夾點技術在煤氣化制甲醇工藝中的應用

董麗坤

（烏海職業技術學院，內蒙古烏海 016000）

煤氣化是一種對能源和水源消耗都較大的行業，在現代生態文明建設和節能降耗理念的推行下，需要針對煤氣化制造工藝進行節能減排的研究，這也是為了確保煤化工企業能夠持續健康發展的根本途徑。應用夾點技術能夠分析出造成煤氣化制造工藝水耗和能耗不合理的根本原因，并采取針對性措施予以優化，促使其大幅度降低煤氣化工藝制造過程中所產生的能源消耗，使其制造工藝的有效性和整體效率得到不斷的改進。

1 煤氣化制造工藝及其分類

關于煤氣化制造工藝，主要是指利用煤或焦作為原材料，在碳氧化產生熱能的高溫條件下，以水蒸氣、空氣或氧氣等作為氣化劑，利用化學反應將其轉化為煤氣的整個制造過程。

煤氣化屬于熱化學過程。煤氣化制造工藝作為一種生產合成氣等產品的主要途徑，根據氣化爐內流體力學狀態進行科學的分類可以將煤氣化技術分為流化床、氣流床和固定床等三種類型。而其中固定床工藝技術根據壓力不同，又可以分為加壓固定床和固定床改進型以及常壓固定床。固定床氣化技術的典型代表是碎煤熔渣和魯奇加壓氣化技術，這一技術具有原料適應范圍較廣，且可氣化水分與灰分較高的劣質煤，氧耗量較低等特點。但也存在一些不足，例如蒸汽分解率較低、出爐煤氣當中有效氣含量不高，甲烷和二氧化碳含量過高等。而流化床氣化工藝技術典型的代表是山西煤化所的IC 灰熔聚氣化技術和恩德粉煤氣化技術。與固定床氣化工藝相同的是，其同樣有著煤氣當中有效成分含量較低、碳轉化率偏低和物探含量過高、分離難度較大等多方面的缺陷。

煤氣化制甲醇工藝的基本原理主要是指利用煤與水蒸氣反應生成氫氣和一氧化碳以及二氧化碳，再將其置于觸媒條件下進行化學反應，并由此生成甲醇。在煤氣化過程當中，主要涉及的化學反應原理為：

這些反應需要在6.5MPa 和1 400℃下進行，氣化反應需要在氣化爐反應階段瞬間完成，并生成氫氣、一氧化碳、二氧化碳和水以及少量的H2S 等氣體。另外，伴隨著熱量的轉換，其所具有的能量損失和消耗為夾點技術的應用提供了良好的基礎。

2 夾點技術概念及其應用優勢

2.1 夾點技術概念

夾點技術主要是指基于化學熱力學原理，以經濟效益為主要目標函數對換熱網絡及物流進行優化設計的過程，其涉及熱和冷型公共工程與能級選擇之間的合理匹配[1]。

隨著換熱器網絡當中溫度夾點問題的提出，很多專家學者發現，夾點的存在會影響換熱器網絡中的熱回收效果，使其無法達到最大值。從這一原理來講，夾點技術主要是指以熱力學相關理論知識為基礎，將換熱網絡進行改進，使其能夠相互獨立且分離成為兩個子系統，包括熱阱系統和熱源系統[2]。其中，熱阱系統是位于夾點之上的系統，其能夠利用加熱公用工程實現熱量的有效傳遞，與此同時，不會造成熱量的流出。熱源工程則主要是位于夾點之下的系統，能夠利用冷卻公用工程進行熱量的輸出，同時不會造成熱量的流入[3]。其中熱量因為冷卻公用工程帶走，其主要是指跨越夾點熱量傳遞形式，此時會產生相互的換熱匹配，關于夾點位置上下的熱物流及冷物流實現熱平衡跨越，其是通過夾點技術當中的熱阱系統和熱源工程系統來實現。所以，在進行設計時需要確保夾點技術傳熱時不會產生跨越夾點情況的出現，公用工程加熱器也不可以設置在夾點上下的位置，以確保工程量達到最小值[4]。

2.2 加點技術應用優勢

（1）通過夾點技術的應用，能夠改進能量回收系統和公用工程系統，以降低能源消耗，提高節能降耗效果，并且還能夠充分地利用生產過程中所產生的余熱或廢熱，進行區域一體化熱量的供應轉移[5]。

（2）夾點技術的應用能夠通過釋放過程中不改變主爐和泵設備運行質量和運行標準狀態情況下，提高生產效能，促使其控制系統瓶頸的突破，達到完善生產質量的目的，達到增產的效果。

