孟華平

（山西潞安化工集團(tuán)，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，但賦存較為不均，由于我國(guó)人口眾多且處于發(fā)展階段，煤炭資源的需求量及使用量一直高居不下，隨著多年的煤炭資源開(kāi)采，煤炭資源的儲(chǔ)量日益降低，能源供需問(wèn)題成為了限制我國(guó)高速發(fā)展的關(guān)鍵。為了緩解煤炭資源消耗的壓力，我國(guó)提出利用清潔能源代替化石能源的目標(biāo)，但由于我國(guó)清潔能源處于發(fā)展階段，能夠提供的能量比重仍然較小，所以在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間，煤炭資源的開(kāi)采仍是我國(guó)重要的發(fā)展依仗。焦?fàn)t煤氣是一種焦化產(chǎn)品，具有很高的利用價(jià)值[1-2]。但在我國(guó)鋼鐵工業(yè)，焦?fàn)t煤氣多以火炬形式進(jìn)行處理，并未將焦?fàn)t煤氣作為一種資源進(jìn)行利用和回收，一般情況下，1.25 t～1.65 t煤可以產(chǎn)生約300 m3～360 m3的焦?fàn)t煤氣，而我國(guó)每年由于生產(chǎn)產(chǎn)生約700 億m3的焦?fàn)t煤氣。所以如何進(jìn)行焦?fàn)t煤氣的回收及轉(zhuǎn)換是我國(guó)高質(zhì)量發(fā)展及可持續(xù)發(fā)展的重中之重[3-4]，本文基于前人對(duì)焦?fàn)t煤氣合成甲醇工藝的研究成果，為我國(guó)降能減排的發(fā)展作出一定的貢獻(xiàn)。

1 條件建立

利用軟件Aspenplus 對(duì)焦?fàn)t煤氣合成甲醇工藝進(jìn)行模擬研究，對(duì)工藝參數(shù)如溫度、壓力、補(bǔ)碳量等對(duì)工藝效果影響進(jìn)行研究，從而優(yōu)化焦?fàn)t煤氣合成甲醇工藝，首先進(jìn)行工藝流程的建立，具體工藝可分為兩個(gè)部分，分別為轉(zhuǎn)換工段和合成工段，對(duì)于工藝流程來(lái)講，原料為氧氣、焦?fàn)t煤氣、水蒸氣及二氧化碳，而出料為水和甲醇。通過(guò)轉(zhuǎn)化段將原料進(jìn)行混合反應(yīng)后，生成合成氣，在合成段，將合成氣通過(guò)壓縮、提純、蒸餾等手段生成甲醇。

首先對(duì)焦?fàn)t煤氣的成分進(jìn)行設(shè)定，焦?fàn)t煤氣中H2占比為0.61，CH4的占比為0.26，CO 占比為0.06，N2的占比為0.055，CO2的占比為0.015，在完成焦?fàn)t煤氣中物質(zhì)設(shè)定后對(duì)進(jìn)料的壓力、溫度、流速等進(jìn)行設(shè)定，完成上述設(shè)定后對(duì)補(bǔ)碳位置進(jìn)行研究，在轉(zhuǎn)化過(guò)程中，通過(guò)加入CO2來(lái)提升CO 的含量，達(dá)到調(diào)節(jié)氫碳比的作用，對(duì)補(bǔ)碳位置分別設(shè)定為轉(zhuǎn)化工段前及轉(zhuǎn)換工段后進(jìn)行對(duì)比分析。

2 模擬分析

補(bǔ)碳位置對(duì)CO含量的補(bǔ)充效果曲線如圖1 所示。

圖1 補(bǔ)碳位置對(duì)CO 含量影響曲線

從圖1 中可以看出，兩種補(bǔ)碳方式下，補(bǔ)碳效果有著明顯的不同，但整體均呈現(xiàn)CO 的含量占比隨著CO2的補(bǔ)充逐步上述的趨勢(shì)，在轉(zhuǎn)化前進(jìn)行補(bǔ)碳時(shí)，此時(shí)當(dāng)CO2補(bǔ)充量為150 kmol/h 時(shí)，此時(shí)的CO 占比增大至0.266。而在轉(zhuǎn)化工段后進(jìn)行補(bǔ)碳操作后，此時(shí)的CO 含量占比雖然仍呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，但增大效果不明顯，當(dāng)CO2補(bǔ)充量為150 kmol/h 時(shí)，此時(shí)的CO 占比增大至0.236，占比隨補(bǔ)碳量的增加緩慢上升?？梢钥闯觯谵D(zhuǎn)化工段前進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)碳效果更加明顯，這是由于，水煤氣的轉(zhuǎn)換反應(yīng)屬于放熱反應(yīng)，而CO2轉(zhuǎn)換為CO 則為吸熱反應(yīng)，所以溫度越高，對(duì)于反應(yīng)的促進(jìn)作用越強(qiáng)，反應(yīng)程度也就越明顯，所以在將補(bǔ)碳位置設(shè)定為轉(zhuǎn)換工段前更合理。

為研究不同條件下提甲醇工藝的效果，同時(shí)對(duì)焦?fàn)t煤氣制合成氣工藝進(jìn)行優(yōu)化，所以對(duì)轉(zhuǎn)化工段的影響因素如補(bǔ)碳量、氧氣量、水蒸氣量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力等進(jìn)行模擬研究，補(bǔ)碳量對(duì)氫碳比的含量影響曲線及氧氣量對(duì)氫碳比含量影響曲線如圖2 所示。

