煤制甲醇生產(chǎn)中煤耗影響因素的對比分析

周 鵬

（神華包頭煤化工有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古包頭 014000）

0 引 言

煤炭一直是我國經(jīng)濟社會發(fā)展的主要能源供應(yīng)，占能源消費總量的約70%，主要原因是我國煤炭資源豐富，以煤炭作為能源經(jīng)濟性最好，其賦存量能夠滿足我國經(jīng)濟高速發(fā)展的需求［1］。

近10 a來，我國煤化工發(fā)展勢頭強勁，在煤的清潔高效利用中，煤制烯烴是公認(rèn)的、可行的發(fā)展方向，而煤制烯烴生產(chǎn)過程中，甲醇是其中間產(chǎn)品，如果甲醇生產(chǎn)成本過高，將導(dǎo)致煤制烯烴路線在經(jīng)濟上相較于石腦油路線和天然氣路線缺乏競爭力。因此，在煤炭產(chǎn)地附近建設(shè)工廠，以廉價的煤炭為原料，通過大型裝置生產(chǎn)低成本的甲醇，成為煤制烯烴企業(yè)獲得競爭力的有力手段。其中，對于前端的氣化裝置而言，原料煤煤質(zhì)、氣化爐的開停車次數(shù)、氣化裝置的投煤量及甲醇合成系統(tǒng)的效率等是影響噸甲醇煤耗的主要因素，也即甲醇生產(chǎn)成本的決定性因素之一。

行業(yè)中，企業(yè)之間會對相同或相近的生產(chǎn)裝置進行技術(shù)對標(biāo)，以衡量本企業(yè)的工藝和經(jīng)濟指標(biāo)。2017年11月，B公司通過行業(yè)對標(biāo)發(fā)現(xiàn)本企業(yè)的煤制甲醇（純度大于99.9%的精甲醇，下同）單耗要明顯高于X公司，B公司的噸甲醇原料煤耗為1.58 t（濕基，指由火車或汽車運輸卸車后的含水含灰原料煤的質(zhì)量，下同），高于X公司的噸甲醇原料煤耗1.48 t（濕基）；將原料煤中的灰分和水分剔除后，B公司的噸甲醇煤耗為1.22 t（無水無灰基，指將煤中所含灰分和全水分剔除后的煤的質(zhì)量，下同），也遠(yuǎn)高于X公司的噸甲醇煤耗1.13 t（無水無灰基）。這表明在工藝設(shè)計或運行維護上，X公司一定有優(yōu)于B公司的地方，而要探究其中的原因，就需對企業(yè)之間各工段進行技術(shù)對標(biāo)。在獲得B公司和X公司的生產(chǎn)數(shù)據(jù)后，筆者主要對兩公司原料煤氣化工段和甲醇合成工段進行技術(shù)對比，試圖通過對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的對比和分析，探究噸甲醇煤耗存在較大差異的原因及解決方案。

1 煤氣化工段的技術(shù)對比與分析

B公司與X公司氣化裝置均采用相同的水煤漿加壓氣化技術(shù)，設(shè)計有效氣（CO+H2）產(chǎn)量均為53×104m3／h。

水煤漿和氧氣在工藝燒嘴中充分混合霧化后進入氣化爐的燃燒室內(nèi)進行氣化反應(yīng)，生成以CO和H2為有效成分的粗合成氣；氣化爐出來的飽和合成氣進入文丘里洗滌器，用激冷水泵送來的工藝水混合洗滌；從文丘里洗滌器出來的氣液混合物進入洗滌塔內(nèi)，沿下降管進入塔底部的水浴中，過程中粗合成氣向上穿過水層，上升的粗合成氣沿下降管和導(dǎo)氣管的環(huán)隙向上流動，與變換冷凝液泵送來的高溫高壓變換冷凝液逆向接觸，進一步洗滌除去其中的固體顆粒，大部分固體顆粒沉降到洗滌塔底部，實現(xiàn)固體顆粒與粗合成氣的分離；洗滌塔頂部出來的粗合成氣，經(jīng)旋流板除沫器除去夾帶的霧沫后送變換裝置。

B公司與X公司氣化裝置正常生產(chǎn)狀態(tài)下原料煤煤質(zhì)及主要運行參數(shù)的對比見表1（X公司選取的是2017年11月18—27日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，B公司選取的是2017年11月1—10日的生產(chǎn)數(shù)據(jù)）。其對比分析如下。

