天然气蒸汽转化炉

天然气自热式转化制合成气的Aspen Plus模拟分析王玉龙; 周恩利; 武麦桂【期刊名称】《《煤化工》》【年(卷),期】2019(047)005【总页数】6页(P8-12,22)【关键词】天然气; 费托尾气; 自热式转化炉; Aspen Plus; 模拟【作者】王玉龙; 周恩利; 武麦桂【作者单位】赛鼎工程有限公司山西太原030032【正文语种】中文【中图分类】TE665.3天然气的化工利用技术一直是世界各国的关注热点，比如以天然气为原料来生产合成氨、甲醇、氢气、乙二醇、合成油等技术[1]。

然而，无论生产以上哪种产品，都需先将天然气转化成合成气，再由合成气生产最终的产品。

由此可见，转化工艺技术是整个天然气化工的基础和龙头，在天然气化工中有着举足轻重的地位。

目前，天然气转化制备合成气的主要工艺技术有：蒸汽转化工艺、联合转化工艺、换热式转化工艺、非催化部分氧化工艺、自热式转化工艺等[2-3]。

为提高陕西省天然气管网冬季调峰保障能力，满足产品多元化发展的需求，陕西燃气集团拟在陕西富平县建设富平燃气综合利用项目。

项目以天然气和费托合成尾气为原料，通过粗脱硫、转化、脱碳、合成气压缩、费托合成、产品分离等工艺技术，生产10万t/a钴基费托合成蜡产品。

本文以富平燃气综合利用项目为例，利用Aspen Plus对以天然气和费托合成尾气为原料气的自热式转化制合成气工艺流程进行了模拟，获得了该流程的转化气组成、设备负荷等工艺参数及公用工程消耗数据，并对不同操作温度下的水碳比、氧碳比、CO2消耗量进行了定性及定量分析。

结果可为设计工作及实际生产提供建设性指导意见。

1 模拟背景1.1 转化装置概况富平燃气综合利用项目转化装置的设置是为了将原料天然气及费托合成尾气通过转化反应生产合成气，产品气 CO+H2总气量为 103 400 m3/h，n（H2）/n（CO）为2.10，转化气中CH4体积分数≤1.0%。

