煤制甲醇合成工艺设备的选型探讨

煤化工信息与技术 2023-06-12

甲醇能用在生产硫酸二甲酯以及甲醛等诸多物质中，并且还是医疗与农业等领域一种关键的原料。如今，生产甲醇的方法也比较丰富，可将煤炭、天然气与石油等作为原料。相较来讲，煤制甲醇是最为经济的形式，而且相关生产设备类型逐渐增多，需要综合各方面的考量，挑选比较适合的设备类型。

1 煤制甲醇合成

煤制甲醇是近些年我国一种相对成本较低的甲醇制作方式。甲醇本身有着较高的使用价值，同时也极具危险性，常温环境下，其为透明液相，存在一定的毒性，人体摄入 20~30 mL 就能造成失明。在该种甲醇合成工艺下，煤是关键的固体原料，制作流程涉及到气化，经过脱硫、脱碳等环节制成。在合成加工中，包含两个关键环节：其一是煤气化，把煤原料放在合适压力和温度条件下，让其和气化剂发生反应后，输出气体。该步骤中出现的化学反应均是吸热的过程。所以，在温度提高中，三种反应随之正方向变化。现实作业期间，通常会选择往气化炉内注入空气，保障反应过程更加顺利。其二是合成甲醇，由一氧化碳和氢得到甲醇。与此同时，还会有某些副反应伴随而行，出现某些杂质。所以，实践作业时，为提高甲醇产出率，会用到一些催化剂，推动化学反应。另外，温度条件需始终处于 300~400 ℃之间，使反应速度达到要求。

2 煤气化环节技术分析

2.1 技术介绍

首先，固定床气化，原料是长烟煤。该项技术是利用空气与蒸汽、氧化剂，从而把煤转化为一氧化碳、甲烷及氢气等构成的气体，将该气体当成燃料释放热量。固定床气化工艺下，要求气化压力达到 4 MPa ；作业温度是 850~950 ℃之间；原料颗粒度处于4~28 mm ；氧气使用量是 280~290 km³ ；一般单炉的生产水平是 600 t。

其次，流化床，将气化剂注入气化炉中，而后燃烧小粒径碎煤，使燃料处于沸腾状态，逐渐发生气化反应，形成的气体与煤渣均通过炉下排掉，由此所得的煤气内基本上没有携带焦油类的成分。该项工艺要求的气化压力为 0.098 MPa ；作业温度是 900 ℃ ；原料颗粒度是 1~9 mm ；氧气使用量为302~318 km³；单炉生产力在 350~450 t 之间。

最后，气流床，其是借助气化剂把煤粉带进气化炉中，利用内部高温使煤粉瞬间燃烧，并释放热能，得到合成气。因为气化炉本身的温度极高，煤粉反应时长很短，通常在 3 s 左右就能结束气化反应。而且气流床对添加煤炭类型无严格的制约，大多数煤种均能实施化学反应。假设粒径偏大，就要消耗相对偏长的气化时间。但如果选择小粒径，便可明显缩短反应时间。

实践生产中，一般会选择小颗粒的原料，这样不仅能节省时间成本，又可保障原料转化率。此项工艺的气化压力标准是 3.6~6.3 MPa ；作业温度为1 450~1 550 ℃之间；原料颗粒度不足 0.19 mm ；氧气使用量是 312~318 lm³ ；单炉生产水平是 2 000 t。

2.2 对比优劣

三项煤气化技术使用装置造价相对较高的为气流床，最低廉的就是固定床，而按照原料转化率来看，由高至低的顺序是气流床与固定床、流化床。其中，气流床造价虽然相对偏高，但此项技术能借助升高作业温度，加强对原料的处理力度，可保障转化率超过 99%，使用其能够弥补流化床的缺陷。

除了造价成本方面的考量外，三者优缺点各有不同。固定床相对适用于小型煤气化长，能耗少、初期投资低。但其缺陷也比较明显，甲醇合成率有限，而且会对环境条件造成明显影响，输出气体成分复杂。流化床则适用于中小规模煤气化厂。这是由于其对原料没有太大的要求，产出率也较高。但不足在于，气化操作温度不高，导致转化率很难达到较高的水平。气流床则比较适合大型的煤气化厂，可以利用高温条件处理原料，使转化率明显上升。

