關于煤制甲醇工藝設備及能耗的幾點分析

付 勇

（晉能控股煤業集團廣發化學工業有限公司，山西 朔州 038300）

引言

甲醇不僅是當前一種重要的化工原料及產品，同時也屬于未來清潔能源，使用甲醇來替代傳統燃料已經成為當下主要趨勢。甲醇生產主要采用合成法進行，將煤、天然氣或石油作為合成原料，由于我國石油和天然氣資源相對匱乏，所以甲醇合成主要采用煤作為原料進行，這就對相關工藝及設備提出了很高要求。1 甲醇合成過程

1.1 煤氣化

在高溫常壓條件下，煤和氣化劑將反應生成可燃性氣體，如一氧化碳和氫氣，這一過程即為煤氣化。其中，氣化劑為空氣與水蒸氣的混合氣。經過煤氣化獲得的物質為甲醇合成主要原料，即一氧化碳與氫氣的混合物，簡稱合成氣。在熾熱煤層上通入水蒸氣，發生如下反應：碳與水反應生成一氧化碳與氫氣，碳與水反應生成二氧化碳與氫氣，二氧化碳與碳反應生成一氧化碳。上述反應都屬于吸熱反應，由于向煤層通入水蒸氣后會使煤層溫度明顯降低，為了使煤層的溫度保持不變，應交替通入空氣與水蒸氣，在通入空氣的過程中，煤主要發生燃燒反應，釋放熱量，使煤層被加熱。在煤氣中，主要成分（以下占比均指體積分數）包括以下幾種：硫化氫占比48.4%、一氧化碳占比38.5%、氮氣占比6.4%、二氧化碳占比6.0%、氧氣占比0.2%、甲烷占比0.5%；在制甲醇過程中需要的氫氣和一氧化碳體積比為2.21，在合成氣當中，氫氣和一氧化碳之間的摩爾比可通過使用催化劑進行調節，確保比值滿足要求。反應生成的二氧化碳需使用高壓水進行吸收去除[1]。

1.2 甲醇合成

一氧化碳和氫氣反應生成甲醇的過程屬于可逆反應，為減少反應時副反應，保證甲醇的產率，應對反應溫度、壓力與催化劑進行嚴格控制，通常情況下，溫度按照300 ℃～400 ℃控制，壓力按照20 MPa 控制。在合成甲醇反應中，降低溫度和壓力可起到減少能耗的作用，但會使反應速度變慢，因此選擇適合的催化劑十分重要。在合成甲醇時使用的原料氣，其氫氣和一氧化碳體積比為2∶1，如果一氧化碳的含量過高，則會影響到溫度控制，而且還會使催化劑上產生大量羰基鐵，影響催化劑活性的正常發揮，因此應適當增加氫氣的占比，使其與一氧化碳的體積比達到2.2～3.0。

2 生產工藝與設備及其能耗分析

甲醇合成具體流程為：對煤炭進行加壓氣化—對產生的合成氣進行凈化—采用凈化后合成氣進行合成反應，反應制得甲醇—對制得的甲醇進行精制。基于以上流程，生產工藝包含四個主要過程，即造氣過程、凈化過程、合成過程與精制過程。

2.1 造氣工藝與設備

煤炭氣化是甲醇制取首個重要環節，直接影響煤炭產氣效率與后續反應，同時還會影響到產品的質量與產量。氣化工藝和設備主要按照供熱的方法、壓力及氣化劑進行分類，同時按照爐內煤料和氣化劑之間的接觸方式來進一步區分，常見形式包括以下三種：氣流床、固定床和流化床。其中，固定床在反應中使氣化劑和煤之間逆流接觸，其氣化過程相對完全，不會產生太多灰渣殘碳，在出口煤氣能對上部原料實施干燥與干餾，出口處煤氣溫度相對較低，目前氣化工藝相對成熟的固定床爐型為Lurgi；流化床在爐底部將氣化劑通入到爐內，通入的氣化劑將爐中顆粒較小的煤炭吹起，使其保持在流態化的狀態，通過燃燒與氣化生成煤氣，流化床爐型包括Winkler/HTW 和KRW；氣流床使用氣化劑把煤粉送入到汽化爐當中，在兩者混合均勻后，采用噴嘴將其送入到反應室中，立即著火，開始火焰反應，使溫度不低于1 600 ℃，在高溫作用下使煤中的碳完全轉化，并能對干餾產物進行快速的分解與轉變，形成水煤氣主要組分，目前常用的氣流床爐型為Texaco 和GSP。

當前我國對Lurgi、Shell 與Texaco 幾種爐型比較感興趣，其中，Shell 在轉化率、產能和運行周期等諸多方面都具有顯著優勢，而且還能實現資源綜合利用與節能環保，有良好發展前景，但設備所需投資相對較大，當前我國還缺乏成熟經驗；其它兩種工藝較為成熟，運行過程穩定，有很高的國產化率，但Lurgi 具有一些明顯缺陷，如工藝流程較為復雜，產生的廢水處理難度較高，可能造成嚴重的環境污染等，經綜合對比，以Texaco 較為適用，采用獨特的水冷激流程十分適合氨與甲醇的制取，是當前氨與甲醇合成生產的優選工藝[2]。

