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摘 要：本文依托合成氨现有装置，针对转化炉燃烧系统已达到供热极限，无法继续提升负荷的情况，深入分析影响氢产量的各项因素，挖掘出在转化过程中仅仅可以通过提高投料量，来提升装置的产氢能力，同时，还能提高转化炉的热效率，延长炉管和转化炉的使用寿命。
关键词：投料量 氢含量 气体成分 甲烷含量 热效率 PSA 催化剂
大庆油田化工有限公司甲醇分公司合成氨装置氢气的设计生产能力是年产0.86万吨。现在转化系统中提供负压的引风机C1107，运转频率已经达到最高上限，无法通过继续增加燃料量来提增热量，形成了制约装置生产的瓶径，使装置只能维持80%的制氢负荷，减少了产品氢的产量。针对在当前硬件无法改变的实际情况下，只有采取调整软件的方法，通过优化工艺指标来提高制氢效率。如：依据转化炉出口气中甲烷含量与出口温度、水碳比等之间的关系曲线是凸型的，变化率是递减的特性，在实际生产中，采取调整转化投料量以及与之相应的指标，在增加氢气产量方面，收到了一定成效。同时，提高转化工序投料量，也有利于提高转化炉的热效率，延长炉管和转化炉的使用寿命等，现对针对上述情况分析如下：
一、提高投料量对装置的影响
1.对转化炉出口气体成分的影响
本装置采用烃类转化法，反应方程式为：
CH4+ H2O→3H2+CO-Q ΔH298=206.3kJ
CO + H2O→H2+CO2 +Q ΔH298=-41.2kJ；
转化反应是强吸热反应，必须通过外界提供热源，来保证反应的顺利进行。现在本装置引风机C1107功率不足，负压无法继续提高，制约着转化炉继续增加供热。针对这种现状我们可以通过提高原料气负荷，来相应地提高了空速，使原料气在通过烟道预热时，可以尽可能多地吸收烟道余热，转化炉出口温度相應地下降，但保证出口温度在790℃以上，水碳比由3.8降至3.2。虽然转化炉出口气体成分也随之改变，出口CH4含量随之上升，但是从转化炉出口工艺气中CH4含量平衡曲线中，可以清晰地看到，CH4含量增加的变化率是递减的。另外，出口气中氢气总量会有一定的增加，相应增加的CH4的量也低于设计指标，完全可以在后续工序PSA中进行脱除，只不过是增加了PSA吹除气中的CH4含量。
2.对转化炉热效率的影响
反应方程式清楚表明，转化反应是一个强吸热反应，吸热多少影响着平衡常数及反应效果。转化炉的作用是提供热源，通过提供燃料气与适当的空气，经过火嘴燃烧，放出热量。根据传热基本方程式：Q=KAΔt，K是材质自身固有的属性，A是炉管的传热表面积，都是恒量；在转化炉提供热量恒定的情况下，增加原料气量，也就是提高了吸热反应气体流量，同时也降低了转化炉管内的温度，Δt增大，吸热推动力由此增加，有利于传递热量，转化炉热效率也就提高了。
3.对炉管使用寿命的影响
转化炉出口温度是决定转化气出口组成的主要因素。提高出口温度可以降低残余甲烷含量，但是温度对转化炉管的使用寿命有着至关重要的影响，例如HK40的耐热合金钢转化管，当管壁温度为950℃时，管子的寿命为84000h，若温度提高10℃，则其寿命就会缩短为6000h, 转化炉出口温度升高10℃时，管出口气体中残余甲烷含量相应减少约1%，同时，转化炉管管壁温度则升高14℃，但是转化管钢材则随着管壁温度上升10℃，所以降低转化炉管管壁温度，对延长炉管的使用寿命是必不可少的。本装置的投料负荷从6300 Nm3提至7000 Nm3时，转化炉出口气体温度也下降了10℃，转化炉管管壁温度也相应地下降了14℃，炉管的使用寿命也就大大增加了。
4.对催化剂使用寿命的影响
