煤制甲醇工藝論析

雷恩寧

摘 要：石油、煤炭兩大產(chǎn)業(yè)屬于經(jīng)濟運行的主要血脈，由這兩者轉(zhuǎn)化成的一些化工產(chǎn)品在目前的社會生活中有著重要的意義。由于目前我國的石油資源出現(xiàn)短缺的現(xiàn)狀，主要是依靠大量的進口，而煤炭儲蓄量相對豐富，使得煤化工發(fā)展有了原料保障。因此，甲醇既是一種重要的有機化工原料，也是一種重要的有機溶劑。由甲醇生產(chǎn)的化工產(chǎn)品達數(shù)百種，廣泛用于塑料、合成纖維、合成橡膠和農(nóng)藥等行業(yè)，在發(fā)達國家其產(chǎn)量僅次于乙烯、丙烯和苯。如今，基于國際形勢以及石油資源的緊缺，由煤炭為原料生產(chǎn)甲醇，得到了大力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤制甲醇;工藝;措施

在工業(yè)和交通運輸業(yè)的發(fā)展過程中，燃料能源是其發(fā)展的重要支撐。煤炭作為燃料能源的主要來源，在燃燒提供能量的同時，其燃燒也產(chǎn)生了大量的有毒有害物質(zhì)，如碳氧化物、硫化物、粉塵等，這些有害物質(zhì)對人類生存的環(huán)境產(chǎn)生了嚴重的污染和危害。因此，在社會經(jīng)濟不斷發(fā)展和人們生活水平日益提高的同時，煤炭作為我國主要的燃料能源，其造成的環(huán)境污染問題也越來越嚴重，使得環(huán)境污染及其防治成為環(huán)境保護中非常必要的探討課題。甲醇作為煤炭的清潔替代能源，其煤制甲醇工藝的研究和開發(fā)受到了人們越來越多的關(guān)注。因此，煤制甲醇工藝的研究和開發(fā)對能源的發(fā)展具有非常重要的價值和意義。

一、煤制甲醇工藝發(fā)展的必要性

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源作為經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐之一，其在經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位。煤炭作為我國燃料能源的主要來源，其在燃燒的過程中會產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì)，如碳氧化物、硫化物、粉塵等等，這些物質(zhì)的產(chǎn)生給環(huán)境帶來了極大的污染和危害。與此同時，煤炭資源作為化石燃料是不可再生的一次能源，在直接的燃燒使用過程中不僅造成了環(huán)境的嚴重污染和危害，同時也使得燃燒不完全的煤炭資源造成大量的浪費。因此，需求煤炭的清潔替代產(chǎn)品和工藝技術(shù)的開發(fā)研究對煤炭資源的有效利用和環(huán)境的保護都是非常重要的。煤制甲醇工藝主要是將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔的甲醇，甲醇作為能源燃料既可以在燃燒時提供充足的能量資源，又能在燃燒的過程中減少有毒有害物質(zhì)的生成和排放。此外，甲醇除了作為清潔的替代燃料能源，還是化工生產(chǎn)中重要的有機原料，其在多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，隨著甲醇社會需求量的不斷增加和甲醇下屬產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用，使其在社會經(jīng)濟發(fā)展中的地位越來越重要。其中，煤制甲醇的工藝過程幾乎是無污染的工藝過程，在得到清潔替代能源的同時對環(huán)境也不會造成污染和危害。同時，煤制甲醇在提高煤炭資源的綜合利用率的同時，甲醇還可以替代部分的石油，從而在一定程度上緩解了我國石油資源供不應(yīng)求的矛盾，進而實現(xiàn)了我國能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的改善。

二、煤制甲醇工藝

煤制甲醇的主要原理是依據(jù)煤炭中的碳元素與水蒸汽在催化劑如Fe3O4 及高溫高壓的條件下反應(yīng)氧化還原反應(yīng)，其主要產(chǎn)物是一氧化碳和氫氣，然后對生成的一氧化碳和氫氣進行凈化提純，利用凈化后的氫氣和一氧化碳在比例約為2：1 且溫度維持在350℃左右，壓力維持在約為20MPa 的條件下進行甲醇的合成反應(yīng)，最后進行甲醇的精餾制取，從而實現(xiàn)甲醇制取的標準化純度。

