转化水汽比的调控及其对生产的影响分析

付元

摘 要：转化水汽比作为各种合成工艺转化工段最为重要的参数，分析其调控以及对生产影响的分析具有重要意义。本文选取合成甲醇和氨转化工段，首先对合成甲醇转化工段运行原理和反应方程进行介绍，然后探讨了水汽比对耗氧量、循环用水量、气液分离器负荷和脱硫脱盐量影响进行分析，发现水汽比增加，需要更多耗氧量和循环用水量，增加气液分离器负荷。然后对合成氨工艺转化工段转化反应进行物理化学特性和反应动力学分析，表明水汽比调控要视催化剂和反应温度而定。两种水汽比调控分析对实际操作均有参考意义，希望对实际生产提供相关参考意见。

关键词：水汽比;调控;影响分析

0 引言

水汽比作为变换炉工段的重要工艺参数，能源消耗量较大，通常会对其进行优化和调控，研究其对生产的影响。水汽比的重要应用主要有焦炉煤气制甲醇，合成氨工艺等。对于转化水汽比的选择经常对催化剂的活性以及能耗等方面综合衡量。转化炉工段主要是将甲烷以及不饱和烯烃通过纯氧和水蒸气进行部分氧化和加氢转化，生成H2，CO和CO2混合原料气合成甲醇，通过对水汽比进行精准调控得到符合甲醇生产需要的甲醇。因此，本文研究对其调控以及对生产的影响分析。

1 转化工段生产流程以及转化原理

1.1 转化工段生产流程

焦炉气经脱硫工段含硫量<0.1 ppm与转化废热锅炉蒸汽混合进入焦炉气预热器预热至300℃，然后进入预热炉预热至660℃后进入转化炉混合室，然后与空分氧气纯氧以及由转化炉混合室上段预热至300℃的蒸汽混合进入上段转化炉进行纯氧蒸汽部分氧化燃烧，温度达到900～1300℃，燃烧所得气体通过催化剂床层进行甲烷蒸汽转化反应，产物气体甲烷含量控制在0.6%，温度1000摄氏度以下，再通过转化炉混合室进行热量回收进一步产生蒸汽用于转化反应和外来热源。转化锅炉出口气体温度降至550℃左右，经过焦炉气预热器与壳程气体换热降至370℃，经过焦炉气预热器与焦炉气换热温度降至300℃左右，最后经锅炉给水一段和二段分别于除氧器除氧水和闪蒸槽循环除氧水进行换热温度降至140℃左右，最后经过小型分离器将大量水分除去，后续经过水冷、脱氯和脱硫等工序再送入合成压缩机。[1]

1.2 转化原理及反应方程

甲烷转化是指焦炉气中甲烷以及氢气与纯氧在转化炉上段反应放热，反应高温气通过下段催化层，焦炉气中甲烷、烯烃和炔烃与蒸汽进行催化转化。

1.3 水汽比定义

水汽比定义为水蒸气进料量与原料气进料量在单位时间内的比值。

2 水汽比调控对生产的影响

2.1 水汽比对耗氧量的影响

甲烷水蒸气催化转化反应在转化炉内这个封闭体系内可看作吸热反应，转化炉上段甲烷和蒸汽燃烧放热进行下段转化热量供给。蒸汽量越多，越有利于甲烷转化，但是蒸汽量进入转化炉升温需要更多热量，转化炉上段氧气供给量决定下段热量供给量。因此，水汽比越高，需要供给更多氧气放出燃烧热供转化炉下段催化反应进行。

2.2 水汽比对能耗的影响

转化反应所需水蒸气需要经过换热器降温通过气液分离器进行水气分离，因为整个转化工段可以看作封闭系统，所以水蒸气输入和输出用量守恒，水蒸气用量越多，气液分离器负荷越大，生成更多废水，并且浪费水资源。因此，保证合成甲醇原料气体满足要求时，尽可能减少原料气用量，不仅可以减小液分离器负荷，而且可以节约水资源。

2.3 水汽比对转化工段供给的影响

转化工段需要各种外部供给对转化反应进行锅炉给水、脱盐脱硫以及循环冷却等，根据热力学第一定律，在转化工段这个封闭系统内能量守恒。因此，出炉转化气需要经过各种水路降温。水汽比越高，水蒸气用量越大，对其进行汽化和冷凝所需要的热量和循环冷却水量就越多，脱硫和脱盐剂也越多。因此，在保证出炉混合气体满足甲醇合成生产要求时，尽可能降低水汽比，不仅节约循环水、脱硫脱盐剂和锅炉给水量，而且减少气液分离器负荷，节约电力。

