夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的應(yīng)用

董麗坤

（烏海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古烏海 016000）

煤氣化是一種對(duì)能源和水源消耗都較大的行業(yè)，在現(xiàn)代生態(tài)文明建設(shè)和節(jié)能降耗理念的推行下，需要針對(duì)煤氣化制造工藝進(jìn)行節(jié)能減排的研究，這也是為了確保煤化工企業(yè)能夠持續(xù)健康發(fā)展的根本途徑。應(yīng)用夾點(diǎn)技術(shù)能夠分析出造成煤氣化制造工藝水耗和能耗不合理的根本原因，并采取針對(duì)性措施予以優(yōu)化，促使其大幅度降低煤氣化工藝制造過程中所產(chǎn)生的能源消耗，使其制造工藝的有效性和整體效率得到不斷的改進(jìn)。

1 煤氣化制造工藝及其分類

關(guān)于煤氣化制造工藝，主要是指利用煤或焦作為原材料，在碳氧化產(chǎn)生熱能的高溫條件下，以水蒸氣、空氣或氧氣等作為氣化劑，利用化學(xué)反應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為煤氣的整個(gè)制造過程。

煤氣化屬于熱化學(xué)過程。煤氣化制造工藝作為一種生產(chǎn)合成氣等產(chǎn)品的主要途徑，根據(jù)氣化爐內(nèi)流體力學(xué)狀態(tài)進(jìn)行科學(xué)的分類可以將煤氣化技術(shù)分為流化床、氣流床和固定床等三種類型。而其中固定床工藝技術(shù)根據(jù)壓力不同，又可以分為加壓固定床和固定床改進(jìn)型以及常壓固定床。固定床氣化技術(shù)的典型代表是碎煤熔渣和魯奇加壓氣化技術(shù)，這一技術(shù)具有原料適應(yīng)范圍較廣，且可氣化水分與灰分較高的劣質(zhì)煤，氧耗量較低等特點(diǎn)。但也存在一些不足，例如蒸汽分解率較低、出爐煤氣當(dāng)中有效氣含量不高，甲烷和二氧化碳含量過高等。而流化床氣化工藝技術(shù)典型的代表是山西煤化所的IC 灰熔聚氣化技術(shù)和恩德粉煤氣化技術(shù)。與固定床氣化工藝相同的是，其同樣有著煤氣當(dāng)中有效成分含量較低、碳轉(zhuǎn)化率偏低和物探含量過高、分離難度較大等多方面的缺陷。

煤氣化制甲醇工藝的基本原理主要是指利用煤與水蒸氣反應(yīng)生成氫氣和一氧化碳以及二氧化碳，再將其置于觸媒條件下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并由此生成甲醇。在煤氣化過程當(dāng)中，主要涉及的化學(xué)反應(yīng)原理為：

這些反應(yīng)需要在6.5MPa 和1 400℃下進(jìn)行，氣化反應(yīng)需要在氣化爐反應(yīng)階段瞬間完成，并生成氫氣、一氧化碳、二氧化碳和水以及少量的H2S 等氣體。另外，伴隨著熱量的轉(zhuǎn)換，其所具有的能量損失和消耗為夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)。

2 夾點(diǎn)技術(shù)概念及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

2.1 夾點(diǎn)技術(shù)概念

夾點(diǎn)技術(shù)主要是指基于化學(xué)熱力學(xué)原理，以經(jīng)濟(jì)效益為主要目標(biāo)函數(shù)對(duì)換熱網(wǎng)絡(luò)及物流進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程，其涉及熱和冷型公共工程與能級(jí)選擇之間的合理匹配[1]。

