氮气工况与二氧化碳工况对煤制甲醇的影响研究

孙雅利

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037001)

引 言

随着时代的发展，我国对能源的关注程度逐渐提升，为了保证能源的充足性，需要利用目前我国的现有能源，制备出另一种能源，在此过程中既要保证质量，又要避免对环境产生污染。针对煤制甲醇，研究氮气情况下以及二氧化碳情况下对煤制甲醇的影响，进而确定一种高效环保的煤制甲醇方式，实现煤制甲醇的稳定发展。

1 煤制甲醇的生产工艺

煤制甲醇的生产工艺，主要包括以下几方面内容。

第一，煤制气生产工艺，该工艺在实际开展的过程中，主要使用粉煤加压气化技术，反应环境需要符合高温以及高压的标准，煤粉以及氧气、蒸汽等在加压的环境下进入气化炉中，进而在短时间内完成一系列的物理反应以及化学反应，其中主要包括升温、挥发、裂解以及燃烧等。气化炉中的温度较高，因此在反应过程中，反应物主要以燃烧为主，气化炉中氧气耗尽之后，碳会出现各种转化反应，整个反应进入到气化反应的阶段，最终生成CO以及H2。

第二，煤制甲醇中的变换工艺，变换工艺主要使用串联三台变换炉部分变化技术，CO的变化过程属于可逆的放热反应，原料中45%的合成气进入到第一个变换炉中，30%的粗合成气进入到第二变化炉中，原料中25%的合成气进入到第三变化炉中。在进入达到第三变化炉之前，需要将第二变化炉气体与出口变换气相互混合，这种方式能够保证变换的一氧化碳量在安全的范围之内。

2 氮气工况对煤制甲醇的影响

2.1 对变换效率的影响

在煤制甲醇的初始阶段，N2是煤粉的主要输送载体，由于N2的化学性质较为稳定，因此在气化炉中无法与其他气体相互反应，进而对粗煤气的气体成分产生影响，通常情况下，粗煤气中N2的含量在10%左右，正是由于粗煤气中N2的含量较高，则在变换炉变化的过程中，无法与催化剂进行成分接触。面对这种情况，要想保证煤制甲醇制备质量，需要提升变换炉的入口温度，长时间之后，变化炉中催化剂的寿命将会降低，最终产出二氧化碳含量也会降低10%，严重影响下一工艺的实施质量。

2.2 对低温甲醇洗的影响

氮气工况下变换气在进入低温甲醇洗阶段之后，由于变换气中气体组成二氧化碳的含量小于标准含量，但是其中N2的含量大于标准含量，因此气体在进入吸收塔之后，导致吸收甲醇的饱和度较低，在气提时，释放出的冷量较少，导致整个低温甲醇洗的温度高于正常温度，低温甲醇洗装置在运行中的能耗量也会提升，无形之中增加了煤制甲醇成本。而在硫回收阶段，炉膛的温度较高，导致这种现象出现的主要原因就是，二氧化碳的含量较少，因此在热交换的过程中，克劳斯气体中甲醇含量较高，因此导致炉膛温度整体较高。

2.3 对合成质量的影响

低温甲醇洗净化之后的气体，无法对N2展开分离，经过压缩之后直接进入到合成系统中。由于其中存在较高含量的氮气，因此无法合成甲醇，而N2堆积在合成回路中，在成整个合成系统的压力较高，合成塔08R002的压差也较高，为了保证煤制甲醇安全，则需要对合成系统展开放气处理，缓解合成系统在实际运行中的压力。在此过程中，大量的合成气体被放入到火炬系统中，造成浪费的情况出现，同时还提升了煤制甲醇中合成气体的使用量。由此可以看出，在氮气工况中，煤制甲醇过程中的浪费情况较为严重，最终的合成效率并不高，整体的煤制甲醇应用价值较低[1]。

3 二氧化碳工况对煤制甲醇的影响

3.1 二氧化碳工况的切换

在将工况切换成CO2之后，煤制甲醇中N2的含量降到了15%左右，在切换之前，汽化炉的负荷为80%，二氧化碳压缩机运行之后，V3051转换成了CO2，氧煤比需要根据氧负荷情况撒曲线对其展开调节。在实际切换的过程中，烧嘴中的水氧比并没有出现变化，氧煤比降低，汽化炉中的蒸汽含量提升，这种现象出现的主要原因就是，在实际反应中，煤流量减低，氧煤比提升。氮气的含量降低，CO2的含量提升，CO2会与煤粉发生反应，因此炉中的温度还会提升。在这种条件下，CO2在输送煤粉的过程中，提升了CO在炉内的反应速率，能够促进接下来煤制甲醇工艺的实施，降低氮气使用数量的同时，还能够提升煤制甲醇效率。N2以及CO2工况的切换，如表1所示。

