煤制甲醇洗工藝的模擬與改造

張 杰

(山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

我國的煤資源的儲備相對來說是較為豐富的，隨著石油價格的不斷增長，我國的煤炭利用逐漸的增長。因此現階段，如何利用煤資源提高我國的工業化發展進程就成為一個重要的發展目標。作為一個重要的補充資源，煤炭能夠作為多種工業原料，生產出豐富種類的工業原料。煤化工是生產甲醇的重要方式，針對國內的油氣不足，以及化工產品的需要，煤化工產業流程設備的模擬及改造就成為現階段重點的探究目標。近年來，我國針對低溫甲醇制備的流程模擬研究已經成為重點的研究課題。

1 我國“十三五”中的甲醇應用前景分析

隨著我國逐步進入“十三五”規劃下的能源改革階段，甲醇作為重要的工業原料，其在工業中的應用已經涉及到了多個方面，其中最為重要的一點就是作為基本的化工原料。除此以外，甲醇還有具有可燃的性質，因此在燃料方面也是一個非常受歡迎的產品。與其他的化工產品相比，甲醇所發揮的作用是巨大的，所以其所占據的排名僅僅在乙烯等三個原料之下。自從我國開始使用煤制甲醇這一工藝之后，甲醇的使用效率就得到了極大增強。但是由于甲醇產量過大，造成甲醇的囤積，所以延長煤制甲醇的流程，生產更多的下游產品就成為至關重要的探究內容。由于甲醇的制備技術已經發展成熟，所以甲醇制備產業的發展就受到了限制。在2013年以后，除了少數的幾個企業能夠在制備甲醇中獲得利潤，大多數的公司都是出于虧損的狀態。中國的汽車普及量數額已經非常大了，而甲醇恰恰是汽車燃料的其中一個成分。尤其是近年來，我國的汽車產業的發展已經呈現迅猛的趨勢，于是汽車的耗能和污染也就相應地增加了。

2 煤制甲醇實際制備流程分析及模型選擇

2.1 煤制甲醇實際制備流程分析

煤制甲醇技術是由德國的化學家發現的。當時在德國，由于需要較高純度的甲醇，而普通的甲醇卻難以滿足工業發展的需要，此外，德國的汽車產業也逐漸發展成熟，這就為甲醇的需求量的增加提供了更多的依據。于是當時很多德國的研究者就開始致力于創新煤制甲醇的工藝流程。最先開始改裝的就是對硫的凈化過程。在最初的時候，甲醇生產技術并不統一，因此存在多種提取方法，而這些工藝大都按照的同一個制作原理。經過多年的實踐發現，不需要經過預洗的工藝更適合制備甲醇[1]。

中國的煤制甲醇工藝流程主要是通過在煉制合成氨的時候生產出甲醇。這樣的制備方式能夠提高資源的利用效率。煤制甲醇工藝流程并不僅僅是生產甲醇這一種產品，還會包含很多豐富的下游產品。其中包括空氣分離，煤氣化等環節(如第113頁圖1所示)。而作為合成甲醇的最重要的一個環節，煤氣化是這一工藝流程中的核心。煤氣化作為制煤工藝中最為重要的一個環節，在煤制甲醇過程中起到了至關重要的作用。使用不同的原料最終生產出的產品也是不同的。所以以此作為依據，可以將甲醇的制備方法分為兩個類型，分別為一步法和兩步法。一步法指的是直接將其中的CO2和硫直接分離出來。而兩步法則指的是先將原料進行脫硫處理，隨后再將其中的CO2脫除[2]。

圖1 國內目前普遍使用的煤制甲醇生產線流程示意圖

2.2 煤制備甲醇模擬軟件及模型選擇

傳統的制甲醇技術，因為制備流程不夠完善，最終形成的產物都含有較高含量的雜質。而雜質的存在直接就影響了甲醇的轉化效率，甚至會增加很多不必要的消耗。為了優化這一過程，在利用煤制甲醇這一工藝的時候，首先進行預洗，以便去除其中的工業油以及烴類化合物的存在，降低甲醇的沸點。目前常用的模擬軟件是Aspen Plus[3]。

因為在實際制備甲醇的過程中，對于低溫甲醇洗的裝備要求比較高，但是我國的技術水平難以達到要求，于是選擇引進國外的設備。隨著我國技術水平的不斷提高，對于煤制甲醇洗的設備改裝順利完成，并且在之后的發展過程中并加以改進。自此以后，甲醇洗裝備也就逐漸走向國產，本文就選擇了一條低溫制備甲醇的生產線進行流程模擬(如圖2所示) 。

圖2 本文選定的低溫制備甲醇的流程模擬模型

數學模型為：(狀態方程)

[1]

3 煤制甲醇洗過程模擬結果與優化

早在20世紀的50年代就開始出現了對化工原料生產流程的穩態模擬，而針對甲醇洗這一工藝的動態模擬一直到90年代才開始出現。動態模擬與穩態模擬最大的區別就是這一模擬過程是在不斷的發生著變化的。在煤制甲醇洗這一制作過程中，由于會受到外界環境的不斷影響，這一模擬的過程始終是處于變化的，只要對其中的一個小條件做出改變，那么之后的數據圖譜都將發生很大的波動。當然，就目前的技術而言，動態模擬與靜態模擬相比，準確度還存在比較大的欠缺，因為其中的各個環節的限制以及輸入紐都是在變化的，其復雜程度遠遠超過了動態模擬的精確度。如圖3制備甲醇的壓力優化變化圖所示，在500 K左右時，甲醇制備的量為最大。

圖3 溫度對甲醇生產的影響研究

本文主要以煤制甲醇洗為例展開分析：其中最為重要和復雜的環節就是煤氣的凈化，其中包括兩種方案，最為常見的是實行物理方法，也就是物理吸收法。其中又可以借助兩種手段來展開，其一就是低溫甲醇洗法，另一種則是NHD法。但是實際操作中使用的是低溫中醇洗法。之所以會選擇這種方法是因為其操作的過程簡單，并且更加的安全，經濟效益相對較高。在具體的操作中，對于其中涉及到的設備也會不斷加以技術上的優化以及改進，第114頁圖4就是利用ASPEN plus軟件對TIP段的理論板數結構進行了優化計算，可以看出，B類型的板數能夠有效擴大甲醇的生產。

經過探究分析可知，現使用的煤制甲醇洗裝置在實際的操作中還有一些問題，所以要適當進行設備的參數優化，以便能夠改進這一設備的工藝環節。通過對設備的改裝增加S的轉化率，能夠極大凈化最終的甲醇，減少雜質的污染。如第114頁圖4所示，這一工藝中存在多個環節，其中的干燥、再生、尾氣處理等環節都需要經過嚴密的把控才能夠完成。

所以在實際的操作中可以對這一過程進行優化，減少環節的運行，增加產品的濃度和純度。

圖4 TIP段理論板數對甲醇生產的影響曲線

4 結語

本文通過探究煤制甲醇洗的工藝流程的發展現狀以及相關的制備過程，對于其中所需要的設備以及相關的環節進行動態模擬，希望能夠從中獲得更加具有創新性的優化方式。比如通過借助低溫甲醇洗技術提高甲醇產物的純度，將其中的甲醇洗技術進一步的改進為PSRK物性方法，對于之后的甲醇制備流程的模擬及改造提供理論依據。