表1 兩公司氣化裝置原料煤煤質(zhì)及主要運行參數(shù)對比

1.1 煤的揮發(fā)分和固定碳含量對煤耗的影響

測定的揮發(fā)分，不是煤中固有揮發(fā)性物質(zhì)的含量，而是在一定條件下加熱煤炭時所產(chǎn)生的熱分解物所占的百分比。揮發(fā)分主要由熱解水和氫、碳的氧化物及碳?xì)溲趸锝M成［2］。

煤揮發(fā)時，剩下的不揮發(fā)物稱為焦渣，焦渣減去灰分稱為固定碳。固定碳就是煤在隔絕空氣的高溫條件下煤中有機質(zhì)分解的殘余物，即煤中固定碳含量可用如下公式表示：

當(dāng)分析煤樣中碳酸鹽二氧化碳含量 ［CO2ad（煤）］為2%～12%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時，則上述公式變?yōu)椋篎Cad＝100%-（Mad+Aad+Vad）-CO2ad（煤）。

X公司原料煤中的固定碳含量高于B公司，揮發(fā)分低于B公司，從這點上看，X公司原料煤的煤化程度要好于B公司。X公司原料煤中的碳元素含量略高于B公司，由煤炭的化學(xué)性質(zhì)可知，煤化程度越高，煤中可揮發(fā)物含量越少，固定碳含量越高，固定碳含量與揮發(fā)分之比稱為燃料比；當(dāng)煤的煤化程度增高時，其燃料比也顯著增加，因而煤的燃料比是煤炭分類及顯示其特性的一個參數(shù)［3］。雖然X公司原料煤的煤化程度要略好于B公司，但由于兩公司原料煤中碳元素和氫元素含量差距較小，熱值也相近，且B公司原料煤的揮發(fā)分高（煤中揮發(fā)分高有利于煤的氣化和碳轉(zhuǎn)化率的提高），因此，兩公司原料煤煤化程度的差異對煤耗有一定的影響，但影響較小，不是造成兩公司噸甲醇煤耗出現(xiàn)較大差距的主要原因。

1.2 煤中灰分對煤耗的影響

灰分是指煤中所有可燃物質(zhì)完全反應(yīng)后，其中的礦物質(zhì)在高溫下分解、化合所形成的惰性殘渣，是金屬和非金屬氧化物和鹽類（碳酸鹽、硅鋁酸鹽、硅酸鹽、硫酸鹽等）的混合體，燃燒后實際測得的是煤灰的產(chǎn)率，而并非煤中真正的灰含量，因為在高溫氧化還原氣氛中煤中礦物質(zhì)的存在形式已經(jīng)發(fā)生了一系列的物理和化學(xué)變化?；曳蛛m然不直接參加氣化反應(yīng)，但卻要消耗煤在氧化反應(yīng)中所產(chǎn)生的反應(yīng)熱用于灰分的升溫、熔化及轉(zhuǎn)化?；曳衷礁撸旱目偘l(fā)熱量就越低，漿化特性通常也較低［2］。

由表1可以看出：X公司原料煤的灰分為7.96%，略高于B公司的7.69%。而據(jù)經(jīng)驗，同樣反應(yīng)條件下，煤中灰分每增加1%，煤耗增加1.3%～1.5%，X公司原料煤的灰分較B公司高0.27%，相應(yīng)地煤耗應(yīng)該增加0.351%～0.405%。因此，僅從灰分上看，兩公司原料煤中灰分差距很小，且X公司還稍顯劣勢，因此，灰分應(yīng)該不是影響兩公司噸甲醇煤耗的主要原因。

1.3 煤漿濃度對煤耗的影響

X公司煤漿濃度略高于B公司，這會提高X公司的氣化效率，也可增加單位時間內(nèi)的煤氣產(chǎn)量。高濃度的煤漿可以是單位時間甲醇產(chǎn)量增加的原因，但不一定是煤耗降低的原因，因為如果煤中灰分過高，即使煤漿濃度高也是徒增無效成分，不會轉(zhuǎn)化為有效組分，況且從兩公司原料煤漿濃度來看，差距也較小，不會是兩公司噸甲醇煤耗出現(xiàn)較大差距的主要原因。

