煤制甲醇工艺流程及离心压缩机应用

关庆男

摘要：煤制甲醇装置具有工艺流程长，工艺结构复杂的特点。该装置整个工艺流程涉及的各压缩机工作条件及介质组份均不同，其研制涉及流体力学、结构及转子动力学、机械设计与制造、材料学等多种学科，设计、制造难度大。本文结合离心压缩机应用进行了分析。

关键词：煤制甲醇生产;离心压缩机;应用

随着当今世界石油资源的日益减少和甲醇单位生产成本的降低，发展使用甲醇作为新的代替燃料已经成为一种趋势。近年来，我国石油天然气进口量逐年增加，对外依存度很高。石油天然气供给不足严重威胁着我国经济和社会发展，使用我国资源丰富的煤取代石油天然气作为化工原料，是解决我国能源问题的途径之一，而“煤制甲醇”是目前我国煤化工发展的主流方向。

一、煤制甲醇工艺流程

甲醇是最简单的饱和醇，其工艺流程大致如下：

1.气化将原料煤加水连同空分送来的高压氧，在气化炉中发生反应生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等气体。本工艺流程一般配置空分装置;在煤气化过程中，有时要用高压CO2载体输送煤粉进气化炉。在气化炉中煤浆与氧发生如下主要化学反应：

CmHnSr+m/2O2→inCO+（n/2-r）H2+rH2SCO+H2O→H2+CO2

氣化反应在气化炉反应段瞬间完成，生成CO、H2、CO2、H2O和少量CH4、H2S等气体。离开气化炉反应段的热气体和熔渣进入激冷室水浴，被水淬冷后温度降低并被水蒸气饱和后出气化炉;气体经文丘里洗涤器、碳洗塔洗涤除尘冷却后送至变换工段。

2.变换由于气化工段H2含量不足，所以在本工段将气体中的CO部分变换成H2.主要化学反应为：CO+H2O→H2+CO2

3.低温甲醇洗本工段采用低温甲醇洗工艺脱除变换气中CO2、全部硫化物、其他杂质和H2O。主要包括吸收系统、溶液再生系统和压缩制冷系统。

4.甲醇合成及精馏经甲醇洗脱硫脱碳净化后的合成气，经过甲醇合成气压缩机压缩后进入反应器进行甲醇合成，CO和H2在Cu-Zn催化剂作用下，合成粗甲醇，粗甲醇从甲醇分离器底部排出，经甲醇膨胀槽减压释放出溶解气后送往甲醇精馏工段制得精甲醇。

5.空分装置煤气化需要空分装置的氧气，空分装置主要包括分子筛净化空气、空气增压、氧气和氮气内/外压缩流程等。原料空气自吸入口吸入，经自洁式空气过滤器除去灰尘及其他机械杂质。过滤后的空气进入离心式空压机经压缩机压缩到约0.57MPa（A），然后进入空气冷却塔冷却。经空冷塔冷却后的空气进入切换使用的分子筛纯化器，空气中的二氧化碳、碳氢化合物和水分被吸附。净化后的空气抽出一小部分，作为仪表空气和工厂空气。其余空气借助空气增压机及膨胀机等设备，在换热器和精馏塔内冷却液化馏分，制得液氧、液氮，然后根据具体工艺需要送至各种场合。以上所述为煤制甲醇的工艺流程的简介，其中，用到的主要压缩机情况如下：空分装置中用了空压机、增压机、氧压机及氮压机;低温甲醇洗工艺中需要丙烯或氨制冷压缩机;甲醇合成工段的合成气压缩机;气化工段需要二氧化碳压缩机。

二、煤制甲醇工艺流程中离心压缩机应用

1.空分装置压缩机。空分装置的压缩机主要包括空压机组以及空气增压机组还有氧气、氮气压缩机组。其中根据空分装置的实际制氧需求不同，制氧量也存在较大的差异，所以可以采用不同的系列压缩机进行处理，不同的模式结构差异不大，主要通过齿轮增速整体组装的方式来实现其功能。在制氧要求不高于6万m3/h的情况下，空压机可以采用MCO的模式，该模式属于单缸单轴多级结构，可以划分为三段、四段进行压缩，配备有级间冷却器，同时带有入口导叶装置，便于对流量进行调整。该设备采用了首级半开放的模式，而其他级则采用了封闭式的叶轮，这样效率相对更高。空气增压机组的出口压力较高，所以需要选择性能较强的压缩机组设备。可以选择单轴系列的三段压缩模式，课题采用锻钢机壳，设备的密封性良好且机械性能较强，同时内机壳可以采用铸钢的模式，这样综合加工性能优异且针对性更强。平衡盘密封时可以采用蜂窝密封的方式，能够有效避免气体激震的问题。氧气本身具有较强的氧化作用，所以在氧气压缩机组的设计时应该避免强氧化作用带来的安全影响和设备隐患。在氧压缩机机组当中，内壁的通道与氧气接触的碳钢零件表面都需要进行镀铜防锈处理，这样可以有效防止机壳生锈，同时也能够避免高温高压的氧气接触出现异常燃烧的问题，有效提升设备的可靠性。氮气压缩机机组的设计工艺差异较大，不过机理与空气增压设备类似，虽然不存在氮气介质问题，但是当压力较高时，会出现泄漏量升高的问题，所以还是需要选择更安全的碳环密封模式进行处理。

2.合成气压缩机。合成气压缩机选择机型以及系统的稳定性对于整个甲醇工艺流程都会产生较大的影响。一般来说，需要根据实际的生产需要与设备规模来进行选择。在合成气压缩机的压力调整到合适的状态时，应该能够正好适应生产的负荷强度要求，入口的压力为2～5Mpa的情况均可。在同样的装置规模下，压缩机也会表现出完全不同的状态。合成段气体以及循环段气体根据流程都可以在压缩机的缸外进行混合，随后被送入到工艺流程当中，这个过程中压缩机的缸体内部也可以进行混合，随后一起送出到工艺流程当中。

3.制冷压缩机。在低温清洗单元，由于需要较低的环境温度，所以需要借助于制冷压缩机的帮助。常规制冷剂一般选取丙烯或者氨气，蒸发温度为零下40℃左右，在液粒分离后进入到压缩机当中，释放出冷凝压力，随后进入到冷凝器当中。在制冷过程中，通过完整的制冷系统可以给甲醇创造较低的环境温度，同时也可以根据设备的规模来选择冷量，中间根据实际的蒸发情况来选择合适的装备。在冷量增加时，压缩机的机型会增大，相应的成本也会增加，所以选择合适的装置才能够取得良好的经济效益。

由于我国煤储藏量远比石油和天然气多得多，因此从煤出发制合成气、甲醇，最后制低碳烯烃等产品的研究对于“缺油少气多煤”的我国来说，其战略意义更为重大。压缩机是整个流程中的关键设备，压缩机的制造能力和发展对装置有直接影响。本文以此为出发点，重点描述了煤制甲醇整个工艺流程所能用到的主要离心式压缩机的气动性能、结构特点等。随着工艺的技术进步，随着煤化工行业的不断发展，离心压缩机也会在更广阔的舞台上发挥作用。

参考文献：

[1]钟浩.煤制甲醇工业装置工艺改造措施工J].天然气化工（C1化学与化工），2018（3）.

[2]于建，徐艳宏.煤制甲醇工艺及项目的可行性分析[J].科技创业家，2018（13）.

[3]卢瑞.氧压罗茨鼓风机的设计[J].风机技术，2018（6）.

[4]刘丽.合成气压缩机气流激振原因分析和处理[J].大氮肥，2018（5）.