大型煤制甲醇的氣化和合成工藝選擇

郭 博

（國能榆林化工有限公司，陜西 榆林 719000）

引言

我國幅員遼闊，屬于人口大國，對能源的需求量極大，而我國的能源與資源較為匱乏，同時隨著經(jīng)濟發(fā)展速度的日益加快，也不斷提高了對各種能源的需求量?；诖诵蝿?，我國必須立足于現(xiàn)階段的實際情況，對我國豐富的煤炭資源進行合理開發(fā)與利用，以使人們的生產(chǎn)生活需要得到滿足?，F(xiàn)階段，煤炭資源較為豐富，所以立足于煤炭資源對其他能源進行制備與開發(fā)是最佳選擇，而我國缺少充足的石油資源，已經(jīng)不能使工業(yè)生產(chǎn)中其他能源制備中的消耗得到滿足。只有借助煤制甲醇，才可以使能源短缺問題得到有效緩解。

1 大型煤制甲醇的氣化工藝選擇

1.1 固定床氣化

在生產(chǎn)甲醇中使用固定床工藝時，需要對塊狀煤進行使用，通常來說，在整個生產(chǎn)中，煤炭的轉(zhuǎn)換率并不高，氣化程度較低，同時在排放的污水中酚和焦油較多，工藝措施復(fù)雜性較強，需要投入較高的工藝成本。盡管固定床氣化技術(shù)較為成熟，設(shè)備成本不高，但從各種因素來看，其在大型制甲醇生產(chǎn)中并不適用，在小規(guī)模生產(chǎn)中較為適用[1]。

1.2 流化床氣化

使用流化床技術(shù)優(yōu)勢較為顯著。但必須嚴格控制氣化溫度，氣流床主要是就使用流化床過程中存在的缺點而制作的。因此，在使用氣流床的過程中需要嚴格控制環(huán)境溫度，同時對煤反應(yīng)性的要求并不高。氣流床在氣化中需要確保煤粉的粒度不超過0.2 mm，同時溫度應(yīng)在1 400 ℃以上，但不超過1 600℃[2]。其環(huán)保效果十分明顯。除此之外，生產(chǎn)過程中不會產(chǎn)生焦油和酚等有害物質(zhì)。氣化床煤氣化的過程中，受氣壓影響，可以促使壓縮功的使用量降低，將能源消耗有效減少。

1.3 水煤漿氣流床

在大型的水煤漿氣化中適合運用Dow 公司的LGTI 氣化技術(shù)以及Texaco 氣化。水煤漿氣化技術(shù)的特點是爐中放入煤漿和35%～40%的水，所以相較于干粉煤氣化，其氧耗高20%左右；爐襯為耐火磚，存在嚴重的沖刷現(xiàn)象，更換頻率為一年一換；生產(chǎn)諸多二氧化碳，碳的轉(zhuǎn)化率不高，有效氣體成分不高；對煤提出了明確要求，如要求灰熔點在1300℃以下，灰分小于13%，含水量小于8%，盡管具有氣流床煤氣化相同的優(yōu)點，但仍存在諸多缺陷。

1.4 氣流床煤氣化選擇

流化床工藝技術(shù)具有一定優(yōu)勢，但其氣化溫度普遍不高。為了使此問題得到有效解決，氣流床工藝逐漸形成，其能在溫度較高的環(huán)境中實施工藝，同時相較于流化床工藝，其對煤化反應(yīng)的要求不高。主要具有下述優(yōu)勢：首先，在應(yīng)用氣流床工藝的過程中，無需使用粒度小于0.2 mm 的煤粉；其次，其氣化溫度在1 400 ℃以上，但不超過1 600 ℃，工藝具有較強的環(huán)保性，在生產(chǎn)中，不會產(chǎn)生諸多焦油和酚等物質(zhì)，各種硫化物具有單一的形態(tài)，顯著加強了工藝環(huán)保性；再次，在其氣化工藝中，其壓力始終在3.5 MPa以上，但不超過6.5 MPa，在大型煤制甲醇中十分適用，可以使壓縮功的使用顯著減少，最大化控制生產(chǎn)制造工藝的成本消耗；最后，運用氣流床煤氣化工藝的產(chǎn)品具有更高的轉(zhuǎn)化率，其產(chǎn)品轉(zhuǎn)化率通常在95%以上，工藝生產(chǎn)中的能耗不高，在大型工業(yè)生產(chǎn)中十分適用。

1.5 干粉氣流床氣化技術(shù)

煤制甲醇的氣化處理工作，當(dāng)前在煤化氣試驗中有兩種較為常用的氣化床技術(shù)，即，水煤漿氣流床和干粉氣流床[3]。其中，在使用干粉氣流床的過程中，其主要應(yīng)用的是Shell 技術(shù)和GSP 技術(shù)等。在使用Shell 技術(shù)時，需要粉碎煤粉，之后使煤的干燥性得到保證，并使用加壓煤倉和常壓煤倉展開處理。然后通入氮氣，把其當(dāng)作一種主要載體，借助噴嘴向氣化爐輸送氮氣。蒸氣和氧氣的反應(yīng)中，溫度需要超過1 400 ℃，但小于1 600 ℃。與煤氣和炭灰處理相結(jié)合時，要采用循環(huán)冷煤氣技術(shù)，溫度為900℃，使用此方法可以防止鍋爐中進入灰渣。若是煤氣溫度為300℃，需要運用除塵器分離處理炭灰，然后再向氣化爐輸送。若是煤氣溫度約40℃，再向氣化裝置輸送煤氣。圖1 為Shell 粉煤氣化工藝流程示意圖。

