【正文】 國內(nèi)以 煤為原料 制合成氨的中、小型廠多采用兩或三段中溫變換流程，在流程中除設置有換熱器回收反應熱外，還設置了飽和塔和熱水塔來回收低溫位的余熱，同時給水煤氣增濕，可減 圖 510 一氧化碳三段中溫變換流程示意圖少水蒸氣添加量。當以 天然氣 或 石腦油 為原料制造合成氣時，水煤氣中 CO含量僅為 10％～ 13％ (體積分數(shù) )，只需采用 一段高變和一段低變的串聯(lián)流程 ，就能將 CO含量降低至 ％。圖 58 水冷激式兩段絕熱反應器 變換過程的工藝流程水煤氣 (CO)變換流程有許多種，包括 常壓 、 加壓 ， 兩段中溫變換 (亦稱高變 )、 三段中溫變換 (高變 )、 高 低變串聯(lián) 等等。圖 56 中間冷卻式兩段絕熱反應器1反應器； 2熱交換器； EFGH操作（溫度線） 這是一種向反應器中添加冷原料氣進行直接冷卻的方式。段數(shù)太多缺點： 反應器分段太多，流程和設備太復雜，工程上并不合理，也不經(jīng)濟。各類催化劑均有其 各自的活性溫度范圍 ，只能在其范圍內(nèi)使操作溫度盡可能地 接近最佳反應溫度曲線 。措施： 變換過程是采用 分段冷卻來降溫 ，即反應一段時間后進行冷卻，然后再反應，如此分段越多，操作溫度越接近最佳溫度曲線。 反應初期，轉化率低，最佳溫度高； 反應后期，轉化率高，最佳溫度低，但是 CO變換反應是放熱的，需要不斷地將此熱量排出體系才可能使溫度下降。 近年來節(jié)能工藝很受重視，希望水碳比能降到 3以下 ，關鍵是變換催化劑的選擇性要提高，有效抑制 CO加 H2副反應。 一般中、小型廠用 常壓或 2MPa，大型廠多用 3MPa，有些用 8MPa。目的： 通過變換反應可產(chǎn)生更多氫氣，同時降低 CO含量。 流程簡便可靠一些，故多采用。② 高溫下的部分氧化； ② 用廢熱鍋爐回收熱量，產(chǎn)生高壓蒸汽，③ 高溫水煤氣顯熱的回收； 此流程稱為 廢鍋流程 。襯里有 四層， 最外層是 陶瓷纖維氈 ，次外層是 厚隔熱磚， 再往里是 輕質高鋁磚 ，與工藝氣體直接接觸的最里層是 電熔剛玉磚 。噴嘴是氣化爐的核心，它具備 兩種功能 ： 其一是 霧化作用 ，可將渣油分散為大約 20um的細小油滴； 其二是形成 合適的流場 ，加速熱、質傳遞。 渣油氣化制合成氣的反應器稱為 氣化爐 ， 目前工程上采用的部分氧化法，氣化爐型式為 受限射流反應器 ，其外形為 圓形鋼筒 。預熱渣油 可降低粘度和表面張力，使便于輸送和霧化，但預熱溫度不可過高，以防渣油在預熱器中氣化和結焦，一般控制在120～ 150℃ ；氧的預熱溫度一般在 250℃ 以下；過熱蒸汽最高能到 400℃ ， 若無過熱蒸汽，飽和蒸汽亦需預熱。操作壓力： ～ MPa，有的用 MPa， 加壓對平衡不利的影響可用 提高溫度 的措施來補償，蒸汽／油也用低限比值。(4)壓力 低壓 有利面 ： 渣油氣化過程總結果是體積增加的，從平衡角度看，低壓有利。(3)蒸汽 /油比 蒸汽／油 高有利面：① 水蒸氣量是一個可調(diào)控的變量，它的加入 可抑制烴類熱裂解，加快消碳速率；② 同時水蒸氣與烴類的轉化反應可提高 CO和 H2含量；③ 還能幫助渣油的霧化，使油與氧、水蒸氣的接觸面積增大， 避免了擴散控制； 蒸汽／油 高不利面： 水蒸氣參與反應會降低溫度，為了保持高溫，需要提高氧／油的比值，因此蒸汽／油也不能過高； 適宜的蒸汽／油： ～ kg(蒸汽 )／ kg(油 )。例如某渣油中碳的含量為 ％ (質量分數(shù) )，則其部分氧化的理論氧油比為 實際生產(chǎn)中 氧／油比 要高于此理論值。如果氧量超過了這個比值，會產(chǎn)生一些 CO2和水蒸氣。具體比值要根據(jù) 渣油碳含量、原料預熱溫度、添加的水蒸氣量、 以及 反應器散熱損失 等因素來確定。(1)溫度 一般控制反應器出口溫度為 1300～ 1400℃ ，在反應器內(nèi)溫度最高的燃燒區(qū)估計達 1800～ 2023℃ 。