第四讲 合成气 的概述(2).
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第3章 合成气
3.1 3.2 3.3 3.4 合成气的生产 合成气的净化 合成气系化学品 思考题
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1、合成气：H2和CO为主要成分供化学合成用 作业 的一种原料气。 2、制备合成气的原料： (1) 天然气；(2) 煤；(3) 石油；(4) 油田气；(5) 焦炉煤气；(6) 炼厂气；(7) 石脑油；(8) 重油 以上原料均可用CmHn表示，各种原料的H/C为： 煤 1 ；天然气 4 ；焦炭 0 ；石油 2 ；石脑油 2.4 ； 无烟煤0.3；其它原料0.3-4 3、合成气的用途及要求 (1) 合成氨，H2/N2=3 (2) 合成甲醇，H2/CO=2 (3) 合成其它醇类化合物，H2/CO=1
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作业
2) 流化床气化炉(温克勒煤气化炉) 气化剂与煤沸腾式进行气化 反应压力P=0.1MPa， 反应温度T=900-1000℃， 停留时间t=0.5-1h 生成气中甲烷含量低，不产生焦油
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作业
3) 气流床气化炉 (1) K-T煤气化炉 气化剂与煤并流接触造气 操作条件：反应压力0.1MPa， 反应温度1300℃， 停留时间为几秒钟。 (2) 德士古煤浆气化炉 操作条件：反应温度T=1200-1600℃， 反应压力P=4MPa 煤浆中煤含量71%(质量)，碳转化率达到99%
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作业
图3-1：间歇式气化过程
气化炉由干燥区、 干馏区、还原区、 氧化区和灰渣区 组成。
下端喷入空气、 水蒸气
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作业
间歇式气化炉包括五个阶段(见下图)： (1) 吹风阶段：喷入空气，提高燃料层温度， 吹风气放空 (2) 一次上吹制气阶段：由下部送入水蒸汽进 行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高 (3) 下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行气化 反应，使燃料层温度趋于均衡 (4) 二次上吹制气阶段：将炉底部下吹煤气排 净，为吹入空气作准备 (5) 空气吹净阶段：此部分吹风气回收，作为 半水煤气中氮气的主要来源
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3、连续蒸汽转化流程
作业
图3-5：连续蒸汽转化工艺流程
作业
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作业
(2) 鲁奇煤气化炉 鲁奇煤气化炉属于逆流接触造气。 操作条件： 反应时间1-3小时； 反应压力2-3MPa； 反应温度900-1050℃ 煤气出口温度250-500℃。
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图3-4：鲁奇煤气化炉结构
作业
加压移动床煤气化设 备。炉体由耐热钢板 制成，有水夹套副产 水蒸汽，煤自上而下 移动，与气化剂在炉 中逆流接触，生成气 中甲烷及副产焦油、 酚含量较多。
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3.1.2 蒸汽转化
作业
工业上采用二段转化法。 1、一段转化 1) 主要化学反应： CnHm+nH2O→ nCO+(n+0.5m)H2 CH4+H2O CO+3H2+206.2kJ 见分析 2C7H16+14H2O→ 14CO+29H2+2176.7kJ CO+H2OCO2+H2 –Q 见下分析
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作业
1、煤气化的主要反应(基本原理) (1) 氧化燃烧 C+O2→ CO2-393.8 kJ C+0.5O2→ CO-110.6 kJ CO+0.5O2→ CO2-283.2 kJ H2+0.5O2→ H2O-241.8 kJ (2) 还原 C+CO2→ 2CO+172.3 kJ
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作业
(3) 蒸汽转化 C+H2O→ CO+H2+131.4 kJ C+2H2O→ CO2+2H2+90.2 kJ CO+H2O→ CO2+H2-40.19 kJ (4) 甲烷化 C+2H2→ CH4-74.9 kJ CO+3H2→ CH4+H2O-206.2 kJ CO2+4H2→ CH4+2H2O-165.1 kJ 2、工业采用间歇式制取半水煤气
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作业
3.1
合成气的生产
合成气的生产方法： (1) 煤气化法：气化剂有空气、水蒸汽 (2) 烃类水蒸汽转化法 (3) 重油部分氧化法
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3.1.1 煤气化
Hale Waihona Puke Baidu
作业
