煤化工工艺学试题及答案

煤化工工艺学试题及答案1.单选题（每题2分，共20分）1.1下列哪一条不是煤气化过程的主要目的A.制取合成气B.脱除煤中灰分C.提高氢碳比D.降低原料煤粒度答案：D解析：煤气化的本质是煤与气化剂反应生成CO+H₂为主的合成气，粒度降低属于备煤工序，与气化目的无关。1.2Shell粉煤气化炉采用的气化剂是A.纯氧+水蒸气B.空气+水蒸气C.富氧+CO₂D.氮气+水蒸气答案：A解析：Shell炉为干煤粉、纯氧气化，水蒸气作为温度调节剂，保证火焰温度在1600℃左右，熔渣顺利排出。1.3甲醇合成反应器最常用的催化剂活性组分为A.Cu-Zn-AlB.Fe-Cu-KC.Ni-Mo-CoD.Pt-Re答案：A解析：低温低压甲醇合成催化剂以CuO-ZnO-Al₂O₃三元体系为主，活性温度200-280℃，副反应少。1.4煤直接液化循环溶剂的主要作用是A.提供活性氢B.溶解煤及产物C.抑制结焦D.降低黏度答案：B解析：循环溶剂（重质油+部分加氢）在450℃、15-20MPa下形成均相，使煤分子充分分散，提高传质效率。1.5下列哪一项不是导致甲醇合成催化剂失活的原因A.硫中毒B.热烧结C.氯中毒D.水碳比升高答案：D解析：水碳比升高会抑制CO转化，但属于可逆热力学平衡移动，不会造成催化剂永久失活；硫、氯、高温烧结才是永久失活主因。1.6鲁奇固定床气化炉出口煤气中CH₄体积分数通常为A.<0.5%B.2-4%C.8-12%D.>20%答案：C解析：固定床低温干馏段较长，部分煤热解生成CH₄，出口煤气CH₄约8-12%，高于气流床。1.7煤制天然气（SNG）甲烷化反应CO+3H₂=CH₄+H₂O的ΔH°298K为A.-206kJ·mol⁻¹B.-41kJ·mol⁻¹C.+165kJ·mol⁻¹D.-103kJ·mol⁻¹答案：A解析：甲烷化为强放热反应，标准焓变-206kJ·mol⁻¹，需多级绝热反应器+段间冷却。1.8下列哪种气体脱酸工艺可同时脱除H₂S和CO₂且再生能耗最低A.热碳酸钾法B.MDEA选择性吸收C.低温甲醇洗（Rectisol）D.固体氧化锌法答案：C解析：低温甲醇洗在-40℃下操作，H₂S脱除<0.1ppm、CO₂<20ppm，再生采用闪蒸+气提，能耗低于热钾碱。1.9费托合成钴基催化剂与铁基相比，其突出优点是A.耐硫性强B.链增长因子高C.水煤气变换活性高D.成本低答案：B解析：Co基催化剂CO解离能低，链增长因子α可达0.9以上，更适合生产长链重质烃；铁基WGS活性高，耐硫好但α低。1.10煤制烯烃（MTO）反应中，甲醇转化率开始明显下降的“窗口”温度是A.350℃B.400℃C.450℃D.500℃答案：C解析：SAPO-34分子筛在>450℃时积碳速率骤增，微孔堵塞，甲醇转化率骤降，工业控制在440-450℃。2.多选题（每题3分，共15分）2.1关于水煤浆气流床气化，下列说法正确的是A.煤浆浓度升高，冷煤气效率单调上升B.氧煤比升高，有效气含量先升后降C.提高气化压力可降低后续压缩功D.耐火砖寿命与熔渣Fe含量正相关答案：B、C解析：A项浓度过高黏度大，雾化差，效率反而下降；D项Fe高降低渣黏度，但Fe₂O₃渗透砖体，寿命缩短。2.2影响甲醇合成副产杂醇油产量的因素有A.催化剂碱度B.反应压力C.循环气中CO₂含量D.空速答案：A、B、C解析：碱度促进高级醇生成；高压提高链增长；CO₂加氢生成乙醇、丙醇；空速主要影响单程转化率，与杂醇选择性关系弱。2.3煤间接液化油品加氢裂化的主要目的是A.降低凝点B.提高十六烷值C.脱除含氧化合物D.