煤制合成天然氣工藝中甲烷化過程模擬與分析.pdf

1、我國是一個“富煤貧油少氣”的國家，但目前我國煤炭的使用效率低，環(huán)境污染大。受環(huán)境壓力和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整需求，迫切需要將煤炭進行清潔化利用。煤制取合成天然氣因其能源轉(zhuǎn)化效率高，單位熱值耗水量少而成為我國煤炭清潔利用的一大熱點。雖然國外有相對成熟的煤制取合成天然氣技術(shù)，但僅美國大平原煤制天然氣能經(jīng)長周期考驗，因此開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的甲烷化技術(shù)，以滿足我國煤化工工業(yè)需求，意義重大。本文以合成氣甲烷化為對象進行熱力學分析、建立絕熱固定床反應(yīng)器模

2、型、對反應(yīng)工況的靈敏度分析以及甲烷化流程的模擬與經(jīng)濟分析等問題進行了研究，構(gòu)建了合成氣甲烷化系統(tǒng)設(shè)計與分析的基本框架。
　　首先，針對合成氣甲烷化反應(yīng)過程中可能發(fā)生的六個化學反應(yīng)，以吉布斯自由能最小為研究方法，采用Chemcad軟件進行熱力學分析?？疾炝诉M口溫度、操作壓力、進口組成、原料氣中添加水分以及添加CO2對出口組成分布的影響。研究結(jié)果表明，當H2和CO的摩爾比為3，反應(yīng)溫度不高于400℃時，操作壓力越高對甲烷化越有利。原料

3、氣中添加水能夠抑制積碳，但是添加CO2則容易發(fā)生積碳，如果原料氣中含有CO2，建議進口組成中，物質(zhì)的摩爾比滿足NH2-NCO2=3/。NCO+NCO2
　　其次，通過采集廈門大學化學系張鴻斌教授課題組研發(fā)的Ni-ZrO2基催化劑實驗數(shù)據(jù)，建立了指數(shù)型動力學方程。結(jié)合一維擬均相絕熱固定床反應(yīng)器模型，考察了進口溫度、操作壓力、氣體體積流量以及循環(huán)比對反應(yīng)器出口溫度以及反應(yīng)器出口組成的影響，為工業(yè)操作以及流程設(shè)計提供指導。
　　最

4、后，構(gòu)建甲烷化反應(yīng)流程，對反應(yīng)器中間換熱模型、帶循環(huán)兩段反應(yīng)器模型以及帶循環(huán)的三段反應(yīng)器模型進行流程模擬。當CO轉(zhuǎn)化率達到99.99％，反應(yīng)器出口溫度不超過650℃和滿足化學平衡的要求時，對三個反應(yīng)流程進行經(jīng)濟分析。結(jié)果表明，中間換熱流程經(jīng)濟效益最好，但是其出口溫度接近650℃，對催化劑的性能提出了非常高的挑戰(zhàn)。而帶循環(huán)流程三段反應(yīng)器模型要優(yōu)于兩段反應(yīng)器模型，這是因為前者的循環(huán)比小于后者，由此產(chǎn)生的循環(huán)功低于后者;并且由于循環(huán)比小，出口