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1、脱羰基金属、脱氯、脱氨和脱油技术及其在甲醇工业中的应用李小定 李新怀 章小林 李耀会 李伦 吕小婉湖北省化学研究院 武汉 430074国家CO变换催化剂气体净化剂重点工业基地摘要：本文概述了甲醇合成气中微量羰基金属、氯和氨等杂质对甲醇催化剂的影响，介绍了解决该问题的技术方案及其工业应用实例。1、前言随着国家能源安全战略方针的变化以及醇醚清洁燃料的开发，我国煤制甲醇的原料路线在国家能源战略方针中占据越来越重要地位，国内甲醇行业也得到迅速发展，在原料路线、生产规模、节能降耗等方面取得了突破，生产技术也逐渐向单系列、大型化发展，在此情况下甲醇装置长周期、高效率地运行突显重要。然而，从我国甲醇行业的实
2、际情况看，在发展进步的过程中存在一些问题，其中一个突出问题就是甲醇催化剂的使用寿命偏短，甲醇催化剂生产强度偏低。目前就甲醇催化剂生产强度（每立方甲醇催化剂能生产甲醇的吨数）而言，国内最好的水平与国际先进水平相比，还相差一倍以上。而国内较差的只有国内较好水平的1/5左右。很多企业使用的是同一种甲醇生产工艺、同一种甲醇催化剂，是什么原因造成如此之大的差距呢？经过调查及对失活甲醇催化剂的化学和物理分析表明，主要是气体净化程度的差距造成的。目前工业合成甲醇广泛采用的催化剂为Cu-Zn-Al系催化剂，该系催化剂活性高、选择性好，但对毒物极为敏感，容易中毒失活，使用寿命往往达不到设计要求。影响其使用寿命的
3、因素很多，如中毒、烧结、污物堵塞孔隙、强度下降等，其中主要影响因素为中毒和烧结。在目前的工艺中，导致甲醇催化剂中毒失活的因素主要集中在以下几个方面：（）硫及硫的化合物；（）氯及氯的化合物；（）羰基金属等金属毒物（4） 微量氨；（5） 油污。除硫之外的其他气体杂质的脱除技术及其工业应用是本文要重点探讨的。2、羰基金属化合物目前，国内甲醇企业对合成气中羰基金属的形成及其危害普遍缺乏认识，更没有采取措施将其脱除。为了延长甲醇催化剂的使用寿命，脱除合成气中羰基化合物势在必行。羰基金属化合物种类很多，在合成甲醇工艺中主要是Fe(CO)5、Ni(CO)4，Fe(CO)5和Ni(CO)4属单核簇基配合物，采
4、用端基配位，其结构如图1所示： 图1 Fe(CO)5、Ni(CO)4结构示意图其物理性质见表1： 表1 Fe(CO)5、Ni(CO)4 的物理性质 项 目 Fe(CO)5 Ni(CO)4 外 观 黄色液体 浅黄、无色液体熔 点， -21 -19.3沸 点， 103 422.1羰基金属对催化剂的中毒作用 催化剂的中毒，普遍认为是催化剂毒素在催化剂表面生成薄膜使表面丧失活性。但在很多情况下，使催化剂中毒的毒剂量非常少，它们甚至不可能生成一个单分子层，而这种毒素被牢固地吸附在活性中心上，使催化剂丧失活性或引起其它副反应。羰基金属在甲醇合成催化剂表面受热后极易分解成高度分散的金属铁和镍，逐步被催化剂表
5、面吸附而沉积在催化剂表面上, 侵占催化剂活性位，堵塞催化剂的表面和孔隙，导致催化剂中毒、活性下降。G.W.Robert等研究了羰基铁、羰基镍对甲醇合成催化剂活性的影响，结果表明见图2：图2速率常速与催化剂上金属沉积量的关系从图中可以看出，催化剂活性的衰退正比于催化剂上的毒物沉积量。合成甲醇催化剂上沉积300106（体积分数，下同）的Fe和Ni时，速度常数衰减增加了大约50%。对山东某化肥厂使用后的废催化剂中铁、镍的分析结果也表明，催化剂平均吸附Fe和Ni达到6000106后活性基本丧失，山西某厂使用半年失活催化剂中铁含量达0.5%，河北某化肥厂的甲醇催化剂使用几个月即失活，经分析其甲醇催化剂中
6、铁的沉积量上中下层分别达到3.8%、1.2%和0.12%，除气体中带入铁锈外，羰基铁的影响是不容忽视的。当分别考察Fe(CO)5和Ni(CO)4对甲醇催化剂活性的影响时，发现Ni(CO)4 的毒性比Fe(CO)5的大（图3），可能因为在催化剂的表面Ni(CO)4 的分解速度比Fe(CO)5快。图4也表明，在金属沉积量相同时，Ni的毒性比Fe强。图3 Fe(CO)5和Ni(CO)4对甲醇催化剂活性的影响 图4金属沉积量对催化剂活性的影响隋国强等还计算出了催化剂表面上单位毒物量所毒害的催化剂表面积: SFe=54103 m2/g（Fe），SNi =98103 m2/g（Ni），SS=13103 m
7、2/g（S），数据说明Ni的毒性最强，Fe次之，S相对弱一点，羰基金属的中毒强度是硫的几倍。此外，由于Fe、Ni是生成甲烷有效的催化剂，这不仅增加了原料的消耗，而且使反应区的温度剧烈上升，影响了催化剂寿命；羰基铁、羰基镍在催化剂上沉积，导致副反应发生，增加粗甲醇中的杂质含量；粗甲醇中的羰基化合物可与甲醇形成共沸物，从而影响精甲醇质量。我国精甲醇国家标准中对羰基化合物也有严格的控制指标，羰基金属不脱除，会直接影响企业的经济效益。 因此，甲醇生产企业应严格控制合成气中羰基铁、羰基镍的含量小于0.1106。2.2 羰基金属的来源Fe(CO)5、Ni(CO)4主要有两种来源：（1）造气过程中原料气中C
