煤制甲醇裝置節(jié)能降耗技術(shù)研究

楊 斌

（兗州煤業(yè)榆林能化有限公司，陜西榆林 719000）

現(xiàn)階段我國生產(chǎn)規(guī)模較大的煤制甲醇裝置合成產(chǎn)量可達(dá)1 800 kt/a，通過原料煤經(jīng)過氣化、凈化、合成等環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對MTO 級甲醇的合成，具有轉(zhuǎn)化率較高、流程簡潔等優(yōu)勢，具有廣泛的發(fā)展前景。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)立足于裝置運(yùn)行優(yōu)勢，針對其運(yùn)行過程當(dāng)中的能耗狀態(tài)以及三廢排放情況進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置節(jié)能降耗的改造目標(biāo)。

1 煤制甲醇工藝流程與特點(diǎn)

1.1 煤制甲醇工藝流程

當(dāng)前煤制甲醇領(lǐng)域常見的生產(chǎn)工藝主要由shell煤氣化工藝、GSP 煤氣化工藝、水煤漿氣化等煤制氣主流工藝構(gòu)成，本文以GSP 煤氣化工藝為例進(jìn)行分析。首先，通過高壓N2與CO2等作為載體氣體，將煤粉輸送至氣化爐中，受到氣化反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)部高溫高壓環(huán)境的影響，煤粉發(fā)生氧化反應(yīng)，生成CO 與H2，經(jīng)過降溫、除塵等工序后將其送入變換系統(tǒng)，同時(shí)通過沉降、過濾等相關(guān)工序?qū)宜到y(tǒng)進(jìn)一步處理，使反應(yīng)液及生產(chǎn)廢料得到有效循環(huán)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)煤制甲醇的工藝生產(chǎn)目標(biāo)。

1.2 煤制甲醇工藝特點(diǎn)

1.2.1 生產(chǎn)量大

相較于焦?fàn)t尾氣、天然氣制等甲醇生產(chǎn)模式，煤制甲醇生產(chǎn)量較大，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，截至2022年，我國煤制甲醇總產(chǎn)量占全國甲醇產(chǎn)量的77%以上。

1.2.2 生產(chǎn)效率高

通過煤制甲醇工藝對甲醇進(jìn)行制備，其在單位時(shí)間內(nèi)的生產(chǎn)效率較高，能夠滿足廣大化工市場對于甲醇原料的要求。

1.2.3 對環(huán)境存在一定危害

雖然煤制甲醇工藝在生產(chǎn)端具有一定的優(yōu)勢，但受到其工藝流程特性的影響，導(dǎo)致其對于環(huán)境也存在著一定的危害，具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)。首先，在原煤的準(zhǔn)備與氣化過程中，相關(guān)加工設(shè)備的運(yùn)行可能會給環(huán)境造成一定的噪聲、粉塵污染；同時(shí)煤制甲醇工藝對于煤粉的灰分提出了一定的要求，為使煤粉灰分達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，在生產(chǎn)過程中需要采用大量水進(jìn)行調(diào)節(jié)洗滌，這可能會導(dǎo)致水資源浪費(fèi)等現(xiàn)象的發(fā)生[1]。其次，在原料的反應(yīng)與精餾過程中，同樣也會對環(huán)境造成一定危害。通常來說，參與生產(chǎn)反應(yīng)與精餾環(huán)節(jié)的原材料往往具有一定的毒性與腐蝕性，因此工藝生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中出現(xiàn)漏點(diǎn)，則可能會給周邊環(huán)境帶來一定的沖擊和危害。最后，在GSP 工藝干燥與換熱環(huán)節(jié)當(dāng)中，也會導(dǎo)致粉塵污染、水體污染等環(huán)境危害現(xiàn)象，同時(shí)還可能會造成燃燒、爆炸等意外事故，影響化工生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

2 煤制甲醇裝置節(jié)能降耗原則

為了更好地適應(yīng)新時(shí)代對甲醇制備工藝提出的相關(guān)要求，推動化工生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，在基于節(jié)能降耗原則對煤制甲醇裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，需要符合以下幾方面原則。

2.1 保障裝置節(jié)能效率

在煤制甲醇生產(chǎn)工藝的應(yīng)用過程中，受到工藝流程特點(diǎn)以及裝置設(shè)計(jì)理念等相關(guān)因素的影響，其在煤粉制備、氣化、原料反應(yīng)、蒸餾、干燥、換熱等多個(gè)環(huán)節(jié)和流程都會對環(huán)境造成一定的負(fù)面影響，同時(shí)還會對其節(jié)能效果產(chǎn)生一定的沖擊。因此，在針對煤制甲醇裝置進(jìn)行改造的同時(shí)，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)盡可能保障裝置的節(jié)能效率，提高裝置內(nèi)部副產(chǎn)蒸汽的壓力，使蒸汽壓力能夠推動裝置繼續(xù)循環(huán)生產(chǎn)，有效提升裝置熱能利用和循環(huán)速度，使系統(tǒng)內(nèi)部節(jié)能效果得到進(jìn)一步保障。

