年產20萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計(完整版)

　　

【正文】 ≤ 羰基化合物含量（以 CH2O 計）， % ≤ 蒸發殘渣含量， % ≤ 2 工藝 流程設計 圖 1 煤制甲醇的簡單工藝流程 首先是采用 GSP 氣化工藝將原料煤氣化為合成氣；然后通過變換和 NHD 脫硫脫甲醇合成 合成氣凈化 煤制合成氣 甲醇精餾 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 10 碳工藝將合成氣轉化為滿足甲醇合成條件的原料氣；第三步就是甲醇的合成，將原料氣加壓到 ，加溫到 225℃ 后輸入列管式等溫反應器，在 XNC98 型 催化劑的作用下 合成 甲醇，生成的粗甲醇送入精餾塔精餾，得到精甲醇。 動力車間：包括全廠供排水、鍋爐供熱、軟水脫鹽水、供電。具體數據為入塔壓力，出塔壓力 MPa，副產蒸汽壓力 MPa，入塔溫度 225℃，出塔溫度 255℃。煤在世界化石能源儲量中占有很大比重（我國情況更是如此），而且煤制甲醇的合成技術很成熟。 甲醇 生產 原料 合成甲醇的工業生產是以固體（如煤、焦炭）、液體（如原油、重油、輕油）或氣體（如天然氣及其它可燃性氣體）為原料，經造氣、凈化（脫硫）變換，除二氧化碳，配制成一定配比的合成氣。世界上典型的甲醇合成工藝主要有 ICI 工藝、 Lurgi 工藝和三菱瓦斯化學公司(MCC)工藝 ［ 1］ 。 1661 年英國化學家 木材 干餾后的液體產物中發現甲醇，故甲醇俗稱木精、木醇。 甲醇用途 甲醇 是重要有機化工原料 和優質燃料 ， 廣泛應用于精細化工，塑料，醫藥，林產品加工等領域 。 the craft of NHD purification is utilized to purify the syngas。近年來，隨著甲醇下屬產品的開發，特別是甲醇燃料的推廣應用，甲醇的需求大幅度上升。 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 2 abstract Methanol is a kind of extremely important anic industrial chemicals, and a kind of fuel too, it is the basic products of the chemistry of carbon one. It is very important in national economy. In recent years, with the development of the products that are made from methanol, especially the popularization and application of the fuel of methanol, the demand for the methanol rises by a large margin. In order to satisfy economic development39。能與水、乙醇、乙醚、苯、酮類和大多數其他有機溶劑混溶。 甲醇 還 是一種 很有前景的清潔 能源 ， 甲醇燃料以其安全、廉價、燃燒充分，利 用率高、環保的眾多優點，替代汽油已經成為車用燃料的發展方向之一 ；另外 燃料級甲醇用于供熱和發電，也可達到環保要求。 1966 年英國 ICI 公司開發了低壓法工藝，接著又開發了中壓法工藝。 1995 年 12 月，由化工部第八設計院和上海化工設計院聯合設計的 200 kt/a 甲醇生產裝置在上海太平洋化工公司順利投產，標志著我國甲醇生產技術向大型化和國產化邁出了新的一步。對于我國，從資源背景看，煤炭儲量遠大于石油、天然氣儲量，隨著石油資源緊缺、油價上漲，因此在大年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 7 力發展煤炭潔凈利用技術的背景下，在很長一段時間內煤是我國甲醇生產最重要的原料 ［ 4］ 。 設計的依據 海南大學 材料與化工 學院 2021 屆 畢業設計選題 《 年產 20萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 》 任務書，見附件。 凈化車間：包括脫硫（常壓粗煤氣脫硫、變換氣脫硫）、一氧化碳變換、脫二氧化碳及精脫硫。 