煤制油天然气制氢烃类蒸汽转化炉设备操作规程

煤制油天然气制氢烃类蒸汽转化炉设备操作规程

一、简介

以烃类为原料，用蒸汽转化法生产合成氨原料气和氢气，在合成氨、炼油、石油化工、冶金等工业部门具有特定的地位。炼油厂的制氢炉、甲醇厂的制氢转化炉合成氨厂的一段转化炉等都属于烃类蒸汽转化炉。其工作原理、操作参数和结构设计等都大致相同。所不同的是合成氨厂因有二段转化炉，因此其一段转化炉的转化率要低一些，残余甲烷比制氢炉高一倍左右，一段转化炉的残余甲烷一般是12%-15%，而制氢炉的仅5%-7%。

就合成氨工业而言，目前世界上应有该法生产的原料气占其总产量的80%以上。天然气蒸汽转化最早由德国法本公司，英国I.C.I公司和美国美孚公司进行研究，1936年英国建立了第一套生产装置，1959年英国又建立了第一套石脑油蒸汽转化装置，该技术得到了进一步的发展并日趋完善。烃类蒸汽转化制氢的路线具有工艺流程短、投资省、能量利用合理、自控程度高、环境污染少等优点，因此，应用极为普

遍。

为多生产化肥支持农业，我国在上世纪70年代引进薄8套以天然气为原料的大型合成氨装置，建于大庆、辽河、沧州、齐鲁二化、泸天化、赤天化、云天化；80年代迄今又引进8套以天然气为原料的大型合成氨装置，建于濮阳、锦西、涪陵、合江、海南、乌石化。

二、烃类蒸汽转化概述

1.烃类蒸汽转化热力学

1.1化学反应

主要反应：

CH4+H2O→CO+3H2-206288kj∕kg·mol

CH4+2H2O→CO+4H2-185098kj∕kg·mol

CH4+CO2→2CO+2H2-247478 kj∕kg·mol

CO+H2O→CO2+H2-41190kj∕kg·mol

析碳反应：

CH4→C+2H2-74898 kj∕kg·mol

2CO→C+CO2+172580 kj∕kg·mol

CO+H2→C+H2O+131390 kj∕kg·mol

对于烃类混合物（包括轻油）转化时，通过换算，用下列统式表示：

CHｍ+（a+b）H２O→Aco+bCO２＋(1-a-b)CH４＋（3a＋4b－4－m ∕2）H２

1.2 影响平衡甲烷含量的因素

根据反应式，用平衡转移的原理进行分析。

温度：因为是吸热反应，温度升高，则平衡甲烷含量降低，反之则升高。

压力：因为是增分子反应，压力升高，则平衡甲烷含量升高，反之，则降低。

水碳比：水碳比增加，相当于向系统中加入水蒸气。平衡向生成一氧化碳的方向移动，甲烷含量减少，反之，则升高。

氢碳比：原料的氢碳比增加，相当于向系统加入氢气，则平衡向生成甲烷饿方向移动，平衡甲烷含量省锆，反之，

则降低。

三、烃类蒸汽转化流程

1、凯洛格流程

天然气首先被压缩至3.6MPa，通过对流段预热至350℃左右进入钴钼反应器和氧化脱硫槽，将硫脱至小于后与中压蒸汽混合（水碳比为2.7-3.5），再入对流段预热至520℃左右，通过上集气管，猪尾管从辐射段顶部进入转化炉管，在转化炉管内边反应边吸热，当离开炉管底部时温度达820℃，甲烷含量为10％左右，压力3.1MPa，经炉底分集气管和上升管，0.5ppm温度升至850℃左右，出炉顶汇集子集气总管再入二段炉。工艺空气压缩至3.3-3.5MPa并混入少量蒸汽经对流段预热至450℃后进入二段炉，与一段炉转化气混合、燃烧、进一步转化、出二段炉的温度达1000℃左右，甲烷含量小于0.4％，二段炉出来的工艺气经第一，第二废热锅炉温度降至370℃以后进入变换炉。辐射段出来的烟气温度为1000℃左右，经对流段预热工艺混合气，工艺空气，动力蒸

汽，原料气锅炉给水等使温度降至240℃左右后由引风机排入大气。

流程设置中的关键设备为一段转化炉，烃类蒸汽转化反应主要在此进行，为了维持正常操作，必须使转化反应和传热相适应，在满足工艺要求的前提下，力求降低对转化炉管

的要求和节约高温合金钢的使用。就合成氨生产而言，它要求转化后的甲烷含量越低越好，一般不大于0.5%,如果这任务全由一段炉来承担，则出口温度为1000℃左右，这无疑对炉管材料的要求太苛刻了。由于制合成氨原料气时需要氮。因而又引出了二段炉流程，一段炉反应所需的热量是通过管壁从高温烟气中传入的，因此对炉管要求较高，因二段炉是绝热反应，高温的或得是靠工艺气中的氢、一氧化碳和甲烷与空气中的氧燃烧，不需传热的高合金材料，只需耐火衬里就行了。对于制氢，就不能没二段炉，它的操作条件也不一样，所得气体中甲烷含量也远大于0.5%，对流段的设置，一方面是充分利用废热，另一方面也是减少辐射段的热负荷，以就可节省高温材料。脱硫设备的设置是由于转化催化剂的要求。二段炉气废热锅炉的设置也是充分回收能量。

四、一段转化炉炉型

4、1 烃类蒸汽转化炉的要求：

（1）烃类蒸汽转化炉的工作条件比较苛刻，使用的都是耐高温的镍铬的合金材料，因此在炉子设计时要求合理使用炉管及尽量降低对炉管的要求，防止局部过热，使周向和轴向温度分布均匀。

（2）烃类蒸汽转化是伴有传热、传质、动量传递和复杂化学反应的综合过程，要求传热与反应必须相适应，对于并行的复杂反应，能够控制其反应的进程。设计时所选用的炉型、原料、催化剂和操作条件是一个整体，不能乱套，我国两湖的气改油工程中出现的问题就是一个教训。

（3）力求炉子结构简单、紧凑。

（4）热能利用率高。

4、2 现目前世界上有代表性的I.C.I、Topse、kellogg和

Foster Wheeler四种炉型。现结合神华天然气装置，主要介绍Kellogg型转化炉。

4、2、1、 Kellogg型转化炉

引进的年产30*104t合成氨装置中的转化炉，如图：

1）转化炉结构尺寸为13m（长）*17m（宽）*10m（高）。炉内装有378根炉管、分为9排、每排42根。每排炉管下端与一个下集气管焊接，下集气管外面有轻质绝热材料保温，集气管的中间又焊上一根上升管，九个上升管伸出炉顶