氮?dú)夤r與二氧化碳工況對(duì)煤制甲醇的影響研究

孫雅利

(同煤廣發(fā)化學(xué)工業(yè)有限公司，山西 大同 037001)

引 言

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國(guó)對(duì)能源的關(guān)注程度逐漸提升，為了保證能源的充足性，需要利用目前我國(guó)的現(xiàn)有能源，制備出另一種能源，在此過(guò)程中既要保證質(zhì)量，又要避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染。針對(duì)煤制甲醇，研究氮?dú)馇闆r下以及二氧化碳情況下對(duì)煤制甲醇的影響，進(jìn)而確定一種高效環(huán)保的煤制甲醇方式，實(shí)現(xiàn)煤制甲醇的穩(wěn)定發(fā)展。

1 煤制甲醇的生產(chǎn)工藝

煤制甲醇的生產(chǎn)工藝，主要包括以下幾方面內(nèi)容。

第一，煤制氣生產(chǎn)工藝，該工藝在實(shí)際開(kāi)展的過(guò)程中，主要使用粉煤加壓氣化技術(shù)，反應(yīng)環(huán)境需要符合高溫以及高壓的標(biāo)準(zhǔn)，煤粉以及氧氣、蒸汽等在加壓的環(huán)境下進(jìn)入氣化爐中，進(jìn)而在短時(shí)間內(nèi)完成一系列的物理反應(yīng)以及化學(xué)反應(yīng)，其中主要包括升溫、揮發(fā)、裂解以及燃燒等。氣化爐中的溫度較高，因此在反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物主要以燃燒為主，氣化爐中氧氣耗盡之后，碳會(huì)出現(xiàn)各種轉(zhuǎn)化反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)進(jìn)入到氣化反應(yīng)的階段，最終生成CO以及H2。

第二，煤制甲醇中的變換工藝，變換工藝主要使用串聯(lián)三臺(tái)變換爐部分變化技術(shù)，CO的變化過(guò)程屬于可逆的放熱反應(yīng)，原料中45%的合成氣進(jìn)入到第一個(gè)變換爐中，30%的粗合成氣進(jìn)入到第二變化爐中，原料中25%的合成氣進(jìn)入到第三變化爐中。在進(jìn)入達(dá)到第三變化爐之前，需要將第二變化爐氣體與出口變換氣相互混合，這種方式能夠保證變換的一氧化碳量在安全的范圍之內(nèi)。

2 氮?dú)夤r對(duì)煤制甲醇的影響

2.1 對(duì)變換效率的影響

在煤制甲醇的初始階段，N2是煤粉的主要輸送載體，由于N2的化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定，因此在氣化爐中無(wú)法與其他氣體相互反應(yīng)，進(jìn)而對(duì)粗煤氣的氣體成分產(chǎn)生影響，通常情況下，粗煤氣中N2的含量在10%左右，正是由于粗煤氣中N2的含量較高，則在變換爐變化的過(guò)程中，無(wú)法與催化劑進(jìn)行成分接觸。面對(duì)這種情況，要想保證煤制甲醇制備質(zhì)量，需要提升變換爐的入口溫度，長(zhǎng)時(shí)間之后，變化爐中催化劑的壽命將會(huì)降低，最終產(chǎn)出二氧化碳含量也會(huì)降低10%，嚴(yán)重影響下一工藝的實(shí)施質(zhì)量。

2.2 對(duì)低溫甲醇洗的影響

氮?dú)夤r下變換氣在進(jìn)入低溫甲醇洗階段之后，由于變換氣中氣體組成二氧化碳的含量小于標(biāo)準(zhǔn)含量，但是其中N2的含量大于標(biāo)準(zhǔn)含量，因此氣體在進(jìn)入吸收塔之后，導(dǎo)致吸收甲醇的飽和度較低，在氣提時(shí)，釋放出的冷量較少，導(dǎo)致整個(gè)低溫甲醇洗的溫度高于正常溫度，低溫甲醇洗裝置在運(yùn)行中的能耗量也會(huì)提升，無(wú)形之中增加了煤制甲醇成本。而在硫回收階段，爐膛的溫度較高，導(dǎo)致這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就是，二氧化碳的含量較少，因此在熱交換的過(guò)程中，克勞斯氣體中甲醇含量較高，因此導(dǎo)致?tīng)t膛溫度整體較高。