3 煤制甲醇合成技术设备选型

根据煤制甲醇的关键生产环节和现有煤气化中相较佳的技术手段，下文从气化以及合成两个生产步骤入手，探讨各自的设备选型问题。

3.1 气化阶段

以气流床为例，可选择的工艺设备有：

（1）干粉气流床。这是近些年较为常见的气化方法。现有的干粉气流床设备，技术参数略有不同。 ①把原料粉碎成 0.09 mm 的颗粒，保障其干燥的前提下放进煤仓中，利用惰性气体把煤粉转移到气化炉中。保持 1 400 ℃的高温，炉内气体与煤粉发生反应，而后把生成煤气降温至 300 ℃，通过除尘器清理气体内的杂物后，移送至气化炉。②直接将不足 0.2 mm 粒径煤粉倒进气化炉内，保持 2.6~4 MPa 的炉内压力条件，最终借助激冷手段，使煤粉发生气化，由此获得甲醇。③借助冷激类热回流的形式生产，基本原理和第一种气流床相近，二者主要区别体现在，该种工艺设备的原料粒径要求是0.075 mm，炉内压力要处于 3.6~4.2 MPa 之间，温度保持 1 400 ℃。最终利用冷却处理，获得甲醇。此种气化技术设备，能够有效控制能耗，而且有助于弱化生产操作对环境的污染程度。

（2）水煤浆气流床。目前主要有两种大规格的水煤浆气化装置，均是以激冷环节为主。①把水煤浆与氧气一同添加到气化炉内，借助激冷形式实现气化，得到甲醇。在数年优化中，如今已经被若干国家使用，我国就在其中。一般条件下，此项工艺设备应用煤粉粒径不能大于 0.2 mm，而气化炉内工作压力处于 2.7~3.9 MPa 区间内，由气化炉内导出媒体和熔渣。需特别介绍的是，气化炉出口位置煤气温度应保持在 215 ℃附近。② IGTI 气化炉也用到水煤浆，整体运行过程能分成两个部分，即加热、利用热能实现煤浆气化，最终把 1 000 ℃高温煤气快速冷却，通过水脱获得甲醇。

3.2 合成环节

其一，水管式合成塔。

该种合成设备能够优化换热效果，传热管内注入清水，在出现过剩能量的情况下，可以快速把其转移到传热管上，得到中压蒸汽，大约在 2.5~4 MPa 之间。同时，底层管内会添加热水，这样能提升传热系数，并控制传热范围。如此运行结构下，合成塔可有效使用能源，避免额外消耗，其是部分工厂比较偏爱的合成塔设备类型。

其二，冷管式合成塔。

该设备运行原理和其他合成塔略有不同，其是借助调节冷气支持合成甲醇，可以提高能源转换率，设备内件等同于在接触模块中增设换热装置。通常来说，该种合成塔中装配的冷管也有不同，即逆流式、并流式与 U 构造。第一种冷管是把热度直接排除，和放热之间存在克制的作用。而该种结构还有不足，如果温差偏高，则无法被用到合成甲醇的生产活动中。所以，相关厂家通常选择其他两种冷管形式，如此可预防大温差带来的一系列问题。另外，此种反应塔属于等温作业，反应过程较为接近最优温度线，出口处氨成分比重较大，实操稳定、变化小。但缺陷也比较明显，冷管本身的运行效果会对煤还原有干扰，无法彻底展现出原料活性，而且煤装卸与内件安设都有一定操作难度。

其三，多床内换热式。

在甲醇合成生产手段不断优化中，原本表现较佳的氨合成塔逐渐无法满足现代生产要求，经过合理化改造，便得到该种合成塔，而通过多床内换热类型的设备进行生产，其内部设置换热机构，并能加入催化剂，试剂可用周期较长。其中的换热装置安设于合成大中央轴线处，具体装在各自隔离的催化床处。该类合成塔中的换热设备有列管与蛇管两种，而且此种合成塔应用优势较多，内部结构极为简单，由此使设备投资下降，同时在生产转化率方面的表现也比较优异。但其缺陷也不容忽视，反应物要经过处理，才能形成中压蒸汽。

