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摘 要

以对甲醇制氢装置催化剂装卸过程安全进行为出发点，本课题针对催化剂装卸过程开展危险性分析和安全设计。通过应用理论知识确定催化剂装填要求并使用HAZOP分析方法对催化剂卸料过程进行安全研究，使用引导词和参数或操作组合形成有意义的偏差，对催化剂装卸步骤进行分析，并使用风险矩阵进行风险等级评定。

本文通过对催化剂装卸过程的分析，发现过程中存在火灾、爆炸、粉尘伤害等危险因素。为了保证过程安全进行，对装卸设备进行安全设计，并进一步对除尘工艺细化，减少或消除过程中的安全隐患，保证催化剂安全高效的更换。

关键词：甲醇制氢 HAZOP分析 催化剂装填 催化剂卸料

Safety Design of Catalyst Loading and Unloading in Methanol Hydrogen Production Plant

Abstract

Based on the safety of the catalyst loading and unloading process of methanol hydrogen production unit, this paper carries out hazard analysis and safety design for the catalyst loading and unloading process. determine the catalyst loading requirements through the application of theoretical knowledge and use HAZOP analysis methods to conduct safety research on the catalyst unloading process, use guide words and parameters or operational combinations to form meaningful deviations, analyze the catalyst loading and unloading steps, and use a risk matrix for risk rating.

Through the analysis of catalyst loading and unloading process, it is found that there are fire, explosion, dust injury and other risk factors in the process. The safety of loading and unloading process is pursued, and the safety design of loading and unloading of catalyst is carried out. and the dust removal process is further refined to reduce or eliminate the hidden dangers of safety in the process, so as to ensure the safe and efficient replacement of the catalyst.

Key Words: methanol to hydrogen;HAZOP analysis;catalyst loading;catalyst unloading

目 录

摘要 Ⅰ

ABSTRACT Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题背景 1

1.2国内外研究现状 2

1.2.1甲醇制氢催化剂研究现状 2

1.2.2催化剂装填技术现状 2

1.2.3催化剂卸料技术研究现状 3

1.3研究目的及意义 3

1.3.1研究目的 3

1.3.2研究意义 3

1.4研究内容 4

1.5研究创新点 4

第二章 甲醇水蒸气重整制氢 5

2.1甲醇制氢工艺 5

2.2反应机理研究 6

2.2.1分解—变换机理 7

2.2.2重整—逆变换机理 7

2.3催化剂 7

2.3.1常用催化剂的分类及特征 7

2.3.2反应条件对催化剂性能的影响 8

2.4反应器类型 10

2.5甲醇裂解制氢装置潜在危险因素 11

第三章 催化剂装填技术 13

3.1催化剂装填的基础理论 13

3.2催化剂的处理和装填 15

3.2.1反应器装料之前—催化剂与惰性颗粒进行预混 15

3.2.2反应器的装填 17

3.3催化剂堆密度的计算 17

3.4装填过程注意事项 20

第四章 催化剂卸料技术 21

4.1作业前准备 21

4.2卸剂方案 21

4.3卸剂作业的危险有害因素识别 22

4.3.1催化剂卸剂步骤 22

4.3.2卸剂作业过程HAZOP分析 23

4.3.3危险有害因素 29

第五章 催化剂装卸过程设计 31

5.1设计依据 31

5.2装填设备 31

5.2.1方案 31

5.2.2装填过程及设备 31

5.3卸料设备 33

5.3.1方案 33

5.3.2卸料过程及设备 33

5.4除尘工艺设计 35

5.4.1设计依据 35

5.4.2除尘装置 36

5.4.3工艺流程 39

第六章 结论与展望 40

6.1结论 40

6.2展望 40

参考文献 41

致谢 43

第一章 绪论

1.1选题背景

氢气是重要工业原料中的一种，也是对能源系统进行清洁转型过程中起支撑作用的二次能源^[1]。对于氢能我国已经具有一定程度的工业基础，全国氢气的产能超过了每年2000万吨，但是主要通过化石能源来生产，并且以工业原料作为消费形式^[1]，清洁能源生产氢气和氢能的能源化利用相对较低少。国内有许多制氢方法，包括化学、生物和电解水制氢^[2]。化学制氢主要包括甲醇制氢、甲醇裂解和甲醇水蒸汽重整制氢^[2]，这些是当下的主流工艺，因甲醇裂解制氢，氢气收率12.5%^[3]（质量分数），CO含量占总产物的三分之一，且生产成本高，因此更多的采用水蒸气重整技术。甲醇制氢工艺流程如图1-1所示。

图1-1 甲醇制氢工艺流程图

目前清洁能源需求量增加，催化剂的使用量也随之增加。催化剂使用一段时间后性能指标将有所降低，为了提高产品质量和产量就需要定期更换催化剂。催化剂装填主要通过设备，而卸料目前国内多采用人工作业的方式。而对于操作工人来说，劳动强度极大并且在工作现场会有大量粉尘，例如催化裂化设备在停工检修时，还没有卸完沉降器内的催化剂，反应器内压力稍微大于大气压，检修人员就提前打开了下部人孔，结果喷出高温催化剂，就会造成人员伤亡。

因此，分析催化剂装卸作业过程中可能发生的各种危险因素，并行安全设计，对于保障塔内工作人员生命财产安全至关重要。不仅提高了工业自动化水平，而且大大减轻操作工人的强度，改善了工人的工作环境，保障了生命健康。可见本课题具有极高的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1甲醇制氢催化剂研究现状

甲醇制氢技术的关键是催化剂，催化剂必须确保高活性，高选择性以及高稳定性，以保证高效制氢^[4]。对于催化剂，目前研究较多有三种类型，铜系、镍系和贵金属（钯、铂）系催化剂^[5]。Liu Y等人发现CuO/CeO₂ 是一种效果很好的催化剂，这种催化剂的活性受Cu含量影响，随着Cu含量的增高而变大^[6]。Oguchi等人发现的CuO/CeO₂的催化剂催化该反应的活性是最高的^[7]，并且向其中加入氧化锆对反应具有促进的作用。Yancheshmeh通过还原NiAl₂O₄的方法，制备出了一种Ni-Al催化剂^[8]，这种催化剂具有更容易还原，具有更发达的多孔结构，比表面积更高等优点，并且在其中加入了10%的CeO₂，目的在于减少焦炭的形成。加入之后不仅在很大程度上抑制了焦炭的形成并且降低了镍表面丝状碳的形成速度。

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