氮氣工況與二氧化碳工況對煤制甲醇的影響研究

孫雅利

(同煤廣發化學工業有限公司，山西 大同 037001)

引 言

隨著時代的發展，我國對能源的關注程度逐漸提升，為了保證能源的充足性，需要利用目前我國的現有能源，制備出另一種能源，在此過程中既要保證質量，又要避免對環境產生污染。針對煤制甲醇，研究氮氣情況下以及二氧化碳情況下對煤制甲醇的影響，進而確定一種高效環保的煤制甲醇方式，實現煤制甲醇的穩定發展。

1 煤制甲醇的生產工藝

煤制甲醇的生產工藝，主要包括以下幾方面內容。

第一，煤制氣生產工藝，該工藝在實際開展的過程中，主要使用粉煤加壓氣化技術，反應環境需要符合高溫以及高壓的標準，煤粉以及氧氣、蒸汽等在加壓的環境下進入氣化爐中，進而在短時間內完成一系列的物理反應以及化學反應，其中主要包括升溫、揮發、裂解以及燃燒等。氣化爐中的溫度較高，因此在反應過程中，反應物主要以燃燒為主，氣化爐中氧氣耗盡之后，碳會出現各種轉化反應，整個反應進入到氣化反應的階段，最終生成CO以及H2。

第二，煤制甲醇中的變換工藝，變換工藝主要使用串聯三臺變換爐部分變化技術，CO的變化過程屬于可逆的放熱反應，原料中45%的合成氣進入到第一個變換爐中，30%的粗合成氣進入到第二變化爐中，原料中25%的合成氣進入到第三變化爐中。在進入達到第三變化爐之前，需要將第二變化爐氣體與出口變換氣相互混合，這種方式能夠保證變換的一氧化碳量在安全的范圍之內。

2 氮氣工況對煤制甲醇的影響

2.1 對變換效率的影響

在煤制甲醇的初始階段，N2是煤粉的主要輸送載體，由于N2的化學性質較為穩定，因此在氣化爐中無法與其他氣體相互反應，進而對粗煤氣的氣體成分產生影響，通常情況下，粗煤氣中N2的含量在10%左右，正是由于粗煤氣中N2的含量較高，則在變換爐變化的過程中，無法與催化劑進行成分接觸。面對這種情況，要想保證煤制甲醇制備質量，需要提升變換爐的入口溫度，長時間之后，變化爐中催化劑的壽命將會降低，最終產出二氧化碳含量也會降低10%，嚴重影響下一工藝的實施質量。

2.2 對低溫甲醇洗的影響

氮氣工況下變換氣在進入低溫甲醇洗階段之后，由于變換氣中氣體組成二氧化碳的含量小于標準含量，但是其中N2的含量大于標準含量，因此氣體在進入吸收塔之后，導致吸收甲醇的飽和度較低，在氣提時，釋放出的冷量較少，導致整個低溫甲醇洗的溫度高于正常溫度，低溫甲醇洗裝置在運行中的能耗量也會提升，無形之中增加了煤制甲醇成本。而在硫回收階段，爐膛的溫度較高，導致這種現象出現的主要原因就是，二氧化碳的含量較少，因此在熱交換的過程中，克勞斯氣體中甲醇含量較高，因此導致爐膛溫度整體較高。

2.3 對合成質量的影響

低溫甲醇洗凈化之后的氣體，無法對N2展開分離，經過壓縮之后直接進入到合成系統中。由于其中存在較高含量的氮氣，因此無法合成甲醇，而N2堆積在合成回路中，在成整個合成系統的壓力較高，合成塔08R002的壓差也較高，為了保證煤制甲醇安全，則需要對合成系統展開放氣處理，緩解合成系統在實際運行中的壓力。在此過程中，大量的合成氣體被放入到火炬系統中，造成浪費的情況出現，同時還提升了煤制甲醇中合成氣體的使用量。由此可以看出，在氮氣工況中，煤制甲醇過程中的浪費情況較為嚴重，最終的合成效率并不高，整體的煤制甲醇應用價值較低[1]。

3 二氧化碳工況對煤制甲醇的影響

3.1 二氧化碳工況的切換

在將工況切換成CO2之后，煤制甲醇中N2的含量降到了15%左右，在切換之前，汽化爐的負荷為80%，二氧化碳壓縮機運行之后，V3051轉換成了CO2，氧煤比需要根據氧負荷情況撒曲線對其展開調節。在實際切換的過程中，燒嘴中的水氧比并沒有出現變化，氧煤比降低，汽化爐中的蒸汽含量提升，這種現象出現的主要原因就是，在實際反應中，煤流量減低，氧煤比提升。氮氣的含量降低，CO2的含量提升，CO2會與煤粉發生反應，因此爐中的溫度還會提升。在這種條件下，CO2在輸送煤粉的過程中，提升了CO在爐內的反應速率，能夠促進接下來煤制甲醇工藝的實施，降低氮氣使用數量的同時，還能夠提升煤制甲醇效率。N2以及CO2工況的切換，如表1所示。

