煤制甲醇合成工藝設(shè)備的選型探討

滑興國(guó)

（山西焦化股份有限公司甲醇廠，山西 臨汾 041600）

引言

隨著人類對(duì)地球資源的開(kāi)發(fā)，石油正在逐漸減少，為了防患以未然我國(guó)應(yīng)對(duì)可以代替石油的資源進(jìn)行研究。目前甲醇是石油最好的替代品之一，并且我國(guó)的煤炭資源非常豐富，運(yùn)用煤制甲醇這個(gè)方法來(lái)合成甲醇是非常經(jīng)濟(jì)的辦法。所以我國(guó)需要運(yùn)用合成甲醇的設(shè)備，但是隨著科技的發(fā)展，甲醇合成工藝設(shè)備越來(lái)越多。本文將通過(guò)甲醇的實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行介紹并且對(duì)甲醇合成工藝設(shè)備的選擇進(jìn)行探討。

1 甲醇合成工藝的原理

甲醇的合成工藝主要包括兩個(gè)重要環(huán)節(jié)，分別煤氣化和甲醇合成。煤氣化是指在高溫以及高壓的條件下，煤被氣化劑進(jìn)行氣化最終被轉(zhuǎn)化成了一種特殊的氣體，被稱作煤氣[1]。氣體中包括一氧化碳占38.5%、氫氣占48.4%、二氧化碳占6%、氮?dú)庹?.4%、氧氣占0.5%和甲烷占0.2%的六種合成的氣體。并且在進(jìn)行煤氣化的時(shí)候需要向氣化爐內(nèi)加入空氣，采用水洗法去除多余的二氧化碳才能得到煤氣。甲醇合成這一環(huán)節(jié)主要是通過(guò)將原材料進(jìn)行加工，將天然氣、石油、煤炭等原料加工成氣，此時(shí)原料產(chǎn)生的氣中會(huì)摻有一些有害雜質(zhì)，下一步需要將這些有害物質(zhì)進(jìn)行排除。當(dāng)原料氣完成雜質(zhì)凈化后，甲醇合成塔會(huì)將凈化后的原料氣利用催化劑的高溫處理，進(jìn)一步合成出粗甲醇。最后用蒸餾的方式將粗甲醇中的水和有機(jī)雜質(zhì)進(jìn)行清除進(jìn)而得到合格的甲醇。

2 煤氣化技術(shù)比較

2.1 固定床氣化

固定床氣化就是用長(zhǎng)煙煤為原料產(chǎn)出甲醇。固定床氣化是由空氣、蒸汽、氧化劑將煤轉(zhuǎn)換成氫氣、一氧化碳、甲烷等成分組成的煤氣，將煤氣用作燃料發(fā)出熱量。但是隨著煤氣化工業(yè)的發(fā)展，甲醇產(chǎn)量太低、合成氣體太過(guò)復(fù)雜、對(duì)原材料要求嚴(yán)格和能耗高等因素被逐漸淘汰。

2.2 流化床氣化

流化床氣化主要是通過(guò)氣化劑進(jìn)入氣化爐后將小顆粒碎煤進(jìn)行燃燒，使小碎顆粒的煤進(jìn)入沸騰狀態(tài)并進(jìn)行氣化反應(yīng)，并且所生產(chǎn)的煤氣和煤渣都由溫爐下排除，因此導(dǎo)出的煤氣中幾乎不帶焦油類物質(zhì)。不僅提高了煤的利用率，也增加了甲醇的生產(chǎn)。在20 世紀(jì)80 年代流化床氣化是非常流行的，也是當(dāng)時(shí)功率最高的煤氣化工藝，相較于固定床氣化功率更大。

2.3 氣流床氣化

氣流床氣化是通過(guò)氣化劑將煤粉帶入氣化爐內(nèi)，在高溫中瞬間燃燒發(fā)出熱能，并生成合成氣[2]。由于氣化爐的溫度非常高，煤粉的反應(yīng)時(shí)間非常短一般3 s就可以完成整個(gè)氣化反應(yīng)。并且氣流床氣化對(duì)煤炭的種類并沒(méi)有特別的限制，任何煤炭幾乎都可以進(jìn)行氣化反應(yīng)，若顆粒較大則氣化反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，若可以較小則氣化反應(yīng)較短，所以工作人員應(yīng)多選取顆粒較小的煤炭進(jìn)行氣化反應(yīng)，既節(jié)約時(shí)間還能有效的提高煤氣的轉(zhuǎn)化率。由于氣流床的優(yōu)點(diǎn)使我國(guó)大部分的煤氣化工藝都采用了氣流化氣床。相較于流化床而言，氣流床氣化的功率更大。

