一氧化碳加壓變換系統的探討與設計

李曉煥（內蒙古大唐國際克什克騰煤制天然氣有限責任公司，內蒙古 赤峰 025350）

就國內現狀來看，一氧化碳變換系統在煤化工產業生產中應用較普遍，尤其在合成氨的生產中，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，其存在會對催化劑反應形成阻礙作用，因此必須脫除掉。

按照化學方程式分析，合成氨所需要的原料氣中有效成分是氮氣和氫氣，而在一定條件下，一氧化碳和水蒸氣反應可以生成二氧化碳和氫氣，提供給合成氨反應使用。所以，在這一過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比例。

1 一氧化碳變換系統概述

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，一氧化碳正是通過變換系統提供制造氫氣的原料。另一方面，一氧化碳并不是直接構成合成氨或甲醇的材料，它的存在會對產品生產產生副作用。

國內常用的一氧化碳變換過程是，粉煤通過加壓制氣系統產生煤氣，可以先將一部分一氧化碳變換之后，調節剩余的氫元素和碳元素比例，經過低溫甲醇洗工藝分離出二氧化碳、硫化氫等，生成中間產品粗制氣。

同時，以合成氨為例進行研究，在水煤氣變換反應中需要消耗大量的水蒸氣，復雜的摩爾反應中一氧化碳要轉化為二氧化碳，并生成氫氣，需要消耗凈化過程中50%以上的能量。因此，在確保轉換率的前提下，盡量減少水蒸氣的能耗就成了系統改良關鍵。

2 一氧化碳加壓變換設計理論分析

2.1 一氧化碳加壓變換的必要性

第一，通過加壓變換設計可以有效提升反應速度。顯而易見地是，反應罐中的氣體濃度與壓力密切相關，而氣體反應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物施加壓力越大，反應物體積就越小，單位體積中參與反應的分子數量就越多，可以提升反應速度。

第二，通過加壓變換設計可以有效提升生產能力。一氧化碳與水蒸氣的反應程度取決于催化劑作用，加壓狀態下催化劑與分子的碰撞機會增加，單位體積的催化劑與壓力平方根形成正比例關系，即提高壓力，相當于增加了催化劑的濃度；客觀上激活了催化劑的反應速度，生產力自然而然得到提高。

第三，通過加壓變換設計可以有效減少水蒸氣能耗。水蒸氣是一氧化碳變換反應的重要媒介，同時也是反映原料，它有熱力驅動并實現工藝氣的回收。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，通過加壓變換設計可以有效減少投資。變換系統的壓力提高，相當于變換系統的儀器設備縮小變換空間，反應過程中需要的輔助設備供應效率提升，進而減少建設費用和安裝費用，如鼓風機、換氣柜、鋼架構等，有效縮小占地面積。

第五，通過加壓變換設計可以有效節約觸媒用量。常溫和低溫所使用的催化劑種類不同，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，如果實現已經建立了加壓系統設備，就可以減少用量節約費用，而不會影響正常的生產。

2.2 一氧化碳加壓變換設計特點

一氧化碳變換反應屬于放熱形式，因此在低溫環境下更有利于生產開展，但這無疑會造成更大的熱能消耗，以防止水蒸氣冷凝；同時，一氧化碳和水蒸氣的變換反應屬于可逆反應，與原料成分、溫度、水氣比例等存在密切的關系，其化學反應方程式為:CO+H2O=CO2+H2。

原則上來說，壓力的大小對變換反應影響不大，但是加壓變換過程中，機械裝備中的飽和塔和熱水塔位置不同。由于壓力增大，系統的阻力也相對提升，飽和塔的壓力比熱水塔的壓力高出0.5-1MPa；由此一來，加上飽和塔在熱水塔上方的位差，飽和塔中的水會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工藝日趨成熟，提升變換系統壓力的更有利于氨氣的生成和析碳反應發生，較為顯著的一個效果是，系統加壓后提高了氫氣的消耗速度，對催化劑的強度有新的要求；未來針對觸媒的研究還需要不斷探索。

3 結語

近年來，隨著我國煤化工產業的不斷深入發展，化工設備從材質耐壓性、制造工藝、生產型式等多個方面都有所優化，取得了較大的技術改革成就。一氧化碳加壓變換系統的設計雖然可以提高轉換率和產量，但就煤化工工藝而言，壓力提升并不意味著可以無限地提高。同時，提高設備的壓力同時，也會造成較重的設備負載負擔，需要對操作系統進行安全升級。

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