表1 為氮氣以及二氧化碳工況的切換

3.2 對變換裝置的影響

由于在煤制甲醇中，CO的含量提升，整個變化爐中的溫度也得到了提升，在此過程中可以通過TV04005調節閥對溫度展開調節，進而對變化爐中的溫度展開控制。二氧化碳工況與氮氣工況相比，需要適當降低變爐的入口溫度，同時穩定床層的溫度，通常情況下，出口的溫度需要控制在400 ℃左右，通過TV04008對二變的溫度展開調節，使二變出口溫度在380 ℃左右，使用TV04010對三變溫度展開調節，使出口溫度在380 ℃以下。另外，還要對一變爐的變化率進行控制，每個變爐中使用的控制設備都不同，在三變爐中，氫碳比例需要控制在20%左右，進而保證煤制甲醇的效率。煤制甲醇脫硫示意圖，如圖1所示。

圖1 煤制甲醇脫硫示意圖

3.3 對低溫甲醇洗裝置的影響

在二氧化碳工況下，由于整個系統智能CO2的含量提升，氮氣的含量降低，因此在進入吸收塔之后，低溫甲醇能夠對CO2展開充分吸收，提升自身的飽和度，同時還能夠對凈化氣中二氧化碳的含量展開調節，進而滿足CO2含量的要求，最終將CO2的含量控制在2%左右。高飽和度的二氧化碳甲醇在實際反應中，能夠釋放較多含量的CO2，并且釋放相應的能量。在利用繞管式原料氣換熱器展開換熱的過程中，其中回收的冷量能夠降低原料氣中的溫度，TI05012的溫度降到-25 ℃左右，這種情況能夠降低甲醇在反應中的循環量，導致05C003塔中的二四段、二五段經過氮氣氣體，得到相應的低溫甲醇，在此基礎上，使用換熱器再生熱量，甲醇TI05018的溫度在-50 ℃左右，在這種模式下生成的甲醇，更容易對酸氣體展開洗滌。05C003塔中的上段氣體與克勞斯氣體換熱之后，TI05052的溫度在-37 ℃左右，克勞斯氣體中的甲醇含量較低，能夠為接下來的硫回收提供良好條件，另外，煤制甲醇中的CO2，在壓縮之后，還能夠進入煤制甲醇的在氣化裝置中，以便再次利用，這種方式能夠大大降低CO2在煤制甲醇中的使用數量，進而降低煤制甲醇成本[2]。

3.4 對煤制甲醇合成裝置的影響

煤制甲醇中的低溫甲醇洗工段，加煤制甲醇中的合成氣體經過壓縮機進行合成，最終完成煤制甲醇。由于合成氣中氮氣的含量在1%左右，CO2的含量為2%，氫氣回收單元中FI11001中的放氣量也會降低，從最初氮氣工況中的26 080 m3/h降到了13 053 m3/h。滲透氣量在氮氣工況為6 874 m3/h，在二氧化碳工況中，滲透氣量的為12 800 m3/h，在二氧化碳工況中，煤制甲醇能夠降低副反應的出現概率，同時還能夠提升最終煤制甲醇的合成質量，避免在合成系統中出現長碳鏈，保證合成塔中溫度的穩定性，進而提升催化劑的使用壽命。將CO2作為煤粉的載體，能夠大大提升煤制甲醇的反應效率以及制備質量。

通過以上分析能夠得出，在二氧化碳工況下，煤制甲醇的整體合成效率較高，CO2是煤制甲醇中的重要氣體，其在實際應用中，既能作為煤粉的輸送載體，又能夠提升粗煤氣的合成質量，降低最終CO2的排放量，整個過程具有較強的節能環保性。在降低煤制甲醇綜合成本的同時，保證了煤制甲醇質量，與氮氣工況相比，無論是在成本方面、合成效率方面，二氧化碳工況的煤制甲醇工藝都具備較高的應用價值，因此在實際煤制甲醇生產的過程中，合成人員需要使用CO2作為煤粉的載體，同時這也是煤制甲醇未來的主要發展方向[3]。

4 結語

隨著人們對煤制甲醇的關注程度逐漸提升，如何保證煤制甲醇質量，成為有關人員關注的重點問題。通過研究N2與CO2對煤制甲醇的影響發現，對其進行研究，能夠大大提升煤制甲醇質量，同時還能夠降低煤制甲醇過程中的污染程度。由此可以看出，研究N2以及CO2對煤制甲醇的影響，能夠為今后煤制甲醇的發展奠定基礎。