夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用

董丽坤

（乌海职业技术学院，内蒙古乌海 016000）

煤气化是一种对能源和水源消耗都较大的行业，在现代生态文明建设和节能降耗理念的推行下，需要针对煤气化制造工艺进行节能减排的研究，这也是为了确保煤化工企业能够持续健康发展的根本途径。应用夹点技术能够分析出造成煤气化制造工艺水耗和能耗不合理的根本原因，并采取针对性措施予以优化，促使其大幅度降低煤气化工艺制造过程中所产生的能源消耗，使其制造工艺的有效性和整体效率得到不断的改进。

1 煤气化制造工艺及其分类

关于煤气化制造工艺，主要是指利用煤或焦作为原材料，在碳氧化产生热能的高温条件下，以水蒸气、空气或氧气等作为气化剂，利用化学反应将其转化为煤气的整个制造过程。

煤气化属于热化学过程。煤气化制造工艺作为一种生产合成气等产品的主要途径，根据气化炉内流体力学状态进行科学的分类可以将煤气化技术分为流化床、气流床和固定床等三种类型。而其中固定床工艺技术根据压力不同，又可以分为加压固定床和固定床改进型以及常压固定床。固定床气化技术的典型代表是碎煤熔渣和鲁奇加压气化技术，这一技术具有原料适应范围较广，且可气化水分与灰分较高的劣质煤，氧耗量较低等特点。但也存在一些不足，例如蒸汽分解率较低、出炉煤气当中有效气含量不高，甲烷和二氧化碳含量过高等。而流化床气化工艺技术典型的代表是山西煤化所的IC 灰熔聚气化技术和恩德粉煤气化技术。与固定床气化工艺相同的是，其同样有着煤气当中有效成分含量较低、碳转化率偏低和物探含量过高、分离难度较大等多方面的缺陷。

煤气化制甲醇工艺的基本原理主要是指利用煤与水蒸气反应生成氢气和一氧化碳以及二氧化碳，再将其置于触媒条件下进行化学反应，并由此生成甲醇。在煤气化过程当中，主要涉及的化学反应原理为：

这些反应需要在6.5MPa 和1 400℃下进行，气化反应需要在气化炉反应阶段瞬间完成，并生成氢气、一氧化碳、二氧化碳和水以及少量的H2S 等气体。另外，伴随着热量的转换，其所具有的能量损失和消耗为夹点技术的应用提供了良好的基础。

2 夹点技术概念及其应用优势

2.1 夹点技术概念

夹点技术主要是指基于化学热力学原理，以经济效益为主要目标函数对换热网络及物流进行优化设计的过程，其涉及热和冷型公共工程与能级选择之间的合理匹配[1]。

随着换热器网络当中温度夹点问题的提出，很多专家学者发现，夹点的存在会影响换热器网络中的热回收效果，使其无法达到最大值。从这一原理来讲，夹点技术主要是指以热力学相关理论知识为基础，将换热网络进行改进，使其能够相互独立且分离成为两个子系统，包括热阱系统和热源系统[2]。其中，热阱系统是位于夹点之上的系统，其能够利用加热公用工程实现热量的有效传递，与此同时，不会造成热量的流出。热源工程则主要是位于夹点之下的系统，能够利用冷却公用工程进行热量的输出，同时不会造成热量的流入[3]。其中热量因为冷却公用工程带走，其主要是指跨越夹点热量传递形式，此时会产生相互的换热匹配，关于夹点位置上下的热物流及冷物流实现热平衡跨越，其是通过夹点技术当中的热阱系统和热源工程系统来实现。所以，在进行设计时需要确保夹点技术传热时不会产生跨越夹点情况的出现，公用工程加热器也不可以设置在夹点上下的位置，以确保工程量达到最小值[4]。

2.2 加点技术应用优势

（1）通过夹点技术的应用，能够改进能量回收系统和公用工程系统，以降低能源消耗，提高节能降耗效果，并且还能够充分地利用生产过程中所产生的余热或废热，进行区域一体化热量的供应转移[5]。

（2）夹点技术的应用能够通过释放过程中不改变主炉和泵设备运行质量和运行标准状态情况下，提高生产效能，促使其控制系统瓶颈的突破，达到完善生产质量的目的，达到增产的效果。

