也称为合成气,合成气燃料气体含有一氧化碳、氢气,和偶尔的二氧化碳。它的名字源于它的利用率等重要化学物质合成的甲醇和氨的生产合成天然气(合成天然气)。
此外,它是一个关键的中间在铁(DRI)直接还原过程中,降低铁氧化物铁使用天然气。50%的天然气的能量密度,合成气直接不能燃烧,¹但它可以被转换成各种能源产品。
例子包括通过费托合成石油生产从生物质气化过程和生物乙醇生产。合成气可能产生广泛的含碳来源,如煤炭、天然气、有机废物,和木头。
碳源是与二氧化碳发生反应(干重整),蒸汽(蒸汽转化),或氧气(部分氧化)。图1显示了合成气的来源和使用的一些示例。
图1所示。合成气的来源和用途的例子。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
合成气大大不同的化学成分取决于碳源和利用生产过程所需的中间。
合成气通常使用多级的化学过程,有多种气体分析的需要,通常是动态的,也就是说。,他们依赖于过程气体分析优化。快速、多组分、多流道气体分析是有效地控制这些过程的关键因素。
过程分析需求
一氧化碳和氢气在合成气中是永远存在的,但根据过程的不同,他们可能会出现在不同浓度。各种各样的其他化学物质也可能存在,和分析这些需要一个有效的控制过程和生成所需的产品。
这些包括二氧化碳、甲烷和其他碳氢化合物,可能还包括氮、乙醇、氦和氩。一些主要的例子分析要求合成气过程是下面讨论,与热科学™过程质谱仪持有一个强大的记录在所有这些应用程序。
氨合成
蒸汽和天然气经过许多过程将烃流转换为氢流。这个氢与空气中的氮在随后的反应的比例3:1生成氨。
11个或多个过程流需要分析和气体分析质谱结合的速度、多组分的分析,动态范围使一个女士来分析所有的流程流。
例如,它提供完整的构图至关重要的天然气原料流建立所需蒸汽的体积与甲烷和其他碳氢化合物反应;这个参数是steam-to-carbon比率。
通过监控完整的天然气组成,蒸汽发电的成本可能会通过控制蒸汽的体积最小化匹配天然气的组成。
表1显示了一个示例的职业规范的一个关键的氨过程流,合成气饲料氨转换器。分析时间,包括流转换,是大约20秒,测量精度超过八小时。
表1。的专业分析规范氨合成气过程分析。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
浓度vol. % |
精密绝对% |
| 氢 |
65.0 - 70.0 |
0.02 |
| 甲烷 |
3.0 - 10.0 |
0.01 |
| 氦 |
0.5 - 1.0 |
0.002 |
| 氮 |
20.0 - 26.0 |
0.01 |
| 氩 |
0.1 - 5.0 |
0.002 |
此时在这个过程中,一氧化碳合成气中已被删除,因为它有毒的氨催化剂。热科学™的职业进行分析的五个组件,包括氦和氩。
氨转换器流回收增加氨的生产。这也会增加浓度的氦和氩。如果他们的浓度过高,能源利用压缩被浪费,而氨产量降低了。
原材料的价格严重影响发电和取暖燃料,需求和下游化肥价格受经济的影响,政治和环境方面。这地方压力氨生产单位将效率最大化,并处理分析数据起着至关重要的一部分。
过程分析仪需要广泛的动态范围监控甲烷滑移(甲烷浓度的减少超过90%的天然气在二级改革者几个百分点废水)和快速而准确测量steam-to-carbon比率和hydrogen-to-nitrogen比率。
理想情况下,合成气由75%的氢和氮25%;在实践中,它还将包含残余空气中的甲烷和惰性。最佳效率,有必要维持氢和氮的比率是尽可能接近化学计量比3:1。
Prima PRO拥有强大的记录在满足上述所有要求。
直接还原铁
铁是高炉生产的传统,用可乐来减少铁矿石。DRI并不需要大量的煤转化为可口可乐;相反,天然气转化为合成气,氧化铁减少一氧化碳和氢气。
这些“减少”的反应气体是由天然气(甲烷)的副产品DRI过程:
CH₄+ CO₂→2 CO + 2 h₂
CH₄+ H₂O→CO + 3 H₂
全球DRI产量从7800万年的2016吨增加到1.11亿年的2019吨,只略微减少到1.04亿吨由于COVID大流行。高炉仍然生产世界上绝大多数的铁,但产量仍然是相对平坦的约13亿吨。²
涉及几个过程阶段(通常是8到10),类似于氨过程,过程能够快速监视所有女士的过程流。的一个例子的职业规范的DRI合成气流,通常叫“重整气”,显示在表2。
表2。的专业分析规范直接还原铁合成气分析。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
浓度vol. % |
精密绝对% |
| 氢 |
~ 58 |
0.05 |
| 甲烷 |
~ 1 |
0.01 |
