煤制甲醇装置节能降耗技术研究

杨 斌

（兖州煤业榆林能化有限公司，陕西榆林 719000）

现阶段我国生产规模较大的煤制甲醇装置合成产量可达1 800 kt/a，通过原料煤经过气化、净化、合成等环节实现对MTO 级甲醇的合成，具有转化率较高、流程简洁等优势，具有广泛的发展前景。技术人员应当立足于装置运行优势，针对其运行过程当中的能耗状态以及三废排放情况进行进一步优化，进而实现装置节能降耗的改造目标。

1 煤制甲醇工艺流程与特点

1.1 煤制甲醇工艺流程

当前煤制甲醇领域常见的生产工艺主要由shell煤气化工艺、GSP 煤气化工艺、水煤浆气化等煤制气主流工艺构成，本文以GSP 煤气化工艺为例进行分析。首先，通过高压N2与CO2等作为载体气体，将煤粉输送至气化炉中，受到气化反应系统内部高温高压环境的影响，煤粉发生氧化反应，生成CO 与H2，经过降温、除尘等工序后将其送入变换系统，同时通过沉降、过滤等相关工序对灰水系统进一步处理，使反应液及生产废料得到有效循环，进而实现煤制甲醇的工艺生产目标。

1.2 煤制甲醇工艺特点

1.2.1 生产量大

相较于焦炉尾气、天然气制等甲醇生产模式，煤制甲醇生产量较大，据相关统计数据显示，截至2022年，我国煤制甲醇总产量占全国甲醇产量的77%以上。

1.2.2 生产效率高

通过煤制甲醇工艺对甲醇进行制备，其在单位时间内的生产效率较高，能够满足广大化工市场对于甲醇原料的要求。

1.2.3 对环境存在一定危害

虽然煤制甲醇工艺在生产端具有一定的优势，但受到其工艺流程特性的影响，导致其对于环境也存在着一定的危害，具体表现在以下几点。首先，在原煤的准备与气化过程中，相关加工设备的运行可能会给环境造成一定的噪声、粉尘污染；同时煤制甲醇工艺对于煤粉的灰分提出了一定的要求，为使煤粉灰分达到预期目标，在生产过程中需要采用大量水进行调节洗涤，这可能会导致水资源浪费等现象的发生[1]。其次，在原料的反应与精馏过程中，同样也会对环境造成一定危害。通常来说，参与生产反应与精馏环节的原材料往往具有一定的毒性与腐蚀性，因此工艺生产环节当中出现漏点，则可能会给周边环境带来一定的冲击和危害。最后，在GSP 工艺干燥与换热环节当中，也会导致粉尘污染、水体污染等环境危害现象，同时还可能会造成燃烧、爆炸等意外事故，影响化工生产的正常进行。

2 煤制甲醇装置节能降耗原则

为了更好地适应新时代对甲醇制备工艺提出的相关要求，推动化工生产领域实现可持续发展目标，在基于节能降耗原则对煤制甲醇装置进行优化设计的过程当中，需要符合以下几方面原则。

2.1 保障装置节能效率

在煤制甲醇生产工艺的应用过程中，受到工艺流程特点以及装置设计理念等相关因素的影响，其在煤粉制备、气化、原料反应、蒸馏、干燥、换热等多个环节和流程都会对环境造成一定的负面影响，同时还会对其节能效果产生一定的冲击。因此，在针对煤制甲醇装置进行改造的同时，技术人员应当尽可能保障装置的节能效率，提高装置内部副产蒸汽的压力，使蒸汽压力能够推动装置继续循环生产，有效提升装置热能利用和循环速度，使系统内部节能效果得到进一步保障。

2.2 实现副产品循环利用

在甲醇制备GSP 煤气化工艺的应用过程当中，可能会生成CO、H2、H2S、N2等多种副产品，同时在废液排放过程当中，还会携带Ar、S 等多种元素，这些物质和元素在化工产业当中均具备较广泛的应用价值以及应用前景，因此在针对煤制甲醇装置进行节能改造优化的同时，为了进一步减少装置生产过程当中给环境带来的压力和影响，应采取特定的技术手段实现生产副产品的循环利用，进一步提升生产副产品的回收效率，使其能够资源化利用，创造出更加充沛的价值。

