煤氣化制甲醇的重要意義及基本的工藝流程

張念龍　李元柱

摘 要：甲醇作為一種極其重要的化工原料，對(duì)我國(guó)能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整和減輕能源緊缺壓力都有著極其深遠(yuǎn)的意義，本文概述了煤氣化制甲醇的重要意義以及煤制甲醇基本的工藝流程并指出如何根據(jù)實(shí)際情況來選擇合適的工藝流程。

關(guān)鍵詞：甲醇 氣化 合成 空分

一、煤氣化制甲醇的重要意義

作為一種傳統(tǒng)的化工原料，甲醇在化工行業(yè)中一直扮演著極其重要的角色。隨著油價(jià)的日益上漲和甲醇應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，甲醇及其衍生品的應(yīng)用也越來越受到人們的重視。在市場(chǎng)需求的推動(dòng)下，甲醇及其衍生物的生產(chǎn)迎來了發(fā)展的黃金時(shí)期。

在我國(guó)，80%以上的甲醇來源于煤炭轉(zhuǎn)化，充足的煤炭供應(yīng)是甲醇經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。據(jù)國(guó)有資產(chǎn)管理委員會(huì)發(fā)布的數(shù)據(jù)，我國(guó)累計(jì)探明可供建井的煤炭?jī)?chǔ)量多達(dá)2000多億噸，占全國(guó)已探明儲(chǔ)量的90%以上，按近些年平均20億噸/年的開采量計(jì)算，僅目前探明的儲(chǔ)量就可以開采一百年以上。

甲醇作為極其重要的一種化工原料，其下游衍生品也很豐富，這也是煤基甲醇化工可以代替部分石油化工的原因。傳統(tǒng)工藝上甲醇可以用來生產(chǎn)甲醛、合成橡膠、甲基叔丁基醚、對(duì)苯二甲酸二甲脂、氯甲烷、甲基丙烯酸甲脂、醋酸、甲胺等一系列有機(jī)化工產(chǎn)品。

除了傳統(tǒng)應(yīng)用，甲醇化工應(yīng)用技術(shù)近期還取得了不少新的突破。中科院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所和上海金煤化工合作研發(fā)的煤基甲醇制乙二醇技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位，并成功應(yīng)用于內(nèi)蒙古通遼經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)已開工的20萬(wàn)噸/年乙二醇項(xiàng)目。神華集團(tuán)的百萬(wàn)噸級(jí)甲醇制烯烴項(xiàng)目運(yùn)行平穩(wěn)，兗礦集團(tuán)國(guó)宏化工有限責(zé)任公司的甲醇制二甲醚的項(xiàng)目也將于近期開工。

除了化工應(yīng)用外，甲醇作為替代燃料近年來發(fā)展也很迅猛，源于甲醇的替代燃料主要包括甲醇摻混汽油、甲醇制汽油和燃料電池等。 甲醇摻混汽油是指在汽油中摻入5%、15%、25%和85%等不同比例的甲醇。07年8月份，奇瑞甲醇燃料汽車的技術(shù)改造基本完成，由奇瑞研制的10輛M85高比例甲醇燃料樣車已在山西進(jìn)入試用階段。而早在2005年10月至2006年6月，山西省已在陽(yáng)泉、臨汾、晉城進(jìn)行M15低比例甲醇汽油的試點(diǎn)封閉運(yùn)作?，F(xiàn)在，兗礦集團(tuán)國(guó)宏化工有限責(zé)任公司的甲醇汽油項(xiàng)目已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，并且收益很高。

此外，甲醇制汽油（MTG）也是甲醇燃料應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一。除了埃克森美孚公司的二步法MTG技術(shù)，中科院山西煤化所與化學(xué)工業(yè)第二設(shè)計(jì)院共同開發(fā)的一步法甲醇轉(zhuǎn)化制備汽油技術(shù)，已在其能源化工中試基地完成中試。與?？松梨诠镜募夹g(shù)相比，國(guó)產(chǎn)技術(shù)具有汽油選擇性高，工藝流程短，單程壽命長(zhǎng)和催化劑穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)[1]。

