陕西延长中煤榆林能源化工有限公司（简称：榆能化公司）采用煤油气综合利用合成甲醇，其中天然气制合成气采用英国戴维的天然气一段蒸汽转化工艺，产能为90万吨甲醇/年。天然气蒸汽转化制合成气工艺为：在催化剂存在的高温条件下（转化炉中），使甲烷等烃类与水蒸汽反应生成H2、CO等混合气。其主要反应为：

1、CH4 + H2O = CO + 3H2

2、CH4 + 2H2O =  CO2 + 4H2

3、CO + H2O =  CO2 + H2

4、CO2 + CH4 =  2CO + 2H2

    随着天然气制合成气规模的不断提高，单台转化炉已难以经济可靠地满足大规模工艺生产要求，大多转化工艺采用了在转化炉前设置预转化反应器的工艺。预转化反应器的使用不仅分担了转化炉的部分负荷（约15~20%），降低了转化炉规模；同时重烃组份在预转化催化剂床层经吸热反应分解为轻组分，避免在转化炉内因床层温度高、重烃反应导致催化剂积碳，大大延长了转化催化剂的使用寿命及转化炉运行周期。

    装置自2014年7月28日投产至2016年8月6日停车改造前装置存在：出助燃空气预热器的空气温度低（设计330℃，实际270℃）、进入引风机的烟气严重超温（设计167℃，实际240℃，）、预转化反应器设备外壁超温（设计150℃，实际350℃）等三个主要瓶颈，制约着转化负荷的提升（负荷仅能提升至90%），也给装置生产运行带来安全隐患，制约着装置的安稳长满优运行。

针对存在的瓶颈，榆能化公司甲醇中心提对原工艺进行技术研究和分析，并提出了优化措施，主要包括：

1、 转化炉系统的基础研究

通过对比现场运行数据及设计数据发现：

1)辐射段出口烟气温度  970 ℃（设计1073 ℃）；

2)混合原料气进入预转化反应器480℃（设计550℃）；

3)反应气进转化炉炉管的入口570℃（设计630℃）；

4)助燃空气出空气预热器温度为270℃（设计330℃）；

5)烟气出空气预热器温度为240℃（设计167℃）；

    采用FRNC5软件对原设计参数进行复核时发现工艺包的对流段模块是单独设计的，7组模块集成后，由于偏差的累计造成烟气温度比原设计参数高。烟气温度高意味着被加热工艺气温度比设计值低，进转化炉反应气由 570℃升温至 630℃的显热所需热量转移到辐射段。经过计算，约12% 的热量转移到辐射室，从而使得出辐射室的烟气温度较设计值低，造成恶性循环。， 

    通过对比原设计参数与实际值，得出助燃空气预热器出口空气温度高的原因为预热器设计所取的传热系数远高于实际运行值，从而造成预热器换热面积较同类设备低30%。换热能力不足是造成出预热器空气温度偏低、烟气温度较设计值高的根本原因。

    预转化反应器反应气在进入预热器前需补充过量蒸汽以使甲烷蒸汽转化反应完全并抑制积碳反应。过量蒸汽的加入使得水蒸汽在预转化反应器中瓷球表面凝结，尤其在开车阶段需加入大量的水蒸汽，预转化反应器上部瓷球处水汽凝结现象较为突出。水汽的侵入大大增加了容器内催化剂床层至金属内壁的导热系数。

2、优化方案

    根据上述分析并综合现场施工空间及成本，提出：增加燃料气预热以提高进入转化炉辐射段的燃料气温度，提高热效率；增加预转化预热器模块以提高进入预转化反应器的工艺气温度的方案。该方案在既有的设备布置下通过回收烟气热量提高转化反应工艺气系统及燃料气系统的温度，从而提高转化炉整体热效率。同时，对助燃空气风机及烟气风机进行扩能改造，提高燃烧负荷从而确保高负荷下反应所需的热量。

    针对预转化反应器炉壁超温，通过增加能吸收轴向和周向膨胀的内夹套杜绝水汽窜入衬里引起炉壁超温的可能。同时，采用单层自流型浇注料降低施工绝热性能的影响。

    以上优化方案的实施后， 9月2日转化投料后负荷由90%提升至105%，预转化反应器外壁温度稳定在180℃以下。经连续577天连续运行，完全解决了制约装置安稳长满优运行的瓶颈。该项目核心成果之一获得2017年度延长石油集团科技成果二等奖。