一氧化碳加压变换系统的探讨与设计

李晓焕（内蒙古大唐国际克什克腾煤制天然气有限责任公司，内蒙古 赤峰 025350）

就国内现状来看，一氧化碳变换系统在煤化工产业生产中应用较普遍，尤其在合成氨的生产中，不同原料制造得到的原料气中一氧化碳约占30%-50%；而一氧化碳并不是合成氨的必要原料，其存在会对催化剂反应形成阻碍作用，因此必须脱除掉。

按照化学方程式分析，合成氨所需要的原料气中有效成分是氮气和氢气，而在一定条件下，一氧化碳和水蒸气反应可以生成二氧化碳和氢气，提供给合成氨反应使用。所以，在这一过程中脱除一氧化碳的有效做法是提高原料气中一氧化碳的反应比例。

1 一氧化碳变换系统概述

一氧化碳变换是煤化工工艺中的重要工序，在合成氨、甲醇生产中有很重要的作用。一方面，合成氨或者甲醇的主要原料是氢气，一氧化碳正是通过变换系统提供制造氢气的原料。另一方面，一氧化碳并不是直接构成合成氨或甲醇的材料，它的存在会对产品生产产生副作用。

国内常用的一氧化碳变换过程是，粉煤通过加压制气系统产生煤气，可以先将一部分一氧化碳变换之后，调节剩余的氢元素和碳元素比例，经过低温甲醇洗工艺分离出二氧化碳、硫化氢等，生成中间产品粗制气。

同时，以合成氨为例进行研究，在水煤气变换反应中需要消耗大量的水蒸气，复杂的摩尔反应中一氧化碳要转化为二氧化碳，并生成氢气，需要消耗净化过程中50%以上的能量。因此，在确保转换率的前提下，尽量减少水蒸气的能耗就成了系统改良关键。

2 一氧化碳加压变换设计理论分析

2.1 一氧化碳加压变换的必要性

第一，通过加压变换设计可以有效提升反应速度。显而易见地是，反应罐中的气体浓度与压力密切相关，而气体反应增加压力与增加浓度的效果是一致的，由此不难判断，在同等温度下气体反应物施加压力越大，反应物体积就越小，单位体积中参与反应的分子数量就越多，可以提升反应速度。

第二，通过加压变换设计可以有效提升生产能力。一氧化碳与水蒸气的反应程度取决于催化剂作用，加压状态下催化剂与分子的碰撞机会增加，单位体积的催化剂与压力平方根形成正比例关系，即提高压力，相当于增加了催化剂的浓度；客观上激活了催化剂的反应速度，生产力自然而然得到提高。

第三，通过加压变换设计可以有效减少水蒸气能耗。水蒸气是一氧化碳变换反应的重要媒介，同时也是反映原料，它有热力驱动并实现工艺气的回收。提高压力之后水蒸气的浓度增加，单位体积中需要的热力能量减少。

第四，通过加压变换设计可以有效减少投资。变换系统的压力提高，相当于变换系统的仪器设备缩小变换空间，反应过程中需要的辅助设备供应效率提升，进而减少建设费用和安装费用，如鼓风机、换气柜、钢架构等，有效缩小占地面积。

第五，通过加压变换设计可以有效节约触媒用量。常温和低温所使用的催化剂种类不同，如Fe-Cr、Co-Mo系列等，触媒用量的多少和单位面积的平方根是成正比的，如果实现已经建立了加压系统设备，就可以减少用量节约费用，而不会影响正常的生产。

2.2 一氧化碳加压变换设计特点

一氧化碳变换反应属于放热形式，因此在低温环境下更有利于生产开展，但这无疑会造成更大的热能消耗，以防止水蒸气冷凝；同时，一氧化碳和水蒸气的变换反应属于可逆反应，与原料成分、温度、水气比例等存在密切的关系，其化学反应方程式为:CO+H2O=CO2+H2。

原则上来说，压力的大小对变换反应影响不大，但是加压变换过程中，机械装备中的饱和塔和热水塔位置不同。由于压力增大，系统的阻力也相对提升，饱和塔的压力比热水塔的压力高出0.5-1MPa；由此一来，加上饱和塔在热水塔上方的位差，饱和塔中的水会自然输送到热水塔顶部，降低了能量消耗。

合成氨或甲醇的生产工艺日趋成熟，提升变换系统压力的更有利于氨气的生成和析碳反应发生，较为显著的一个效果是，系统加压后提高了氢气的消耗速度，对催化剂的强度有新的要求；未来针对触媒的研究还需要不断探索。

3 结语

近年来，随着我国煤化工产业的不断深入发展，化工设备从材质耐压性、制造工艺、生产型式等多个方面都有所优化，取得了较大的技术改革成就。一氧化碳加压变换系统的设计虽然可以提高转换率和产量，但就煤化工工艺而言，压力提升并不意味着可以无限地提高。同时，提高设备的压力同时，也会造成较重的设备负载负担，需要对操作系统进行安全升级。

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