煤制甲醇合成工藝設(shè)備的選型探討

熊啟海

（山東華魯恒升化工股份有限公司，山東? 德州? 253000）

0 引言 

      甲醇能用在生產(chǎn)硫酸二甲酯以及甲醛等諸多物質(zhì)中，并且還是醫(yī)療與農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域一種關(guān)鍵的原料。如今，生產(chǎn)甲醇的方法也比較豐富，可將煤炭、天然氣與石油等作為原料。相較來講，煤制甲醇是最為經(jīng)濟(jì)的形式，而且相關(guān)生產(chǎn)設(shè)備類型逐漸增多，需要綜合各方面的考量，挑選比較適合的設(shè)備類型。

1 煤制甲醇合成 

     煤制甲醇是近些年我國一種相對成本較低的甲醇制作方式。甲醇本身有著較高的使用價(jià)值，同時(shí)也極具危險(xiǎn)性，常溫環(huán)境下，其為透明液相，存在一定的毒性，人體攝入 20~30 mL 就能造成失明。在該種甲醇合成工藝下，煤是關(guān)鍵的固體原料，制作流程涉及到氣化，經(jīng)過脫硫、脫碳等環(huán)節(jié)制成。在合成加工中，包含兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié) ：其一是煤氣化，把煤原料放在合適壓力和溫度條件下，讓其和氣化劑發(fā)生反應(yīng)后，輸出氣體。該步驟中出現(xiàn)的化學(xué)反應(yīng)均是吸熱的過程。所以，在溫度提高中，三種反應(yīng)隨之正方向變化。現(xiàn)實(shí)作業(yè)期間，通常會選擇往氣化爐內(nèi)注入空氣，保障反應(yīng)過程更加順利。其二是合成甲醇，由一氧化碳和氫得到甲醇。與此同時(shí)，還會有某些副反應(yīng)伴隨而行，出現(xiàn)某些雜質(zhì)。所以，實(shí)踐作業(yè)時(shí)，為提高甲醇產(chǎn)出率，會用到一些催化劑，推動化學(xué)反應(yīng)。另外，溫度條件需始終處于 300~400 ℃之間，使反應(yīng)速度達(dá)到要求。

2 煤氣化環(huán)節(jié)技術(shù)分析 

2.1 技術(shù)介紹 

     首先，固定床氣化，原料是長煙煤。該項(xiàng)技術(shù)是利用空氣與蒸汽、氧化劑，從而把煤轉(zhuǎn)化為一氧化碳、甲烷及氫氣等構(gòu)成的氣體，將該氣體當(dāng)成燃料釋放熱量。固定床氣化工藝下，要求氣化壓力達(dá)到 4 MPa ；作業(yè)溫度是 850~950 ℃之間；原料顆粒度處于4~28 mm ；氧氣使用量是 280~290 km³ ；一般單爐的生產(chǎn)水平是 600 t。

其次，流化床，將氣化劑注入氣化爐中，而后燃燒小粒徑碎煤，使燃料處于沸騰狀態(tài)，逐漸發(fā)生氣化反應(yīng)，形成的氣體與煤渣均通過爐下排掉， 由此所得的煤氣內(nèi)基本上沒有攜帶焦油類的成分。該項(xiàng)工藝要求的氣化壓力為 0.098 MPa ；作業(yè)溫度是 900 ℃ ；原料顆粒度是 1~9 mm ；氧氣使用量為302~318 km³；單爐生產(chǎn)力在 350~450 t 之間。

     最后，氣流床，其是借助氣化劑把煤粉帶進(jìn)氣化爐中，利用內(nèi)部高溫使煤粉瞬間燃燒，并釋放熱能，得到合成氣。因?yàn)闅饣癄t本身的溫度極高，煤粉反應(yīng)時(shí)長很短，通常在 3 s 左右就能結(jié)束氣化反應(yīng)。而且氣流床對添加煤炭類型無嚴(yán)格的制約，大多數(shù)煤種均能實(shí)施化學(xué)反應(yīng)。假設(shè)粒徑偏大，就要消耗相對偏長的氣化時(shí)間。但如果選擇小粒徑，便可明顯縮短反應(yīng)時(shí)間。

