大型煤制甲醇的气化和合成工艺选择

郭 博

（国能榆林化工有限公司，陕西 榆林 719000）

引言

我国幅员辽阔，属于人口大国，对能源的需求量极大，而我国的能源与资源较为匮乏，同时随着经济发展速度的日益加快，也不断提高了对各种能源的需求量。基于此形势，我国必须立足于现阶段的实际情况，对我国丰富的煤炭资源进行合理开发与利用，以使人们的生产生活需要得到满足。现阶段，煤炭资源较为丰富，所以立足于煤炭资源对其他能源进行制备与开发是最佳选择，而我国缺少充足的石油资源，已经不能使工业生产中其他能源制备中的消耗得到满足。只有借助煤制甲醇，才可以使能源短缺问题得到有效缓解。

1 大型煤制甲醇的气化工艺选择

1.1 固定床气化

在生产甲醇中使用固定床工艺时，需要对块状煤进行使用，通常来说，在整个生产中，煤炭的转换率并不高，气化程度较低，同时在排放的污水中酚和焦油较多，工艺措施复杂性较强，需要投入较高的工艺成本。尽管固定床气化技术较为成熟，设备成本不高，但从各种因素来看，其在大型制甲醇生产中并不适用，在小规模生产中较为适用[1]。

1.2 流化床气化

使用流化床技术优势较为显著。但必须严格控制气化温度，气流床主要是就使用流化床过程中存在的缺点而制作的。因此，在使用气流床的过程中需要严格控制环境温度，同时对煤反应性的要求并不高。气流床在气化中需要确保煤粉的粒度不超过0.2 mm，同时温度应在1 400 ℃以上，但不超过1 600℃[2]。其环保效果十分明显。除此之外，生产过程中不会产生焦油和酚等有害物质。气化床煤气化的过程中，受气压影响，可以促使压缩功的使用量降低，将能源消耗有效减少。

1.3 水煤浆气流床

在大型的水煤浆气化中适合运用Dow 公司的LGTI 气化技术以及Texaco 气化。水煤浆气化技术的特点是炉中放入煤浆和35%～40%的水，所以相较于干粉煤气化，其氧耗高20%左右；炉衬为耐火砖，存在严重的冲刷现象，更换频率为一年一换；生产诸多二氧化碳，碳的转化率不高，有效气体成分不高；对煤提出了明确要求，如要求灰熔点在1300℃以下，灰分小于13%，含水量小于8%，尽管具有气流床煤气化相同的优点，但仍存在诸多缺陷。

1.4 气流床煤气化选择

流化床工艺技术具有一定优势，但其气化温度普遍不高。为了使此问题得到有效解决，气流床工艺逐渐形成，其能在温度较高的环境中实施工艺，同时相较于流化床工艺，其对煤化反应的要求不高。主要具有下述优势：首先，在应用气流床工艺的过程中，无需使用粒度小于0.2 mm 的煤粉；其次，其气化温度在1 400 ℃以上，但不超过1 600 ℃，工艺具有较强的环保性，在生产中，不会产生诸多焦油和酚等物质，各种硫化物具有单一的形态，显著加强了工艺环保性；再次，在其气化工艺中，其压力始终在3.5 MPa以上，但不超过6.5 MPa，在大型煤制甲醇中十分适用，可以使压缩功的使用显著减少，最大化控制生产制造工艺的成本消耗；最后，运用气流床煤气化工艺的产品具有更高的转化率，其产品转化率通常在95%以上，工艺生产中的能耗不高，在大型工业生产中十分适用。

1.5 干粉气流床气化技术

煤制甲醇的气化处理工作，当前在煤化气试验中有两种较为常用的气化床技术，即，水煤浆气流床和干粉气流床[3]。其中，在使用干粉气流床的过程中，其主要应用的是Shell 技术和GSP 技术等。在使用Shell 技术时，需要粉碎煤粉，之后使煤的干燥性得到保证，并使用加压煤仓和常压煤仓展开处理。然后通入氮气，把其当作一种主要载体，借助喷嘴向气化炉输送氮气。蒸气和氧气的反应中，温度需要超过1 400 ℃，但小于1 600 ℃。与煤气和炭灰处理相结合时，要采用循环冷煤气技术，温度为900℃，使用此方法可以防止锅炉中进入灰渣。若是煤气温度为300℃，需要运用除尘器分离处理炭灰，然后再向气化炉输送。若是煤气温度约40℃，再向气化装置输送煤气。图1 为Shell 粉煤气化工艺流程示意图。