圖2 模擬曲線

從圖2-1 補(bǔ)碳量對(duì)氫碳比影響曲線可以看出，隨著補(bǔ)碳量的增加氫碳比呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。在工藝段未進(jìn)行補(bǔ)碳操作時(shí)，此時(shí)合成氣的氫碳比數(shù)值為2.92，根據(jù)前人研究可知合成甲醇工藝的最佳氫碳比應(yīng)當(dāng)保持在2.05 左右。所以適當(dāng)增加補(bǔ)碳量，降低氫碳比是必要的，當(dāng)補(bǔ)碳量為125 kmol/h 時(shí)，此時(shí)合成氣的氫碳比數(shù)值為2.05，此時(shí)氫碳比對(duì)于合成甲醇最佳。觀察圖2-2 可以看出，隨著氧氣含量的提升氫碳比同樣呈現(xiàn)逐步減小的趨勢(shì)。當(dāng)氧氣含量較低時(shí)，此時(shí)的氫碳比很大，同樣不適用合成甲醇。而隨著氧氣量的不斷增加，此時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)部燃燒反應(yīng)十分劇烈，內(nèi)部溫度快快速升高，促進(jìn)水煤氣反應(yīng)，有效調(diào)節(jié)反應(yīng)過(guò)程的氫碳比。根據(jù)合成甲醇最佳氫碳比2.05，對(duì)比曲線可以找出，在加入氧氣量為240 kmol/h 時(shí)能夠得出最佳氫碳比。

同樣對(duì)甲醇合成段進(jìn)行模擬研究，將轉(zhuǎn)化的合成氣作為原料進(jìn)行注入，經(jīng)過(guò)壓縮、反應(yīng)、冷卻等方法形成甲醇，對(duì)補(bǔ)碳量及反應(yīng)壓力對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，模擬曲線如圖3 所示。

圖3 模擬曲線

如圖3-1 所示為補(bǔ)碳量對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響曲線，在保持其余條件不變的情況下，增加補(bǔ)碳量，此時(shí)甲醇的產(chǎn)量也呈現(xiàn)逐步增大趨勢(shì)。但增大的趨勢(shì)逐步區(qū)趨于平緩，可以看出，增加補(bǔ)碳量可以提升甲醇的產(chǎn)量，但不是一味線性增加，存在一定的臨界值，所以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)碳量可以提升甲醇含量，但要綜合成本進(jìn)行分析。對(duì)反應(yīng)壓力對(duì)甲醇影響變化曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在保證其他操作條件不變的情況下，此時(shí)隨著反應(yīng)壓力的增加，產(chǎn)量甲醇的含量也在逐步上升，同樣上升曲線呈現(xiàn)逐步減緩的趨勢(shì)，這是由于CO 和CO2加入氫氣的反應(yīng)均屬于縮減體積的反應(yīng)類(lèi)型，此時(shí)增大壓力使得縮減體積反應(yīng)更加劇烈，產(chǎn)生的甲醇含量也就越高。但考慮到設(shè)備的氣密性及密封性要求很高，此時(shí)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)成本也會(huì)隨之增加，所以要綜合經(jīng)濟(jì)效益來(lái)考慮反應(yīng)壓力的合理值，從而提升甲醇產(chǎn)量。

對(duì)合成氣中惰性氣體含量對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響進(jìn)行分析，模擬隨惰性氣體含量增加甲醇產(chǎn)量變化曲線如圖4 所示。

圖4 惰性氣體對(duì)甲醇產(chǎn)量影響曲線

如圖4 所示為合成氣中惰性氣體對(duì)甲醇產(chǎn)量影響曲線，可以看到，惰性氣體含量越高，甲醇產(chǎn)量越低，當(dāng)惰性氣體體積分?jǐn)?shù)從2.3%提升至5.6%，此時(shí)甲醇的產(chǎn)量從13 381 kg/h 降低至12 931 kg/h，惰性氣體含量與甲醇產(chǎn)量曲線幾乎呈現(xiàn)線性關(guān)系。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是由于惰性氣體自身不參加反應(yīng)，但其會(huì)對(duì)有效組分進(jìn)行分壓，降低甲醇合成的反應(yīng)速度，造成反應(yīng)不加，甲醇含量降低，所以在進(jìn)行合成反應(yīng)時(shí)需要對(duì)惰性氣體進(jìn)行及時(shí)排放，避免影響甲醇合成效果。

3 結(jié)論

1）利用模擬研究對(duì)補(bǔ)碳位置對(duì)CO 的補(bǔ)充效果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在轉(zhuǎn)化前進(jìn)行補(bǔ)碳時(shí)，補(bǔ)碳效果最佳。

2）通過(guò)對(duì)補(bǔ)碳量及氧氣量對(duì)氫碳比含量影響曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著補(bǔ)碳量和氧氣量的增大，碳?xì)浔戎鸩綔p小，在最佳碳?xì)浔认卵a(bǔ)碳量為125 kmol/h，氧氣量為240 kmol/h。

3）對(duì)補(bǔ)碳量及反應(yīng)壓力對(duì)甲醇產(chǎn)量的影響進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)隨著補(bǔ)碳量及反應(yīng)壓力的增大甲醇含量均呈現(xiàn)減緩型增加。