天然气水蒸气转化设计

天然气水蒸气转化设计

一、氢气的用途及制造方法

氢气是炼油工业中加氢裂化、加氢精制等加氢工艺中主要的原料。在工业生产中，制氢包括两个过程，即含氢气体制造（造气）及氢气提纯（净化）。根据不同的制氢原料和所需氢气用途不同，采用不同制造工艺，得到不同纯度的氢气。目前制造含氢气体的原料主要是碳氢化合物，包括固体（煤）、液体（石油）及气体（天然气、炼厂气）。水是制造氢气的另一重要原料，如电解水。水也可以与碳氢化合物相结合制得氢气―即烃的水蒸气转化法。

二、天然气和水蒸气转化制氢

天然气是廉价的制氢原料。天然气和油田伴生气的主要成分是CH4，杂质含量少，含硫量也低，主要是硫化氢，含少量的羰基硫和硫醇，很容易加工处理，是制氢的好原料。

天然气是由以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体。目前天然气大型化工利用的主要途径是经过合成气生产合成氨、甲醇及合成油等。而在上述产品的生产装置中，天然气转化制合成气工序的投资及生产费用通常占装置总投资及总生产费用的60%左右。因此，在天然气的化工利用中，天然气转化制合成气占有特别重要的地

位。以天然气为原料生产合成气的方法主要有转化法和部分氧化法。

工业上多采用水蒸气转化法，水蒸气转化是指烃类被水蒸气转化为氢气和一氧化碳及二氧化碳的化学反应。蒸汽转化核心是转化炉，拥有天然气制氢技术的各大公司转化炉的型式、结构各有特点，上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式也不同。虽然对流段换热器设置不同，但是从进出对流段烟气温度数据可知，烟道气的热回收率相差不大。在近期的工艺设置上，各公司普遍采用较高转化温度和相对较低水碳比的工艺操作参数设置有利于转化深度的提高，从而简化原料的消耗。

天然气蒸汽转化炉

天然气蒸汽转化炉是天然气蒸汽转化制合成气的主体设备。它是使天然气与蒸汽混合物通过转化管（反应管）转化成富含氢、一氧化碳、二氧化碳的合成气。转化管由外部辐射加热，管内装有含镍催化剂。

蒸汽转化炉炉型很多，按加热方法不同，大致可分为顶部烧嘴炉和侧壁烧嘴炉。

顶部烧嘴炉 外观呈方箱型结构，设有辐射室和对流室(段)，两室并排连成一体。辐射室交错排列转化管和顶部烧嘴。对流室内设置有锅炉、蒸汽过热器、天然气与蒸汽混合物预热器、锅炉给水预热器等。

侧壁烧嘴炉 是竖式箱形炉，由辐射室和对流室两部分组成。辐射室沿其纵向中心排列转化管，室的两侧壁排列6～7排辐射烧嘴，以均匀加热转化管。对流室设有天然气与蒸汽混合原料预热器、高压蒸汽过热器、工艺用空气预热器、锅炉给水预热器等

三、天然气水蒸气转化过程工艺原理

原料天然气组成：

设计规模：30万吨/天 原料气温度：25℃ 要求：H2S<20mg/m3

因为天然气中甲烷含量在80%以上，而甲烷在烷烃中是热力学最稳定的，其他烃类较易反应，反应，因此在讨论天然气转化过程时，只需考虑甲烷与水蒸气的反应。

甲烷水蒸气转化过程的主要反应有（前三个）和可能发生的副反应有（后三个）：

O

C CO C C CO C C C O CO C O C CO O H H O H H H O H H O H H H H 222

24222222422422423CH +−→←++−→←+−→←+−→←++−−←++−→←+mol

k J mol k J mol

k J mol

k J mol

k J mol

k J H H H H H H /4.131/5.172/9.74/2.41/165/206298298298298298298-=∆-=∆=∆-=∆=∆=∆ΘΘ

ΘΘ

Θ

Θ

以上列举的主反应均是可逆反应。其中甲烷水蒸气转化主反应式（第一个方程式）和第二个方程式是强吸热的，副反应甲烷裂解式（第四个方程式）也是吸热的，其余为放热反应。

甲烷水蒸汽转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。倘若操作条件下不适当，析碳反应严重时，生成的碳会覆盖在催化剂内外表面，致使催化剂活性降低，反应速率下降。析碳是更严重时，床层堵塞，阻力增加，催化剂毛细孔内的碳遇水蒸气会剧烈汽化，致使催化剂崩裂或粉化，迫使停工，经济损失巨大。所以，对于烃类蒸汽转化过程特

分子式

C1 C2 C3 N2 H2S CO2 组成

0.8512

0.0284

0.0013

0.0072

0.0892

0.524

别要注意析碳。

根据查找数据根据经验值得到如下数据（在不同温度下反应生成的平衡组成）：

温度/℃平衡常数平衡组成/％

Kp CH4 H2O H2 CO2 CO 400 11.70 20.85 74.42 3.78 0.94 0.00 600 2.527 16.54 64.13 15.39 3.59 0.34 800 1.015 8.74 48.37 33.56 5.55 3.79 900 0.7329 4.55 41.38 41.84 5.14 7.09 1000 0.5612 1.69 37.09 47.00 4.36 9.85 1100 0.4497 0.49 35.61 48.85 3.71 11.33