CHRISTIAN LIBRERA博士科萊恩催化劑合成氣業(yè)務副總裁

一段轉化爐是合成氣生產(chǎn)中能耗最大的環(huán)節(jié)。本文介紹了一種新型蒸汽轉化催化劑，可大幅降低能源消耗并提高生產(chǎn)率。

1 合成氣生產(chǎn)

合成氣的生產(chǎn)過程包含蒸汽轉化工藝，蒸汽在鎳催化劑的作用下，將碳氫化合物如甲烷和石腦油等轉化為氫和碳基成分（CO、CO2）。這一過程在甲烷蒸汽轉化爐中進行，垂直的轉化管（每個轉化管可視為一個獨立的反應器）均裝有催化劑，由外部燃燒供熱以進行所需的吸熱轉化反應。根據(jù)工廠的工藝設計，燒嘴可位于轉化爐的頂部、底部或側壁。

蒸汽轉化爐是合成氣工廠的核心裝置，也是能耗最大和成本最高的設備。蒸汽轉化爐結構復雜，熔爐和管道等裝置費用高昂，給項目帶來了相當大的資金負擔。由于轉化反應在極端溫度下才能進行，能源成本高，因此轉化爐對生產(chǎn)工廠的運營成本也有著較大的影響。

2 蒸汽轉化催化劑

用于促進管內(nèi)化學反應的轉化催化劑的性能對工藝成本和效率影響很大。轉化爐運行溫度高，接近爐管材料的極限，再加上蒸汽轉化反應為吸熱反應，需要高活性且穩(wěn)定的催化劑以防止爐管過熱。除此之外，在已裝填催化劑的床層中，甲烷蒸汽轉化爐通常具有最大的壓降，額外的天然氣壓縮成本可導致成本上升，從而在某些情況下成為工廠產(chǎn)量的瓶頸。

3 催化劑特征

由于許多轉化管（可達幾百根）內(nèi)都裝填有催化劑，在催化劑的整個使用壽命內(nèi)，每根轉化管都需要保持相同的壓降水平以確保整個轉化爐良好運行。否則，氣體將優(yōu)先進入壓降較低的轉化管，使未反應的甲烷增加或管壁溫度升高，影響轉化爐性能，從而使工廠的產(chǎn)量受限。因此，為了減少壓縮合成氣的能源消耗，需要使用低壓降催化劑。

蒸汽轉化催化劑通常以氧化態(tài)供應（氧化鎳在合適的載體中），然后在工廠開車期間還原，因為鎳是進行轉化反應的理想活性相。在每次關閉和開車的過程中，轉化管都會經(jīng)歷熱循環(huán)，這意味著它們收縮和膨脹的程度可能會比裝載的催化劑顆粒更大，并對催化劑產(chǎn)生非常大的局部應力。因此，催化劑在氧化和還原狀態(tài)下都需要具有較強的物理強度。

性能最佳的轉化催化劑還必須能夠降低管道出口的甲烷（CH4）濃度，以最大限度地提高產(chǎn)量和節(jié)約能源。這不僅能保證氫氣（H2）的高產(chǎn)量，而且能降低惰性氣體的濃度和氨合成回路的排放，從而減少能耗。此外，更低管壁溫度的催化劑設計之所以受歡迎，是因為催化劑能延長反應管壽命，以降低成本支出。

4 性能標準

蒸汽轉化催化劑在使用時必須滿足幾個基本要求以確保合成氣的高效生產(chǎn)。其中一個必要條件是催化劑同時具備高的本征活性和表觀活性。轉化催化劑的本征活性受其鎳含量與載體之間的相互作用、鎳的分散以及載體材料配方的影響。表觀活性則由催化劑的擴散能力、孔隙的體積和大小分布及其幾何比表面積決定。催化劑的其他關鍵性能參數(shù)包括低壓降、良好的熱傳導性、高物理強度和穩(wěn)定性，以及抑制積碳生成的能力。

5 催化劑形狀的重要性

蒸汽轉化催化劑的形狀和它的配方同等重要。每個形狀的參數(shù)（例如顆粒大小、催化劑高度與直徑的縱橫比、孔和外部通道間的空隙或催化劑顆粒之間的填充性能）都會影響單位裝填體積的幾何比表面積和催化劑床層的壓降。然而，重要的是，在催化劑形狀設計過程中作出的任何改進都必須將具有高抗壓強度作為邊界指導條件。

