水碳比對轉化反應的影響分析

楊敏興

（山西天脊潞安化工有限公司，山西 長治 047500）

0 引言

合成氨作為全球第二大化工產品，其生產工藝逐步向大型化、清潔化、低能耗、長周期等方向發展，但由于巨大的市場需求影響，如今仍有部分小型合成氨生產單位還在運行，相較于大型生產單位，小型單位整體規模較小，為有效保障生產單位的持續發展，勢必要提高單位市場核心競爭力。據此，對天然氣轉化工藝的技術原理進行分析研究，進而獲取最佳水碳比，為小型合成氨生產單位技術升級提供理論參考，促使小型單位市場競爭能力得到有效提升，將具有一定的現實意義。

1 天然氣轉化工藝的技術原理

天然氣轉化工藝是以水蒸氣為氧化劑，以鎳金屬作為催化劑，將天然氣中的烴類物質轉化為合成氨粗原料氣的過程。此轉化反應過程為強吸熱過程，一般反應過程分兩個反應階段：第一階段為換熱式轉換率中通過水蒸氣對部分天然氣進行分解；第二階段為使用二段轉化爐對分解后的氣體進行深度轉化處理，并在此過程中配入氮，完成合成氨粗原料氣轉化[1-2]。整個反應過程的化學反應方程式如式（1）、式（2）：

以上兩個化學反應的平衡常數計算分別采用公式（1）、式（2）：

式中：KP為化學反應平衡常數的溫度函數。當反應環境中的壓力較高時，也需要在反應中考慮壓力對反應過程的影響。實際天然氣轉化反應過程需要在高溫加壓環境下進行，不過考慮到反應中的加壓較小，所以為方便計算，可一定程度上忽略壓力對平衡常數所造成的影響。

脫硫合格的天然氣與工藝蒸汽充分混合后，可通過FRC 調節蒸汽量，形成水碳比為3.0～3.5 的混合氣，經由轉換氣預熱器將混合氣預熱至530 ℃后，進入到換熱式轉化爐上分氣箱，借助轉換管的阻力降均勻分配給各轉化管，以鎳金屬作為催化劑進行一段轉化。作為強吸熱反應，其反應過程中所需的熱源主要來自于二段轉化爐燃燒反應中產生的高溫工藝氣支持。一段轉化后的氣體經過下豬尾管進入下收集箱，再經由上外管進入二段轉化爐實施二段轉化[3]。具體轉化過程中氣體會軸向向下流動，并在流動中與徑向射流流動的富氧空氣充分混合，進行部分燃燒反應，此燃燒反應過程溫度可達到1 000～1 400 ℃，在此溫度下，天然氣將會出現非催化轉化反應，并在催化劑的支持下實施深度轉化反應。

在實施天然氣蒸汽轉化反應的同時，在一定條件下，反應過程也會出現碳反應，具體化學反應方程式如式（3）～式（5）：

以上3 個化學反應的平衡常數計算分別采用公式（3）～式（5）：

假設甲烷、水蒸氣、一氧化碳、氫、二氧化碳的摩爾分數分別為yCH4、yH2O、yCO、yCO2、yH2，系統的總壓和各組分的分壓分別為P 和p，則可根據以上化學公式的平衡常數[式（6）～式（8）]來判斷化學反應中是否有碳析出。具體來說，若是可滿足以下任意一個表達式，則系統中不會出現碳析出，反之則會出現碳析出。

2 甲烷蒸汽轉化反應熱力學分析

基于某小型合成氮生產單位水碳比調整試驗數據，5 次實測結果如表1 所示。

表1 某小型合成氮生產單位水碳比調整試驗數據

通過計算機編程方式將實驗數據代入現有研究成果中的熱力學公式進行計算分析，具體計算結果如表2 所示。

表2 甲烷蒸汽轉化反應熱力學計算結果

將甲烷蒸汽轉化反應熱力學計算結果與理論計算結果和實驗結果進行匹配對比后，確認三者之間的誤差較小，說明現有研究成果中的熱力學計算公式可作為理論計算指導。

3 低水碳比對轉化反應的影響分析

表2 中的甲烷蒸汽轉化反應熱力學計算結果為在標準條件下，水碳比一定時，每100 kmol 甲烷轉化反應后，在一段轉化爐出口處和二段轉化爐出口處氣體成分，根據計算結果可知，當水碳比為3.2 時，每100 kmol 天然氣轉化后所生成的CO 和H2氣體量為281.52 kmol，而當水碳比下降至2.7 時，每100 kmol 天然氣轉化后所生成的CO 和H2氣體量為328.37 kmol，相較于水碳比為3.2 時，水碳比為2.7 時天然氣轉化反應后，二段轉化爐出口處CO 和H2氣體體積分數提升16.64%，實際提升效果較為明顯。

另外，為判斷在低水碳比條件下天然氣轉化反應過程中是否會出現碳析情況，還需要將以上分析結果代入到公式（6）中進行計算分析，進而確認不會出現碳析出情況，證明可將低水碳比作為氨合成中的水碳比控制條件，并以此提高合成氨產量。

4 最佳水碳比在天然氣轉化工藝生產中的實際應用

為進一步確認低水碳比對天然氣轉化工藝的影響，以某小型合成氮生產單位為研究對象，分別將天然氣轉化工藝中的水碳比控制在2.7 和3.2，然后采用相同的工藝流程實施天然氣轉化生產和不同水碳比對比應用試驗。

通過工程應用方向，相較于水碳比為3.2 時，水碳比為2.7 時二段轉化爐出口處氣體體積分數提高16%左右，可有效提高氨合成產量約16%左右。其次，在生產過程中，每100 kmol 天然氣轉化過程還可以減少富氧氣體使用量約2kmol，降低富氧消耗量約8.9%。最后，天然氣轉化過程中水蒸氣使用量也減少15.6%，促使天然氣和水蒸氣混合氣在經過二段轉化爐加熱時所消耗的熱量減少約13.5%。總體來說，水碳比為2.7 時可降低天然氣轉化工藝綜合生產成本約16.5%，提高產量約16%，證明可有效提高氨合成天然氣轉化工藝的生產經濟效益。

5 結語

通過研究分析，可得到以下研究成果：

1）通過理論分析確認，相較于水碳比為3.2 時，水碳比為2.7 時天然氣轉化反應后，二段轉化爐出口處CO 和H2氣體體積分數提升16.64%，實際提升效果較為明顯。

2）通過工程實踐分析確認，水碳比為2.7 時可降低天然氣轉化工藝綜合生產成本約16.5%，提高產量約16%，證明可有效提高氨合成天然氣轉化工藝的生產經濟效益。

總體來說，低水碳比可有效提高氨合成天然氣轉化工藝的生產經濟效益，有利于保障小型合成氮生產單位的市場核心競爭能力，因而相關單位可在生產工藝升級改造過程中有效采用此水碳比，以此在提高氨合成產量的同時，降低綜合生產成本，推動企業實現長久健康發展。