煤化工及甲醇生產(chǎn)技術(shù)探索

楊鐵魁(中國(guó)寰球工程公司 北京 100029)

甲醇是一種有機(jī)化工原料，它的用途非常廣泛，普遍運(yùn)用于燃燒材料、合成金屬、工程涂料、醫(yī)學(xué)消毒、日常生火等多個(gè)方面，在甲醇的制造方面，一般都遵循著煤氣化碳——變換氣體物質(zhì)——精細(xì)蒸餾三大工序，在化工廠生產(chǎn)活動(dòng)中一般將生產(chǎn)甲醇的工序稱為“工段”。

一、甲醇生產(chǎn)的工段分析

1.煤氣化工段

(1)煤氣化原理

在甲醇生產(chǎn)的流程中，煤氣化是第一步，它是一種化學(xué)反應(yīng)，將氣化劑和煤炭資源中的可燃物質(zhì)放置在一個(gè)高位環(huán)境下，然后使其發(fā)生中和反應(yīng)，產(chǎn)生一氧化碳，氫氣等可燃?xì)怏w。在煤氣化工段里使用的氣化劑包括水蒸氣、氧氣等，在加入這些氣化劑后，煤炭就會(huì)發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，從而生成所需的氣體。

(2)煤氣化中的化學(xué)反應(yīng)

煤炭資源在加入氣化劑后，經(jīng)歷了干燥、熱裂解等熱力反應(yīng)，該反應(yīng)中生成的氣體包括焦在氧氣、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、甲烷等，這些化學(xué)反應(yīng)的速度取決于煤氣化工段中的溫度、熱壓、氣化爐質(zhì)量以及煤炭的種類，以下是煤氣化過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的化學(xué)式：

從大體上來(lái)說(shuō)，煤氣化反應(yīng)是化學(xué)中的強(qiáng)吸熱效應(yīng)，如果以動(dòng)力和熱力的角度來(lái)解析這類中和現(xiàn)象，重點(diǎn)在于對(duì)溫度的把握，溫度過(guò)高會(huì)造成氣體流失，溫度過(guò)低則無(wú)法產(chǎn)生完整的化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致生成的氣體數(shù)量少、質(zhì)量差。同時(shí)在增壓方面應(yīng)該適當(dāng)?shù)卦黾訉?duì)煤炭的壓力值，這樣可以使化學(xué)反應(yīng)的速度提高，對(duì)甲醇的生產(chǎn)效率起積極作用。

2.變換工段

甲醇產(chǎn)品在合成時(shí)，一般調(diào)整碳元素與氫元素的比例的方法是通過(guò)一氧化碳的變換反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在甲醇生產(chǎn)的流程中，碳元素與氫元素的分離都在催化劑的影響下進(jìn)行，在此需要注意的是，碳氧分離工序?qū)λ魵獾男枨罅肯喈?dāng)大，水蒸氣的生產(chǎn)成本在這道工段中會(huì)激增不少，所以，如何最大限度地利用水蒸氣，節(jié)約生產(chǎn)成本，這將直接考驗(yàn)生產(chǎn)部門(mén)的氣體生產(chǎn)技術(shù)和操作人員的工作效率。

在變換工段中，煤氣化之后的煤氣物質(zhì)含有大量的一氧化碳和水蒸氣，在催化劑的效果影響到位之后，就可以生成水分與二氧化碳，在此時(shí)還會(huì)有小部分的一氧化硫轉(zhuǎn)化為氰化硫，此時(shí)化學(xué)式表現(xiàn)如下：

這是一個(gè)主要反應(yīng)式，但是在主反應(yīng)進(jìn)行的同時(shí)，還有一部分副反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生，生成甲醇的副產(chǎn)品，這些化學(xué)反應(yīng)包括：

