煤氣化合成氣凈化工序工藝流程

空分培訓(xùn)教材

2021/5/91一、工藝原理

空氣中的主要成分是氧20.93（v）%和氮78.13（v）%，它們分別以分子狀態(tài)存在。

氧是地球上一切有機(jī)生命體賴以生存的物質(zhì)。它很容易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而生成氧化物，在氧化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量熱量。因此，氧作為氧化劑和助燃劑在冶金、化工、能源、機(jī)械、國(guó)防工業(yè)等部門得到廣泛應(yīng)用。2021/5/92

在我廠合成氨生產(chǎn)過(guò)程中，氧氣用于煤粉的氣化工序，以強(qiáng)化工藝過(guò)程，提高化肥產(chǎn)量。

空氣中的氧、氮等分子是均勻地相互摻混在一起的，要將它們分開是較困難的，目前主要有3種分離方法。2021/5/931.1低溫法

要將空氣液化，需將空氣冷卻到100K以下的溫度，這種制冷叫深度冷凍;而利用沸點(diǎn)差將液空分離的過(guò)程叫精餾過(guò)程.

低溫法實(shí)現(xiàn)空氣分離是深冷與精餾的組合，是目前應(yīng)用最為廣泛的空氣分離方法。2021/5/94

低溫法分離空氣設(shè)備均由以下四大部分組成：空氣壓縮、膨脹制冷；空氣中水份、CO2等雜質(zhì)的去除；空氣通過(guò)換熱冷卻、液化；空氣精餾、分離；2021/5/95

先將空氣通過(guò)壓縮、膨脹降溫.直至空氣液化，再利用氧、氮的氣化溫度(沸點(diǎn))不同.沸點(diǎn)低的氮相對(duì)于氧要容易氣化這個(gè)特性，在精餾塔內(nèi)讓溫度較高的蒸氣與溫度較低的液體不斷相互接觸，液體中的氮較多地蒸發(fā)，氣體中的氧較多地冷凝.使上升蒸氣中的含氮量不斷提高，下流液體中的含氧量不斷增大，以此實(shí)現(xiàn)將空氣分離。2021/5/96

低溫精餾方法可以通過(guò)若干物理過(guò)程來(lái)達(dá)到，這些過(guò)程包括：空壓機(jī)，其最基本的作用是使流體有能力沿工藝線路流動(dòng)；采用物理吸附法，脫除掉所有可能在低溫下固化的雜質(zhì)；換熱器：用以使空氣降溫和復(fù)熱產(chǎn)品氣體；產(chǎn)冷：為了開車啟動(dòng)期間的逐漸降溫；補(bǔ)償系統(tǒng)的冷損：空氣與產(chǎn)品氣之間的溫差，產(chǎn)液體，裝置的跑冷損失；脫除所有易與氧發(fā)生危險(xiǎn)反應(yīng)的有害雜質(zhì)（如碳?xì)浠衔铮?；低溫分離工藝（精餾）；2021/5/971.2吸附法

它是讓空氣通過(guò)充填有某種多孔性物質(zhì)---分子篩的吸附塔，利用分子篩對(duì)不同的分子具有選擇性吸附的特點(diǎn)，有的分子篩對(duì)氮具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氧分子通過(guò)，因而可得到純度較高的氧氣;有的分子篩(碳分子篩等)對(duì)氧具有較強(qiáng)的吸附性能，讓氮分子通過(guò)，因而可得到純度較高的氮?dú)狻?021/5/981.3膜分離法

它是利用一些有機(jī)聚合膜的滲透選擇性，當(dāng)空氣通過(guò)薄膜(0.lμm)或中空纖維膜時(shí)，氧氣穿過(guò)薄膜的速度約為氮的4-5倍，從而實(shí)現(xiàn)氧、氮的分離，這種方法裝置簡(jiǎn)單，操作方便，啟動(dòng)快，投資少，規(guī)模也只宜中、小型。2021/5/99

變換培訓(xùn)教材2021/5/910一、變換崗位的生產(chǎn)任務(wù)

