煤制甲醇?xì)饣に囋O(shè)計及計算畢業(yè)設(shè)計論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 2021 年初至目前（ 5 月 17 日）就有至少 9 個甲醇擬在建項目。項目的投資過熱，必然會導(dǎo)致甲醇產(chǎn)品過剩，進(jìn)而使市場競爭異常慘烈，直至企業(yè)受損。因此，對于甲醇項目建設(shè)，投資一定要謹(jǐn)慎。 我國煤炭資源豐富，甲醇是目前可以大規(guī)模生產(chǎn)的煤化工產(chǎn)品之一。當(dāng)前，甲醇作為石油的補(bǔ)充已成現(xiàn)實。長遠(yuǎn)看，甲醇亦可成為石油的主要接續(xù)資源之 一。甲醇制乙烯、丙烯的研究正初現(xiàn)曙光，按目前的油價和烯烴價格，甲醇制烯烴的預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益可以和以石腦油和輕 柴油 為原料制烯烴大體相近。因此，從我國石油接續(xù)資源考慮，適度發(fā)展甲醇工業(yè)具有重要的戰(zhàn)略意義。 第 7 頁 工業(yè)甲醇生產(chǎn)方法簡述 目前工業(yè)上幾乎都是采用一氧化碳、二氧化碳加壓催化氫化法合成甲醇。典型的流程包括原料氣制造、原料氣凈化、甲醇合成、粗甲醇精餾等工序 。 天然氣、石腦油、重油、煤及加工產(chǎn)品（焦炭、焦?fàn)t煤氣）、乙炔尾氣等均可作為生產(chǎn)甲醇合成氣的原料。天然氣與石腦油的蒸汽轉(zhuǎn)化需要在結(jié)構(gòu)復(fù)雜造價很高的轉(zhuǎn)化爐中進(jìn)行。轉(zhuǎn)化爐設(shè)置有輻射室與對流室，在高溫，催化劑存在下進(jìn)行烴類蒸氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)。重油部分洋化需在高溫期化爐中進(jìn)行。以固體燃料為原料時，可用間歇氣化或連續(xù)氣化制水煤氣。間歇氣化法以空氣、蒸汽尾氣化劑，將吹風(fēng)、制氣階段分開進(jìn)行；連續(xù)氣化以氧氣、蒸汽為氣化劑，過程連續(xù)進(jìn)行。 甲醇生產(chǎn)中所使用的多種催化劑，如天然氣與石腦油正氣其轉(zhuǎn)化催化劑、甲醇合成催化劑都易受硫化物毒 害而失去活性，必須將硫化物除凈。氣體脫硫方法可分為兩類，一類是干法脫硫，一類是濕法脫硫。干法脫硫設(shè)備簡單，但由于反應(yīng)速度較慢，設(shè)備比較龐大。濕法脫硫可分為物理吸收法、化學(xué)吸收法與直接氧化法三類。 甲醇的合成是在高溫、高壓、催化劑存在下進(jìn)行的，是典型的復(fù)合氣 固相催化反應(yīng)過程。隨著甲醇合成催化劑技術(shù)的不斷發(fā)展，目前總的趨勢是由高壓向低、中壓發(fā)展。 粗甲醇中存在水分、高級醇、醚、酮等雜質(zhì)，需要精制。精制過程包括精餾與化學(xué)處理。化學(xué)處理主要用堿破壞在精餾過程中難以分離的雜質(zhì)，并調(diào)節(jié) pH。精餾主要是除去易揮發(fā)組分， 如二甲醚、以及難易揮發(fā)的組分，如乙醇高級醇、水等。 煤、焦炭制甲醇 煤與焦炭是制造甲醇粗原料氣的主要固體燃料。用煤和焦炭制甲醇的工藝路線包括燃料的企劃、氣體的脫硫、變換、脫碳及甲醇的合成與精制。 用蒸汽與氧氣（或空氣、富氧空氣）對煤、焦炭進(jìn)行熱加工稱為固體燃料氣化，氣化所的可燃?xì)怏w通稱煤氣是制造甲醇的初始原料氣。