化學(xué)反應(yīng)在化工產(chǎn)業(yè)中要求平衡，在主要變換的化學(xué)反應(yīng)中是一種發(fā)散熱量反應(yīng)的類型，這里的化學(xué)反應(yīng)會(huì)使煤氣化后的溫度降低，溫度適當(dāng)降低有利于化學(xué)反應(yīng)的平衡作用，但是如果溫度太低，就會(huì)導(dǎo)致化學(xué)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，效率越低，當(dāng)煤氣化工段的生成氣體慢慢消耗殆盡時(shí)，就會(huì)浪費(fèi)前一道工段的時(shí)間和成本，造成浪費(fèi)。同時(shí)，溫度還與催化劑的適應(yīng)性掛鉤，如果溫度沒(méi)有調(diào)整到位，催化劑的效力就無(wú)法發(fā)揮到最大值，這就會(huì)造成碳氧分離程度不足，必須加大催化劑的劑量，這也會(huì)增加生產(chǎn)成本。

3.精餾工段

精餾在甲醇生產(chǎn)過(guò)程中是指因不同物質(zhì)之間的揮發(fā)效果不同，而可以將它們放置于每一級(jí)踏板中進(jìn)行氣態(tài)與液態(tài)的互相傳輸，利用物質(zhì)的不同反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分離，從而達(dá)到蒸餾甲醇取得高精度的純質(zhì)甲醇。

不過(guò)需要注意的是，每一級(jí)的塔板中，氣態(tài)與液態(tài)的接觸時(shí)間都不相等，接觸的面積也有大小之分，且接觸的時(shí)間段都不相同，氣液傳輸?shù)挠脮r(shí)不一樣，所以會(huì)造成實(shí)際情況下氣液轉(zhuǎn)化不足的現(xiàn)象，造成氣液間的不平衡。

二、甲醇生產(chǎn)工段流程模擬分析

1.煤氣化工段模擬

在模擬中我們假設(shè)煤漿和高壓后的氧氣依照固定比例放置在氣化爐中，然后在高溫作用下因氣溫及氣壓生成各種氣體，其中包括一氧化碳、氫氣、二氧化碳等，其中高壓后的氧氣進(jìn)入氣化爐可以通過(guò)設(shè)置燒嘴的中心管道和外環(huán)管道，而煤漿可以通過(guò)燒嘴的中環(huán)管道進(jìn)入氣化爐。

在模擬環(huán)境下，我們還設(shè)置了激冷室，位于氣化爐下段，激冷室主要是處理煤炭中的灰份。在煤氣化工段進(jìn)行到末尾后，會(huì)殘留一些灰份物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)在氣化爐的高溫中熔融，熔渣和熱量匯聚，合成了氣體，然后結(jié)合離開(kāi)氣化爐的燃燒室部分，經(jīng)由反應(yīng)室，進(jìn)入氣化爐下段的激冷室。這些氣體在激冷室中將被極寒溫度降低到200攝氏度左右，熔渣會(huì)立即固體化，然后生成大量的水蒸氣，經(jīng)水蒸氣飽和后帶走了灰份，從激冷室的排出口派排出。

2.變換工段模擬

需要進(jìn)行變換的水煤氣在預(yù)熱器中加入一部分進(jìn)行換氣和換熱步驟，然后進(jìn)入模擬的變換爐，這部分水煤氣在經(jīng)過(guò)煤氣化工段后，自身攜帶了不少的水蒸氣，變換爐中的催化劑進(jìn)行催化作用進(jìn)行變換反應(yīng)，在第一部分結(jié)束后，另一部分的水煤氣也進(jìn)入變換爐，變換爐這時(shí)就會(huì)需要新的高溫氣體，模擬的變換工段里加入了預(yù)熱裝置，提前儲(chǔ)存并加熱生成高溫氣體，然后連入變換爐中與另一部分的水煤氣進(jìn)行變換反應(yīng)，然后進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離，分離成功后的氣體將進(jìn)入低壓蒸汽室內(nèi)降溫，再次進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離，再噴入冷水來(lái)清洗掉氣體中的三氫化氮，最后氣體進(jìn)入凈化系統(tǒng)，生產(chǎn)氣態(tài)甲醇。

