一氧化碳变换单元中工艺气洗氨工序的系统设计文献综述
2020-04-05 12:04
文 献 综 述
1.1 氢气的性质与应用
氢气是无色无味的气体,标准状况下密度是0.09 g/L,难溶于水。在-252℃,变成无色液体,-259℃时变为雪花状固体。氢气还具有可燃性、还原性。
氢气在工业上有多种用途,目前耗氢量较大或应用前景较好的主要有:①作为合成氨的原料气,N2 3H2=2NH3;②作为合成甲醇的原料气,CO 2H2=CH3OH;③作为冶金还原气,Fe2O3 3H2=2Fe 3H2O;④用于生产其他烃类产品,6CO 13H2=C6H14 6H2O;⑤用于化学热管,CO 3H2=CH4 H2O;⑥作为燃料电池的燃料气,2H2 O2=2H2O;⑦作为煤炭直接加氢液化用原料气,等等[1]。
1.2 煤炭制氢现状
煤炭制氢涉及复杂的工艺过程。煤炭经过气化、一氧化碳耐硫变换、酸性气体脱除、氢气提纯等关键环节,可以得到不同纯度的氢气。一般情况下,煤气化需要氧气,因此煤炭制氢还需要与之配套的空分系统。
气化煤气主要由H2 55%~60%、CH4 23%~28%、CO 5%~7%组成。混合物气化原料气中通常包含一些焦油和轻质烃,它们可以通过床层添加剂(焦油消除催化剂)或者在气化炉的下游放置催化剂在不同程度上的消除[3]。随着工业的发展,气化煤气已成为一种大吨位氢源原料。氢能具有热效率高和燃烧清洁等特点,以气化煤气为原料进行大规模的氢分离回收,将获得显著的经济和社会效益。目前回收氢的方法主要有低温分离法、PSA 法和膜分离法3种。由于气化煤气组成复杂,所以严重影响分离及净化过程。以低温分离法为例,除CH4(585. 43 kJ),H2(825.21 kJ )产品能耗外,CO (131.10 kJ)能耗最大[3]。若利用水煤气变换反应CO H2O→CO2 H2,将CO转化成为H2和CO2,不仅能提高H2的产率,而且使变换后气体组成相对简单,易于分离。可见,将气化煤气中的CO,利用CO变换反应转化为H2,然后进行氢、CO2和CH4分离是气化煤气制氢和CH4的重要技术途径之一。气化煤气原料具有多组分、高含焦油和多形态硫的特点。因此,优选或开发出一种性能优良的,适用于以气化煤气为原料的CO变换催化剂成为该技术的关键[4]。
1.3 CO变换工艺简介
1.3.1 反应机理
一氧化碳变换反应的机理是:水蒸气分子首先被催化剂的活性表面吸附,随后分解成氢与吸附态氧,并在催化剂表面生成氧原子吸附层。当一氧化碳撞击到氧原子吸附层时,即被氧化为二氧化碳,并离开催化剂表面,所生成的氢也进入气相。然后催化剂再次与水蒸气分子作用,形成连续[5]。反应方程式为:
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