焦?fàn)t煤氣制甲醇的工藝改造

張厚鋼

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，山西 太原 032200)

引 言

甲醇不僅可用于工業(yè)化學(xué)產(chǎn)品的生產(chǎn)原料，還可以作為吸收劑、液體原料等使用。目前，工業(yè)中制備甲醇的工藝包括有天然氣制甲醇、煤制甲醇以及焦?fàn)t煤氣制甲醇。焦?fàn)t煤氣作為煤炭焦化附帶的產(chǎn)物，通過(guò)焦?fàn)t煤氣制備甲醇可提高資源的利用率[1]。本文著重對(duì)焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高甲醇的轉(zhuǎn)化率和節(jié)能減排的目的。

1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇現(xiàn)狀

以某焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工廠(chǎng)為研究對(duì)象，該廠(chǎng)每年所生產(chǎn)甲醇的產(chǎn)量為20萬(wàn)t。目前，該廠(chǎng)所采用的焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝流程如圖1所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程圖

如圖1所示，該廠(chǎng)目前焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝經(jīng)歷了脫硫、壓縮、精脫硫、甲烷轉(zhuǎn)化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。上述甲醇制備工藝在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中存在如下問(wèn)題：

1) 上述工藝中采用的脫硫方法為鐵鉬加氫-氧化鋅，經(jīng)該種脫硫方法后氣體中含有0.1×10-6的硫元素；2) 甲烷轉(zhuǎn)化工藝采用催化氧化法對(duì)精脫硫處理后的氣體進(jìn)行轉(zhuǎn)化處理，但經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后焦?fàn)t煤氣中仍然含有微量的甲烷；3) 本工藝所采用的合成裝置為L(zhǎng)ugri列管式反應(yīng)器，該反應(yīng)器中壓力為6.8 MPa，而對(duì)應(yīng)冷卻器的溫度為227 ℃；4) 本工藝中的精餾工藝采用“三塔雙效”進(jìn)行精餾操作，最終得到甲醇產(chǎn)品的純度為99.99%。

2 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝模擬

為明確當(dāng)前焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝需優(yōu)化的環(huán)節(jié)，本文采用AspenPlus軟件對(duì)工藝流程進(jìn)行模擬分析。

2.1 模擬模型的建立

根據(jù)焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝流程，在對(duì)工藝流程研究的基礎(chǔ)上對(duì)焦?fàn)t煤氣凈化單元、重整轉(zhuǎn)化單元、合成單元以及精餾單元分別建立模擬模型[2]。并根據(jù)各個(gè)工藝環(huán)節(jié)中的參數(shù)對(duì)相應(yīng)模擬模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確保參數(shù)均與工廠(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)的參數(shù)誤差小于5%。焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程的模擬模型如第85頁(yè)圖2所示。

2.2 工藝模擬分析與優(yōu)化

1) 冷卻劑溫度參數(shù)的優(yōu)化

經(jīng)研究可知，冷卻器溫度對(duì)甲醇合成器反應(yīng)的影響較大，其在一定程度上影響著甲醇合成反應(yīng)的熱平衡?；谌鐖D2所建立的模擬模型，對(duì)不同冷卻劑溫度下反應(yīng)器內(nèi)溫度變化和甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究。經(jīng)對(duì)模擬結(jié)果分析可得，在反應(yīng)器前段(0 m～4 m)，冷卻劑溫度越高對(duì)應(yīng)甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高；在反應(yīng)器后段(5 m以后)，冷卻劑溫度越高對(duì)應(yīng)甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低[3]。影響甲醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)的時(shí)間段為甲醇合成反應(yīng)的后半段，冷卻劑溫度會(huì)對(duì)甲醇合成反應(yīng)的化學(xué)平衡造成影響。當(dāng)冷卻劑溫度為187 ℃時(shí)，甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，即此時(shí)甲醇的轉(zhuǎn)化率越高。

圖2 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程模擬模型

此外，當(dāng)冷卻劑溫度為187 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)合成反應(yīng)的能量、投資以及收入等成本均較低。經(jīng)量化分析后可知，冷卻劑溫度為187 ℃時(shí)，甲醇轉(zhuǎn)化效率較冷卻劑溫度為227 ℃時(shí)提高23.5%；甲醇反應(yīng)器中能量回收也提高了38%。

因此，在模擬分析的基礎(chǔ)上得出甲醇合成反應(yīng)最佳冷卻劑的溫度為187 ℃。

2) 反應(yīng)器入口溫度的優(yōu)化

從理論上分析，甲醇合成反應(yīng)器的入口溫度也是影響甲醇合成反應(yīng)熱平衡的影響因素之一。不同入口溫度與不同冷卻劑溫度下對(duì)應(yīng)總碳單程轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如圖3所示。

如圖3所示，當(dāng)冷卻劑溫度為167 ℃～207 ℃時(shí)，隨著反應(yīng)器入口溫度的增加對(duì)應(yīng)總碳單程轉(zhuǎn)化率不斷增加，而當(dāng)冷卻劑溫度大于207 ℃時(shí)，隨著入口溫度的變化總碳單程轉(zhuǎn)化率變化不大。當(dāng)入口溫度為253 ℃、冷卻劑溫度為177 ℃時(shí)，總碳單程轉(zhuǎn)化率最大。而當(dāng)冷卻劑溫度為187 ℃，入口溫度為213 ℃時(shí)該工藝的收入最高。