圖1 Shell 粉煤氣化工藝流程示意圖

2 大型煤制甲醇合成工藝選擇

2.1 大型煤制甲醇合成流程

大型煤制甲醇的合成流程主要涉及下述內(nèi)容：合成壓力和反應(yīng)溫度分別為7 MPa～10 MPa、210℃～280℃；如，在固定床氣化中，固定床的甲醇合成轉(zhuǎn)化率不高，所以需要循環(huán)利用其中未反應(yīng)的氣體，此方式對反應(yīng)物質(zhì)利用效率的提高極為有利，同時，還可以有效節(jié)省反應(yīng)成本；在對合成塔連接方式進行選擇時，需要與實際大型煤制甲醇情況相結(jié)合從而合理選擇，合成塔串聯(lián)的方式，可以促進大型煤制甲醇中單程碳的轉(zhuǎn)化率提高，促使反應(yīng)中的循環(huán)量降低。合成塔回路串聯(lián)為兩級，分離第一級合成的甲醇后，形成的循環(huán)氣需要進入二級再進行處理，此方式對大型煤制甲醇應(yīng)用效率的提高極為有利。

若是大型煤制甲醇的規(guī)模不超過1 000 t/d，則可以對并聯(lián)合成塔或單合成塔進行選擇。大型煤制甲醇規(guī)模在1 000 t/d 以上，但不超過2 000 t/d 時，運用串塔的方式，大型煤制甲醇規(guī)模超過3 000 t/d 時，可以對兩級流程或串塔流程進行選擇。

2.2 合成塔

2.2.1 水管式合成塔

為了使換熱效果得到改善，此塔型中沸騰水從傳熱管中通過，如此，既可以將過剩熱量有效移走，同時還可以副產(chǎn)中壓蒸汽，在大型化生產(chǎn)中此塔型為最佳選擇。在國內(nèi)外大型化生產(chǎn)中此塔型十分常用，如，I.C.I 公司的水管徑向合成塔。

2.2.2 固定管板列管合成塔

這種塔與水管式塔有所區(qū)別，其催化劑裝填在管中，沸騰水殼走程，換熱熱量副產(chǎn)3.2 MPa～4 MPa的中壓蒸汽[4]。Lurgi 公司的合成塔極具代表性，此塔主要是運用逆流換熱，冷氣和熱水同時添加，不僅可以促進轉(zhuǎn)化率提升，同時還可以將能耗有效降低。此塔型因為管長和設(shè)備直徑的原因，具有較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，單塔缺乏較強的生產(chǎn)能力，在生產(chǎn)中需要并聯(lián)多個合成塔。固定管板列管合成塔這種塔型具有很高的造價，催化劑的裝卸難度較大。

2.2.3 冷管式合成塔

此合成塔主要從氨合成塔中而來，在催化劑中對換熱面積充足的冷氣管進行設(shè)置，借助進塔冷管將反應(yīng)熱移走。冷管主要有3 種結(jié)構(gòu)，即“U”型管式、并流式和逆流式。因為逆流式不適應(yīng)合成反應(yīng)的放熱，也就是床層出口處具有很大的溫差，但此時反應(yīng)放熱最小，而在床層上部放熱量最高、反應(yīng)速度最快，但溫床卻最小，為了使這種缺陷得到有效克服，冷管改成“U”形或并流冷管。

2.2.4 多床內(nèi)換熱式合成塔

現(xiàn)階段，在氨合成塔方面，各工程公司主要運用的是三床或四床內(nèi)環(huán)熱式合成塔。就甲醇合成的特點運用四床或五床內(nèi)環(huán)熱式合成塔。各床層是絕熱反應(yīng)，在各床出口移走熱量。此塔型結(jié)構(gòu)簡單，造價不高，無需使用特種合金鋼，具有很高的轉(zhuǎn)化率，在大型或超大型裝置中適用，但反應(yīng)熱不能全部直接副產(chǎn)中壓蒸汽。國成達公司的四床內(nèi)換熱式合成塔和Casale 的四床臥式內(nèi)換熱合成塔是一種極具代表性的塔型。

3 結(jié)語

現(xiàn)階段，我國經(jīng)濟發(fā)展速度日益加快，在此形勢下，人們越來越關(guān)注環(huán)境污染問題，在各種環(huán)境污染中，最為嚴重的當(dāng)屬化學(xué)工業(yè)產(chǎn)業(yè)的廢渣與廢氣的污染。當(dāng)前，人們不斷增強環(huán)保意識，同時更加期待新能源的開發(fā)與利用，而對大型煤制甲醇的氣化與合成工藝進行選擇，正是探索與開發(fā)新能源的有效途徑，這對整個人類社會而言，具有重大意義。