2.3 對(duì)合成質(zhì)量的影響

低溫甲醇洗凈化之后的氣體，無(wú)法對(duì)N2展開(kāi)分離，經(jīng)過(guò)壓縮之后直接進(jìn)入到合成系統(tǒng)中。由于其中存在較高含量的氮?dú)?，因此無(wú)法合成甲醇，而N2堆積在合成回路中，在成整個(gè)合成系統(tǒng)的壓力較高，合成塔08R002的壓差也較高，為了保證煤制甲醇安全，則需要對(duì)合成系統(tǒng)展開(kāi)放氣處理，緩解合成系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中的壓力。在此過(guò)程中，大量的合成氣體被放入到火炬系統(tǒng)中，造成浪費(fèi)的情況出現(xiàn)，同時(shí)還提升了煤制甲醇中合成氣體的使用量。由此可以看出，在氮?dú)夤r中，煤制甲醇過(guò)程中的浪費(fèi)情況較為嚴(yán)重，最終的合成效率并不高，整體的煤制甲醇應(yīng)用價(jià)值較低[1]。

3 二氧化碳工況對(duì)煤制甲醇的影響

3.1 二氧化碳工況的切換

在將工況切換成CO2之后，煤制甲醇中N2的含量降到了15%左右，在切換之前，汽化爐的負(fù)荷為80%，二氧化碳?jí)嚎s機(jī)運(yùn)行之后，V3051轉(zhuǎn)換成了CO2，氧煤比需要根據(jù)氧負(fù)荷情況撒曲線對(duì)其展開(kāi)調(diào)節(jié)。在實(shí)際切換的過(guò)程中，燒嘴中的水氧比并沒(méi)有出現(xiàn)變化，氧煤比降低，汽化爐中的蒸汽含量提升，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的主要原因就是，在實(shí)際反應(yīng)中，煤流量減低，氧煤比提升。氮?dú)獾暮拷档停珻O2的含量提升，CO2會(huì)與煤粉發(fā)生反應(yīng)，因此爐中的溫度還會(huì)提升。在這種條件下，CO2在輸送煤粉的過(guò)程中，提升了CO在爐內(nèi)的反應(yīng)速率，能夠促進(jìn)接下來(lái)煤制甲醇工藝的實(shí)施，降低氮?dú)馐褂脭?shù)量的同時(shí)，還能夠提升煤制甲醇效率。N2以及CO2工況的切換，如表1所示。

表1 為氮?dú)庖约岸趸脊r的切換

3.2 對(duì)變換裝置的影響

由于在煤制甲醇中，CO的含量提升，整個(gè)變化爐中的溫度也得到了提升，在此過(guò)程中可以通過(guò)TV04005調(diào)節(jié)閥對(duì)溫度展開(kāi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)變化爐中的溫度展開(kāi)控制。二氧化碳工況與氮?dú)夤r相比，需要適當(dāng)降低變爐的入口溫度，同時(shí)穩(wěn)定床層的溫度，通常情況下，出口的溫度需要控制在400 ℃左右，通過(guò)TV04008對(duì)二變的溫度展開(kāi)調(diào)節(jié)，使二變出口溫度在380 ℃左右，使用TV04010對(duì)三變溫度展開(kāi)調(diào)節(jié)，使出口溫度在380 ℃以下。另外，還要對(duì)一變爐的變化率進(jìn)行控制，每個(gè)變爐中使用的控制設(shè)備都不同，在三變爐中，氫碳比例需要控制在20%左右，進(jìn)而保證煤制甲醇的效率。煤制甲醇脫硫示意圖，如圖1所示。

