浅谈变换催化剂和变换炉的选择

浅谈变换催化剂和变换炉的选择
摘要：变换工艺根据所选用的催化剂是否耐硫，将变换工艺分为耐硫变换
和非耐硫变换工艺。

变换反应的顺利进行主要取决于两方面的因素，催化剂和变
换炉。

本文通过介绍不同类型变换催化剂和变换炉的发展、应用及优缺点，为广
大化工同行在变换催化剂和变换炉的选择上提供帮助。

关键词：变换工艺；变换催化剂；变换炉
1变换催化剂的选择
通常使用的催化剂有高温变换催化剂、低温变换催化剂和宽温耐硫变换催化剂。

1.1高温变换催化剂
高温变换催化剂其活性相是由Fe2O3部分还原得到的Fe3O4。

在实际应用过程中，高温烧结导致Fe3O4表面积下降，引起活性的急剧下降，造成纯Fe3O4的活性
温区很窄，耐热性很差。

因此常加入结构助剂提高其耐热性，防止烧结引起的活
性下降。

由于铁铬系高温变换催化剂中铬是剧毒物质，造成在生产、使用和处理
过程中对人员和环境的污染及毒害，但工业化与应用业绩较少。

高温变换催化剂
的粉化是它的一个主要问题。

催化剂的更换往往不是由于活性丧失，而是由于粉
化造成过大的压差。

部分催化剂的粉化，引起气流不均匀，也将导致转化率下降。

蒸汽消耗较高，有最低水气比要求，要求变换入口水气比在1.4以上，变换后的
水气比应大于0.8，导致过剩蒸汽冷凝量过多、能耗增加，不宜选用。

1.2低温变换催化剂
低变催化剂的最大特点就是活性温度低，在200～260℃的范围内，变换反应
就能迅速进行。

低变催化剂对硫化物极为敏感，由于生成铜盐而永久性中毒。

氯
或氯离子也引起永久性中毒，这是由于催化剂发生结晶而引起的。

另外，原料气中的不饱和烃可能在催化剂表面析炭或结焦。

1.3宽温耐硫变换催化剂
钴钼系耐硫宽温变换催化剂具有很高的低温活性，它比铁系高温变换催化剂起活温度低100～150℃，甚至在160℃就显示出优异的活性，与铜系低温变换催化剂相当，且其耐热性能与铁铬系高温变换催化剂相当，因此具有很宽的活性温区，几乎覆盖了铁系高温变换催化剂和铜系低温变换催化剂整个活性温区。

其最突出的优点是其耐硫和抗毒性能很强，另外还具有强度高、使用寿命长等优点。

但其致命的缺点是使用前需要繁琐的硫化过程，使用中工艺气体需要保证一定的硫含量和较高的汽气比，以防止催化剂反硫化的发生，特别是在高温操作时更为严重，随着温度的升高，最低的硫含量和汽气比也随之提高，当原料含硫波动较大时，造成操作过程控制复杂化。

1.4三种系列催化剂的性能比较表
经上综合比较，煤间接液化制油、煤制甲醇、煤制乙二醇等项目变换工艺推荐选用Co-Mo系宽温耐硫催化剂。

2反应器(变换炉)型式的选择
变换炉是变换系统的核心，是CO转化为H2的关键设备，变换炉的设计，要
求做到催化剂利用率高，CO的变换率高低可调，温度操作控制手段简单有效、流
程结构简单、系统阻力小、自热利用合理，热损失少。

变换炉内CO反应热的移
出方式，决定于变换炉的结构形式。

从这个角度来看变换炉分为绝热型变换炉和
等温型变换炉两类。

2.1绝热型变换炉
绝热型变换炉是国内氮肥行业普遍使用的炉型。

这种变换炉为全轴向型塔或
轴径向塔，所装催化剂一般分为一～三段，煤气经过催化剂床层升高到一定温度后，出段间间接换热或直接冷激，将气体温度降低。

而后进入下一段催化剂床层
继续反应。

一般第一段催化剂反应温度较高，目的在于加快反应速度，提高催化
剂的利用率。

第二段反应温度较第一段低，最后一段反应温度最低，主要考虑化
学平衡。

这样由于温度不断的变换、各处的反应速度不均衡，催化剂的利用率较低，气体通过床层的阻力也较大。

当变换一氧化碳含量超过50%，变换反应因浓度差大，推动力也较大，因此，变换反应床层易超温，催化剂易被还原或烧毁；对合成甲醇来讲，变换的深度浅，且第一段催化剂反应温度较高，可副产中压过热蒸汽。

