雷恩寧

摘 要：石油、煤炭?jī)纱螽a(chǎn)業(yè)屬于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要血脈，由這兩者轉(zhuǎn)化成的一些化工產(chǎn)品在目前的社會(huì)生活中有著重要的意義。由于目前我國(guó)的石油資源出現(xiàn)短缺的現(xiàn)狀，主要是依靠大量的進(jìn)口，而煤炭?jī)?chǔ)蓄量相對(duì)豐富，使得煤化工發(fā)展有了原料保障。因此，甲醇既是一種重要的有機(jī)化工原料，也是一種重要的有機(jī)溶劑。由甲醇生產(chǎn)的化工產(chǎn)品達(dá)數(shù)百種，廣泛用于塑料、合成纖維、合成橡膠和農(nóng)藥等行業(yè)，在發(fā)達(dá)國(guó)家其產(chǎn)量?jī)H次于乙烯、丙烯和苯。如今，基于國(guó)際形勢(shì)以及石油資源的緊缺，由煤炭為原料生產(chǎn)甲醇，得到了大力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：煤制甲醇;工藝;措施

在工業(yè)和交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展過(guò)程中，燃料能源是其發(fā)展的重要支撐。煤炭作為燃料能源的主要來(lái)源，在燃燒提供能量的同時(shí)，其燃燒也產(chǎn)生了大量的有毒有害物質(zhì)，如碳氧化物、硫化物、粉塵等，這些有害物質(zhì)對(duì)人類生存的環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的污染和危害。因此，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展和人們生活水平日益提高的同時(shí)，煤炭作為我國(guó)主要的燃料能源，其造成的環(huán)境污染問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，使得環(huán)境污染及其防治成為環(huán)境保護(hù)中非常必要的探討課題。甲醇作為煤炭的清潔替代能源，其煤制甲醇工藝的研究和開(kāi)發(fā)受到了人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。因此，煤制甲醇工藝的研究和開(kāi)發(fā)對(duì)能源的發(fā)展具有非常重要的價(jià)值和意義。

一、煤制甲醇工藝發(fā)展的必要性

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源作為經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐之一，其在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位。煤炭作為我國(guó)燃料能源的主要來(lái)源，其在燃燒的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的有毒有害物質(zhì)，如碳氧化物、硫化物、粉塵等等，這些物質(zhì)的產(chǎn)生給環(huán)境帶來(lái)了極大的污染和危害。與此同時(shí)，煤炭資源作為化石燃料是不可再生的一次能源，在直接的燃燒使用過(guò)程中不僅造成了環(huán)境的嚴(yán)重污染和危害，同時(shí)也使得燃燒不完全的煤炭資源造成大量的浪費(fèi)。因此，需求煤炭的清潔替代產(chǎn)品和工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)研究對(duì)煤炭資源的有效利用和環(huán)境的保護(hù)都是非常重要的。煤制甲醇工藝主要是將煤炭轉(zhuǎn)化為清潔的甲醇，甲醇作為能源燃料既可以在燃燒時(shí)提供充足的能量資源，又能在燃燒的過(guò)程中減少有毒有害物質(zhì)的生成和排放。此外，甲醇除了作為清潔的替代燃料能源，還是化工生產(chǎn)中重要的有機(jī)原料，其在多個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。目前，隨著甲醇社會(huì)需求量的不斷增加和甲醇下屬產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，使其在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的地位越來(lái)越重要。其中，煤制甲醇的工藝過(guò)程幾乎是無(wú)污染的工藝過(guò)程，在得到清潔替代能源的同時(shí)對(duì)環(huán)境也不會(huì)造成污染和危害。同時(shí)，煤制甲醇在提高煤炭資源的綜合利用率的同時(shí)，甲醇還可以替代部分的石油，從而在一定程度上緩解了我國(guó)石油資源供不應(yīng)求的矛盾，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了我國(guó)能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)的改善。