實(shí)踐生產(chǎn)中，一般會選擇小顆粒的原料，這樣不僅能節(jié)省時(shí)間成本，又可保障原料轉(zhuǎn)化率。此項(xiàng)工藝的氣化壓力標(biāo)準(zhǔn)是 3.6~6.3 MPa ；作業(yè)溫度為1 450~1 550 ℃之間 ；原料顆粒度不足 0.19 mm ；氧氣使用量是 312~318 lm³ ；單爐生產(chǎn)水平是 2 000 t。

2.2 對比優(yōu)劣 

     三項(xiàng)煤氣化技術(shù)使用裝置造價(jià)相對較高的為氣流床，最低廉的就是固定床，而按照原料轉(zhuǎn)化率來看，由高至低的順序是氣流床與固定床、流化床。其中，氣流床造價(jià)雖然相對偏高，但此項(xiàng)技術(shù)能借助升高作業(yè)溫度，加強(qiáng)對原料的處理力度，可保障轉(zhuǎn)化率超過 99%，使用其能夠彌補(bǔ)流化床的缺陷。

     除了造價(jià)成本方面的考量外，三者優(yōu)缺點(diǎn)各有不同。固定床相對適用于小型煤氣化長，能耗少、 初期投資低。但其缺陷也比較明顯，甲醇合成率有限，而且會對環(huán)境條件造成明顯影響，輸出氣體成分復(fù)雜。流化床則適用于中小規(guī)模煤氣化廠。這是由于其對原料沒有太大的要求，產(chǎn)出率也較高。但不足在于，氣化操作溫度不高，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率很難達(dá)到較高的水平。氣流床則比較適合大型的煤氣化廠，可以利用高溫條件處理原料，使轉(zhuǎn)化率明顯上升。

3 煤制甲醇合成技術(shù)設(shè)備選型 

     根據(jù)煤制甲醇的關(guān)鍵生產(chǎn)環(huán)節(jié)和現(xiàn)有煤氣化中相較佳的技術(shù)手段，下文從氣化以及合成兩個(gè)生產(chǎn)步驟入手，探討各自的設(shè)備選型問題。

3.1 氣化階段 

以氣流床為例，可選擇的工藝設(shè)備有：

     （1）干粉氣流床。這是近些年較為常見的氣化方法?，F(xiàn)有的干粉氣流床設(shè)備，技術(shù)參數(shù)略有不同。 ①把原料粉碎成 0.09 mm 的顆粒，保障其干燥的前提下放進(jìn)煤倉中，利用惰性氣體把煤粉轉(zhuǎn)移到氣化爐中。保持 1 400 ℃的高溫，爐內(nèi)氣體與煤粉發(fā)生反應(yīng)，而后把生成煤氣降溫至 300 ℃，通過除塵器清理氣體內(nèi)的雜物后，移送至氣化爐。②直接將不足 0.2 mm 粒徑煤粉倒進(jìn)氣化爐內(nèi)，保持 2.6~4 MPa 的爐內(nèi)壓力條件，最終借助激冷手段，使煤粉發(fā)生氣化，由此獲得甲醇。③借助冷激類熱回流的形式生產(chǎn)，基本原理和第一種氣流床相近，二者主要區(qū)別體現(xiàn)在，該種工藝設(shè)備的原料粒徑要求是0.075 mm，爐內(nèi)壓力要處于 3.6~4.2 MPa 之間，溫度保持 1 400 ℃。最終利用冷卻處理，獲得甲醇。此種氣化技術(shù)設(shè)備，能夠有效控制能耗，而且有助于弱化生產(chǎn)操作對環(huán)境的污染程度。

     （2）水煤漿氣流床。目前主要有兩種大規(guī)格的水煤漿氣化裝置，均是以激冷環(huán)節(jié)為主。①把水煤漿與氧氣一同添加到氣化爐內(nèi)，借助激冷形式實(shí)現(xiàn)氣化，得到甲醇。在數(shù)年優(yōu)化中，如今已經(jīng)被若干國家使用，我國就在其中。一般條件下，此項(xiàng)工藝設(shè)備應(yīng)用煤粉粒徑不能大于 0.2 mm，而氣化爐內(nèi)工作壓力處于 2.7~3.9 MPa 區(qū)間內(nèi)，由氣化爐內(nèi)導(dǎo)出媒體和熔渣。需特別介紹的是，氣化爐出口位置煤氣溫度應(yīng)保持在 215 ℃附近。② IGTI 氣化爐也用到水煤漿，整體運(yùn)行過程能分成兩個(gè)部分，即加熱、利用熱能實(shí)現(xiàn)煤漿氣化，最終把 1 000 ℃高溫煤氣快速冷卻，通過水脫獲得甲醇。