例如，在煤粉气化生产过程当中，技术人员应当加强装置内部循环合成气系统的建设工作，分别通过膜分离、非渗透气等技术手段对H2的循环回收流程进行优化，同时合理控制整个生产过程当中温室气体以及不完全反应物的排放，使反应过程当中以多种形态呈现的具备一定回收利用价值的物质进行更加有效的运用，保障煤制甲醇工艺应用过程中节能环保目标的进一步落实。

2.3 减少三废排放

在以往依托煤制甲醇装置进行的化工生产过程当中，受到回收处置技术的限制和影响，导致整个装置对生产过程中三废排放的控制作用较为有限，以固废、废气及废水为代表的各类生产废物排放量较大，加剧了煤制甲醇生产过程中相关生产装置给环境带来的压力和影响，难以有效达到节能减排、降耗控制的发展目标。因此在生产装置改造优化的同时，应当进一步加强对于三废排放控制的关注度，结合多层次的技术手段与技术措施针对三废排放进行控制，减少煤制甲醇生产过程中对环境造成的冲击[2]。

3 煤制甲醇生产节能降耗技术措施

为使煤制甲醇生产过程中的装置能够进一步实现节能降耗的技术目标，推动煤制甲醇生产流程的可持续发展，应采取以下技术措施进行优化和处置。

3.1 平面布置优化

合理的平面布局与优化能够显著降低煤制甲醇工艺生产过程中给环境带来的压力，有效控制生产过程中对于能源的消耗与依赖，实现节能降耗的要求与目标。在针对煤制甲醇装置的平面布局进行优化的同时，应遵循以下几方面原则和要求。

首先，应当严格遵循国家有关化工生产的相关规定，作为现代工业生产的重要组成部分，化工生产是大规模市场产品生产的基础和前提，但与此同时也给环境带来了一定的危害和压力。我国先后出台了《石油化工企业设计防火规范》《精细化工企业工程设计防火标准》等相关规定和要求，因此在针对煤制甲醇生产装置进行布局规划与设计的过程当中，应当进一步契合国家相关要求，减少生产危险源对环境和安全造成的影响，符合化工产业可持续发展的目标。

其次，应符合厂区内部布局与生产要求。在煤制甲醇工艺的生产过程中，其涉及的流程与环节较为复杂，不同工艺流程之间具有一定的关联性特征，但为保障生产安全，减少环境污染，同样也需要对其间距进行合理控制。在针对煤制甲醇装置进行布局优化之前，应针对甲醇的生产工艺流程进行明确，在保障安全的前提下尽可能加强不同工艺环节之间的联系，构建高效稳定快捷的原料输送与调配格局，降低生产与运输消耗，实现节能降耗要求。

最后，在装置布局设计的同时，还应当做好现场空间的预留控制。随着时间的不断推移、技术的不断优化以及化工市场的进一步发展，对于煤制甲醇生产的要求同样也会发生一定的变化，因此应当从实际出发，明确煤制甲醇的相关工艺变化趋势，并在平面布局设计的过程中进行优化，使未来发展空间得到有效预留，进而充分适应化工生产工艺发展需要。

3.2 工艺流程优化

在煤制甲醇的工艺生产过程中，其能耗与排放较为明显，一方面加大了生产企业的成本，另一方面对于生产周边环境也形成了一定的冲击与影响。因此为了更好地适应化工领域对节能环保提出的要求，推动甲醇生产能耗的进一步控制，应当从装置生产工艺流程入手，实现流程的充分优化，确保低能耗生产目标的全面落实。

第一，在煤制甲醇的生产过程当中，可引进串级式甲醇生产工艺，针对生产过程中产生的废气、废热进行充分利用，实现甲醇生产工艺的全面循环，推动化工生产持续性发展。

第二，在煤制甲醇生产工艺能耗控制工作的开展过程当中，应当加强对氢回收工艺的关注，引进膜分离技术以及PSA 技术，使煤制甲醇工艺生产过程中的氢气得以及时返回至生产回路中，减少原料在装置内部反应和生产过程中的消耗，使能耗得到有效控制[3]。

