煤制甲醇工藝論析

雷恩寧

摘 要：石油、煤炭兩大產業屬于經濟運行的主要血脈，由這兩者轉化成的一些化工產品在目前的社會生活中有著重要的意義。由于目前我國的石油資源出現短缺的現狀，主要是依靠大量的進口，而煤炭儲蓄量相對豐富，使得煤化工發展有了原料保障。因此，甲醇既是一種重要的有機化工原料，也是一種重要的有機溶劑。由甲醇生產的化工產品達數百種，廣泛用于塑料、合成纖維、合成橡膠和農藥等行業，在發達國家其產量僅次于乙烯、丙烯和苯。如今，基于國際形勢以及石油資源的緊缺，由煤炭為原料生產甲醇，得到了大力的發展。

關鍵詞：煤制甲醇;工藝;措施

在工業和交通運輸業的發展過程中，燃料能源是其發展的重要支撐。煤炭作為燃料能源的主要來源，在燃燒提供能量的同時，其燃燒也產生了大量的有毒有害物質，如碳氧化物、硫化物、粉塵等，這些有害物質對人類生存的環境產生了嚴重的污染和危害。因此，在社會經濟不斷發展和人們生活水平日益提高的同時，煤炭作為我國主要的燃料能源，其造成的環境污染問題也越來越嚴重，使得環境污染及其防治成為環境保護中非常必要的探討課題。甲醇作為煤炭的清潔替代能源，其煤制甲醇工藝的研究和開發受到了人們越來越多的關注。因此，煤制甲醇工藝的研究和開發對能源的發展具有非常重要的價值和意義。

一、煤制甲醇工藝發展的必要性

隨著社會經濟的快速發展，能源作為經濟發展的重要支撐之一，其在經濟發展中占據十分重要的地位。煤炭作為我國燃料能源的主要來源，其在燃燒的過程中會產生大量的有毒有害物質，如碳氧化物、硫化物、粉塵等等，這些物質的產生給環境帶來了極大的污染和危害。與此同時，煤炭資源作為化石燃料是不可再生的一次能源，在直接的燃燒使用過程中不僅造成了環境的嚴重污染和危害，同時也使得燃燒不完全的煤炭資源造成大量的浪費。因此，需求煤炭的清潔替代產品和工藝技術的開發研究對煤炭資源的有效利用和環境的保護都是非常重要的。煤制甲醇工藝主要是將煤炭轉化為清潔的甲醇，甲醇作為能源燃料既可以在燃燒時提供充足的能量資源，又能在燃燒的過程中減少有毒有害物質的生成和排放。此外，甲醇除了作為清潔的替代燃料能源，還是化工生產中重要的有機原料，其在多個領域應用廣泛。目前，隨著甲醇社會需求量的不斷增加和甲醇下屬產品的開發應用，使其在社會經濟發展中的地位越來越重要。其中，煤制甲醇的工藝過程幾乎是無污染的工藝過程，在得到清潔替代能源的同時對環境也不會造成污染和危害。同時，煤制甲醇在提高煤炭資源的綜合利用率的同時，甲醇還可以替代部分的石油，從而在一定程度上緩解了我國石油資源供不應求的矛盾，進而實現了我國能源供應結構的改善。

二、煤制甲醇工藝

煤制甲醇的主要原理是依據煤炭中的碳元素與水蒸汽在催化劑如Fe3O4 及高溫高壓的條件下反應氧化還原反應，其主要產物是一氧化碳和氫氣，然后對生成的一氧化碳和氫氣進行凈化提純，利用凈化后的氫氣和一氧化碳在比例約為2：1 且溫度維持在350℃左右，壓力維持在約為20MPa 的條件下進行甲醇的合成反應，最后進行甲醇的精餾制取，從而實現甲醇制取的標準化純度。

1、氣化工藝。在整個氣化反應的過程中，原料、水以及氧氣會共同作用，從而引發氣化反應，該反應生產的合成氣的成分較為復雜，主要包括有一氧化碳、氫氣、二氧化碳以及水等，同時還包括含量較少的甲烷等氣體。在該反應的發生過程中，基本方程式為：

該反應的整個過程速度很快，可以在很短的時間內完成，離開氣化爐后經過冷卻、洗滌等環境后進入到變換的工段進行繼續處理。

2、變換工藝。變換工段的主要處理任務是讓CO 與水發生反應，在該過程中會生產出大量的氫氣，其反應的方程式為：

在完成變換工段的生產任務后，轉入到低溫甲醇洗工藝流程環節。

3、低溫甲醇洗工藝。低溫甲醇洗工藝過程的主要任務是通過低溫清洗的方式去除掉氣相的硫化物以及二氧化碳等物質，以此來保持產品的純度與潔凈度。

4、甲醇合成與精制工藝。經過凈化處理后，合成氣再次經過壓縮機的壓縮處理，隨后進入到甲醇的反應器當中，經過一定的壓力與催化劑相互作用，可以生產出粗甲醇產品，這些產品從分離器中分離出來后，可以經過甲醇精餾塔精制處理，隨后生產出精制的甲醇產品。