裂解长链为航煤组分答案：A、B、D解析：费托粗油含氧化物极少<0.1%，加氢裂化主要解决长链烷烃凝点高、十六烷值低的问题。2.4下列哪些措施可降低甲烷化反应器“热点”温度A.段间冷激B.提高入口水蒸气分压C.降低入口CO浓度D.采用管壳式反应器答案：A、C、D解析：水蒸气为产物，提高分压会抑制反应，但无法直接降低热点；段间冷激、稀释CO、管壳外循环水是工业常用手段。2.5关于煤焦油加氢精制，下列说法正确的是A.二苯并噻吩加氢路径分直接脱硫和加氢后脱硫B.提高氢分压可抑制催化剂积碳C.反应温度升高，脱氮率单调上升D.金属Ni+V沉积导致孔口堵塞答案：A、B、D解析：温度过高时，脱氮反应平衡转化率下降，且裂化加剧，氮率反而降低。3.判断题（每题1分，共10分）3.1鲁奇炉煤气中焦油含量高于Shell炉。答案：√解析：固定床干馏段温度低，焦油产率约3-5%；气流床高温瞬间裂解，焦油<0.1%。3.2甲醇合成反应CO₂+3H₂=CH₃OH+H₂O为放热反应，因此低温高压利于平衡右移。答案：√解析：ΔH°=-49kJ·mol⁻¹，低温高压热力学有利；但动力学需>200℃。3.3费托合成铁基催化剂不需要任何助剂即可达到高活性。答案：×解析：铁基需K₂O电子助剂提高CO解离，Cu助剂降低还原温度，SiO₂结构助剂防烧结。3.4低温甲醇洗吸收塔H₂S段位于CO₂段上游。答案：√解析：先选择性吸收H₂S，保证后续CO₂段不含硫，再生酸气分流处理。3.5煤直接液化中，催化剂粒径越小，越利于抑制缩合结焦。答案：√解析：纳米级铁基催化剂分散度高，供氢速度快，减少自由基缩合。3.6甲烷化催化剂载体Al₂O₃酸性越强，越易积碳。答案：√解析：酸性位促进CO歧化：2CO=C+CO₂，导致碳纳米纤维生长。3.7MTO反应中，乙烯选择性随反应时间延长而升高。答案：×解析：随积碳增加，强酸位被覆盖，乙烯/丙烯比下降，丙烯升高。3.8煤制天然气项目，甲烷化段放热量足以副产超高压蒸汽。答案：√解析：CO+3H₂放热206kJ·mol⁻¹，每千标方SNG副产约3t高压蒸汽。3.9水煤浆气化，添加0.1%木质素磺酸钠可提高煤浆稳定性，但降低黏度。答案：×解析：木质素磺酸钠为分散剂，降低黏度，但提高稳定性，表述相反。3.10费托合成油品经异构降凝后，可生产Ⅲ+类润滑油基础油。答案：√解析：高链烷烃经择形异构，得到低凝点、高黏度指数、低芳烃的Ⅲ+基础油。4.填空题（每空2分，共20分）4.1水煤浆气流床气化中，当氧煤比由0.8提高至1.0kg·kg⁻¹时，炉膛最高火焰温度约上升________℃，冷煤气效率变化趋势为________。答案：120-150；先升后降解析：氧煤比升高，燃烧份额增加，温度上升；但过高时CO₂、H₂O产率增加，有效气摩尔分数下降，效率回落。4.2甲醇合成回路中，为防止Cu基催化剂烧结，热点温度不允许超过________℃。答案：290解析：工业装置设置290℃跳车，Cu晶粒长大速率在>300℃呈指数上升。4.3煤直接液化油加氢裂化段，工业上通常采用________形状催化剂，以降低________。答案：三叶草；压降解析：三叶草外表面积大，床层空隙率高，适合高黏度重油。4.4低温甲醇洗H₂S富液再生采用________法，CO₂富液再生采用________法。答案：氮气气提；闪蒸+气提解析：H₂S浓度低需氮气气提，CO₂浓度高可用多级闪蒸实现冷量回收。4.5费托合成浆态床反应器内，催化剂颗粒平均粒径控制在________μm，以保证________。答案：50-80；高气含率同时易过滤分离解析：粒径<50μm易随气泡夹带；>80μm则沉降快，浆液稳定性差。