焦?fàn)t煤氣制甲醇工藝的設(shè)計(jì)

張厚鋼

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

我國作為產(chǎn)煤大國，同時也是焦炭大國，從煤炭到焦炭的煉制過程中會產(chǎn)生大量的焦?fàn)t煤氣。充分利用煉焦過程中所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣不僅能夠減小焦?fàn)t煤氣對環(huán)境所造成過的污染，還能夠達(dá)到節(jié)約能源的目的。目前，焦?fàn)t煤氣的再利用主要應(yīng)用于制備甲醇的原料。甲醇作為清潔能源，已經(jīng)呈現(xiàn)出替代傳統(tǒng)汽油的趨勢，即甲醇的需求量將會越來越大。因此，采用焦?fàn)t煤氣制備甲醇有可能成為供應(yīng)甲醇市場需求的關(guān)鍵途徑[1]。焦?fàn)t煤氣制備甲醇的產(chǎn)量及質(zhì)量在很大一定程度上受制于其制備工藝。為確保甲醇制備工藝的安全性、可靠性，對制備甲醇工藝的要求極高。因此，設(shè)計(jì)一款實(shí)用型高效制備甲醇的工藝是當(dāng)前急需解決的問題。具體闡述如下。

1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝的總體設(shè)計(jì)

焦?fàn)t煤氣制備甲醇的工藝流程如圖1所示。

圖1 焦?fàn)t煤氣制備甲醇工藝流程圖

如圖1所示，制備甲醇需經(jīng)歷6個工藝流程。為確保所得甲醇的質(zhì)量及產(chǎn)量滿足實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用，需對各個工藝流程的進(jìn)行嚴(yán)格控制把關(guān)。焦?fàn)t煤氣制甲醇總體工藝流程如下：在煉焦過程中產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣經(jīng)凈化、脫硫處理后進(jìn)入氣柜中緩沖穩(wěn)壓，通過壓縮機(jī)將焦?fàn)t煤氣從氣柜中增壓至2.5 MPa后通過精脫硫裝置對增壓后的焦?fàn)t煤氣進(jìn)行精脫硫處理(消除煤氣中的有機(jī)硫和無機(jī)硫)，確保焦?fàn)t煤氣中總硫量(總硫質(zhì)量分?jǐn)?shù))小于0.1×10-6。

精脫硫后的焦?fàn)t煤氣中的甲烷以及碳烴化合物在高溫作用下轉(zhuǎn)換為CO和H2，而后在壓縮機(jī)的作用下將合成氣體增壓至6 MPa進(jìn)入甲醇合成裝置中，其中制得的甲醇貯存于成品罐中，在合成過程中所產(chǎn)生的馳放氣作為燃料送回焦?fàn)t中摻燒。

2 焦?fàn)t煤氣制甲醇設(shè)備的選型與工藝流程的設(shè)計(jì)

焦?fàn)t煤氣制備甲醇所需的設(shè)備包括有氣柜、壓縮機(jī)、經(jīng)脫硫裝置、合成氣體轉(zhuǎn)化設(shè)備、甲醇合成器、甲醇精餾裝置等。

2.1 氣柜的選型與工藝流程的設(shè)計(jì)

2.1.1 氣框的選型

氣柜是制備甲醇工藝環(huán)節(jié)中必不可少的設(shè)備，其主要功能是對初步脫硫的焦?fàn)t煤氣起到緩沖作用，并儲存待反應(yīng)的焦?fàn)t煤氣。根據(jù)我廠制備甲醇的焦?fàn)t煤氣的流量約為35 000 m3/h，結(jié)合我廠每年預(yù)計(jì)制備甲醇量為130萬t。故，選用體積為20 000 m3的氣柜，氣柜的類型為低壓濕式螺旋式緩沖氣柜。

2.1.2 工藝流程的設(shè)計(jì)

粗脫硫后焦?fàn)t煤氣經(jīng)入口水封進(jìn)入上述所選型的氣柜，后經(jīng)緩沖、穩(wěn)壓操作后將氣體輸送至壓縮機(jī)中。在該階段工藝中所消耗的水量如第64頁表1所示。

