煤化工工藝學試題及答案1.單選題（每題2分，共20分）1.1下列哪一條不是煤氣化過程的主要目的A.制取合成氣B.脫除煤中灰分C.提高氫碳比D.降低原料煤粒度答案：D解析：煤氣化的本質(zhì)是煤與氣化劑反應生成CO+H?為主的合成氣，粒度降低屬于備煤工序，與氣化目的無關(guān)。1.2Shell粉煤氣化爐采用的氣化劑是A.純氧+水蒸氣B.空氣+水蒸氣C.富氧+CO?D.氮氣+水蒸氣答案：A解析：Shell爐為干煤粉、純氧氣化，水蒸氣作為溫度調(diào)節(jié)劑，保證火焰溫度在1600℃左右，熔渣順利排出。1.3甲醇合成反應器最常用的催化劑活性組分為A.Cu-Zn-AlB.Fe-Cu-KC.Ni-Mo-CoD.Pt-Re答案：A解析：低溫低壓甲醇合成催化劑以CuO-ZnO-Al?O?三元體系為主，活性溫度200-280℃，副反應少。1.4煤直接液化循環(huán)溶劑的主要作用是A.提供活性氫B.溶解煤及產(chǎn)物C.抑制結(jié)焦D.降低黏度答案：B解析：循環(huán)溶劑（重質(zhì)油+部分加氫）在450℃、15-20MPa下形成均相，使煤分子充分分散，提高傳質(zhì)效率。1.5下列哪一項不是導致甲醇合成催化劑失活的原因A.硫中毒B.熱燒結(jié)C.氯中毒D.水碳比升高答案：D解析：水碳比升高會抑制CO轉(zhuǎn)化，但屬于可逆熱力學平衡移動，不會造成催化劑永久失活；硫、氯、高溫燒結(jié)才是永久失活主因。1.6魯奇固定床氣化爐出口煤氣中CH?體積分數(shù)通常為A.<0.5%B.2-4%C.8-12%D.>20%答案：C解析：固定床低溫干餾段較長，部分煤熱解生成CH?，出口煤氣CH?約8-12%，高于氣流床。1.7煤制天然氣（SNG）甲烷化反應CO+3H?=CH?+H?O的ΔH°298K為A.-206kJ·mol?1B.-41kJ·mol?1C.+165kJ·mol?1D.-103kJ·mol?1答案：A解析：甲烷化為強放熱反應，標準焓變-206kJ·mol?1，需多級絕熱反應器+段間冷卻。1.8下列哪種氣體脫酸工藝可同時脫除H?S和CO?且再生能耗最低A.熱碳酸鉀法B.MDEA選擇性吸收C.低溫甲醇洗（Rectisol）D.固體氧化鋅法答案：C解析：低溫甲醇洗在-40℃下操作，H?S脫除<0.1ppm、CO?<20ppm，再生采用閃蒸+氣提，能耗低于熱鉀堿。1.9費托合成鈷基催化劑與鐵基相比，其突出優(yōu)點是A.耐硫性強B.鏈增長因子高C.水煤氣變換活性高D.成本低答案：B解析：Co基催化劑CO解離能低，鏈增長因子α可達0.9以上，更適合生產(chǎn)長鏈重質(zhì)烴；鐵基WGS活性高，耐硫好但α低。1.10煤制烯烴（MTO）反應中，甲醇轉(zhuǎn)化率開始明顯下降的“窗口”溫度是A.350℃B.400℃C.450℃D.500℃答案：C解析：SAPO-34分子篩在>450℃時積碳速率驟增，微孔堵塞，甲醇轉(zhuǎn)化率驟降，工業(yè)控制在440-450℃。2.多選題（每題3分，共15分）2.1關(guān)于水煤漿氣流床氣化，下列說法正確的是A.煤漿濃度升高，冷煤氣效率單調(diào)上升B.氧煤比升高，有效氣含量先升后降C.提高氣化壓力可降低后續(xù)壓縮功D.耐火磚壽命與熔渣Fe含量正相關(guān)答案：B、C解析：A項濃度過高黏度大，霧化差，效率反而下降；D項Fe高降低渣黏度，但Fe?O?滲透磚體，壽命縮短。2.2影響甲醇合成副產(chǎn)雜醇油產(chǎn)量的因素有A.催化劑堿度B.反應壓力C.循環(huán)氣中CO?含量D.空速答案：A、B、C解析：堿度促進高級醇生成；高壓提高鏈增長；CO?加氫生成乙醇、丙醇；空速主要影響單程轉(zhuǎn)化率，與雜醇選擇性關(guān)系弱。2.3煤間接液化油品加氫裂化的主要目的是A.降低凝點B.提高十六烷值C.脫除含氧化合物D.裂解長鏈為航煤組分答案：A、B、D解析：費托粗油含氧化物極少<0.1%，加氫裂化主要解決長鏈烷烴凝點高、十六烷值低的問題。