隨著換熱器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中溫度夾點(diǎn)問題的提出，很多專家學(xué)者發(fā)現(xiàn)，夾點(diǎn)的存在會(huì)影響換熱器網(wǎng)絡(luò)中的熱回收效果，使其無(wú)法達(dá)到最大值。從這一原理來(lái)講，夾點(diǎn)技術(shù)主要是指以熱力學(xué)相關(guān)理論知識(shí)為基礎(chǔ)，將換熱網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，使其能夠相互獨(dú)立且分離成為兩個(gè)子系統(tǒng)，包括熱阱系統(tǒng)和熱源系統(tǒng)[2]。其中，熱阱系統(tǒng)是位于夾點(diǎn)之上的系統(tǒng)，其能夠利用加熱公用工程實(shí)現(xiàn)熱量的有效傳遞，與此同時(shí)，不會(huì)造成熱量的流出。熱源工程則主要是位于夾點(diǎn)之下的系統(tǒng)，能夠利用冷卻公用工程進(jìn)行熱量的輸出，同時(shí)不會(huì)造成熱量的流入[3]。其中熱量因?yàn)槔鋮s公用工程帶走，其主要是指跨越夾點(diǎn)熱量傳遞形式，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生相互的換熱匹配，關(guān)于夾點(diǎn)位置上下的熱物流及冷物流實(shí)現(xiàn)熱平衡跨越，其是通過夾點(diǎn)技術(shù)當(dāng)中的熱阱系統(tǒng)和熱源工程系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。所以，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)需要確保夾點(diǎn)技術(shù)傳熱時(shí)不會(huì)產(chǎn)生跨越夾點(diǎn)情況的出現(xiàn)，公用工程加熱器也不可以設(shè)置在夾點(diǎn)上下的位置，以確保工程量達(dá)到最小值[4]。

2.2 加點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）通過夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用，能夠改進(jìn)能量回收系統(tǒng)和公用工程系統(tǒng)，以降低能源消耗，提高節(jié)能降耗效果，并且還能夠充分地利用生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的余熱或廢熱，進(jìn)行區(qū)域一體化熱量的供應(yīng)轉(zhuǎn)移[5]。

（2）夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用能夠通過釋放過程中不改變主爐和泵設(shè)備運(yùn)行質(zhì)量和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)情況下，提高生產(chǎn)效能，促使其控制系統(tǒng)瓶頸的突破，達(dá)到完善生產(chǎn)質(zhì)量的目的，達(dá)到增產(chǎn)的效果。

（3）夾點(diǎn)技術(shù)的應(yīng)用能夠降低工廠建設(shè)投資成本與運(yùn)營(yíng)成本資金評(píng)估的資金投入，并提出針對(duì)性的解決方案。在進(jìn)行工程擴(kuò)建、改建過程中降低不必要投資成本支出，尤其能夠在不增加新能耗應(yīng)用的情況下，提高能源的利用率，同時(shí)在新的改建和擴(kuò)建設(shè)計(jì)過程中也能夠做到設(shè)備投資與運(yùn)行費(fèi)用的節(jié)省，使設(shè)備能夠在不變換設(shè)備投資和技術(shù)改進(jìn)情況下，嵌入到生產(chǎn)工藝當(dāng)中，擴(kuò)大傳熱面積[6]。

（4）夾點(diǎn)技術(shù)應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境污染排放量的降低，將廢水排放中污染物含量降至國(guó)家相關(guān)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，也能夠優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低能源消耗，減少環(huán)境污染，尤其在降低溫室效應(yīng)方面有著較好的優(yōu)勢(shì)。

3 夾點(diǎn)技術(shù)在煤氣化制甲醇工藝中的運(yùn)用分析

為了確保制造工藝使用當(dāng)中能耗和水耗的節(jié)約，需要遵循夾點(diǎn)方法設(shè)計(jì)原則：第一，不要在夾點(diǎn)之上進(jìn)行任何冷卻公用工程的設(shè)計(jì)；第二，不要在夾點(diǎn)之下進(jìn)行任何加熱公用工程的設(shè)計(jì)；第三，不要在傳熱過程當(dāng)中出現(xiàn)跨越夾點(diǎn)的情況。

3.1 低溫甲醇洗單元的應(yīng)用

低溫甲醇洗單元的主要生產(chǎn)工藝目標(biāo)是為了將煤氣中硫化氫和二氧化碳等有害氣體進(jìn)行完全的清洗，以提高凈化器的質(zhì)量，使其能夠達(dá)到甲醇合成產(chǎn)品相關(guān)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)。低溫物流在所有物流當(dāng)中占據(jù)主導(dǎo)作用，冷卻公用工程在實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)中所使用的是較高價(jià)格的丙烯，為了降低相關(guān)成本，提高資金利用率，確定冷熱物流間最小傳熱差的有效控制，其夾點(diǎn)溫度需要達(dá)到102.5℃，根據(jù)加點(diǎn)方向的設(shè)計(jì)原則可以發(fā)現(xiàn)，傳熱跨越了夾點(diǎn)，會(huì)增加冷熱工程的能耗。