二、煤制甲醇工藝

煤制甲醇的主要原理是依據(jù)煤炭中的碳元素與水蒸汽在催化劑如Fe3O4 及高溫高壓的條件下反應(yīng)氧化還原反應(yīng)，其主要產(chǎn)物是一氧化碳和氫氣，然后對(duì)生成的一氧化碳和氫氣進(jìn)行凈化提純，利用凈化后的氫氣和一氧化碳在比例約為2：1 且溫度維持在350℃左右，壓力維持在約為20MPa 的條件下進(jìn)行甲醇的合成反應(yīng)，最后進(jìn)行甲醇的精餾制取，從而實(shí)現(xiàn)甲醇制取的標(biāo)準(zhǔn)化純度。

1、氣化工藝。在整個(gè)氣化反應(yīng)的過(guò)程中，原料、水以及氧氣會(huì)共同作用，從而引發(fā)氣化反應(yīng)，該反應(yīng)生產(chǎn)的合成氣的成分較為復(fù)雜，主要包括有一氧化碳、氫氣、二氧化碳以及水等，同時(shí)還包括含量較少的甲烷等氣體。在該反應(yīng)的發(fā)生過(guò)程中，基本方程式為：

該反應(yīng)的整個(gè)過(guò)程速度很快，可以在很短的時(shí)間內(nèi)完成，離開(kāi)氣化爐后經(jīng)過(guò)冷卻、洗滌等環(huán)境后進(jìn)入到變換的工段進(jìn)行繼續(xù)處理。

2、變換工藝。變換工段的主要處理任務(wù)是讓CO 與水發(fā)生反應(yīng)，在該過(guò)程中會(huì)生產(chǎn)出大量的氫氣，其反應(yīng)的方程式為：

在完成變換工段的生產(chǎn)任務(wù)后，轉(zhuǎn)入到低溫甲醇洗工藝流程環(huán)節(jié)。

3、低溫甲醇洗工藝。低溫甲醇洗工藝過(guò)程的主要任務(wù)是通過(guò)低溫清洗的方式去除掉氣相的硫化物以及二氧化碳等物質(zhì)，以此來(lái)保持產(chǎn)品的純度與潔凈度。

4、甲醇合成與精制工藝。經(jīng)過(guò)凈化處理后，合成氣再次經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)的壓縮處理，隨后進(jìn)入到甲醇的反應(yīng)器當(dāng)中，經(jīng)過(guò)一定的壓力與催化劑相互作用，可以生產(chǎn)出粗甲醇產(chǎn)品，這些產(chǎn)品從分離器中分離出來(lái)后，可以經(jīng)過(guò)甲醇精餾塔精制處理，隨后生產(chǎn)出精制的甲醇產(chǎn)品。

5、空分裝置。在煤氣化過(guò)程中需要借助于空分裝置來(lái)獲取充分的氧氣。一般來(lái)說(shuō)，空分裝置的結(jié)構(gòu)包括有分子篩、空氣增壓以及氧氣與氮?dú)鈨?nèi)外壓縮機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。其中，原料空氣自空分裝置中獲取空氣，隨后經(jīng)過(guò)過(guò)濾器除去雜質(zhì)并進(jìn)入到離心式空壓機(jī)當(dāng)中，隨后經(jīng)過(guò)壓縮機(jī)壓縮達(dá)到一定的壓強(qiáng)并進(jìn)入空氣冷卻塔中冷卻。再經(jīng)過(guò)空冷塔處理后使用分子篩進(jìn)行純化處理，隨后二氧化碳、碳?xì)浠衔锏任镔|(zhì)都吸附干凈，凈化后的空氣抽出小部分作為儀表以及其他設(shè)備的使用空氣，其余大部分都作為空氣增壓機(jī)以及膨脹機(jī)設(shè)備的專用氣體，在精餾塔中液化后獲取液氧、液氮，并結(jié)合工藝需要送入實(shí)際需求的場(chǎng)合。