转化装置原料气为天然气和费托合成尾气。

天然气蒸汽锅炉原理天然气蒸汽锅炉是一种利用天然气作为燃料，产生蒸汽来驱动设备的热能装置。

它是工业生产中常用的一种锅炉设备，通常用于发电、供热和工业生产中的蒸汽动力装置等。

天然气蒸汽锅炉的原理主要是通过天然气的燃烧来加热水，使其产生高温高压的蒸汽，然后利用蒸汽的动能来驱动发电机或供热设备。

下面我将详细介绍天然气蒸汽锅炉的工作原理。

首先，天然气蒸汽锅炉的燃烧系统是关键的部分。

当天然气进入锅炉燃烧室时，通过点火系统点火，天然气将和空气混合进行燃烧。

这时，燃烧产生的热能将会被传导给锅炉内的水，使水温升高。

其次，天然气蒸汽锅炉内部有一根或多根水管。

当水温升高到一定温度后，水将发生沸腾，产生大量的蒸汽。

蒸汽会在管道内流动，压力逐渐增加，从而转化成高压的蒸汽。

然后，高温高压的蒸汽可以用于驱动工业设备，比如发电机或供热设备。

在发电厂中，蒸汽可以驱动汽轮机转动，进而带动发电机发电；在供热系统中，蒸汽可以通过管道输送到目标地点，供给热能。

此外，天然气蒸汽锅炉还会产生烟气。

为了减少对环境的影响，现代的天然气蒸汽锅炉通常会安装烟气处理设备，如除尘器和脱硫装置，来净化和减少烟气中的污染物排放。

另外，天然气蒸汽锅炉还有一套自动控制系统。

通过传感器、控制阀和计算机等设备，可以对燃料供给、水位、压力、温度等参数进行实时监测和调节，以保证锅炉的安全运行和高效工作。

总的来说，天然气蒸汽锅炉的原理是利用天然气的燃烧产生的热能来加热水，产生高温高压的蒸汽，然后利用蒸汽的动能来驱动发电机或供热设备。

通过燃烧系统、水管系统、蒸汽驱动系统以及自动控制系统的共同作用，实现了天然气蒸汽锅炉的高效、安全运行。

同时，在锅炉的设计、制造和运行中，还需要考虑节能环保的因素，以减少对环境的影响。

此外，为了提高天然气蒸汽锅炉的效率和安全性，需要对锅炉进行定期的检查和维护，并遵守相关的安全操作规程。

只有在严格遵守操作规程的前提下，天然气蒸汽锅炉才能够安全稳定地工作，为工业生产和生活供热提供可靠的动力和热能。

天然气制备合成气天然气作为一种清洁、环境友好的能源，越来越受到广泛的重视。

天然气作为一种清洁、环境友好的能源，越来越受到广泛的重视。

制合成气是间接利用天然气的重要步骤，也是天然气制氢的基础，充分了解天然气制合成气的工艺与催化剂对于我们进一步研究天然气的利用将有很大帮助。

天然气中甲烷含量一般大于90%，其余为小量的乙烷、丙烷等气态烷烃，有些还含有少量氮和硫化物。

其他含甲烷等气态烃的气体，如炼厂气、焦炉气、油田气和煤层气等均可用来制造合成气。

目前工业上有天然气制合成气的技术主要有蒸汽转化法和部分氧化法。

本文主要对蒸汽转化法进行具体的描述，并具体介绍此工艺的发展趋势。

蒸气转化法蒸气转化法是目前天然气制备合成气的主要途径。

蒸汽转化法是在催化剂存在及高温条件下，使甲烷等烃类与水蒸气反应，生成H2、CO等混合气，其主反应为：CH + H O = CO + 3H，A H © 298 = 206KJ / mol该反应是强吸热的，需要外界供热。

因为天然气中甲烷含量在90%以上，而甲烷在烷烃中热力学最稳定，其他烃类较易反应，因此在讨论天然气转化过程时，只需考虑甲烷与水蒸气的反应。

甲烷水蒸气转化反应和化学平衡甲烷水蒸气转化过程的主要反应有：CH4+ H2O o CO + 3H2，A H © 298 = 206KJ / molCH4+ 2 H2O o CO 2 + 4 H 2，A H © 298 = 165KJ /molCO + H 2 O o CO 2 + H2，A H © 298 = 74.9 KJ /mol可能发生的副反应主要是析碳反应，它们是：CH4 o C + 2H2，A H©298 = 74.9KJ /mol2CO o C + CO2，AH © 298 = -172.5 KJ /molCO + H 2 o C + H 2 O，A H © 298 = -131.4KJ /mol甲烷水蒸气转化反应必须在催化剂存在下才有足够的反应速率。

《化工设备与管道》w w w .t c e d .c o m2009全国石油化工设备暨设备网年会会刊・技术交流・浅谈二段转化炉的设计张君, 毛先胜(东华工程科技股份有限公司设备室)二段转化炉是在以天然气、焦炉气或炼厂气等为原料生产甲醇、氢气、合成氨等装置中完成碳氢化合物蒸汽转化反应的核心设备之一,根据转化反应工艺和生产能力及设备制造能力的需要,有的装置采用一段蒸汽转化炉+二段转化炉的转化工艺,有的装置单独采用一段蒸汽转化炉或二段转化炉的转化工艺,具体采用哪种转化工艺由项目根据实际情况确定。

由于二段转化炉的工作环境非常恶劣,无催化剂的部分氧化转化反应的最高温度常常是在1450～1600℃左右。

工作压力较低,一般在0.6～0.8M Pa 左右;有催化剂的部分氧化转化反应的最高温度常常是在1350～1450℃左右,工作压力较高,一般在1.9～3.5MPa 左右。

