滑興國

（山西焦化股份有限公司甲醇廠，山西 臨汾 041600）

引言

隨著人類對地球資源的開發(fā)，石油正在逐漸減少，為了防患以未然我國應(yīng)對可以代替石油的資源進行研究。目前甲醇是石油最好的替代品之一，并且我國的煤炭資源非常豐富，運用煤制甲醇這個方法來合成甲醇是非常經(jīng)濟的辦法。所以我國需要運用合成甲醇的設(shè)備，但是隨著科技的發(fā)展，甲醇合成工藝設(shè)備越來越多。本文將通過甲醇的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，來對設(shè)備進行介紹并且對甲醇合成工藝設(shè)備的選擇進行探討。

1 甲醇合成工藝的原理

甲醇的合成工藝主要包括兩個重要環(huán)節(jié)，分別煤氣化和甲醇合成。煤氣化是指在高溫以及高壓的條件下，煤被氣化劑進行氣化最終被轉(zhuǎn)化成了一種特殊的氣體，被稱作煤氣[1]。氣體中包括一氧化碳占38.5%、氫氣占48.4%、二氧化碳占6%、氮氣占6.4%、氧氣占0.5%和甲烷占0.2%的六種合成的氣體。并且在進行煤氣化的時候需要向氣化爐內(nèi)加入空氣，采用水洗法去除多余的二氧化碳才能得到煤氣。甲醇合成這一環(huán)節(jié)主要是通過將原材料進行加工，將天然氣、石油、煤炭等原料加工成氣，此時原料產(chǎn)生的氣中會摻有一些有害雜質(zhì)，下一步需要將這些有害物質(zhì)進行排除。當原料氣完成雜質(zhì)凈化后，甲醇合成塔會將凈化后的原料氣利用催化劑的高溫處理，進一步合成出粗甲醇。最后用蒸餾的方式將粗甲醇中的水和有機雜質(zhì)進行清除進而得到合格的甲醇。

2 煤氣化技術(shù)比較

2.1 固定床氣化

固定床氣化就是用長煙煤為原料產(chǎn)出甲醇。固定床氣化是由空氣、蒸汽、氧化劑將煤轉(zhuǎn)換成氫氣、一氧化碳、甲烷等成分組成的煤氣，將煤氣用作燃料發(fā)出熱量。但是隨著煤氣化工業(yè)的發(fā)展，甲醇產(chǎn)量太低、合成氣體太過復(fù)雜、對原材料要求嚴格和能耗高等因素被逐漸淘汰。

2.2 流化床氣化

流化床氣化主要是通過氣化劑進入氣化爐后將小顆粒碎煤進行燃燒，使小碎顆粒的煤進入沸騰狀態(tài)并進行氣化反應(yīng)，并且所生產(chǎn)的煤氣和煤渣都由溫爐下排除，因此導(dǎo)出的煤氣中幾乎不帶焦油類物質(zhì)。不僅提高了煤的利用率，也增加了甲醇的生產(chǎn)。在20 世紀80 年代流化床氣化是非常流行的，也是當時功率最高的煤氣化工藝，相較于固定床氣化功率更大。

2.3 氣流床氣化

氣流床氣化是通過氣化劑將煤粉帶入氣化爐內(nèi)，在高溫中瞬間燃燒發(fā)出熱能，并生成合成氣[2]。由于氣化爐的溫度非常高，煤粉的反應(yīng)時間非常短一般3 s就可以完成整個氣化反應(yīng)。并且氣流床氣化對煤炭的種類并沒有特別的限制，任何煤炭幾乎都可以進行氣化反應(yīng)，若顆粒較大則氣化反應(yīng)時間較長，若可以較小則氣化反應(yīng)較短，所以工作人員應(yīng)多選取顆粒較小的煤炭進行氣化反應(yīng)，既節(jié)約時間還能有效的提高煤氣的轉(zhuǎn)化率。由于氣流床的優(yōu)點使我國大部分的煤氣化工藝都采用了氣流化氣床。相較于流化床而言，氣流床氣化的功率更大。

2.4 三種技術(shù)的優(yōu)劣

這三種煤氣化工藝各有優(yōu)劣，固定床氣化適合較小的煤氣化廠，因為固定床氣化有投資低、能耗少等優(yōu)點。缺點就是產(chǎn)生的甲醇數(shù)量低，對環(huán)境影響較大，合成的氣體復(fù)雜。流化床氣化適合中小型的煤氣化廠，因為流化床氣化對煤的要求低，且生產(chǎn)的甲醇比固定床氣化要高。缺點是氣化溫度低，碳轉(zhuǎn)化率較低。氣流床氣化適用于大型煤氣化廠，但氣流床氣化通過更高的溫度對煤進行處理，增加了煤的處理效率，將碳轉(zhuǎn)化率提升到了99%。所以氣流床氣化是煤氣化工藝的首選，可對這三種進行比較挑選適合的煤氣化技術(shù)。