2.2 實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)品循環(huán)利用

在甲醇制備GSP 煤氣化工藝的應(yīng)用過程當(dāng)中，可能會生成CO、H2、H2S、N2等多種副產(chǎn)品，同時(shí)在廢液排放過程當(dāng)中，還會攜帶Ar、S 等多種元素，這些物質(zhì)和元素在化工產(chǎn)業(yè)當(dāng)中均具備較廣泛的應(yīng)用價(jià)值以及應(yīng)用前景，因此在針對煤制甲醇裝置進(jìn)行節(jié)能改造優(yōu)化的同時(shí)，為了進(jìn)一步減少裝置生產(chǎn)過程當(dāng)中給環(huán)境帶來的壓力和影響，應(yīng)采取特定的技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)副產(chǎn)品的循環(huán)利用，進(jìn)一步提升生產(chǎn)副產(chǎn)品的回收效率，使其能夠資源化利用，創(chuàng)造出更加充沛的價(jià)值。

例如，在煤粉氣化生產(chǎn)過程當(dāng)中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)裝置內(nèi)部循環(huán)合成氣系統(tǒng)的建設(shè)工作，分別通過膜分離、非滲透氣等技術(shù)手段對H2的循環(huán)回收流程進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)合理控制整個(gè)生產(chǎn)過程當(dāng)中溫室氣體以及不完全反應(yīng)物的排放，使反應(yīng)過程當(dāng)中以多種形態(tài)呈現(xiàn)的具備一定回收利用價(jià)值的物質(zhì)進(jìn)行更加有效的運(yùn)用，保障煤制甲醇工藝應(yīng)用過程中節(jié)能環(huán)保目標(biāo)的進(jìn)一步落實(shí)。

2.3 減少三廢排放

在以往依托煤制甲醇裝置進(jìn)行的化工生產(chǎn)過程當(dāng)中，受到回收處置技術(shù)的限制和影響，導(dǎo)致整個(gè)裝置對生產(chǎn)過程中三廢排放的控制作用較為有限，以固廢、廢氣及廢水為代表的各類生產(chǎn)廢物排放量較大，加劇了煤制甲醇生產(chǎn)過程中相關(guān)生產(chǎn)裝置給環(huán)境帶來的壓力和影響，難以有效達(dá)到節(jié)能減排、降耗控制的發(fā)展目標(biāo)。因此在生產(chǎn)裝置改造優(yōu)化的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步加強(qiáng)對于三廢排放控制的關(guān)注度，結(jié)合多層次的技術(shù)手段與技術(shù)措施針對三廢排放進(jìn)行控制，減少煤制甲醇生產(chǎn)過程中對環(huán)境造成的沖擊[2]。

3 煤制甲醇生產(chǎn)節(jié)能降耗技術(shù)措施

為使煤制甲醇生產(chǎn)過程中的裝置能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的技術(shù)目標(biāo)，推動煤制甲醇生產(chǎn)流程的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)采取以下技術(shù)措施進(jìn)行優(yōu)化和處置。

3.1 平面布置優(yōu)化

合理的平面布局與優(yōu)化能夠顯著降低煤制甲醇工藝生產(chǎn)過程中給環(huán)境帶來的壓力，有效控制生產(chǎn)過程中對于能源的消耗與依賴，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的要求與目標(biāo)。在針對煤制甲醇裝置的平面布局進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，應(yīng)遵循以下幾方面原則和要求。

首先，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵循國家有關(guān)化工生產(chǎn)的相關(guān)規(guī)定，作為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，化工生產(chǎn)是大規(guī)模市場產(chǎn)品生產(chǎn)的基礎(chǔ)和前提，但與此同時(shí)也給環(huán)境帶來了一定的危害和壓力。我國先后出臺了《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》《精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》等相關(guān)規(guī)定和要求，因此在針對煤制甲醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行布局規(guī)劃與設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步契合國家相關(guān)要求，減少生產(chǎn)危險(xiǎn)源對環(huán)境和安全造成的影響，符合化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)。