仅从温度和压力这两个条件就可看出二段转化炉的工作特点,再加上纯氧(或富氧)的进入,使得它的操作工况非常危险,因此二段转化炉的安全运行对整个生产装置来说是至关重要。

为保证安全,二段转化炉设有非常复杂的安全联锁装置。

尽管如此,二段转化炉开车时仍然需要所有人员撤离操作现场,待烧嘴正常点燃、温度正常后才能到现场查看。

因此二段转化炉的设计一直受到大家的高度重视。

二段转化炉分类有以下几种分类方式:从有无催化剂来分,可以将二段转化炉分为非催化二段转化炉和有催化二段转化炉;从助燃剂是否为纯氧,可将二段转化炉分为纯氧转化炉和富氧转化炉;从有无水夹套,可将二段转化炉分为带水夹套二段转化炉和无水夹套二段转化炉。

是否采用纯氧作为助燃剂主要看转化反应所需要的温度、转化烧嘴的自身性能及催化剂特性。

非催化转化的二段转化炉一定要采用纯氧作为助燃剂。

合成氨装置的二段转化炉多为富氧(富氧空气)转化炉,以天然气为原料的甲醇装置的二段转化炉多为纯氧转化炉;以焦炉气为原料的甲醇装置的二段转化炉有采用纯氧作为助燃剂的,也有采用富氧作为助燃剂的,主要看转化烧嘴的自身性能,进口烧嘴一般多用纯氧作为助燃剂,国产烧嘴一般多用富氧(蒸汽+纯氧)作为助燃剂。

化⼯⼯艺学_习题考试复习第⼀章绪论1、化⼯⼯艺学：研究由化⼯原料到化⼯产品的转化⼯艺，系指原料物质经过化学反应转变为产品的⽅法和过程，包括实现这种转化的全部化学和物理的措施。

2、化⼯⼯艺学是研究内容：由化⼯原料加⼯成化⼯产品的⽣产过程的⽣产⽅法、原理、流程和设备。

3、化⼯⼯艺学的研究⽬的：是创⽴技术先进、经济合理、⽣产安全、环境⽆害的⽣产过程。

4、化⼯⽣产过程：原料预处理、化学反应、产品分离及精制和产品包装与储运四⼤步骤6、“三烯三苯⼀炔⼀萘”：⼄烯、丙烯、丁⼆烯、苯、甲苯、⼆甲苯以及⼄炔和萘。

7、绿⾊化学⽬标为任何⼀个化学的活动，包括使⽤的化学原料、化学和化⼯过程、以及最终的产品，对⼈类的健康和环境都应该是友好的。

第⼆章化⼯原料1、化学⼯业的主要原料：包括煤、⽯油、天然⽓和农副产品等。

2、煤的化⼯利⽤途径主要有煤⼲馏、煤⽓化、煤液化、煤制电⽯。

3、煤的⼲馏是煤在隔绝空⽓条件下，加热分解形成⽓态（煤⽓）、液态（焦油）和固态（半焦或焦炭）产物过程（炼焦、焦化）4、煤的⽓化以煤、焦炭（半焦）为原料，以⽔蒸汽、氧⽓或空⽓为⽓化剂，在⾼温（900～1300℃）条件下，转化成主要含有氢⽓和⼀氧化碳的过程。

5、对⽯油进⾏⼀次加⼯和⼆次加⼯。

⼀次加⼯⽅法为常压蒸馏和减压蒸馏；⼆次加⼯主要⽅法有：催化重整、催化裂化、加氢裂化和烃类热裂解等。

6、原油预处理：⽅法：⽤加破乳剂和⾼压电场联合作⽤的脱⽔脱盐——电脱盐脱⽔。

罐注⽔⽬的：溶解原油中结晶盐、减弱乳化剂作⽤、利于⽔滴聚集。

原理：破乳剂和⾼压电场作⽤下破乳化，使⽔凝聚沉降分离。

为什么原油要进⾏预处理：含盐、含⽔来源；含⽔——增加燃料消耗和冷却⽔消耗；含盐、----在炉管、换热器管形成盐垢，堵塞管路；设备腐蚀7、原油常减压蒸馏主要设备：常压塔，蒸馏塔。

