煤氣化技術的基本原理

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煤氣化技術的基本原理范文第1篇

關鍵詞：殼牌煤氣化 CO 變換技術 高摩爾分數

隨著改革開放，社會主義經濟建設的高速發展，越來越多的居民使用上了管道煤氣，過多的需求導致許多中小城市也紛紛加快了煤氣廠建造的規模與數量，但是過多的煤氣廠建造必然導致CO的排放過量，因而為了走可持續性發展的環保道路我們就必需要降低煤氣中CO含量。現階段，煤氣化技術作為高效轉化的核心技術在煤炭清潔方向的發展是非常迅速的，是降低煤氣排放氣體中CO含量的切實而有效的方法。

一、淺析CO變換的工藝設計

1.CO變換的基本原理。

通過技術手段，將煤氣廠排放尾氣中的CO變換成同樣可以燃燒但不會導致人們中毒的H2的過程。這個過程就是CO的變換過程。CO的變換過程主要包括以下兩個反應：

如圖所示，CO通過化學反應變換為H2、CO2和H2S三種氣體，這三種氣體都可以通過后續工序進行脫除，不會對人們和大氣造成危害。

2.CO變換工藝的條件。

2.1溫度對CO變換反應的影響

CO變換反應的主要特點在于放熱反應是可逆的，如果溫度降低，平衡常數變大，反應推動力則變大，對反應速度有利。前期反應過程中，因距離反應平衡段尚遠，雖然未達到最佳的反應溫度線，但仍具有較高的反應速率。隨著反應的繼續進行，溫度應逐漸降低，所以需要從催化劑中不斷的移去熱量。由此可見，各方面因素決定了變換過程中的溫度。

2.2水 / 氣比高低對CO變換的影響

對CO變換的設計來講，水氣比過高或者過低都是不利的。

2.3全氣量變換和部分氣量變換

在CO變換過程中，對合成氨方面來講，因需要將CO轉換成H2和CO2，所以通常需要全氣量通過變換爐進行CO變換；而對于合成甲醇而言，全氣量變換或者部分氣量變換都可以在CO變換中進行應用。

2.4工藝冷凝液的汽提

在CO變換設計中通常采用將部分的冷凝液汽提除氨的方法防止變換冷凝液中氨的累積。然而，在實際的汽提系統運行過程中，銨鹽結晶容易堵塞氨汽提塔塔頂冷凝系統。一般在汽提塔分離器處至塔頂水冷器之間發生該類現象，為解決該問題，工藝上應考慮對汽提塔分離器至塔頂水冷器管線、液位計的伴熱以及汽提塔分離器氣相管線等設備布置時，考慮縮短汽提塔分離器和塔頂冷凝器之間的間距并保證兩者之間的高度差，使得從塔頂冷凝器冷凝后的工藝冷凝液依靠重力自流進入汽提塔分離器，配管時兩個設備之間的管道盡可能短并且不能有袋形。

二、三種殼牌粉煤氣化配套的典型CO變換技術

1.高水氣比CO變換技術

高水氣比CO變換技術也叫高水氣比高摩爾分數 CO 耐硫變換工藝流程，這項流程技術的特點是一次性把足量的中壓過熱蒸汽添加到煤炭爐中，在預變爐之前通常保持水氣比在 1.40水平以上，之后使CO變換反應分段進行，每段反應之間添加少量或者不加激冷水對CO變換氣的溫度和水氣比進行微調，反應熱通過換熱或段間廢鍋等方式移除，最終的變換結果是 CO 摩爾分數不高于 0. 4%。

2.低水氣比CO變換技術

低水氣比CO變換技術也叫低水氣比高摩爾分數 CO 耐硫變換工藝流程，這項流程技術的特點是不在第一變換爐入口處添加蒸汽，而是利用粗煤氣自帶的水蒸氣進行CO的變換反應，在后續各變換爐入口添加適量的工藝冷凝液和蒸汽，把水氣比在個階段變換爐入口的數值均控制在 0.5 以下，最終變換氣出口 CO 摩爾分數一般可不高于 0.4%。