1.4 煤的灰熔點對煤耗的影響

由表1可以看出：X公司粗煤氣中的有效組分略低于B公司，出現(xiàn)這一差距的原因是X公司原料煤的灰熔點高于B公司，相應(yīng)地X公司氣化爐的操作溫度也要高于B公司，高爐溫操作一方面會提高氣化效率，但另一方面又會使粗渣中的殘?zhí)拷档秃陀行夂肯陆怠膬晒驹厦旱幕胰埸c來看，數(shù)據(jù)相近，沒有太大差別，應(yīng)該不是噸甲醇煤耗差距較大的主要原因，而是兩公司有效氣含量略有差距的直接原因。

1.5 氣化爐燃燒室尺寸對煤耗的影響

X公司氣化爐燃燒室內(nèi)徑3 200 mm、燃燒室直筒段高度5 875 mm、燃燒室容積24.5 m3，B公司氣化爐燃燒室內(nèi)徑3 200 mm、燃燒室直筒段高度6 020 mm、燃燒室容積25.5 m3。從爐膛尺寸上看，B公司氣化爐燃燒室的直筒段高度和容積都比X公司略大，煤漿在爐內(nèi)燃燒的狀況不會比X公司差，甚至要略優(yōu)于X公司，所以氣化爐燃燒室尺寸的差異也不是X公司噸甲醇煤耗低的原因。

1.6 產(chǎn)量及單耗數(shù)據(jù)對比

X公司與B公司甲醇產(chǎn)量及單耗數(shù)據(jù)的對比見表2?？梢钥闯觯琗公司噸煤（無水無灰基）產(chǎn)氣量為2 007 m3，要高于B公司的1 980 m3，噸煤產(chǎn)氣量比B公司高1.36%。據(jù)上文分析可知，這主要得益于X公司使用的原料煤的煤化程度略高于B公司。但從噸精醇煤耗（無水無灰基）數(shù)據(jù)可以看出，X公司原料煤耗為1.13 t，B公司原料煤耗為1.22 t，X公司原料煤耗比B公司低7.38%。所以，煤氣化工段對噸甲醇煤耗有一定影響，但不是主要的影響因素。

表2 兩公司甲醇產(chǎn)量及單耗對比

由表2還可以看出：在甲醇合成工段，B公司的精醇合成氣單耗為2 423m3，遠(yuǎn)高于X公司的2 272 m3，B公司精醇合成氣單耗高出6.6%，這表明煤氣化系統(tǒng)之后的系統(tǒng)存在一定的工藝設(shè)計或操作方面的差異，我們需要在下游工段接著進行對比分析。由于粗煤氣凈化工段——變換工序涉及的損耗小以及低溫甲醇洗工序?qū)儆谖锢砦眨虼?，主要對甲醇合成工段進行對比分析，以找出噸甲醇煤耗存在較大差異的主要原因。

2 甲醇合成工段的技術(shù)對比與分析

兩公司甲醇合成工段均采用相同的合成技術(shù)，2套甲醇裝置設(shè)計產(chǎn)能均為1 800 kt／a MTO級甲醇（以100%甲醇計）。

甲醇合成工段工藝流程見圖1。合成新鮮氣進入合成氣／循環(huán)氣聯(lián)合壓縮機的合成段進行壓縮，絕大部分新鮮氣與2#甲醇分離器來的循環(huán)氣混合后經(jīng)預(yù)熱進入1#合成塔。在1#合成塔內(nèi)，甲醇合成反應(yīng)在高活性的催化劑作用下進行，副產(chǎn)低壓蒸汽。離開1#合成塔的反應(yīng)氣進入1#中間換熱器，對入塔合成氣進行預(yù)熱后進入1#空冷器、1#水冷器，反應(yīng)生成的甲醇和水在冷卻器中冷卻，循環(huán)氣和粗甲醇進入1#甲醇分離器進行分離。在1#甲醇分離器中，分離出的粗甲醇去甲醇閃蒸槽，分離出的循環(huán)氣則與部分新鮮氣混合后進入合成氣／循環(huán)氣聯(lián)合壓縮機的循環(huán)段進行壓縮，之后進入2#中間換熱器中預(yù)熱，然后進入2#合成塔，在高活性催化劑的作用下進行甲醇合成反應(yīng)并副產(chǎn)低壓蒸汽。離開2#合成塔的反應(yīng)氣進入2#中間換熱器，預(yù)熱入塔氣后進入2#空冷器、2#水冷器，反應(yīng)生成的甲醇和水經(jīng)冷卻后，循環(huán)氣和粗甲醇進入2#甲醇分離器，分離出的粗甲醇去甲醇閃蒸槽，分離出的循環(huán)氣大部分與合成新鮮氣混合后進入1#合成回路。上述過程需放空一部分弛放氣，以維持循環(huán)氣中的甲烷、氮氣等惰性氣體含量在一定范圍內(nèi)。

