煤制甲醇合成工艺设备的选型探讨

滑兴国

（山西焦化股份有限公司甲醇厂，山西 临汾 041600）

引言

随着人类对地球资源的开发，石油正在逐渐减少，为了防患以未然我国应对可以代替石油的资源进行研究。目前甲醇是石油最好的替代品之一，并且我国的煤炭资源非常丰富，运用煤制甲醇这个方法来合成甲醇是非常经济的办法。所以我国需要运用合成甲醇的设备，但是随着科技的发展，甲醇合成工艺设备越来越多。本文将通过甲醇的实际生产经验，来对设备进行介绍并且对甲醇合成工艺设备的选择进行探讨。

1 甲醇合成工艺的原理

甲醇的合成工艺主要包括两个重要环节，分别煤气化和甲醇合成。煤气化是指在高温以及高压的条件下，煤被气化剂进行气化最终被转化成了一种特殊的气体，被称作煤气[1]。气体中包括一氧化碳占38.5%、氢气占48.4%、二氧化碳占6%、氮气占6.4%、氧气占0.5%和甲烷占0.2%的六种合成的气体。并且在进行煤气化的时候需要向气化炉内加入空气，采用水洗法去除多余的二氧化碳才能得到煤气。甲醇合成这一环节主要是通过将原材料进行加工，将天然气、石油、煤炭等原料加工成气，此时原料产生的气中会掺有一些有害杂质，下一步需要将这些有害物质进行排除。当原料气完成杂质净化后，甲醇合成塔会将净化后的原料气利用催化剂的高温处理，进一步合成出粗甲醇。最后用蒸馏的方式将粗甲醇中的水和有机杂质进行清除进而得到合格的甲醇。

2 煤气化技术比较

2.1 固定床气化

固定床气化就是用长烟煤为原料产出甲醇。固定床气化是由空气、蒸汽、氧化剂将煤转换成氢气、一氧化碳、甲烷等成分组成的煤气，将煤气用作燃料发出热量。但是随着煤气化工业的发展，甲醇产量太低、合成气体太过复杂、对原材料要求严格和能耗高等因素被逐渐淘汰。

2.2 流化床气化

流化床气化主要是通过气化剂进入气化炉后将小颗粒碎煤进行燃烧，使小碎颗粒的煤进入沸腾状态并进行气化反应，并且所生产的煤气和煤渣都由温炉下排除，因此导出的煤气中几乎不带焦油类物质。不仅提高了煤的利用率，也增加了甲醇的生产。在20 世纪80 年代流化床气化是非常流行的，也是当时功率最高的煤气化工艺，相较于固定床气化功率更大。

2.3 气流床气化

气流床气化是通过气化剂将煤粉带入气化炉内，在高温中瞬间燃烧发出热能，并生成合成气[2]。由于气化炉的温度非常高，煤粉的反应时间非常短一般3 s就可以完成整个气化反应。并且气流床气化对煤炭的种类并没有特别的限制，任何煤炭几乎都可以进行气化反应，若颗粒较大则气化反应时间较长，若可以较小则气化反应较短，所以工作人员应多选取颗粒较小的煤炭进行气化反应，既节约时间还能有效的提高煤气的转化率。由于气流床的优点使我国大部分的煤气化工艺都采用了气流化气床。相较于流化床而言，气流床气化的功率更大。

2.4 三种技术的优劣

这三种煤气化工艺各有优劣，固定床气化适合较小的煤气化厂，因为固定床气化有投资低、能耗少等优点。缺点就是产生的甲醇数量低，对环境影响较大，合成的气体复杂。流化床气化适合中小型的煤气化厂，因为流化床气化对煤的要求低，且生产的甲醇比固定床气化要高。缺点是气化温度低，碳转化率较低。气流床气化适用于大型煤气化厂，但气流床气化通过更高的温度对煤进行处理，增加了煤的处理效率，将碳转化率提升到了99%。所以气流床气化是煤气化工艺的首选，可对这三种进行比较挑选适合的煤气化技术。