3.2 合成環(huán)節(jié) 

其一，水管式合成塔。

     該種合成設(shè)備能夠優(yōu)化換熱效果，傳熱管內(nèi)注入清水，在出現(xiàn)過剩能量的情況下，可以快速把其轉(zhuǎn)移到傳熱管上，得到中壓蒸汽，大約在 2.5~4 MPa 之間。同時(shí)，底層管內(nèi)會添加熱水，這樣能 提升傳熱系數(shù)，并控制傳熱范圍。如此運(yùn)行結(jié)構(gòu)下，合成塔可有效使用能源，避免額外消耗，其是部分工廠比較偏愛的合成塔設(shè)備類型。

其二，冷管式合成塔。

     該設(shè)備運(yùn)行原理和其他合成塔略有不同，其是借助調(diào)節(jié)冷氣支持合成甲醇，可以提高能源轉(zhuǎn)換率，設(shè)備內(nèi)件等同于在接觸模塊中增設(shè)換熱裝置。通常來說，該種合成塔中裝配的冷管也有不同，即逆流式、并流式與 U 構(gòu)造。第一種冷管是把熱度直接排除，和放熱之間存在克制的作用。而該種結(jié)構(gòu)還有不足，如果溫差偏高，則無法被用到合成甲醇的生產(chǎn)活動中。所以，相關(guān)廠家通常選擇其他兩種冷管形式，如此可預(yù)防大溫差帶來的一系列問題。另外，此種反應(yīng)塔屬于等溫作業(yè)，反應(yīng)過程較為接近最優(yōu)溫度線，出口處氨成分比重較大，實(shí)操穩(wěn)定、變化小。但缺陷也比較明顯，冷管本身的運(yùn)行效果會對煤還原有干擾，無法徹底展現(xiàn)出原料活性，而且煤裝卸與內(nèi)件安設(shè)都有一定操作難度。

其三，多床內(nèi)換熱式。

     在甲醇合成生產(chǎn)手段不斷優(yōu)化中，原本表現(xiàn)較佳的氨合成塔逐漸無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)要求，經(jīng)過合理化改造，便得到該種合成塔，而通過多床內(nèi)換熱類型的設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，其內(nèi)部設(shè)置換熱機(jī)構(gòu)，并能加入催化劑，試劑可用周期較長。其中的換熱裝置安設(shè)于合成大中央軸線處，具體裝在各自隔離的催化床處。該類合成塔中的換熱設(shè)備有列管與蛇管兩種，而且此種合成塔應(yīng)用優(yōu)勢較多，內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為簡單，由此使設(shè)備投資下降，同時(shí)在生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率方面的表現(xiàn)也比較優(yōu)異。但其缺陷也不容忽視，反應(yīng)物要經(jīng)過處理，才能形成中壓蒸汽。

其四，固定管板列管。

     和前文討論的水管式以及多床內(nèi)換熱兩種類型合成塔有差別，使用該種合成塔生產(chǎn)中，添加催化劑后，會與高溫水迅速反應(yīng)，得到中壓蒸汽，最終借助逆流換熱的形式，達(dá)到合成甲醇的目的，這樣能有效優(yōu)化能源轉(zhuǎn)換率。但此種合成塔設(shè)備由于會被管子長度與直徑尺寸的約束，使內(nèi)部結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜，如果僅設(shè)置一個(gè)此類合成塔，生產(chǎn)力水平就無法達(dá)到要求。假設(shè)要求每次合成甲醇都達(dá)到2 000 t，必須設(shè)置若干列管合成塔，通過并聯(lián)處理后，才能確保設(shè)備可以承載相應(yīng)的生產(chǎn)壓力，而且該種合成塔通常是合成不銹鋼材質(zhì)，鑒于材料本身的特殊性， 制作投入成本偏多，在甲醇合成量要求不斷增多中，列管合成塔便需隨之增加并聯(lián)數(shù)量，如此造成該類型合成塔是如今同類型設(shè)備中，投入最多的一種。