最終生成的 水煤氣成分 ： 4種主組分 CO、 H2O、 H CO2之間存在的平衡關系要由 變換反應平衡 來決定。渣油部分氧化過程中總是有炭黑生成， 炭黑 的一般質量組成為： C92％～ 94％， H ％～ 1％， S ％～ 0 4％ ,灰分 3％～ 4％，其余為水分 。? 為什么加水蒸氣： （ 1）可抑制烴類熱裂解，加快消碳速率（為了降低炭黑和甲烷的生成）； （ 2）以提高合成氣產(chǎn)率和原料油的利用率。： CmHn+O2+H2O 氧化劑是氧氣。 渣油部分氧化過程工藝原理渣油成分 （渣油的分子式常用表示： CmHn）： 許多大分子烴類的混合物，沸點很高，所含元素的重量組成為C 84％～ 87％， H 11％～ ％，其余有 S、 N、 O，以及微量元素 Ni、 V等。氣化技術有 部分氧化法 和 蓄熱爐深度裂解法 ，目前常用技術是 部分氧化法。 52 魯奇爐結構示意圖1煤斗； 2分布器； 3水夾套； 4水斗； 5洗氣器條件： 一種在常壓、高溫下以水蒸氣和氧氣與粉煤反應的氣化法。優(yōu)點： ① 可控制和調(diào)節(jié)爐中溫度； ② 因無 N2存在，不需放空， 故可連續(xù)制氣，生產(chǎn)強度 較高，而且煤氣質量也穩(wěn)定。優(yōu)點： 只用空氣而不用純氧，成本和投資費用低。 吹風 蒸氣吹凈 一次上吹制氣 下吹制氣 二次上吹制氣 空氣吹凈（空氣自下而上）（蒸氣自下而上 ） （蒸氣自上而下）（蒸氣自下而上 （自下而上 ） 為了保證溫度波動不致過大，各步經(jīng)歷的時間應盡量縮短，一般 3min完成一個工作循環(huán)。 煤氣化的生產(chǎn)方法及主要設備煤氣化過程需要吸熱和高溫，工業(yè)上采用燃燒煤來實現(xiàn)。(3)水蒸氣和氧氣的比例 氧的作用是與煤燃燒放熱，此熱供給水蒸氣與煤的氣化反應， H2O／ O2比值對溫度和煤氣組成有影響。 近年來新工藝采用 1560～ 1600℃ 進行氣化，使生產(chǎn)強度大大提高。 以上均為可逆反應，總過程為強吸熱的。2氧化鋅脫硫罐； 3一段對流爐； 4一段輻射爐； 5二段轉化爐； 6第一廢熱鍋爐； 7第二廢熱鍋爐； 8汽包； 9輔助鍋爐； 10排風機； 11煙囪 由煤制合成氣煤或焦炭中主要是碳元素，必須與水蒸氣反應，才能生成 CO和H2。 天然氣蒸汽轉化流程和主要設備由天然氣蒸汽轉化制合成氣的基本步驟如下圖所示。根據(jù)工業(yè)催化劑的活性，加壓下進爐甲烷的空間速度 (碳空速 )控制在 1000～ 2023 h1。目前，水碳比已可降至 ，最低者可降到 。 為了防止積碳，操作中一般控制水碳比在 。 T=1000℃, 甲烷＜ ％ (干基 ) 二段轉化爐 水碳比是諸操作變量中最便于調(diào)節(jié)的一個條件，又是對一段轉化過程影響較大的條件。第一段轉化在多管 變溫 反應器 中進行，管間供熱，反應器稱為一段轉化爐，最高溫度 (出口處 )控制在 800℃ 左右，出口殘余甲烷 10％ (干基 )左右。 以耐高溫的 HK40合金鋼為例，在 3 MPa壓力下，要使反應爐管壽命達 10年，管壁溫度不得超過 920℃ ，其管內(nèi)介質溫度相應為 800～ 820℃ 。 ? 為何需要將轉化過程分為兩段進行？ 在 3 MPa的壓力下，為使殘余甲烷含量降至 ％ (干基 )，必須使溫度達到1000℃ 。 從 熱力學 角度看， 高溫 下甲烷平衡濃度低，有利于平衡向產(chǎn)物方向轉化；從 動力學 看， 高溫 使反應速率加快，所以出口殘余甲烷含量低。從 工程角度 考慮： 加壓 有利！ 傳熱有利 ； ，采用多管并連的反應器，這就帶來了如何將氣體均勻地分布的問題，提高系統(tǒng)壓力可增大床層壓降， 使氣流均布于各反應管 。轉化過程主要工藝條件有 壓力 、 溫度 、 水碳比 和 空速 ，這幾個條件之間互有關系，要恰當匹配。③ 出現(xiàn) “ 紅管 ” 現(xiàn)象。措施： 水碳比 ，使有利于抑制析碳和消陳已析出之碳；，脫除毒物， 防止催化劑中毒而活性降低，因活性低時甲烷與水蒸氣反應量少，甲烷本身會大量裂解而積碳； 且