5、空分裝置。在煤氣化過程中需要借助于空分裝置來獲取充分的氧氣。一般來說，空分裝置的結構包括有分子篩、空氣增壓以及氧氣與氮氣內外壓縮機等設備構成。其中，原料空氣自空分裝置中獲取空氣，隨后經過過濾器除去雜質并進入到離心式空壓機當中，隨后經過壓縮機壓縮達到一定的壓強并進入空氣冷卻塔中冷卻。再經過空冷塔處理后使用分子篩進行純化處理，隨后二氧化碳、碳氫化合物等物質都吸附干凈，凈化后的空氣抽出小部分作為儀表以及其他設備的使用空氣，其余大部分都作為空氣增壓機以及膨脹機設備的專用氣體，在精餾塔中液化后獲取液氧、液氮，并結合工藝需要送入實際需求的場合。

三、煤制甲醇檢驗方法與合成塔設計

1、煤制甲醇中的雜醇油水分。煤制甲醇工藝技術中常用容量法、庫倫法來進行雜醇油中水分的分析檢測，這兩種方法都屬于卡爾- 費休法的分支技術，具有良好的測量精度與操作穩定性。其中，容量法在測定時不會受到外部反應的影響和干擾，其測定的樣品質量分數為0.1%-100%，而庫倫法則主要針對0.001%-0.1% 精度的檢測，這個過程中無隔膜的儀器本身不能夠分析醛類物質以及酮類物質，有隔膜的儀器則可以分析電導率較大或者含水量較大的樣品物質。由于雜醇油本身具有物質成分復雜的特征，其本身包括有大量的甲醇、水、二甲醚以及各種醛類物質、酯類物質，同時還有不飽和烴等物質，所以利用容量法進行測定效果更好，適應的范圍也更加廣泛。如果采用庫倫法進行測試，可能會受到多種因素的干擾與影響，還需要考慮到雜質的成分特征，所以綜合起來利用難度較高且適應性較差。

2、煤制甲醇合成塔工藝設計與優化。結合甲醇合成工藝的技術特征與公開要求，選擇合成塔時最好利用立式固定床氣固結合的反應器模式，該模式作為一種管殼外冷絕熱的復合型反應器，其內部填充了銅系催化劑，在合成氣的合成過程中，塔頂部分會進入到催化劑的床層當中，在壓力條件適合的情況下，溫度保持在一定的穩定條件下，能夠實現一氧化碳、二氧化碳以及氫氣的反應，其產物主要包括有甲醇、水以及一些微量的有機副產物。在甲醇的合成過程當中，不同的反應可以同時進行，其能量整體來說屬于放熱反應，具體的反應方程式如下所示：

結合反應方程式的數據情況來看，反應熱的量較大，需要借助于管式反應器將沸騰的水移送到冷卻環節進行處理。

（1）參數確定。在甲醇的整個合成環節當中，大量的反應熱必須想辦法轉移出去，所以需要對蒸汽的壓力進行控制，只有完成了壓力的控制，才能夠實現溫度的控制。在大多數情況下，壓力控制在4.0MPa 以內即可，而溫度則需要保持在230～260℃。從物理性質參數的角度上來看，水的汽化熱相對恒定，所以熱導率、表面張力以及比熱容都可以相應的計算出來，液相的密度也就可以確定。在合成氣當中，大多數成分為一氧化碳以及氫氣，所以平均密度、比熱容以及相應的熱導率都可以根據這個方式計算出來。

（2）合成氣流量。選擇合適的生產規模與相適應的工藝技術流程后，需要對合成氣的氣體流量進行分析。結合目前國內技術進程來看，選擇低壓合成法的經濟效益良好，可以適應于10-20 萬t/a 的生產需求。選擇平行運行生產的方式來進行生產活動，開工時間設計為330d，那么連續生產的過程中甲醇的質量回流數可以計算出，其結果為630kmol/h。除了對合成氣流量進行控制，還需要完善水流量與殼體內折流板、接管確定工作，確保技術適應性。

四、煤制甲醇工藝設備存在的問題

1、煤制甲醇工藝所需的設備。根據煤制甲醇的工藝流程，首先是煤炭的氣化過程，氣化工藝主要用到的設備是氣化爐，利用氣化爐通過加壓的方式將煤炭和水制成漿液，然后在高溫的條件下實現煤炭漿液的氣化，從而實現氧化還原反應的發生來制得一氧化碳和氫氣。其中，在甲醇的精制工藝中要用到蒸餾塔來對新生成的甲醇進行循環蒸餾來達到甲醇提純和凈化的目的。此外，由于煤炭的氣化和液化需要進行分離的過程，那么在煤制甲醇的過程中就要用到氣液分離設備。