1.1、本工序的主要任務(wù)是使一氧化碳與水蒸氣在高溫下借助催化劑的作用轉(zhuǎn)化成二氧化碳和氫氣，既除去了對(duì)合成氨有害的一氧化碳?xì)怏w，又為合成氨制取了原料氣所需要的氫氣，使總變換率大于95％。2021/5/9111.2、回收反應(yīng)熱副產(chǎn)過(guò)熱蒸汽S1，其中過(guò)熱蒸汽產(chǎn)量為22.1t/h；副產(chǎn)飽和蒸汽S3和S4；預(yù)熱脫鹽水和熱回收崗位的高壓鍋爐給水。2021/5/9121.3、輸送變換冷凝液去06、07、08工序；

1.4、氣提冷凝液中的氨，防止銨鹽在系統(tǒng)中累積，尾氣送往火炬燒掉2021/5/913二、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)述2.1來(lái)自氣化工序被蒸汽充分飽和的工藝氣（6.26MPaG，243℃），經(jīng)氣液分離器分離掉夾帶的液體后，經(jīng)過(guò)預(yù)熱，溫度至290℃左右，然后進(jìn)入第一變換爐（R0901），在爐內(nèi)氣體發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

CO+H2O≈CO2+H2+Q

此反應(yīng)為放熱反應(yīng)，采用高壓耐硫鈷鉬催化劑。2021/5/914

出第一變換爐（R0901）的氣體溫度為463℃，一氧化碳降至6.18％左右，經(jīng)換熱降溫至270℃左右，進(jìn)入二段變換爐（R0902），繼續(xù)與水蒸汽發(fā)生變換反應(yīng)：

CO+H2O≒CO2+H2+Q

出第二變換爐的氣體，CO含量降至1.5%，經(jīng)過(guò)降溫分離后送至低溫甲醇洗脫硫脫碳。2021/5/9152.2產(chǎn)品及副產(chǎn)品規(guī)格１、產(chǎn)品：工藝氣1）、生產(chǎn)30萬(wàn)噸合成氨/年時(shí)，變換氣成份組成和數(shù)量如下：流量：155010Nm3/h溫度：≤40℃壓力：5.50MPaG主要組成：H2：54.0%CO2：43.40%CO：≤1.5%2021/5/916２）、生產(chǎn)20萬(wàn)噸甲醇/年時(shí)，變換氣成份組成和數(shù)量如下：

流量：98765.78Nm3/h溫度：≤40℃

壓力：5.50MPaG主要組成：H2：46.17％CO2：33.80％CO：18.00％2021/5/917３）、生產(chǎn)精制煤氣時(shí)，氣體規(guī)格為

水煤氣流量：18000Nm3/h溫度：≤40℃壓力：5.53MPaG主要組成：H2：35.02％CO2：18.55％CO：45.6856％2021/5/9182、副產(chǎn)品1）、中壓蒸汽S1：壓力：4.0MPaG溫度：425℃2）、低壓蒸汽S3和S4：壓力：0.35MPaG和1.0MPaG溫度：飽和2021/5/9193、鍋爐給水、冷熱密封水：1）、高壓鍋爐給水（BW）：經(jīng)過(guò)變換崗位的鍋爐給水加熱器E0904后：壓力：5.2MPaG溫度：225℃2)、低壓鍋爐給水（BW）：壓力：1.3MPaG溫度：132℃3）、熱密封水（SW）：壓力：8.3MPaG溫度：132℃4)、冷密封水（EW）：壓力：8.3MPaG溫度：40℃2021/5/920三、熱回收工藝原理3.1熱回收崗位主要向本工序和其他工序供應(yīng)鍋爐給水、冷、熱密封水。

由脫鹽水站來(lái)的脫鹽水經(jīng)變換崗位預(yù)熱后，大部分水送熱電廠，其余部分送熱回收崗位進(jìn)行高壓除氧。熱回收除氧崗位采用0.35MPaG的S3蒸汽加熱脫鹽水，進(jìn)行熱力除氧。2021/5/9213.2熱力除氧的原理是依據(jù)亨利定律，即任何氣體在水中的溶解度與此氣體在氣水分界面上的分壓成正比，對(duì)應(yīng)壓力下飽和溫度的水，水蒸汽分壓達(dá)到最大，而氣體的分壓達(dá)到最小。

