煤制合成天然气工艺中甲烷化过程模拟与分析

摘要

我国是一个“富煤贫油少气”的国家，但目前我国煤炭的使用效率低，环境污染大。受环境压力和能源结构的调整需求，迫切需要将煤炭进行清洁化利用。煤制取合成天然气因其能源转化效率高，单位热值耗水量少而成为我国煤炭清洁利用的一大热点。虽然国外有相对成熟的煤制取合成天然气技术，但仅美国大平原煤制天然气能经长周期考验，因此开发拥有自主知识产权的甲烷化技术，以满足我国煤化工工业需求，意义重大。本文以合成气甲烷化为对象进行热力学分析、建立绝热固定床反应器模型、对反应工况的灵敏度分析以及甲烷化流程的模拟与经济分析等问题进行了研究，构建了合成气甲烷化系统设计与分析的基本框架。
　　首先，针对合成气甲烷化反应过程中可能发生的六个化学反应，以吉布斯自由能最小为研究方法，采用Chemcad软件进行热力学分析。考察了进口温度、操作压力、进口组成、原料气中添加水分以及添加CO2对出口组成分布的影响。研究结果表明，当H2和CO的摩尔比为3，反应温度不高于400℃时，操作压力越高对甲烷化越有利。原料气中添加水能够抑制积碳，但是添加CO2则容易发生积碳，如果原料气中含有CO2，建议进口组成中，物质的摩尔比满足NH2-NCO2=3/。NCO+NCO2
　　其次，通过采集厦门大学化学系张鸿斌教授课题组研发的Ni-ZrO2基催化剂实验数据，建立了指数型动力学方程。结合一维拟均相绝热固定床反应器模型，考察了进口温度、操作压力、气体体积流量以及循环比对反应器出口温度以及反应器出口组成的影响，为工业操作以及流程设计提供指导。
　　最后，构建甲烷化反应流程，对反应器中间换热模型、带循环两段反应器模型以及带循环的三段反应器模型进行流程模拟。当CO转化率达到99.99％，反应器出口温度不超过650℃和满足化学平衡的要求时，对三个反应流程进行经济分析。结果表明，中间换热流程经济效益最好，但是其出口温度接近650℃，对催化剂的性能提出了非常高的挑战。而带循环流程三段反应器模型要优于两段反应器模型，这是因为前者的循环比小于后者，由此产生的循环功低于后者;并且由于循环比小，出口温度高，能产利润较高的高压蒸汽，经济效益高。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 煤制合成天然气的研究背景

1．1．1 我国煤炭的利用现状

1．1．2 我国天然气发展现状

1．1．3 煤制取合成天然气

1．2 煤气化技术的发展现状

1．2．1 移动床气化工艺

1．2．2 流化床气化工艺

1．2．3 气流床气化工艺

1．3 甲烷化催化剂的发展现状

1．3．1 不耐硫甲烷化催化剂的介绍

1．3．2 耐硫甲烷化催化剂的介绍

1．4 煤制取合成天然气工艺发展现状

1．4．1 煤直接制取合成天然气

1．4．2 煤经合成气制取合成天然气

1．5 我国天然气产业政策

1．6 研究内容

参考文献

第二章 甲烷化的热力学分析

2．1 热力学计算原理

2．2 平衡常数的计算

2．3 H2/CO为1的情况

2．3．1 温度和压力对CO和H2转化率的影响

2．3．2 温度和压力对产物选择性的影响

2．4 H2/CO的影响

2．4．1 在总压力为2.5MPa时，H2/CO的影响

2．4．2 在总压力为0.1MPa时，H2/CO的影响

2．5 H2/CO摩尔比为3

2．5．1 温度和压力对CO和H2转化率的影响

2．5．2 温度和压力对产物选择性的影响

2．5．3 水的影响

2．5．4 CO2的影响

2．5．5 甲烷化在摩尔比为NH2-NCO2/NCO+NCO2=3

2．6 小结

参考文献

第三章 绝热甲烷化反应器模型建立及工况模拟

3．1 动力学方程式的拟合

3．1．1 实验部分

3．1．2 数据拟合

3．2 物性参数的计算

3．2．1 混合气体粘度的计算

3．2．2 混合气体密度的计算

3．3 绝热床数学模型

3．4 单反应器工况的模拟

3．4．1 进口温度的影响

3．4．2 操作压力的影响

3．4．3 进口气体流量的影响

3．5 小结

参考文献

第四章 甲烷化流程的模拟与分析

4．1 甲烷化工艺流程

4．2 多段间接换热流程模拟

4．3 产品气循环稀释原料气流程

4．3．1 甲烷化产品气循环流程模型建立

4．3．2 循环比的影响

4．3．3 循环流程的模拟

4．4 甲烷化经济分析

4．4．1 方案选择对蒸汽量的影响

4．4．2 方案选择对经济性的影响

4．5 小结

参考文献

第五章 结论与展望

主要物理量及符号

在学期间的科研成果

致谢