二、煤制甲醇基本的工藝及設(shè)備介紹

1.煤炭的氣化

煤氣化技術(shù)是煤制甲醇工藝中的關(guān)鍵性。目前，國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的煤氣化技術(shù)主要包括：荷蘭Shell公司的SCGP粉煤加壓氣化工藝、德國(guó)未來能源公司的GSP粉煤加壓氣化技術(shù)、美國(guó)Texaco公司德士古氣化工藝、德國(guó)Lurgi公司的Lurgi塊煤加壓氣化工藝等，本文以德士古氣化工藝為例進(jìn)行氣化工藝的介紹。

1.1煤漿制備

由輸送系統(tǒng)送來的原料煤干基（<25mm）送至煤斗，經(jīng)稱重給料機(jī)控制輸送量，進(jìn)入棒磨機(jī)，并加一定量的水，并加入一定量的添加劑，在棒磨機(jī)中進(jìn)行濕磨。為了調(diào)整煤漿的PH值，還要加入一定量的堿液。出棒磨機(jī)的煤漿濃度為65%左右，然后經(jīng)出口槽泵加壓后送至氣化工段煤漿槽。濕法磨煤，可防止粉塵飛揚(yáng)，環(huán)境好。為了降低煤漿粘度，使煤漿具有良好的流動(dòng)性，需加入添加劑，初步選木質(zhì)磺酸類添加劑。

1.2氣化

在本工段，水煤漿與氧進(jìn)行部分氧化反應(yīng)制得粗合成氣。

煤漿由煤漿槽經(jīng)煤漿加壓泵加壓后連同空分送來的高壓氧通過燒嘴進(jìn)入氣化爐，在氣化爐中煤漿與氧氣發(fā)生主要反應(yīng)如下：

CmHnSr+m/2O2→mCO+（n/2-r）H2+rH2S

CO+H2O→H2+CO2

氣化反應(yīng)在氣化爐反應(yīng)段瞬間完成，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等氣體。

離開氣化爐反應(yīng)段的熱氣體和熔渣進(jìn)入激冷室水浴，被水淬冷后溫度降低并被水蒸汽飽和后出氣化爐；氣體經(jīng)文丘里洗滌器、碳洗塔洗滌除塵冷卻后送至變換工段。

氣化爐反應(yīng)中生成的熔渣進(jìn)入激冷室水浴后被分離出來，排入鎖斗，定時(shí)排入渣池，由扒渣機(jī)撈出后裝車外運(yùn)。

1.3 灰水處理

將氣化來的黑水進(jìn)行渣水分離，處理后的水循環(huán)使用。

1.4 CO變換

將氣體中的CO部分變換成H2。發(fā)生的的化學(xué)反應(yīng)為變換反應(yīng)，以下列方程式表示：

CO+H2O→H2+CO2

2.合成氣的凈化

本工段采用低溫甲醇洗工藝脫除變換氣中CO2、全部硫化物、其它雜質(zhì)和H2O。低溫甲醇洗工藝是使用物理吸收法的酸性氣體凈化技術(shù)，使用冷甲醇作為酸性氣體的吸收液，利用甲醇在零下60℃左右的低溫下對(duì)酸性氣體溶解度特別大的性質(zhì)，分段選擇性地吸收原料氣中的CO2、H2S及各種有機(jī)硫等雜質(zhì)，低溫甲醇洗工藝一般有林德和魯奇兩種，二者基本原理相同，并且技術(shù)都很成熟，只是在工程實(shí)施、工藝流程設(shè)計(jì)和設(shè)備設(shè)計(jì)上各有特點(diǎn)。

3.甲醇的合成

國(guó)內(nèi)外使用的甲醇合成塔主要有冷管式、冷激式、固定管板列管式水管式和多床內(nèi)換熱式合成塔。冷激式合成塔碳轉(zhuǎn)化率太低，能耗高，已基本淘汰：冷管式合成塔碳轉(zhuǎn)化率較高但副產(chǎn)的蒸汽僅為0.4MPa，大型裝置中很少采用；水管式合成塔傳熱系數(shù)較高，能更好地移走反應(yīng)熱，縮小傳熱面積，并能多裝催化劑，同時(shí)可副產(chǎn)中壓蒸汽，是大型化較理想的塔型，在60萬(wàn)t以上大型裝置應(yīng)用較為廣泛；固定管板由于列管需用特種的不銹鋼，因而造價(jià)最高；多床內(nèi)換熱式合成塔由大型氨合成塔發(fā)展而來，目前氨合成塔均采用三床（四床）內(nèi)換熱式合成塔。