熱回收同時(shí)采用化學(xué)除氧除掉鍋爐給水中的殘余氧，進(jìn)一步降低鍋爐給水中的氧含量，以保證向本崗位和其他崗位輸送合格的鍋爐給水及冷熱密封水。2021/5/922低溫甲醇洗培訓(xùn)教材2021/5/923一、甲醇洗裝置的工藝原理1.1低溫甲醇洗是指甲醇在一定壓力和低溫下，把變換氣中所含的酸性氣體如CO2、H2S、COS和硫醇等脫除的工藝過(guò)程。由于甲醇吸收酸性氣體的過(guò)程沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，因此屬物理吸收。

2021/5/9241.2甲醇吸收了CO2、H2S、COS等酸性氣體，需進(jìn)一步再生循環(huán)使用，再生有三種方法：1）減壓解吸法，即吸收了溶質(zhì)的溶劑，通過(guò)節(jié)流和降低系統(tǒng)的總壓（甚至到負(fù)壓），實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的解吸。2）氣提解吸法，即導(dǎo)入惰性氣，降低溶質(zhì)分壓，實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的解吸。3）加熱解吸法，即用外來(lái)的熱量把溶劑加熱到沸騰，使溶質(zhì)在溶劑中的溶解量為零。本廠使用氮?dú)鈿馓峤馕ā?/p>

2021/5/9251.3低溫甲醇洗的吸收動(dòng)力學(xué)

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)吸收過(guò)程的速率只取決于二氧化碳的擴(kuò)散速率，在相同的條件下硫化氫的吸收速率約為二氧化碳吸收速率的10倍。溫度降低時(shí)吸收速率緩慢減小。2021/5/926二、低溫甲醇洗生產(chǎn)工藝流程及其分析2.1(1)甲醇洗工藝流程配置主要應(yīng)考慮以下問(wèn)題：

(a)保證凈化氣的凈化指標(biāo)。

(b)保證甲醇的充分再生。

(c)要保證所回收的二氧化碳產(chǎn)品的純度，以滿足尿素或下游工序?qū)Χ趸嫉囊蟆?/p>

(d)溶液熱再生時(shí)放出的硫化氫氣體要符合下游工序要求。

(e)吸收時(shí)溶液要求低溫、加壓。

(f)注意防止系統(tǒng)中水分的積累，甲醇蒸餾塔的脫水能力要足夠，避免甲醇中水分含量增長(zhǎng)，影響吸收效果。2021/5/927(g)排放物要符合規(guī)定的指標(biāo)，排放尾氣中的硫化氫含量與排放水中的甲醇含量不能超過(guò)排放標(biāo)準(zhǔn)；

(h)要有安全防護(hù)和防腐措施；

(i)要有一定的操作彈性和必要的操作控制手段；

(j)要適應(yīng)開停車生產(chǎn)操作的特點(diǎn)和要求。2021/5/9282.2工藝流程

凈化部分采用的低溫甲醇洗流程主要有兩種類型，即兩步法與一步法。前者用低溫甲醇洗預(yù)先脫硫，在CO變換后，再用低溫甲醇洗脫除二氧化碳；而后者在耐硫變換之后，用低溫甲醇洗同時(shí)進(jìn)行脫硫和脫碳。2021/5/929制氨中同時(shí)脫除硫化氫與二氧化碳的一步法低溫甲醇洗流程如圖6-9所示。2021/5/9302021/5/9312.3工藝條件確定的主要依據(jù)

(1)吸收壓力由原料氣制備所采用的技術(shù)路線決定。

(2)吸收溫度吸收溫度對(duì)酸性氣體在甲醇中的溶解度影響很大。溫度越低．酸性氣體的溶解度越大。壓力確定后，凈化氣的最終凈化指標(biāo)與吸收溫度有關(guān)，而由氣液平衡決定。由于吸收過(guò)程中有溶解熱放出，因此要保證吸收塔的溫度條件，就應(yīng)考慮吸收液的冷卻問(wèn)題。2021/5/932(3)溶液的最小循環(huán)量和吸收塔的液氣比L／G

