转化催化剂两种还原方案对开工的影响

方 安，赵 洋

（中国石油兰州石化公司炼油厂，甘肃兰州 730060）

1 转化催化剂简介

兰州石化公司50 000 m3/h制氢装置由中国石化洛阳工程公司设计，以天然气和加氢干气为原料，采用烃类蒸汽转化制氢技术及冲洗再生式变压吸附（PSA）提纯氢气的工艺路线，生产纯度≥99.9%（v）的氢气，产品作为炼厂加氢装置的补充氢气[1]。

装置转化催化剂采用庄信万丰上市公司开发的KATALCOJMTM25-4Q和KATALCOJMTM57-4Q催化剂，两种催化剂的主要差别在于上层催化剂25-4Q含有抗积碳功能的钾碱组分，催化剂的主要性质（见表1）。

2 转化催化剂还原过程说明

2.1 还原的必要性

根据表1可以看出，催化剂主要活性组分NiO，其不具备转化反应活性，因此系统开工转入正常生产前必须将其还原为具备活性的单质Ni，还原反应方程式为：

根据方程式可以看出，还原介质为氢气，反应过程表征为微吸热、无体积变化，提高温度和氢分压有利于还原反应的进行[2]。

由于现有烃类蒸汽转化制氢技术均采用前置预转化反应器方案，因此供给转化催化剂还原用的氢气有两种来源，一种是系统直接注入还原所用的氢气，另一种是间接依靠预转化反应生成氢气，现将两种方案分别说明如下。

2.2 采用天然气还原过程说明

采用天然气作为还原介质时，催化剂的开工过程主要如下（见图1）：

（1）系统氮气置换；（2）催化剂120℃干燥及250℃干燥；（3）转化配汽，转化炉升温；（4）引入天然气，催化剂还原；（5）还原完毕，系统转入正常运行。

引入天然气时，系统须切断循环，中变气全部排入火炬系统，采用天然气还原时，操作重点为：天然气进料量控制在 4 000 m3/h，水碳比（mol/mol，下同）控制在6：1～8：1范围，转化炉出口温度控制在780℃～800℃，还原时间为2 h～4 h。还原完成的条件为：炉管颜色由红变黑；转化气残余甲烷分析连续偏低。

2.3 采用氢气还原过程说明

采用氢气作为还原介质时，催化剂的开工过程主要如下（见图2）：

（1）系统氮气置换；（2）催化剂120℃及250℃干燥；（3）转化配汽，转化炉升温；（4）切除加氢反应器；（5）配氢，催化剂还原；（6）投加氢反应器；（7）引天然气，系统转入开工过程。

采用氢气还原时，系统维持循环状态，在整个还原期间通过补充氢气维持反应所需的水氢比，操作重点为：水氢比（mol/mol，下同）控制在 6：1～8：1 范围，转化炉出口温度控制在780℃～800℃，还原时间为2 h～4 h。还原完成的依据为：转化炉入、出口氢气浓度一致。

图1 选用天然气时开工步骤

图2 选用氢气时开工步骤

3 两种还原方案的比较

3.1 氢气方案还原的优势

催化剂采用两种不同方案还原开工期间，开工时间和火炬排放时间、排放量统计（见表2）。

通过对比可以看出采用氢气工况还原时对火炬系统的冲击较小，理由如下：

（1）采用天然气工况还原比采用氢气工况还原的火炬排放时间增加2 h；（2）采用天然气工况还原的火炬排放总量为44 600 m3，比采用氢气工况的总排放量34 600 m3增加10 000 m3；（3）采用天然气还原时系统的最大排放量达16 000 m3/h，采用氢气时最大排放量为12 000 m3/h。

3.2 天然气方案还原的优势

（1）自动化程度高、可靠性好、省时省力。采用天然气还原时，可以依据在线甲烷质量仪表对还原情况实时进行监测，可靠性较好；氢气还原时，只能通过对转化炉入、出口介质进行人工采样分析来判断还原效果，不仅时间滞后，而且对采样器具和采样操作要求极为严格。

（2）开工步骤简化，开工周期较短。采用氢气还原时，为避免加氢催化剂还原为单质金属，必须经历加氢反应器的切出/切入步骤，同时PSA联动只能在转化催化剂正常运行后，采用天然气还原时，可以根据在线甲烷分析，在催化剂具备一定活性后就联动PSA，因此，采用天然气还原时总开工时间能缩短4 h。

（3）还原介质来源较为便利，直接采用管网天然气即可；采用氢气作为还原介质时，对氢气的品质要求较高，一般要求其中不能含有氯、高级芳烃等杂质。

表2 两种方案火炬排放对比表

4 结语

综上所述，在火炬系统具备回收能力的条件下，一般建议采用天然气作为还原介质，以缩短开工周期、降低操作人员劳动强度。当火炬系统不具备回收条件时，要采用氢气作为还原介质，以确保安全环保受控。