| 一氧化碳 |
~ 38 |
0.05 |
| 氮 |
~ 1 |
0.05 |
| 二氧化碳 |
~ 2 |
0.01 |
分析时间,包括流转换,与精密测量约20秒,超过八个小时。
DRI过程有效运作,快速而准确的在线监测是必需的几种气体流包含许多组合的甲烷,氢气,二氧化碳,一氧化碳,在广泛的浓度和氮。
Prima PRO拥有强大的跟踪记录的准确性和速度的最佳组合相比,气体分析的其他方法,如气或红外分析仪。
它优化了DRI提高减少气体的生成过程,优化燃气混合,并减少能源消耗。
生物质气化
生物质通常是反应在温度超过700°C没有燃烧,控制体积的蒸汽和/或氧生成合成气。
这可能是利用直接作为燃料(这是更有效的比原来的直接燃烧生物质)或生成生物燃料使用微生物将一氧化碳和氢气转化为乙醇。
热科学™爱慕虚荣的BT的PRO质谱仪一直在利用各种各样的过程涉及生物质。性能规格的一个例子syngas-based生物乙醇的过程显示在表3中。
分析时间,包括流转换,大约22秒,被测精度超过八小时。
一个的职业前是用来评估合成气和其他气体混合物转化为醇在不断加油分批培养实验。一氧化碳被确认为首选的电子和碳源的增长和醇的生产。
然而,总收率的摩尔数碳(mol-C)电子消费几乎是相同的所有设置,这突显出电子可用性影响产品形成。³的关键方面
Prima PRO提供了一个快速、线性和可重复的测量乙醇等醇类;酒精测量非常可再生的扇形磁分析器,和乙醇的测量可能与高精度测量浓度低至10 ppm。
此外,Prima PRO提供了有价值的,可靠的成分数据在其他物种出现在这个过程中,如氮、氢、氧、二氧化碳、氩。
表3。的专业分析规范基于合成气生物乙醇的过程。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
浓度vol. % |
精密绝对% |
| 氢 |
~ 60 |
0.05 |
| 甲烷 |
~ 1 |
0.005 |
| 一氧化碳 |
~ 10 |
0.05 |
| 氮 |
~ 20 |
0.05 |
| 二氧化碳 |
~ 10 |
0.01 |
| 氩 |
~ 1 |
0.002 |
| 乙醇 |
~ 1 - 5 |
2%相对 |
气液过程使用的费
突破合成燃料,比如费GTL过程,源于想要石油独立的国家战争威胁后,危机或石油禁运。
目前,合成燃料催化剂的研究已经扩展到热化学转化方法人为二氧化碳作为燃料和化工生产的中间体。
随着二氧化碳捕获从环境和未来发展可再生能源,这提供了令人鼓舞的解决方案来缓解⁴人为二氧化碳增加
GTL工厂的两个关键组件包括:
- 蒸汽改革者天然气和蒸汽反应生成合成气,富含一氧化碳和氢气。天然气提要是观察确定蒸汽碳的比率。
一个完整的成分分析是必要建立蒸汽的体积与甲烷和其他碳氢化合物的反应出现在天然气。
- 费反应堆的一氧化碳和氢气转化为液态碳氢化合物。反应堆需要H₂/公司比率是2:1,但蒸汽改革者通常产生一个约5:1的比例。必须删除任何多余的氢,和天然气分析是用来控制这个删除。
过度使用氢作为燃料的改革者或作为替代燃料或原料过程在一个邻近的植物。分析这个气体也是必需的,如果是作为燃料使用的改革者,那么它的空气必须监控要求和热值。
光的气体出口费反应堆也需要监控,因为这是使用改革者回收。
有各种类型的反应堆的费,如流化床、固定床和浆液反应堆。Prima PRO提供了一个快速、精确,并完成所有重要气体成分分析过程流。
表4。费GTL的职业分析规范流程的示例。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
浓度vol. % |
精密绝对% |
| 氢 |
平衡 |
0.05 |
| 甲烷 |
5.5 |
0.01 |
| 一氧化碳 |
15 |
0.05 |
| 氮 |
2 |
0.02 |
| 乙烯 |
0.3 |
0.002 |
| 乙烷 |
0.3 |
0.002 |
| 氩 |
1 |
0.002 |
| 丙烯 |
0.3 |
0.002 |
| 二氧化碳 |
10 |
0.01 |
| 丙烷 |
0.3 |
0.002 |
| 丁烯 |
0.2 |
0.002 |
| 正丁烷 |
0.2 |
0.002 |
| 戊烯 |
0.15 |
0.002 |
| 戊烷 |
0.15 |
0.002 |
| 己烯 |
0.15 |
0.002 |
不是所有的组件都是测量在所有类型的示例流,但表4显示一个典型的职业性能规范的费GTL的过程。分析时间是30秒,包括与精密测量流开关时间,超过八个小时。
一个的专业仪器能够分析多个气体样品;它提供了一个快速、精确和完整的所有重要的气体分析组件,包括无机物如氧化物的碳和氢从C₁到C₆碳氢化合物。