3 气流床与煤气化的选择

3.1 干粉气流床

通过壳牌公司、加压气流床气化工艺和杰斯菲克公司为代表的干粉气流床技术，是目前比较流行的煤气化技术[3]。由荷兰研发的壳牌公司煤气化工艺是一种通过将煤粉碎到0.09 mm，将干燥的煤粉放入煤仓后通过氮气将煤粉送入气化炉。当气化气和煤粉在1 400 ℃反应后，将煤气冷到300 ℃在由除尘器出去碳灰后进入气化炉。由德国研发的杰斯菲克公司气化工艺是将不超过0.2 mm 的煤粉放入气化炉中，气化炉的压力为2.6 MPa～4 MPa。最后通过激冷的的方式将煤粉气化，从而得到甲醇。杰斯菲克公司就是通过冷激式热回流的方式产生的煤气化艺术。加压气流床气化工艺和壳牌公司的原理差不多，不同的在于加压气流床气化工艺用的煤粉颗粒为0.075 mm，气化炉的压力在3.6 MPa～4.2 MPa，温度为1 400 ℃，最后通过冷却流程得到甲醇。加压气流床气化工艺这种方式可以有效的减少能耗，并且对煤气污染也大幅度的降低。

3.2 水煤浆气流床

主要由德士古公司气化和IGTI 气化组成的大型化水煤浆气化，都是通过激冷流程组成的[4]。德士古公司煤气化艺术是德士古公司进行研发的最新技术，德士古公司煤气化是通过将水煤浆和氧气同时加入气化炉之中，运用激冷或着热锅的方式将二者进行气化，合成出甲醇。在我国通常使用激冷的方式。LGTI气化炉需要的同样是水煤浆，我们可以将LGTI 气化炉分为两段，一段进行加热一段运用热能将煤浆气化。最后将1 000 ℃的煤气进行冷却，将里面的水脱出得到甲醇。

3.3 气流床煤气化技术的选择

在壳牌公司气化、加压气流床气化工艺气化、杰斯菲克公司气化、德士古公司气化和LGTI 气化这五种煤气化艺术中杰斯菲克公司气化、德士古公司气化和Shell 气化是属于成熟的煤气化艺术。在德士古公司气化中气压的需求很广泛，使用条件比较低所以国内外的设备中德士古公司气化的占比非常高。壳牌公司气化的生产能力非常强，碳转化率也是非常高。杰斯菲克公司气化在拥有德士古公司气化和壳牌公司气化优点的同时，气化炉寿命长，投资投本低杰斯菲克公司气化是目前最受国内欢迎的煤气化艺术，因此得到广泛的运用[5]。

4 甲醇合成塔的选择

4.1 水管式合成塔

水管式合成塔不仅提高了自身的换热效果，在传热管中也放入了水，当过剩能量产生时可以将过剩能量排入传热管中，可以理想的将能量转化为2.5 MPa～4.0 MPa 的中压蒸汽。并且在底层的管子中注入热水，提高了传热系数缩小了传热面积。这样使得水管式合成塔的能源的合理运用中非常出色，许多大工厂都非常喜欢用水管式合成塔，可见水管式合成塔目前的优秀。

4.2 多床内换热式合成塔

随着科技的发展，曾经出色的氨合成塔已经逐渐淘汰，人们将氨合成塔进行技术改进得到了如今的多床内换热式合成塔，并且在多床内换热式合成塔之中不仅具有换热机构还可以自己添加催化剂，每一次添加都可以使用很久。多床内换热式合成塔的换热装置在多床内换热式合成塔的中央沿轴上，并且分布在两个相互隔离的催化床上。多床内换热式合成塔的换热器一共有两种分别是列管和蛇管。多床内换热式合成塔的优点有很多，多床内换热式合成塔的结构非常简单，由于结构简单引起了对多床内换热式合成塔的造价也就低了，并且对于甲醇的转化率也大大的提高了。但多床内换热式合成塔的缺点也很严重，就是需要将它的反应物进行处理后才会出现中压蒸汽。

