年產(chǎn)20萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì)-預(yù)覽頁

　

【正文】 的 Lurgi 公司相繼開發(fā)了適用于天然氣－渣油為原料的低壓法工藝。 我國的甲醇生產(chǎn)始于 1957 年， 50年代在吉林、蘭州和太原等地建成了以煤或焦炭為原料來生產(chǎn)甲醇的裝置。 2021 年，杭州林達(dá)公司開發(fā)了擁有完全自主 知識(shí)產(chǎn)權(quán) 的 JW 低壓均溫甲醇合成塔技術(shù) ［ 3］ ，打破長(zhǎng)期來被 ICI、 Lurgi等國外少數(shù)公司所 壟斷 擁的局面，并在 2021 年獲得國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)。將合成后的粗甲醇經(jīng)預(yù)精鎦脫除甲醚， 再精鎦而得 成品甲醇。 設(shè)計(jì)的目的和意義 由于我國石油資源短缺 ，能源 安全已經(jīng)成為不可回避的現(xiàn)實(shí)問題 ，尋求替代能源已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)遵循“工藝先進(jìn)、技術(shù)可靠、配置科學(xué)、安全環(huán)保”的原則；結(jié)合甲醇的性質(zhì)特征設(shè)計(jì)一座年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇的生產(chǎn)車間。 設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料 （ 1） 工藝流程 資料 參閱某化學(xué)工程公司的甲醇合成廠的工藝流程資料和參考由 房鼎業(yè) 主編的 《甲醇工學(xué)》。加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，擴(kuò)大知識(shí)面；培養(yǎng)獨(dú)立思考、獨(dú)立工作的能力。 合成車間：包括壓縮、甲醇合成 。 綜合樓：包括中心化驗(yàn)室、質(zhì)量檢驗(yàn)、安全環(huán)保。 原料煤規(guī)格 原料煤的元素 分析為： C %； H % ； O %； N % ； S（ 可燃 ） %；S（不 可 燃） %； Cl/（ mg/kg） 229； F/（ mg/kg） 104； Na/（ mg/kg） 2180；K/（ mg/kg） 292 。 煤氣化技術(shù)路線的選擇 煤氣化技術(shù) 按氣化反應(yīng)器的形式，氣化工藝可分為移動(dòng)床（固定床）、流化床、氣流床 三 種。 在大型煤制甲醇的裝置中，固定床的優(yōu)點(diǎn)是投資 低 ，可是它有很多不足： （ 1）對(duì)原料煤的黏結(jié)性有一定有一定要求：（ 2） 氣化強(qiáng)度低 ：（ 3）環(huán)境污染負(fù)荷大，治理較麻煩。發(fā)展較早且比較成熟的是常壓溫克 （ Winkler） 爐。 氣流床氣化 氣流床采用粉煤為原料，反應(yīng)溫度高，灰分是熔融狀態(tài)。 (2)氣化溫度達(dá) 1 400～ 1 600℃ ，對(duì)環(huán)保很有利，沒有酚、焦油，有機(jī)硫很少，且硫年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 11 形態(tài)單一 。 (6)但投 資 相對(duì)較高 ，尤其是 Shell 粉煤氣化 。后者熱煤氣是經(jīng)輻射鍋爐，再送往對(duì)流鍋爐，產(chǎn)生高壓蒸汽可用于發(fā)電或作熱源。 水煤漿氣流床 ： 水煤漿氣化技術(shù)的特點(diǎn)是煤漿帶 35%~40%水入爐，因此氧耗比干粉煤氣化約高20%； 爐襯是耐火磚，沖刷嚴(yán)重，每年要更換一次 。 代表著未來氣流床加壓氣化技術(shù)的發(fā)展方向 。由于氣化溫度高，故對(duì)煤種的適應(yīng)性更為廣泛 ，從較差的褐煤、次煙煤、煙煤到石油焦均可使用，也可以兩種煤摻混使用。 (4)氣化爐采用水冷壁結(jié)構(gòu)，無耐火材料襯里。 (6)碳轉(zhuǎn)化率高達(dá) 99%以上，冷煤氣效率高達(dá) 80%以上。 變換工序 以煤為原料制得的粗甲醇原料氣必須經(jīng)過一氧化碳變換工序。