煤化工及甲醇生產技術探索

楊鐵魁(中國寰球工程公司 北京 100029)

甲醇是一種有機化工原料，它的用途非常廣泛，普遍運用于燃燒材料、合成金屬、工程涂料、醫學消毒、日常生火等多個方面，在甲醇的制造方面，一般都遵循著煤氣化碳——變換氣體物質——精細蒸餾三大工序，在化工廠生產活動中一般將生產甲醇的工序稱為“工段”。

一、甲醇生產的工段分析

1.煤氣化工段

(1)煤氣化原理

在甲醇生產的流程中，煤氣化是第一步，它是一種化學反應，將氣化劑和煤炭資源中的可燃物質放置在一個高位環境下，然后使其發生中和反應，產生一氧化碳，氫氣等可燃氣體。在煤氣化工段里使用的氣化劑包括水蒸氣、氧氣等，在加入這些氣化劑后，煤炭就會發生一系列化學反應，從而生成所需的氣體。

(2)煤氣化中的化學反應

煤炭資源在加入氣化劑后，經歷了干燥、熱裂解等熱力反應，該反應中生成的氣體包括焦在氧氣、水蒸氣、二氧化碳、氫氣、甲烷等，這些化學反應的速度取決于煤氣化工段中的溫度、熱壓、氣化爐質量以及煤炭的種類，以下是煤氣化過程中會出現的化學式：

從大體上來說，煤氣化反應是化學中的強吸熱效應，如果以動力和熱力的角度來解析這類中和現象，重點在于對溫度的把握，溫度過高會造成氣體流失，溫度過低則無法產生完整的化學反應，導致生成的氣體數量少、質量差。同時在增壓方面應該適當地增加對煤炭的壓力值，這樣可以使化學反應的速度提高，對甲醇的生產效率起積極作用。

2.變換工段

甲醇產品在合成時，一般調整碳元素與氫元素的比例的方法是通過一氧化碳的變換反應來實現的，在甲醇生產的流程中，碳元素與氫元素的分離都在催化劑的影響下進行，在此需要注意的是，碳氧分離工序對水蒸氣的需求量相當大，水蒸氣的生產成本在這道工段中會激增不少，所以，如何最大限度地利用水蒸氣，節約生產成本，這將直接考驗生產部門的氣體生產技術和操作人員的工作效率。

在變換工段中，煤氣化之后的煤氣物質含有大量的一氧化碳和水蒸氣，在催化劑的效果影響到位之后，就可以生成水分與二氧化碳，在此時還會有小部分的一氧化硫轉化為氰化硫，此時化學式表現如下：

這是一個主要反應式，但是在主反應進行的同時，還有一部分副反應也會產生，生成甲醇的副產品，這些化學反應包括：

化學反應在化工產業中要求平衡，在主要變換的化學反應中是一種發散熱量反應的類型，這里的化學反應會使煤氣化后的溫度降低，溫度適當降低有利于化學反應的平衡作用，但是如果溫度太低，就會導致化學反應時間過長，效率越低，當煤氣化工段的生成氣體慢慢消耗殆盡時，就會浪費前一道工段的時間和成本，造成浪費。同時，溫度還與催化劑的適應性掛鉤，如果溫度沒有調整到位，催化劑的效力就無法發揮到最大值，這就會造成碳氧分離程度不足，必須加大催化劑的劑量，這也會增加生產成本。

3.精餾工段

精餾在甲醇生產過程中是指因不同物質之間的揮發效果不同，而可以將它們放置于每一級踏板中進行氣態與液態的互相傳輸，利用物質的不同反應來實現物質分離，從而達到蒸餾甲醇取得高精度的純質甲醇。

不過需要注意的是，每一級的塔板中，氣態與液態的接觸時間都不相等，接觸的面積也有大小之分，且接觸的時間段都不相同，氣液傳輸的用時不一樣，所以會造成實際情況下氣液轉化不足的現象，造成氣液間的不平衡。

二、甲醇生產工段流程模擬分析

1.煤氣化工段模擬

在模擬中我們假設煤漿和高壓后的氧氣依照固定比例放置在氣化爐中，然后在高溫作用下因氣溫及氣壓生成各種氣體，其中包括一氧化碳、氫氣、二氧化碳等，其中高壓后的氧氣進入氣化爐可以通過設置燒嘴的中心管道和外環管道，而煤漿可以通過燒嘴的中環管道進入氣化爐。