第三，需要针对装置内部功能性设备的运行效率进行全面改进和优化。在煤制甲醇的生产过程中，涉及输送设备、反应设备、冷却设备、加热设备以及机泵设备等多种类别，应当做好上述设备装置运行效率的统计与计算工作，并针对运行效率较为低下的装置进行及时调整与优化，使设备装置在运行过程中的功耗情况得到有效控制，减少煤制甲醇工艺的能耗依赖，保障能耗抑制效果的进一步展现。

第四，在现有GSP 煤气化生产装置当中，其内部空冷器与水冷器往往需要承载大量热负荷，导致其运行状态以及运行寿命均会受到一定的影响，同时制约了甲醇的产量与生产效益。为了有效提升煤制甲醇生产装置在节能降耗背景下的生产率，即在进行装置设计优化的同时，需要在合成回路部位设置预热器，使装置内部蒸汽得到及时有效地预热，使装置内部的蒸汽生产更加便捷，减少生产过程中的能耗。

第五，在煤制甲醇装置的运行过程中，受到技术因素的影响，会产生大量的废热、废气，一方面会对周边环境造成一定的负面影响，另一方面还加大了生产过程中的能耗依赖，提升了煤制甲醇等化工生产流程的环境压力。因此在进行装置节能优化的同时，可将废热废气接入到装置生产预热环节，使生产废热得到更加直观的循环，降低了生产过程当中对于煤气原料的消耗与依赖，保障了节能降耗的生产装置改造效果。

3.3 能耗分析

为了更加直观地掌握煤制甲醇生产装置经节能改造过后的能耗变化情况，需要对不同工艺类别甲醇制备生产能耗情况以及改造过后甲醇生产装置的能耗变化情况进行相应比对，从而明确装置能耗变化比重，进而为化工生产领域节能降耗工作的开展提供相应的技术支持。通过统计数据能够得出结论，对煤制甲醇生产装置进行优化后，其平均生产能耗为38.874 GJ，由于其甲醇产品为MTO 级，因此在能耗计量过程中并未计入蒸汽、电能以及冷却水等方面的能耗变化情况，经综合考虑后，改造后的煤制甲醇装置能耗情况得到了较为显著的控制[4]。

3.4 节水措施

除了能源消耗以及原料消耗外，在煤制甲醇工艺的生产过程中，还需要大量冷却水提供保障。因此为了更好地落实节能降耗、减少排放的持续性发展要求，在针对甲醇生产装置进行改造的过程中，还应当进一步引进相关节水措施，降低生产过程中的冷却水用量，进而实现节水目标。

在装置优化设计过程中，可引进空冷技术对煤制甲醇工艺提供冷却支持，使原有的生产装置能够从水冷转变为风冷模式，有效减少装置生产运行过程中对冷却水的使用。另外，还应当加强对节水技术的应用，结合装置内部需求采用节水设备提供支持，避免输水用水过程当中可能产生的渗漏现象，强化对水资源的保护。

3.5 三废处理

在现有的煤制甲醇装置生产运行过程中，会产生大量废气、废水及固体废物等三废，给环境造成严重影响和冲击。因此应做好三废处理与循环利用工作，减少其对于生产装置周边环境造成的影响。例如，在针对生产废气进行处理的过程中，可针对废气排放部位加设燃烧火炬，使含有CO、N2、H2等成分的废气得到充分燃烧，减少其排放至空气当中的量，使废气处理得到有效实现[5]。此外，在针对废水处理的过程中，应做好废水成分分析工作，同时引进废水近零排放系统，提高废水回收率，避免废水外排。

3.6 噪声控制

在甲醇生产设备运行过程中会产生一定的噪声，对环境造成负面影响。因此应做好生产现场噪声控制工作，针对噪声较严重的设备加设消音器，优化平面布局并选用低噪声设备，使其生产噪声能够符合国家相关要求。

3.7 环境监控与保护

在引进与利用节能降耗措施的基础上，还应当做好生产环境监控与保护工作，针对煤制甲醇装置生产过程中的能耗与三废排放情况进行全方位监测，从而有效达成节能降耗与减排目标。

4 结束语

在化工产业发展进程中，如何推进煤制甲醇生产节能降耗工作已成为需解决的关键课题。应立足实际针对装置节能短板进行分析，明确节能降耗设计要求，从而更好地实现化工产业可持续发展目标。