煤气化：用蒸汽、空气或其它气化剂对煤进行 高温下的加工，使其转化为可燃性气体的过程， 称为煤气化。 煤气化过程包括： (1) 煤的干燥； (2) 煤热解； (3) 碳与氧的反应； (4) 碳与蒸汽的反应； (5) 碳与二氧化碳的反应； (6) 碳与氢气的反应。
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作业
3) 烃类蒸汽转化催化剂： (1) 镍催化剂，活性组分：NiO，含4-30%
(2) 助催化剂： MgO
(3) 载体：Al2O3 ， MgO、CaO、K2O 4) 操作条件 T=800-820℃ P=2.5-3.5MPa H2O/C=3.5 一段转化气的组成(mol%)： CH410；CO10；CO210；H269；N21
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图3-2：各阶段气体的流向
作业
每次循 环时间 约为3 分钟。
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作业
3、汽化炉的型式 1) 固定床气化炉 (1) UGI煤气化炉 无烟煤为原料， 气化温度为1000-1250℃， 生产强度低，1000m3/m2.h 气化剂：空气、水蒸汽
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图3-3：气化炉的结构
常压固定床煤气化 设备。炉体用钢板 制成，下部设有水 夹套回收热量、副 产水蒸汽，上部内 衬耐火材料，炉底 设转动炉篦排灰， 气化剂可以从底部 或顶部进入炉内， 生成气相应地从顶 部或底部引出，采 用间歇操作。
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表3-1：水蒸汽转化反应的平衡常数
作业
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作业
2) 副反应为： CH4+2H2O→ CO2+4H2+165.1kJ CH4+CO2→ 2CO+2H2+248.2 kJ CH4+CO2→ CO+H2+H2O+C+116 kJ 2CH4→ C2H4+2H2+202.2 kJ 2CH4→ C2H2+3H2+376.7 kJ
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作业
2、二段转化 由于一段转化炉出口气中甲烷含量为10%左右， 为控制合成氨原料气，需进行二段转化，使甲 烷含量降至0.2-0.5%，由于此法采用部分氧化 法，所以气化剂为空气，经过二段转化后，出 口气中H2/N2=3。 二段转化的主要反应： H2+0.5O2→ H2O-241.8 kJ CO+0.5O2→ CO2-283.2 kJ CH4+H2O→ CO+3H2-206.2 kJ 二段转化利用氧气与一段转化气燃烧放出的热 量使剩余的甲烷气转化，炉出口温度为9001000℃。
3.1 3.2 3.3 3.4 合成气的生产 合成气的净化 合成气系化学品 思考题
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1、合成气：H2和CO为主要成分供化学合成用 作业 的一种原料气。 2、制备合成气的原料： (1) 天然气；(2) 煤；(3) 石油；(4) 油田气；(5) 焦炉煤气；(6) 炼厂气；(7) 石脑油；(8) 重油 以上原料均可用CmHn表示，各种原料的H/C为： 煤 1 ；天然气 4 ；焦炭 0 ；石油 2 ；石脑油 2.4 ； 无烟煤0.3；其它原料0.3-4 3、合成气的用途及要求 (1) 合成氨，H2/N2=3 (2) 合成甲醇，H2/CO=2 (3) 合成其它醇类化合物，H2/CO=1
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作业
2) 流化床气化炉(温克勒煤气化炉) 气化剂与煤沸腾式进行气化 反应压力P=0.1MPa， 反应温度T=900-1000℃， 停留时间t=0.5-1h 生成气中甲烷含量低，不产生焦油
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作业
3) 气流床气化炉 (1) K-T煤气化炉 气化剂与煤并流接触造气 操作条件：反应压力0.1MPa， 反应温度1300℃， 停留时间为几秒钟。 (2) 德士古煤浆气化炉 操作条件：反应温度T=1200-1600℃， 反应压力P=4MPa 煤浆中煤含量71%(质量)，碳转化率达到99%
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作业
图3-1：间歇式气化过程
气化炉由干燥区、 干馏区、还原区、 氧化区和灰渣区 组成。
下端喷入空气、 水蒸气
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作业
间歇式气化炉包括五个阶段(见下图)： (1) 吹风阶段：喷入空气，提高燃料层温度， 吹风气放空 (2) 一次上吹制气阶段：由下部送入水蒸汽进 行气化反应，燃料层下部温度下降，上部升高 (3) 下吹制气阶段：水蒸汽自上而下进行气化 反应，使燃料层温度趋于均衡 (4) 二次上吹制气阶段：将炉底部下吹煤气排 净，为吹入空气作准备 (5) 空气吹净阶段：此部分吹风气回收，作为 半水煤气中氮气的主要来源
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3、连续蒸汽转化流程
作业
图3-5：连续蒸汽转化工艺流程
