煤制甲醇洗工艺的模拟与改造

张 杰

(山西焦煤集团五麟煤焦开发有限责任公司，山西 汾阳 032200)

引 言

我国的煤资源的储备相对来说是较为丰富的，随着石油价格的不断增长，我国的煤炭利用逐渐的增长。因此现阶段，如何利用煤资源提高我国的工业化发展进程就成为一个重要的发展目标。作为一个重要的补充资源，煤炭能够作为多种工业原料，生产出丰富种类的工业原料。煤化工是生产甲醇的重要方式，针对国内的油气不足，以及化工产品的需要，煤化工产业流程设备的模拟及改造就成为现阶段重点的探究目标。近年来，我国针对低温甲醇制备的流程模拟研究已经成为重点的研究课题。

1 我国“十三五”中的甲醇应用前景分析

随着我国逐步进入“十三五”规划下的能源改革阶段，甲醇作为重要的工业原料，其在工业中的应用已经涉及到了多个方面，其中最为重要的一点就是作为基本的化工原料。除此以外，甲醇还有具有可燃的性质，因此在燃料方面也是一个非常受欢迎的产品。与其他的化工产品相比，甲醇所发挥的作用是巨大的，所以其所占据的排名仅仅在乙烯等三个原料之下。自从我国开始使用煤制甲醇这一工艺之后，甲醇的使用效率就得到了极大增强。但是由于甲醇产量过大，造成甲醇的囤积，所以延长煤制甲醇的流程，生产更多的下游产品就成为至关重要的探究内容。由于甲醇的制备技术已经发展成熟，所以甲醇制备产业的发展就受到了限制。在2013年以后，除了少数的几个企业能够在制备甲醇中获得利润，大多数的公司都是出于亏损的状态。中国的汽车普及量数额已经非常大了，而甲醇恰恰是汽车燃料的其中一个成分。尤其是近年来，我国的汽车产业的发展已经呈现迅猛的趋势，于是汽车的耗能和污染也就相应地增加了。

2 煤制甲醇实际制备流程分析及模型选择

2.1 煤制甲醇实际制备流程分析

煤制甲醇技术是由德国的化学家发现的。当时在德国，由于需要较高纯度的甲醇，而普通的甲醇却难以满足工业发展的需要，此外，德国的汽车产业也逐渐发展成熟，这就为甲醇的需求量的增加提供了更多的依据。于是当时很多德国的研究者就开始致力于创新煤制甲醇的工艺流程。最先开始改装的就是对硫的净化过程。在最初的时候，甲醇生产技术并不统一，因此存在多种提取方法，而这些工艺大都按照的同一个制作原理。经过多年的实践发现，不需要经过预洗的工艺更适合制备甲醇[1]。

中国的煤制甲醇工艺流程主要是通过在炼制合成氨的时候生产出甲醇。这样的制备方式能够提高资源的利用效率。煤制甲醇工艺流程并不仅仅是生产甲醇这一种产品，还会包含很多丰富的下游产品。其中包括空气分离，煤气化等环节(如第113页图1所示)。而作为合成甲醇的最重要的一个环节，煤气化是这一工艺流程中的核心。煤气化作为制煤工艺中最为重要的一个环节，在煤制甲醇过程中起到了至关重要的作用。使用不同的原料最终生产出的产品也是不同的。所以以此作为依据，可以将甲醇的制备方法分为两个类型，分别为一步法和两步法。一步法指的是直接将其中的CO2和硫直接分离出来。而两步法则指的是先将原料进行脱硫处理，随后再将其中的CO2脱除[2]。

图1 国内目前普遍使用的煤制甲醇生产线流程示意图

2.2 煤制备甲醇模拟软件及模型选择

传统的制甲醇技术，因为制备流程不够完善，最终形成的产物都含有较高含量的杂质。而杂质的存在直接就影响了甲醇的转化效率，甚至会增加很多不必要的消耗。为了优化这一过程，在利用煤制甲醇这一工艺的时候，首先进行预洗，以便去除其中的工业油以及烃类化合物的存在，降低甲醇的沸点。目前常用的模拟软件是Aspen Plus[3]。

因为在实际制备甲醇的过程中，对于低温甲醇洗的装备要求比较高，但是我国的技术水平难以达到要求，于是选择引进国外的设备。随着我国技术水平的不断提高，对于煤制甲醇洗的设备改装顺利完成，并且在之后的发展过程中并加以改进。自此以后，甲醇洗装备也就逐渐走向国产，本文就选择了一条低温制备甲醇的生产线进行流程模拟(如图2所示) 。

图2 本文选定的低温制备甲醇的流程模拟模型

数学模型为：(状态方程)

[1]

3 煤制甲醇洗过程模拟结果与优化

早在20世纪的50年代就开始出现了对化工原料生产流程的稳态模拟，而针对甲醇洗这一工艺的动态模拟一直到90年代才开始出现。动态模拟与稳态模拟最大的区别就是这一模拟过程是在不断的发生着变化的。在煤制甲醇洗这一制作过程中，由于会受到外界环境的不断影响，这一模拟的过程始终是处于变化的，只要对其中的一个小条件做出改变，那么之后的数据图谱都将发生很大的波动。当然，就目前的技术而言，动态模拟与静态模拟相比，准确度还存在比较大的欠缺，因为其中的各个环节的限制以及输入纽都是在变化的，其复杂程度远远超过了动态模拟的精确度。如图3制备甲醇的压力优化变化图所示，在500 K左右时，甲醇制备的量为最大。

图3 温度对甲醇生产的影响研究

本文主要以煤制甲醇洗为例展开分析：其中最为重要和复杂的环节就是煤气的净化，其中包括两种方案，最为常见的是实行物理方法，也就是物理吸收法。其中又可以借助两种手段来展开，其一就是低温甲醇洗法，另一种则是NHD法。但是实际操作中使用的是低温中醇洗法。之所以会选择这种方法是因为其操作的过程简单，并且更加的安全，经济效益相对较高。在具体的操作中，对于其中涉及到的设备也会不断加以技术上的优化以及改进，第114页图4就是利用ASPEN plus软件对TIP段的理论板数结构进行了优化计算，可以看出，B类型的板数能够有效扩大甲醇的生产。

经过探究分析可知，现使用的煤制甲醇洗装置在实际的操作中还有一些问题，所以要适当进行设备的参数优化，以便能够改进这一设备的工艺环节。通过对设备的改装增加S的转化率，能够极大净化最终的甲醇，减少杂质的污染。如第114页图4所示，这一工艺中存在多个环节，其中的干燥、再生、尾气处理等环节都需要经过严密的把控才能够完成。

所以在实际的操作中可以对这一过程进行优化，减少环节的运行，增加产品的浓度和纯度。

图4 TIP段理论板数对甲醇生产的影响曲线

4 结语

本文通过探究煤制甲醇洗的工艺流程的发展现状以及相关的制备过程，对于其中所需要的设备以及相关的环节进行动态模拟，希望能够从中获得更加具有创新性的优化方式。比如通过借助低温甲醇洗技术提高甲醇产物的纯度，将其中的甲醇洗技术进一步的改进为PSRK物性方法，对于之后的甲醇制备流程的模拟及改造提供理论依据。