6 ReforMax LDP系列

鎳基蒸汽轉化催化劑已有幾十年的歷史?？迫R恩的ReforMax 330/210 LDP系列便是其中的一個主要領導性代表產(chǎn)品，重點在確保低差別壓降。這款催化劑采用10孔設計，可以確保均勻的徑向抗壓強度，以及優(yōu)化的幾何比表面積。這些特性使得該催化劑具有高活性、長使用壽命、低管壁溫度，以及穩(wěn)定的最小甲烷出口含量。

每個顆粒由鋁酸鈣基載體構成，活性金屬氧化鎳作用于該載體。載體化學成分中含有大量不可逆形成的黑鋁鈣石（CaAl12O19），它對催化劑顆粒的機械強度起著至關重要的作用，并能輕易將浸漬的氧化鎳還原為活性金屬。該催化劑的高穩(wěn)定性還使其能夠通過蒸汽快速再生，以防催化劑中毒（積碳）。科萊恩的ReforMax系列合成氣催化劑經(jīng)商業(yè)運行驗證，可有效適用于各種進料條件或工藝設計。目前全球130多個在運行合成氨、甲醇和制氫裝置轉化爐均使用了該系列催化劑。

7 新一代LDP Plus

現(xiàn)有10孔ReforMax LDP系列催化劑的性能優(yōu)勢在新一代8孔花狀設計的蒸汽轉化催化劑（見圖1）中進一步得到增強。新一代ReforMax LDP Plus系列最引人注目的特性是其同時具有高活性和超低壓降，能夠進一步改善工廠的運營和提高工廠的效率。該系列包括ReforMax 330 LDP Plus（標準型）和ReforMax 210 LDP Plus（微堿化型）。這些催化劑的尺寸、長徑比和內(nèi)部通道都經(jīng)過特別設計，以對其幾何比表面積、壓降和抗壓強度進行優(yōu)化。

圖1 ReforMax 330 LDP Plus新一代蒸汽轉化催化劑

8 “Plus”系列的益處

得益于其較高的幾何比表面積，全新LDP Plus催化劑系列保持了ReforMax LDP系列催化劑的高活性和使用壽命。但是，二者的主要區(qū)別在于，8孔花式形狀使顆粒內(nèi)部及相互之間的空隙率進一步增大（見圖2），從而使反應裝置中的轉化管壓降降低了約20%（見圖3）。若無其他因素制約，這將使工廠操作員有可能將合成氣產(chǎn)量最多提高11%。合成氣生產(chǎn)商的另一個選擇是保持目前的產(chǎn)量水平，可通過減少壓縮機負荷實現(xiàn)節(jié)能。此外，更大孔徑設計使催化劑在轉化爐中的傳熱性能更佳。

與之前的系列一樣，新一代轉化催化劑的奇數(shù)非成列式孔分布設計，使得應力分布均勻，這種設計的結構機械強度高，抗壓強度幾乎不受外力方向的影響。該催化劑的另一個優(yōu)良且重要的設計是它的弧形凸起形狀，這有助于防止催化劑顆粒的互鎖，并促進不規(guī)則堆積，這二者也非常有利于傳熱和傳質。此外，Refor-Max LDP Plus有效地抑制了積碳，尤其是ReforMax?330 LDP Plus（標準型）與 ReforMax?210 Plus（微堿化型）相結合使用時，效果更為顯著。總體來說，該新型催化劑可以大幅降低合成氣生產(chǎn)的能耗。

圖2 提高后的空隙率

圖3 壓降可降低約20%

9 監(jiān)測管壁溫度

除催化劑性能外，對工藝效率影響較大的第二個方面是轉化爐管之間的內(nèi)部溫度分布。必須仔細監(jiān)測管壁溫度，以確保溫度分布均勻一致。爐溫控制過于謹慎可能會導致減產(chǎn)和/或能耗增加。爐溫不均則會導致反應較差，并可能導致爐管過熱（紅管現(xiàn)象）。如果超過最高管壁溫度，則會導致爐管壽命急劇縮短。紅管上受到的機械應力將呈指數(shù)級增長，在最壞的情況下會導致管壁破裂。觀測管壁溫度的另一個原因是它提供了有關催化劑性能的信息。

科萊恩可提供各類管壁溫度檢測技術。其中操作最為簡單的便是高溫測量儀，它能提供可靠的管壁溫度單點讀數(shù)。由于高溫測量儀的設計是為了便于使用，因此只能通過看火孔測得管壁溫度。另外，需要對周圍輻射的讀數(shù)進行校準。

熱掃描是一種更為先進的解決方案，這是一種高分辨率的熱成像儀內(nèi)窺鏡，可在精度提升的較短波長下測量600～1 100℃范圍內(nèi)的溫度。它可提供包含轉化爐內(nèi)所有管排的實時三維熱分布圖，并可輕松識別熱分布不均勻的區(qū)域以及管上的熱點（見圖4）。該技術可提供全面的溫度測量，并提供如何調(diào)節(jié)燒嘴的建議，工廠操作員可從中受益。