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 9 廠址選擇 該廠建設在某煤礦附近，計劃占地約 140 畝 ；廠房基建部分由某工程設計院設計。 移動床氣化，是目前世界上用于生產合成氣的主要方法之一。（ 3）缺少 大型使用經驗； 要在大型甲醇裝置中推廣，受一定限制。 (5)氣化強度大 。另外，這種氣化爐均采用水冷壁而不是耐火磚，爐襯的使用壽命長。 GSP 氣化技術的主要特點如下 ［ 6］ ： (1)采用干粉煤 (水份含量 2%)作為氣化原料，根據后續化工產品的要求，煤粉可用年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 12 氮氣或一氧化碳輸送，故操作十分安全。 (5)只有一個聯 合噴嘴 (開工噴嘴與生產噴嘴合 二 為一 )，噴嘴使用壽命長，為氣化裝置長周期運行提供了可靠保障。設計中的變換工藝是一種全新的設計，該工藝采用的是部分氣變換。現代甲醇裝置采用加壓變換可以節約壓縮合成氣的能量，并可充分利用變換氣中過剩蒸汽的能量。 (3)溶劑不氧化、不降解，有良好的化學和熱穩定性 。 NHD 溶劑 吸收機理 NHD 凈化技術屬物理吸收過程， H2S 在 NHD 溶劑中的溶解度能較好地符合亨利定律。 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 15 合成甲醇工藝 的選擇 甲醇合成的典型工藝主要是： 低壓工藝（ ICI 低壓 工藝、 Lurgi 低壓 工藝 ） 、中壓工藝、高壓工藝。 按催化劑筐內反應惹得移出方式可分為冷管型連續換熱式和冷激型多段換熱 式兩大類。如 1984年 ICI公司提出的逆流式冷管型及 1993年提出的并流冷管 TCC型合成塔和國內林達公司的 U形冷管型。這樣就大大提高轉化率，降低循環量和能耗，然而使合成塔的結構更復雜。 （ 5）多床內換熱式合成塔 這種合成塔由大型氨合成塔發展而來。這種塔內甲醇合成反應接近最佳溫度操作線， 反應熱利用率高，雖然設備復雜、投資高，但是由于這種塔在國內外使用較多，具有豐富的管理和維修經驗，技術也較容易得到；外加考慮到設計的是年產 20 萬噸的甲醇合成塔（日產量為 650 噸左右），塔的塔徑和管板的厚度不會很大，費用也不會很高，所以本設計采用了固定管板列管合成塔。制備工藝合理，使該年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 18 催化劑的活性、選擇性、使用壽命和機械強度均達到國外同類催化劑的先進水平 ， 并且價格較低。 表 4 XNC98型與 C型催化劑的性能對比 ［ 11］ 催化劑型號 合成塔進口溫度 加入量 / （ ） 甲烷 單耗/() 甲純收率/％ 甲純產率 / () 甲純產量 / () 初期 末期 C 210 224 670 210 XCN98 200 230 900 229 通過 對比 ， 并結合生產實際可見 ,XCN98 型催化劑具有以下性能優點 ： (1)易還原。 (5)可適用于含高濃度 CO2的合成氣。設計采用的甲醇合成塔為列管式等溫反應器，管間走的是沸騰水，可以副產蒸汽，床層內溫差很小，接近最佳溫度操作曲線。設采用的是 低 壓法（入塔壓強為 ）合成甲醇。 （ 4） 空速 : 空速不僅是一個和合成回路氣體循環量相關聯的工藝控制參數，也是一個影響綜合經濟效益的變量。甲醇的純度直接影響下游產品的質量、 消耗 、安全生產及生產過程中所用的催化劑的壽命。 精餾工藝和精餾塔的選擇 ［ 15］ 甲醇精餾按工藝主要分為 三 種：雙塔精餾工藝技術、帶有高錳酸鉀反應的精餾工藝技術和三塔精餾工藝技術。 雙塔精餾工藝 國內中、小甲醇廠大部分都選用雙塔精餾工藝傳統的主、預精餾塔幾乎都選用板式結構。 年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 22 水甲醇 1 預精餾塔； 2 主精餾塔 圖 2 甲醇雙塔工藝流程 三塔精餾工藝 ［ 16］ 近年來，許多企業原有甲醇雙塔精餾裝置己不能滿足企業的需要。如作為特殊需要，則再經過常壓精餾塔的進一步提純。在消耗方面 ,由于常壓塔加壓塔的蒸汽冷凝熱作為加熱源 ， 所以三塔精 餾 的蒸汽消耗相比雙塔精餾要低。隨著三塔精餾生產規模的擴大 ， 能耗還有進一步下降的空間。該塔已經逐漸被其他塔代替 。 （ 4）新型垂直篩板 新型垂直篩板的傳質單元，是 由塔板開有升氣孔及罩于其上的帽罩組成。熱粗煤氣和熔渣一起通過反應室底部的排渣口進入下部的激冷室。 來自脫硫系統的發電煤氣，溫度 80℃，壓力 ，進入發電氣加熱器（ E2021），溫度升至 230℃，然后去發電系統發電用。