2、煤制甲醇工藝中存在的問題。雖然煤制甲醇工藝的發展對煤炭資源的綜合利用和改善我國的能源結構都有很大的實際意義和價值。但是，在煤制甲醇的工藝過程中還存在很多的問題：首先，煤制甲醇的工藝的開發和發展還不是很成熟，使得煤炭制備甲醇的工藝過程的成本非常高，比直接使用煤炭的成本投入高很多，這就使得煤制甲醇的工藝很難得到廣泛的應用。同時，人們只考慮到煤制甲醇的成本而嚴重忽略了煤制甲醇的環境保護作用。第二，由于煤制甲醇是一項新型的煤炭轉化技術，其工藝流程和設備的使用都有待進一步的完善，使得煤制甲醇的工藝效率低下，煤制甲醇的發展力不足。

五、煤制甲醇工藝措施

1、煤制甲醇工藝的智能化發展。在電子信息科技高速發展的今天，煤制甲醇的工藝過程如果可以利用電子信息科技來達到煤制甲醇工藝過程的智能化和自動化，將會為煤制甲醇的工藝發展帶來極大的突破。尤其在煤制甲醇的工藝流程第三步中一氧化碳和氫氣要達到1：2的比例才能使其充分反應來有效合成甲醇，如果實現了煤制甲醇工藝的智能化發展，將會更有效的進行甲醇的合成過程，將大大提高煤制甲醇的工藝效率。與此同時，煤制甲醇工藝的智能化發展也有利于煤制甲醇工藝過程的實時監控，使得制備的各個流程都在監控下完成，更有利于對整個制備過程進行量化監督，從而實現煤制甲醇工藝的完善。

2、煤制甲醇工藝的節能型設計。在煤制甲醇工藝實現智能化發展的同時，進行煤制甲醇工藝的節能型設計，適應現代“環保、清潔、節能”的經濟發展理念。首先，要在煤炭的使用上進行有效的節約設計，在考慮制取甲醇達標的情況下，通過改進工藝來實現煤炭資源的高效利用，從而達到煤制甲醇產投比的最大化。其次，在煤制甲醇的工藝過程中由于需要用到氣化爐、蒸餾塔、氣液分離設備等需要消耗大量的電力能源，通過煤制甲醇工藝的智能化發展和工藝革新來實現電力能源的節約。最后，在煤制甲醇的工藝發展過程中要具備節約的意識，要不斷改進煤制甲醇的工藝以達到整個生產過程的能源節約。因此，通過煤制甲醇工藝的節能型設計和智能化發展，使得煤制甲醇工藝得到更加完善的發展。

3、煤制甲醇工藝發展。作為很早就開始使用煤炭作為甲醇生產原材料的國家之一，我國的煤制甲醇工藝技術經過多年的發展，也達到了一定的技術高度。但是，真正實現煤制甲醇工藝技術的突破以及規模化生產則是進入到21 世紀之后。隨著工農業生產規模的不斷擴大，甲醇的需求量猛增，傳統的甲醇生產工藝技術獲得的產品難以滿足客觀生產實際需求，所以我國各地都開始采用煤制甲醇工藝技術來進行甲醇生產。根據相關統計結果顯示，我國的甲醇生產總量增長，這也預示著我國成為全球甲醇生產量最高的國家。目前天然氣制甲醇工藝技術不斷成熟，其應用的領域也得到了擴充，無論是成本還是工藝設備以及投資都比較低。但是，結合目前我國的整體資源結構情況與特征來看，煤制甲醇工藝技術依然是技術發展的重要方向，通過市場化競爭，將大部分生產規模小、技術不成熟的企業淘汰掉，同時實現規模化、集約化發展，這樣就可以有效提升工藝技術的應用水平，從而確保商業價值與行業發展的穩定性。

隨著社會經濟的不斷發展，為了適應“環保、清潔、節能”的經濟發展理念，煤制甲醇工藝的發展是社會能源發展的必然選擇。煤制甲醇工藝在提高煤炭資源綜合利用率的同時，在一定程度上緩解了我國石油資源供不應求的矛盾，使得我國的能源供應結構得到了改善，必須要考慮到市場的供需平衡，促進甲醇下游市場的開發，同時推動甲醇企業大型化、聯產一體化發展，促進整個能源行業和化工產業結構的穩定。通過煤制甲醇工藝的智能化發展和節能型設計，從而實現煤制甲醇工藝的優化和改善，最終實現對經濟發展提供有力支撐的同時，實現對環境的有效保護。

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