3.低串中水氣比CO變換技術

低串中水氣比CO變換技術也叫低串中水氣比高摩爾分數 CO 耐硫變換工藝流程，這項流程技術的特點是不在預變換爐入口處添加蒸汽，與低水氣比CO變換技術一樣利用粗煤氣自帶的水蒸氣進行CO變換反應，不同的是把蒸汽和工藝冷凝液在第一變換爐入口進行添加，使水氣比數值維持在 0. 95 左右，然后分段進行CO變換反應，段間添加少量或不加激冷水對變換氣的溫度和水氣比進行微調，反應熱通過換熱或段間的廢鍋等方式移走，最終變換氣出口CO 摩爾分數一般可不高于 0.4%。

4.三種CO變換技術點評。

通過對以上三種高摩爾分數 CO 變換技術過程分析，結合其實際操作運行狀況，我們可以得出：高水氣比變換技術的裝置在現行煤氣化CO變換過程中被使用較多，但這種技術裝置同時也存在著較多問題，只有不斷的對這些裝置進行技術改造，才能跟上現代CO變換的技術更替，所以如果高水氣比CO變換技術無法突破解決目前CO變換技術中存在的主要問題，那么能否在將來配套殼牌粉煤氣化工藝CO變換裝置上繼續采用高水氣比變換技術就未嘗可知了；我們認為低水氣比高摩爾分數 CO 變換技術是一種可靠、成熟、節能的CO變換技術，低串中水氣比高摩爾分數CO 變換技術是在對高水氣比變換技術進行改進和低水氣比變換技術的集成的基礎上研發的，這項技術適用于高水氣比變換裝置或者新建變換裝置的技術改造。

三、結束語

殼牌煤氣化過程中CO變換工藝技術是否成熟先進可靠，主要取決于在裝置投資、催化劑壽命、操作控制、低位熱能利用和高位熱能回收等方面，尤其是在如何降低能耗、如何穩定的運行系統以及如何延長催化劑壽命等方面是現在CO變換技術研發的難點和重點，但這也是我們技術人員在改進殼牌粉煤氣化CO變換技術中需要為之努力和突破的方向。

參考文獻

[1]李練昆. 合成氨裝置一氧化碳變換單元技術改進分析[J]. 大氮肥，2011，34（ 2） ： 109-111.

[2]許若超. 一氧化碳變換系統優化及其效果分析[J]. 大氮肥，2009，32（ 1） ： 67-69.

煤氣化技術的基本原理范文第2篇

1黑液氣化聯合合成二甲醚工藝流程設計

黑液和O2由噴槍注入，在氣化爐內發生干燥、熱分解和氣化反應，生成由CO和H2為主要成分的粗氣化氣。高溫粗氣化氣經冷卻器冷卻到低于250℃后，進入填料吸收凈化塔進行脫硫。在凈化塔中，回收堿液由吸收塔頂部加入，向下流動，粗氣化氣由吸收塔底部加入，向上流動，溶質和吸收劑之間發生逆流吸收反應；反應生成碳酸鈉、硫化鈉和硫醇鈉，富液從吸收塔底部排出，通過管道引入苛化池；在苛化池內，富液中的碳酸鈉與石灰乳發生苛化反應生成氫氧化鈉，富液中的硫化鈉和甲硫醇鈉不參與反應，苛化反應后，經過過濾，得到含氫氧化鈉、硫化鈉和少量甲硫醇鈉的混合回收堿液，回用作為脫硫吸收劑。凈化合成氣經增壓機增壓至0.1～2MPa，再經過CO的高溫變換，增加H2濃度，同時減少CO濃度，使H2∶CO=2.2。經過高溫變換的合成氣增壓至5～7MPa后通入甲醇合成反應器中反應，在催化劑的作用下，H2和CO反應生成甲醇。生成的高溫甲醇及余氣經冷卻分離塔中的冷卻管間接冷卻，分離為甲醇液和余氣。余氣通入余氣分離塔，塔內用膜分離法分離余氣中的H2，回收成為合成甲醇的原料，剩余廢氣被排出。甲醇液進入二甲醚合成器，反應生成二甲醚及廢氣，經冷卻分離塔間接冷卻分離出二甲醚，剩余廢氣被排出。