在模擬環境下，我們還設置了激冷室，位于氣化爐下段，激冷室主要是處理煤炭中的灰份。在煤氣化工段進行到末尾后，會殘留一些灰份物質，這些物質會在氣化爐的高溫中熔融，熔渣和熱量匯聚，合成了氣體，然后結合離開氣化爐的燃燒室部分，經由反應室，進入氣化爐下段的激冷室。這些氣體在激冷室中將被極寒溫度降低到200攝氏度左右，熔渣會立即固體化，然后生成大量的水蒸氣，經水蒸氣飽和后帶走了灰份，從激冷室的排出口派排出。

2.變換工段模擬

需要進行變換的水煤氣在預熱器中加入一部分進行換氣和換熱步驟，然后進入模擬的變換爐，這部分水煤氣在經過煤氣化工段后，自身攜帶了不少的水蒸氣，變換爐中的催化劑進行催化作用進行變換反應，在第一部分結束后，另一部分的水煤氣也進入變換爐，變換爐這時就會需要新的高溫氣體，模擬的變換工段里加入了預熱裝置，提前儲存并加熱生成高溫氣體，然后連入變換爐中與另一部分的水煤氣進行變換反應，然后進入氣液分離器進行分離，分離成功后的氣體將進入低壓蒸汽室內降溫，再次進入氣液分離器進行分離，再噴入冷水來清洗掉氣體中的三氫化氮，最后氣體進入凈化系統，生產氣態甲醇。

3.精餾工段模擬

精餾工段的流程為四塔工作方式，首先甲醇氣態材料在預熱器中進行高溫加熱，再傳輸進預塔中部，在這里去除粗甲醇里的殘留溶解氣體與二甲醚等，這些屬于低沸點物質。在加熱后，氣體進入冷卻器進行氣體降溫，形成甲醇蒸氣后進入預塔的回流管道。甲醇蒸氣在經過回流后進入換熱器，加熱后進入加壓塔，甲醇在加壓塔中進行冷凝化處理，其中小部分送回加壓塔頂部作為回流液。剩余的甲醇氣體進入精度甲醇管道，最后由加壓塔提供壓力與熱量，將冷凝的高精度甲醇視需求定制成液態或固態儲存，然后將雜質或者甲醇殘留物通過排污口排入廢水處理器進行凈化提取處理。

三、甲醇生產中的注意事項

1.氣化壓力的大小

在其他的生產條件沒有變化的情況下，如果改變氣化壓力，就會產生非常細微但是關鍵的變化。通常氣壓定格在2MPa以上的范圍時，在煤氣化工段里基本上不會產生影響，但是如果氣壓低于2MPa就會使氣化爐的氣化效果變低。所以，在煤氣化工段中，一定要保證氣化壓力控制在2MPa以上，而且可以視實際情況適當提高，這樣可以增加氣體數量，提高生產效率。

2.氧氣與煤量的比例

氧煤比例的提高，指的是在煤炭中氧氣流量的增多，直觀反映為在煤炭高溫加熱時，煤炭的燃燒反應量明顯提升。同時因為氧氣流量的增加，使氣化爐的溫度也得以升高，煤炭的氣化反應會更加強烈，一氧化碳和氫氣的數量會增加不少，但是生成的氣化產物中，二氧化碳和水分的含量占了很大比例，而一氧化碳和氫氣的含量會變少，所以，如果不仔細控制氧煤比例，就會使氣化爐中的氣化反應過強而導致生產甲醇所需的氣體成分變少。

結束語：

傳統的燒煤方式已經不能滿足人們對甲醇的需求量，而且單純的燃燒煤炭既是對資源的浪費，也會造成環境污染。所以，當務之急是要盡快找到新的甲醇提取方法和更快捷有效的甲醇生產技術，在這方面，煤氣化生產流程已經被初步運用于各大化工廠中，作為目前提取甲醇的有效方式，煤氣化工段還需要更多的模擬和分析來增強其效率，簡化其工序。

[1]高恒，劉宏建.煤氣化技術現狀發展及產業化應用[J].煤化工，2009(1).

[2]劉霞，田原宇，喬英云.國內外氣流床煤氣化技術發展概述[J].化工進展，2010(29).

[3]楊晨，孔德峰.煤氣化爐動態數學模型的建立與分析[J].重慶大學學報，2009(08).