2.4 三種技術(shù)的優(yōu)劣

這三種煤氣化工藝各有優(yōu)劣，固定床氣化適合較小的煤氣化廠，因?yàn)楣潭ù矚饣型顿Y低、能耗少等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)就是產(chǎn)生的甲醇數(shù)量低，對(duì)環(huán)境影響較大，合成的氣體復(fù)雜。流化床氣化適合中小型的煤氣化廠，因?yàn)榱骰矚饣瘜?duì)煤的要求低，且生產(chǎn)的甲醇比固定床氣化要高。缺點(diǎn)是氣化溫度低，碳轉(zhuǎn)化率較低。氣流床氣化適用于大型煤氣化廠，但氣流床氣化通過(guò)更高的溫度對(duì)煤進(jìn)行處理，增加了煤的處理效率，將碳轉(zhuǎn)化率提升到了99%。所以氣流床氣化是煤氣化工藝的首選，可對(duì)這三種進(jìn)行比較挑選適合的煤氣化技術(shù)。

3 氣流床與煤氣化的選擇

3.1 干粉氣流床

通過(guò)殼牌公司、加壓氣流床氣化工藝和杰斯菲克公司為代表的干粉氣流床技術(shù)，是目前比較流行的煤氣化技術(shù)[3]。由荷蘭研發(fā)的殼牌公司煤氣化工藝是一種通過(guò)將煤粉碎到0.09 mm，將干燥的煤粉放入煤倉(cāng)后通過(guò)氮?dú)鈱⒚悍鬯腿霘饣癄t。當(dāng)氣化氣和煤粉在1 400 ℃反應(yīng)后，將煤氣冷到300 ℃在由除塵器出去碳灰后進(jìn)入氣化爐。由德國(guó)研發(fā)的杰斯菲克公司氣化工藝是將不超過(guò)0.2 mm 的煤粉放入氣化爐中，氣化爐的壓力為2.6 MPa～4 MPa。最后通過(guò)激冷的的方式將煤粉氣化，從而得到甲醇。杰斯菲克公司就是通過(guò)冷激式熱回流的方式產(chǎn)生的煤氣化藝術(shù)。加壓氣流床氣化工藝和殼牌公司的原理差不多，不同的在于加壓氣流床氣化工藝用的煤粉顆粒為0.075 mm，氣化爐的壓力在3.6 MPa～4.2 MPa，溫度為1 400 ℃，最后通過(guò)冷卻流程得到甲醇。加壓氣流床氣化工藝這種方式可以有效的減少能耗，并且對(duì)煤氣污染也大幅度的降低。

3.2 水煤漿氣流床

主要由德士古公司氣化和IGTI 氣化組成的大型化水煤漿氣化，都是通過(guò)激冷流程組成的[4]。德士古公司煤氣化藝術(shù)是德士古公司進(jìn)行研發(fā)的最新技術(shù)，德士古公司煤氣化是通過(guò)將水煤漿和氧氣同時(shí)加入氣化爐之中，運(yùn)用激冷或著熱鍋的方式將二者進(jìn)行氣化，合成出甲醇。在我國(guó)通常使用激冷的方式。LGTI氣化爐需要的同樣是水煤漿，我們可以將LGTI 氣化爐分為兩段，一段進(jìn)行加熱一段運(yùn)用熱能將煤漿氣化。最后將1 000 ℃的煤氣進(jìn)行冷卻，將里面的水脫出得到甲醇。

