焦爐煤氣制甲醇工藝裝置的改造

靳 嵩

(山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 汾陽 032200)

引 言

焦爐煤氣作為煤炭煉焦工藝的副產品，是非常重要的燃料和化工原料。由于焦爐煤氣中含有大量的H2、CO和CO2等氣體，可應用制備甲醇。我國針對焦爐煤氣制備甲醇還處于起步階段，甲醇的轉化率和制備過程中的能耗等問題還有進一步優化的控制。為此，需對其中涉及到的工藝流程及所采用的工藝裝置還有待進一步優化改造[1]。本文著重對焦爐煤氣制備甲醇的工藝裝置進行改造。

1 焦爐煤氣制備甲醇工藝概述

以某焦爐煤氣制備甲醇的工廠為研究對象，該廠設計甲醇產量為600 t/d，甲醇的純度可滿足99.99%的要求。該廠基于焦爐煤氣制備甲醇的工藝流程，如圖1所示。

圖1 焦爐煤氣制備甲醇工藝流程圖

如圖1所示，基于焦爐煤氣制備甲醇經歷了對焦爐煤氣的預處理、粗脫硫以及精脫硫處理，將脫硫處理后的焦爐煤氣通過聯合壓縮機進入甲醇合成器中，并將反應所得的產物進行精餾處理，最終得到甲醇產品。圖1所示的制備甲醇的工藝所涉及到的關鍵裝置包括有焦爐煤氣壓縮機、一級加氫槽、純氧轉化爐和合成塔等[2]。

通過對焦爐煤氣制備甲醇裝置的改造可發揮裝置的潛能，提高甲醇的產量，確保工藝裝置在檢修期間完成裝置銜接。此外，改造后保證甲醇產品滿足GB338-2011的相關標準要求，甲醇的純度大于99.99%。

2 精脫硫工藝裝置的改造

2.1 精脫硫工藝裝置的現狀

目前，精脫硫工藝涉及到的關鍵裝置包括有預加氫裝置、一級和二級一級加氫催化劑裝置以及中溫脫硫槽等。主要問題如下：

1) 由于焦爐煤氣壓縮機設備缺乏油潤滑功能，為避免在實際制備過程中十字頭體和缸體之間的摩擦所導致磨損嚴重的問題，在實際運行過程中還需注入一定的潤滑油，從而導致焦爐煤氣中含有大量的潤滑油，導致在一級加氫催化劑表面出現積碳且固化的現象，最終導致預熱器的換熱效果削弱[3]。隨著甲醇制備生產的進行，床層阻力越來越大，為保證產品質量需定期更換一級加氫催化劑。

2) 為更換一級加氫催化劑，還需將整個制備工藝停機。而且更換一級加氫催化劑需經歷降溫、置換、裝卸、升溫、硫化以及放硫等操作，更換步驟復雜需耗時10 d左右。因此，在更換一級加氫催化劑裝置的同時，大大影響了甲醇產品。

2.2 精脫硫工藝裝置的改造

經分析，導致一級加氫催化劑定期更換的原因為以往精脫硫工藝裝置用于消除潤滑油的吸油劑的效率較低。因此，為提高過濾器的除油能力，將過濾器中的吸油劑更換為活性炭吸油劑，其具體參數如表1所示。

表1 活性炭吸油劑關鍵參數

經實踐表明，更換活性炭吸油劑的改善效果如下：

1) 將高效吸油劑更換為活性炭吸油劑后明顯改善了焦爐煤氣初預熱器的換熱效果。經現場監測可知，更換為活性炭吸油劑后焦爐煤氣的出口溫度由原先的305 ℃降低至250 ℃。

2) 在更換以前床層運行阻力僅一個月就增大至0.2 MPa，更換活性炭吸油劑后運行六個月后床層運行阻力才從0.01 MPa增大至0.2 MPa。

3 甲醇合成系統的改造

甲醇合成系統為焦爐煤氣制備甲醇的核心系統，本節著重對甲醇合成系統進行改造。

3.1 甲醇合成系統現狀分析

該廠為了提高甲醇的產量，降低甲醇的制備成本，在甲醇合成系統中采用甲醇合成塔與老合成塔并聯的方式，從而達到降低甲醇產品中的CO含量，提高甲醇轉化率，最終達到提升甲醇產量的目的[4]。目前，該廠甲醇合成系統中的甲醇轉化率為75%。

由于甲醇合成塔的CO和CO2的轉化率較高，導致未反應氣體中CO和CO2的含量降低，進而使得未反應循環氣體再次進入合成塔中存在碳含量嚴重不足的問題，進而影響甲醇的產量。因此，需對甲醇合成系統進行補碳操作。

3.2 甲醇合成系統的改造

為解決未反應循環氣體中碳含量不足影響甲醇轉化和含量的問題，對甲醇合成塔系統采取補碳。具體補碳操作為將二氧化碳氣化后補入甲醇合成系統中。因此，在原有甲醇合成系統中并聯補碳裝置，該補碳裝置的工藝流程為：二氧化碳氣體由二氧化碳儲槽提供，在自增壓汽化器的作用下將二氧化碳氣體氣化后再通過主汽化器對其進行深度氣化后與未反應循環氣體一同循環進入甲醇合成塔中反應[5]。

為實現上述改造，需為其配置液態二氧化碳氣化裝置，且CO2補充所涉及到的關鍵設備的選型，如表2所示。

表2 補碳裝置關鍵設備選型

為兼顧甲醇產量和生產成本的問題，需根據實際生產中焦爐煤氣的成分比例、轉化爐的溫度以及未反應循環氣中成分比例確定補入二氧化碳氣體的比例。甲醇合成反應需首先將CO2轉化為CO，然后將一氧化碳轉化為甲醇。因此，CO的轉化率將直接決定甲醇的產量。

經研究表明，CO轉化率隨著CO2含量的增加呈現先增大或減小的變化趨勢。而且，當CO2在未反應循環氣體中所占比例為4.5%時，CO的轉化率最高。因此，將補入CO2后未反應循環氣體中CO2的含量控制到4.5%，才能夠保證在不浪費的前提下將甲醇的產量達到最大。

4 結語

焦爐煤氣制備甲醇為當前工業生產中制備甲醇的主要方式之一。為保證所制備甲醇滿足GBGB338-2011的相關標準要求，并為實現盡可能降低甲醇制備的生產成本，提高甲醇的產量和純度的目的，本文對該廠焦爐煤氣制備甲醇的工藝裝置進行優化改造，總結如下：

1) 為解決焦爐煤氣中摻雜潤滑油而導致每月需停機10 d定期更換一級加氫催化劑而造成甲醇產量下降且生產成本增加的問題，采用將高效吸油劑替換為活性炭吸油劑和將一級加氫催化劑裝置替換為預加氫裝置的方式進行改造。經改造后，不僅改善了預熱器的換熱效果，而且還能夠實現不停機更換加氫催化劑裝置，且更換周期有之前的一個月延長為六個月。

2) 為解決由于未反應循環氣中碳含量不足而導致甲醇產量下降的問題，為甲醇制備裝置增加了補碳系統，并根據實際反應條件確定補入二氧化碳后其含量在未反應循環氣體的所占比例為4.5%，并完成了補碳系統關鍵裝置選型。