3 氣流床與煤氣化的選擇

3.1 干粉氣流床

通過殼牌公司、加壓氣流床氣化工藝和杰斯菲克公司為代表的干粉氣流床技術(shù)，是目前比較流行的煤氣化技術(shù)[3]。由荷蘭研發(fā)的殼牌公司煤氣化工藝是一種通過將煤粉碎到0.09 mm，將干燥的煤粉放入煤倉后通過氮氣將煤粉送入氣化爐。當氣化氣和煤粉在1 400 ℃反應(yīng)后，將煤氣冷到300 ℃在由除塵器出去碳灰后進入氣化爐。由德國研發(fā)的杰斯菲克公司氣化工藝是將不超過0.2 mm 的煤粉放入氣化爐中，氣化爐的壓力為2.6 MPa～4 MPa。最后通過激冷的的方式將煤粉氣化，從而得到甲醇。杰斯菲克公司就是通過冷激式熱回流的方式產(chǎn)生的煤氣化藝術(shù)。加壓氣流床氣化工藝和殼牌公司的原理差不多，不同的在于加壓氣流床氣化工藝用的煤粉顆粒為0.075 mm，氣化爐的壓力在3.6 MPa～4.2 MPa，溫度為1 400 ℃，最后通過冷卻流程得到甲醇。加壓氣流床氣化工藝這種方式可以有效的減少能耗，并且對煤氣污染也大幅度的降低。

3.2 水煤漿氣流床

主要由德士古公司氣化和IGTI 氣化組成的大型化水煤漿氣化，都是通過激冷流程組成的[4]。德士古公司煤氣化藝術(shù)是德士古公司進行研發(fā)的最新技術(shù)，德士古公司煤氣化是通過將水煤漿和氧氣同時加入氣化爐之中，運用激冷或著熱鍋的方式將二者進行氣化，合成出甲醇。在我國通常使用激冷的方式。LGTI氣化爐需要的同樣是水煤漿，我們可以將LGTI 氣化爐分為兩段，一段進行加熱一段運用熱能將煤漿氣化。最后將1 000 ℃的煤氣進行冷卻，將里面的水脫出得到甲醇。

3.3 氣流床煤氣化技術(shù)的選擇

在殼牌公司氣化、加壓氣流床氣化工藝氣化、杰斯菲克公司氣化、德士古公司氣化和LGTI 氣化這五種煤氣化藝術(shù)中杰斯菲克公司氣化、德士古公司氣化和Shell 氣化是屬于成熟的煤氣化藝術(shù)。在德士古公司氣化中氣壓的需求很廣泛，使用條件比較低所以國內(nèi)外的設(shè)備中德士古公司氣化的占比非常高。殼牌公司氣化的生產(chǎn)能力非常強，碳轉(zhuǎn)化率也是非常高。杰斯菲克公司氣化在擁有德士古公司氣化和殼牌公司氣化優(yōu)點的同時，氣化爐壽命長，投資投本低杰斯菲克公司氣化是目前最受國內(nèi)歡迎的煤氣化藝術(shù)，因此得到廣泛的運用[5]。

4 甲醇合成塔的選擇

4.1 水管式合成塔

水管式合成塔不僅提高了自身的換熱效果，在傳熱管中也放入了水，當過剩能量產(chǎn)生時可以將過剩能量排入傳熱管中，可以理想的將能量轉(zhuǎn)化為2.5 MPa～4.0 MPa 的中壓蒸汽。并且在底層的管子中注入熱水，提高了傳熱系數(shù)縮小了傳熱面積。這樣使得水管式合成塔的能源的合理運用中非常出色，許多大工廠都非常喜歡用水管式合成塔，可見水管式合成塔目前的優(yōu)秀。

4.2 多床內(nèi)換熱式合成塔

隨著科技的發(fā)展，曾經(jīng)出色的氨合成塔已經(jīng)逐漸淘汰，人們將氨合成塔進行技術(shù)改進得到了如今的多床內(nèi)換熱式合成塔，并且在多床內(nèi)換熱式合成塔之中不僅具有換熱機構(gòu)還可以自己添加催化劑，每一次添加都可以使用很久。多床內(nèi)換熱式合成塔的換熱裝置在多床內(nèi)換熱式合成塔的中央沿軸上，并且分布在兩個相互隔離的催化床上。多床內(nèi)換熱式合成塔的換熱器一共有兩種分別是列管和蛇管。多床內(nèi)換熱式合成塔的優(yōu)點有很多，多床內(nèi)換熱式合成塔的結(jié)構(gòu)非常簡單，由于結(jié)構(gòu)簡單引起了對多床內(nèi)換熱式合成塔的造價也就低了，并且對于甲醇的轉(zhuǎn)化率也大大的提高了。但多床內(nèi)換熱式合成塔的缺點也很嚴重，就是需要將它的反應(yīng)物進行處理后才會出現(xiàn)中壓蒸汽。