4.3 固定管板列管合成塔

固定管板列管合成塔相较于水管式合成塔和多床内换热式合成塔略有不同，在固定管板列管合成塔进行合成时，当催化剂加入其中时，会和沸腾的热水发生反应产生出3.2 MPa～4 MPa 的中压蒸汽。最后通过逆流换热的方式进行对甲醇的合成，还可以大大提高对能源的转换。然而列管合成塔被管长和设备直径所限制也导致了结构组成非常复杂，并且单个固定管板列管合成塔的生产能力不高，如果每次生产甲醇时候超过了2 000 t，那么就需要将多个列管合成塔进行并联在一起才能支持甲醇的合成。而且安装卸载催化剂的工作也非常复杂。随着甲醇的合成压力变高，管板厚度也需要进行增加保证承受的住压力，对于固定管板列管合成塔其材料一般由特殊材质的不锈钢材料进行制作，这种材料由于其材料的特殊性较强，所以加工费用也会较高，因此甲醇合成的越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，这就导致了固定管板列管合成塔是目前甲醇合成塔中造价最昂贵的一个合成塔。

4.4 冷管式合成塔

冷管式合成塔其原理构造不同于其他合成塔，它主要是通过控制冷气来进行合成工作，来增加能源转换率，冷管式合成塔的内件就是相当于在接触层内安装的换热器。一般来讲，冷管式合成塔的冷管有三种不同结构，其中逆流式冷管就是将热度进行排除处理，之后逆流式的冷管会与放热相互克制。但是这种方式会存在一些弊端，当温差过大时，这种形式不适用于对甲醇的合成反应工作。因此，冷管式合成塔的冷管设计多数采用并流式或者U 形式，极少会用到逆流式冷管，这样就不会因为出口的温差过大而导致的能源浪费。优点是甲醇的合成反应是等温操作，使反应比较接近最适宜温度线进行，使出口氨含量高，操作稳定、简单。缺点就是存在冷管的效果，影响媒的还原并且不能完全发挥出煤的活性，触媒装卸、内件安装比较困难。

4.5 冷激式合成塔

冷激式合成塔是世界上最早创造出可以制造甲醇的甲醇合成塔，当冷气进入冷激式合成塔时会将塔中的反应热带走。冷激式合成塔反应床有许多绝热段，在每个绝热段之间都需要加入冷的原料气[6]。反应气温度的分布不良，在相同的产量下催化剂加入的量较多。冷激式合成塔结构非常简单，只有冷热器混合分布器，催化剂填装的多放入一次可以使用多次冷激式合成塔，冷激器调节是非常方便的，在绝热段的同一平面上温度大致相同，气流阻力较小。缺点冷激气只起到了降温的作用，没有参加催化剂反应，出气温度要比其他的塔要低，导致了热回收效率低，每冷激一次都会降低氨净值。冷激式合成塔结构简单，但对甲醇的合成数量太低，现在在市面上已经见不到了。

4.6 合成塔的选择

通过对冷激式合成塔、水管式合成塔、冷管式合成塔、多床内换热式合成塔和固定管板列管合成塔这些甲醇合成塔的了解，首先我们可以冷激式合成塔和冷管式合成塔进行排除，因为这两种甲醇合成塔的生产率太低跟不上如今人们对甲醇的需求，所以进行排除。固定管板列管合成塔、多床内换热式合成塔、水管式合成塔这三种甲醇产量更高的甲醇合成塔是现在比较流行的。固定管板列管合成塔是目前甲醇产量最好的甲醇合成塔，但合成的甲醇越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，造价就越贵。水管式合成塔和多床内换热式合成塔，虽然没有固定管板列管合成塔产量高但价格便宜，而且产量也不低更适合工厂的使用[7]。

5 结语

随着煤制甲醇的发展，越来越多的设备会逐渐出现在大家眼前，对煤气化的选择以及合成塔的选择是非常重要的，一个好的设备不仅可以增加甲醇合成率还可以节约更多的能源。通过对煤气化的工艺分析，气流床气化是非常适合对甲醇进行生产的。通过对气流床煤气化的分析，GSP 是最适合运用于合成甲醇的。通过对甲醇合成塔的分析，产量高的三种各有优劣，可根据自身情况进行选择。