氣化的主要設(shè)備是煤氣發(fā)生爐，按煤在爐中的運動方式，氣化方法可分為固定床（移動床）氣化法、硫化床氣化符合其留床企劃法。國內(nèi)用煤與焦炭制甲醇的煤氣化一般都沿用固定床間歇氣化法，煤氣爐沿用UGI 爐。 在國外對 于煤的 氣化，目 前以工業(yè) 化的煤 氣爐有柯 柏斯 托切克（ KoppersTotzek）、魯奇（ Lurgi）及溫克勒（ Winkler）三種。還有第二、第三代煤氣化爐的爐型主要有德士古（ Texaco）及謝爾 柯柏斯（ ShellKoppers）等。 第 8 頁 用煤和焦炭制得的粗原料氣組分中氫碳比太低，故在氣體脫硫后要經(jīng)過變換工序。使過量的一氧化碳變換為氫氣和二氧化碳，在經(jīng)脫碳工序?qū)⑦^量的二氧化碳除去。 原料氣經(jīng)過壓縮、甲醇合成與精餾精制后制得 2 設(shè)計工藝流程及優(yōu)化 德士古水煤漿氣化制甲醇工藝裝置 可行性分析 三種典型氣化工藝比較 表 21 氣化工藝比較 項目 Texaco Shell Lurgi 原料煤 灰熔點 /℃ 1300 1500 1400 水分 /% 8 8 (褐煤 ) 20 灰分 /% 13 13 其他 可磨性、成漿性好 ,相對活性高 可磨性好 ,100 微米 干分占 80% 6~50mm 碎煤灰分無限制 操作壓力 /MPa ~ ~ ~ 操作溫度 /℃ 1350~1400 1400~1700 1100~1300 排灰方式 液態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 碳的轉(zhuǎn)化率 /% 98~99 99 98 生產(chǎn)強(qiáng)度/m3.(m2 .h)1 5000 8000 3000~4500 氧耗 / ~ 有效成分 (CO+H2) /% 80~82 90 62~65 CH4/% 8~9 煤氣水處理 較簡單 簡單 最大 ,復(fù)雜 原料準(zhǔn)備 復(fù)雜 ,費用高 復(fù)雜 ,費用高 簡單 ,費用低 維護(hù)工作量 較簡單 簡單 大 工程經(jīng)驗 多 少 多 爐的最大生產(chǎn)能力 2021 2021 600 國產(chǎn)化情況 基本國產(chǎn)化 不具備條件 已國產(chǎn)化 第 9 頁 過程分析 (1)原料適應(yīng)性廣，各種煙煤、氣煤、肥煤都可以用來制氣，對煤的水分、灰分、可燃物含量、灰熔點等沒有苛刻的要求，有利于廠家就近選煤，可大大節(jié)約成本。 (2)氣體有效成分高 (CO+H2 80～ 82 )，排渣無污染，污水少，易處理。由于是高溫氣化，氣體中含甲烷很低 (CH 含量 ≤)無焦油 ,廢渣可以綜合利用。 (3)氣化壓力范圍大， ～ MPa 工業(yè)化裝置皆有 ,尤以 裝置較為普遍。因氣化壓力高，可節(jié)省合成氣壓 縮功。 (4)碳的轉(zhuǎn)化率高（ 90%以上）。 (5)氣化爐熱量利用有激冷、廢鍋、激冷和廢鍋結(jié)合三種流程，可以根據(jù)產(chǎn)品選擇合適的流程。由激冷工藝制得合成氣，汽氣比達(dá) ，特別適合作生產(chǎn)合成氨和甲醇的氣頭，也可用作制氫、羰基合成氣等，用途廣泛。廢鍋流程適合燃?xì)馔钙窖h(huán)聯(lián)合發(fā)電，副產(chǎn)的高壓蒸汽可用于蒸汽透平發(fā)電機(jī)組，實現(xiàn)多聯(lián)供。 (6)氣化爐結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)能力大。 