催化剂对甲烷转化的反应速度的影响是决定性的的，主要表现在它的活性高低。催化剂的活性在很大程度上又受催化剂还原条件和还原程度的影响，主要是影响催化剂的一些参量，如晶粒大小、比表面、孔径分布、助催化剂分布等都有影响，一般在还原结束时就已经形成。转化炉中转化反应的宏观反应速度是受转化催化剂的内扩散速度控制的，通常情况下，转化催化剂的内表面利用率仅1~2%。在催化剂日常操作过程中，应尽可能沿着理想设计曲线进行，维持稳定的出口气体成分和出口温度，防止因温度高于这一型号催化剂的最高操作温度，以及温度波动变化过大，造成催化剂晶粒增大，孔隙率降低，内表面利用率降低，催化剂活性由此下降。现在本装置转化系统增加了700 Nm3投料量，转化炉供热量保持恒定，转化炉出口气体温度下降了10℃，催化剂晶粒增大变慢，降低了催化剂活性衰退的速度，延长了催化剂的使用寿命。
5.提高投料量对PSA产氢量的影响
PSA吸附是依据不同气体组份在相同压力下在吸附剂上的吸附能力不同和同一气体组份在不同压力下在吸附剂上吸附容量有差异的特性，来实现对混合气中某一组份的分离提纯。变压吸附过程是在两个压力等级下运行。高压下吸附杂质组份，提高吸附压力就是提高了杂质组份的分压，因此提高了吸附剂对杂质组份的吸附能力。低压下进行杂质组份的解吸和吸附剂的再生，尽量降低吸附剂再生压力是为了尽量减少杂质在吸附剂上的残余吸附量。两个压力之间的差值越大，获得的氢气纯度越高，氢气回收率也更高。所以，提高原料气投入量，系统压力也就相应地提高，也就有利于PSA变压吸附的吸附效率。
PSA吸附过程控制是通过固定时间控制的，固定时间内流经的气体总量以及气体杂质含量，决定了它的吸附总量。由于PSA吸附器分子筛床层，存有一定限保护层，防止杂质气体穿透，以保证出口产品氢气质量，所以入PSA工艺气中气体杂质过低，或者空速低，流经气体总量少，未达到分子筛设计保护层时，分子筛床层就未吸满；随之再生时，吹除气中氢气含量升高，造成一定量的氢气浪费。所以可以通过提高空速，也就是提高入PSA的净化气体总量的方法，使吸附杂质气体的分子筛层，尽量接近分子筛的保护层的底限，以降低吹除气中的氢气含量，来相应地提高氢产量。
二、结论
可以在转化过程中，通过提高入转化炉的投料量，来提升装置的产氢能力；同时，还能提高转化炉的热效率，延长炉管和转化炉的使用寿命。
参考文献
[1]《化肥工学丛书——合成氨》化学工业出版社，作者沈浚，朱世勇，冯孝庭.
[2]《化工原理》天津大学出版社.姚玉英编.
关键词：投料量 氢含量 气体成分 甲烷含量 热效率 PSA 催化剂
大庆油田化工有限公司甲醇分公司合成氨装置氢气的设计生产能力是年产0.86万吨。现在转化系统中提供负压的引风机C1107，运转频率已经达到最高上限，无法通过继续增加燃料量来提增热量，形成了制约装置生产的瓶径，使装置只能维持80%的制氢负荷，减少了产品氢的产量。针对在当前硬件无法改变的实际情况下，只有采取调整软件的方法，通过优化工艺指标来提高制氢效率。如：依据转化炉出口气中甲烷含量与出口温度、水碳比等之间的关系曲线是凸型的，变化率是递减的特性，在实际生产中，采取调整转化投料量以及与之相应的指标，在增加氢气产量方面，收到了一定成效。同时，提高转化工序投料量，也有利于提高转化炉的热效率，延长炉管和转化炉的使用寿命等，现对针对上述情况分析如下：
一、提高投料量对装置的影响
1.对转化炉出口气体成分的影响
本装置采用烃类转化法，反应方程式为：
CH4+ H2O→3H2+CO-Q ΔH298=206.3kJ
CO + H2O→H2+CO2 +Q ΔH298=-41.2kJ；
转化反应是强吸热反应，必须通过外界提供热源，来保证反应的顺利进行。现在本装置引风机C1107功率不足，负压无法继续提高，制约着转化炉继续增加供热。针对这种现状我们可以通过提高原料气负荷，来相应地提高了空速，使原料气在通过烟道预热时，可以尽可能多地吸收烟道余热，转化炉出口温度相應地下降，但保证出口温度在790℃以上，水碳比由3.8降至3.2。虽然转化炉出口气体成分也随之改变，出口CH4含量随之上升，但是从转化炉出口工艺气中CH4含量平衡曲线中，可以清晰地看到，CH4含量增加的变化率是递减的。另外，出口气中氢气总量会有一定的增加，相应增加的CH4的量也低于设计指标，完全可以在后续工序PSA中进行脱除，只不过是增加了PSA吹除气中的CH4含量。