原因：其中350℃以上的⾼沸点馏分，在⾼温（>400℃）会发⽣分解和缩合反应，产⽣焦炭，导致管路堵塞. 现代技术通过减压蒸馏可从常压重油中拔出低于550℃的馏分。

天然气制氢装置转化炉介绍天然气制氢转化炉是制氢装置中转化反应的反应器，属于装置的心脏设备。

这是一种非常特殊的外热式列管反应器，由于转化反应的强吸热及高温等特点，这种反应器被设计成加热炉的形式，催化剂装在一根根的转化炉管内，在炉膛内直接加热，反应介质通过炉管内的催化剂床层进行反应。

转化炉苛刻的操作条件，使得这种炉子有很多有别于其它加热炉的特殊性，在炉子结构、炉管材料、管路系统支撑、管路系统应力、管路系统膨胀及补偿、燃烧、烟气流动及分配、耐火材料等各方面都必须精心考虑。

一、天然气制氢转化炉的炉型及结构1.1 炉型制氢装置转化炉按辐射室供热方式进行分类，可分为以下四种方式：1) 顶烧炉：这是很多公司都采用的一种炉型。

这种炉型的燃烧器布置在辐射室顶部，转化管受热形式为单排管受双面辐射，火焰与炉管平行，垂直向下燃烧，烟气下行，从炉膛底部烟道离开辐射室。

这种炉型的对流室均布置在辐射室旁边。

2) 侧烧炉：这种炉型以丹麦TOPSφE公司为代表。

这种炉子的燃烧器布置在辐射室的侧墙，火焰附墙燃烧。

早期转化管的受热形式多为炉膛中间的双排管受侧墙的双面辐射，由于受热形式不好，操作条件苛刻时，炉管易弯曲，现在大部分都改为单排管受双面辐射的形式。

这种炉子的烟气上行，对流室置于辐射室顶部，大型装置的对流室考虑到结构及检修等原因，对流室经常放置在辐射室旁边。

3) 梯台炉：这种炉型以美国FOSTER WHEELER公司为代表。

这种炉子的辐射室侧墙呈梯台形，燃烧器火焰沿倾斜炉墙平行燃烧，通过炉墙向转化管辐射传热。

与侧烧炉类似，转化管可以为双排或单排。

这种炉子的对流室全部置于辐射室顶部，烟气上行，采用自然抽风，没有引风机。

4) 底烧炉：这种炉型目前多用于小型装置。

燃烧器位于辐射室底部，烟气上行。

1.2炉型结构比较1) 传热方式顶烧炉的燃烧器安装在辐射室顶部，火焰从上往下烧，烟气流动方向与转化管内介质流动方向相同，传热方式为并流传热。

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·molCH4+2H2O→CO+4H2-185098kj∕kg·molCH4+CO2→2CO+2H2-247478 kj∕kg·molCO+H2O→CO2+H2-41190kj∕kg·mol析碳反应：CH4→C+2H2-74898 kj∕kg·mol2CO→C+CO2+172580 kj∕kg·molCO+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）H２1.2 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。