（3）夹点技术的应用能够降低工厂建设投资成本与运营成本资金评估的资金投入，并提出针对性的解决方案。在进行工程扩建、改建过程中降低不必要投资成本支出，尤其能够在不增加新能耗应用的情况下，提高能源的利用率，同时在新的改建和扩建设计过程中也能够做到设备投资与运行费用的节省，使设备能够在不变换设备投资和技术改进情况下，嵌入到生产工艺当中，扩大传热面积[6]。

（4）夹点技术应用能够实现环境污染排放量的降低，将废水排放中污染物含量降至国家相关规定的标准，也能够优化设计，降低能源消耗，减少环境污染，尤其在降低温室效应方面有着较好的优势。

3 夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的运用分析

为了确保制造工艺使用当中能耗和水耗的节约，需要遵循夹点方法设计原则：第一，不要在夹点之上进行任何冷却公用工程的设计；第二，不要在夹点之下进行任何加热公用工程的设计；第三，不要在传热过程当中出现跨越夹点的情况。

3.1 低温甲醇洗单元的应用

低温甲醇洗单元的主要生产工艺目标是为了将煤气中硫化氢和二氧化碳等有害气体进行完全的清洗，以提高净化器的质量，使其能够达到甲醇合成产品相关生产的标准。低温物流在所有物流当中占据主导作用，冷却公用工程在实际的运行状态中所使用的是较高价格的丙烯，为了降低相关成本，提高资金利用率，确定冷热物流间最小传热差的有效控制，其夹点温度需要达到102.5℃，根据加点方向的设计原则可以发现，传热跨越了夹点，会增加冷热工程的能耗。

3.2 变换热回收单元的应用

在煤气化制甲醇工艺当中，变换热回收单元主要包括两个工艺目标，首先最大限度地进行水煤气热量的回收。将粗煤气的温度控制在40℃左右，并且能够有效地传递至低温甲醇洗单元。其次水煤气至变化炉的输送部分。需要在催化剂作用下，确保水蒸气与一氧化碳能够发生化学反应，并成功生成二氧化碳与氢气，进而实现氢碳比的合理调节。将冷热物流最小热温差设定为10℃，夹点在冷热物流复合曲线当中并没有出现，变换热回收单元当中的冷却公用工程则有着极为重要的作用，其目标值与设计值要保持一致，变热变换热回收单元所涉及的冷却公用工程主要包含了循环冷却水和产生蒸汽。所以，为了达到节能降耗的目的，需要最大限度地进行废热的回收，促使其产生更多的低压和中压蒸汽，进而实现循环水使用量的减少，达到节能降耗的效果。

3.3 多种工艺整合单元应用

煤气化制甲醇工艺流程极为复杂，对自身工段的能量守恒过度关注的也是这一过程。在大部分时间内降低热量仍然是使用冷却公用工程，而能够有效实现热交换的物流介质较少。另外，仅仅可以使用加热公用工程提升热量是需要热量的物流，这也会致使发生能源能量损失严重的情况。当冷公用工程及热公用工程的使用量明显提升的情况下，需要将系统作为一个整体，而为了确保在整个制造工艺流程当中能源消耗最低、水耗最小，当系统结构复杂程度越大，则其所具备的优化潜能越大。如果将热温差值设计成为11摄氏度，就会成功的合成甲醇。而变换热回收单元、精馏、低温甲醇洗单元、渣水处理单元都会作为一个整体，以此实现冷却热公用工程节能效果[8]。

4 结束语

煤气化制甲醇工艺应用过程当中，作为一种有效且操作较为简单的技术手段，在进行甲醇工艺分析时采用夹点技术能够凸显出可节能潜力的揭示。同时能够有效确定能量使用不合理情况问题的产生原因，为工艺改进优化提供更加科学的方向和指导。其中换热网络匹配要想实现合理设计就必须要预留出一定的优化空间。虽然低温甲醇洗单元可以将其物流换热方式进行改进和优化，在渣水处理单元的节能潜力有限，其内部也仅仅只是需要冷却供应工程，但为了达到节能降耗的效果，其蒸气可以考虑作为其他工艺单元，热源精馏单元及甲醇合成单元的冷却加热公用工程的节能潜力较大，需要综合考虑操作的可执行性和成本的投入以及设备投资等相关影响因素的改进。煤气化制甲醇技术使用夹点技术，不但能够实现节能潜力的发挥，同时也能够清晰地掌握能量不合理因素的产生原因，为该工艺的改进和优化提供有力的支持。