全球实时:煤制甲醇合成工艺设备的选型探讨
甲醇能用在生产硫酸二甲酯以及甲醛等诸多物质中,并且还是医疗与农业等
2023-06-12甲醇能用在生产硫酸二甲酯以及甲醛等诸多物质中,并且还是医疗与农业等领域一种关键的原料。如今,生产甲醇的方法也比较丰富,可将煤炭、天然气与石油等作为原料。相较来讲,煤制甲醇是最为经济的形式,而且相关生产设备类型逐渐增多,需要综合各方面的考量,挑选比较适合的设备类型。
(资料图)
1煤制甲醇合成
煤制甲醇是近些年我国一种相对成本较低的甲醇制作方式。甲醇本身有着较高的使用价值,同时也极具危险性,常温环境下,其为透明液相,存在一定的毒性,人体摄入 20~30 mL 就能造成失明。在该种甲醇合成工艺下,煤是关键的固体原料,制作流程涉及到气化,经过脱硫、脱碳等环节制成。在合成加工中,包含两个关键环节 :其一是煤气化,把煤原料放在合适压力和温度条件下,让其和气化剂发生反应后,输出气体。该步骤中出现的化学反应均是吸热的过程。所以,在温度提高中,三种反应随之正方向变化。现实作业期间,通常会选择往气化炉内注入空气,保障反应过程更加顺利。其二是合成甲醇,由一氧化碳和氢得到甲醇。与此同时,还会有某些副反应伴随而行,出现某些杂质。所以,实践作业时,为提高甲醇产出率,会用到一些催化剂,推动化学反应。另外,温度条件需始终处于 300~400 ℃之间,使反应速度达到要求。
2煤气化环节技术分析
2.1技术介绍
首先,固定床气化,原料是长烟煤。该项技术是利用空气与蒸汽、氧化剂,从而把煤转化为一氧化碳、甲烷及氢气等构成的气体,将该气体当成燃料释放热量。固定床气化工艺下,要求气化压力达到4 MPa;作业温度是 850~950 ℃之间;原料颗粒度处于4~28 mm ;氧气使用量是 280~290 km3;一般单炉的生产水平是600 t。
其次,流化床,将气化剂注入气化炉中,而后燃烧小粒径碎煤,使燃料处于沸腾状态,逐渐发生气化反应,形成的气体与煤渣均通过炉下排掉,由此所得的煤气内基本上没有携带焦油类的成分。该项工艺要求的气化压力为0.098 MPa;作业温度是 900 ℃;原料颗粒度是 1~9 mm ;氧气使用量为302~318 km3;单炉生产力在350~450 t之间。
最后,气流床,其是借助气化剂把煤粉带进气化炉中,利用内部高温使煤粉瞬间燃烧,并释放热能,得到合成气。因为气化炉本身的温度极高,煤粉反应时长很短,通常在3 s左右就能结束气化反应。而且气流床对添加煤炭类型无严格的制约,大多数煤种均能实施化学反应。假设粒径偏大,就要消耗相对偏长的气化时间。但如果选择小粒径,便可明显缩短反应时间。
实践生产中,一般会选择小颗粒的原料,这样不仅能节省时间成本,又可保障原料转化率。此项工艺的气化压力标准是3.6~6.3 MPa;作业温度为1 450~1 550 ℃之间 ;原料颗粒度不足0.19 mm ;氧气使用量是 312~318 lm3;单炉生产水平是2 000 t。
2.2对比优劣
三项煤气化技术使用装置造价相对较高的为气流床,最低廉的就是固定床,而按照原料转化率来看,由高至低的顺序是气流床与固定床、流化床。其中,气流床造价虽然相对偏高,但此项技术能借助升高作业温度,加强对原料的处理力度,可保障转化率超过 99%,使用其能够弥补流化床的缺陷。
除了造价成本方面的考量外,三者优缺点各有不同。固定床相对适用于小型煤气化长,能耗少、初期投资低。但其缺陷也比较明显,甲醇合成率有限,而且会对环境条件造成明显影响,输出气体成分复杂。流化床则适用于中小规模煤气化厂。这是由于其对原料没有太大的要求,产出率也较高。但不足在于,气化操作温度不高,导致转化率很难达到较高的水平。气流床则比较适合大型的煤气化厂,可以利用高温条件处理原料,使转化率明显上升。