1 臺直徑 3200 mm、氣化壓力 的氣化爐，其生產(chǎn)能力可達(dá)日產(chǎn)合成粗醇 500t 以上。通過對德士古 (Texaco)與 Shell 和 Lurgi 氣化工藝比較 (表 1)可以看出， Shell 工藝有明顯的技術(shù)發(fā)展前景，但設(shè)備投資較大， 目前國內(nèi)還沒有成熟的應(yīng)用技術(shù)經(jīng)驗； Texaco 工藝在我國應(yīng)用有近 10 a 的成功經(jīng)驗； Lurgi 工藝、Texaco 工藝國產(chǎn)化率高。但 Lurgi 氣化工藝存在許多明顯缺陷，其合成工藝流程復(fù)雜，廢水處理困難，環(huán)境污染嚴(yán)重。相比之下， Texaco 工藝具有明顯的優(yōu)勢，其水冷激流程特別適用于合成氨、甲醇生產(chǎn)工藝，是目前合成氨、甲醇生產(chǎn)廠家優(yōu)選工藝。 合成氣凈化 以高硫煤為原料的水煤漿合成氣，總硫含量高達(dá) 15 g／ m。，用國內(nèi)傳統(tǒng)的方 法不能完成脫硫任務(wù)。國外一般采用低溫甲醇洗法來脫硫、脫碳，但應(yīng)用該技術(shù)需得到專利授權(quán)許可且部分關(guān)鍵設(shè)備須進(jìn)口。栲膠法脫硫工藝及水洗法脫碳工藝是相似于Selexol(Selexol 法是國外公認(rèn)最經(jīng)濟(jì)、節(jié)能的脫碳法 )的溶劑，且較 Selexol 在應(yīng)用性能、分子分布等都有較大改進(jìn)，其全部物化數(shù)據(jù)都已掌握。 水煤漿氣化制取的合成氣含有大量的水蒸氣 (水氣／干氣在 左右 )，用該氣體制取甲醇時，傳統(tǒng)的 CO 變換是一部分氣體經(jīng)過變換，而另一部分氣體不經(jīng)過變換來調(diào)節(jié)氫碳比。部分冷凝法變換是將合成氣中的水蒸氣部分冷凝，副產(chǎn)蒸汽 后人變換爐，通過調(diào)節(jié)人變換氣體的水氣比來調(diào)整變換氣的氫碳比。該方法流程簡單，操作方便，低位熱利用充分。低溫甲醇洗及栲膠、水洗凈化工藝對凈化裝置而言，均能滿足氣體凈化要求。二者比較，低溫甲醇洗在低溫下操作，為了有效回收冷量，工藝流程較為復(fù)雜，對設(shè)備 第 10 頁 材質(zhì)要求較高，且因低溫甲醇洗的溶劑有毒， 因此在設(shè)計和操作中應(yīng)充分考慮其危害性。 低壓甲醇合成與精餾 甲醇合成塔為管殼式反應(yīng)器，管內(nèi)裝填催化劑，管板上部為絕熱層，管間為沸騰水，利用反應(yīng)熱副產(chǎn)中壓蒸汽，通過調(diào)節(jié)飽和蒸汽的壓力來實現(xiàn)催化劑床層溫度的控制，其甲 醇合成的壓力在 左右 ,反應(yīng)溫度 220~260℃ 其工藝流程有以下技術(shù)特點。 (1)甲醇合成氣體成分的調(diào)節(jié)是利用水煤氣廢熱鍋爐回收低壓蒸汽，通過調(diào)節(jié)蒸汽的壓力來控制變換工段的水汽比，以達(dá)到 CO 的部分變換，使氫碳比控制在 ～ 。 (2)采用絕熱管殼式反應(yīng)器及國內(nèi)研發(fā)的催化劑。其工藝特點是工藝路線成熟，床層溫度控制均勻，催化劑的選擇性好，副產(chǎn)物少，能量回收合理，生產(chǎn)強(qiáng)度高，操作控制簡單、方便、可靠，開停車和催化劑裝卸方便。 (3)甲醇合成塔反應(yīng)管為 442 mm，反應(yīng)管內(nèi)徑與催化劑直徑之比由 傳統(tǒng)的 提高到 8，有利于消除壁效應(yīng)，反應(yīng)管減少 ，更有利于合成塔的加工與制造。甲醇精餾為國產(chǎn)單系列三塔連續(xù)精餾，生產(chǎn) AA 級的精甲醇，其三塔的作用分別為：預(yù)塔除去粗甲醇中溶解的輕組分 (各種氣體、低沸點物質(zhì) )；加壓塔采用加壓精餾，增加粗甲醇的揮發(fā)度，采出部分精甲醇；常壓塔除去粗甲醇中的重組分 (如雜醇、水 )，同時采出一部分精甲醇。德士古水煤漿加壓氣化、栲膠、水洗，脫硫脫碳工藝在生產(chǎn)合成氨、甲醇產(chǎn)品中具有投資少、國產(chǎn)化率高、技術(shù)成熟、運行可靠、效益高等明顯的技術(shù)優(yōu)勢。采用的德士古水煤漿加壓氣化、低溫甲醇 洗、低壓甲醇合成、三塔精餾技術(shù) ,具有投資省、產(chǎn)量大、見效快的優(yōu)點，技術(shù)上也是可行的。 第 11 頁 工藝流程確定 彬縣煙煤 德士古水煤漿氣化制粗原料氣工藝 （設(shè)備：德士古水煤漿氣化爐） 原料氣栲膠法脫硫工藝 tops∮ e 法變換流程 變換工 藝 水洗法脫硫脫除二氧化碳工藝 變換氣體壓縮 魯奇（ Lurgi）低中壓發(fā)合成甲醇工藝（設(shè)備：魯奇（ Lurgi）管殼型甲醇合成反應(yīng)器） 雙效三塔粗甲醇精餾工藝 精甲醇產(chǎn)品 第 12 頁 3 煤制甲醇?xì)饣に囋O(shè)計及計算 工藝概述 煤制甲醇基本工藝流程框圖 氣化工藝 氣體凈化工藝 原料氣變換及 二氧化碳的脫除 合成工藝 精餾工藝 氣化工藝 原料煤的確定 氣化工藝擬采用濕法流化床加壓氣化工藝（即水煤漿氣化工藝），該氣化工藝對原料煤選擇范圍較寬，從褐煤到無煙煤大部分煤種均可，單臺投煤量較大，適于大型氣化選擇。本次設(shè)計以寧東 —彬長煤田優(yōu)質(zhì)煤潔凈開發(fā)為背景，擬選用咸陽地區(qū)彬縣煙煤為氣化煤種。 其煤種性質(zhì)主要數(shù)據(jù)如下： 表 31 工業(yè)分析 /％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） Mad(水分 ) Aad(灰分 ) Vad(揮發(fā)分 ) 渣油特性 2 原料煤 出爐氣 粗甲醇 合成氣 原料氣 精甲醇產(chǎn)品 第 13 頁 表 32 元素分析 /％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） Cad Had Oad Nad Sad 表（ 33）灰組分％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） SiO2 AlO3 Fe2O3 CaO MgO TiO2 SO3 K2O 煤型評價 (1) 煤炭成漿性評價 公式： D=+ C=％ HGI——哈氏可磨性指數(shù) Mad——煤炭分析基水分 D ——煤炭成漿性指標(biāo) C ——預(yù)測的可制漿濃度％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） 查取《現(xiàn)代煤化工技術(shù)手冊》賀永德主編，化學(xué)工業(yè)出版社 表 251 252 結(jié)合彬縣煙煤技術(shù)指 標(biāo)得： HGI = D=+= C==％ 第 14 頁 C＞ 50％ 則此煤種適合造漿 制漿工藝簡述 采用高濃度磨礦制漿工藝，其原理是：將原煤破碎形成高濃度磨