2.4下列哪些措施可降低甲烷化反應器“熱點”溫度A.段間冷激B.提高入口水蒸氣分壓C.降低入口CO濃度D.采用管殼式反應器答案：A、C、D解析：水蒸氣為產(chǎn)物，提高分壓會抑制反應，但無法直接降低熱點；段間冷激、稀釋CO、管殼外循環(huán)水是工業(yè)常用手段。2.5關(guān)于煤焦油加氫精制，下列說法正確的是A.二苯并噻吩加氫路徑分直接脫硫和加氫后脫硫B.提高氫分壓可抑制催化劑積碳C.反應溫度升高，脫氮率單調(diào)上升D.金屬Ni+V沉積導致孔口堵塞答案：A、B、D解析：溫度過高時，脫氮反應平衡轉(zhuǎn)化率下降，且裂化加劇，氮率反而降低。3.判斷題（每題1分，共10分）3.1魯奇爐煤氣中焦油含量高于Shell爐。答案：√解析：固定床干餾段溫度低，焦油產(chǎn)率約3-5%；氣流床高溫瞬間裂解，焦油<0.1%。3.2甲醇合成反應CO?+3H?=CH?OH+H?O為放熱反應，因此低溫高壓利于平衡右移。答案：√解析：ΔH°=-49kJ·mol?1，低溫高壓熱力學有利；但動力學需>200℃。3.3費托合成鐵基催化劑不需要任何助劑即可達到高活性。答案：×解析：鐵基需K?O電子助劑提高CO解離，Cu助劑降低還原溫度，SiO?結(jié)構(gòu)助劑防燒結(jié)。3.4低溫甲醇洗吸收塔H?S段位于CO?段上游。答案：√解析：先選擇性吸收H?S，保證后續(xù)CO?段不含硫，再生酸氣分流處理。3.5煤直接液化中，催化劑粒徑越小，越利于抑制縮合結(jié)焦。答案：√解析：納米級鐵基催化劑分散度高，供氫速度快，減少自由基縮合。3.6甲烷化催化劑載體Al?O?酸性越強，越易積碳。答案：√解析：酸性位促進CO歧化：2CO=C+CO?，導致碳納米纖維生長。3.7MTO反應中，乙烯選擇性隨反應時間延長而升高。答案：×解析：隨積碳增加，強酸位被覆蓋，乙烯/丙烯比下降，丙烯升高。3.8煤制天然氣項目，甲烷化段放熱量足以副產(chǎn)超高壓蒸汽。答案：√解析：CO+3H?放熱206kJ·mol?1，每千標方SNG副產(chǎn)約3t高壓蒸汽。3.9水煤漿氣化，添加0.1%木質(zhì)素磺酸鈉可提高煤漿穩(wěn)定性，但降低黏度。答案：×解析：木質(zhì)素磺酸鈉為分散劑，降低黏度，但提高穩(wěn)定性，表述相反。3.10費托合成油品經(jīng)異構(gòu)降凝后，可生產(chǎn)Ⅲ+類潤滑油基礎油。答案：√解析：高鏈烷烴經(jīng)擇形異構(gòu)，得到低凝點、高黏度指數(shù)、低芳烴的Ⅲ+基礎油。4.填空題（每空2分，共20分）4.1水煤漿氣流床氣化中，當氧煤比由0.8提高至1.0kg·kg?1時，爐膛最高火焰溫度約上升________℃，冷煤氣效率變化趨勢為________。答案：120-150；先升后降解析：氧煤比升高，燃燒份額增加，溫度上升；但過高時CO?、H?O產(chǎn)率增加，有效氣摩爾分數(shù)下降，效率回落。4.2甲醇合成回路中，為防止Cu基催化劑燒結(jié)，熱點溫度不允許超過________℃。答案：290解析：工業(yè)裝置設置290℃跳車，Cu晶粒長大速率在>300℃呈指數(shù)上升。4.3煤直接液化油加氫裂化段，工業(yè)上通常采用________形狀催化劑，以降低________。答案：三葉草；壓降解析：三葉草外表面積大，床層空隙率高，適合高黏度重油。4.4低溫甲醇洗H?S富液再生采用________法，CO?富液再生采用________法。答案：氮氣氣提；閃蒸+氣提解析：H?S濃度低需氮氣氣提，CO?濃度高可用多級閃蒸實現(xiàn)冷量回收。4.5費托合成漿態(tài)床反應器內(nèi)，催化劑顆粒平均粒徑控制在________μm，以保證________。答案：50-80；高氣含率同時易過濾分離解析：粒徑<50μm易隨氣泡夾帶；>80μm則沉降快，漿液穩(wěn)定性差。