該工藝的簡(jiǎn)單流程為：氣化工段來的水煤氣首先進(jìn)入預(yù)變換爐，出爐后分為兩部分：一部分進(jìn)入另一變換爐，變換后經(jīng)過多次換熱和氣液分離后去了脫硫系統(tǒng)；另一部分先進(jìn)入有機(jī)硫水解槽脫硫，出來后氣體又分為兩部分，部分去調(diào)節(jié)變換爐出口 CO含量，部分去發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。預(yù)變換爐溫度控制在 240℃左右。 （ 3）最終變換率 最終變換率由合成甲醇的原料 氣中氫碳比及一氧化碳和二氧化碳的比例決定的。 NHD 脫硫脫碳 溶劑的物理性質(zhì)和應(yīng)用性能 NHD 溶劑主要組分是聚乙二醇二甲醚的同系物，分子式為 CH3O(C2H4O)nCH3, 式中 n=2～ 8，平均分子量為 250～ 280。 (4)溶劑對(duì)碳鋼等金屬材料無腐蝕性 。 (8)能耗低。當(dāng) CO2分壓小于 1MPa 時(shí)，氣相壓力與液相濃度的關(guān)系基本符合亨利定律。 NHD脫硫脫碳的甲醇裝置的生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，經(jīng) NHD 法凈化后，凈化氣總硫體積分?jǐn)?shù)小于，再設(shè)置精脫硫裝置，總硫體積分?jǐn)?shù)可小于 106，滿足甲醇生產(chǎn)的要求。甲醇合成工藝中 最重要的工序是甲醇的合成，其 關(guān)鍵技術(shù)是合成甲醇催化劑的和反應(yīng)器，設(shè)計(jì)采用用的是低壓合成工藝。內(nèi)件事由催化劑筐和換熱器兩部分組成。 按換熱器的形式分為列管式、螺旋板式、波紋板式等多種形式 。 （ 2）冷管式合成塔 這種合成塔源于氨合成塔，在催化劑內(nèi)設(shè)置足夠換熱面積的冷氣管，用進(jìn)塔冷管年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 16 來移走反應(yīng)熱。這種塔型碳轉(zhuǎn)化率較高但僅能在出塔氣中副產(chǎn) 0. 4MPa 的低壓蒸汽。 （ 4）固定管板列管合成塔 這種合成塔就是一臺(tái)列管換熱器，催化劑在管內(nèi)，管間（殼程 )是沸騰水，將反應(yīng)熱用于副產(chǎn) ～ 的中壓蒸汽。固定管板列管合成塔雖然可用于大型化，但受管長(zhǎng)、設(shè)備直徑、管板制造所限。管板處的催化劑屬于絕熱段 。日前各工程公司的氨合成塔均采用二床 (四床 )內(nèi)換熱式合成塔。典型塔型有 Casale 的四床臥式內(nèi)換熱合成塔和中國成達(dá)公司的四床內(nèi)換熱式合成塔。 催化劑的選用 甲醇合成催化劑 經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究開發(fā)和工業(yè)實(shí)踐，廣泛使用的合成甲醇催化劑主要 有兩大系列：一種是以氧化銅為主體的銅基催化劑 ，一種是以氧化鋅為主體的鋅基催化劑 。通過操作條件的對(duì)比分析，可知 使用銅基催化劑可大幅度節(jié)省投資費(fèi)用和操作費(fèi)用，降低成 本 。 XNC98 甲醇 合成 催化劑 簡(jiǎn)介 ： XNC98 型催化劑是四川天一科技股份有限公司研制和開發(fā)的新 產(chǎn)品。常用操作溫度 200～ 290℃ ,操作壓力 ～ MPa。 (2)低溫活性好 ， 日產(chǎn)量高。隨著可調(diào)溫區(qū)的增加 ， 催化劑的使用壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)。 50%負(fù)荷下 ， C 型催化劑 CO2加入量最高不超過 670kg/h， 而 XCN98 型催化劑則最高可達(dá) 900kg/h。操作溫度的控制同樣是一個(gè)操作費(fèi)用的控制問題，在設(shè)計(jì)中，需要延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，防止催化劑的迅速老化和活性衰減速度加快。設(shè)計(jì)中采用的甲醇合成催化劑為國產(chǎn)的銅系 XCN98，由它的性質(zhì)可知：適合使用的溫度范圍為 200～ 290℃。早期的高壓法合成甲醇工藝采用的是鋅基催化劑，由于活性差，需要在高溫高壓下操作，其操作壓力為 25～ 35Mpa，操作溫度350～ 420℃。 （ 3） 氣體組成 : 對(duì)于甲醇合成原料氣， 即 合成工序的新鮮氣，應(yīng)維持 f=（ H2CO2） /(CO+CO2)=～,并保持一定的 CO2。二氧化碳的存在可以降低反應(yīng)系統(tǒng)的熱效應(yīng)，這對(duì)維持床層溫度也是有利的。甲醇合成過程中，首先甲醇合成塔內(nèi)的氣體空速必須滿足催化劑的使用要求，國產(chǎn)銅基催化劑，一般要求氣體空速在 8000～ 20210h1之間。 粗甲醇的精餾 ［ 14］ 在甲醇合成時(shí)，因合成條件如壓力、溫度、合成氣組成及催化劑性能等因素的影響，在產(chǎn)生甲醇反應(yīng)的同時(shí)，還伴隨著一系列的副反應(yīng)。所以粗甲醇必須提純。若將氣相混合蒸 汽再部分冷凝下來，將冷凝液再加熱到一定溫度，使其部分氣化， 并將氣相與液相分離，則所得氣相冷凝液中的低沸點(diǎn)組分 又高于原氣相冷凝液。雙塔精餾工藝技術(shù)由于具有投資少、建設(shè)周期短、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，被我國眾多中、小甲醇生產(chǎn)企業(yè)所采用。粗甲醇生產(chǎn)中的副反應(yīng)減少和雜質(zhì)的降低，此工藝流程己經(jīng)很少采用。雙塔精餾工藝流程見下圖。從塔頂或側(cè)線采出 .經(jīng)精餾甲醇冷卻器冷卻至常溫后，就可得到純度在 %以上的符合國家指標(biāo)的精甲醇產(chǎn)品。隨著生產(chǎn)的強(qiáng)化，不僅消耗大幅度上升，而且殘液中的甲醇含量也大大超過了工藝指標(biāo)。在該溫度下，幾乎所有的低沸點(diǎn)餾分都為氣相，不造成冷凝回流。生產(chǎn)中加壓塔和常壓塔同時(shí)采出精甲醇，常壓塔的再沸器熱量由加壓塔的塔頂氣提供，不需要外加熱源。三塔精餾與雙塔精餾在流程上的區(qū)別在于三塔精餾采用了 2 臺(tái)主精餾塔 (其中 1 臺(tái)是加壓塔 )和 1 臺(tái)常壓塔，較雙塔流程多 1 臺(tái)加壓塔。 （ 3） 產(chǎn)品質(zhì)量。 （ 5） 操作方面。而雙塔精餾技術(shù)僅在生產(chǎn)規(guī)模低于 5 萬 t/ a 時(shí)具有一定得優(yōu)勢(shì)。 目前常用的精餾塔主要有四種塔型：泡罩塔，浮閥塔，填料塔和新型垂直篩板 塔 。 （ 2）浮閥塔 浮閥塔的塔板結(jié)構(gòu)與泡罩相似，致使浮閥代替了泡罩及其伸氣管。 （ 3）填料塔 填料塔是在塔內(nèi)裝填新型高效填料，如不銹鋼網(wǎng)波紋填料，每 米 填年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 25 料相當(dāng) 5 塊 以上的理論板。 該塔傳質(zhì)效率高，傳質(zhì)空間利用率好 ，處理能力大，操作彈性大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，投資小，板液面梯度小，液面橫向混合好無流動(dòng)傳質(zhì)死區(qū)。 固體氣化原料被碾磨為不大于 ㎜ 的粒度后，經(jīng)過干燥，通過濃相氣流輸入系統(tǒng)送至燒嘴。 冷卻后的粗煤氣進(jìn)入分離器（ V1002），從分離器出來的氣體分為兩部分：一部分進(jìn)入變換爐（ R1002），氣體出來后進(jìn)入換熱器（ E1003），出來的氣體和另外一部分氣體混合后進(jìn)入水解器，氣體出來后入分離器（ V1004），從 V1004 出來后去凈化工段；而從分離器（ V1002）下分離出的液體進(jìn)入分離器（ V1003），從 V1003 出來的氣體經(jīng)過冷卻器（ E1002）后，主要為 H2S 去硫回收系統(tǒng)；從 V1003 下分離的液體去污水處 理系統(tǒng)，處理后的水和從 E1002， E1003，V1004 出來的冷液一起返回氣化爐冷激室。自氨吸收制冷系統(tǒng)返回的變換氣，溫度 145℃，進(jìn)入鍋爐給水加熱器（ E2021）后溫度降至 142℃，再進(jìn)入第二水分離器（ V2021），分離出的冷凝液去冷凝液汽提塔（ T2021），分離后的變換氣進(jìn)入脫鹽水加熱器Ⅰ（ E2021），加熱來自脫鹽水站的脫鹽水，溫度降至 35℃，進(jìn)入第三水分離器（ V2021），分離出的冷凝液去冷年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 27 凝液汽提塔（ T2021），分離后的變換氣去脫硫系統(tǒng)。 