(4)凈化氣中有害組分的濃度與再生條件

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(6)再生解吸的工藝條件中間解吸的壓力與溫度的選擇，其準(zhǔn)則是二氧化碳、硫化氫等待脫除組分的解吸量最小的情況下，使氫氣等有用組分盡可能完全地解吸出來(lái)。由于氫氣在甲醇中的溶解度有其特殊性，中間解吸前使溶液溫度降低對(duì)氫的回收是有利的，同時(shí)又可減少二氧化碳、硫化氫組分的解吸。二氧化碳解吸時(shí)壓力低是有利的，但考慮到下游工序如尿素生產(chǎn)等對(duì)二氧化碳?xì)獾膲毫σ螅趸冀馕膲毫σ话悴坏陀凇?.3MPa。二氧化碳解吸的溫度條件還要考慮到可能引起的硫化氫對(duì)二氧化碳產(chǎn)品污染與甲醇溶劑的損失。

2021/5/934三、甲醇溶劑與其它溶劑相比有如下的優(yōu)點(diǎn)：3.1、在低溫、高壓下，甲醇吸收酸性氣體的量遠(yuǎn)大于對(duì)N2，CO，H2，CH4等的量，即選擇性好，從而大大降低了甲醇的循環(huán)量和減少了有效氣體H2和CO的損失。3.2、甲醇在低溫下平衡蒸汽壓低，故甲醇損失少。2021/5/9353.3、甲醇的化學(xué)穩(wěn)定性好、冰點(diǎn)低。3.4、甲醇的粘度小和腐蝕性小。3.5、甲醇的吸收能力大（約是水的100倍，苯菲爾化學(xué)溶劑的10倍），且價(jià)廉易得。2021/5/936但甲醇溶劑也有如下的缺點(diǎn)：1）因其工藝是在低溫下操作，因此設(shè)備的材質(zhì)要求高。2）為降低能耗，回收冷量，換熱設(shè)備特多從而使流程變長(zhǎng)。3）甲醇有毒，會(huì)影響人的健康。2021/5/937四、低溫甲醇洗工序的流程：4.1甲醇吸收變換氣中的酸性氣體，采用加壓吸收；為降低吸收溫度，把吸收了酸性氣體的富甲醇，采用先預(yù)冷再減壓解吸，以得到更低的系統(tǒng)溫度，并通過(guò)熱量交換使凈甲醇的吸收溫度降低；2021/5/9384.2為回收變換氣中的CO2，設(shè)置了單獨(dú)的產(chǎn)品CO2塔，以在富甲醇解吸時(shí)，CO2在此塔中釋出；4.3為使吸收了酸性氣體的富甲醇中的H2S、COS等得到濃縮，則利用H2S、COS等在溶劑中溶解度更高的條件，采用了氮?dú)鈿馓峤馕?，達(dá)到H2S、COS等得到濃縮目的；2021/5/9394.4、為保證吸收后所得凈化氣體的凈化度到20ppm（對(duì)于CO2）,最終采用了把甲醇加熱到沸點(diǎn)解吸，解吸后的甲醇，不再溶解有任何酸性氣體，將此凈甲醇經(jīng)與低溫的富甲醇換冷后，送到吸收塔進(jìn)行吸收，確保凈化氣體的凈化度到20ppm（對(duì)于CO2）。2021/5/940液氮洗培訓(xùn)教材2021/5/941一、工藝原理

液氮洗工序的工藝原理包括：吸附原理、混合制冷原理及液氮洗滌原理。2021/5/9421）吸附原理

吸附是一種物理現(xiàn)象，不發(fā)生化學(xué)變化。由于分子間引力作用，在吸附劑表面產(chǎn)生一種表面力。當(dāng)流體流過(guò)吸附劑時(shí)，流體與吸附劑充分接觸，一些分子由于不規(guī)則運(yùn)動(dòng)而碰撞在吸附劑表面，有可能被表面力吸引，被吸附到固體表面，使流體中這種分子減少，達(dá)到凈化的目的。2021/5/943