4.6甲烷化反應器段間冷激采用________介質(zhì)，其優(yōu)點是________。答案：鍋爐給水；汽化潛熱大且可回收為蒸汽。4.7MTO再生器燒焦條件：溫度________℃，氧含量________%。答案：650-700；2-3解析：高溫保證積碳燃燒速率，低氧防止分子篩骨架脫鋁。4.8煤制烯烴項目，噸烯烴副產(chǎn)________噸蒸汽，可用于驅(qū)動________壓縮機。答案：4.5-5；丙烯制冷解析：反應強放熱，副產(chǎn)超高壓蒸汽，驅(qū)動離心式丙烯壓縮機，降低電耗。5.簡答題（每題8分，共40分）5.1簡述氣流床氣化爐耐火磚損傷機理，并提出三條延壽措施。答案：（1）損傷機理：①高溫熔渣滲透：FeO、CaO與Cr?O?反應生成低熔點鐵鉻尖晶石，導致結(jié)構(gòu)剝落；②熱應力循環(huán)：開停車產(chǎn)生溫度梯度>200℃·min?1，磚體開裂；③高速氣流沖刷：煤粉顆粒>30m·s?1對磚面產(chǎn)生剪切；④水蒸氣氧化：SiO?被還原為SiO揮發(fā)，磚體孔隙率增大。（2）延壽措施：①磚體梯度復合：熱面高Cr?O?（90%）+冷面高Al?O?，降低導熱系數(shù)；②爐膛溫度分區(qū)控制：氧煤比自動調(diào)節(jié)，避免局部超溫>1650℃；③熱面噴涂納米ZrO?涂層，阻斷熔渣潤濕；④優(yōu)化烘爐曲線，250℃、500℃、800℃三階段恒溫脫水；⑤設置水冷壁裙座，降低渣線區(qū)熱負荷。5.2畫出甲醇合成回路工藝流程框圖，并說明為何設置輕組分排放。答案：流程：新鮮氣→壓縮→換熱器→合成塔→氣冷器→高壓分離器→循環(huán)機→換熱器；高壓分離器液相→低壓分離器→粗甲醇儲罐；循環(huán)氣排放口位于高壓分離器后。輕組分排放原因：①惰性氣（CH?、N?、Ar）在循環(huán)回路累積，降低H?、CO分壓，影響反應速率；②CH?熱容大，導致合成塔出口溫度升高，催化劑易燒結(jié)；③排放氣可作為燃料氣，副產(chǎn)蒸汽，實現(xiàn)能量優(yōu)化；④維持循環(huán)回路總氣量恒定，避免循環(huán)機喘振。5.3比較鈷基與鐵基費托催化劑在工業(yè)應用中的優(yōu)劣。答案：鈷基：優(yōu)點—鏈增長因子高（α>0.9），重質(zhì)烴選擇性好，耐水性能佳，運行溫度220-250℃，副產(chǎn)CO?<5%；缺點—價格高（Co40$·lb?1），耐硫性差（<0.1ppm），需深度精脫硫，適合生產(chǎn)高品質(zhì)航煤、潤滑油。鐵基：優(yōu)點—成本低，耐硫性中等（<1ppm），水煤氣變換活性高，適合低H?/CO煤基合成氣，可直接產(chǎn)柴油；缺點—α低（0.7-0.8），CO?副產(chǎn)高（20-30%），需外排或回用，催化劑磨損大，漿態(tài)床需連續(xù)補劑。5.4煤直接液化循環(huán)溶劑加氫深度如何確定？寫出判定指標及實驗方法。答案：判定指標：①芳碳率fa<0.35；②供氫指數(shù)PDQI>18；③雙環(huán)芳烴<5%；④硫、氮<100ppm。實驗方法：①高壓釜小試：溶劑與四氫萘按1:1，400℃、10MPa、H?初壓8MPa，恒溫1h，測產(chǎn)物瀝青烯產(chǎn)率<0.5%；②PONA-GC分析：芳烴、環(huán)烷烴、鏈烷烴比例；③1H-NMR：計算芳氫率Har/Htot；④高壓差示掃描量熱PDSC：測起始供氫溫度<350℃；⑤中試連續(xù)裝置1000h考核：循環(huán)溶劑與煤1.5:1，轉(zhuǎn)化率>92%，縮合殘渣<1%。5.5甲烷化反應器為何采用多級絕熱固定床？說明段間冷卻方式及能量回收。答案：原因：①CO+3H?強放熱，單級絕溫升>600℃，超鎳鋁催化劑燒結(jié)溫度；②平衡限制：高溫降低CO轉(zhuǎn)化率，需低溫推動平衡右移；③多級可將溫升控制在每級<150℃，提高總轉(zhuǎn)化率>99%。