2.2 凈化工藝與設備

粗煤氣不僅含有氫氣、一氧化碳和二氧化碳，還含有硫化氫、甲烷和氯氣等雜質，其中，硫化物和氯都會造成催化劑中毒。凈化主要作用在于將酸性氣體完全脫除。目前常用的凈化工藝包括以下兩種：低溫甲醇洗與聚乙二醇二甲醚法。其中，前者屬于物理吸收法，吸收液為冷甲醇，甲醇在低溫條件下對酸性氣體有很高的溶解度，充分利用此特性對原料氣中含有的雜質進行分段選擇；該工藝有兩種形式，即林德與魯奇，這兩者的原理沒有本質上的區別，而且技術都十分成熟，只在具體的工藝流程及設備等方面存在一定區別。后者是我國自主研發而成的新技術，采用物理吸收凈化的方法，對硫化氫和二氧化碳都有很好的吸收能力。

前者技術成熟度高，過程可靠，凈化程度高，設備能耗水平低，能將二氧化碳的體積分數降低到1.0×10-5以下，使硫化氫的體積分數不超過1.0×10-7，同時溶劑還有很強的吸收能力，循環量較小，但存在需要在低溫條件下進行操作的缺點，投資相對較高。后者雖然能有效吸收二氧化碳和硫化氫，將二氧化碳的體積分數降低到0.1%以下，將硫化氫體積分數降低到1.0×10-6以下，但硫化羰吸收率較低，需額外配備水解裝置，將脫硫與脫碳完全分開，這樣會使流程變得十分復雜，加之溶劑價格較高，吸收能力次于甲醇，所以需要對溶劑進行大量循環，操作難度和費用都很高，主要優勢為對設備基本不會造成腐蝕，可通過采用碳鋼設備的方式來降低初期投資[3]。

2.3 合成工藝與設備

甲醇合成塔有多種類型，如冷激式合成塔、冷管式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管式合同塔與多床內換熱式合成塔。其中，冷激式的轉化率與甲醇制取濃度都相對較低，由于循環量偏大，所以能耗水平高，無法產生蒸汽，當前已經被淘汰；冷管式雖然轉化率高，但只能在出塔氣中產生低壓蒸汽，無法在大型裝置中使用；水管式將傳熱管從管內走冷氣更改成走沸騰水，以此提升傳熱系數，將反應熱轉移，減小傳熱面積，可裝多種催化劑，并能產生中壓蒸汽，是當前較為理想的一種塔型；固定管板列管式實際上就是列管換熱器，催化劑儲存于管內，而管間為沸騰水，反應熱可用于生產中壓蒸汽，因需要使用特殊的不銹鋼材料，所以造價相對較高，限制其大規模應用；多床內換熱式以大型氨合成塔為基礎改進和發展形成。在設備選型過程中應注意以下幾點：對于大型裝置，不建議選擇冷激式與冷管式；現階段以列管式在我國應用較多，但造價高昂；在大規模生產過程中，建議選擇水管式、多床內換熱式與列管式[4]。

2.4 精制工藝與設備

在精制塔中通入甲醇氣體進行精制，通常需要有2 個～3 個精餾塔，通過后一個精餾塔上部將精制后的甲醇取出，其含量可達99.85%[5]。對于甲醇的精餾，可初步分為兩塔流程與三塔流程。這兩者的主要不同為三塔流程多進行一次加壓操作，即額外設置一個主精餾塔，將塔頂的熱量用于再沸器，以此減少冷卻水及蒸汽的消耗。當前以三塔精餾為基礎還增加一個回收塔，以此對從塔底部產生的廢水進行回收，從中提取殘留的甲醇，進一步提高產品收率，并且還能減少廢水造成的污染。相比之下，二塔流程的工藝方法相對簡單，能減少設備投資，但實際的能耗水平較高；而三塔流程所需時間較長，但能耗水平低于雙塔流程[6]。如果從能耗與設備投資角度考慮，則對于大型和中型規模，以三塔流程為宜，以此保證環境效益。

3 結語

目前甲醇生產制備已經開始向大規模連續化方向發展，為達到生態工藝要求，煤氣化要求不斷提高。根據不同類型工藝及其設備具有的特點，在選擇具體工藝的過程中要遵循下列各項基本原則：其一，適用性原則，不同類型的煤需采用不同的煤氣化方法，以煤的質量與品種為依據選擇適宜的工藝方法；其二，可靠性原則，所選技術必須成熟，保證過程可靠，可以在確保產品質量及實際生產能力的基礎上，使設備裝置可以連續長時間運轉；其三，先進性原則，包括產品質量與性能，以及工藝與裝備水平。實際的先進性在很大程度上決定了市場競爭力，需在掌握技術現狀與發展趨勢的基礎上，盡可能采用先進技術；其四，經濟性原則，所有工藝設備的投資都應盡可能較低，包括能耗與運行及維護方面的成本；最后，安全環保性原則，在煤化工生產時可能產生很多污染物，在技術工藝選擇過程中應保證安全，創造良好的環保效益。