3.精餾工段模擬

精餾工段的流程為四塔工作方式，首先甲醇?xì)鈶B(tài)材料在預(yù)熱器中進(jìn)行高溫加熱，再傳輸進(jìn)預(yù)塔中部，在這里去除粗甲醇里的殘留溶解氣體與二甲醚等，這些屬于低沸點(diǎn)物質(zhì)。在加熱后，氣體進(jìn)入冷卻器進(jìn)行氣體降溫，形成甲醇蒸氣后進(jìn)入預(yù)塔的回流管道。甲醇蒸氣在經(jīng)過(guò)回流后進(jìn)入換熱器，加熱后進(jìn)入加壓塔，甲醇在加壓塔中進(jìn)行冷凝化處理，其中小部分送回加壓塔頂部作為回流液。剩余的甲醇?xì)怏w進(jìn)入精度甲醇管道，最后由加壓塔提供壓力與熱量，將冷凝的高精度甲醇視需求定制成液態(tài)或固態(tài)儲(chǔ)存，然后將雜質(zhì)或者甲醇?xì)埩粑锿ㄟ^(guò)排污口排入廢水處理器進(jìn)行凈化提取處理。

三、甲醇生產(chǎn)中的注意事項(xiàng)

1.氣化壓力的大小

在其他的生產(chǎn)條件沒(méi)有變化的情況下，如果改變氣化壓力，就會(huì)產(chǎn)生非常細(xì)微但是關(guān)鍵的變化。通常氣壓定格在2MPa以上的范圍時(shí)，在煤氣化工段里基本上不會(huì)產(chǎn)生影響，但是如果氣壓低于2MPa就會(huì)使氣化爐的氣化效果變低。所以，在煤氣化工段中，一定要保證氣化壓力控制在2MPa以上，而且可以視實(shí)際情況適當(dāng)提高，這樣可以增加氣體數(shù)量，提高生產(chǎn)效率。

2.氧氣與煤量的比例

氧煤比例的提高，指的是在煤炭中氧氣流量的增多，直觀反映為在煤炭高溫加熱時(shí)，煤炭的燃燒反應(yīng)量明顯提升。同時(shí)因?yàn)檠鯕饬髁康脑黾?，使氣化爐的溫度也得以升高，煤炭的氣化反應(yīng)會(huì)更加強(qiáng)烈，一氧化碳和氫氣的數(shù)量會(huì)增加不少，但是生成的氣化產(chǎn)物中，二氧化碳和水分的含量占了很大比例，而一氧化碳和氫氣的含量會(huì)變少，所以，如果不仔細(xì)控制氧煤比例，就會(huì)使氣化爐中的氣化反應(yīng)過(guò)強(qiáng)而導(dǎo)致生產(chǎn)甲醇所需的氣體成分變少。

結(jié)束語(yǔ)：

傳統(tǒng)的燒煤方式已經(jīng)不能滿足人們對(duì)甲醇的需求量，而且單純的燃燒煤炭既是對(duì)資源的浪費(fèi)，也會(huì)造成環(huán)境污染。所以，當(dāng)務(wù)之急是要盡快找到新的甲醇提取方法和更快捷有效的甲醇生產(chǎn)技術(shù)，在這方面，煤氣化生產(chǎn)流程已經(jīng)被初步運(yùn)用于各大化工廠中，作為目前提取甲醇的有效方式，煤氣化工段還需要更多的模擬和分析來(lái)增強(qiáng)其效率，簡(jiǎn)化其工序。

[1]高恒，劉宏建.煤氣化技術(shù)現(xiàn)狀發(fā)展及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用[J].煤化工，2009(1).

[2]劉霞，田原宇，喬英云.國(guó)內(nèi)外氣流床煤氣化技術(shù)發(fā)展概述[J].化工進(jìn)展，2010(29).

[3]楊晨，孔德峰.煤氣化爐動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的建立與分析[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(08).