其次，應(yīng)符合廠區(qū)內(nèi)部布局與生產(chǎn)要求。在煤制甲醇工藝的生產(chǎn)過程中，其涉及的流程與環(huán)節(jié)較為復(fù)雜，不同工藝流程之間具有一定的關(guān)聯(lián)性特征，但為保障生產(chǎn)安全，減少環(huán)境污染，同樣也需要對其間距進(jìn)行合理控制。在針對煤制甲醇裝置進(jìn)行布局優(yōu)化之前，應(yīng)針對甲醇的生產(chǎn)工藝流程進(jìn)行明確，在保障安全的前提下盡可能加強(qiáng)不同工藝環(huán)節(jié)之間的聯(lián)系，構(gòu)建高效穩(wěn)定快捷的原料輸送與調(diào)配格局，降低生產(chǎn)與運(yùn)輸消耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗要求。

最后，在裝置布局設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)當(dāng)做好現(xiàn)場空間的預(yù)留控制。隨著時(shí)間的不斷推移、技術(shù)的不斷優(yōu)化以及化工市場的進(jìn)一步發(fā)展，對于煤制甲醇生產(chǎn)的要求同樣也會發(fā)生一定的變化，因此應(yīng)當(dāng)從實(shí)際出發(fā)，明確煤制甲醇的相關(guān)工藝變化趨勢，并在平面布局設(shè)計(jì)的過程中進(jìn)行優(yōu)化，使未來發(fā)展空間得到有效預(yù)留，進(jìn)而充分適應(yīng)化工生產(chǎn)工藝發(fā)展需要。

3.2 工藝流程優(yōu)化

在煤制甲醇的工藝生產(chǎn)過程中，其能耗與排放較為明顯，一方面加大了生產(chǎn)企業(yè)的成本，另一方面對于生產(chǎn)周邊環(huán)境也形成了一定的沖擊與影響。因此為了更好地適應(yīng)化工領(lǐng)域?qū)?jié)能環(huán)保提出的要求，推動甲醇生產(chǎn)能耗的進(jìn)一步控制，應(yīng)當(dāng)從裝置生產(chǎn)工藝流程入手，實(shí)現(xiàn)流程的充分優(yōu)化，確保低能耗生產(chǎn)目標(biāo)的全面落實(shí)。

第一，在煤制甲醇的生產(chǎn)過程當(dāng)中，可引進(jìn)串級式甲醇生產(chǎn)工藝，針對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢氣、廢熱進(jìn)行充分利用，實(shí)現(xiàn)甲醇生產(chǎn)工藝的全面循環(huán)，推動化工生產(chǎn)持續(xù)性發(fā)展。

第二，在煤制甲醇生產(chǎn)工藝能耗控制工作的開展過程當(dāng)中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對氫回收工藝的關(guān)注，引進(jìn)膜分離技術(shù)以及PSA 技術(shù)，使煤制甲醇工藝生產(chǎn)過程中的氫氣得以及時(shí)返回至生產(chǎn)回路中，減少原料在裝置內(nèi)部反應(yīng)和生產(chǎn)過程中的消耗，使能耗得到有效控制[3]。

第三，需要針對裝置內(nèi)部功能性設(shè)備的運(yùn)行效率進(jìn)行全面改進(jìn)和優(yōu)化。在煤制甲醇的生產(chǎn)過程中，涉及輸送設(shè)備、反應(yīng)設(shè)備、冷卻設(shè)備、加熱設(shè)備以及機(jī)泵設(shè)備等多種類別，應(yīng)當(dāng)做好上述設(shè)備裝置運(yùn)行效率的統(tǒng)計(jì)與計(jì)算工作，并針對運(yùn)行效率較為低下的裝置進(jìn)行及時(shí)調(diào)整與優(yōu)化，使設(shè)備裝置在運(yùn)行過程中的功耗情況得到有效控制，減少煤制甲醇工藝的能耗依賴，保障能耗抑制效果的進(jìn)一步展現(xiàn)。

第四，在現(xiàn)有GSP 煤氣化生產(chǎn)裝置當(dāng)中，其內(nèi)部空冷器與水冷器往往需要承載大量熱負(fù)荷，導(dǎo)致其運(yùn)行狀態(tài)以及運(yùn)行壽命均會受到一定的影響，同時(shí)制約了甲醇的產(chǎn)量與生產(chǎn)效益。為了有效提升煤制甲醇生產(chǎn)裝置在節(jié)能降耗背景下的生產(chǎn)率，即在進(jìn)行裝置設(shè)計(jì)優(yōu)化的同時(shí)，需要在合成回路部位設(shè)置預(yù)熱器，使裝置內(nèi)部蒸汽得到及時(shí)有效地預(yù)熱，使裝置內(nèi)部的蒸汽生產(chǎn)更加便捷，減少生產(chǎn)過程中的能耗。