3.3 氣流床煤氣化技術(shù)的選擇

在殼牌公司氣化、加壓氣流床氣化工藝氣化、杰斯菲克公司氣化、德士古公司氣化和LGTI 氣化這五種煤氣化藝術(shù)中杰斯菲克公司氣化、德士古公司氣化和Shell 氣化是屬于成熟的煤氣化藝術(shù)。在德士古公司氣化中氣壓的需求很廣泛，使用條件比較低所以國(guó)內(nèi)外的設(shè)備中德士古公司氣化的占比非常高。殼牌公司氣化的生產(chǎn)能力非常強(qiáng)，碳轉(zhuǎn)化率也是非常高。杰斯菲克公司氣化在擁有德士古公司氣化和殼牌公司氣化優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，氣化爐壽命長(zhǎng)，投資投本低杰斯菲克公司氣化是目前最受?chē)?guó)內(nèi)歡迎的煤氣化藝術(shù)，因此得到廣泛的運(yùn)用[5]。

4 甲醇合成塔的選擇

4.1 水管式合成塔

水管式合成塔不僅提高了自身的換熱效果，在傳熱管中也放入了水，當(dāng)過(guò)剩能量產(chǎn)生時(shí)可以將過(guò)剩能量排入傳熱管中，可以理想的將能量轉(zhuǎn)化為2.5 MPa～4.0 MPa 的中壓蒸汽。并且在底層的管子中注入熱水，提高了傳熱系數(shù)縮小了傳熱面積。這樣使得水管式合成塔的能源的合理運(yùn)用中非常出色，許多大工廠都非常喜歡用水管式合成塔，可見(jiàn)水管式合成塔目前的優(yōu)秀。

4.2 多床內(nèi)換熱式合成塔

隨著科技的發(fā)展，曾經(jīng)出色的氨合成塔已經(jīng)逐漸淘汰，人們將氨合成塔進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)得到了如今的多床內(nèi)換熱式合成塔，并且在多床內(nèi)換熱式合成塔之中不僅具有換熱機(jī)構(gòu)還可以自己添加催化劑，每一次添加都可以使用很久。多床內(nèi)換熱式合成塔的換熱裝置在多床內(nèi)換熱式合成塔的中央沿軸上，并且分布在兩個(gè)相互隔離的催化床上。多床內(nèi)換熱式合成塔的換熱器一共有兩種分別是列管和蛇管。多床內(nèi)換熱式合成塔的優(yōu)點(diǎn)有很多，多床內(nèi)換熱式合成塔的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單引起了對(duì)多床內(nèi)換熱式合成塔的造價(jià)也就低了，并且對(duì)于甲醇的轉(zhuǎn)化率也大大的提高了。但多床內(nèi)換熱式合成塔的缺點(diǎn)也很?chē)?yán)重，就是需要將它的反應(yīng)物進(jìn)行處理后才會(huì)出現(xiàn)中壓蒸汽。

4.3 固定管板列管合成塔

固定管板列管合成塔相較于水管式合成塔和多床內(nèi)換熱式合成塔略有不同，在固定管板列管合成塔進(jìn)行合成時(shí)，當(dāng)催化劑加入其中時(shí)，會(huì)和沸騰的熱水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生出3.2 MPa～4 MPa 的中壓蒸汽。最后通過(guò)逆流換熱的方式進(jìn)行對(duì)甲醇的合成，還可以大大提高對(duì)能源的轉(zhuǎn)換。然而列管合成塔被管長(zhǎng)和設(shè)備直徑所限制也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜，并且單個(gè)固定管板列管合成塔的生產(chǎn)能力不高，如果每次生產(chǎn)甲醇時(shí)候超過(guò)了2 000 t，那么就需要將多個(gè)列管合成塔進(jìn)行并聯(lián)在一起才能支持甲醇的合成。而且安裝卸載催化劑的工作也非常復(fù)雜。隨著甲醇的合成壓力變高，管板厚度也需要進(jìn)行增加保證承受的住壓力，對(duì)于固定管板列管合成塔其材料一般由特殊材質(zhì)的不銹鋼材料進(jìn)行制作，這種材料由于其材料的特殊性較強(qiáng)，所以加工費(fèi)用也會(huì)較高，因此甲醇合成的越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，這就導(dǎo)致了固定管板列管合成塔是目前甲醇合成塔中造價(jià)最昂貴的一個(gè)合成塔。