3.2 變換熱回收單元的應(yīng)用

在煤氣化制甲醇工藝當(dāng)中，變換熱回收單元主要包括兩個(gè)工藝目標(biāo)，首先最大限度地進(jìn)行水煤氣熱量的回收。將粗煤氣的溫度控制在40℃左右，并且能夠有效地傳遞至低溫甲醇洗單元。其次水煤氣至變化爐的輸送部分。需要在催化劑作用下，確保水蒸氣與一氧化碳能夠發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并成功生成二氧化碳與氫氣，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)氫碳比的合理調(diào)節(jié)。將冷熱物流最小熱溫差設(shè)定為10℃，夾點(diǎn)在冷熱物流復(fù)合曲線當(dāng)中并沒有出現(xiàn)，變換熱回收單元當(dāng)中的冷卻公用工程則有著極為重要的作用，其目標(biāo)值與設(shè)計(jì)值要保持一致，變熱變換熱回收單元所涉及的冷卻公用工程主要包含了循環(huán)冷卻水和產(chǎn)生蒸汽。所以，為了達(dá)到節(jié)能降耗的目的，需要最大限度地進(jìn)行廢熱的回收，促使其產(chǎn)生更多的低壓和中壓蒸汽，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)循環(huán)水使用量的減少，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

3.3 多種工藝整合單元應(yīng)用

煤氣化制甲醇工藝流程極為復(fù)雜，對(duì)自身工段的能量守恒過度關(guān)注的也是這一過程。在大部分時(shí)間內(nèi)降低熱量仍然是使用冷卻公用工程，而能夠有效實(shí)現(xiàn)熱交換的物流介質(zhì)較少。另外，僅僅可以使用加熱公用工程提升熱量是需要熱量的物流，這也會(huì)致使發(fā)生能源能量損失嚴(yán)重的情況。當(dāng)冷公用工程及熱公用工程的使用量明顯提升的情況下，需要將系統(tǒng)作為一個(gè)整體，而為了確保在整個(gè)制造工藝流程當(dāng)中能源消耗最低、水耗最小，當(dāng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度越大，則其所具備的優(yōu)化潛能越大。如果將熱溫差值設(shè)計(jì)成為11攝氏度，就會(huì)成功的合成甲醇。而變換熱回收單元、精餾、低溫甲醇洗單元、渣水處理單元都會(huì)作為一個(gè)整體，以此實(shí)現(xiàn)冷卻熱公用工程節(jié)能效果[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

煤氣化制甲醇工藝應(yīng)用過程當(dāng)中，作為一種有效且操作較為簡(jiǎn)單的技術(shù)手段，在進(jìn)行甲醇工藝分析時(shí)采用夾點(diǎn)技術(shù)能夠凸顯出可節(jié)能潛力的揭示。同時(shí)能夠有效確定能量使用不合理情況問題的產(chǎn)生原因，為工藝改進(jìn)優(yōu)化提供更加科學(xué)的方向和指導(dǎo)。其中換熱網(wǎng)絡(luò)匹配要想實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)就必須要預(yù)留出一定的優(yōu)化空間。雖然低溫甲醇洗單元可以將其物流換熱方式進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，在渣水處理單元的節(jié)能潛力有限，其內(nèi)部也僅僅只是需要冷卻供應(yīng)工程，但為了達(dá)到節(jié)能降耗的效果，其蒸氣可以考慮作為其他工藝單元，熱源精餾單元及甲醇合成單元的冷卻加熱公用工程的節(jié)能潛力較大，需要綜合考慮操作的可執(zhí)行性和成本的投入以及設(shè)備投資等相關(guān)影響因素的改進(jìn)。煤氣化制甲醇技術(shù)使用夾點(diǎn)技術(shù)，不但能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能潛力的發(fā)揮，同時(shí)也能夠清晰地掌握能量不合理因素的產(chǎn)生原因，為該工藝的改進(jìn)和優(yōu)化提供有力的支持。