分子篩對(duì)極性分子的吸附力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于非極性分子，因此，從低溫甲醇洗工序來(lái)的氣體中CO2、CH3OH因其極性大于H2，就被分子篩選擇性地吸附，而H2為非極性分子，因此分子篩對(duì)H2的吸附就比較困難。被吸附到吸附劑表面上的分子達(dá)到一定量，即達(dá)到了吸附平衡吸附劑達(dá)到了飽和狀態(tài)。2021/5/9442）混合制冷原理

在一定條件下，將一種制冷工質(zhì)壓縮至一定壓力，再節(jié)流膨脹，產(chǎn)生焦耳-湯姆遜效應(yīng)（J-T效應(yīng)）即可進(jìn)行制冷?？茖W(xué)實(shí)踐已經(jīng)證明：“將一種氣體在足夠高的壓力下與另一種氣體混合，這種氣體也能制冷”。這是因?yàn)樵谙到y(tǒng)總壓力不變的情況下，氣體在摻入混合物中后分壓是降低的，相互混合氣體的主要組分（如H2與N2、CO、CH4、Ar等）的沸點(diǎn)至少平均相差33℃，最好相差57℃，這樣更有利于低沸點(diǎn)組分H2的提純和低、高沸點(diǎn)組份的分離，并且消耗也低。2021/5/945

液氮洗工序就運(yùn)用了上述原理。在換熱器中用來(lái)自氮洗塔的產(chǎn)品氮洗氣，冷卻進(jìn)入本工序的高壓氮?dú)夂蛠?lái)自低溫甲醇洗的凈化氣；而在氮洗塔中，使凈化氣和液氮成逆流接觸；在此過(guò)程中，不僅將凈化氣中的CO、CH4、Ar等洗滌下來(lái)，同時(shí)也配入部分氮?dú)狻?021/5/946

但這部分氮?dú)獠⒉荒苁钩龅此漠a(chǎn)品氣體中H2/N2達(dá)到3:1，因此，還有另外一種配氮方式（此配氮過(guò)程是在換熱器之間完成的，使H2/N2最終達(dá)到3:1送合成工序生產(chǎn)合成氨；同時(shí)，在整個(gè)氮?dú)馀c凈化氣體混合的過(guò)程中，使PN2＝5.9MPaG配到凈化氣中,其分壓下降為PN2＝1.3MPaG,產(chǎn)生J-T效應(yīng)而獲得了液氮洗工序所需的絕大部分冷量。2021/5/9473）液氮洗滌原理

液氮洗滌近似于多組分精餾，它是利用氫氣與CO、Ar、CH4的沸點(diǎn)相差較大，將CO、CH4、Ar從氣相中溶解到液氮中，從而達(dá)到脫除CO、CH4、Ar等雜質(zhì)的目的，此過(guò)程是在液氮洗工序的核心設(shè)備—氮洗塔中完成的。由于氮?dú)夂鸵谎趸嫉臍饣瘽摕岱浅＝咏?，因此，可以基本認(rèn)為液氮洗滌過(guò)程為一等溫過(guò)程。2021/5/948下表為液氮洗工序中涉及到的氣體之有關(guān)物性參數(shù)。

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從上表可以看出，各組分的臨界溫度都比較低，氮的臨界溫度為-147.1℃（其他組分可見上表），從而決定了液氮洗滌必須在低溫下進(jìn)行。從各組分的沸點(diǎn)數(shù)據(jù)可以看出，H2的沸點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于N2及其它組分，也就是說(shuō)，在低溫液氮洗滌過(guò)程中，CH4、Ar、CO容易溶解于液氮中，而原料氣體中的氫氣，則不易溶解于液氮中，從而達(dá)到了液氮洗滌凈化原料氣體中CH4、Ar和CO