在一些过程中,H₂年代在ppm水平观察分析了天然气脱硫。
Prima专业详细的天然气成分数据是用来减少蒸汽发电的成本通过控制蒸汽生产适合天然气成分。
改革者出口流组合是利用优化的改革者,光和费托反应堆的气体出口还需要监测是通过改革者回收。
此外,主要的优点是被利用来改善和推进过程中通过各种催化剂的性能评价的改革者和反应堆的费。
扇形磁场质谱的好处
两种主要类型的质谱仪可以用于过程气体分析,与磁部门提供更好的稳定性和精度比女士四极女士四极生成高斯峰,不同的平顶峰值产生的磁场领域。
这意味着它是故障敏感,即。,任何大规模的改变将导致一个错误的峰高测量通过测量强度的肩峰的峰最大值。这需要更正通过增加校准的频率。
图2展示了一个扇形磁场分析仪的原理,结合产生的平顶建筑物特征峰。
图2。热科学的示意图™扇形磁分析器和平顶山峰32质量28(氮)和质量(氧气)。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
表5显示了扇形磁分析器的能力运行长时间仍然没有校准和会议的要求的性能规格。在客户站点,主要的职业跑了八个月没有校准。
它随后用于分析16-component认证校准气缸连续11分析。分析仪仍然在规范和用户相信女士可以运行一年没有校准要求。
表5所示。的例子的PRO校准检查后8个月没有校准。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
汽缸认证的价值 |
的专业数据 |
| 的意思是 |
绝对的标准偏差 |
%相对标准偏差 |
| 氦 |
0.2 |
0.196 |
0.001448 |
0.7384 |
| 氢 |
43.997 |
44.103 |
0.020100 |
0.0456 |
| 甲烷 |
10 |
9.961 |
0.001592 |
0.016 |
| 一氧化碳 |
25 |
25.039 |
0.016700 |
0.0667 |
| 氮 |
2.001 |
1.937 |
0.025400 |
1.3128 |
| 乙烯 |
0.301 |
0.3 |
0.000689 |
0.2293 |
| 乙烷 |
0.4 |
0.399 |
0.001228 |
0.308 |
| 氩 |
1.001 |
1.004 |
0.000702 |
0.0699 |
| 丙烯 |
0.299 |
0.292 |
0.001488 |
0.5093 |
| 二氧化碳 |
15 |
14.972 |
0.006544 |
0.0437 |
| 丙烷 |
0.5 |
0.498 |
0.000824 |
0.1654 |
| 丁烯 |
0.3 |
0.296 |
0.001263 |
0.4271 |
| 正丁烷 |
0.4 |
0.401 |
0.000404 |
0.1008 |
| 戊烯 |
0.2 |
0.2 |
0.000444 |
0.2223 |
| 戊烷 |
0.2 |
0.201 |
0.000834 |
0.4155 |
| 己烯 |
0.1 |
0.101 |
0.000452 |
0.4484 |
| 正己烷 |
0.1 |
0.1 |
0.000686 |
0.6841 |
| H2/公司比 |
1.76 |
1.761 |
0.000991 |
0.0563 |
独立测试磁部门女士
依照ISO10723 Prima PRO是检测燃气质量计量Effectech英国ISO17025认证实验室校准的女士与一个相对灵敏度进行校准气体包含九个组件显示在表6。
随后,八个不同的燃料混合准备,包含相同的九个组件但在范围广泛的浓度,测试的重复性和线性。
每个气体分析30周期超过5分钟(10秒周期时间)。图3显示了线性情节,而表7显示确定的系数(R²)九个组件。
表6所示。ISO 17025认证校准气体用于相对敏感。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
%摩尔浓度 |
| 氮 |
9.00±0.0150 |
| 二氧化碳 |
5.00±0.0150 |
| 甲烷 |
9.00±0.0200 |
| 乙烷 |
5.00±0.0130 |
| 丙烷 |
10.00% 0.0250 |
| 乙烯 |
5.00±0.0015 |
| 丙烯 |
5.00±0.0130 |
| 氢 |
43.00±0.0700 |
| 一氧化碳 |
9.00±0.0150 |
表7所示。系数确定为9个组件如图3所示。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 线性测试:确定系数(R²) |
