轉化水汽比的調控及其對生產的影響分析

付元

摘 要：轉化水汽比作為各種合成工藝轉化工段最為重要的參數，分析其調控以及對生產影響的分析具有重要意義。本文選取合成甲醇和氨轉化工段，首先對合成甲醇轉化工段運行原理和反應方程進行介紹，然后探討了水汽比對耗氧量、循環用水量、氣液分離器負荷和脫硫脫鹽量影響進行分析，發現水汽比增加，需要更多耗氧量和循環用水量，增加氣液分離器負荷。然后對合成氨工藝轉化工段轉化反應進行物理化學特性和反應動力學分析，表明水汽比調控要視催化劑和反應溫度而定。兩種水汽比調控分析對實際操作均有參考意義，希望對實際生產提供相關參考意見。

關鍵詞：水汽比;調控;影響分析

0 引言

水汽比作為變換爐工段的重要工藝參數，能源消耗量較大，通常會對其進行優化和調控，研究其對生產的影響。水汽比的重要應用主要有焦爐煤氣制甲醇，合成氨工藝等。對于轉化水汽比的選擇經常對催化劑的活性以及能耗等方面綜合衡量。轉化爐工段主要是將甲烷以及不飽和烯烴通過純氧和水蒸氣進行部分氧化和加氫轉化，生成H2，CO和CO2混合原料氣合成甲醇，通過對水汽比進行精準調控得到符合甲醇生產需要的甲醇。因此，本文研究對其調控以及對生產的影響分析。

1 轉化工段生產流程以及轉化原理

1.1 轉化工段生產流程

焦爐氣經脫硫工段含硫量<0.1 ppm與轉化廢熱鍋爐蒸汽混合進入焦爐氣預熱器預熱至300℃，然后進入預熱爐預熱至660℃后進入轉化爐混合室，然后與空分氧氣純氧以及由轉化爐混合室上段預熱至300℃的蒸汽混合進入上段轉化爐進行純氧蒸汽部分氧化燃燒，溫度達到900～1300℃，燃燒所得氣體通過催化劑床層進行甲烷蒸汽轉化反應，產物氣體甲烷含量控制在0.6%，溫度1000攝氏度以下，再通過轉化爐混合室進行熱量回收進一步產生蒸汽用于轉化反應和外來熱源。轉化鍋爐出口氣體溫度降至550℃左右，經過焦爐氣預熱器與殼程氣體換熱降至370℃，經過焦爐氣預熱器與焦爐氣換熱溫度降至300℃左右，最后經鍋爐給水一段和二段分別于除氧器除氧水和閃蒸槽循環除氧水進行換熱溫度降至140℃左右，最后經過小型分離器將大量水分除去，后續經過水冷、脫氯和脫硫等工序再送入合成壓縮機。[1]

1.2 轉化原理及反應方程

甲烷轉化是指焦爐氣中甲烷以及氫氣與純氧在轉化爐上段反應放熱，反應高溫氣通過下段催化層，焦爐氣中甲烷、烯烴和炔烴與蒸汽進行催化轉化。

1.3 水汽比定義

水汽比定義為水蒸氣進料量與原料氣進料量在單位時間內的比值。

2 水汽比調控對生產的影響

2.1 水汽比對耗氧量的影響

甲烷水蒸氣催化轉化反應在轉化爐內這個封閉體系內可看作吸熱反應，轉化爐上段甲烷和蒸汽燃燒放熱進行下段轉化熱量供給。蒸汽量越多，越有利于甲烷轉化，但是蒸汽量進入轉化爐升溫需要更多熱量，轉化爐上段氧氣供給量決定下段熱量供給量。因此，水汽比越高，需要供給更多氧氣放出燃燒熱供轉化爐下段催化反應進行。

2.2 水汽比對能耗的影響

轉化反應所需水蒸氣需要經過換熱器降溫通過氣液分離器進行水氣分離，因為整個轉化工段可以看作封閉系統，所以水蒸氣輸入和輸出用量守恒，水蒸氣用量越多，氣液分離器負荷越大，生成更多廢水，并且浪費水資源。因此，保證合成甲醇原料氣體滿足要求時，盡可能減少原料氣用量，不僅可以減小液分離器負荷，而且可以節約水資源。

2.3 水汽比對轉化工段供給的影響

轉化工段需要各種外部供給對轉化反應進行鍋爐給水、脫鹽脫硫以及循環冷卻等，根據熱力學第一定律，在轉化工段這個封閉系統內能量守恒。因此，出爐轉化氣需要經過各種水路降溫。水汽比越高，水蒸氣用量越大，對其進行汽化和冷凝所需要的熱量和循環冷卻水量就越多，脫硫和脫鹽劑也越多。因此，在保證出爐混合氣體滿足甲醇合成生產要求時，盡可能降低水汽比，不僅節約循環水、脫硫脫鹽劑和鍋爐給水量，而且減少氣液分離器負荷，節約電力。