3煤制甲醇合成技术设备选型
根据煤制甲醇的关键生产环节和现有煤气化中相较佳的技术手段,下文从气化以及合成两个生产步骤入手,探讨各自的设备选型问题。
3.1气化阶段
以气流床为例,可选择的工艺设备有:
(1)干粉气流床。这是近些年较为常见的气化方法。现有的干粉气流床设备,技术参数略有不同。①把原料粉碎成0.09 mm 的颗粒,保障其干燥的前提下放进煤仓中,利用惰性气体把煤粉转移到气化炉中。保持 1 400 ℃的高温,炉内气体与煤粉发生反应,而后把生成煤气降温至 300 ℃,通过除尘器清理气体内的杂物后,移送至气化炉。②直接将不足0.2 mm 粒径煤粉倒进气化炉内,保持 2.6~4 MPa 的炉内压力条件,最终借助激冷手段,使煤粉发生气化,由此获得甲醇。③借助冷激类热回流的形式生产,基本原理和第一种气流床相近,二者主要区别体现在,该种工艺设备的原料粒径要求是0.075 mm,炉内压力要处于 3.6~4.2 MPa 之间,温度保持 1 400 ℃。最终利用冷却处理,获得甲醇。此种气化技术设备,能够有效控制能耗,而且有助于弱化生产操作对环境的污染程度。
(2)水煤浆气流床。目前主要有两种大规格的水煤浆气化装置,均是以激冷环节为主。①把水煤浆与氧气一同添加到气化炉内,借助激冷形式实现气化,得到甲醇。在数年优化中,如今已经被若干国家使用,我国就在其中。一般条件下,此项工艺设备应用煤粉粒径不能大于0.2 mm,而气化炉内工作压力处于 2.7~3.9 MPa 区间内,由气化炉内导出媒体和熔渣。需特别介绍的是,气化炉出口位置煤气温度应保持在 215 ℃附近。② IGTI 气化炉也用到水煤浆,整体运行过程能分成两个部分,即加热、利用热能实现煤浆气化,最终把 1 000 ℃高温煤气快速冷却,通过水脱获得甲醇。
3.2合成环节
其一,水管式合成塔。
该种合成设备能够优化换热效果,传热管内注入清水,在出现过剩能量的情况下,可以快速把其转移到传热管上,得到中压蒸汽,大约在 2.5~4 MPa 之间。同时,底层管内会添加热水,这样能 提升传热系数,并控制传热范围。如此运行结构下,合成塔可有效使用能源,避免额外消耗,其是部分工厂比较偏爱的合成塔设备类型。
其二,冷管式合成塔。
该设备运行原理和其他合成塔略有不同,其是借助调节冷气支持合成甲醇,可以提高能源转换率,设备内件等同于在接触模块中增设换热装置。通常来说,该种合成塔中装配的冷管也有不同,即逆流式、并流式与 U 构造。第一种冷管是把热度直接排除,和放热之间存在克制的作用。而该种结构还有不足,如果温差偏高,则无法被用到合成甲醇的生产活动中。所以,相关厂家通常选择其他两种冷管形式,如此可预防大温差带来的一系列问题。另外,此种反应塔属于等温作业,反应过程较为接近最优温度线,出口处氨成分比重较大,实操稳定、变化小。但缺陷也比较明显,冷管本身的运行效果会对煤还原有干扰,无法彻底展现出原料活性,而且煤装卸与内件安设都有一定操作难度。
其三,多床内换热式。
在甲醇合成生产手段不断优化中,原本表现较佳的氨合成塔逐渐无法满足现代生产要求,经过合理化改造,便得到该种合成塔,而通过多床内换热类型的设备进行生产,其内部设置换热机构,并能加入催化剂,试剂可用周期较长。其中的换热装置安设于合成大中央轴线处,具体装在各自隔离的催化床处。该类合成塔中的换热设备有列管与蛇管两种,而且此种合成塔应用优势较多,内部结构极为简单,由此使设备投资下降,同时在生产转化率方面的表现也比较优异。但其缺陷也不容忽视,反应物要经过处理,才能形成中压蒸汽。
其四,固定管板列管。