表1 水消耗量統(tǒng)計(jì)表

2.2 壓縮設(shè)備的選型與壓縮工藝流程的設(shè)計(jì)

2.2.1 壓縮設(shè)備的選型

經(jīng)研究表明，對待反應(yīng)氣體增壓后能夠明顯加快反應(yīng)速率[1]。根據(jù)焦?fàn)t煤氣制甲醇的總體工藝流程，要求壓縮機(jī)將氣柜中的氣體增壓至2.5 MPa后對其進(jìn)行精脫硫操作，經(jīng)轉(zhuǎn)后合成的氣體繼續(xù)增加至6 MPa后送至甲醇合成器中制得粗甲醇。

鑒于往復(fù)式壓縮機(jī)對氣體質(zhì)量的要求較低，由于焦?fàn)t煤氣中含有焦油、苯等雜質(zhì)。因此，針對氣柜中焦?fàn)t煤氣的增壓操作選用往復(fù)式壓縮機(jī)，并采用電動機(jī)對其進(jìn)行驅(qū)動。

而對精脫硫后的合成氣體采用離心式壓縮機(jī)對其進(jìn)行增壓操作，且采用汽輪機(jī)對其驅(qū)動。

2.2.2 壓縮工藝流程的設(shè)計(jì)

氣柜中粗脫硫操作的焦?fàn)t煤氣的壓力為5 kPa左右，氣體溫度不大于30 ℃，該氣體通過過濾器進(jìn)入壓縮機(jī)后經(jīng)四級壓縮工藝將其壓力增至2.5 MPa，為后續(xù)的精脫硫操作奠定基礎(chǔ)。由于焦?fàn)t煤氣中含有飽和水蒸氣，因此需定期對壓縮機(jī)進(jìn)行牌也操作，避免壓縮機(jī)的氣閥被損壞。在壓縮過程中所消耗的水量如表2所示。

表2 壓縮過程水、電消耗量

2.3 精脫硫工藝與工藝流程的設(shè)計(jì)

2.3.1 精脫硫工藝的設(shè)計(jì)

焦?fàn)t煤氣中所含的硫類雜質(zhì)會影響其制備甲醇的效率及制備過程中所采用的催化劑的活性。因此，在對其進(jìn)行合成器混合前需對其進(jìn)行精脫硫操作。焦?fàn)t煤氣中含硫的形式為有機(jī)硫和無機(jī)硫，其中無機(jī)硫的質(zhì)量濃度約為35 mg/m3，有機(jī)硫的質(zhì)量濃度約為400 mg/m3。

而在脫硫操作中，需將有機(jī)硫經(jīng)加氫操作轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，而后采用中溫干法對無機(jī)硫進(jìn)行脫硫操作。經(jīng)實(shí)踐表明，在鐵鉬加氫催化劑能夠促進(jìn)有機(jī)硫向無機(jī)硫轉(zhuǎn)化的效率。因此，我廠采用鐵鉬加氫將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫而后采用氧化鐵對轉(zhuǎn)化的無機(jī)硫進(jìn)行脫硫操作；針對焦?fàn)t煤氣中原有的無機(jī)硫采用氧化鋅對其進(jìn)行干法脫硫操作。

2.3.2 精脫硫工藝流程的設(shè)計(jì)

經(jīng)增壓后的焦?fàn)t煤氣，經(jīng)過濾器除去粗脫硫處理后焦?fàn)t煤氣中的苯和焦慮等雜質(zhì)后進(jìn)入氧化鐵預(yù)脫硫槽中，而后進(jìn)入預(yù)熱器中對去除雜質(zhì)的焦?fàn)t煤氣預(yù)熱至220 ℃，而后基于一級鐵鉬加氫轉(zhuǎn)化器將其中的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫；而后進(jìn)入中溫脫硫槽內(nèi)對其無機(jī)硫進(jìn)行初步脫硫操作；進(jìn)入二級鐵鉬加氫轉(zhuǎn)化器中將剩余的有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為無機(jī)硫，并經(jīng)中溫氧化鋅脫硫槽對進(jìn)行二次脫硫操作，最終使得焦?fàn)t煤氣中含硫量小于0.1×10-6。