除去 H2S 的煤氣稱之為燃氣脫硫氣，與進塔的煤氣在氣體換熱器 E3001A,B 換熱，溫度由 ℃升至 30℃，為滿足燃氣發電對硫含量的要求，燃氣脫硫氣首先進入預脫硫槽 R3001 脫除 H2S 氣體，然后在精脫硫槽預熱器 E3008 中被變換氣加熱到 80℃，進入精脫硫槽 R3002A,B，精脫硫槽上部裝水解催化劑，下部裝精脫硫劑，精脫硫后的氣體（ H2S+COS20ppm）返回到燃氣熱回收系統。 出再生塔（ T3003） 填料段的再生氣經塔上部的旋流板，用塔頂回流的 40℃的冷凝液洗滌冷卻到 106℃左右進入酸性氣水冷器（ E3006）冷卻到 40℃，經酸性氣分離器（ V3005）分離掉酸性氣中夾帶水分，使酸性氣中含 H2S25%，進入硫回收工段。 從脫碳高壓閃蒸槽底部出來的溶液，減壓進入低壓閃蒸槽（ V4004），在此塔內 NHD實液中溶解的大部分 CO2氣體解吸出來，溫度為 ℃，此氣體即謂 CO2氣， CO2氣進入脫碳氣體換熱器（ E4001B）回收冷量后放空。其中主要反應： 2H2S + SO2 → 3/2 S 2 + 2H2O + Q 反應后的氣體進入二級冷凝器（ E6006），冷卻到 150℃分離出液硫，同時冷凝器殼程年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 32 產生 （ G）的低壓蒸汽。再生塔下部用蒸汽煮沸器（ E6017）加熱，使富液中的 H2S 和 CO2受熱解析。三級冷凝器（ E6007）出口氣體進入尾氣分液罐（ V6005）進一步分離出氣體中夾帶的 液硫，從尾氣分液罐（ V6005）頂部出來的就是Claus 尾氣。從氣提塔底出來的貧液經氨冷器（ E4003）冷卻到 5℃，由脫碳貧液泵（ P4001A， B）提壓至 Mpa(A)進入脫碳塔下塔上部。從下 塔頂出來的凈化氣（ CO24%(V)、溫度 ℃）直接進入脫碳塔上塔底部與從脫硫工段過來的被氨冷器 I（ E4002）冷卻至 0℃的 NHD 貧液逆相接年產 20 萬噸煤制甲醇生產工藝初步設計 30 觸，從上塔頂出來的凈化氣（ CO2約 2～ 3%(V)、 COS 和 H2S5ppm、溫度 ℃），經凈化氣分離器（ V4002）除去少量霧沫夾帶的 NHD 后，進入氣 氣換熱器（ E4001A），溫度升至 30℃，壓力 (A)，然后將凈化氣送去精脫硫。 變換氣脫硫塔（ T3001）底排出的約 ℃的 NHD 富液和燃氣脫硫塔（ T3004）底出來的 ℃左右的 NHD 富液一起由富液泵（ P3003A,B）提壓到 (G)經貧富液換熱器 I（ E3002）換熱至 50℃；貧富液換熱器 II（ E3003）加熱到 130℃，進入濃縮塔（ T3002）。 由第三水分離器（ V2021）、第七水分離 器（ V2021）分離出的冷凝液進入冷凝液汽提塔的上部，由第二水分離器（ V2021）、第五水分離器（ V2021）、第六水分離器（ V2021）分離出的冷凝液進入冷凝液汽提塔的中部，汽提塔采用垂直篩板塔，冷凝液閃蒸槽閃蒸出的閃蒸氣（ 156℃， ）進入冷凝液汽提塔的底部，低壓蒸汽進入塔的底部進行汽提冷凝液，塔的操作壓力為 ～ (A)。氣化爐冷激室里的渣粒固化成玻璃狀，通過鎖斗系統排出。 綜合比較上面四種塔，可以知道填料塔和新型垂直篩板性質更加優越，同時考慮到新型垂直篩板是一種新型塔，目前使用很少，技術難得，而填料塔使用較普遍，技術非常成熟，所以設計選用了填料塔。該類型塔板效率高，操作彈性大，操作適應性強，單位面積生產能力大，造價較低。本設計中甲醇產量為 20 萬 t/a， 遠大于 5 萬 t/a，綜合考慮各項因素，所以設計采用三塔精餾工藝。三塔精餾與雙塔精餾在產品質量上最大的不同是三塔精餾制取的精甲醇中乙醇含量低 ， 一般小于 50 106,而雙塔精 餾制取的精甲醇中乙醇含量為 400 106～ 500 106， 三塔精餾制取的精甲醇純度可達 %， 含有的有機雜質相對較少。粗甲醇預熱器的熱量由精甲醇提供 ， 也不需要外供熱量。對企業的達標排放構成了較大的威脅。來自合成工段含醇 90%的粗甲醇，經減壓進入粗甲醇貯槽。其在聯醇裝置中得到了迅速推廣。 精餾 原理 精餾是將沸點不同的組分所組成的混合液，在精餾塔中，同時多次部分氣化和 多次 部分冷凝，使其分離成純態組分的過程。空速過低，結炭等副反應加劇，空速過高，系統阻力加大或合成系統投資加大，能耗增加，催化劑的更換周期縮短。 由于新鮮氣中 （ H2CO2） /(CO+CO2)略大于 2，而反