（3）夾點技術的應用能夠降低工廠建設投資成本與運營成本資金評估的資金投入，并提出針對性的解決方案。在進行工程擴建、改建過程中降低不必要投資成本支出，尤其能夠在不增加新能耗應用的情況下，提高能源的利用率，同時在新的改建和擴建設計過程中也能夠做到設備投資與運行費用的節省，使設備能夠在不變換設備投資和技術改進情況下，嵌入到生產工藝當中，擴大傳熱面積[6]。

（4）夾點技術應用能夠實現環境污染排放量的降低，將廢水排放中污染物含量降至國家相關規定的標準，也能夠優化設計，降低能源消耗，減少環境污染，尤其在降低溫室效應方面有著較好的優勢。

3 夾點技術在煤氣化制甲醇工藝中的運用分析

為了確保制造工藝使用當中能耗和水耗的節約，需要遵循夾點方法設計原則：第一，不要在夾點之上進行任何冷卻公用工程的設計；第二，不要在夾點之下進行任何加熱公用工程的設計；第三，不要在傳熱過程當中出現跨越夾點的情況。

3.1 低溫甲醇洗單元的應用

低溫甲醇洗單元的主要生產工藝目標是為了將煤氣中硫化氫和二氧化碳等有害氣體進行完全的清洗，以提高凈化器的質量，使其能夠達到甲醇合成產品相關生產的標準。低溫物流在所有物流當中占據主導作用，冷卻公用工程在實際的運行狀態中所使用的是較高價格的丙烯，為了降低相關成本，提高資金利用率，確定冷熱物流間最小傳熱差的有效控制，其夾點溫度需要達到102.5℃，根據加點方向的設計原則可以發現，傳熱跨越了夾點，會增加冷熱工程的能耗。

3.2 變換熱回收單元的應用

在煤氣化制甲醇工藝當中，變換熱回收單元主要包括兩個工藝目標，首先最大限度地進行水煤氣熱量的回收。將粗煤氣的溫度控制在40℃左右，并且能夠有效地傳遞至低溫甲醇洗單元。其次水煤氣至變化爐的輸送部分。需要在催化劑作用下，確保水蒸氣與一氧化碳能夠發生化學反應，并成功生成二氧化碳與氫氣，進而實現氫碳比的合理調節。將冷熱物流最小熱溫差設定為10℃，夾點在冷熱物流復合曲線當中并沒有出現，變換熱回收單元當中的冷卻公用工程則有著極為重要的作用，其目標值與設計值要保持一致，變熱變換熱回收單元所涉及的冷卻公用工程主要包含了循環冷卻水和產生蒸汽。所以，為了達到節能降耗的目的，需要最大限度地進行廢熱的回收，促使其產生更多的低壓和中壓蒸汽，進而實現循環水使用量的減少，達到節能降耗的效果。

3.3 多種工藝整合單元應用

煤氣化制甲醇工藝流程極為復雜，對自身工段的能量守恒過度關注的也是這一過程。在大部分時間內降低熱量仍然是使用冷卻公用工程，而能夠有效實現熱交換的物流介質較少。另外，僅僅可以使用加熱公用工程提升熱量是需要熱量的物流，這也會致使發生能源能量損失嚴重的情況。當冷公用工程及熱公用工程的使用量明顯提升的情況下，需要將系統作為一個整體，而為了確保在整個制造工藝流程當中能源消耗最低、水耗最小，當系統結構復雜程度越大，則其所具備的優化潛能越大。如果將熱溫差值設計成為11攝氏度，就會成功的合成甲醇。而變換熱回收單元、精餾、低溫甲醇洗單元、渣水處理單元都會作為一個整體，以此實現冷卻熱公用工程節能效果[8]。

4 結束語

煤氣化制甲醇工藝應用過程當中，作為一種有效且操作較為簡單的技術手段，在進行甲醇工藝分析時采用夾點技術能夠凸顯出可節能潛力的揭示。同時能夠有效確定能量使用不合理情況問題的產生原因，為工藝改進優化提供更加科學的方向和指導。其中換熱網絡匹配要想實現合理設計就必須要預留出一定的優化空間。雖然低溫甲醇洗單元可以將其物流換熱方式進行改進和優化，在渣水處理單元的節能潛力有限，其內部也僅僅只是需要冷卻供應工程，但為了達到節能降耗的效果，其蒸氣可以考慮作為其他工藝單元，熱源精餾單元及甲醇合成單元的冷卻加熱公用工程的節能潛力較大，需要綜合考慮操作的可執行性和成本的投入以及設備投資等相關影響因素的改進。煤氣化制甲醇技術使用夾點技術，不但能夠實現節能潛力的發揮，同時也能夠清晰地掌握能量不合理因素的產生原因，為該工藝的改進和優化提供有力的支持。