1、氣化工藝。在整個氣化反應(yīng)的過程中，原料、水以及氧氣會共同作用，從而引發(fā)氣化反應(yīng)，該反應(yīng)生產(chǎn)的合成氣的成分較為復(fù)雜，主要包括有一氧化碳、氫氣、二氧化碳以及水等，同時還包括含量較少的甲烷等氣體。在該反應(yīng)的發(fā)生過程中，基本方程式為：

該反應(yīng)的整個過程速度很快，可以在很短的時間內(nèi)完成，離開氣化爐后經(jīng)過冷卻、洗滌等環(huán)境后進入到變換的工段進行繼續(xù)處理。

2、變換工藝。變換工段的主要處理任務(wù)是讓CO 與水發(fā)生反應(yīng)，在該過程中會生產(chǎn)出大量的氫氣，其反應(yīng)的方程式為：

在完成變換工段的生產(chǎn)任務(wù)后，轉(zhuǎn)入到低溫甲醇洗工藝流程環(huán)節(jié)。

3、低溫甲醇洗工藝。低溫甲醇洗工藝過程的主要任務(wù)是通過低溫清洗的方式去除掉氣相的硫化物以及二氧化碳等物質(zhì)，以此來保持產(chǎn)品的純度與潔凈度。

4、甲醇合成與精制工藝。經(jīng)過凈化處理后，合成氣再次經(jīng)過壓縮機的壓縮處理，隨后進入到甲醇的反應(yīng)器當中，經(jīng)過一定的壓力與催化劑相互作用，可以生產(chǎn)出粗甲醇產(chǎn)品，這些產(chǎn)品從分離器中分離出來后，可以經(jīng)過甲醇精餾塔精制處理，隨后生產(chǎn)出精制的甲醇產(chǎn)品。

5、空分裝置。在煤氣化過程中需要借助于空分裝置來獲取充分的氧氣。一般來說，空分裝置的結(jié)構(gòu)包括有分子篩、空氣增壓以及氧氣與氮氣內(nèi)外壓縮機等設(shè)備構(gòu)成。其中，原料空氣自空分裝置中獲取空氣，隨后經(jīng)過過濾器除去雜質(zhì)并進入到離心式空壓機當中，隨后經(jīng)過壓縮機壓縮達到一定的壓強并進入空氣冷卻塔中冷卻。再經(jīng)過空冷塔處理后使用分子篩進行純化處理，隨后二氧化碳、碳氫化合物等物質(zhì)都吸附干凈，凈化后的空氣抽出小部分作為儀表以及其他設(shè)備的使用空氣，其余大部分都作為空氣增壓機以及膨脹機設(shè)備的專用氣體，在精餾塔中液化后獲取液氧、液氮，并結(jié)合工藝需要送入實際需求的場合。

三、煤制甲醇檢驗方法與合成塔設(shè)計

1、煤制甲醇中的雜醇油水分。煤制甲醇工藝技術(shù)中常用容量法、庫倫法來進行雜醇油中水分的分析檢測，這兩種方法都屬于卡爾- 費休法的分支技術(shù)，具有良好的測量精度與操作穩(wěn)定性。其中，容量法在測定時不會受到外部反應(yīng)的影響和干擾，其測定的樣品質(zhì)量分數(shù)為0.1%-100%，而庫倫法則主要針對0.001%-0.1% 精度的檢測，這個過程中無隔膜的儀器本身不能夠分析醛類物質(zhì)以及酮類物質(zhì)，有隔膜的儀器則可以分析電導(dǎo)率較大或者含水量較大的樣品物質(zhì)。由于雜醇油本身具有物質(zhì)成分復(fù)雜的特征，其本身包括有大量的甲醇、水、二甲醚以及各種醛類物質(zhì)、酯類物質(zhì)，同時還有不飽和烴等物質(zhì)，所以利用容量法進行測定效果更好，適應(yīng)的范圍也更加廣泛。如果采用庫倫法進行測試，可能會受到多種因素的干擾與影響，還需要考慮到雜質(zhì)的成分特征，所以綜合起來利用難度較高且適應(yīng)性較差。