2.2等温型变换炉
等温型变换炉为全径向塔，在变换炉内催化剂床层中设置换热管，CO反应热
不断通过管内冷介质移走，使催化剂床层从上到下温度变化不大。

这种变换炉由
耐压的外壳和装有催化剂的内件与热交换器所组成。

正常操作时，气体由底部三
通中心管外侧进入，通过外壳与内件之间的环隙，以保持外壁为相对低温，气体
由径向框均匀分布进入催化剂床层，进行CO的变换反应，反应所放出的热量与
埋在催化剂中的换热管内过饱和热水进行热交换。

这样，变换过程在催化剂床中
边反应边换热，反应热由汽包不断的向外释放中压蒸汽而移走，反应后的变换气
离开催化剂床层，径向均匀地进入中心集气管，从中心管导向，在炉底三通排出。

进入蒸汽过热器与汽包来的变换反应热所产生的饱和蒸汽换热，自产的蒸汽再与
煤气混合进入变换炉，这样就形成了变换反应的自热循环利用的目的。

同时通过
汽包蒸汽压力的调节，达到直接控制催化剂床层温度的目的。

2.3绝热型和等温型变换炉的对比
（1）绝热型变换炉
①适应性差：半水煤气CO：30%以下适用，CO高于30%，催化剂床层容易飞温，难于操控；
②绝热温升大，反应段数多，或反应炉多，中间需间接降温或喷水降温；
③操作较复杂，控制床层温度难度大，但实际控制效果迟缓且难于稳定；
④流程长，床层温度高，催化剂容易粉化板结.变换炉及系统阻力大
⑤变换反应热没有合理利用，补充蒸汽量大，运行不经济；
⑥在汽气比低、温度高(＞400℃)时，易发生甲烷化强放热反应，生成无用
的CH4，增加后续工艺的处理麻烦，同时会使催化剂床层温度猛升，烧坏催化剂。

（2）等温型变换：
①适应性强：CO：30～90%原料气均适用，特别是高CO更优，变换气CO：
1.5～0.4%或更低可调；
②恒温、等温、低温、不超温(≤280℃)，催化剂床层无温差；壳体可用
15CrMoR，塔壁薄，设备轻；
③操作简单，控制汽包蒸汽出口压力调压阀，即可操作床层温度；
④变换压力2.0～6.0MPa；根据用户需要确定；
⑤低阻力：反应器阻力～0.01MPa,系统阻力～0.08MPa；
⑥等温变换自产2.5～4.0MPa蒸汽，与管网极少量蒸汽结合，可使变换反应
达到自热循环，热能自用；蒸汽自给，并为其它锅炉提供80℃以上的软水。

经过对比等温变换技术具有流程简单，系统阻力降小，占地少，催化剂装填
量少、使用寿命长等优点，适合处理高一氧化碳浓度的粗煤气或其他工业气体[1]。

结语
变换反应的顺利进行主要取决于两方面的因素，催化剂和变换炉，催化剂是
实现先进工艺的关键因素之一，而反应器的选型对发挥催化剂的活性和寿命有很
大的关系，只有将二者有机结合，才能节能降耗和实现最佳工艺指标。

同时特定
项目变换工艺方案的选择还应综合考虑如下因素:气化方式、下游产品氢碳比要求、系统压降、副产蒸汽规格与全厂蒸汽动力平衡的匹配性及设备运行和维护等[2]。

参考文献
[1]王照成，刘庆亮，李繁荣，丁玲，肖敦峰，胡四斌.等温变换技术及其工
业化应用进展[J].煤化工，2020，48(06)：12-15.
[2]黄金库，樊义龙，王永锋.绝热与等温变换工艺方案比选探析[J].化工设计,2019，29(06):3-7.
[3]张新堂,孙淼元,郝元国.KC -103S 型预硫化耐硫变换催化剂的性能及工
业应用[J].工业催化.2016,(1)。