控制要点

天然气制甲醇蒸汽转化工艺流程及控制要点

康英英 杜伦 帅敏刚

摘要：目前天然气水蒸气转化工艺制备甲醇仍然是甲醇生产的主要工艺路线之一。在天然气制备甲醇的实际生产过程中，装置运行操作优化主要集中在核心指标的控制。蒸汽转化工艺操作参数有压力、温度、水碳比、空速，设备正常运行与否以及装置检修等都会影响甲醇合成气的品质。合理控制好转化工艺过程中适宜的操作参数，优化生产过程的关键操作参数，才能提高合成气的品质，增加甲醇产量。

关键词：蒸汽转化控制要点工艺参数控制

甲醇是十分重要的化工基础原料，天然气是制备甲醇的重要原料，国外以天然气作为原料制备甲醇占90%，中小型生产甲醇装置一般采用蒸汽转化工艺为主，蒸汽转化反应得到制备甲醇的原料气（主要是CO、H2，CO2）即合成气，合成气的品质与甲醇的收率息息相关。蒸汽转化工艺过程中的操作控制参数影响合成气的品质，优化和控制好生产过程的关键操作参数，对提高甲醇产量至关重要。

1天然气蒸汽转化工艺简述

天然气是气态烃，主要成分是甲烷，含有少量的乙烷，丙烷等烷烃，不包含烯烃。

1.1天然气蒸汽转化原理

天然气制甲醇蒸汽转化反应主要是甲烷与水蒸气在一定条件下生成甲醇合成气，具体反应如下。

                              

在一定条件下，蒸汽转化过程中伴随着副反应的发生，析碳反应如下。

由上述反应可知，甲烷蒸汽转化反应总过程是强吸热的，因此在实际生产过程中，蒸汽转化反应需外部提供反应所需的热量。根据蒸汽转化反应原理可知，反应在低压和高温的条件下，有利于生成合成气，但是实际生产中，工艺操作参数的选择还需要考虑能耗以及经济投资方面的因素。综合考虑各因素，通常采用加压转化。

1.2天然气蒸汽转化工艺简介

（1）蒸汽转化工艺。该工艺技术成熟，世界上许多甲醇转化工艺都是采用蒸汽转化工艺。蒸汽转化工艺过程是在高温以及催化剂的参与下，生成H2、CO、CO2的混合转化气。该工艺技术流程简单，是各种转化工艺中流程最短以及设备使用较少的，工艺过程中操作条件温和，转化气最高温度约为900℃；此工艺的不足之处在于转化气成分中氢多碳少，使得转化、压缩、合成工艺的设备体积较大；高温有利于蒸汽转化反应向转化气合成的方向进行，但是温度过高时会减少转化炉炉管的使用寿命，而且热量不能全部利用，能耗增加，同时增加了冷却的负荷。

（2）预转化蒸汽转化工艺。预转化蒸汽转化工艺是在镍含量较高的催化剂参与下将原料进行绝热转化，该工艺减少了污染物的排放，响应了绿色环保理念。工艺过程是将原料气进行脱硫处理后，原料气进入饱和器中吸取了转化反应所需的大部分蒸汽，然后进入预转化反应器，将混合后的原料气与水蒸气中的重组分分解为轻组分，得到气体混合物，最后送入转化炉反应。此工艺过程中没有空气预热器，所以减少了氮氧化物的排放。预转化工艺的设计减少了转化炉的工作负荷，使转化炉设备体积更加小巧，增加了转化炉烟气的预热回收。

1.3天然气蒸汽转化工艺流程

天然气制备甲醇蒸汽转化工艺过程主要包括原料天然气的净化、催化转化反应、热回收以及气液分离。原料天然气中含有硫化物，所以必须将硫脱除到工艺要求指标，避免造成转化工艺中的催化剂中毒。净化后的天然气与补入的水蒸气达到工艺所需的水碳比，经过对流段预热后进入转化炉，发生转化反应，反应过程中的热量是由转化炉辐射段的烧嘴燃烧提供；出转化炉的高温转化气，在热回收部分回收热量，而回收的热量用来产生蒸汽驱动透平，提供工艺热量；通过换热将转化气与冷凝液分离，得到甲醇合成气。

2天然气蒸汽转化工艺控制要点

在天然气制备甲醇的实际生产过程中，装置运行操作优化主要集中在核心指标的控制，转化工艺关键参数的控制直接影响合成气的品质，因而影响甲醇的收率。影响生产甲醇合成气的转化工艺操作参数有压力、温度、水碳比、空速等。

2.1工艺参数控制

（1）转化压力的影响。根据甲烷蒸汽转化反应可以看出，该反应过程是摩尔分子数增加的反应，从化学反应平衡的角度考虑，增加反应体系的压力，反应平衡向反方向移动，是不利于合成气的生成。压力越高，转化炉出口气体的平衡组成中甲烷的含量越高，尤其是当体系温度较低时，影响较显著。如果降低体系的压力会导致能耗的增加。合成甲醇过程中，CH4的含量越少越有利于甲醇的生成，所以为了减少出口气体中的甲烷含量，在增加压力的同时，提高水碳比和反应温度，即使反应体系中的压力较高，只要提高水碳比和温度，那么出口气体平衡组成中的甲烷含量就会降低。另外，提高压力，可以有效节能，原因是蒸汽转化反应是摩尔分子数增大的反应，合成甲醇的反应压力高于转化压力，所以提高转化压力，降低了合成气的压缩功。

