淺談天然氣制甲醇工藝工業化生產中的難點和過程控制

摘 要：天然氣制甲醇工藝的轉化簡言之即為將天然氣中的主要成分（甲烷）加水蒸氣在特定的溫度、壓力和催化劑的條件下反應生成CO/CO2/H2，轉化反應的設備轉化爐的理解以及實際操作在轉化中重點提出兩點：一轉化管材質、下豬尾管的運行維護和一二段轉化爐的配套問題。

關鍵詞：天然氣制甲醇；一段轉化；二段純氧轉化

作為已有近百年成熟工藝的天然氣制甲醇從當初的國外引進。到國內的小型、中型、大型化的逐步擴大，工藝的日趨完善成熟。相對流程較為簡單，主要分為天然氣的轉化、新鮮氣的壓縮、合成、以及精餾提濃四大塊。工業化生產甲醇基本采用CO、CO2、H2三種新鮮氣在特定的溫度、壓力和催化劑的條件下合成而成。合成甲醇的新鮮氣如何制取。天然氣工藝則采用天然氣與水蒸氣在特定的溫度壓力和催化劑下得出。同時CO、CO2、H2合成出的甲醇含有一定成分的水，根據要求行業標準精餾提濃。故簡言之天然氣生產甲醇工藝的大步驟即為轉化、壓縮、合成、精餾。

1 天然氣制甲醇工藝的轉化

簡言之即為將天然氣中的主要成分（甲烷）加水蒸氣在特定的溫度、壓力和催化劑的條件下反應生成CO/CO2/H2（即合成壓縮所需要的三種新鮮氣）轉化工藝本身是成熟工藝以工業化較長時間。甲烷加水蒸氣生成CO/CO2/H2為典型的吸熱式反應，需要大量的熱量來源。主要講講轉化反應的設備轉化爐。一般的反應溫度約在750-1000℃之間均有。先介紹常見的兩種，一種為單一的一段轉化 （反應溫度一般控制在800-850℃）左右居多，另一種為一段轉化配套二段轉化。一段轉化溫度時控制溫度700-780℃，其后配備的二段轉化溫度控制950℃左右（也有控制900～1000℃）。

對于前面提到的一段轉化和二段轉化。便于通俗的理解一段轉化即為外部燃燒產生熱量通過輻射管內的氣體在催化劑上反應。（屬于外供熱反應），二段轉化一般指反應的天然氣中一部分燃燒產生熱量供剩余的天然氣反應的熱（此反應為自供熱，其反應直接接觸供熱在一個設備罐內進行），一段供熱為外供熱通過燃燒輻射對流在轉化管外，而反應氣體在管內（裝有催化劑）。

一段轉化受到轉化管材質的要求和限制溫度一般為不超過930～950℃，催化劑床層溫度控制則在800～850℃居多，對應的殘余甲烷含量也在3%左右。而二段轉化屬于內部澆筑一個設備內進行。其溫度控制相對較高，一般控制950～980℃（以上溫度均指氣體出口溫度），而其床層溫度可達到1100～1200℃，對應的殘余甲烷一般均低于0.5%。在二段轉化過程中分純氧轉化和加空氣轉化。反應燃燒機需要O2，一種為直接加入氧氣，另一種為加入空氣。

在天然氣制甲醇工藝中如采用二段轉化則采用純氧燃燒。而合成氨工藝中二段轉化采用的為直接加入空氣，合成按工藝需要的有效氣體為H2/N2，N2即從加入的空氣中得取。

在轉化中重點提出兩點：一轉化管材質、下豬尾管的運行維護和一二段轉化爐的配套問題。

2 一、二段轉化爐的配套問題

前面提到轉化反應在其它外在條件不變的情況下提高轉化溫度，殘余甲烷降低一般的二段轉化其參與甲烷含量低于0.5%，同時殘余甲烷在合成新鮮氣中屬于惰性氣體，理論上講轉化氣中的殘余甲烷含量越低越好。那大家會講為什么化工生產不采用二段轉化還有很多采用一段轉化了。此處設計的內容較多主要集中在平衡和能量的綜合利用以及廠區建設的情況等多方便。