從新鮮合成氣在2臺合成塔之間的分布來看，該工藝流程為串／并聯(lián)耦合方式。在該流程中，1#合成塔的出口氣體降溫、分離甲醇后再進入2#合成塔，使得2#合成塔原料氣中的甲醇含量很低，從而可促進反應(yīng)平衡向甲醇合成的方向移動，可顯著提高甲醇合成率，降低整個合成回路的循環(huán)比；同時，這種串／并聯(lián)流程還可有效提高甲醇合成催化劑的使用效率。

圖1 甲醇合成工段工藝流程簡圖

B公司為國內(nèi)首套1 800 kt／a大型甲醇裝置，2010年7月投運，原始設(shè)計上存在一定的缺陷，主要體現(xiàn)在甲醇合成塔換熱面積設(shè)計偏小，導(dǎo)致甲醇合成系統(tǒng)移熱效果差，進而導(dǎo)致甲醇合成反應(yīng)效率低下，且隨著運行時間的延長，設(shè)計上的一些缺陷日漸暴露出來，并且成為甲醇合成系統(tǒng)運行的瓶頸問題。而X公司及后續(xù)其他類似甲醇裝置在設(shè)計期間均對此類問題進行了規(guī)避，對主要換熱設(shè)備的技術(shù)參數(shù)進行了調(diào)整，具體見表3。

表3 兩公司甲醇合成工段主要換熱設(shè)備技術(shù)參數(shù)的對比

2.1 合成塔結(jié)構(gòu)及內(nèi)部換熱管數(shù)量的影響

兩公司采用相同專利商提供的上升式甲醇合成塔，其是一個徑向流反應(yīng)器，X公司催化劑裝填在甲醇合成塔的殼側(cè)，換熱管內(nèi)產(chǎn)生低壓（約1.73 MPa）蒸汽，與B公司甲醇合成塔的結(jié)構(gòu)是相同的，而且采用的也都是同一廠家提供的相同型號的銅基催化劑。但由表3可以看出，X公司甲醇合成塔內(nèi)的換熱管數(shù)量是1 424根，多于B公司的1 040根，差異量為384根，X公司甲醇合成塔內(nèi)的換熱管數(shù)量是B公司的137%，差異明顯。甲醇合成塔換熱管內(nèi)走的是鍋爐水，從汽包來的鍋爐水進入甲醇合成塔底部，然后向上流動并部分汽化帶走甲醇合成反應(yīng)所產(chǎn)生的反應(yīng)熱。顯然，B公司在反應(yīng)熱移除方面明顯差于X公司，B公司的合成反應(yīng)熱移除困難，進而造成合成塔催化劑床層溫度超標(biāo)、合成塔出口合成氣溫度高，最終會明顯影響甲醇的產(chǎn)率。

2.2 中間換熱器換熱面積的影響

中間換熱器又稱氣氣換熱器，其作用是使甲醇合成塔進、出口氣體進行熱量交換（預(yù)熱進口氣、冷卻出口氣），是甲醇裝置中的1臺關(guān)鍵設(shè)備，其換熱效果直接關(guān)系到合成率。由表3可知，X公司1#中間換熱器換熱面積為5 924.2m2，是B公司1#中間換熱器換熱面積5 756.5 m2的103%。所以，在甲醇合成塔進、出口氣換熱方面，X公司略有優(yōu)勢，但差異較小，對甲醇產(chǎn)率的影響應(yīng)該有限。

2.3 空冷器及水冷器換熱面積的影響

（1）X公司的1#和2#空冷器換熱面積總和為7 852.2 m2，B公司的1#和2#空冷換熱面積總和為3 938.0 m2，X公司的空冷器換熱面積總和是B公司的199%，接近2倍。

（2）X公司1#和2#水冷器換熱面積總和為3 222.8 m2，B公司的1#和2#水冷器換熱面積總和為3 462.8 m2，X公司的1#和2#水冷器換熱面積總和略低于B公司，是B公司的93%。