（2）转化温度的影响。转化反应是吸热反应，提高温度，有利于化学平衡向生成转化气的方向进行，有利于反应速率加快，增大甲醇的转化率。在实际生产过程中，转化温度是指床层的出口温度，该温度的高低影响了出口转化气的组成。在不析碳的前提下，转化炉进口温度越高，可以给蒸汽转化反应提供的热量越多，那么可以减少天然气燃烧提供给反应的热量，所以每吨甲醇的天然气消耗越少。

（3）水碳比的影响。水碳比是指进入转化炉的水蒸汽分子数与加入烃的碳原子数之比。理想的转化炉进料水碳比为2。从化学平衡角度考虑，增大水碳比有利于增大甲烷的转化率，促进转化气的生成，增加反应速率；水碳比过低时，会有析碳反应的发生；水碳比增大，表明进入转化炉的水蒸气较多，促进蒸汽转化反应的进行，抑制析碳副反应的发生。然而当水碳比过高时，水蒸气的消耗量增加，蒸汽转化反应的进行需要吸收热量，那么不完全参与反应的水蒸气进入炉管后也会吸收热量，会增加能耗的损失，同样会增加炉管的热负荷。提高水碳比的不利因素是会增加转化系统的阻力降，转化炉中燃烧天然气的量增多，致使能耗增加，因此，水碳比的确定是在不析碳的条件下，尽可能降低水碳比。目前生产甲醇工艺中，水碳比控制范围是2.6-3.2。

（4）空速的影响。空速是指每立方米催化剂中，每小时通过的进气量。空速的实际意义表示催化剂的生产强度指标。空速越高，表明生产强度越高。工业上选择空速是综合考虑多方面的因素。改进转化催化剂的孔结构，扩大催化剂内表面的利用率，改变催化剂颗粒粒径，改善催化剂供热条件，均有利于空速的提高。当空速提高时，管内阻力增加，所以转化装置的阻力限制是制约空速提高的因素。反应压力影响反应速度，也对反应物在催化剂上实际停留时间造成影响，当反应压力增大时，允许选用大的空速。一般转化炉采用的空速为800-2500h-1。

（5）析碳影响。转化生产工艺中，但凡发生析碳，对转化工艺中的催化剂影响很大。碳会沉积到催化剂颗粒的表面，堵塞催化剂中的微孔，影响转化反应的进行，炉管可能会出现局部过热、热带、热管等现象，进而减少转化炉管使用寿命。催化剂破碎粉化，增加床层阻力，迫使转化系统停车造成严重损失。碳氢化合物造成的析碳，采取水蒸气通过催化剂的表面，就可以恢复催化剂的活性，这种析碳容易消除，对催化剂无永久损害。CO热分解造成的析碳会损坏催化剂。当水蒸气较少时，催化剂中的碳沉积并积累；水碳比较低时，碳在催化剂内短时间生成，另外反应体系维持适宜的水碳比；选择稳定、活性好、抗析碳的催化剂都可以防止析碳。

综上所述，转化工艺所得产品是合成气，合成气的品质与甲醇产量息息相关。对于合成甲醇反应而言，反应体系中CO过量，CO2微量，CH4的含量越低，越有利于甲醇的生成，合成气的压力越高，那么能耗越低。因此，控制好转化工艺的关键操作工艺参数，进一步确定好适宜的工艺操作参数。然而工艺参数的确定，要综合考虑各个影响因素，比如炉型，原料，炉管材料，催化剂等对关键工艺参数的影响。另外，工艺参数的合理确定，不仅要考虑对转化工序本身的影响，还要考虑对压缩、合成工序的影响，合理的工艺操作条件最终应在总能耗以及投资上体现。

2.2设备控制

装置在正常运行时，除了装置操作工艺参数的影响之外，设备是否处于良好的状态工作，也对生产工艺产生重要影响。例如转化炉出口温度越高时，转化气中剩余的CH4含量越低，但是过高的温度会对转化炉管的使用寿命造成影响，减少炉管寿命，而且会增加燃料天然气的消耗量，导致装置的经济性下降。另外装置在运行过程中设备及管道难免出现跑、冒、漏、滴现象，及时发现，及时处理，免得造成隐患升级，影响装置正常生产。

2.3检修控制

为了装置长期安全稳定运行，生产达标达产，根据装置的实际运行情况以及产品的市场形势，可以对装置安排合理的检修，目的是为了排除和解决装置在运行过程中存在的隐患和故障，修复影响装置运行安全性与稳定性的因素，如果检修时间安排在产品市场低迷时进行，装置的经济利益相对而言不会受很大的影响。转化装置的主要设备如转化炉、预装化炉、加氢反应器等运行状况，催化剂的催化性能等都会对装置的运行造成影响，检修时应该合理安排好主要设备的关键部位的检修和维护，确保关键设备在装置运行时处于最佳状态，实现设备最大效能，保证设备安全稳定运行。另外，出于经济投资考虑，由于装置设备多，体积较大，检修的项目多，所以在安排检修之前，一定要科学合理规划好检修计划，节约成本。

3结语

天然气水蒸气转化工艺制备甲醇原料气仍然是目前生产甲醇的主要工艺路线之一。蒸汽转化工艺操作参数有压力、温度、水碳比、空速、设备运行效果以及装置检修都会影响甲醇合成气的品质。合理控制好转化工艺过程中适宜的操作参数，优化生产过程的关键操作参数，提高合成气的品质，对提高甲醇产量至关重要。

谢谢分享

写的略微简略了。