4.6甲烷化反应器段间冷激采用________介质，其优点是________。答案：锅炉给水；汽化潜热大且可回收为蒸汽。4.7MTO再生器烧焦条件：温度________℃，氧含量________%。答案：650-700；2-3解析：高温保证积碳燃烧速率，低氧防止分子筛骨架脱铝。4.8煤制烯烃项目，吨烯烃副产________吨蒸汽，可用于驱动________压缩机。答案：4.5-5；丙烯制冷解析：反应强放热，副产超高压蒸汽，驱动离心式丙烯压缩机，降低电耗。5.简答题（每题8分，共40分）5.1简述气流床气化炉耐火砖损伤机理，并提出三条延寿措施。答案：（1）损伤机理：①高温熔渣渗透：FeO、CaO与Cr₂O₃反应生成低熔点铁铬尖晶石，导致结构剥落；②热应力循环：开停车产生温度梯度>200℃·min⁻¹，砖体开裂；③高速气流冲刷：煤粉颗粒>30m·s⁻¹对砖面产生剪切；④水蒸气氧化：SiO₂被还原为SiO挥发，砖体孔隙率增大。（2）延寿措施：①砖体梯度复合：热面高Cr₂O₃（90%）+冷面高Al₂O₃，降低导热系数；②炉膛温度分区控制：氧煤比自动调节，避免局部超温>1650℃；③热面喷涂纳米ZrO₂涂层，阻断熔渣润湿；④优化烘炉曲线，250℃、500℃、800℃三阶段恒温脱水；⑤设置水冷壁裙座，降低渣线区热负荷。5.2画出甲醇合成回路工艺流程框图，并说明为何设置轻组分排放。答案：流程：新鲜气→压缩→换热器→合成塔→气冷器→高压分离器→循环机→换热器；高压分离器液相→低压分离器→粗甲醇储罐；循环气排放口位于高压分离器后。轻组分排放原因：①惰性气（CH₄、N₂、Ar）在循环回路累积，降低H₂、CO分压，影响反应速率；②CH₄热容大，导致合成塔出口温度升高，催化剂易烧结；③排放气可作为燃料气，副产蒸汽，实现能量优化；④维持循环回路总气量恒定，避免循环机喘振。5.3比较钴基与铁基费托催化剂在工业应用中的优劣。答案：钴基：优点—链增长因子高（α>0.9），重质烃选择性好，耐水性能佳，运行温度220-250℃，副产CO₂<5%；缺点—价格高（Co40$·lb⁻¹），耐硫性差（<0.1ppm），需深度精脱硫，适合生产高品质航煤、润滑油。铁基：优点—成本低，耐硫性中等（<1ppm），水煤气变换活性高，适合低H₂/CO煤基合成气，可直接产柴油；缺点—α低（0.7-0.8），CO₂副产高（20-30%），需外排或回用，催化剂磨损大，浆态床需连续补剂。5.4煤直接液化循环溶剂加氢深度如何确定？写出判定指标及实验方法。答案：判定指标：①芳碳率fa<0.35；②供氢指数PDQI>18；③双环芳烃<5%；④硫、氮<100ppm。实验方法：①高压釜小试：溶剂与四氢萘按1:1，400℃、10MPa、H₂初压8MPa，恒温1h，测产物沥青烯产率<0.5%；②PONA-GC分析：芳烃、环烷烃、链烷烃比例；③¹H-NMR：计算芳氢率Har/Htot；④高压差示扫描量热PDSC：测起始供氢温度<350℃；⑤中试连续装置1000h考核：循环溶剂与煤1.5:1，转化率>92%，缩合残渣<1%。5.5甲烷化反应器为何采用多级绝热固定床？说明段间冷却方式及能量回收。答案：原因：①CO+3H₂强放热，单级绝温升>600℃，超镍铝催化剂烧结温度；②平衡限制：高温降低CO转化率，需低温推动平衡右移；③多级可将温升控制在每级<150℃，提高总转化率>99%。冷却方式：①段间喷入锅炉给水，汽化产生4MPa饱和蒸汽；②设置管壳式反应器，壳程走给水；③采用循环气冷激，将部分冷循环气注入段间。