2、煤制甲醇合成塔工藝設(shè)計與優(yōu)化。結(jié)合甲醇合成工藝的技術(shù)特征與公開要求，選擇合成塔時最好利用立式固定床氣固結(jié)合的反應(yīng)器模式，該模式作為一種管殼外冷絕熱的復(fù)合型反應(yīng)器，其內(nèi)部填充了銅系催化劑，在合成氣的合成過程中，塔頂部分會進入到催化劑的床層當中，在壓力條件適合的情況下，溫度保持在一定的穩(wěn)定條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化碳、二氧化碳以及氫氣的反應(yīng)，其產(chǎn)物主要包括有甲醇、水以及一些微量的有機副產(chǎn)物。在甲醇的合成過程當中，不同的反應(yīng)可以同時進行，其能量整體來說屬于放熱反應(yīng)，具體的反應(yīng)方程式如下所示：

結(jié)合反應(yīng)方程式的數(shù)據(jù)情況來看，反應(yīng)熱的量較大，需要借助于管式反應(yīng)器將沸騰的水移送到冷卻環(huán)節(jié)進行處理。

（1）參數(shù)確定。在甲醇的整個合成環(huán)節(jié)當中，大量的反應(yīng)熱必須想辦法轉(zhuǎn)移出去，所以需要對蒸汽的壓力進行控制，只有完成了壓力的控制，才能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的控制。在大多數(shù)情況下，壓力控制在4.0MPa 以內(nèi)即可，而溫度則需要保持在230～260℃。從物理性質(zhì)參數(shù)的角度上來看，水的汽化熱相對恒定，所以熱導(dǎo)率、表面張力以及比熱容都可以相應(yīng)的計算出來，液相的密度也就可以確定。在合成氣當中，大多數(shù)成分為一氧化碳以及氫氣，所以平均密度、比熱容以及相應(yīng)的熱導(dǎo)率都可以根據(jù)這個方式計算出來。

（2）合成氣流量。選擇合適的生產(chǎn)規(guī)模與相適應(yīng)的工藝技術(shù)流程后，需要對合成氣的氣體流量進行分析。結(jié)合目前國內(nèi)技術(shù)進程來看，選擇低壓合成法的經(jīng)濟效益良好，可以適應(yīng)于10-20 萬t/a 的生產(chǎn)需求。選擇平行運行生產(chǎn)的方式來進行生產(chǎn)活動，開工時間設(shè)計為330d，那么連續(xù)生產(chǎn)的過程中甲醇的質(zhì)量回流數(shù)可以計算出，其結(jié)果為630kmol/h。除了對合成氣流量進行控制，還需要完善水流量與殼體內(nèi)折流板、接管確定工作，確保技術(shù)適應(yīng)性。

四、煤制甲醇工藝設(shè)備存在的問題

1、煤制甲醇工藝所需的設(shè)備。根據(jù)煤制甲醇的工藝流程，首先是煤炭的氣化過程，氣化工藝主要用到的設(shè)備是氣化爐，利用氣化爐通過加壓的方式將煤炭和水制成漿液，然后在高溫的條件下實現(xiàn)煤炭漿液的氣化，從而實現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生來制得一氧化碳和氫氣。其中，在甲醇的精制工藝中要用到蒸餾塔來對新生成的甲醇進行循環(huán)蒸餾來達到甲醇提純和凈化的目的。此外，由于煤炭的氣化和液化需要進行分離的過程，那么在煤制甲醇的過程中就要用到氣液分離設(shè)備。

2、煤制甲醇工藝中存在的問題。雖然煤制甲醇工藝的發(fā)展對煤炭資源的綜合利用和改善我國的能源結(jié)構(gòu)都有很大的實際意義和價值。但是，在煤制甲醇的工藝過程中還存在很多的問題：首先，煤制甲醇的工藝的開發(fā)和發(fā)展還不是很成熟，使得煤炭制備甲醇的工藝過程的成本非常高，比直接使用煤炭的成本投入高很多，這就使得煤制甲醇的工藝很難得到廣泛的應(yīng)用。同時，人們只考慮到煤制甲醇的成本而嚴重忽略了煤制甲醇的環(huán)境保護作用。第二，由于煤制甲醇是一項新型的煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，其工藝流程和設(shè)備的使用都有待進一步的完善，使得煤制甲醇的工藝效率低下，煤制甲醇的發(fā)展力不足。