作业
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作业
(2) 鲁奇煤气化炉 鲁奇煤气化炉属于逆流接触造气。 操作条件： 反应时间1-3小时； 反应压力2-3MPa； 反应温度900-1050℃ 煤气出口温度250-500℃。
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图3-4：鲁奇煤气化炉结构
作业
加压移动床煤气化设 备。炉体由耐热钢板 制成，有水夹套副产 水蒸汽，煤自上而下 移动，与气化剂在炉 中逆流接触，生成气 中甲烷及副产焦油、 酚含量较多。
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3.1.2 蒸汽转化
作业
工业上采用二段转化法。 1、一段转化 1) 主要化学反应： CnHm+nH2O→ nCO+(n+0.5m)H2 CH4+H2O CO+3H2+206.2kJ 见分析 2C7H16+14H2O→ 14CO+29H2+2176.7kJ CO+H2OCO2+H2 –Q 见下分析
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作业
1、煤气化的主要反应(基本原理) (1) 氧化燃烧 C+O2→ CO2-393.8 kJ C+0.5O2→ CO-110.6 kJ CO+0.5O2→ CO2-283.2 kJ H2+0.5O2→ H2O-241.8 kJ (2) 还原 C+CO2→ 2CO+172.3 kJ
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作业
(3) 蒸汽转化 C+H2O→ CO+H2+131.4 kJ C+2H2O→ CO2+2H2+90.2 kJ CO+H2O→ CO2+H2-40.19 kJ (4) 甲烷化 C+2H2→ CH4-74.9 kJ CO+3H2→ CH4+H2O-206.2 kJ CO2+4H2→ CH4+2H2O-165.1 kJ 2、工业采用间歇式制取半水煤气
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作业
3.1
合成气的生产
合成气的生产方法： (1) 煤气化法：气化剂有空气、水蒸汽 (2) 烃类水蒸汽转化法 (3) 重油部分氧化法
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3.1.1 煤气化
Hale Waihona Puke Baidu
作业
煤气化：用蒸汽、空气或其它气化剂对煤进行 高温下的加工，使其转化为可燃性气体的过程， 称为煤气化。 煤气化过程包括： (1) 煤的干燥； (2) 煤热解； (3) 碳与氧的反应； (4) 碳与蒸汽的反应； (5) 碳与二氧化碳的反应； (6) 碳与氢气的反应。
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作业
3) 烃类蒸汽转化催化剂： (1) 镍催化剂，活性组分：NiO，含4-30%
(2) 助催化剂： MgO
(3) 载体：Al2O3 ， MgO、CaO、K2O 4) 操作条件 T=800-820℃ P=2.5-3.5MPa H2O/C=3.5 一段转化气的组成(mol%)： CH410；CO10；CO210；H269；N21
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图3-2：各阶段气体的流向
作业
每次循 环时间 约为3 分钟。
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作业
3、汽化炉的型式 1) 固定床气化炉 (1) UGI煤气化炉 无烟煤为原料， 气化温度为1000-1250℃， 生产强度低，1000m3/m2.h 气化剂：空气、水蒸汽
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图3-3：气化炉的结构
常压固定床煤气化 设备。炉体用钢板 制成，下部设有水 夹套回收热量、副 产水蒸汽，上部内 衬耐火材料，炉底 设转动炉篦排灰， 气化剂可以从底部 或顶部进入炉内， 生成气相应地从顶 部或底部引出，采 用间歇操作。
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表3-1：水蒸汽转化反应的平衡常数
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作业
2) 副反应为： CH4+2H2O→ CO2+4H2+165.1kJ CH4+CO2→ 2CO+2H2+248.2 kJ CH4+CO2→ CO+H2+H2O+C+116 kJ 2CH4→ C2H4+2H2+202.2 kJ 2CH4→ C2H2+3H2+376.7 kJ
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作业
2、二段转化 由于一段转化炉出口气中甲烷含量为10%左右， 为控制合成氨原料气，需进行二段转化，使甲 烷含量降至0.2-0.5%，由于此法采用部分氧化 法，所以气化剂为空气，经过二段转化后，出 口气中H2/N2=3。 二段转化的主要反应： H2+0.5O2→ H2O-241.8 kJ CO+0.5O2→ CO2-283.2 kJ CH4+H2O→ CO+3H2-206.2 kJ 二段转化利用氧气与一段转化气燃烧放出的热 量使剩余的甲烷气转化，炉出口温度为9001000℃。