3 水汽比调控的物理化学基础

反应热力学角度分析：

目前认为在转化反应中，CO转化主要是Fe3O4作为活性组分进行催化，反应前要对催化剂进行还原生成Fe3O4，因为催化剂中Fe可以生成不同形态，因此升温程序的选择是关键。对于不同比例混合气，CO，H2和CO2所占比例不一，根据原料气组成和发生的副反应可以采用元素矩阵法，计算得出Fe-C-O-H系统平衡图。[2]

通过平衡图可以选择合适温度对催化剂进行还原，同时可以选择合适温度进行转化反应。随着反应温度和水汽比不同，氧化铁可以以不同形态存在，甚至可以被还原成Fe。为了保证Fe3O4维持其状态不被继续还原，因此水汽比调控是非常重要的。

另外，在AC线以上，水汽比升高对于Fe3O4含量增加没有太大影响，当温度低于600℃时，Fe3O4相态并不受水汽比影响，反应操作温度在330～520℃时，可以维持Fe3O4相态进行有效CO转化，对于CO含量13%左右时，平衡水汽比为0.1，如果水汽比增加到0.4仍然可以保证Fe3O4相态稳定。当CO含量为30%左右时，平衡水汽比为0.3，CO含量为15%左右时平衡水汽比为0.4，如果将水汽比调控到0.6可以分别保证2倍和1.5倍于平衡水汽比，足以保证Fe3O4相态稳定。当今水碳比均要求1.0以上，可以看出根本没有实际需要，只要将水汽比降低至0.7～0.8，不仅可以保持高效稳定的催化状态，还可以减少水蒸气用量，减少气液分离器负荷，节约电能。

催化转化反应难免发生副反应，如果反应中生成Fe3C和甲烷等，通常是因为反应温度较低以及水蒸气用量较少。为了保持Fe3O4相态稳定，反应操作温度一般在500℃左右，因此不满足析碳反应生成条件，如果保持较低水碳比可能会生成碳，并且低于平衡水碳比可能導致催化剂活性组分失活。在实际转化工段中，应适当调控水碳比，不仅有利于转化反应正向平衡移动，而且可以维持催化剂活性，降低副反应发生可能。

4 实际操作情况示例

对于合成氨工艺，在较好的生产厂如泰兴、武进、泰仓和兴化，变换水汽比均保持0.7～1.0左右，山东平度化肥厂通过催化设置改造降低水汽比至0.67，变换气中CO含量为3.0～3.5%，对于常熟化肥厂，蒸汽补充不足可以正常维持一段时间主要是因为降低了转化率，难免发生一些副反应。通过对实际进料气进行分析，对转化工段设备进行优化，从转化反应的物理化学特性和反应动力学特性入手，不仅可以优化水汽比调控，在保证转化反应有效进行的基础上降低用水量、用电量和设备运转负荷，对于工厂实际运行具有重要意义。[3]

5 结语

水汽比调控在众多合成工艺中转化工段具有重要意义，例如甲醇合成和氨合成工艺等。转化工段主要为合成反应提供CO和H2混合气，因此水蒸汽用量和催化剂选择非常重要。水汽比调控不仅要从转化反应物理化学特性和反应动力学特征进行分析，根据反应温度、催化剂种类和实际反应需要进行调控。本文选取合成甲醇和氨转化工段，首先对合成甲醇转化工段运行原理和反应方程进行介绍，然后探讨了水汽比对耗氧量、循环用水量、气液分离器负荷和脱硫脱盐量影响进行分析，发现水汽比增加，需要更多耗氧量和循环用水量，增加气液分离器负荷。然后对合成氨工艺转化工段转化反应进行物理化学特性和反应动力学分析，表明水汽比调控要视催化剂和反应温度而定。两种水汽比调控分析对实际操作均有参考意义。

参考文献：

[1]申爱书.转化水汽比的调控及其对生产的影响[J].科技风，2012（03）：101.

[2]王师祥，孙祝兴.关于降低变换水汽比的探讨[J].江苏化工，1983（04）：22-29.

[3]大连理工大学.化工原理[M].大连：高等教育出版社，2001.