第五章5-1 有哪些原料可生产合成气?合成气的生产方法有哪些?近年来出现哪些生产合成气的新方法?它们与原有生产方法相比有什么优点?

答:原料:煤、天然气、石油馏分、农林废料、城市垃圾等。合成气的生产方法:1.以天

然气为原料的生产方法:主要有转化法和部分氧化法。2.以重油或渣油为原料的生产方法:

主要采用部分氧化法 3.以煤为原料的生产方法:有间歇式和连续式两种操作方式。

以上几种方法的比较:1.以天然气为原料制合成气的成本最低;2.重质油与煤炭制造合成气

的成本差不多,重油和渣油制合成气可以使石油资源得到充分的综合利用;3.轻质油价格

很贵,用它来制造合成气的成本较高,而它很容易经其他方法加工成液体燃料和化工原料,

不必走合成气路线。

其他含碳原料(包括各种含碳废料)制合成气在工业上尚未形成大规模生产,随着再生资源

的开发、二次原料的广泛利用,今后会迅速发展起来的。

生产合成气的新方法:近年来,部分氧化法的工艺因其热效率较高。H2/CO 比值易于调节,

故逐渐收到重视和应用,但需要有廉价的氧源,才能有满意的经济性。最近开展了二氧化

碳转化法的研究,有些公司和研究者已进行了中间规模和工业化的扩大试验。

5-3 以天然气为原料生产合成气的过程有哪些主要反应?从热力学角度考虑,对反应条件

有哪些要求?从动力学角度考虑又有哪些要求?(P161,165-168)

答:甲烷蒸汽转化反应 CH4+H2OCO+3H2

CO 变换反应 CO+H2OCO2+H2

析碳反应 CH4C+2H2

热力学:温度 800℃以上,水碳比 3.5 以上,压力 2MPa 左右。

动力学:温度(高温使反应速率加快,所以出口残余甲烷含量低。因加压对平衡的不利影

响,更要提高温度来弥补)、压力(在反应初期,增加系统压力,相当于增加了反应物分压,

反应速率加快;但到反应后期,反应接近平衡,反应物浓度很低,而产物浓度高,加压反

而会降低反应速率,所以从化学角度看,压力不宜过高)、组分。

5-5 天然气-水蒸气转化法制合成气过程有哪些步骤?为什么天然气要预先脱硫才能进行转

化?用哪些方法较好?(P169,181-182)

答:预先脱硫是为了避免蒸汽转化催化剂中毒。脱硫方法有干法和湿法。干法分为吸附法

和催化转化法。湿法分为化学吸收法、物理吸收法、物理-化学吸收法和湿式氧化法。

5-7 为什么说一段转化管属于变温反应器?为什么天然气-水蒸气转化要用变温反应器?

答:一段转化炉温度沿炉管轴向分布是:在入口端甲烷的含量最高,应着重降低裂解的速

率,故温度应低些,一般不超过 500℃,因有催化剂,转化反应的速率不会太低,析出的

少量碳也及时气化,不会积碳。在离入口端 1/3 处,温度应严格控制不超过 650℃,此时

氢气已增多,同时水碳比相对增大,可抑制裂解,温度又高,消碳速率大增,因此不可能

积碳,之后温度继续升高,直到出口处达到 800℃左右,以保证低的甲烷残余量。因而,

一段转化炉是变温反应器。

天然气-水蒸气转化过程分为两段进行:第一段转化在多管变温反应器中进行,管间供热,

反应器称为一段转化炉,最高温度(出口处)控制在 800℃左右,出口残余甲烷 10%(干基)左

右。第二段转化反应器为大直径的钢制圆筒,内衬耐火材料,可耐 1000℃以上高温。

5-9 由煤制合成气有哪些生产方法?这些方法相比较各有什么优点?较先进的方法是什么?

(P156-159)

答:生产方法有固定床间歇式气化法、固定床连续式气化法、流化床连续式气化法、气流

床连续式气化法。固定床间歇式气化法优点:只用空气而不用纯氧,成本和投资费用低。

固定床连续式气化法优点:①可控制和调节炉中温度;②因无 N2 存在,不需放空,故可

连续制气,生产强度较高,而且煤气质量也稳定。流化床连续式气化法特点:提高了单炉

的生产能力,适应了采煤技术的发展,直接使用小颗粒碎煤为原料,并可利用褐煤等高灰

分煤。

气流床连续式气化法优点:一种在常压、高温下以水蒸气和氧气与粉煤反应的气化法,生

产强度非常大。

5-10 一氧化碳变换的反应是什么?影响该反应的平衡和速度的因素有哪些?如何影响?为

什么该反应存在最佳反应温度?最佳反应温度与哪些参数有关?(P175-177)

答:CO 变换反应 CO+H2OCO2+H2 影响平衡因素有温度、水碳比、原料气中 CO2 含量等。

影响速度因素有压力(加压可以提高反应物分压,在 3.0MPa 以下,反应速率与压力的平

方根成正比,压力再高,影响就不明显了)、温度(CO 的变换反应为可逆放热反应,所以

存在最佳反应温度 Top)、水蒸气(水蒸气的用量决定了 H2O/CO 比值,在水碳比低于 4 时,

提高水碳比,可使反应速率增长较快,但水碳比大于 4 后,反应速率的增长不明显,故一

般选用 H2O/CO 比为 4 左右)。因该反应为可逆放热反应,所以存在最佳反应温度

Top,Top 与气体原始组成、转化率及催化剂有关。

5-11 为什么一氧化碳变换过程要分段进行,要用多段反应器?段数的选定依据是什么?有

哪些形式的反应器?(P178-179)

答:在工程实际中,降温措施不可能完全符合最佳温度曲线,因此采用分段冷却,段数越

多操作温度越接近最佳温度曲线。具体段数由水煤气中 CO 含量、所要达到的转化率、催

化剂活性温度范围等因素决定。变换反应器的类型有中间间接冷却式多段绝热反应器、原

料气冷激式多段绝热反应器、水蒸气或冷凝水冷激式多段绝热反应器等。

5-12 一氧化碳变换催化剂有哪些类型?各适用于什么场合?使用中注意哪些事项?

(P176)

答:一氧化碳变换催化剂有三大类,①铁铬系变换催化剂,反应前还原成 Fe3O4 才有活性,

适用温度为 300~530℃,为中温或高温变换催化剂;②铜基变换催化剂,反应前要还原成

具有活性的小铜晶粒,适用温度为 180~260℃,为低温变换催化剂;③钴钼系耐硫催化剂,

反应前将钴、钼氧化物转变为硫化物才有活性,适用温度为 160~500℃,为宽温变换催化

剂。

5-14 在合成气制造过程中,为什么要有脱碳(CO2)步骤?通常有哪些脱碳方法,各适用

于什么场合?(P183-185)

答:在将气、液、固原料经转化或气化制造合成气过程中会生成一定量的 CO2,尤其当有

一氧化碳变换过程时,生成更多的 CO2,因此需要脱除 CO2。通常脱碳方法有化学吸收法