8、O与原料中Fe和Ni结合生成的。主要是利用渣油、煤、焦炭为原料制合成气的过程中产生。（2）是原料气中CO对设备与管道的腐蚀而形成Fe(CO)5、Ni(CO)4。 在加压条件下，金属中铁、镍能在较温和的条件下（25100）就能与CO气体反应形成羰基化合物。反应式如下: Fe(s)+5CO(g) Fe(CO)5(g） Ni(s)+4CO(g) Ni(CO)4(g）Fe(CO)5、Ni(CO)4的生成量与原料中Fe和Ni的含量以及CO的分压有关。压力越高，越有利于羰基金属的生成。在加压条件下，150200羰基腐蚀的速度最大，即在热交换器中及原料气压缩机的管线钟的羰基腐蚀最为严重。若气体中含有硫、氯，
9、又会加速羰基腐蚀。我们对一些化肥厂合成气中的Fe(CO)5含量进行了测定，结果见表2：表2 化肥厂合成气中Fe(CO)5的含量单位名称 Fe(CO)5含量，106河南延津化肥厂 1.75山东恒大化工有限公司 0.43山东海化华龙硝铵 0.47陕西华山化工集团 1.20河北冀衡化肥有限公司 0.49湖北襄阳华星化工有限公司 0.94湖北新生源化工有限公司 0.56我们在武汉化肥厂不同工段进行取样，对气体中的Fe(CO)5进行了测定，结果见表3：表3 不同工段工况中Fe(CO)5的测定结果样品名称 Fe(CO)5含量 ，106造气出口 0.53饱和塔出口 0.53热交出口 1.05变换出口 0.5
10、8脱碳出口 0.68合成入口 0.61从表中可看出，Fe(CO)5在系统中是普遍存在的，应引起企业高度重视，应严格控制合成气中羰基铁、羰基镍的含量小于0.1106。2.3 羰基金属的脱除国外的生产流程中均在甲醇合成塔前设置了净化炉，在其中装填脱除羰基金属的净化剂（图5），经过压缩后的合成气在净化炉中除去羰基金属和油雾后，与循环气一起进入合成塔。图5 国外合成甲醇工艺流程而国内由于对羰基金属危害认识不够，在实际生产中国内绝大多数企业都忽略了净化炉设置和羰基金属的脱除，这也是目前国内甲醇催化剂使用寿命短的一个主要原因之一。因此，在甲醇合成塔前设置羰基金属净化塔，解决羰基金属危害问题对于延长甲醇催化
11、剂使用寿命是十分必要的，应引起企业足够的重视。近年来，为了避免羰基金属的生成，采用高铬钢铁素体内管的甲醇反应器，该反应器是管式结构，由一根含0.4%0.7%Mo和0.001%1.508%的钢制外管和渗有的铁素体内管组成，采用高铬管可防止催化剂中毒及羰基铁生成。我院开发的常温和中温型脱羰基金属净化剂在常压15.0MPa、3000h-120000h-1、0300，条件下可将合成气中的羰基铁、羰基镍脱除至0.1106以下。适用于合成气、以提高各工段的催化剂使用寿命及保证各类产品的质量，目前该技术已成功应用于十多家企业。3、氯及氯的化合物3.1 氯对甲醇催化剂的中毒作用 氯有未成键孤对电子，并有很大的
12、电子亲和力，易与金属离子反应，氯离子还具有很高的迁移性，常随工艺气向下游迁移，对氯中毒催化剂分析表明，上下床层氯含量几乎无浓度梯度，中毒是不分层的，其造成催化剂中毒往往是全床层性的。表4是几例失活甲醇催化剂中氯含量：表4 失活甲醇催化剂氯含量（%） 位置 A厂 B厂 C厂 上层 0.86 0.32 0.40 中层 0.26 0.02 0.10下层 0.110 0.003 0.016Ray.N研究表明，对于Cu-Zn-Al甲醇催化剂而言，氯的危害比硫的毒害更大，入塔气体中含0.1106的氯就会发生明显的中毒。催化剂中0.01%0.03% 的吸氯量其活性就会大幅下降。虽然实际生产中氯含量没有硫含量
13、高，但由于其毒性大，“累积效应”所带来的影响是十分严重的，其对催化剂的危害是不容忽视的。 甲醇催化剂氯中毒机理如下：（1）吸附的氯原子与催化剂反应，进而阻碍或改变催化剂活性位；（2）生成的CuCl具有低熔点和高的表面迁移率，非常微量的CuCl足以提供可迁移物种，融合成大的铜晶粒，加速催化剂表面烧结。实验观察到：在200条件下，几小时内铜晶粒就由10nm长大到100nm，这种类型的中毒比高温对催化剂结构的破坏严重得多。（3）痕量可迁移的CuCl同时加剧催化剂还原态硫（如H2S）的中毒；（4）氯与催化剂中的锌形成具有低熔点的ZnCl2，引起催化剂进一步中毒和烧结。（5）甲醇催化剂的氯中毒不仅限于催化剂表面，还渗透到催化剂内部。因此，对于甲醇生产厂而言，应控制入塔原料气氯含量小于0.1106。3.2 氯的来源实际生产中的氯主要来源于原料煤、工艺蒸汽、空气和所使用的化工助剂及保温材料。我国若干种煤中氯含量如表3所示。表