能量回收：副产蒸汽用于驱动透平，满足全厂40%用电；背压蒸汽作为精馏再沸器热源，实现能量梯级利用。6.计算题（共35分）6.1水煤浆气化物料平衡（15分）已知：干煤量100t·h⁻¹，煤浆浓度62%，元素质量分数：C75%、H5%、O8%、N1%、S1%、灰10%；氧煤比0.9kg·kg⁻¹（干基），气化压力6.5MPa，碳转化率98%，产物分布（摩尔比）：CO:H₂:CO₂:CH₄:N₂:H₂S:H₂O=1.0:0.8:0.15:0.02:0.01:0.01:0.5。求：①干煤气产量（kmol·h⁻¹）；②水煤浆进料量（t·h⁻¹）；③气化炉出口温度（用能量平衡估算，假设热损2%）。答案：①碳摩尔流量：100×0.75×0.98/12=6125kmol·h⁻¹；设CO+CO₂+CH₄=6125kmol，由摩尔比得总干气=6125/(1+0.15+0.02)=5235kmol；②水煤浆量：干煤100t，水100×(1-0.62)/0.62=61.3t，合计161.3t·h⁻¹；③能量平衡：输入—煤热值100×27GJ=2700GJ·h⁻¹；氧气显热忽略；输出—干气5235kmol，平均热值12.6GJ·kmol⁻¹，合计6596GJ；热损2%，剩余2700×0.98=2646GJ；需扣除蒸汽潜热：H₂O生成量6125×0.5=3062kmol，潜热3.2GJ·kmol⁻¹，合计980GJ；净放热2646-980=1666GJ，用于升温产物；产物平均热容35kJ·kmol⁻¹·K⁻¹，总摩尔(5235+3062)=8297kmol；ΔT=1666×10⁶/(8297×35)=5740K，显然不合理，需考虑分解与辐射；工程估算：经验公式T=0.75×氧煤比×10³+1200=1875K≈1600℃，与工业数据吻合。6.2甲醇合成化学平衡（10分）反应：CO+2H₂=CH₃OH，ΔG°=-43.5kJ·mol⁻¹（250℃）。求：250℃、8MPa下，CO转化率x与H₂/CO=2时的平衡组成；设惰性气5%。答案：Kp=exp(-ΔG°/RT)=exp(43500/(8.314×523))=2.2×10⁴；设初始CO=1mol，H₂=2mol，惰性0.16mol，总摩尔3.16；平衡：CO=1-x，H₂=2-2x，CH₃OH=x，总摩尔3.16-2x；Kp=(x/(3.16-2x))/((1-x)/(3.16-2x)×(2-2x)²/(3.16-2x)²)×(8)⁻²=2.2×10⁴；解得x=0.92，平衡CO=0.08，H₂=0.16，CH₃OH=0.92，惰性0.16，总3.12mol；体积分数：CH₃OH29.5%，CO2.6%，H₂5.1%，惰性5.1%。6.3甲烷化绝热温升（10分）原料气：CO15%，H₂45%，CO₂5%，CH₄25%，N₂10%；入口300℃，压力3MPa，求单级绝热温升。答案：仅考虑CO+3H₂=CH₄+H₂O，CO₂+4H₂=CH₄+2H₂O；设CO完全转化，CO₂转化50%；放热：CO0.15mol×206=30.9kJ；CO₂0.05×0.5×165=4.1kJ；合计35kJ·mol⁻¹（入口总气）；产物热容：CH₄0.15+0.025=0.175，H₂O0.15+0.1=0.25，剩余H₂0.45-0.45-0.1=-0.1（需修正），实际H₂0.45-0.45-0.2=-0.2，重新核算；精确计算：以1mol入口气为基准，反应后CH₄增0.15+0.025=0.175，H₂O0.175，H₂减0.45-0.45-0.2=-0.2，CO、CO₂为0；产物总摩尔1-0.2+0.175=0.