三、煤制甲醇檢驗(yàn)方法與合成塔設(shè)計(jì)

1、煤制甲醇中的雜醇油水分。煤制甲醇工藝技術(shù)中常用容量法、庫(kù)倫法來(lái)進(jìn)行雜醇油中水分的分析檢測(cè)，這兩種方法都屬于卡爾- 費(fèi)休法的分支技術(shù)，具有良好的測(cè)量精度與操作穩(wěn)定性。其中，容量法在測(cè)定時(shí)不會(huì)受到外部反應(yīng)的影響和干擾，其測(cè)定的樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%-100%，而庫(kù)倫法則主要針對(duì)0.001%-0.1% 精度的檢測(cè)，這個(gè)過(guò)程中無(wú)隔膜的儀器本身不能夠分析醛類物質(zhì)以及酮類物質(zhì)，有隔膜的儀器則可以分析電導(dǎo)率較大或者含水量較大的樣品物質(zhì)。由于雜醇油本身具有物質(zhì)成分復(fù)雜的特征，其本身包括有大量的甲醇、水、二甲醚以及各種醛類物質(zhì)、酯類物質(zhì)，同時(shí)還有不飽和烴等物質(zhì)，所以利用容量法進(jìn)行測(cè)定效果更好，適應(yīng)的范圍也更加廣泛。如果采用庫(kù)倫法進(jìn)行測(cè)試，可能會(huì)受到多種因素的干擾與影響，還需要考慮到雜質(zhì)的成分特征，所以綜合起來(lái)利用難度較高且適應(yīng)性較差。

2、煤制甲醇合成塔工藝設(shè)計(jì)與優(yōu)化。結(jié)合甲醇合成工藝的技術(shù)特征與公開(kāi)要求，選擇合成塔時(shí)最好利用立式固定床氣固結(jié)合的反應(yīng)器模式，該模式作為一種管殼外冷絕熱的復(fù)合型反應(yīng)器，其內(nèi)部填充了銅系催化劑，在合成氣的合成過(guò)程中，塔頂部分會(huì)進(jìn)入到催化劑的床層當(dāng)中，在壓力條件適合的情況下，溫度保持在一定的穩(wěn)定條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)一氧化碳、二氧化碳以及氫氣的反應(yīng)，其產(chǎn)物主要包括有甲醇、水以及一些微量的有機(jī)副產(chǎn)物。在甲醇的合成過(guò)程當(dāng)中，不同的反應(yīng)可以同時(shí)進(jìn)行，其能量整體來(lái)說(shuō)屬于放熱反應(yīng)，具體的反應(yīng)方程式如下所示：

結(jié)合反應(yīng)方程式的數(shù)據(jù)情況來(lái)看，反應(yīng)熱的量較大，需要借助于管式反應(yīng)器將沸騰的水移送到冷卻環(huán)節(jié)進(jìn)行處理。

（1）參數(shù)確定。在甲醇的整個(gè)合成環(huán)節(jié)當(dāng)中，大量的反應(yīng)熱必須想辦法轉(zhuǎn)移出去，所以需要對(duì)蒸汽的壓力進(jìn)行控制，只有完成了壓力的控制，才能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的控制。在大多數(shù)情況下，壓力控制在4.0MPa 以內(nèi)即可，而溫度則需要保持在230～260℃。從物理性質(zhì)參數(shù)的角度上來(lái)看，水的汽化熱相對(duì)恒定，所以熱導(dǎo)率、表面張力以及比熱容都可以相應(yīng)的計(jì)算出來(lái)，液相的密度也就可以確定。在合成氣當(dāng)中，大多數(shù)成分為一氧化碳以及氫氣，所以平均密度、比熱容以及相應(yīng)的熱導(dǎo)率都可以根據(jù)這個(gè)方式計(jì)算出來(lái)。