2.4 轉(zhuǎn)化工藝與工藝流程的設(shè)計(jì)

2.4.1 轉(zhuǎn)化工藝的設(shè)計(jì)

目前，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中焦?fàn)t煤氣轉(zhuǎn)化的工藝有蒸汽轉(zhuǎn)化、基于催化劑氧化以及基于非催化劑部分氧化轉(zhuǎn)化等工藝。經(jīng)對比各類轉(zhuǎn)化工藝的投資成本及轉(zhuǎn)化成本，選用催化劑氧化工藝對焦?fàn)t煤氣進(jìn)行轉(zhuǎn)化操作。

2.4.2 轉(zhuǎn)化工藝流程的設(shè)計(jì)

精脫硫操作后的焦?fàn)t煤氣經(jīng)預(yù)熱爐預(yù)熱至630 ℃后進(jìn)入轉(zhuǎn)化爐中，并與氧氣發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)CO和CO2；H2由水蒸氣在高溫作用下形成。為了確保轉(zhuǎn)化爐的安全生產(chǎn)，要使水蒸氣壓力>氧氣壓力>焦?fàn)t氣壓力。轉(zhuǎn)化工藝消耗原材料、水電如表3所示。

表3 原材料、水電消耗量

2.5 甲醇合成工藝與工藝流程設(shè)計(jì)

2.5.1 甲醇合成工藝的設(shè)計(jì)

針對甲醇合成操作根據(jù)其壓力大小可分為高、中、低壓法進(jìn)行分類。經(jīng)對比不同合成工藝的優(yōu)劣性。我廠采用低壓法合成工藝，其合成塔為普通管殼式等溫反應(yīng)器。

2.5.2 甲醇合成工藝流程的設(shè)計(jì)

由壓縮機(jī)提供壓力為6 MPa、溫度為40 ℃的焦?fàn)t煤氣進(jìn)入氣氣換熱器與轉(zhuǎn)化器所得的220 ℃合成氣充分混合進(jìn)入甲醇合成塔中。為了確保甲醇合成的反應(yīng)速率，在甲醇合成塔中加入適量的銅基催化劑。甲醇合成工藝原材料及水電消耗量如第65頁表4所示。

表4 原材料、水電消耗量

2.6 甲醇精餾工藝與工藝流程的設(shè)計(jì)

2.6.1 甲醇精餾工藝的設(shè)計(jì)

甲醇最終質(zhì)量由甲醇精餾工藝所決定，該工藝是通過相關(guān)控制技術(shù)提取甲醇中的雜醇。本著節(jié)能降耗的原則，我廠采用三塔精餾工藝，即采用預(yù)塔、加壓塔以及常壓塔精餾。

2.6.2 甲醇精餾工藝流程的設(shè)計(jì)

由甲醇合成塔中所得粗甲醇(壓力為0.5 MPa，溫度為40 ℃)進(jìn)入預(yù)精餾塔中，對粗甲醇的雜質(zhì)及甲醇進(jìn)行分離；將預(yù)精餾塔中所得去除輕質(zhì)組分的甲醇液送至加壓塔中，在高壓的作用下甲醇也氣化為甲醇蒸汽；甲醇蒸汽進(jìn)入常壓精餾塔內(nèi)，冷卻至40 ℃后送至儲存精甲醇的罐內(nèi)。甲醇精餾工藝原材料及水電消耗量如表5所示。

表5 原材料、水電消耗量

3 結(jié)語

目前，焦?fàn)t煤氣被廣泛應(yīng)用于制備甲醇的原材料。焦?fàn)t煤氣制備甲醇需經(jīng)歷粗脫硫、壓縮、精脫硫、轉(zhuǎn)化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。在實(shí)際生產(chǎn)中，需根據(jù)實(shí)際情況選擇最優(yōu)工藝并設(shè)計(jì)最優(yōu)工藝流程以獲取質(zhì)量最佳的甲醇。