圖3 不同入口溫度與不同冷卻劑溫度下對(duì)應(yīng)總碳單程轉(zhuǎn)化率關(guān)系曲線(xiàn)

綜上所述，為均衡總碳單程轉(zhuǎn)化率和工藝收入，對(duì)反應(yīng)器入口溫度最終優(yōu)化為213 ℃，冷卻劑溫度為187 ℃。

3) 未反應(yīng)氣體循化率的優(yōu)化

甲醇合成反應(yīng)器所排出的氣體主要可分為兩部分，一部分循環(huán)氣再次循環(huán)至反應(yīng)器中繼續(xù)反應(yīng)；另一部分作為馳放氣如火炬系統(tǒng)中[4]。由于循環(huán)氣體中含有一定量的氫氣、一氧化碳和二氧化碳，提高循環(huán)氣體的循環(huán)率可提高甲醇的轉(zhuǎn)化率。此外，為保證循環(huán)氣體的高循環(huán)率還需增加壓縮機(jī)的功耗，從而增加生產(chǎn)成本。

經(jīng)模擬分析可得，當(dāng)循環(huán)氣的循環(huán)率為94.5%時(shí)，甲醇的轉(zhuǎn)化率達(dá)到最大；當(dāng)循環(huán)氣體的循環(huán)率為94.5%時(shí)，此時(shí)甲醇合成反應(yīng)的投資成本及運(yùn)行成本最低。因此，在綜合考慮甲醇產(chǎn)量和投資成本的基礎(chǔ)上，最終將未反應(yīng)氣的循化率控制在94.5%左右。

4) 精餾塔操作參數(shù)的優(yōu)化

當(dāng)甲醇合成反應(yīng)器中冷卻劑的溫度、入口溫度和未反應(yīng)氣體循環(huán)率均達(dá)到最佳時(shí)，對(duì)應(yīng)合成甲醇的產(chǎn)量也會(huì)增加，從而進(jìn)入精餾塔中甲醇的流量和成分也會(huì)發(fā)生微量的變化[5]。因此，需對(duì)精餾塔的操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

本工藝精餾塔環(huán)節(jié)包括有預(yù)塔、加壓塔和常壓塔。其中，以加壓塔和常壓塔的耗能最大，預(yù)塔的耗能最少。而且，加壓塔和常壓塔的質(zhì)量回流比將直接影響甲醇產(chǎn)品的純度和冷凝器的負(fù)荷，二者之間的關(guān)系如圖4所示：

如圖4所示，隨著加壓塔和常壓塔額質(zhì)量回流比的增加對(duì)應(yīng)甲醇產(chǎn)品的純度也在增加，對(duì)應(yīng)精餾環(huán)節(jié)的能耗也在增大。為滿(mǎn)足本工廠(chǎng)所產(chǎn)甲醇的純度必須大于99.99%，加壓塔質(zhì)量回流比對(duì)應(yīng)的數(shù)值為1.28，常壓塔對(duì)應(yīng)的質(zhì)量回流比為1.826。

圖4 加壓塔和常壓塔的質(zhì)量回流比與甲醇純度和能耗的關(guān)系

3 結(jié)論

焦?fàn)t煤氣制備甲醇為當(dāng)前工業(yè)中制備甲醇的主要方式之一。目前，該工藝在我國(guó)發(fā)展尚未成熟，其工藝流程中的具體操作參數(shù)還有待優(yōu)化。本文以某制備甲醇工廠(chǎng)為研究對(duì)象，對(duì)其焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體總結(jié)如下：

1) 冷卻劑溫度可影響焦?fàn)t煤氣制備甲醇的反應(yīng)動(dòng)力和反應(yīng)平衡，經(jīng)模擬分析后可知，本廠(chǎng)最佳冷卻劑溫度為187 ℃；

2) 甲醇反應(yīng)器入口溫度影響焦?fàn)t煤氣制備甲醇反應(yīng)的平衡，經(jīng)模擬分析后，綜合考慮生產(chǎn)成本和總碳單程轉(zhuǎn)化率，最佳甲醇反應(yīng)器入口溫度為213 ℃；

3) 為提高反應(yīng)氣體的循環(huán)率可適當(dāng)甲醇的轉(zhuǎn)化率，綜合考慮甲醇轉(zhuǎn)化率和投資成本，經(jīng)模擬分析后得出最佳未反應(yīng)氣體的循環(huán)率為94.5%；

4) 由于甲醇合成反應(yīng)參數(shù)的優(yōu)化，需對(duì)加壓塔和常壓塔的質(zhì)量回流比進(jìn)行優(yōu)化，以甲醇純度為99.99%為生產(chǎn)目標(biāo)，確定加壓塔和常壓塔的質(zhì)量回流比分別為1.28和1.826。