可見，X公司與B公司的空冷器換熱面積差異明顯，X公司的空冷換熱效果明顯好于B公司，便于熱量的轉(zhuǎn)移。由于兩公司甲醇合成塔換熱管數(shù)量及空冷塔的換熱面積均存在較大的差異，運行期間X公司的甲醇合成反應(yīng)效率要優(yōu)于B公司，主要體現(xiàn)在CO單程轉(zhuǎn)化率、甲醇合成回路弛放氣排放量、甲醇產(chǎn)量等數(shù)據(jù)上，具體見表4?？梢钥闯觯琗公司甲醇合成工段的各項技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于B公司，這應(yīng)該是X公司噸甲醇煤耗低于B公司的主要原因。

表4 兩公司甲醇合成系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的對比

2.4 合成回路現(xiàn)場負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷的對比分析

B公司合成回路關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)場操作模擬計算負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷的對比見表5。通過現(xiàn)場操作模擬計算負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷的對比，可以得出以下結(jié)論。

表5 B公司合成回路關(guān)鍵設(shè)備現(xiàn)場操作模擬計算負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷的對比

（1）合成氣壓縮機基本上不超設(shè)計負(fù)荷運行，循環(huán)氣壓縮機超設(shè)計負(fù)荷運行，合成氣壓縮機、循環(huán)氣壓縮機總軸功率為設(shè)計負(fù)荷的約117%，其現(xiàn)場透平蒸汽消耗量（105 t／h）與設(shè)計的透平蒸汽消耗量（82.3 t／h）也與之相對應(yīng)，表明循環(huán)氣壓縮機處于嚴(yán)重的超負(fù)荷運行狀態(tài)。

（2）1#、2#甲醇合成塔的熱量轉(zhuǎn)移負(fù)荷不到設(shè)計負(fù)荷的60%，現(xiàn)場操作工況下的副產(chǎn)蒸汽量（約135 t／h）比設(shè)計工況下的副產(chǎn)蒸汽量（209.6 t／h）小很多，催化劑床層溫度超標(biāo)、合成塔出口合成氣溫度高等現(xiàn)象也與之相符。表明合成塔內(nèi)反應(yīng)熱移出存在困難，即甲醇合成塔換熱面積偏小。

（3）現(xiàn)場合成回路甲醇空冷器、甲醇水冷器的熱量轉(zhuǎn)移負(fù)荷遠(yuǎn)超設(shè)計負(fù)荷，表明現(xiàn)場操作工況下合成回路的循環(huán)倍率遠(yuǎn)大于設(shè)計值，實際循環(huán)氣流量（848.47 t／h）為設(shè)計循環(huán)氣流量（608.89 t／h）的139%即為佐證。

3 結(jié)論及建議

（1）B公司噸煤（無水無灰基）甲醇合成氣產(chǎn)量為1 980 m3，略小于X公司的2 007 m3，兩公司煤制氣單耗有較小差別，主要受原料煤煤質(zhì)輕微差異的影響。兩公司氣化工段的差異對裝置煤耗差異的影響較小，即氣化工段不是造成噸甲醇煤耗出現(xiàn)較大差異的主要原因。

（2）B公司甲醇合成回路由于甲醇合成塔換熱面積不夠，為控制催化劑床層不超溫，不得不提高循環(huán)氣壓縮機負(fù)荷、加大循環(huán)倍率，將反應(yīng)熱向下游設(shè)備轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致循環(huán)氣壓縮機、甲醇空冷器、甲醇水冷器等設(shè)備超負(fù)荷運行，且循環(huán)倍率的加大導(dǎo)致甲醇合成率下降；而且，X公司的空冷器換熱面積總和是B公司的199%，利于熱量的轉(zhuǎn)移。因此，甲醇合成工段工況的差異是導(dǎo)致兩公司煤制甲醇裝置噸甲醇煤耗出現(xiàn)較大差異的主要原因。

鑒于目前B公司甲醇裝置存在的上述問題，理論上應(yīng)增加合成塔內(nèi)的換熱管的數(shù)量，但實際上甲醇合成塔內(nèi)部的改造很難實現(xiàn)?，F(xiàn)階段而言，可采取的措施是增加中間換熱器的換熱面積，并增加若干組空冷器，以較好地進行熱量轉(zhuǎn)移，提高甲醇產(chǎn)率，進而利于煤制甲醇裝置的節(jié)能降耗、提產(chǎn)增效。