天然气水蒸气转化设计一、氢气的用途及制造方法氢气是炼油工业中加氢裂化、加氢精制等加氢工艺中主要的原料。

在工业生产中，制氢包括两个过程，即含氢气体制造（造气）及氢气提纯（净化）。

根据不同的制氢原料和所需氢气用途不同，采用不同制造工艺，得到不同纯度的氢气。

目前制造含氢气体的原料主要是碳氢化合物，包括固体（煤）、液体（石油）及气体（天然气、炼厂气）。

水是制造氢气的另一重要原料，如电解水。

水也可以与碳氢化合物相结合制得氢气―即烃的水蒸气转化法。

二、天然气和水蒸气转化制氢天然气是廉价的制氢原料。

天然气和油田伴生气的主要成分是CH4，杂质含量少，含硫量也低，主要是硫化氢，含少量的羰基硫和硫醇，很容易加工处理，是制氢的好原料。

天然气是由以低分子饱和烃为主的烃类气体与少量非烃类气体组成的混合气体。

目前天然气大型化工利用的主要途径是经过合成气生产合成氨、甲醇及合成油等。

而在上述产品的生产装置中，天然气转化制合成气工序的投资及生产费用通常占装置总投资及总生产费用的60%左右。

因此，在天然气的化工利用中，天然气转化制合成气占有特别重要的地位。

以天然气为原料生产合成气的方法主要有转化法和部分氧化法。

工业上多采用水蒸气转化法，水蒸气转化是指烃类被水蒸气转化为氢气和一氧化碳及二氧化碳的化学反应。

蒸汽转化核心是转化炉，拥有天然气制氢技术的各大公司转化炉的型式、结构各有特点，上、下集气管的结构和热补偿方式以及转化管的固定方式也不同。

虽然对流段换热器设置不同，但是从进出对流段烟气温度数据可知，烟道气的热回收率相差不大。

在近期的工艺设置上，各公司普遍采用较高转化温度和相对较低水碳比的工艺操作参数设置有利于转化深度的提高，从而简化原料的消耗。

天然气蒸汽转化炉天然气蒸汽转化炉是天然气蒸汽转化制合成气的主体设备。

它是使天然气与蒸汽混合物通过转化管（反应管）转化成富含氢、一氧化碳、二氧化碳的合成气。

转化管由外部辐射加热，管内装有含镍催化剂。

煤化工与甲醇化 工 设 计 通 讯Coal Cemical MethanolChemical Engineering Design Communications·10·第47卷第5期2021年5月当前，我国现代化进程不断推进，石油资源的稀缺程度日益提升，人们已经加强了对天然气蒸汽转化制氢工艺的重视程度，氢气属于一种能量载体，其具备清洁优势及可再生优势，属于十分重要的清洁能源，氢气在工业之中用途十分广泛，不仅可以进行合成甲醇和合成氨原料气的制作，也可在煤炭之中直接加入进行原料气的制作，可作为燃料池燃料气等，本文就天然气制氢工艺进行研究，并分析了相关工艺流程。

1 天然气蒸汽转化制氢工艺原理依靠空气及天然气作为制氢工艺的应用主要原理，依靠催化剂的催化作用，以更好地实现种地温度的变化，在温度条件一定的情况下，压力值处于规定值状态下，依靠催化剂开展催化处理，以更好地进行高低温的转变，实现有效的脱硫处理，采取甲烷化工序进行制造，可使之形成质量合格的氢氮气，将其在正常的生产工序之中应用，其属于天然气蒸汽转化制氢最基本的技术原理[1]。

这一工艺应用中，必须采取压缩处理措施开展天然气的处理，并依照脱硫处理方式，将水蒸气与天然气相结合，充分对二者进行混合后，依靠镍的催化效用，将天然气转化为氢气物质，以此依靠中低温变化形式，帮助一氧化碳转化为氢气，这一气体也被称之为编花器，完成后，采取冷却及分离措施进行干预后，进行变压吸附干预，并进行甲烷的净化处理，以此获得纯度较高的氢气气体。

2 天然气蒸汽转化制氢工艺流程2.1 脱硫工艺脱硫工艺应用中，最主要的环节就是对无机硫进行脱除后，依靠硫化氢与氧化锌反应，使之内部形成结构稳定性较高的硫化物，以此对硫化氢开展有效的脱除干预，这一过程应用中，必须将硫的含量进行合理控制，以0.2×10-6以下为宜，反应发生过程中，成本较低，工业生产效率较高，必须合理进行精细脱硫剂的选择，不可将其应用于较高比例的脱硫之中，无法应用于较低脱硫之中[2]。