（2）合成氣流量。選擇合適的生產(chǎn)規(guī)模與相適應(yīng)的工藝技術(shù)流程后，需要對(duì)合成氣的氣體流量進(jìn)行分析。結(jié)合目前國(guó)內(nèi)技術(shù)進(jìn)程來(lái)看，選擇低壓合成法的經(jīng)濟(jì)效益良好，可以適應(yīng)于10-20 萬(wàn)t/a 的生產(chǎn)需求。選擇平行運(yùn)行生產(chǎn)的方式來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)，開(kāi)工時(shí)間設(shè)計(jì)為330d，那么連續(xù)生產(chǎn)的過(guò)程中甲醇的質(zhì)量回流數(shù)可以計(jì)算出，其結(jié)果為630kmol/h。除了對(duì)合成氣流量進(jìn)行控制，還需要完善水流量與殼體內(nèi)折流板、接管確定工作，確保技術(shù)適應(yīng)性。

四、煤制甲醇工藝設(shè)備存在的問(wèn)題

1、煤制甲醇工藝所需的設(shè)備。根據(jù)煤制甲醇的工藝流程，首先是煤炭的氣化過(guò)程，氣化工藝主要用到的設(shè)備是氣化爐，利用氣化爐通過(guò)加壓的方式將煤炭和水制成漿液，然后在高溫的條件下實(shí)現(xiàn)煤炭漿液的氣化，從而實(shí)現(xiàn)氧化還原反應(yīng)的發(fā)生來(lái)制得一氧化碳和氫氣。其中，在甲醇的精制工藝中要用到蒸餾塔來(lái)對(duì)新生成的甲醇進(jìn)行循環(huán)蒸餾來(lái)達(dá)到甲醇提純和凈化的目的。此外，由于煤炭的氣化和液化需要進(jìn)行分離的過(guò)程，那么在煤制甲醇的過(guò)程中就要用到氣液分離設(shè)備。

2、煤制甲醇工藝中存在的問(wèn)題。雖然煤制甲醇工藝的發(fā)展對(duì)煤炭資源的綜合利用和改善我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)都有很大的實(shí)際意義和價(jià)值。但是，在煤制甲醇的工藝過(guò)程中還存在很多的問(wèn)題：首先，煤制甲醇的工藝的開(kāi)發(fā)和發(fā)展還不是很成熟，使得煤炭制備甲醇的工藝過(guò)程的成本非常高，比直接使用煤炭的成本投入高很多，這就使得煤制甲醇的工藝很難得到廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，人們只考慮到煤制甲醇的成本而嚴(yán)重忽略了煤制甲醇的環(huán)境保護(hù)作用。第二，由于煤制甲醇是一項(xiàng)新型的煤炭轉(zhuǎn)化技術(shù)，其工藝流程和設(shè)備的使用都有待進(jìn)一步的完善，使得煤制甲醇的工藝效率低下，煤制甲醇的發(fā)展力不足。

五、煤制甲醇工藝措施

1、煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展。在電子信息科技高速發(fā)展的今天，煤制甲醇的工藝過(guò)程如果可以利用電子信息科技來(lái)達(dá)到煤制甲醇工藝過(guò)程的智能化和自動(dòng)化，將會(huì)為煤制甲醇的工藝發(fā)展帶來(lái)極大的突破。尤其在煤制甲醇的工藝流程第三步中一氧化碳和氫氣要達(dá)到1：2的比例才能使其充分反應(yīng)來(lái)有效合成甲醇，如果實(shí)現(xiàn)了煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展，將會(huì)更有效的進(jìn)行甲醇的合成過(guò)程，將大大提高煤制甲醇的工藝效率。與此同時(shí)，煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展也有利于煤制甲醇工藝過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，使得制備的各個(gè)流程都在監(jiān)控下完成，更有利于對(duì)整個(gè)制備過(guò)程進(jìn)行量化監(jiān)督，從而實(shí)現(xiàn)煤制甲醇工藝的完善。