第五，在煤制甲醇裝置的運(yùn)行過程中，受到技術(shù)因素的影響，會產(chǎn)生大量的廢熱、廢氣，一方面會對周邊環(huán)境造成一定的負(fù)面影響，另一方面還加大了生產(chǎn)過程中的能耗依賴，提升了煤制甲醇等化工生產(chǎn)流程的環(huán)境壓力。因此在進(jìn)行裝置節(jié)能優(yōu)化的同時(shí)，可將廢熱廢氣接入到裝置生產(chǎn)預(yù)熱環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)廢熱得到更加直觀的循環(huán)，降低了生產(chǎn)過程當(dāng)中對于煤氣原料的消耗與依賴，保障了節(jié)能降耗的生產(chǎn)裝置改造效果。

3.3 能耗分析

為了更加直觀地掌握煤制甲醇生產(chǎn)裝置經(jīng)節(jié)能改造過后的能耗變化情況，需要對不同工藝類別甲醇制備生產(chǎn)能耗情況以及改造過后甲醇生產(chǎn)裝置的能耗變化情況進(jìn)行相應(yīng)比對，從而明確裝置能耗變化比重，進(jìn)而為化工生產(chǎn)領(lǐng)域節(jié)能降耗工作的開展提供相應(yīng)的技術(shù)支持。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)能夠得出結(jié)論，對煤制甲醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行優(yōu)化后，其平均生產(chǎn)能耗為38.874 GJ，由于其甲醇產(chǎn)品為MTO 級，因此在能耗計(jì)量過程中并未計(jì)入蒸汽、電能以及冷卻水等方面的能耗變化情況，經(jīng)綜合考慮后，改造后的煤制甲醇裝置能耗情況得到了較為顯著的控制[4]。

3.4 節(jié)水措施

除了能源消耗以及原料消耗外，在煤制甲醇工藝的生產(chǎn)過程中，還需要大量冷卻水提供保障。因此為了更好地落實(shí)節(jié)能降耗、減少排放的持續(xù)性發(fā)展要求，在針對甲醇生產(chǎn)裝置進(jìn)行改造的過程中，還應(yīng)當(dāng)進(jìn)一步引進(jìn)相關(guān)節(jié)水措施，降低生產(chǎn)過程中的冷卻水用量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)水目標(biāo)。

在裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，可引進(jìn)空冷技術(shù)對煤制甲醇工藝提供冷卻支持，使原有的生產(chǎn)裝置能夠從水冷轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)冷模式，有效減少裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中對冷卻水的使用。另外，還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，結(jié)合裝置內(nèi)部需求采用節(jié)水設(shè)備提供支持，避免輸水用水過程當(dāng)中可能產(chǎn)生的滲漏現(xiàn)象，強(qiáng)化對水資源的保護(hù)。

3.5 三廢處理

在現(xiàn)有的煤制甲醇裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中，會產(chǎn)生大量廢氣、廢水及固體廢物等三廢，給環(huán)境造成嚴(yán)重影響和沖擊。因此應(yīng)做好三廢處理與循環(huán)利用工作，減少其對于生產(chǎn)裝置周邊環(huán)境造成的影響。例如，在針對生產(chǎn)廢氣進(jìn)行處理的過程中，可針對廢氣排放部位加設(shè)燃燒火炬，使含有CO、N2、H2等成分的廢氣得到充分燃燒，減少其排放至空氣當(dāng)中的量，使廢氣處理得到有效實(shí)現(xiàn)[5]。此外，在針對廢水處理的過程中，應(yīng)做好廢水成分分析工作，同時(shí)引進(jìn)廢水近零排放系統(tǒng)，提高廢水回收率，避免廢水外排。

3.6 噪聲控制

在甲醇生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行過程中會產(chǎn)生一定的噪聲，對環(huán)境造成負(fù)面影響。因此應(yīng)做好生產(chǎn)現(xiàn)場噪聲控制工作，針對噪聲較嚴(yán)重的設(shè)備加設(shè)消音器，優(yōu)化平面布局并選用低噪聲設(shè)備，使其生產(chǎn)噪聲能夠符合國家相關(guān)要求。

3.7 環(huán)境監(jiān)控與保護(hù)

在引進(jìn)與利用節(jié)能降耗措施的基礎(chǔ)上，還應(yīng)當(dāng)做好生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控與保護(hù)工作，針對煤制甲醇裝置生產(chǎn)過程中的能耗與三廢排放情況進(jìn)行全方位監(jiān)測，從而有效達(dá)成節(jié)能降耗與減排目標(biāo)。

4 結(jié)束語

在化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)程中，如何推進(jìn)煤制甲醇生產(chǎn)節(jié)能降耗工作已成為需解決的關(guān)鍵課題。應(yīng)立足實(shí)際針對裝置節(jié)能短板進(jìn)行分析，明確節(jié)能降耗設(shè)計(jì)要求，從而更好地實(shí)現(xiàn)化工產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。