表1 为氮气以及二氧化碳工况的切换

3.2 对变换装置的影响

由于在煤制甲醇中，CO的含量提升，整个变化炉中的温度也得到了提升，在此过程中可以通过TV04005调节阀对温度展开调节，进而对变化炉中的温度展开控制。二氧化碳工况与氮气工况相比，需要适当降低变炉的入口温度，同时稳定床层的温度，通常情况下，出口的温度需要控制在400 ℃左右，通过TV04008对二变的温度展开调节，使二变出口温度在380 ℃左右，使用TV04010对三变温度展开调节，使出口温度在380 ℃以下。另外，还要对一变炉的变化率进行控制，每个变炉中使用的控制设备都不同，在三变炉中，氢碳比例需要控制在20%左右，进而保证煤制甲醇的效率。煤制甲醇脱硫示意图，如图1所示。

图1 煤制甲醇脱硫示意图

3.3 对低温甲醇洗装置的影响

在二氧化碳工况下，由于整个系统智能CO2的含量提升，氮气的含量降低，因此在进入吸收塔之后，低温甲醇能够对CO2展开充分吸收，提升自身的饱和度，同时还能够对净化气中二氧化碳的含量展开调节，进而满足CO2含量的要求，最终将CO2的含量控制在2%左右。高饱和度的二氧化碳甲醇在实际反应中，能够释放较多含量的CO2，并且释放相应的能量。在利用绕管式原料气换热器展开换热的过程中，其中回收的冷量能够降低原料气中的温度，TI05012的温度降到-25 ℃左右，这种情况能够降低甲醇在反应中的循环量，导致05C003塔中的二四段、二五段经过氮气气体，得到相应的低温甲醇，在此基础上，使用换热器再生热量，甲醇TI05018的温度在-50 ℃左右，在这种模式下生成的甲醇，更容易对酸气体展开洗涤。05C003塔中的上段气体与克劳斯气体换热之后，TI05052的温度在-37 ℃左右，克劳斯气体中的甲醇含量较低，能够为接下来的硫回收提供良好条件，另外，煤制甲醇中的CO2，在压缩之后，还能够进入煤制甲醇的在气化装置中，以便再次利用，这种方式能够大大降低CO2在煤制甲醇中的使用数量，进而降低煤制甲醇成本[2]。

3.4 对煤制甲醇合成装置的影响

煤制甲醇中的低温甲醇洗工段，加煤制甲醇中的合成气体经过压缩机进行合成，最终完成煤制甲醇。由于合成气中氮气的含量在1%左右，CO2的含量为2%，氢气回收单元中FI11001中的放气量也会降低，从最初氮气工况中的26 080 m3/h降到了13 053 m3/h。渗透气量在氮气工况为6 874 m3/h，在二氧化碳工况中，渗透气量的为12 800 m3/h，在二氧化碳工况中，煤制甲醇能够降低副反应的出现概率，同时还能够提升最终煤制甲醇的合成质量，避免在合成系统中出现长碳链，保证合成塔中温度的稳定性，进而提升催化剂的使用寿命。将CO2作为煤粉的载体，能够大大提升煤制甲醇的反应效率以及制备质量。

通过以上分析能够得出，在二氧化碳工况下，煤制甲醇的整体合成效率较高，CO2是煤制甲醇中的重要气体，其在实际应用中，既能作为煤粉的输送载体，又能够提升粗煤气的合成质量，降低最终CO2的排放量，整个过程具有较强的节能环保性。在降低煤制甲醇综合成本的同时，保证了煤制甲醇质量，与氮气工况相比，无论是在成本方面、合成效率方面，二氧化碳工况的煤制甲醇工艺都具备较高的应用价值，因此在实际煤制甲醇生产的过程中，合成人员需要使用CO2作为煤粉的载体，同时这也是煤制甲醇未来的主要发展方向[3]。

4 结语

随着人们对煤制甲醇的关注程度逐渐提升，如何保证煤制甲醇质量，成为有关人员关注的重点问题。通过研究N2与CO2对煤制甲醇的影响发现，对其进行研究，能够大大提升煤制甲醇质量，同时还能够降低煤制甲醇过程中的污染程度。由此可以看出，研究N2以及CO2对煤制甲醇的影响，能够为今后煤制甲醇的发展奠定基础。