水煤气变换气净化方法探讨

水煤气变换气净化方法探讨

1目的

变换气净化过程中实现对外界输出机械能，并对外界提供一定的制冷冷量

2当前状况

2.1能源状况

当前我国一直在提倡低碳经济，富煤少油缺气的的现状决定了我们必须有一定量的选择“爱恨交加”的煤炭消耗。电力的需求，我们可以尽量开发利用水力能、太阳能、风能、核能等清洁能源，但化工的需求我们总还是要一定量的煤炭作为其他能源的替代的。煤化工过程中尽量节能，在一定程度上就是低碳。

2.2净化工艺

煤化工过程少不了水煤气的净化，煤化工的过程中水煤气变换气含硫的特性，净化工艺普遍选择了净化程度高、能耗相对低的低温甲醇洗。

3技术背景（理论依据）

高压的水煤气变换气净化后，有效的氢气、一氧化碳等气体基本被等压保留，二氧化碳、硫化氢等气体低压排出。按阿马伽(Amagat)气体分体积定律，水煤气变换气中二氧化碳、硫化氢当量于高压的分率体积存在，具有相应的压力势能，在减压过程中有对应的能量释放，设计特定的工艺手段，让水煤气变换气中的二氧化碳、硫化氢的气体通过膨胀机做绝热膨胀，减压到低压状态，就可以得到相应的机械能，而且可以获取对应的制冷冷量。理论层面上，水煤气变换气净化过程中可以获取一定的机械能和制冷冷量的。

4思路

低温液化分离变换气中的二氧化碳、用液体二氧化碳做吸收介质脱除变换气中的硫化氢，液体二氧化碳经过气化、过热、膨胀机膨胀做功，变换气中二氧化碳和硫化氢的压力势能得以利用。

二氧化碳液体的最低饱和压力在0.51795Mpa，当前的煤气化工艺所产的水煤气压力都不足以经过冷冻液化分离二氧化碳就可以得到符合合成甲醇、天然气需要的净化气。水煤气的变换气的净化必须经过压缩机提高变换气的压力，通过变换气的压力和冷冻后的温度控制净化气中二氧化碳的含量；硫化氢在液体二氧化碳中的溶解度随温度的降低而增大，通过对变换气换热降温，再利用液体二氧化碳吸收脱除，从而保证变换气二氧化碳液化后的量足够脱除变换气中的硫化氢以及液体二氧化碳中硫化氢的浓度。

5理论依据

气体绝热过程中，压力变化后温度会相应变化，变化后的温度T2由下式计算：

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png

气体绝热过程中，压力变化后焓值会相应变化，变化前后的焓差△H由下式计算：

file:///C:/Users/ADMINI~1/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png

式中的K是该气体的绝热指数，气体绝热过程中机械能的变化有下式计算：

W=-△H

6实施例

6.1理论层面

以年产90万吨甲醇的水煤浆气化后的变换气数据为例：17574Kmol/h、40℃、6.0Mpa、46%H2、0.23%N2、21.56%CO、0.1%Ar、0.1%CH4、31.77%CO2、0.24%H2S的变换气，净化后的净化气：压力不变、不含硫化氢、二氧化碳含量2.5%，二氧化碳以0.125Mpa排出，含硫化氢、二氧化碳的酸性气以0.30Mpa送往下游处理工序。

当前的低温甲醇洗净化工艺，需要消耗动力3500KW、外界提供冷量8.01×106Kcal/h；

理论层面上，按气体的分体积定律，变换气视为独立的11950Kmol/h、40℃、6.0Mpa的氢气和一氧化碳的混合气体与独立的5623Kmol/h、40℃、6.0Mpa的二氧化碳和硫化氢混合气体。11950Kmol/h、40℃、6.0Mpa的氢气和一氧化碳混合气体直接送往合成甲醇工序；5623Kmol/h、40℃、6.0Mpa的二氧化碳和硫化氢的混合气体经过绝热膨胀做功，可输出8069KW动力和7.99×106Kcal/h的冷量。

6.2具体实施

为简便起见，变换气简化为：40℃、6.0Mpa、46.76%H2、21%CO、32%CO2、0.24%H2S、17574Kmol/h，经过净化处理后得到：净化气、二氧化碳、酸性气，其中净化气中二氧化碳含量要求控制在2.5%。

