浅谈煤制乙二醇装置中CO耐硫变换工艺

李林

摘 要：乙二醇的英文简称是EG，它是一种非常重要的有机化工原料，主要在聚对苯二甲酸乙二醇酯、不饱和聚酯树脂和防冻剂等生产中会应用到乙二醇。随着时代的发展和社会经济的进步，聚酯产业的发展速度越来越快，人们对于乙二醇的需求也越来越大。那么，乙二醇的生产方法就引起了人们的注意。文章简要分析了煤制乙二醇装置中CO耐硫变换工艺，希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：煤制乙二醇；一氧化碳；变换工艺

以往，都是用石油来生产乙二醇，然后经过乙烯催化氧化得到环氧乙烷，水合之后生成乙二醇。我国的石油资源并不丰富，随着乙二醇需求的不断增长，不仅石油短缺，乙二醇也出现了供应不足的问题。因此，人们就对非石油工艺路线产生了重视，这种工艺的原料是煤基合成气，氧化偶联制草酸二甲脂，然后加适量的氢，就合成了乙二醇。如果采用的原料是皖南煤，那么经水煤浆加压气化之后得到的粗煤气中的氢气和一氧化碳组成，不能满足EG合成的需要，因此就需要采用一氧化碳变换工段来调整粗煤气组成。

1 模拟设计要求及工艺方案

煤气组成和变换反应及工艺要求：由水煤浆气化车间供应乙二醇装置的原料气，煤气经过除尘过滤之后，压力为4.5MPa，温度在220摄氏度，汽化比为1.5，总摩尔流量为1243kmol/h。众所周知，在一定的温度条件下，煤气中的一氧化碳和水蒸气在催化剂的作用下，就会发生变换反应，生成H2和CO2。反应方程式是这样的：

CO+H2O——H2+CO2

变换流程方案设计：要想满足后续EG合成工艺的要求，就需要对CO变换工段出口气体中的H2和CO物质量的比例进行控制，一般保持在2。因此，变换流程可以采用两种方案，一种方案是低汽气比全气量变化，另一种是高汽气比部分变换。

在低汽气比全气量变换方面：一氧化碳变换反应是可逆放热反应，从气化装置来的煤气温度是220摄氏度，汽气比为1.5。那么如果直接在变换炉中引入气化装置来的粗煤气，将会产生十分大的反应推动力，这样就会导致一氧化碳发生深度变换以及催化剂床层超温等情况。那么为了对一氧化碳变换率进行控制，保证反应温度不会超出催化剂的承受范围，就需要对变换反应的推动力进行减小。要想实现，只需要对变换炉进料气体的汽气比和人口温度进行调节就可以。对水煤浆煤气中的水气含量进行调节，最优的办法就是将废热回收换热装置设置在变换炉前，这样既可以实现煤气汽气比降低的目的，又可以满足变换要求，同时，这些出气化装置煤气的低位热能的低压蒸汽又可以被有效的利用。目前，在国内的部分化肥厂中已经应用了这种工艺。

高汽气比部分变换：因为水煤浆煤气高汽气比以及我国国产的宽温域耐硫变换催化剂具有低温活性的特点，那么就可以划分化气化装置来的粗煤气，通常分为两股，将一股引入到变换炉内进行深度变换，另一股则走旁路，掺加到变换后的煤气中，通过对变换气量和旁路气量的比例进行调节，以此来促使变换工段煤气出口中的一氧化碳含量达到乙二醇生产工艺的要求。这种工艺流程具有较多的优势，比如操作起来比较的简单和方便，并且控制起来比较的容易，同时，煤气的汽气比也不需要大幅度的降低等等。但是，我们需要清晰的认识到，在一系列的优点的背后，也存在着一些缺点，那么就是脱硫系统中容易进入一些旁路气中的有机硫，这些有机硫都是没有经过变换的，这样后续脱硫以及精脱的负荷就会得到大大的增加。

2 结果与讨论

模拟物性方法和变换炉类型：水煤浆煤气的组成主要是碳氢化合物和各种轻气体，碳氢化合物主要指的是CH4，轻气体主要包括H2、CO2等等，变换工段的气体压力甚至会达到4.5MPa，温度在450摄氏度左右，基于这些特点，我们就可以将其认为典型的高温高压系统。如果设备温度小于100摄氏度，那么就会有大量的水存在于煤气混合物中，在以水为主要组分的液体中会溶解二氧化碳和NH3，发生化学反应，促使电解质溶液的形成。RK-A SPEN方程非常适合，因为它既可以将极性化合物的极性参数提供出来，又可以在极性组分和碳氢化合物的混合物以及中高压条件下的轻气体中适用，可以有效的符合于水煤浆煤气的一氧化碳变换工段的模拟要求。因此，在本工段中温度大于100摄氏度的设备模拟都采用RK_ASPEN状态方程。

模拟结果：在全气量变换模拟结果方面，为了满足乙二醇的合成需要，就需要控制一氧化碳的变换率，通常保持在百分之四十左右。我们做出一个假设，假设在转化率为百分之四十的条件下，可以全部转化水气，那么大于有0.19的汽气比进入到变换炉内。为了对入炉汽气比进行合理的选择，就需要模拟不同汽气比下的反应。通过模拟我们可以发现，选择较低的汽气比，一氧化碳的变换深度可以更好的控制，但是因为变换反应是可逆反应，热力学平衡会在一定程度上起到制约的作用，因为一氧化碳的转化率有要求，那么选择的汽气比就不能太低，如果选择过低的汽气比就会导致甲烷化副反应，造成催化剂床层飞温。

因为一氧化碳变换是一种可逆放热反应，那么温度的升高会对一氧化碳变换反应起到抑制的作用；但是，容易变换炉入口有着较高的温度，就会升高变换炉的气体温度，甚至会超出催化剂的耐受温度极限，这样就会导致催化剂烧结。如果汽气比和变换率是一定的，对变换温度进行改变，就可以得到出口温度和入口温度的关系。

在部分变换模拟结果方面，如果进入变换炉的气体有着较低的温度，并且有着较高的汽气比，那么就会产生较大的变换反应推动力，催化剂活性会在很大程度上决定到一氧化碳的变换率。国产宽温域耐硫变换催化剂耐工况有着较强的变化能力，一氧化碳变换率可以达到百分之八十。我们将变换炉内的一氧化碳变换率设置为百分之八十二，在模拟设定时，将因变量设置为物流中的一氧化碳摩尔含量，那么通过运算就可以得知，当控制变换工段气体出口中一氧化碳含量在百分之二十时，分配器的分配情况为有总流量一半左右的气化装置送气进入到变换炉内。

兩种方案模拟结果比较：通过上面所述的低汽气比全气量变换和高汽气比部分变换，我们可以了解到虽然设置的是不同的流程，并且不同方案的出变换工段的气体组成也存在着差异，但是差异并不是很大。全气量变换得到气体中一氧化碳的干基含量为百分之二十五，部分变换所得到气体中一氧化碳的干基含量为百分之二十一，都满足相关的要求。

3 结束语

本文通过具体的试验分析了煤制乙二醇装置中CO耐硫变换工艺，希望可以提供一些有价值的参考意见。

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