| H2,CH4C2H4C2H6C3H6 |
1.0000 |
| C3H8 |
0.9999 |
| 有限公司2 |
0.9995 |
| 有限公司,2 |
0.9994 |
图3。线性数据九燃气组件。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
快速多流道抽样
监控所有女士过程流,流之间的切换快速、可靠的方法是必要的。自旋转阀门可靠性差和电磁阀阀组有太多的死体积,独特的RMS快速多流道取样器。
它提供了一个优越的可靠性和采样速度,使样本选择从32或64流之一。流建立时间取决于应用程序和用户是完全可配置的。
RMS包括数字样本流记录每选择流。这可能是用来触发警报如果样品流减少,例如当一个过滤器在示例调节系统变得阻塞。
Prima PRO RMS可以加热到120°C的温度和流的位置选择器是可靠的光学编码,软件控制流的选择。位置和温度控制信号使用的内部网络的专业沟通。
图4显示了RMS的示意图。RMS有三年保修标准,没有替代多流道取样设备提供相同级别的可靠性验证。
图4。快速多流道取样器。图片来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
软件
热科学™煤气厂™软件支持无限数量的组件的分析每流以及无限数量的用户定义的计算(名为派生值),比如一氧化hydrogen-to-carbon的比率。
无限数量的分析方法可能会设置,使不同的分析定义不同的流程流。模拟信号从压力和温度传感器也可以登录,显示,利用推导的计算值。
各种行业标准协议可用于与工厂沟通过程控制系统。
性能规格
没有单一的组合规范合成气。然而,表8提供了一个“典型”的职业合成气性能规范。
分析周期大约是20秒,包括流沉淀时间,在现场调试和性能演示了通过认证周期分析校准气体超过16个小时。额外组件也可以监控如果需要,与厂商协商建议。
表8所示。典型的职业合成气性能规范的例子。来源:热费希尔科学——环境和过程监控仪器
| 组件 |
摩尔百分比范围 |
的专业精密%摩尔 |
的专业检测下限%摩尔 |
| 氢 |
0 - 75 |
≤0.05 |
≤0.01 |
| 一氧化碳 |
0 - 25 |
≤0.05 |
≤0.3 |
| 二氧化碳 |
0 - 25 |
≤0.02 |
≤0.01 |
| 甲烷 |
0 - 10 |
≤0.02 |
≤0.01 |
| 氮 |
0 - 50 |
≤0.05 |
≤0.3 |
总结
合成气生产需要快速、多组分、多流道气体分析,和热科学气体分析质谱仪用于快速、准确地分析各种syngas-based过程:
- 直接还原铁
- 氨和甲醇的生产
- 生物燃料
- GTL过程通过费托
扇形磁分析器提供良好的长期稳定性和精度高、校准之间漫长的时期和特殊污染阻力。
热科学的职业和Prima BT磁性行业质谱仪通过实验室研究提供快速而精确的尾气分析试验工厂和大规模生产至关重要的行业。
的英国电信提供了监测实验室规模的桌上型解决方案,配置了6个校准和15个样品气体入口。
Prima PRO是能够监视60岁以上示例流和供区1和类1 Div 2危险区域安装。高度精确和完整的气体组分测量由两个模型都直接集成到过程控制系统。
确认
从材料最初由丹尼尔·梅里曼热费希尔科学、英国柴郡。
引用
- 英国生物燃料,合成气是什么?(http://biofuel.org.uk/what-is-syngas.html)
- 2021年的数据,全球钢铁18页,世界钢铁协会(https://worldsteel.org/wp-content/uploads/2021-World-Steel-in-Figures.pdf)
- 电子有限公司₂可用性,公司和H₂混合约束通量分布、能源管理和产品形成ljungdahlii梭状芽胞杆菌,赫尔曼,Teleki, Weitz,算,弗洛伊德,Bengelsdorf, Takors,斯图加特大学生化工程研究所微生物生物技术,2021年7月(https://sfamjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1751 - 7915.13625)
- 合成燃料的发展,未来能源(第三版)2020年,页561 - 580 (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081028865000268)
这些信息已经采购,审核并改编自热费希尔科学所提供的材料——环境和过程监控仪器。
在这个来源的更多信息,请访问热费希尔科学——环境和过程监控仪器。