圖4 實時三維爐溫曲線圖

此外，科萊恩已推出熱掃描加金杯技術，可通過使用金杯反射器進行測量。這種反射器具有近乎完美的反射率，因而具有非常高的精確度。測出的數(shù)據(jù)可用于校準標準熱掃描數(shù)據(jù)，從而生成一個非常精確的爐溫曲線圖（dT＜+/-5°C）。這些儀器能夠更有效排除故障，并幫助操作人員實現(xiàn)轉化爐的性能和使用壽命最大化，避免因不必要的停產(chǎn)而遭受巨大的損失。

10 案例1：突破壓降限制

科萊恩ReforMax 330 LDP Plus催化劑的首個商用業(yè)績是歐洲一家領先的合成氨生產(chǎn)商。該生產(chǎn)商擁有世界級規(guī)模的工廠，日產(chǎn)能達1650 t。

在使用該新型催化劑之前，其工廠側燒式轉化爐使用的是ReforMax LDP催化劑。雖然性能令人滿意，但其前端壓降是制約生產(chǎn)的關鍵因素。在使用新型ReforMax 330 LDP Plus催化劑并優(yōu)化其他反應裝置中的催化劑體積后，工廠突破了這一制約瓶頸，能源和生產(chǎn)效率得到了大幅提升。

自2018年年中投入使用以來，ReforMax 330 LDP Plus運行非常平穩(wěn)，并使轉化爐管中催化劑床層壓降降低了約17%。在預期8年的催化劑使用壽命中，可幫助工廠節(jié)約成本超過34萬美元，不但彌補了在催化劑上的投資，還使該氨生產(chǎn)商有機會進一步提高氨產(chǎn)量，從而提高其生產(chǎn)能力?？蛻魧迫R恩新型蒸汽轉化催化劑的性能表現(xiàn)非常滿意，并向所有在一段轉化爐存在類似壓降制約問題的工廠推薦使用ReforMax 330 LDP Plus。

11 案例2：嚴重結焦后成功恢復活性

最近，歐洲另一個主要的合成氨生產(chǎn)商在一段轉化爐也遇到了類似的壓降制約問題，這家生產(chǎn)商便選擇將其原有的催化劑換成ReforMax 330 LDP Plus催化劑，以突破生產(chǎn)瓶頸，并提高氨產(chǎn)量。然而，由于在催化劑開車過程中流量計出現(xiàn)故障，ReforMax 330 LDP Plus在極低氣碳比（1.5）的情況下運行了數(shù)小時，導致催化劑嚴重結焦。

客戶在向科萊恩報告該事件后，科萊恩建議他們對催化劑進行至少10個小時的蒸汽處理，以盡可能去除生成的碳。隨后，科萊恩對爐管壁溫度進行了測量，報告顯示管壁溫度沒有超過允許的最高溫度，即940℃。由于采取了糾正措施，該工廠現(xiàn)在能夠安全運行并滿負荷生產(chǎn)，并可以維持至計劃的下一次催化劑更換之時。此外，在該生產(chǎn)商工廠的現(xiàn)有條件下，與之前使用的催化劑相比，ReforMax 330 LDP Plus的壓降降幅超過16%。

為了進一步提高催化劑的性能，該工廠后來又對催化劑進行了一次蒸汽處理，以除去所有殘留的結焦。雖然催化劑結焦嚴重，但是其活性仍然得到了完全恢復，這表明新型催化劑極為穩(wěn)定。ReforMax 330 LDP Plus將能夠確保其預期使用壽命，并提供客戶所期望的壓降改善性能。

12 結論

蒸汽轉化爐是合成氣生產(chǎn)鏈中成本最高的環(huán)節(jié)，因此使轉化爐的效率最大化十分重要。如今，ReforMax LDP Plus為實現(xiàn)這一目標提供了絕佳的機會。

由于新型催化劑可使壓降降幅多達20%，因而可在其正常使用壽命內(nèi)為一個日產(chǎn)能1 500 t的合成氨工廠節(jié)約30萬美元（約合210萬元人民幣）的成本。

此外，存在壓降制約問題的工廠現(xiàn)在可將其合成氣產(chǎn)量最多提高11%，產(chǎn)量獲得大幅提升。如前面提到的案例所揭示的，創(chuàng)新的催化劑技術和熱成像技術服務可為合成氨、制氫和甲醇的生產(chǎn)工藝增加可觀的價值。