图1 Shell 粉煤气化工艺流程示意图

2 大型煤制甲醇合成工艺选择

2.1 大型煤制甲醇合成流程

大型煤制甲醇的合成流程主要涉及下述内容：合成压力和反应温度分别为7 MPa～10 MPa、210℃～280℃；如，在固定床气化中，固定床的甲醇合成转化率不高，所以需要循环利用其中未反应的气体，此方式对反应物质利用效率的提高极为有利，同时，还可以有效节省反应成本；在对合成塔连接方式进行选择时，需要与实际大型煤制甲醇情况相结合从而合理选择，合成塔串联的方式，可以促进大型煤制甲醇中单程碳的转化率提高，促使反应中的循环量降低。合成塔回路串联为两级，分离第一级合成的甲醇后，形成的循环气需要进入二级再进行处理，此方式对大型煤制甲醇应用效率的提高极为有利。

若是大型煤制甲醇的规模不超过1 000 t/d，则可以对并联合成塔或单合成塔进行选择。大型煤制甲醇规模在1 000 t/d 以上，但不超过2 000 t/d 时，运用串塔的方式，大型煤制甲醇规模超过3 000 t/d 时，可以对两级流程或串塔流程进行选择。

2.2 合成塔

2.2.1 水管式合成塔

为了使换热效果得到改善，此塔型中沸腾水从传热管中通过，如此，既可以将过剩热量有效移走，同时还可以副产中压蒸汽，在大型化生产中此塔型为最佳选择。在国内外大型化生产中此塔型十分常用，如，I.C.I 公司的水管径向合成塔。

2.2.2 固定管板列管合成塔

这种塔与水管式塔有所区别，其催化剂装填在管中，沸腾水壳走程，换热热量副产3.2 MPa～4 MPa的中压蒸汽[4]。Lurgi 公司的合成塔极具代表性，此塔主要是运用逆流换热，冷气和热水同时添加，不仅可以促进转化率提升，同时还可以将能耗有效降低。此塔型因为管长和设备直径的原因，具有较为复杂的结构，单塔缺乏较强的生产能力，在生产中需要并联多个合成塔。固定管板列管合成塔这种塔型具有很高的造价，催化剂的装卸难度较大。

2.2.3 冷管式合成塔

此合成塔主要从氨合成塔中而来，在催化剂中对换热面积充足的冷气管进行设置，借助进塔冷管将反应热移走。冷管主要有3 种结构，即“U”型管式、并流式和逆流式。因为逆流式不适应合成反应的放热，也就是床层出口处具有很大的温差，但此时反应放热最小，而在床层上部放热量最高、反应速度最快，但温床却最小，为了使这种缺陷得到有效克服，冷管改成“U”形或并流冷管。

2.2.4 多床内换热式合成塔

现阶段，在氨合成塔方面，各工程公司主要运用的是三床或四床内环热式合成塔。就甲醇合成的特点运用四床或五床内环热式合成塔。各床层是绝热反应，在各床出口移走热量。此塔型结构简单，造价不高，无需使用特种合金钢，具有很高的转化率，在大型或超大型装置中适用，但反应热不能全部直接副产中压蒸汽。国成达公司的四床内换热式合成塔和Casale 的四床卧式内换热合成塔是一种极具代表性的塔型。

3 结语

现阶段，我国经济发展速度日益加快，在此形势下，人们越来越关注环境污染问题，在各种环境污染中，最为严重的当属化学工业产业的废渣与废气的污染。当前，人们不断增强环保意识，同时更加期待新能源的开发与利用，而对大型煤制甲醇的气化与合成工艺进行选择，正是探索与开发新能源的有效途径，这对整个人类社会而言，具有重大意义。