其四，固定管板列管。

和前文讨论的水管式以及多床内换热两种类型合成塔有差别，使用该种合成塔生产中，添加催化剂后，会与高温水迅速反应，得到中压蒸汽，最终借助逆流换热的形式，达到合成甲醇的目的，这样能有效优化能源转换率。但此种合成塔设备由于会被管子长度与直径尺寸的约束，使内部结构极为复杂，如果仅设置一个此类合成塔，生产力水平就无法达到要求。假设要求每次合成甲醇都达到2 000 t，必须设置若干列管合成塔，通过并联处理后，才能确保设备可以承载相应的生产压力，而且该种合成塔通常是合成不锈钢材质，鉴于材料本身的特殊性，制作投入成本偏多，在甲醇合成量要求不断增多中，列管合成塔便需随之增加并联数量，如此造成该类型合成塔是如今同类型设备中，投入最多的一种。

其五，冷激式。

该种合成塔的出现时间最早，在合成塔通入冷气后，会把内部反应热量带出。塔中反应床上会设置若干绝热段，相互之间均要通过添加低温原料气，整体反应气温度布局不佳，当甲醇产量要求一致的情况下，会消耗相对更多的催化剂。此类反应塔装置结构比较简单，仅配备冷热器的混合分布模块，根据催化剂的实际添加量，合成塔便可应用不同的次数，而且冷激气调控较为便利。绝热段部分的一个平面上，温度条件相差无几，还不用过于考量气流阻力的问题。但该类合成塔也有较大不足，冷激气仅具备降温的功能，不涉及到催化剂反应，同时出气温度和上述类型合成塔相比更低，造成热回收效率不高，每进行一次冷激，均会导致氨含量下降[2]。现如今，由于冷激式合成塔生产甲醇的效果过差，生产能力很低，市场上已经被全面淘汰。

通过分析现有的合成塔设备来看，冷管式以及冷激式本身的生产能力不高，无法适应当前市面上对甲醇成品的需要，因此，基本上已经没有工厂会选择这两种。而其他三类设备，在产量方面都有相对较好的表现，属于较为流行的类型。相较而言，单就甲醇产量来看，固定管板列管类型的设备使用性能最好，但在实践中要根据生产量要求，不断增加并联设备，使总投资量增加。其他两类合成塔虽然产量有所不及，但造价更低，产量基本上也能满足现代甲醇生产需要，因此比较适合大部分工厂选择。

4 煤制甲醇合成技术设备选型问题与对策

4.1 选型问题

由于生产设备选型的问题，使技术工艺不能完全发挥出自身的价值，因此若想提升甲醇合成效率，最根本的实现途径是保障选型正确，如此才能提升原料的转化率。如今，煤制甲醇技术有待继续加深管理与探究，实践选型时会有盲目性的问题，导致建成结果无法达到有关部门验收要求，不可投入到实际生产中。

另外，有的选型项目未能注意到设备机组市场竞争力。因而，煤制甲醇生产设备选型需得到充分关注，保证装置应用效率，预防由于选型失败，影响甲醇生产质量。

4.2 应对举措

甲醇成品在现代诸多行业中均有举足轻重的作用，各类衍生品也拥有良好的前景，可以进一步提升甲醇使用价值。借此不断提升相关行业部门与从业者对于煤制甲醇的关注，继而合理增加设备选型经费。

另外，还应注重政策引导。各级政府可以利用政策宏观手段，对行业加以引导。根据规范化的建设路径，保障生产装置的使用效率，指导相关工厂选择最适合的设备。而以企业工厂的角度来讲，应当更新自身设备制造观念，培养机械设备队伍，并主动与高校、研究院等机构合作。

5 结语

煤制甲醇生产活动中，气化设备与合成塔选型是比较主要的前期建设问题，适宜设备在提高产出量的同时，还能控制生产过程中的能源消耗。综上所述，气流床是当前比较适宜的气化设备。合成塔的选型，除了冷管式与冷激式两种外，其他三类需要企业工厂结合本身的生产需要深度考量。

文章内容来源煤化工信息与技术，责任编辑：胡静，审核人：李峥