2黑液氣化聯合合成二甲醚的技術參數

2.1黑液高溫氣化生產合成氣黑液氣化技術根據氣化溫度的高低可以分為兩類，低溫氣化氣化爐的操作溫度低于800℃，一般在650～750℃，但由于反應溫度較低，黑液中有機質反應不夠徹底，碳轉化率較低；高溫氣化氣化爐的操作溫度在1000℃左右，碳轉化率和熱能利用率較高。國外進行了高溫空氣氣化和高溫O2加壓氣化試驗，前者效果不佳，后者效果較好。2008年，國內采用噴射氣化爐進行黑液氣化試驗，也取得較好效果。試驗運行條件為：溫度500～1350℃；壓力：常壓；氧化劑：工業O2；氣體流量2.5～5.3m3/min。試驗結果表明，有機碳轉化率達到89.7%～91.0%，氣化氣熱效率最高74.7%，得到最佳粗燃氣組成為（V%）：H2:42，CO:26.7，CO2:29.8，CH4:0.6，H2S:0.63。當前，國內還沒有進行加壓黑液氣化試驗，所以，根據現有條件，當前宜采用常壓O2氣化方法。參數見表1。

2.2合成氣脫硫黑液氣化氣和煤氣成分都以CO、CO2和H2為主，含有少量CH4、焦油和H2S，H2S為主要含硫化合物。由于兩者成分相似，黑液氣化脫硫凈化方法有低溫反應脫硫法和高溫反應脫硫法，高溫脫硫凈化還在研究試驗，技術處于未成熟階段。低溫反應脫硫作為常用的脫硫方法，主要包括ADA、PDS、HPF和有機胺脫硫等多種工藝。煤氣化氣低溫脫硫效果較好，但黑液氣化氣中H2S占硫化物總量的98%，還有2%的甲硫醇和甲硫醚組分不能有效消除。為消除甲硫醇的成分，可采用以填料吸收塔為主要設備，以回收堿液為吸收劑的黑液氣化氣脫硫凈化新方法。氣化氣脫硫具體參數見表2。

2.3CO部分轉換合成氣經過脫硫后主要成分為H2和CO，其中H2和CO的比相當于H2∶CO=1.64。由于H2和CO反應生成甲醇的最佳計量比為H2∶CO=2.2，所以，繼脫硫后的合成氣需要進行部分水煤氣轉換反應，使氣體的比例達到H2∶CO=2.2。目前工業上一般將CO變換過程分成兩步進行，以保證較高的反應速率和較低的CO殘留。第一步高溫變換過程，用鐵鉻系催化劑，在0.1～2MPa、350～500℃條件下進行，可將轉化尾氣中CO含量降低到3%左右；第二步低溫變換過程，使用銅鋅系催化劑，反應溫度為190～250℃，將CO含量降低到0.3%以下。在國外，常用的CO高溫變換催化劑如C12-304、C12-305等使用壓力為0.1～5MPa，SK-12、K6-10等使用壓力為0.1～8MPa。在國內，應用于工業生產的CO高溫變換催化劑使用壓力大多在0.1～2MPa。在黑液氣化產生的合成氣中，H2和CO的比約為H2∶CO=1.64，其中，H2的體積分數為38.8%～42.45%，CO的體積分數為29.78%～38.48%。只需要其中約20%～28%的CO發生轉化，就達到H2∶CO=2.2的要求。由于要求CO轉化率低，反應產生的熱量小，反應器中的催化床的溫度較低，所以選擇低溫轉化工藝。CO部分轉換具體參數見表3。2.4合成甲醇當前工業化甲醇的生產基本采用的是氣相合成法。其主要化學反應式為：CO+2H2CH3OH+Q；CO2+3H2CH3OH+H2O+Q。合成甲醇的反應物為CO和H2，但是原料氣中往往含有CO2及少量的N2和CH4。合成甲醇的催化劑基本上是以Cu和ZnO為主,并加入鋁或鉻的氧化物如CuO-ZnO-Cr2O3，CuO-ZnO-Al2O3，最新發展到Co-Mo/MgO-Al2O3催化劑。生成甲醇的反應是一個體積縮小的放熱可逆復雜反應過程。提高合成的壓力有利于反應，同時反應熱使催化床的溫度升高，導致副反應發生和催化劑失活，因此，甲醇反應器需要有反應中心的散熱功能。CuO-ZnO-Cr2O3催化劑的活性區域在473～563K之間,最佳活性使用溫區在500～530K之間，壓力在5～7MPa。合成甲醇的具體參數如表4。