4.4 冷管式合成塔

冷管式合成塔其原理構(gòu)造不同于其他合成塔，它主要是通過(guò)控制冷氣來(lái)進(jìn)行合成工作，來(lái)增加能源轉(zhuǎn)換率，冷管式合成塔的內(nèi)件就是相當(dāng)于在接觸層內(nèi)安裝的換熱器。一般來(lái)講，冷管式合成塔的冷管有三種不同結(jié)構(gòu)，其中逆流式冷管就是將熱度進(jìn)行排除處理，之后逆流式的冷管會(huì)與放熱相互克制。但是這種方式會(huì)存在一些弊端，當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)，這種形式不適用于對(duì)甲醇的合成反應(yīng)工作。因此，冷管式合成塔的冷管設(shè)計(jì)多數(shù)采用并流式或者U 形式，極少會(huì)用到逆流式冷管，這樣就不會(huì)因?yàn)槌隹诘臏夭钸^(guò)大而導(dǎo)致的能源浪費(fèi)。優(yōu)點(diǎn)是甲醇的合成反應(yīng)是等溫操作，使反應(yīng)比較接近最適宜溫度線進(jìn)行，使出口氨含量高，操作穩(wěn)定、簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)就是存在冷管的效果，影響媒的還原并且不能完全發(fā)揮出煤的活性，觸媒裝卸、內(nèi)件安裝比較困難。

4.5 冷激式合成塔

冷激式合成塔是世界上最早創(chuàng)造出可以制造甲醇的甲醇合成塔，當(dāng)冷氣進(jìn)入冷激式合成塔時(shí)會(huì)將塔中的反應(yīng)熱帶走。冷激式合成塔反應(yīng)床有許多絕熱段，在每個(gè)絕熱段之間都需要加入冷的原料氣[6]。反應(yīng)氣溫度的分布不良，在相同的產(chǎn)量下催化劑加入的量較多。冷激式合成塔結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，只有冷熱器混合分布器，催化劑填裝的多放入一次可以使用多次冷激式合成塔，冷激器調(diào)節(jié)是非常方便的，在絕熱段的同一平面上溫度大致相同，氣流阻力較小。缺點(diǎn)冷激氣只起到了降溫的作用，沒(méi)有參加催化劑反應(yīng)，出氣溫度要比其他的塔要低，導(dǎo)致了熱回收效率低，每冷激一次都會(huì)降低氨凈值。冷激式合成塔結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)甲醇的合成數(shù)量太低，現(xiàn)在在市面上已經(jīng)見(jiàn)不到了。

4.6 合成塔的選擇

通過(guò)對(duì)冷激式合成塔、水管式合成塔、冷管式合成塔、多床內(nèi)換熱式合成塔和固定管板列管合成塔這些甲醇合成塔的了解，首先我們可以冷激式合成塔和冷管式合成塔進(jìn)行排除，因?yàn)檫@兩種甲醇合成塔的生產(chǎn)率太低跟不上如今人們對(duì)甲醇的需求，所以進(jìn)行排除。固定管板列管合成塔、多床內(nèi)換熱式合成塔、水管式合成塔這三種甲醇產(chǎn)量更高的甲醇合成塔是現(xiàn)在比較流行的。固定管板列管合成塔是目前甲醇產(chǎn)量最好的甲醇合成塔，但合成的甲醇越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，造價(jià)就越貴。水管式合成塔和多床內(nèi)換熱式合成塔，雖然沒(méi)有固定管板列管合成塔產(chǎn)量高但價(jià)格便宜，而且產(chǎn)量也不低更適合工廠的使用[7]。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著煤制甲醇的發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備會(huì)逐漸出現(xiàn)在大家眼前，對(duì)煤氣化的選擇以及合成塔的選擇是非常重要的，一個(gè)好的設(shè)備不僅可以增加甲醇合成率還可以節(jié)約更多的能源。通過(guò)對(duì)煤氣化的工藝分析，氣流床氣化是非常適合對(duì)甲醇進(jìn)行生產(chǎn)的。通過(guò)對(duì)氣流床煤氣化的分析，GSP 是最適合運(yùn)用于合成甲醇的。通過(guò)對(duì)甲醇合成塔的分析，產(chǎn)量高的三種各有優(yōu)劣，可根據(jù)自身情況進(jìn)行選擇。