4.3 固定管板列管合成塔

固定管板列管合成塔相較于水管式合成塔和多床內(nèi)換熱式合成塔略有不同，在固定管板列管合成塔進行合成時，當催化劑加入其中時，會和沸騰的熱水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生出3.2 MPa～4 MPa 的中壓蒸汽。最后通過逆流換熱的方式進行對甲醇的合成，還可以大大提高對能源的轉(zhuǎn)換。然而列管合成塔被管長和設(shè)備直徑所限制也導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜，并且單個固定管板列管合成塔的生產(chǎn)能力不高，如果每次生產(chǎn)甲醇時候超過了2 000 t，那么就需要將多個列管合成塔進行并聯(lián)在一起才能支持甲醇的合成。而且安裝卸載催化劑的工作也非常復(fù)雜。隨著甲醇的合成壓力變高，管板厚度也需要進行增加保證承受的住壓力，對于固定管板列管合成塔其材料一般由特殊材質(zhì)的不銹鋼材料進行制作，這種材料由于其材料的特殊性較強，所以加工費用也會較高，因此甲醇合成的越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，這就導(dǎo)致了固定管板列管合成塔是目前甲醇合成塔中造價最昂貴的一個合成塔。

4.4 冷管式合成塔

冷管式合成塔其原理構(gòu)造不同于其他合成塔，它主要是通過控制冷氣來進行合成工作，來增加能源轉(zhuǎn)換率，冷管式合成塔的內(nèi)件就是相當于在接觸層內(nèi)安裝的換熱器。一般來講，冷管式合成塔的冷管有三種不同結(jié)構(gòu)，其中逆流式冷管就是將熱度進行排除處理，之后逆流式的冷管會與放熱相互克制。但是這種方式會存在一些弊端，當溫差過大時，這種形式不適用于對甲醇的合成反應(yīng)工作。因此，冷管式合成塔的冷管設(shè)計多數(shù)采用并流式或者U 形式，極少會用到逆流式冷管，這樣就不會因為出口的溫差過大而導(dǎo)致的能源浪費。優(yōu)點是甲醇的合成反應(yīng)是等溫操作，使反應(yīng)比較接近最適宜溫度線進行，使出口氨含量高，操作穩(wěn)定、簡單。缺點就是存在冷管的效果，影響媒的還原并且不能完全發(fā)揮出煤的活性，觸媒裝卸、內(nèi)件安裝比較困難。

4.5 冷激式合成塔

冷激式合成塔是世界上最早創(chuàng)造出可以制造甲醇的甲醇合成塔，當冷氣進入冷激式合成塔時會將塔中的反應(yīng)熱帶走。冷激式合成塔反應(yīng)床有許多絕熱段，在每個絕熱段之間都需要加入冷的原料氣[6]。反應(yīng)氣溫度的分布不良，在相同的產(chǎn)量下催化劑加入的量較多。冷激式合成塔結(jié)構(gòu)非常簡單，只有冷熱器混合分布器，催化劑填裝的多放入一次可以使用多次冷激式合成塔，冷激器調(diào)節(jié)是非常方便的，在絕熱段的同一平面上溫度大致相同，氣流阻力較小。缺點冷激氣只起到了降溫的作用，沒有參加催化劑反應(yīng)，出氣溫度要比其他的塔要低，導(dǎo)致了熱回收效率低，每冷激一次都會降低氨凈值。冷激式合成塔結(jié)構(gòu)簡單，但對甲醇的合成數(shù)量太低，現(xiàn)在在市面上已經(jīng)見不到了。

4.6 合成塔的選擇

通過對冷激式合成塔、水管式合成塔、冷管式合成塔、多床內(nèi)換熱式合成塔和固定管板列管合成塔這些甲醇合成塔的了解，首先我們可以冷激式合成塔和冷管式合成塔進行排除，因為這兩種甲醇合成塔的生產(chǎn)率太低跟不上如今人們對甲醇的需求，所以進行排除。固定管板列管合成塔、多床內(nèi)換熱式合成塔、水管式合成塔這三種甲醇產(chǎn)量更高的甲醇合成塔是現(xiàn)在比較流行的。固定管板列管合成塔是目前甲醇產(chǎn)量最好的甲醇合成塔，但合成的甲醇越多所需要的固定管板列管合成塔就越多，造價就越貴。水管式合成塔和多床內(nèi)換熱式合成塔，雖然沒有固定管板列管合成塔產(chǎn)量高但價格便宜，而且產(chǎn)量也不低更適合工廠的使用[7]。

5 結(jié)語

隨著煤制甲醇的發(fā)展，越來越多的設(shè)備會逐漸出現(xiàn)在大家眼前，對煤氣化的選擇以及合成塔的選擇是非常重要的，一個好的設(shè)備不僅可以增加甲醇合成率還可以節(jié)約更多的能源。通過對煤氣化的工藝分析，氣流床氣化是非常適合對甲醇進行生產(chǎn)的。通過對氣流床煤氣化的分析，GSP 是最適合運用于合成甲醇的。通過對甲醇合成塔的分析，產(chǎn)量高的三種各有優(yōu)劣，可根據(jù)自身情況進行選擇。