其五，冷激式。

     該種合成塔的出現(xiàn)時(shí)間最早，在合成塔通入冷氣后，會把內(nèi)部反應(yīng)熱量帶出。塔中反應(yīng)床上會設(shè)置若干絕熱段，相互之間均要通過添加低溫原料氣，整體反應(yīng)氣溫度布局不佳，當(dāng)甲醇產(chǎn)量要求一致的情況下，會消耗相對更多的催化劑。此類反應(yīng)塔裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，僅配備冷熱器的混合分布模塊，根據(jù)催化劑的實(shí)際添加量，合成塔便可應(yīng)用不同的次數(shù)，而且冷激氣調(diào)控較為便利。絕熱段部分的一個(gè)平面上，溫度條件相差無幾，還不用過于考量氣流阻力的問題。但該類合成塔也有較大不足，冷激氣僅具備降溫的功能，不涉及到催化劑反應(yīng)，同時(shí)出氣溫度和上述類型合成塔相比更低，造成熱回收效率不高，每進(jìn)行一次冷激，均會導(dǎo)致氨含量下降[2]。現(xiàn)如今，由于冷激式合成塔生產(chǎn)甲醇的效果過差，生產(chǎn)能力很低，市場上已經(jīng)被全面淘汰。

     通過分析現(xiàn)有的合成塔設(shè)備來看，冷管式以及冷激式本身的生產(chǎn)能力不高，無法適應(yīng)當(dāng)前市面上對甲醇成品的需要，因此，基本上已經(jīng)沒有工廠會選擇這兩種。而其他三類設(shè)備，在產(chǎn)量方面都有相對較好的表現(xiàn)，屬于較為流行的類型。相較而言，單就甲醇產(chǎn)量來看，固定管板列管類型的設(shè)備使用性能最好，但在實(shí)踐中要根據(jù)生產(chǎn)量要求，不斷增加并聯(lián)設(shè)備，使總投資量增加。其他兩類合成塔雖然產(chǎn)量有所不及，但造價(jià)更低，產(chǎn)量基本上也能滿足現(xiàn)代甲醇生產(chǎn)需要，因此比較適合大部分工廠選擇。

4 煤制甲醇合成技術(shù)設(shè)備選型問題與對策 

4.1 選型問題 

     由于生產(chǎn)設(shè)備選型的問題，使技術(shù)工藝不能完全發(fā)揮出自身的價(jià)值，因此若想提升甲醇合成效率，最根本的實(shí)現(xiàn)途徑是保障選型正確，如此才能提升原料的轉(zhuǎn)化率。如今，煤制甲醇技術(shù)有待繼續(xù)加深管理與探究，實(shí)踐選型時(shí)會有盲目性的問題，導(dǎo)致建成結(jié)果無法達(dá)到有關(guān)部門驗(yàn)收要求，不可投入到實(shí)際生產(chǎn)中。

     另外，有的選型項(xiàng)目未能注意到設(shè)備機(jī)組市場競爭力。因而，煤制甲醇生產(chǎn)設(shè)備選型需得到充分關(guān)注，保證裝置應(yīng)用效率，預(yù)防由于選型失敗，影響甲醇生產(chǎn)質(zhì)量。

4.2 應(yīng)對舉措 

     甲醇成品在現(xiàn)代諸多行業(yè)中均有舉足輕重的作用，各類衍生品也擁有良好的前景，可以進(jìn)一步提升甲醇使用價(jià)值。借此不斷提升相關(guān)行業(yè)部門與從業(yè)者對于煤制甲醇的關(guān)注，繼而合理增加設(shè)備選型經(jīng)費(fèi)。

另外，還應(yīng)注重政策引導(dǎo)。各級政府可以利用政策宏觀手段，對行業(yè)加以引導(dǎo)。根據(jù)規(guī)范化的建設(shè)路徑，保障生產(chǎn)裝置的使用效率，指導(dǎo)相關(guān)工廠選擇最適合的設(shè)備。而以企業(yè)工廠的角度來講，應(yīng)當(dāng)更新自身設(shè)備制造觀念，培養(yǎng)機(jī)械設(shè)備隊(duì)伍，并主動與高校、研究院等機(jī)構(gòu)合作。

5 結(jié)語 

     煤制甲醇生產(chǎn)活動中，氣化設(shè)備與合成塔選型是比較主要的前期建設(shè)問題，適宜設(shè)備在提高產(chǎn)出量的同時(shí)，還能控制生產(chǎn)過程中的能源消耗。綜上所述，氣流床是當(dāng)前比較適宜的氣化設(shè)備。合成塔的選型，除了冷管式與冷激式兩種外，其他三類需要企業(yè)工廠結(jié)合本身的生產(chǎn)需要深度考量。

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