煤制甲醇合成工藝設備的選型探討

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 

      甲醇能用在生產硫酸二甲酯以及甲醛等諸多物質中，并且還是醫(yī)療與農業(yè)等領域一種關鍵的原料。如今，生產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，煤制甲醇是最為經濟的形式，而且相關生產設備類型逐漸增多，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值，同時也極具危險性，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，煤是關鍵的固體原料，制作流程涉及到氣化，經過脫硫、脫碳等環(huán)節(jié)制成。在合成加工中，包含兩個關鍵環(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)生反應后，輸出氣體。該步驟中出現的化學反應均是吸熱的過程。所以，在溫度提高中，三種反應隨之正方向變化。現實作業(yè)期間，通常會選擇往氣化爐內注入空氣，保障反應過程更加順利。其二是合成甲醇，由一氧化碳和氫得到甲醇。與此同時，還會有某些副反應伴隨而行，出現某些雜質。所以，實踐作業(yè)時，為提高甲醇產出率，會用到一些催化劑，推動化學反應。另外，溫度條件需始終處于 300~400 ℃之間，使反應速度達到要求。

2 煤氣化環(huán)節(jié)技術分析 

2.1 技術介紹 

     首先，固定床氣化，原料是長煙煤。該項技術是利用空氣與蒸汽、氧化劑，從而把煤轉化為一氧化碳、甲烷及氫氣等構成的氣體，將該氣體當成燃料釋放熱量。固定床氣化工藝下，要求氣化壓力達到 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，形成的氣體與煤渣均通過爐下排掉， 由此所得的煤氣內基本上沒有攜帶焦油類的成分。該項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；單爐生產力在 350~450 t 之間。

     最后，氣流床，其是借助氣化劑把煤粉帶進氣化爐中，利用內部高溫使煤粉瞬間燃燒，并釋放熱能，得到合成氣。因為氣化爐本身的溫度極高，煤粉反應時長很短，通常在 3 s 左右就能結束氣化反應。而且氣流床對添加煤炭類型無嚴格的制約，大多數煤種均能實施化學反應。假設粒徑偏大，就要消耗相對偏長的氣化時間。但如果選擇小粒徑，便可明顯縮短反應時間。

實踐生產中，一般會選擇小顆粒的原料，這樣不僅能節(jié)省時間成本，又可保障原料轉化率。此項工藝的氣化壓力標準是 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 ；單爐生產水平是 2 000 t。

2.2 對比優(yōu)劣 

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

     除了造價成本方面的考量外，三者優(yōu)缺點各有不同。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，產出率也較高。但不足在于，氣化操作溫度不高，導致轉化率很難達到較高的水平。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，使轉化率明顯上升。

3 煤制甲醇合成技術設備選型 

     根據煤制甲醇的關鍵生產環(huán)節(jié)和現有煤氣化中相較佳的技術手段，下文從氣化以及合成兩個生產步驟入手，探討各自的設備選型問題。

3.1 氣化階段 

以氣流床為例，可選擇的工藝設備有：

     （1）干粉氣流床。這是近些年較為常見的氣化方法?，F有的干粉氣流床設備，技術參數略有不同。 ①把原料粉碎成 0.09 mm 的顆粒，保障其干燥的前提下放進煤倉中，利用惰性氣體把煤粉轉移到氣化爐中。保持 1 400 ℃的高溫，爐內氣體與煤粉發(fā)生反應，而后把生成煤氣降溫至 300 ℃，通過除塵器清理氣體內的雜物后，移送至氣化爐。②直接將不足 0.2 mm 粒徑煤粉倒進氣化爐內，保持 2.6~4 MPa 的爐內壓力條件，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，基本原理和第一種氣流床相近，二者主要區(qū)別體現在，該種工藝設備的原料粒徑要求是0.075 mm，爐內壓力要處于 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。此種氣化技術設備，能夠有效控制能耗，而且有助于弱化生產操作對環(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，借助激冷形式實現氣化，得到甲醇。在數年優(yōu)化中，如今已經被若干國家使用，我國就在其中。一般條件下，此項工藝設備應用煤粉粒徑不能大于 0.2 mm，而氣化爐內工作壓力處于 2.7~3.9 MPa 區(qū)間內，由氣化爐內導出媒體和熔渣。需特別介紹的是，氣化爐出口位置煤氣溫度應保持在 215 ℃附近。② IGTI 氣化爐也用到水煤漿，整體運行過程能分成兩個部分，即加熱、利用熱能實現煤漿氣化，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。

     該種合成設備能夠優(yōu)化換熱效果，傳熱管內注入清水，在出現過剩能量的情況下，可以快速把其轉移到傳熱管上，得到中壓蒸汽，大約在 2.5~4 MPa 之間。同時，底層管內會添加熱水，這樣能 提升傳熱系數，并控制傳熱范圍。如此運行結構下，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備類型。

