煤制甲醇合成工艺设备的选型研究

张 涛

(同煤广发化学工业有限公司，山西 大同 037000)

1 煤制甲醇合成工艺流程

本次研究选取煤作为甲醇合成原料，通过采取气化处理，获取甲醇合成气，将其置于催化条件下，最终合成甲醇[1-2]。图1为煤制甲醇合成工艺流程图。

图1 煤制甲醇合成工艺流程设计图

在该工艺流程中，包括2个重要环节：

1) 煤气化

该环节指的是在特定压力与温度条件下，利用气化剂，使煤发生转化生成多种气体。对于工业生产，分别对煤层和水蒸气进行加热，再将两者进行加热反应，最终合成甲醇。在此期间发生的化学反应如式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

以上3个反应均属于吸热反应。为了保证化学反应的速度和温度满足条件，需要向气化炉内加入空气，采取水吸收法除去多余的CO2，得到6种煤合成气体，分别是CO、H2、CO2、N2、O2及CH4，对应占据的比例依次为38.5%、48.4%、6.0%、6.4%、0.5%、0.2%。

2) 甲醇合成

该环节为甲醇的合成，其产生的反应为式(4)。

(4)

甲醇合成反应是可逆的，此次研究将反应温度控制在320 ℃～380 ℃，以免发生其他副反应，对甲醇浓度造成影响。

2 不同煤气化技术对比分析

本次研究煤气化技术有3种，工艺对比分析见表1。

表1 3种不同煤气化工艺对比表

表1中的3种煤气化工艺应用所需设备投资最多的是气流床，其次是硫化床，成本最低的为固定床，碳转化率从高到底工艺排序依次为：气流床、固定床、流化床。

虽然气流床与其他2种工艺相比成本更高一些，但是该工艺能够通过提高操作温度来大幅度提升煤处理效率，使得碳转化率达到99%，利用此工艺可以有效弥补流化床存在的不足。所以，此次研究选取气流床技术作为煤气化工艺。

3 气流床工艺流程与煤气化选取

Shell气化工艺单炉生产能力较强，且具有较高的碳转化率，因此应用较为广泛，其工艺流程为：将原料煤加入气化炉中；向气化炉内加入氧气；利用碎渣机处理气化反应中剩余的物质，经过贮渣罐，最终流入渣池；在压缩机的作用下，气体流入冷却器；对气体采取过滤处理，并对其进行湿洗；原料合成气变换。

除了上述气流床煤气化技术以外，还包括GSP气化技术、Texcao气化技术。前者起源于德国工艺，经过多年改善，最终在多个国家得到推广应用。通常情况下，该项技术的使用要求煤粉粒度在0.2 mm以下，并且气化炉中的操作压力在2.7 MPa～3.9 MPa，通过完全激冷、局部激冷2种方式，从气化炉中导出熔渣与煤气。需要强调的是，位于出口处的煤气温度需要控制在215 ℃左右；后者起源于美国，是德士古石油公司提出的第二代煤气化技术。由于GSP气化炉寿命比较长，无需过多成本，并且具备上述两种煤气化技术优势，因此得到广泛应用。

4 煤制甲醇合成塔工艺设备的选型

近年来，国内外使用的大型甲醇合成塔有5种类型，分别是固定管板列管合成塔、冷管式合成塔、冷激式合成塔、多床内换热式合成塔、水管式合成塔。根据生产需求，目前得到广泛应用的只有3种类型。

1) 水管式合成塔

该塔属于一种比较理想的大型化生产塔类型。在生产甲醇过程中，气化炉内气化换热效果不是很好。水管式合成塔的应用刚好可以对其进行改善，同时，能够赶走传热管内部的沸腾水，从而使得多余的热量得以转移。

2) 多床内换热式合成塔

该合成塔内部具有换热结构，含有间接式换热装置，该装置中的内管进口端与进塔气口相连。这种合成塔最大的优势在于结构简单，转化率较高，成本较低，可以在超大型装置或者大型装置中广泛推广。该合成塔唯一的不足在于其反应热必须采取处理，才能够副产中压蒸汽。

3) 固定管板列管合成塔

该类型塔与上述两种合成塔不同，需要将催化剂填入管内，经过沸腾水壳走程，产生中压蒸汽，压力为3.2 MPa～4.0 MPa。其特点在于通过逆流换热完成处理，向其中加入冷气和热水，能够有效降低能源消耗，与此同时，还可以提高转化率。由于该合成塔的直径与管长容易受到限制，所以，在实际生产中需要将多个合成塔并联到一起使用，成本较高，并且催化剂装卸存在一定困难。

综上所述，对于煤制甲醇合成塔，冷管式塔与激冷式塔的生产能力有限，并且生产效率较低，不适合在大型生产中推行。而列管式合成塔的价格较高，至今为止使用的数量较少。与上述几种合成塔相比，多床内换热式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管合成塔3种合成塔更适合在大型生产项目中推广。

5 总结

本文主要对煤制甲醇合成工艺设备的选型展开相关研究。依据煤制甲醇合成工艺流程，结合不同煤气化技术对比分析结果，确定出煤制甲醇合成塔工艺设备选型方案。考虑到生产效率，不建议将冷管式塔和激冷式塔应用于大型甲醇生产装置中，可以从多床内换热式合成塔、水管式合成塔、固定管板列管合成塔3种合成塔中挑选。