冷卻方式：①段間噴入鍋爐給水，汽化產(chǎn)生4MPa飽和蒸汽；②設置管殼式反應器，殼程走給水；③采用循環(huán)氣冷激，將部分冷循環(huán)氣注入段間。能量回收：副產(chǎn)蒸汽用于驅(qū)動透平，滿足全廠40%用電；背壓蒸汽作為精餾再沸器熱源，實現(xiàn)能量梯級利用。6.計算題（共35分）6.1水煤漿氣化物料平衡（15分）已知：干煤量100t·h?1，煤漿濃度62%，元素質(zhì)量分數(shù)：C75%、H5%、O8%、N1%、S1%、灰10%；氧煤比0.9kg·kg?1（干基），氣化壓力6.5MPa，碳轉(zhuǎn)化率98%，產(chǎn)物分布（摩爾比）：CO:H?:CO?:CH?:N?:H?S:H?O=1.0:0.8:0.15:0.02:0.01:0.01:0.5。求：①干煤氣產(chǎn)量（kmol·h?1）；②水煤漿進料量（t·h?1）；③氣化爐出口溫度（用能量平衡估算，假設熱損2%）。答案：①碳摩爾流量：100×0.75×0.98/12=6125kmol·h?1；設CO+CO?+CH?=6125kmol，由摩爾比得總干氣=6125/(1+0.15+0.02)=5235kmol；②水煤漿量：干煤100t，水100×(1-0.62)/0.62=61.3t，合計161.3t·h?1；③能量平衡：輸入—煤熱值100×27GJ=2700GJ·h?1；氧氣顯熱忽略；輸出—干氣5235kmol，平均熱值12.6GJ·kmol?1，合計6596GJ；熱損2%，剩余2700×0.98=2646GJ；需扣除蒸汽潛熱：H?O生成量6125×0.5=3062kmol，潛熱3.2GJ·kmol?1，合計980GJ；凈放熱2646-980=1666GJ，用于升溫產(chǎn)物；產(chǎn)物平均熱容35kJ·kmol?1·K?1，總摩爾(5235+3062)=8297kmol；ΔT=1666×10?/(8297×35)=5740K，顯然不合理，需考慮分解與輻射；工程估算：經(jīng)驗公式T=0.75×氧煤比×103+1200=1875K≈1600℃，與工業(yè)數(shù)據(jù)吻合。6.2甲醇合成化學平衡（10分）反應：CO+2H?=CH?OH，ΔG°=-43.5kJ·mol?1（250℃）。求：250℃、8MPa下，CO轉(zhuǎn)化率x與H?/CO=2時的平衡組成；設惰性氣5%。答案：Kp=exp(-ΔG°/RT)=exp(43500/(8.314×523))=2.2×10?；設初始CO=1mol，H?=2mol，惰性0.16mol，總摩爾3.16；平衡：CO=1-x，H?=2-2x，CH?OH=x，總摩爾3.16-2x；Kp=(x/(3.16-2x))/((1-x)/(3.16-2x)×(2-2x)2/(3.16-2x)2)×(8)?2=2.2×10?；解得x=0.92，平衡CO=0.08，H?=0.16，CH?OH=0.92，惰性0.16，總3.12mol；體積分數(shù)：CH?OH29.5%，CO2.6%，H?5.1%，惰性5.1%。6.3甲烷化絕熱溫升（10分）原料氣：CO15%，H?45%，CO?5%，CH?25%，N?10%；入口300℃，壓力3MPa，求單級絕熱溫升。答案：僅考慮CO+3H?=CH?+H?O，CO?+4H?=CH?+2H?O；設CO完全轉(zhuǎn)化，CO?轉(zhuǎn)化50%；放熱：CO0.15mol×206=30.9kJ；CO?0.05×0.5×165=4.1kJ；合計35kJ·mol?1（入口總氣）；產(chǎn)物熱容：CH?0.15+0.025=0.175，H?O0.15+0.1=0.25，剩余H?0.45-0.45-0.1=-0.1（需修正），實際H?0.45-0.45-0.2=-0.2，重新核算；精確計算：以1mol入口氣為基準，反應后CH?增0.15+0.025=0.175，H?O0.175，H?減0.45-0.45-0.2=-0.2，CO、CO?為0；產(chǎn)物總摩爾1-0.2+0.175=0.