煤制甲醇合成工藝設備的選型研究

張 濤

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037000)

1 煤制甲醇合成工藝流程

本次研究選取煤作為甲醇合成原料，通過采取氣化處理，獲取甲醇合成氣，將其置于催化條件下，最終合成甲醇[1-2]。圖1為煤制甲醇合成工藝流程圖。

圖1 煤制甲醇合成工藝流程設計圖

在該工藝流程中，包括2個重要環節：

1) 煤氣化

該環節指的是在特定壓力與溫度條件下，利用氣化劑，使煤發生轉化生成多種氣體。對于工業生產，分別對煤層和水蒸氣進行加熱，再將兩者進行加熱反應，最終合成甲醇。在此期間發生的化學反應如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

以上3個反應均屬于吸熱反應。為了保證化學反應的速度和溫度滿足條件，需要向氣化爐內加入空氣，采取水吸收法除去多余的CO2，得到6種煤合成氣體，分別是CO、H2、CO2、N2、O2及CH4，對應占據的比例依次為38.5%、48.4%、6.0%、6.4%、0.5%、0.2%。

2) 甲醇合成

該環節為甲醇的合成，其產生的反應為式(4)。

(4)

甲醇合成反應是可逆的，此次研究將反應溫度控制在320 ℃～380 ℃，以免發生其他副反應，對甲醇濃度造成影響。

2 不同煤氣化技術對比分析

本次研究煤氣化技術有3種，工藝對比分析見表1。

表1 3種不同煤氣化工藝對比表

表1中的3種煤氣化工藝應用所需設備投資最多的是氣流床，其次是硫化床，成本最低的為固定床，碳轉化率從高到底工藝排序依次為：氣流床、固定床、流化床。

雖然氣流床與其他2種工藝相比成本更高一些，但是該工藝能夠通過提高操作溫度來大幅度提升煤處理效率，使得碳轉化率達到99%，利用此工藝可以有效彌補流化床存在的不足。所以，此次研究選取氣流床技術作為煤氣化工藝。

3 氣流床工藝流程與煤氣化選取

Shell氣化工藝單爐生產能力較強，且具有較高的碳轉化率，因此應用較為廣泛，其工藝流程為：將原料煤加入氣化爐中；向氣化爐內加入氧氣；利用碎渣機處理氣化反應中剩余的物質，經過貯渣罐，最終流入渣池；在壓縮機的作用下，氣體流入冷卻器；對氣體采取過濾處理，并對其進行濕洗；原料合成氣變換。

除了上述氣流床煤氣化技術以外，還包括GSP氣化技術、Texcao氣化技術。前者起源于德國工藝，經過多年改善，最終在多個國家得到推廣應用。通常情況下，該項技術的使用要求煤粉粒度在0.2 mm以下，并且氣化爐中的操作壓力在2.7 MPa～3.9 MPa，通過完全激冷、局部激冷2種方式，從氣化爐中導出熔渣與煤氣。需要強調的是，位于出口處的煤氣溫度需要控制在215 ℃左右；后者起源于美國，是德士古石油公司提出的第二代煤氣化技術。由于GSP氣化爐壽命比較長，無需過多成本，并且具備上述兩種煤氣化技術優勢，因此得到廣泛應用。

4 煤制甲醇合成塔工藝設備的選型

近年來，國內外使用的大型甲醇合成塔有5種類型，分別是固定管板列管合成塔、冷管式合成塔、冷激式合成塔、多床內換熱式合成塔、水管式合成塔。根據生產需求，目前得到廣泛應用的只有3種類型。

1) 水管式合成塔

該塔屬于一種比較理想的大型化生產塔類型。在生產甲醇過程中，氣化爐內氣化換熱效果不是很好。水管式合成塔的應用剛好可以對其進行改善，同時，能夠趕走傳熱管內部的沸騰水，從而使得多余的熱量得以轉移。

2) 多床內換熱式合成塔

該合成塔內部具有換熱結構，含有間接式換熱裝置，該裝置中的內管進口端與進塔氣口相連。這種合成塔最大的優勢在于結構簡單，轉化率較高，成本較低，可以在超大型裝置或者大型裝置中廣泛推廣。該合成塔唯一的不足在于其反應熱必須采取處理，才能夠副產中壓蒸汽。

3) 固定管板列管合成塔

該類型塔與上述兩種合成塔不同，需要將催化劑填入管內，經過沸騰水殼走程，產生中壓蒸汽，壓力為3.2 MPa～4.0 MPa。其特點在于通過逆流換熱完成處理，向其中加入冷氣和熱水，能夠有效降低能源消耗，與此同時，還可以提高轉化率。由于該合成塔的直徑與管長容易受到限制，所以，在實際生產中需要將多個合成塔并聯到一起使用，成本較高，并且催化劑裝卸存在一定困難。

綜上所述，對于煤制甲醇合成塔，冷管式塔與激冷式塔的生產能力有限，并且生產效率較低，不適合在大型生產中推行。而列管式合成塔的價格較高，至今為止使用的數量較少。與上述幾種合成塔相比，多床內換熱式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管合成塔3種合成塔更適合在大型生產項目中推廣。

5 總結

本文主要對煤制甲醇合成工藝設備的選型展開相關研究。依據煤制甲醇合成工藝流程，結合不同煤氣化技術對比分析結果，確定出煤制甲醇合成塔工藝設備選型方案。考慮到生產效率，不建議將冷管式塔和激冷式塔應用于大型甲醇生產裝置中，可以從多床內換熱式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管合成塔3種合成塔中挑選。