浅谈天然气制甲醇工艺工业化生产中的难点和过程控制
摘 要：天然气制甲醇工艺的转化简言之即为将天然气中的主要成分（甲烷）加水蒸气在特定的温度、压力和催化剂的条件下反应生成CO/CO2/H2，转化反应的设备转化炉的理解以及实际操作在转化中重点提出两点：一转化管材质、下猪尾管的运行维护和一二段转化炉的配套问题。
关键词：天然气制甲醇；一段转化；二段纯氧转化
作为已有近百年成熟工艺的天然气制甲醇从当初的国外引进。到国内的小型、中型、大型化的逐步扩大，工艺的日趋完善成熟。相对流程较为简单，主要分为天然气的转化、新鲜气的压缩、合成、以及精馏提浓四大块。工业化生产甲醇基本采用CO、CO2、H2三种新鲜气在特定的温度、压力和催化剂的条件下合成而成。合成甲醇的新鲜气如何制取。天然气工艺则采用天然气与水蒸气在特定的温度压力和催化剂下得出。同时CO、CO2、H2合成出的甲醇含有一定成分的水，根据要求行业标准精馏提浓。故简言之天然气生产甲醇工艺的大步骤即为转化、压缩、合成、精馏。
1 天然气制甲醇工艺的转化
简言之即为将天然气中的主要成分（甲烷）加水蒸气在特定的温度、压力和催化剂的条件下反应生成CO/CO2/H2（即合成压缩所需要的三种新鲜气）转化工艺本身是成熟工艺以工业化较长时间。甲烷加水蒸气生成CO/CO2/H2为典型的吸热式反应，需要大量的热量来源。主要讲讲转化反应的设备转化炉。一般的反应温度约在750-1000℃之间均有。先介绍常见的两种，一种为单一的一段转化 （反应温度一般控制在800-850℃）左右居多，另一种为一段转化配套二段转化。一段转化温度时控制温度700-780℃，其后配备的二段转化温度控制950℃左右（也有控制900～1000℃）。
对于前面提到的一段转化和二段转化。便于通俗的理解一段转化即为外部燃烧产生热量通过辐射管内的气体在催化剂上反应。（属于外供热反应），二段转化一般指反应的天然气中一部分燃烧产生热量供剩余的天然气反应的热（此反应为自供热，其反应直接接触供热在一个设备罐内进行），一段供热为外供热通过燃烧辐射对流在转化管外，而反应气体在管内（装有催化剂）。
一段转化受到转化管材质的要求和限制温度一般为不超过930～950℃，催化剂床层温度控制则在800～850℃居多，对应的残余甲烷含量也在3%左右。而二段转化属于内部浇筑一个设备内进行。其温度控制相对较高，一般控制950～980℃（以上温度均指气体出口温度），而其床层温度可达到1100～1200℃，对应的残余甲烷一般均低于0.5%。在二段转化过程中分纯氧转化和加空气转化。反应燃烧机需要O2，一种为直接加入氧气，另一种为加入空气。
在天然气制甲醇工艺中如采用二段转化则采用纯氧燃烧。而合成氨工艺中二段转化采用的为直接加入空气，合成按工艺需要的有效气体为H2/N2，N2即从加入的空气中得取。
在转化中重点提出两点：一转化管材质、下猪尾管的运行维护和一二段转化炉的配套问题。
2 一、二段转化炉的配套问题
前面提到转化反应在其它外在条件不变的情况下提高转化温度，残余甲烷降低一般的二段转化其参与甲烷含量低于0.5%，同时残余甲烷在合成新鲜气中属于惰性气体，理论上讲转化气中的残余甲烷含量越低越好。那大家会讲为什么化工生产不采用二段转化还有很多采用一段转化了。此处设计的内容较多主要集中在平衡和能量的综合利用以及厂区建设的情况等多方便。
2.1 对于单一的天然气制甲醇工艺流程
工厂没有配备相关生产工艺流程（单一化）。采用二段转化的前提条件即为纯氧转化。纯氧的来源需采用空分装置（空分装置是一个配套装置，制取氧气和氮气）同时在制得氧气的过程中将有大量的氮气剩余。对于单一的天然气制甲醇装置如果采用二段纯氧转化，氧气利用大量的氮气将浪费，经济上不合理。氮气主要作用为置换、充压保压、以及机组均有配套的工艺生产线，以保证空分装置运行时的综合能耗。即多大能力的一段转化，其对应的就会有二段转化的相应数据同时配套的空分装置。一般经过多次计算和实际的生产工艺过程。选择合适空分装置，一二段转化炉相匹配。一般不是就某一个设备而言的。
2.2 一、二段转化炉的配套问题
装置的产能以及一段转化的温度直接决定了配套的二段转化所需要的纯氧（即空分装置的大小），一段转化负荷重、一段转化炉出口温度高，则残余甲烷含量较低，进入二段转化相应负荷较轻。需要的转化热少，纯氧少对应的空分能低可以降低。反之一段转化负荷较轻、转化炉出口温度低，增加二段转化负荷。需要配备相对能力大的空分。一段路转化气出口温度高，一段炉的控制相对的弹性较小。而一般情况控制一段炉出口温度750℃左右（残余甲烷10-20%）较多，一段炉控制弹性幅度较大，同时二段炉配备的空分装置合理。一段炉负荷轻，二段增加纯氧用量变相增加空分产能，过剩氮气则是浪费；一般选择项适合的配备一段转化、二段转化和空分装置。
2.3 二段转化的控制
相比较一段转化的控制，一段转化炉控制出口温度，温度高低直接增加燃料天然气和配套的鼓引风机，相对柔和。而对于二段纯氧转化，温度的控制直接决定于加入的纯氧量的多少，反应所需要的热量来源于加入的氧气和一段转化来的CO/H2/CH4反应。进来的新鲜气一部分直接自己燃烧产生热供没有燃烧的气体反应。氧气加过量反应放出热多，自身反应所需热少。不平衡则超温。氧气加入少反应放出热少，自身反应所需热量不够。温度降低。残余甲烷不能保证。故在二段纯氧转化中控制转化炉的床层温度（纯氧的加入量比）对于操作至关重要。
一段转化管材质、下猪尾管的运行维护此问题在工业生产过程天然气制甲醇一段转化是一个直观重点和攻克难点。单一的一段转化残余甲烷含量不能控制过高（惰性气体含量高、驰放气多反复循环做功能耗高）所以一般还是控制残余甲烷的含量一般为2-3%，此项也决定了一段转化炉的温度，高温转化。转化炉炉管的材质要求和炉管的高温变化（停产和生产期间的热应力膨胀）对上下猪尾管的要求。（1）转化炉炉管的材质要求；（2）上下猪尾管；（3）工艺条件：原料气的净化程度硫含量，工艺蒸汽盐含量等：（4）开车停车时的升温降温；（5）频繁的开停车次数（紧急情况）；（6）精心的调节操作。
天然气制甲醇工艺已是成熟工艺，在大型化工的实际操作中上述也浅谈了关于转化合成的工艺控制，一二段转化炉及空分配套、转化炉炉管、转化炉下猪尾管以及实际日常操作过程中热平衡问题。把握住重点天然气制甲醇工艺操作控制也就变得相对简单。
参考文献
[1]一段炉炉管的操作维护[Z].
[2]一段转化炉出口温度控制复杂控制系统[Z].
[3]空分控制系统的设计与实践[Z].
作者简介：刘明望（1982，1-），男，湖北省秭归县人，助理工程师，本科，研究方向：化工工艺。