李曉煥（內(nèi)蒙古大唐國(guó)際克什克騰煤制天然氣有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 赤峰 025350）

就國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀來(lái)看，一氧化碳變換系統(tǒng)在煤化工產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較普遍，尤其在合成氨的生產(chǎn)中，不同原料制造得到的原料氣中一氧化碳約占30%-50%；而一氧化碳并不是合成氨的必要原料，其存在會(huì)對(duì)催化劑反應(yīng)形成阻礙作用，因此必須脫除掉。

按照化學(xué)方程式分析，合成氨所需要的原料氣中有效成分是氮?dú)夂蜌錃?，而在一定條件下，一氧化碳和水蒸氣反應(yīng)可以生成二氧化碳和氫氣，提供給合成氨反應(yīng)使用。所以，在這一過(guò)程中脫除一氧化碳的有效做法是提高原料氣中一氧化碳的反應(yīng)比例。

1 一氧化碳變換系統(tǒng)概述

一氧化碳變換是煤化工工藝中的重要工序，在合成氨、甲醇生產(chǎn)中有很重要的作用。一方面，合成氨或者甲醇的主要原料是氫氣，一氧化碳正是通過(guò)變換系統(tǒng)提供制造氫氣的原料。另一方面，一氧化碳并不是直接構(gòu)成合成氨或甲醇的材料，它的存在會(huì)對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)產(chǎn)生副作用。

國(guó)內(nèi)常用的一氧化碳變換過(guò)程是，粉煤通過(guò)加壓制氣系統(tǒng)產(chǎn)生煤氣，可以先將一部分一氧化碳變換之后，調(diào)節(jié)剩余的氫元素和碳元素比例，經(jīng)過(guò)低溫甲醇洗工藝分離出二氧化碳、硫化氫等，生成中間產(chǎn)品粗制氣。

同時(shí)，以合成氨為例進(jìn)行研究，在水煤氣變換反應(yīng)中需要消耗大量的水蒸氣，復(fù)雜的摩爾反應(yīng)中一氧化碳要轉(zhuǎn)化為二氧化碳，并生成氫氣，需要消耗凈化過(guò)程中50%以上的能量。因此，在確保轉(zhuǎn)換率的前提下，盡量減少水蒸氣的能耗就成了系統(tǒng)改良關(guān)鍵。

2 一氧化碳加壓變換設(shè)計(jì)理論分析

2.1 一氧化碳加壓變換的必要性

第一，通過(guò)加壓變換設(shè)計(jì)可以有效提升反應(yīng)速度。顯而易見(jiàn)地是，反應(yīng)罐中的氣體濃度與壓力密切相關(guān)，而氣體反應(yīng)增加壓力與增加濃度的效果是一致的，由此不難判斷，在同等溫度下氣體反應(yīng)物施加壓力越大，反應(yīng)物體積就越小，單位體積中參與反應(yīng)的分子數(shù)量就越多，可以提升反應(yīng)速度。

第二，通過(guò)加壓變換設(shè)計(jì)可以有效提升生產(chǎn)能力。一氧化碳與水蒸氣的反應(yīng)程度取決于催化劑作用，加壓狀態(tài)下催化劑與分子的碰撞機(jī)會(huì)增加，單位體積的催化劑與壓力平方根形成正比例關(guān)系，即提高壓力，相當(dāng)于增加了催化劑的濃度；客觀上激活了催化劑的反應(yīng)速度，生產(chǎn)力自然而然得到提高。

第三，通過(guò)加壓變換設(shè)計(jì)可以有效減少水蒸氣能耗。水蒸氣是一氧化碳變換反應(yīng)的重要媒介，同時(shí)也是反映原料，它有熱力驅(qū)動(dòng)并實(shí)現(xiàn)工藝氣的回收。提高壓力之后水蒸氣的濃度增加，單位體積中需要的熱力能量減少。

第四，通過(guò)加壓變換設(shè)計(jì)可以有效減少投資。變換系統(tǒng)的壓力提高，相當(dāng)于變換系統(tǒng)的儀器設(shè)備縮小變換空間，反應(yīng)過(guò)程中需要的輔助設(shè)備供應(yīng)效率提升，進(jìn)而減少建設(shè)費(fèi)用和安裝費(fèi)用，如鼓風(fēng)機(jī)、換氣柜、鋼架構(gòu)等，有效縮小占地面積。

第五，通過(guò)加壓變換設(shè)計(jì)可以有效節(jié)約觸媒用量。常溫和低溫所使用的催化劑種類(lèi)不同，如Fe-Cr、Co-Mo系列等，觸媒用量的多少和單位面積的平方根是成正比的，如果實(shí)現(xiàn)已經(jīng)建立了加壓系統(tǒng)設(shè)備，就可以減少用量節(jié)約費(fèi)用，而不會(huì)影響正常的生產(chǎn)。

2.2 一氧化碳加壓變換設(shè)計(jì)特點(diǎn)

一氧化碳變換反應(yīng)屬于放熱形式，因此在低溫環(huán)境下更有利于生產(chǎn)開(kāi)展，但這無(wú)疑會(huì)造成更大的熱能消耗，以防止水蒸氣冷凝；同時(shí)，一氧化碳和水蒸氣的變換反應(yīng)屬于可逆反應(yīng)，與原料成分、溫度、水氣比例等存在密切的關(guān)系，其化學(xué)反應(yīng)方程式為:CO+H2O=CO2+H2。

原則上來(lái)說(shuō)，壓力的大小對(duì)變換反應(yīng)影響不大，但是加壓變換過(guò)程中，機(jī)械裝備中的飽和塔和熱水塔位置不同。由于壓力增大，系統(tǒng)的阻力也相對(duì)提升，飽和塔的壓力比熱水塔的壓力高出0.5-1MPa；由此一來(lái)，加上飽和塔在熱水塔上方的位差，飽和塔中的水會(huì)自然輸送到熱水塔頂部，降低了能量消耗。

合成氨或甲醇的生產(chǎn)工藝日趨成熟，提升變換系統(tǒng)壓力的更有利于氨氣的生成和析碳反應(yīng)發(fā)生，較為顯著的一個(gè)效果是，系統(tǒng)加壓后提高了氫氣的消耗速度，對(duì)催化劑的強(qiáng)度有新的要求；未來(lái)針對(duì)觸媒的研究還需要不斷探索。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)煤化工產(chǎn)業(yè)的不斷深入發(fā)展，化工設(shè)備從材質(zhì)耐壓性、制造工藝、生產(chǎn)型式等多個(gè)方面都有所優(yōu)化，取得了較大的技術(shù)改革成就。一氧化碳加壓變換系統(tǒng)的設(shè)計(jì)雖然可以提高轉(zhuǎn)換率和產(chǎn)量，但就煤化工工藝而言，壓力提升并不意味著可以無(wú)限地提高。同時(shí)，提高設(shè)備的壓力同時(shí)，也會(huì)造成較重的設(shè)備負(fù)載負(fù)擔(dān)，需要對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行安全升級(jí)。

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