和前文讨论的水管式以及多床内换热两种类型合成塔有差别,使用该种合成塔生产中,添加催化剂后,会与高温水迅速反应,得到中压蒸汽,最终借助逆流换热的形式,达到合成甲醇的目的,这样能有效优化能源转换率。但此种合成塔设备由于会被管子长度与直径尺寸的约束,使内部结构极为复杂,如果仅设置一个此类合成塔,生产力水平就无法达到要求。假设要求每次合成甲醇都达到2 000 t,必须设置若干列管合成塔,通过并联处理后,才能确保设备可以承载相应的生产压力,而且该种合成塔通常是合成不锈钢材质,鉴于材料本身的特殊性, 制作投入成本偏多,在甲醇合成量要求不断增多中,列管合成塔便需随之增加并联数量,如此造成该类型合成塔是如今同类型设备中,投入最多的一种。
其五,冷激式。
该种合成塔的出现时间最早,在合成塔通入冷气后,会把内部反应热量带出。塔中反应床上会设置若干绝热段,相互之间均要通过添加低温原料气,整体反应气温度布局不佳,当甲醇产量要求一致的情况下,会消耗相对更多的催化剂。此类反应塔装置结构比较简单,仅配备冷热器的混合分布模块,根据催化剂的实际添加量,合成塔便可应用不同的次数,而且冷激气调控较为便利。绝热段部分的一个平面上,温度条件相差无几,还不用过于考量气流阻力的问题。但该类合成塔也有较大不足,冷激气仅具备降温的功能,不涉及到催化剂反应,同时出气温度和上述类型合成塔相比更低,造成热回收效率不高,每进行一次冷激,均会导致氨含量下降[2]。现如今,由于冷激式合成塔生产甲醇的效果过差,生产能力很低,市场上已经被全面淘汰。
通过分析现有的合成塔设备来看,冷管式以及冷激式本身的生产能力不高,无法适应当前市面上对甲醇成品的需要,因此,基本上已经没有工厂会选择这两种。而其他三类设备,在产量方面都有相对较好的表现,属于较为流行的类型。相较而言,单就甲醇产量来看,固定管板列管类型的设备使用性能最好,但在实践中要根据生产量要求,不断增加并联设备,使总投资量增加。其他两类合成塔虽然产量有所不及,但造价更低,产量基本上也能满足现代甲醇生产需要,因此比较适合大部分工厂选择。
4煤制甲醇合成技术设备选型问题与对策
4.1选型问题
由于生产设备选型的问题,使技术工艺不能完全发挥出自身的价值,因此若想提升甲醇合成效率,最根本的实现途径是保障选型正确,如此才能提升原料的转化率。如今,煤制甲醇技术有待继续加深管理与探究,实践选型时会有盲目性的问题,导致建成结果无法达到有关部门验收要求,不可投入到实际生产中。
另外,有的选型项目未能注意到设备机组市场竞争力。因而,煤制甲醇生产设备选型需得到充分关注,保证装置应用效率,预防由于选型失败,影响甲醇生产质量。
4.2应对举措
甲醇成品在现代诸多行业中均有举足轻重的作用,各类衍生品也拥有良好的前景,可以进一步提升甲醇使用价值。借此不断提升相关行业部门与从业者对于煤制甲醇的关注,继而合理增加设备选型经费。
另外,还应注重政策引导。各级政府可以利用政策宏观手段,对行业加以引导。根据规范化的建设路径,保障生产装置的使用效率,指导相关工厂选择最适合的设备。而以企业工厂的角度来讲,应当更新自身设备制造观念,培养机械设备队伍,并主动与高校、研究院等机构合作。
5结语
煤制甲醇生产活动中,气化设备与合成塔选型是比较主要的前期建设问题,适宜设备在提高产出量的同时,还能控制生产过程中的能源消耗。综上所述,气流床是当前比较适宜的气化设备。合成塔的选型,除了冷管式与冷激式两种外,其他三类需要企业工厂结合本身的生产需要深度考量。
文章内容来源煤化工信息与技术,责任编辑:胡静,审核人:李峥
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