五、煤制甲醇工藝措施

1、煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展。在電子信息科技高速發(fā)展的今天，煤制甲醇的工藝過程如果可以利用電子信息科技來達到煤制甲醇工藝過程的智能化和自動化，將會為煤制甲醇的工藝發(fā)展帶來極大的突破。尤其在煤制甲醇的工藝流程第三步中一氧化碳和氫氣要達到1：2的比例才能使其充分反應(yīng)來有效合成甲醇，如果實現(xiàn)了煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展，將會更有效的進行甲醇的合成過程，將大大提高煤制甲醇的工藝效率。與此同時，煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展也有利于煤制甲醇工藝過程的實時監(jiān)控，使得制備的各個流程都在監(jiān)控下完成，更有利于對整個制備過程進行量化監(jiān)督，從而實現(xiàn)煤制甲醇工藝的完善。

2、煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計。在煤制甲醇工藝實現(xiàn)智能化發(fā)展的同時，進行煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計，適應(yīng)現(xiàn)代“環(huán)保、清潔、節(jié)能”的經(jīng)濟發(fā)展理念。首先，要在煤炭的使用上進行有效的節(jié)約設(shè)計，在考慮制取甲醇達標的情況下，通過改進工藝來實現(xiàn)煤炭資源的高效利用，從而達到煤制甲醇產(chǎn)投比的最大化。其次，在煤制甲醇的工藝過程中由于需要用到氣化爐、蒸餾塔、氣液分離設(shè)備等需要消耗大量的電力能源，通過煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展和工藝革新來實現(xiàn)電力能源的節(jié)約。最后，在煤制甲醇的工藝發(fā)展過程中要具備節(jié)約的意識，要不斷改進煤制甲醇的工藝以達到整個生產(chǎn)過程的能源節(jié)約。因此，通過煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計和智能化發(fā)展，使得煤制甲醇工藝得到更加完善的發(fā)展。

3、煤制甲醇工藝發(fā)展。作為很早就開始使用煤炭作為甲醇生產(chǎn)原材料的國家之一，我國的煤制甲醇工藝技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，也達到了一定的技術(shù)高度。但是，真正實現(xiàn)煤制甲醇工藝技術(shù)的突破以及規(guī)模化生產(chǎn)則是進入到21 世紀之后。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，甲醇的需求量猛增，傳統(tǒng)的甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)獲得的產(chǎn)品難以滿足客觀生產(chǎn)實際需求，所以我國各地都開始采用煤制甲醇工藝技術(shù)來進行甲醇生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計結(jié)果顯示，我國的甲醇生產(chǎn)總量增長，這也預(yù)示著我國成為全球甲醇生產(chǎn)量最高的國家。目前天然氣制甲醇工藝技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用的領(lǐng)域也得到了擴充，無論是成本還是工藝設(shè)備以及投資都比較低。但是，結(jié)合目前我國的整體資源結(jié)構(gòu)情況與特征來看，煤制甲醇工藝技術(shù)依然是技術(shù)發(fā)展的重要方向，通過市場化競爭，將大部分生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)不成熟的企業(yè)淘汰掉，同時實現(xiàn)規(guī)?；?、集約化發(fā)展，這樣就可以有效提升工藝技術(shù)的應(yīng)用水平，從而確保商業(yè)價值與行業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性。

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)“環(huán)保、清潔、節(jié)能”的經(jīng)濟發(fā)展理念，煤制甲醇工藝的發(fā)展是社會能源發(fā)展的必然選擇。煤制甲醇工藝在提高煤炭資源綜合利用率的同時，在一定程度上緩解了我國石油資源供不應(yīng)求的矛盾，使得我國的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)得到了改善，必須要考慮到市場的供需平衡，促進甲醇下游市場的開發(fā)，同時推動甲醇企業(yè)大型化、聯(lián)產(chǎn)一體化發(fā)展，促進整個能源行業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。通過煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展和節(jié)能型設(shè)計，從而實現(xiàn)煤制甲醇工藝的優(yōu)化和改善，最終實現(xiàn)對經(jīng)濟發(fā)展提供有力支撐的同時，實現(xiàn)對環(huán)境的有效保護。

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