2.1 對于單一的天然氣制甲醇工藝流程

工廠沒有配備相關生產工藝流程（單一化）。采用二段轉化的前提條件即為純氧轉化。純氧的來源需采用空分裝置（空分裝置是一個配套裝置，制取氧氣和氮氣）同時在制得氧氣的過程中將有大量的氮氣剩余。對于單一的天然氣制甲醇裝置如果采用二段純氧轉化，氧氣利用大量的氮氣將浪費，經濟上不合理。氮氣主要作用為置換、充壓保壓、以及機組均有配套的工藝生產線，以保證空分裝置運行時的綜合能耗。即多大能力的一段轉化，其對應的就會有二段轉化的相應數據同時配套的空分裝置。一般經過多次計算和實際的生產工藝過程。選擇合適空分裝置，一二段轉化爐相匹配。一般不是就某一個設備而言的。

2.2 一、二段轉化爐的配套問題

裝置的產能以及一段轉化的溫度直接決定了配套的二段轉化所需要的純氧（即空分裝置的大小），一段轉化負荷重、一段轉化爐出口溫度高，則殘余甲烷含量較低，進入二段轉化相應負荷較輕。需要的轉化熱少，純氧少對應的空分能低可以降低。反之一段轉化負荷較輕、轉化爐出口溫度低，增加二段轉化負荷。需要配備相對能力大的空分。一段路轉化氣出口溫度高，一段爐的控制相對的彈性較小。而一般情況控制一段爐出口溫度750℃左右（殘余甲烷10-20%）較多，一段爐控制彈性幅度較大，同時二段爐配備的空分裝置合理。一段爐負荷輕，二段增加純氧用量變相增加空分產能，過剩氮氣則是浪費；一般選擇項適合的配備一段轉化、二段轉化和空分裝置。

2.3 二段轉化的控制

相比較一段轉化的控制，一段轉化爐控制出口溫度，溫度高低直接增加燃料天然氣和配套的鼓引風機，相對柔和。而對于二段純氧轉化，溫度的控制直接決定于加入的純氧量的多少，反應所需要的熱量來源于加入的氧氣和一段轉化來的CO/H2/CH4反應。進來的新鮮氣一部分直接自己燃燒產生熱供沒有燃燒的氣體反應。氧氣加過量反應放出熱多，自身反應所需熱少。不平衡則超溫。氧氣加入少反應放出熱少，自身反應所需熱量不夠。溫度降低。殘余甲烷不能保證。故在二段純氧轉化中控制轉化爐的床層溫度（純氧的加入量比）對于操作至關重要。

一段轉化管材質、下豬尾管的運行維護此問題在工業生產過程天然氣制甲醇一段轉化是一個直觀重點和攻克難點。單一的一段轉化殘余甲烷含量不能控制過高（惰性氣體含量高、馳放氣多反復循環做功能耗高）所以一般還是控制殘余甲烷的含量一般為2-3%，此項也決定了一段轉化爐的溫度，高溫轉化。轉化爐爐管的材質要求和爐管的高溫變化（停產和生產期間的熱應力膨脹）對上下豬尾管的要求。（1）轉化爐爐管的材質要求；（2）上下豬尾管；（3）工藝條件：原料氣的凈化程度硫含量，工藝蒸汽鹽含量等：（4）開車停車時的升溫降溫；（5）頻繁的開停車次數（緊急情況）；（6）精心的調節操作。

天然氣制甲醇工藝已是成熟工藝，在大型化工的實際操作中上述也淺談了關于轉化合成的工藝控制，一二段轉化爐及空分配套、轉化爐爐管、轉化爐下豬尾管以及實際日常操作過程中熱平衡問題。把握住重點天然氣制甲醇工藝操作控制也就變得相對簡單。

參考文獻

[1]一段爐爐管的操作維護[Z].

[2]一段轉化爐出口溫度控制復雜控制系統[Z].

[3]空分控制系統的設計與實踐[Z].

作者簡介：劉明望（1982，1-），男，湖北省秭歸縣人，助理工程師，本科，研究方向：化工工藝。