变换气经过冷冻降温进入脱硫塔由液体二氧化碳吸收脱除其中的硫化氢，脱硫塔顶部出口的脱硫气经过冷冻分离其中部分二氧化碳再进入压缩机提压，压缩机出口的脱硫气经过继续冷冻液化分离其中的二氧化碳，得到低温高压的净化气，再经过复热、膨胀做功后得到净化气产品；脱硫塔底部出口的含硫液体二氧化碳经过蒸发、复热，得到酸性气产品；液体二氧化碳经过蒸发、加热、膨胀机膨胀做功，得到二氧化碳产品。

系统冷量源自于高压气体绝热膨胀做功过程的降温效应，通过控制膨胀机入口温度、出口压力从而控制膨胀机出口介质的温度。

具体流程如附图1

过程中物料参数(完全在理论计算的基础上)：

01#：变换气17574Kmol/h、6.0Mpa、40℃、32%CO2、0.24%H2S；

02#：变换气17574Kmol/h、5.98Mpa、-26.5℃、32%CO2、0.24%H2S；

03#：脱硫气16234.70Kmol/h、5.93Mpa、-27℃、26.65%CO2、0%H2S；

04#：脱硫气16234.70Kmol/h、5.91Mpa、-52.5℃、10.44%CO2、0%H2S，其中含液体二氧化碳2938.12Kmol/h；

05#：脱硫气 13296.58Kmol/h、5.91Mpa、-52.5℃、10.44%CO2、0%H2S；

06#：工艺气压缩机入口脱硫气 13296.58Kmol/h、5.89Mpa、2.5℃、10.44%CO2、0%H2S；

07#：工艺气压缩机出口脱硫气 13296.58Kmol/h、24.725Mpa、142℃、10.44%CO2、0%H2S；

08#：脱硫气 13296.58Kmol/h、24.705Mpa、40℃、10.44%CO2、0%H2S；

09#：脱硫气 1329.58Kmol/h、24.685Mpa、-52.5℃、2.5%CO2、0%H2S，其中液体二氧化碳1083.1Kmol/h；

10#：净化气 12213.48Kmol/h、24.685Mpa、-52.5℃、2.5%CO2、0%H2S；

11#：工艺气膨胀机入口净化气 12213.48Kmol/h、24.665Mpa、30℃、2.5%CO2、0%H2S；

12#：工艺气膨胀机出口净化气 12213.48Kmol/h、6.04Mpa、-70.35℃、2.5%CO2、0%H2S；

13#：净化气12213.48Kmol/h、6.02Mpa、-4.38℃、67.283%H2、30.217%CO、2.5%CO2、0%H2S；

14#：净化气产品 12213.48Kmol/h、6.0Mpa、30℃、67.283%H2、30.217%CO、2.5%CO2、0%H2S；

15#：液体二氧化碳 1083.10Kmol/h、24.685Mpa、-52.5℃、0%H2S；

16#：液体二氧化碳 1083.10Kmol/h、24.665Mpa、30℃、0%H2S；

17#：第一二氧化碳膨胀机入口二氧化碳 1083.10Kmol/h、24.645Mpa、132.15℃、0%H2S；

18#：第一二氧化碳膨胀机出口二氧化碳 1083.10Kmol/h、5.52Mpa、0.89℃、0%H2S；

19#：第二二氧化碳膨胀机入口二氧化碳 1083.10Kmol/h、5.50Mpa、132.15℃、0%H2S；

20#：第二二氧化碳膨胀机出口二氧化碳 1083.10Kmol/h、1.36Mpa、-1.23℃、0%H2S；

21#：液体二氧化碳 2938.12Kmol/h、5.91Mpa、-52.5℃、0%H2S；

22#：脱硫液体二氧化碳 1119.79Kmol/h、5.91Mpa、-52.5℃、0%H2S；

23#：脱硫液体二氧化碳1119.79Kmol/h、5.93Mpa、-52.0℃、0%H2S；

24#：含硫液体二氧化碳 2459.09Kmol/h、5.98Mpa、-26.5℃、98.285%CO2、1.715%H2S；

25#：酸性气 2459.09Kmol/h、0.52Mpa、-56.5℃、、98.285%CO2、1.715%H2S；

26#：酸性气产品 2459.09Kmol/h、0.50Mpa、30℃、、98.285%CO2、1.715%H2S；