2.5甲醇冷卻分離甲醇反應器出口氣的冷卻是甲醇生產過程中的重要環節,通常采用甲醇分離器進行分離。當冷卻器的冷卻效果不好時，通常造成甲醇不能完全冷凝，影響甲醇的產率。大慶油田化工集團甲醇分公司采用冷凍水作為冷卻液不僅使得循環氣溫度降低，還使得余氣中的氣態甲醇體積分數降低了0.5個百分點。具體參數如表5所示。

2.6甲醇余氣分離甲醇余氣分離的目的是回收甲醇合成過程中未反應的H2。甲醇余氣中H2的含量大約占60%～70%，因為H2成本較高，如直接排放,不但浪費資源,而且污染環境。當前主要采用膜分離和PSA變壓吸附兩種方法回收H2。變壓吸附技術是以吸附劑(多孔固體物質)內部表面對氣體分子的物理吸附為基礎,在高壓下進行選擇吸附,較低壓力下使吸附的組分解吸出來。利用吸附劑對特定氣體的吸附和脫附能力不同,實現氣體的有效分離。膜分離就是在一定的壓力條件下,利用不同種類的氣體在有機高分子膜中具有不同的滲透速率而實現氣體分離。榆林能化有限公司、山東兗礦國宏化工有限責任公司在余氣的回收中對其進行了充分運用。由于膜分離技術具有能耗低、操作簡單、投資少、生產穩定等優點而被廣泛運用。膜分離的具體參數見表6。

2.7甲醇合成二甲醚當前由甲醇合成二甲醚主要分為甲醇氣相脫水法和甲醇液相脫水法。甲醇氣相脫水法其基本原理是將甲醇蒸汽通過固體酸性催化劑(氧化鋁或結晶硅酸鋁)，發生非均相反應，甲醇脫水生成二甲醚。傳統的甲醇液相脫水法是以甲醇為原料，在濃硫酸的催化作用下，生成硫酸氫甲酯，硫酸氫甲酯再與甲醇反應生成二甲醚。由于液相合成二甲醚具有設備相對簡單、占地面積小、投資較少、反應溫度低、反應容易控制、轉化率高、副產物少、產品提純相對容易的優點,所以對于提高生產效率、降低投資和生產成本具有重要意義。但采用濃硫酸作催化劑,產生大量難處理的稀硫酸廢液。在黑液氣化聯合合成二甲醚的研究初級階段，從可靠性和穩定性考慮，將選擇酸催化合成法。酸催化合成二甲醚的具體參數見表7。

3技術難點分

解及解決辦法采用立式噴射氣化爐進行黑液氣化試驗，O2和黑液由頂部噴入爐腔，造成氣化爐上部分的溫度較低、水蒸發速率小，需要較長的運動距離才能使黑液完全干燥，所以需要反應器的高度在6.5m以上，同時存在無機物熔融對氣化爐腐蝕問題，目前，在世界范圍內還沒有完全成功研制出的工業應用型黑液氣化爐。解決辦法：以干燥黑液為原料，在實驗室的小型反應器中進行氣化試驗，生產合成氣。