由第一水分離器（ V2021）、第四水分離器（ V2021）分離出的高溫冷凝液和來自氨吸收制冷、脫硫系統(tǒng)的冷凝液進(jìn)入冷凝液閃蒸槽（ V2021），閃蒸出的閃蒸氣進(jìn)入冷凝液汽提塔（ T2021），冷凝液由閃蒸槽底部排出直接送至氣化工段。除氧器用本工段產(chǎn)生的低壓蒸汽吹入除氧，除氧后的鍋爐給水由鍋爐給水泵和高、低壓給水泵提壓，經(jīng)低壓鍋爐給水泵升壓至 (A)去鍋爐給水加熱器Ⅱ（ E2021），升溫至 153℃后，一部分去變換氣第二廢熱鍋爐（ E2021）產(chǎn)生 (A)低壓蒸汽 ，另一部分去發(fā)電氣廢熱鍋爐（ E2021）產(chǎn)生 (A)低壓蒸汽 ； 經(jīng)高壓鍋爐給水泵升壓到 (A)去甲醇合成系統(tǒng)；經(jīng)低壓鍋爐給水泵升壓到 (A)進(jìn)年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 28 鍋爐給水加熱器（ E2021），溫度升至 135℃，分成兩部分，一部分去硫回收系統(tǒng)，另一部分去變換氣第一廢熱鍋爐（ E2021）產(chǎn)生的 (A)蒸汽。 從變換工段過來的變換氣（ 36℃， (A)，含 %）與脫硫脫碳閃蒸氣及濃縮塔頂氣提氣混合，經(jīng) NHD 脫碳工段的氣體換熱器換熱冷卻到 ℃進(jìn)入變換氣脫硫塔（ T3001）底部，與塔內(nèi)自上而下的 0℃ NHD 溶液逆流接觸吸收絕大部分 H2S氣體及部分 CO COS、 H2 等氣體，出脫硫塔的脫硫氣溫度為 ℃，含年產(chǎn) 20 萬噸煤制甲醇生產(chǎn)工藝初步設(shè)計(jì) 29 H2S+COS80ppm，含 %，經(jīng)脫硫氣分離器（ V3002）分離掉夾帶的 NHD 溶液后，去 NHD 脫碳。 從脫硫高壓閃蒸槽底出來的富含 H2S、 CO2 的閃蒸液進(jìn)入再生塔（ T3003），再生塔底部由變換氣煮沸器（ E3007）加熱，使 NHD 富液中的氣體全部解吸出來，得到約147℃的 NHD 貧液。 來自脫硫工段的脫硫氣（溫度 ℃、壓力 (A)、 CO 34%含 COS＋ H2S 80ppm）進(jìn)入脫碳塔（ T4001）下塔，氣體自下而上與從下塔頂部而來的 NHD 溶劑逆流接觸，下塔塔內(nèi)有三層 QH1 型碳鋼扁環(huán)散堆填料，氣體中的 CO2 被溶劑吸收，部分 H2S、 COS 被吸收。 進(jìn)脫碳塔下塔上部的 NHD 貧液溫度為 5℃，在塔內(nèi)吸收 CO2的過程中，由于 CO2的溶解熱使溶液溫度升高，出塔底的 NHD 富液溫度達(dá)到 ℃、壓力 (A)。 低壓閃蒸槽（ V4005）底部出來的富液自流進(jìn)入氣提塔（ T4002）塔內(nèi)有五層 QH1型扁環(huán)散堆填料，溶液與氣提氮?dú)庠谔盍蠈觾?nèi)逆流接觸，此時(shí)溶液中溶解的 CO2 被氣提出來，排至大氣。爐內(nèi)發(fā)生 H2S 部分氧化反應(yīng)，三分之一的 H2S 燃燒轉(zhuǎn)化成 SO2， 生成的 SO2再與剩下的 H2S 發(fā)生克勞斯發(fā)應(yīng)生成單質(zhì)硫。轉(zhuǎn)化氣同樣與酸性氣燃燒爐出口的二級(jí)高溫?fù)胶祥y（ TV6002）熱口進(jìn)來的高溫氣體摻合提溫到 220℃進(jìn)入二級(jí) Claus 轉(zhuǎn)化器（ R6001）發(fā)生催化轉(zhuǎn)化反應(yīng)，然后進(jìn)入三級(jí)冷凝器（ E6007）冷卻到 150℃分離出液硫，同時(shí)冷凝器殼程產(chǎn)生 （ G）的低壓蒸汽。經(jīng)急冷塔（ T6001）急冷后的氣體去吸收塔（ T6002）與從塔頂下來的 NHD 貧液逆向接觸，氣體中所含的大部分 H2S 和部分 CO2 被貧液吸收下來，從吸收塔（ T6002）頂出來的尾氣進(jìn)入尾氣焚燒爐（ F6002），與配入的稍過量的空氣和燃料氣進(jìn)行高溫焚燒，使 H2S全部轉(zhuǎn)化為 SO2，焚燒氣經(jīng)尾氣廢鍋（ E6009）冷卻至 300℃，通過煙囪（ X6001）高空排放。從再生塔頂出來的溫度約為 107℃的再生氣經(jīng)再生氣水冷器（ E6014）冷卻至 40℃，再經(jīng)再生氣分離器（ V6014）除去水，然后返回酸性氣燃燒爐再次進(jìn)行 Claus 轉(zhuǎn)化；分離