4.甲醇的精餾

甲醇的精餾工藝，主要有ICI的兩塔流程和Lurgi三塔流程兩種。ICI兩塔工藝雖然工藝流程簡(jiǎn)單、裝置投資省，但是能耗相對(duì)較高；而Lurgi三塔精餾工藝流程雖然相對(duì)較長(zhǎng)，但操作能耗較ICI兩塔工藝流程低。從投資和能耗等方面來綜合考慮，對(duì)大、中型甲醇精餾裝置，三塔精餾工藝優(yōu)點(diǎn)更加明顯。主要原因在于三塔型工藝流程設(shè)置有一個(gè)加壓操作（壓力為0.6～0.7 MPa）的主精餾塔，加壓塔塔頂甲醇蒸汽冷凝熱可以用作常壓精餾塔塔底再沸器熱源，減少了水蒸汽和冷卻水消耗，從而使得精餾過程總的能耗可比二塔流程低20%～30%。

從清潔環(huán)保角度來講，也應(yīng)該采取三塔精餾工藝。目前在原來三塔精餾的基礎(chǔ)上又增加了回收塔，這進(jìn)一步提高回收常壓精餾塔塔底排出的含有少量甲醇的廢水的能力，提高了產(chǎn)品收率并減少?gòu)U水污染物產(chǎn)生量。

三、甲醇生產(chǎn)工藝的選擇

甲醇的生產(chǎn)現(xiàn)已大規(guī)模連續(xù)化，生產(chǎn)過程中要求合成氣中（H2+CO）含量高，要求煤氣化工藝更成熟可靠，效率更高。結(jié)合產(chǎn)品的質(zhì)量要求、環(huán)境友好以及不同工藝設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，煤制甲醇工藝的選擇應(yīng)依據(jù)以下原則：

1.適用性，不同的煤氣化技術(shù)適用于不同的煤種，硬根據(jù)所用煤的質(zhì)量、性質(zhì)、品種等選擇合適的煤氣化工藝及后續(xù)工藝。

2.可靠性，技術(shù)必須成熟可靠，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)能力的前提下，設(shè)備裝置應(yīng)能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

3.先進(jìn)性，先進(jìn)性體現(xiàn)在產(chǎn)品質(zhì)量性能、設(shè)備水平和工藝水平等方面，先進(jìn)性決定項(xiàng)目的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，應(yīng)全面研究工藝技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，深入探討是否可以采用更為先進(jìn)的工藝技術(shù)。

4.經(jīng)濟(jì)性，要求所才用技術(shù)設(shè)備運(yùn)行和維護(hù)成本低、投資省、消耗低。

5.安全環(huán)保性，煤化工生產(chǎn)過程容易產(chǎn)生大量煤粉、“三廢”等污染物，應(yīng)選用安全環(huán)保的工藝進(jìn)行安全、清潔生產(chǎn)[2]。

四、結(jié)語(yǔ)

甲醇用作燃料，排放氣中的一氧化碳，氮氧化物等含量降低，是一種環(huán)境友好的燃料，尤為重要的是，對(duì)于我國(guó)來說，能夠降低對(duì)石油的依賴程度，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)。但是在甲醇生產(chǎn)工藝選擇上，一定要根據(jù)實(shí)際情況，遵循適用、安全可靠、經(jīng)濟(jì)環(huán)保、技術(shù)先進(jìn)的原則。

參考文獻(xiàn)

[1] 詠梅 劉付亮.煤制甲醇燃料的發(fā)展及前景分析[J].煤礦現(xiàn)代化，2001，96（3）：7～9 .

[2] 任光. 煤制甲醇過程中煤氣化技術(shù)的選取[J]. 同煤科技，2010，6：39～42..