圖1 煤制甲醇脫硫示意圖

3.3 對(duì)低溫甲醇洗裝置的影響

在二氧化碳工況下，由于整個(gè)系統(tǒng)智能CO2的含量提升，氮?dú)獾暮拷档?，因此在進(jìn)入吸收塔之后，低溫甲醇能夠?qū)O2展開(kāi)充分吸收，提升自身的飽和度，同時(shí)還能夠?qū)艋瘹庵卸趸嫉暮空归_(kāi)調(diào)節(jié)，進(jìn)而滿足CO2含量的要求，最終將CO2的含量控制在2%左右。高飽和度的二氧化碳甲醇在實(shí)際反應(yīng)中，能夠釋放較多含量的CO2，并且釋放相應(yīng)的能量。在利用繞管式原料氣換熱器展開(kāi)換熱的過(guò)程中，其中回收的冷量能夠降低原料氣中的溫度，TI05012的溫度降到-25 ℃左右，這種情況能夠降低甲醇在反應(yīng)中的循環(huán)量，導(dǎo)致05C003塔中的二四段、二五段經(jīng)過(guò)氮?dú)鈿怏w，得到相應(yīng)的低溫甲醇，在此基礎(chǔ)上，使用換熱器再生熱量，甲醇TI05018的溫度在-50 ℃左右，在這種模式下生成的甲醇，更容易對(duì)酸氣體展開(kāi)洗滌。05C003塔中的上段氣體與克勞斯氣體換熱之后，TI05052的溫度在-37 ℃左右，克勞斯氣體中的甲醇含量較低，能夠?yàn)榻酉聛?lái)的硫回收提供良好條件，另外，煤制甲醇中的CO2，在壓縮之后，還能夠進(jìn)入煤制甲醇的在氣化裝置中，以便再次利用，這種方式能夠大大降低CO2在煤制甲醇中的使用數(shù)量，進(jìn)而降低煤制甲醇成本[2]。

3.4 對(duì)煤制甲醇合成裝置的影響

煤制甲醇中的低溫甲醇洗工段，加煤制甲醇中的合成氣體經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)進(jìn)行合成，最終完成煤制甲醇。由于合成氣中氮?dú)獾暮吭?%左右，CO2的含量為2%，氫氣回收單元中FI11001中的放氣量也會(huì)降低，從最初氮?dú)夤r中的26 080 m3/h降到了13 053 m3/h。滲透氣量在氮?dú)夤r為6 874 m3/h，在二氧化碳工況中，滲透氣量的為12 800 m3/h，在二氧化碳工況中，煤制甲醇能夠降低副反應(yīng)的出現(xiàn)概率，同時(shí)還能夠提升最終煤制甲醇的合成質(zhì)量，避免在合成系統(tǒng)中出現(xiàn)長(zhǎng)碳鏈，保證合成塔中溫度的穩(wěn)定性，進(jìn)而提升催化劑的使用壽命。將CO2作為煤粉的載體，能夠大大提升煤制甲醇的反應(yīng)效率以及制備質(zhì)量。

通過(guò)以上分析能夠得出，在二氧化碳工況下，煤制甲醇的整體合成效率較高，CO2是煤制甲醇中的重要?dú)怏w，其在實(shí)際應(yīng)用中，既能作為煤粉的輸送載體，又能夠提升粗煤氣的合成質(zhì)量，降低最終CO2的排放量，整個(gè)過(guò)程具有較強(qiáng)的節(jié)能環(huán)保性。在降低煤制甲醇綜合成本的同時(shí)，保證了煤制甲醇質(zhì)量，與氮?dú)夤r相比，無(wú)論是在成本方面、合成效率方面，二氧化碳工況的煤制甲醇工藝都具備較高的應(yīng)用價(jià)值，因此在實(shí)際煤制甲醇生產(chǎn)的過(guò)程中，合成人員需要使用CO2作為煤粉的載體，同時(shí)這也是煤制甲醇未來(lái)的主要發(fā)展方向[3]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著人們對(duì)煤制甲醇的關(guān)注程度逐漸提升，如何保證煤制甲醇質(zhì)量，成為有關(guān)人員關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題。通過(guò)研究N2與CO2對(duì)煤制甲醇的影響發(fā)現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行研究，能夠大大提升煤制甲醇質(zhì)量，同時(shí)還能夠降低煤制甲醇過(guò)程中的污染程度。由此可以看出，研究N2以及CO2對(duì)煤制甲醇的影響，能夠?yàn)榻窈竺褐萍状嫉陌l(fā)展奠定基礎(chǔ)。