3 水汽比調控的物理化學基礎

反應熱力學角度分析：

目前認為在轉化反應中，CO轉化主要是Fe3O4作為活性組分進行催化，反應前要對催化劑進行還原生成Fe3O4，因為催化劑中Fe可以生成不同形態，因此升溫程序的選擇是關鍵。對于不同比例混合氣，CO，H2和CO2所占比例不一，根據原料氣組成和發生的副反應可以采用元素矩陣法，計算得出Fe-C-O-H系統平衡圖。[2]

通過平衡圖可以選擇合適溫度對催化劑進行還原，同時可以選擇合適溫度進行轉化反應。隨著反應溫度和水汽比不同，氧化鐵可以以不同形態存在，甚至可以被還原成Fe。為了保證Fe3O4維持其狀態不被繼續還原，因此水汽比調控是非常重要的。

另外，在AC線以上，水汽比升高對于Fe3O4含量增加沒有太大影響，當溫度低于600℃時，Fe3O4相態并不受水汽比影響，反應操作溫度在330～520℃時，可以維持Fe3O4相態進行有效CO轉化，對于CO含量13%左右時，平衡水汽比為0.1，如果水汽比增加到0.4仍然可以保證Fe3O4相態穩定。當CO含量為30%左右時，平衡水汽比為0.3，CO含量為15%左右時平衡水汽比為0.4，如果將水汽比調控到0.6可以分別保證2倍和1.5倍于平衡水汽比，足以保證Fe3O4相態穩定。當今水碳比均要求1.0以上，可以看出根本沒有實際需要，只要將水汽比降低至0.7～0.8，不僅可以保持高效穩定的催化狀態，還可以減少水蒸氣用量，減少氣液分離器負荷，節約電能。

催化轉化反應難免發生副反應，如果反應中生成Fe3C和甲烷等，通常是因為反應溫度較低以及水蒸氣用量較少。為了保持Fe3O4相態穩定，反應操作溫度一般在500℃左右，因此不滿足析碳反應生成條件，如果保持較低水碳比可能會生成碳，并且低于平衡水碳比可能導致催化劑活性組分失活。在實際轉化工段中，應適當調控水碳比，不僅有利于轉化反應正向平衡移動，而且可以維持催化劑活性，降低副反應發生可能。

4 實際操作情況示例

對于合成氨工藝，在較好的生產廠如泰興、武進、泰倉和興化，變換水汽比均保持0.7～1.0左右，山東平度化肥廠通過催化設置改造降低水汽比至0.67，變換氣中CO含量為3.0～3.5%，對于常熟化肥廠，蒸汽補充不足可以正常維持一段時間主要是因為降低了轉化率，難免發生一些副反應。通過對實際進料氣進行分析，對轉化工段設備進行優化，從轉化反應的物理化學特性和反應動力學特性入手，不僅可以優化水汽比調控，在保證轉化反應有效進行的基礎上降低用水量、用電量和設備運轉負荷，對于工廠實際運行具有重要意義。[3]

5 結語

水汽比調控在眾多合成工藝中轉化工段具有重要意義，例如甲醇合成和氨合成工藝等。轉化工段主要為合成反應提供CO和H2混合氣，因此水蒸汽用量和催化劑選擇非常重要。水汽比調控不僅要從轉化反應物理化學特性和反應動力學特征進行分析，根據反應溫度、催化劑種類和實際反應需要進行調控。本文選取合成甲醇和氨轉化工段，首先對合成甲醇轉化工段運行原理和反應方程進行介紹，然后探討了水汽比對耗氧量、循環用水量、氣液分離器負荷和脫硫脫鹽量影響進行分析，發現水汽比增加，需要更多耗氧量和循環用水量，增加氣液分離器負荷。然后對合成氨工藝轉化工段轉化反應進行物理化學特性和反應動力學分析，表明水汽比調控要視催化劑和反應溫度而定。兩種水汽比調控分析對實際操作均有參考意義。

參考文獻：

[1]申愛書.轉化水汽比的調控及其對生產的影響[J].科技風，2012（03）：101.

[2]王師祥，孫祝興.關于降低變換水汽比的探討[J].江蘇化工，1983（04）：22-29.

[3]大連理工大學.化工原理[M].大連：高等教育出版社，2001.