27#：液体二氧化碳 1818.33Kmol/h、5.91Mpa、-52.5℃、0%H2S；

28#：二氧化碳 1818.33Kmol/h、1.38Mpa、-31℃、0%H2S；

29#：二氧化碳 1818.33Kmol/h、1.36Mpa、30℃、0%H2S；

30#：二氧化碳 2901.44Kmol/h、1.36Mpa、18.34℃、0%H2S；

31#：第三二氧化碳膨胀机入口二氧化碳 2901.44Kmol/h、1.34Mpa、132.15℃、0%H2S；

32#：第三二氧化碳膨胀机出口二氧化碳 2901.44Kmol/h、0.36Mpa、5.24℃、0%H2S；

33#：第四二氧化碳膨胀机入口二氧化碳 2901.44Kmol/h、0.34Mpa、132.15℃、0%H2S；

34#：第四二氧化碳膨胀机出口二氧化碳 2901.44Kmol/h、0.125Mpa、31.37℃、0%H2S；

工艺气压缩机J1驱动功率：15010.28KW

工艺气膨胀机J2输出功率：9907.1KW

第一二氧化碳膨胀机J3输出功率：1234.370KW

第二二氧化碳膨胀机J4输出功率：1167.82KW

第三二氧化碳膨胀机J5输出功率：2976.54KW

第四二氧化碳膨胀机J6输出功率：2363.72KW

整个机组J1、J2、J3、J4、J5、J6可输出功率2639.28KW用于发电机M发电。

变换气01#到02#过程需要冷量：52666681KJ/h；

脱硫气05#到06#过程释放冷量：21563026KJ/h；

净化气13#到14#过程释放冷量：12235572KJ/h；

液体二氧化碳15#到16#过程释放冷量：7470333KJ/h；

酸性气25#到26#过程释放冷量：7518108KJ/h；

二氧化碳28#到29#过程释放冷量：3991713KJ/h；换热器E1冷量热量平衡；

脱硫气03#到04#过程需要冷量：56445249KJ/h；含硫液体二氧化碳23#到酸性气24#蒸发过程释放冷量：29359388KJ/h；液体二氧化碳27#到28#蒸发过程释放冷量：27319513KJ/h；换热器E2冷量热量平衡；

脱硫气08#到09#冷却过程需要冷量：52618040KJ/h；净化气10#到11#过程释放冷量29279648KJ/h；净化气12#到13#过程释放冷量23341071KJ/h；换热器E4冷量热量平衡；

脱硫气07#到08#过程释放热量：43846751KJ/h；可以满足过程中二氧化碳膨胀机入口二氧化碳加热的热量需求。

过程中系统需外界提供211179989KJ/h或5.0439473×107Kcal/h的低温热量，优化的基础上相应对外界提供对等的冷量。

过程中净化气残余二氧化碳含量越高、压缩机出口气被冷冻的温度越低，压缩机出口的压力就越低，压缩机的功耗就越小，净化过程就越节能。

7问题与对策

7.1该方案完全建立在理论计算的基础之上，是否可行有待验证；

7.2所得酸性气产品中硫化氢含量太低，不可用克劳斯硫回收处理；

7.3过程中存在液体二氧化碳对氢气、一氧化碳的吸收，有待优化；

水煤气变换气净化方法主要目的是在净化过程中实现对外输出机械能，并提供制冷冷量。低温甲醇洗是目前广泛使用的技术，它具有高净化程度、较低的能耗特点。在理论上，通过设计特定工艺手段，如使用膨胀机进行绝热膨胀，可以利用高压气体中的压力势能，获得机械能和制冷冷量。

具体的技术思路包括使用低温液化分离变换气中的二氧化碳，并用液态二氧化碳作为吸收介质去除硫化氢。液态二氧化碳在经过气化、过热、膨胀机膨胀做功后，可以实现二氧化碳和硫化氢的压力势能的利用，同时产生冷量。

技术实施涉及多个步骤，如变换气的净化、压缩、降温、分离等，具体参数和流程需要通过精确计算和工艺优化。虽然这个方案理论上是可行的，但实际应用中可能存在问题，例如酸性气产品中硫化氢含量过低、液态二氧化碳对氢气和一氧化碳的吸收等，需要进一步的工艺研发和优化来解决这些问题。
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