其二，冷管式合成塔。

     該設備運行原理和其他合成塔略有不同，其是借助調節(jié)冷氣支持合成甲醇，可以提高能源轉換率，設備內件等同于在接觸模塊中增設換熱裝置。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。而該種結構還有不足，如果溫差偏高，則無法被用到合成甲醇的生產活動中。所以，相關廠家通常選擇其他兩種冷管形式，如此可預防大溫差帶來的一系列問題。另外，此種反應塔屬于等溫作業(yè)，反應過程較為接近最優(yōu)溫度線，出口處氨成分比重較大，實操穩(wěn)定、變化小。但缺陷也比較明顯，冷管本身的運行效果會對煤還原有干擾，無法徹底展現出原料活性，而且煤裝卸與內件安設都有一定操作難度。

其三，多床內換熱式。

     在甲醇合成生產手段不斷優(yōu)化中，原本表現較佳的氨合成塔逐漸無法滿足現代生產要求，經過合理化改造，便得到該種合成塔，而通過多床內換熱類型的設備進行生產，其內部設置換熱機構，并能加入催化劑，試劑可用周期較長。其中的換熱裝置安設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備有列管與蛇管兩種，而且此種合成塔應用優(yōu)勢較多，內部結構極為簡單，由此使設備投資下降，同時在生產轉化率方面的表現也比較優(yōu)異。但其缺陷也不容忽視，反應物要經過處理，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換熱兩種類型合成塔有差別，使用該種合成塔生產中，添加催化劑后，會與高溫水迅速反應，得到中壓蒸汽，最終借助逆流換熱的形式，達到合成甲醇的目的，這樣能有效優(yōu)化能源轉換率。但此種合成塔設備由于會被管子長度與直徑尺寸的約束，使內部結構極為復雜，如果僅設置一個此類合成塔，生產力水平就無法達到要求。假設要求每次合成甲醇都達到2 000 t，必須設置若干列管合成塔，通過并聯(lián)處理后，才能確保設備可以承載相應的生產壓力，而且該種合成塔通常是合成不銹鋼材質，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)數量，如此造成該類型合成塔是如今同類型設備中，投入最多的一種。

其五，冷激式。

     該種合成塔的出現時間最早，在合成塔通入冷氣后，會把內部反應熱量帶出。塔中反應床上會設置若干絕熱段，相互之間均要通過添加低溫原料氣，整體反應氣溫度布局不佳，當甲醇產量要求一致的情況下，會消耗相對更多的催化劑。此類反應塔裝置結構比較簡單，僅配備冷熱器的混合分布模塊，根據催化劑的實際添加量，合成塔便可應用不同的次數，而且冷激氣調控較為便利。絕熱段部分的一個平面上，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，同時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，每進行一次冷激，均會導致氨含量下降[2]?，F如今，由于冷激式合成塔生產甲醇的效果過差，生產能力很低，市場上已經被全面淘汰。

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

4 煤制甲醇合成技術設備選型問題與對策 

4.1 選型問題 

     由于生產設備選型的問題，使技術工藝不能完全發(fā)揮出自身的價值，因此若想提升甲醇合成效率，最根本的實現途徑是保障選型正確，如此才能提升原料的轉化率。如今，煤制甲醇技術有待繼續(xù)加深管理與探究，實踐選型時會有盲目性的問題，導致建成結果無法達到有關部門驗收要求，不可投入到實際生產中。

     另外，有的選型項目未能注意到設備機組市場競爭力。因而，煤制甲醇生產設備選型需得到充分關注，保證裝置應用效率，預防由于選型失敗，影響甲醇生產質量。

4.2 應對舉措 

     甲醇成品在現代諸多行業(yè)中均有舉足輕重的作用，各類衍生品也擁有良好的前景，可以進一步提升甲醇使用價值。借此不斷提升相關行業(yè)部門與從業(yè)者對于煤制甲醇的關注，繼而合理增加設備選型經費。

另外，還應注重政策引導。各級政府可以利用政策宏觀手段，對行業(yè)加以引導。根據規(guī)范化的建設路徑，保障生產裝置的使用效率，指導相關工廠選擇最適合的設備。而以企業(yè)工廠的角度來講，應當更新自身設備制造觀念，培養(yǎng)機械設備隊伍，并主動與高校、研究院等機構合作。

5 結語 

     煤制甲醇生產活動中，氣化設備與合成塔選型是比較主要的前期建設問題，適宜設備在提高產出量的同時，還能控制生產過程中的能源消耗。綜上所述，氣流床是當前比較適宜的氣化設備。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)工廠結合本身的生產需要深度考量。

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