2.对转化炉热效率的影响
反应方程式清楚表明，转化反应是一个强吸热反应，吸热多少影响着平衡常数及反应效果。转化炉的作用是提供热源，通过提供燃料气与适当的空气，经过火嘴燃烧，放出热量。根据传热基本方程式：Q=KAΔt，K是材质自身固有的属性，A是炉管的传热表面积，都是恒量；在转化炉提供热量恒定的情况下，增加原料气量，也就是提高了吸热反应气体流量，同时也降低了转化炉管内的温度，Δt增大，吸热推动力由此增加，有利于传递热量，转化炉热效率也就提高了。
3.对炉管使用寿命的影响
转化炉出口温度是决定转化气出口组成的主要因素。提高出口温度可以降低残余甲烷含量，但是温度对转化炉管的使用寿命有着至关重要的影响，例如HK40的耐热合金钢转化管，当管壁温度为950℃时，管子的寿命为84000h，若温度提高10℃，则其寿命就会缩短为6000h, 转化炉出口温度升高10℃时，管出口气体中残余甲烷含量相应减少约1%，同时，转化炉管管壁温度则升高14℃，但是转化管钢材则随着管壁温度上升10℃，所以降低转化炉管管壁温度，对延长炉管的使用寿命是必不可少的。本装置的投料负荷从6300 Nm3提至7000 Nm3时，转化炉出口气体温度也下降了10℃，转化炉管管壁温度也相应地下降了14℃，炉管的使用寿命也就大大增加了。
4.对催化剂使用寿命的影响
催化剂对甲烷转化的反应速度的影响是决定性的的，主要表现在它的活性高低。催化剂的活性在很大程度上又受催化剂还原条件和还原程度的影响，主要是影响催化剂的一些参量，如晶粒大小、比表面、孔径分布、助催化剂分布等都有影响，一般在还原结束时就已经形成。转化炉中转化反应的宏观反应速度是受转化催化剂的内扩散速度控制的，通常情况下，转化催化剂的内表面利用率仅1~2%。在催化剂日常操作过程中，应尽可能沿着理想设计曲线进行，维持稳定的出口气体成分和出口温度，防止因温度高于这一型号催化剂的最高操作温度，以及温度波动变化过大，造成催化剂晶粒增大，孔隙率降低，内表面利用率降低，催化剂活性由此下降。现在本装置转化系统增加了700 Nm3投料量，转化炉供热量保持恒定，转化炉出口气体温度下降了10℃，催化剂晶粒增大变慢，降低了催化剂活性衰退的速度，延长了催化剂的使用寿命。
5.提高投料量对PSA产氢量的影响
PSA吸附是依据不同气体组份在相同压力下在吸附剂上的吸附能力不同和同一气体组份在不同压力下在吸附剂上吸附容量有差异的特性，来实现对混合气中某一组份的分离提纯。变压吸附过程是在两个压力等级下运行。高压下吸附杂质组份，提高吸附压力就是提高了杂质组份的分压，因此提高了吸附剂对杂质组份的吸附能力。低压下进行杂质组份的解吸和吸附剂的再生，尽量降低吸附剂再生压力是为了尽量减少杂质在吸附剂上的残余吸附量。两个压力之间的差值越大，获得的氢气纯度越高，氢气回收率也更高。所以，提高原料气投入量，系统压力也就相应地提高，也就有利于PSA变压吸附的吸附效率。
PSA吸附过程控制是通过固定时间控制的，固定时间内流经的气体总量以及气体杂质含量，决定了它的吸附总量。由于PSA吸附器分子筛床层，存有一定限保护层，防止杂质气体穿透，以保证出口产品氢气质量，所以入PSA工艺气中气体杂质过低，或者空速低，流经气体总量少，未达到分子筛设计保护层时，分子筛床层就未吸满；随之再生时，吹除气中氢气含量升高，造成一定量的氢气浪费。所以可以通过提高空速，也就是提高入PSA的净化气体总量的方法，使吸附杂质气体的分子筛层，尽量接近分子筛的保护层的底限，以降低吹除气中的氢气含量，来相应地提高氢产量。
二、结论
可以在转化过程中，通过提高入转化炉的投料量，来提升装置的产氢能力；同时，还能提高转化炉的热效率，延长炉管和转化炉的使用寿命。
参考文献
[1]《化肥工学丛书——合成氨》化学工业出版社，作者沈浚，朱世勇，冯孝庭.
[2]《化工原理》天津大学出版社.姚玉英编.