2、煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計(jì)。在煤制甲醇工藝實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展的同時(shí)，進(jìn)行煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計(jì)，適應(yīng)現(xiàn)代“環(huán)保、清潔、節(jié)能”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念。首先，要在煤炭的使用上進(jìn)行有效的節(jié)約設(shè)計(jì)，在考慮制取甲醇達(dá)標(biāo)的情況下，通過(guò)改進(jìn)工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)煤炭資源的高效利用，從而達(dá)到煤制甲醇產(chǎn)投比的最大化。其次，在煤制甲醇的工藝過(guò)程中由于需要用到氣化爐、蒸餾塔、氣液分離設(shè)備等需要消耗大量的電力能源，通過(guò)煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展和工藝革新來(lái)實(shí)現(xiàn)電力能源的節(jié)約。最后，在煤制甲醇的工藝發(fā)展過(guò)程中要具備節(jié)約的意識(shí)，要不斷改進(jìn)煤制甲醇的工藝以達(dá)到整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的能源節(jié)約。因此，通過(guò)煤制甲醇工藝的節(jié)能型設(shè)計(jì)和智能化發(fā)展，使得煤制甲醇工藝得到更加完善的發(fā)展。

3、煤制甲醇工藝發(fā)展。作為很早就開(kāi)始使用煤炭作為甲醇生產(chǎn)原材料的國(guó)家之一，我國(guó)的煤制甲醇工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，也達(dá)到了一定的技術(shù)高度。但是，真正實(shí)現(xiàn)煤制甲醇工藝技術(shù)的突破以及規(guī)?；a(chǎn)則是進(jìn)入到21 世紀(jì)之后。隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，甲醇的需求量猛增，傳統(tǒng)的甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)獲得的產(chǎn)品難以滿足客觀生產(chǎn)實(shí)際需求，所以我國(guó)各地都開(kāi)始采用煤制甲醇工藝技術(shù)來(lái)進(jìn)行甲醇生產(chǎn)。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，我國(guó)的甲醇生產(chǎn)總量增長(zhǎng)，這也預(yù)示著我國(guó)成為全球甲醇生產(chǎn)量最高的國(guó)家。目前天然氣制甲醇工藝技術(shù)不斷成熟，其應(yīng)用的領(lǐng)域也得到了擴(kuò)充，無(wú)論是成本還是工藝設(shè)備以及投資都比較低。但是，結(jié)合目前我國(guó)的整體資源結(jié)構(gòu)情況與特征來(lái)看，煤制甲醇工藝技術(shù)依然是技術(shù)發(fā)展的重要方向，通過(guò)市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)，將大部分生產(chǎn)規(guī)模小、技術(shù)不成熟的企業(yè)淘汰掉，同時(shí)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、集約化發(fā)展，這樣就可以有效提升工藝技術(shù)的應(yīng)用水平，從而確保商業(yè)價(jià)值與行業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定性。

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，為了適應(yīng)“環(huán)保、清潔、節(jié)能”的經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，煤制甲醇工藝的發(fā)展是社會(huì)能源發(fā)展的必然選擇。煤制甲醇工藝在提高煤炭資源綜合利用率的同時(shí)，在一定程度上緩解了我國(guó)石油資源供不應(yīng)求的矛盾，使得我國(guó)的能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)得到了改善，必須要考慮到市場(chǎng)的供需平衡，促進(jìn)甲醇下游市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)，同時(shí)推動(dòng)甲醇企業(yè)大型化、聯(lián)產(chǎn)一體化發(fā)展，促進(jìn)整個(gè)能源行業(yè)和化工產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。通過(guò)煤制甲醇工藝的智能化發(fā)展和節(jié)能型設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)煤制甲醇工藝的優(yōu)化和改善，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力支撐的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境的有效保護(hù)。

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