60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)工藝技術(shù)分析

周劍偉

(山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200)

在分析了國內(nèi)外目前化石能源轉(zhuǎn)化甲醇技術(shù)的基礎(chǔ)上，以60萬t/a煤制甲醇制備生產(chǎn)線為研究對象，介紹了其生產(chǎn)工藝，并進(jìn)行了生命周期評價(jià)，以期為追求清潔、高效、綠色的煤制備甲醇生產(chǎn)提供參考。

甲醇；煤炭；轉(zhuǎn)化；生命周期；生產(chǎn)工藝；評價(jià)

引 言

隨著新時(shí)代技術(shù)的發(fā)展，全球煤炭消費(fèi)預(yù)計(jì)將增長20%～55%，在此背景下，煤炭的高效潔凈利用成為重要的研究內(nèi)容。目前，煤氣化技術(shù)已經(jīng)成為國內(nèi)外主流的生產(chǎn)技術(shù)。首先，煤碳?xì)饣?UCG)是降低成本的新技術(shù)。若煤炭氣化到位，可以使煤炭更安全、更清潔，比使用表面氣化器便宜。同時(shí)，UCG提供了一個(gè)有效的方法來緩解能源供應(yīng)與確?？沙掷m(xù)發(fā)展之間的緊張關(guān)系[1]。

在我國，能源安全是通過使用和保證能源持續(xù)供應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的。未來幾年，煤炭將繼續(xù)發(fā)揮關(guān)鍵作用，主要用于發(fā)電的原材料。這就要求我們不僅要提高采煤加工的效率，而且需要在我國和世界范圍內(nèi)利用清潔煤技術(shù)(CCT)，其中包括從礦山利用提煉的煤炭進(jìn)行氣化以及地下煤氣化[2]。煤氣化過程可以生成不同的產(chǎn)品：電、熱、替代天然氣、甲醇、汽油、柴油、二甲基醚、烯烴和氫氣等。 其中一些產(chǎn)品(包括甲醇)被認(rèn)為是未來燃料。由于甲醇在化學(xué)工業(yè)中不可替代的地位，煤制甲醇鏈?zhǔn)潜夭豢缮俚?。但是，煤制甲醇由于能源消耗量大，溫室氣體排放量高，尤其與其他石油或天然氣工藝相比，時(shí)常引起排放爭議。國內(nèi)煤制甲醇裝置很多，規(guī)模從年產(chǎn)幾萬噸到上百萬噸不等。年產(chǎn)幾萬噸到幾十萬噸的煤制甲醇工藝技術(shù)基本實(shí)現(xiàn)了國產(chǎn)化，但百萬噸級(jí)以上的甲醇裝置主要工藝技術(shù)仍需引進(jìn)。已投產(chǎn)的神華包頭、大唐國際和神華寧煤MTP 3個(gè)煤制稀烴項(xiàng)目，煤制甲醇的規(guī)模分別為180萬t/a、167萬t/a和167萬t/a，除一氧化碳變換和甲醇精餾技術(shù)之外，空分、氣化、氣體凈化和甲醇合成等主要工藝技術(shù)均由國外引進(jìn)。所以，我國目前的煤制甲醇技術(shù)還是以百萬噸以內(nèi)的生產(chǎn)線為主[3-5]。

1 煤制甲醇的生命周期評價(jià)

為了實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，多樣化的新能源被視為未來有希望的替代能源，如，核能、太陽能、生物能、氫能。此外，還采取其他措施緩解全球變暖，包括煤炭的清潔高效利用。甲醇生產(chǎn)被認(rèn)為是繁榮的化工網(wǎng)絡(luò)中心及其產(chǎn)品原料，如，二甲基甲酰胺醚(DME)、乙酸、乙酸乙酯、甲酸甲酯、甲酸和草酸的生產(chǎn)。甲醇在化工產(chǎn)品中的利用網(wǎng)絡(luò)示意圖如第78頁圖1所示。甲醇主要是以煤、天然氣和焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)技術(shù)為基礎(chǔ)，但煤基甲醇生產(chǎn)加劇污水和溫室氣體排放量增加，這與清潔生產(chǎn)的主題背道而馳。因此，煤制甲醇鏈對溫室氣體的影響評估十分重要。

生命周期評估(LCA)可以用于理解和解決環(huán)境影響(ISO14040，ISO14044)。碳足跡是一個(gè)改進(jìn)的指標(biāo)，用于在生命周期的指南中評估直接和間接的溫室氣體排放量，以便決策者更好地進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)劃。目前，甲醇生產(chǎn)過程中幾乎沒有基于煤氣化技術(shù)的生命周期評估。拉森和廷金于2003年介紹了LCA二氧化碳的排放結(jié)果用于煤炭聯(lián)產(chǎn)甲醇和電力。通過分析多產(chǎn)出技術(shù)時(shí)出現(xiàn)的問題，他提出了需要注意分配環(huán)境對多聯(lián)產(chǎn)工廠的單個(gè)副產(chǎn)品負(fù)擔(dān)，如一生中發(fā)生的一部分環(huán)境負(fù)擔(dān)與消耗材料相關(guān)的周期，以及排放物、廢物和廢水管理與個(gè)人聯(lián)產(chǎn)品相關(guān)聯(lián)。其他溫室氣體排放量則歸因于生產(chǎn)的聯(lián)產(chǎn)品。拉森和廷金還提供了廣泛的溫室氣體排放范圍，從20.9 kg C/GJ到45.38 kg C/GJ，取決于工藝配置。

圖1 甲醇在化工產(chǎn)品中的利用網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)鏈對環(huán)境壓力LCA評價(jià)分析

2.1 方法的選擇

本文基于煤炭制甲醇鏈，結(jié)合生命周期評估(LCA)和ASPEN Plus的工具進(jìn)行分析與評價(jià)。 LAMMEN等曾提出了分層的思想歸因管理(HAM)，為評估煤炭資源的碳足跡提供一種分類方法。在LCA中，目前主流的方法還有兩種，一種是基于“系統(tǒng)擴(kuò)展和避免負(fù)擔(dān)”方法，另一種是“直接系統(tǒng)擴(kuò)大和比例分配”方法，這兩種方法在使用過程中均基于物理關(guān)系進(jìn)行分區(qū)，也就是說分析的因果關(guān)系(生產(chǎn)過程)被確定，允許識(shí)別分配因素[6-7]。這兩種方法均揭示了實(shí)施的環(huán)境后果分析的技術(shù)。

但是分析顯示，基于“系統(tǒng)擴(kuò)展和避免負(fù)擔(dān)”的LCA評價(jià)方法，可以得到更完整的環(huán)境后果信息來源。生命周期評估是針對變化的替代技術(shù)進(jìn)行的，本文分析側(cè)重于從煤氣化制備甲醇以及重整過程中甲醇生產(chǎn)的參考技術(shù)。

2.2 模型的建立和初始參數(shù)

利用ASPEN Plus的工具進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)鏈條主要流程如圖2所示。整個(gè)流程分為7個(gè)模塊，分別是：煤漿制備模塊、氣化模塊、高危廢水處理模塊、能量產(chǎn)出模塊、變換模塊、吸收模塊、廢水處理模塊。

圖2 60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)鏈LCA評價(jià)模型

2.3 結(jié)果與分析

計(jì)算的生命周期溫室氣體排放總值為198 mg/h。二氧化碳和化石甲烷兩種氣體構(gòu)成了大部分(總排放量的99.9%)。其他氣體，如，一氧化二氮、生物源甲烷、四氟甲烷、硫磺六氟化物和六氟乙烷，對溫室氣體排放總量的貢獻(xiàn)不大。分析表明，排放量的32.4%是在煤炭開采階段產(chǎn)生的，67.4%是燃?xì)忮仩t中燃燒過程中未反應(yīng)的氣體，而氣化廠產(chǎn)生的排放量很高。煤礦產(chǎn)生的大量溫室氣體排放量可歸因于兩個(gè)來源，其中一個(gè)來源是被困在煤層中甲烷的排放產(chǎn)生的，并在采煤期間釋放。這種甲烷通過空氣通風(fēng)從地下礦井中除去。甲烷也在甲烷排放站被部分捕獲，然后燒成二氧化碳。溫室氣體排放量也通過在礦山消耗電力生產(chǎn)中增加。在我國，電力主要使用的是硬煤和褐煤，隨煤炭從煤礦運(yùn)輸?shù)綒饣瘡S對溫室氣體排放總量的影響不明顯。 因此，使用基于“系統(tǒng)擴(kuò)展和避免負(fù)擔(dān)”的LCA評價(jià)方法，可以得到更完整的環(huán)境后果信息來源，后續(xù)還可以進(jìn)行環(huán)境負(fù)擔(dān)的副產(chǎn)品和性能比較分析。

基于系統(tǒng)擴(kuò)展方法的參考技術(shù)方法，即“系統(tǒng)擴(kuò)展和避免負(fù)擔(dān)”方法和“直接系統(tǒng)擴(kuò)大和比例分配”方法來分析和評估溫室氣體排放的量化評估(見第79頁圖3)。參考60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)鏈流程，“直接系統(tǒng)擴(kuò)大和比例分配”(圖3a)可以比較產(chǎn)生的溫室氣體排放量，“系統(tǒng)擴(kuò)展和避免負(fù)擔(dān)”方法(圖3b)可以比較溫室氣體排放量產(chǎn)生1 kg的甲醇使用的技術(shù)。無論如何，兩種使用系統(tǒng)擴(kuò)展的方法得到的結(jié)果都指向相似的結(jié)論。

3 結(jié)論

我國“貧油、少氣、多煤”的能源結(jié)構(gòu)決定了現(xiàn)階段煤仍然是我國的主要能源形式,隨著我國逐步進(jìn)入“十三五”規(guī)劃下的能源結(jié)構(gòu)改革，從煤炭中制備甲醇大大提高了煤的綜合利用價(jià)值，而加強(qiáng)煤制甲醇生產(chǎn)鏈條中的碳排放控制手段和設(shè)備是以后發(fā)展的新方向，這也是實(shí)現(xiàn)“青山綠水”目標(biāo)的必然途徑。對60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)工藝現(xiàn)狀進(jìn)行了探討，并計(jì)算了全產(chǎn)業(yè)連的碳排放生命周期情況，為煤化工企業(yè)實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)提供一些參考。

圖3 60萬t/a煤制甲醇生產(chǎn)鏈基于系統(tǒng)擴(kuò)展的生命周期溫室氣體排放結(jié)果

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