焦爐煤氣制甲醇的工藝改造

張厚鋼

(山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 太原 032200)

引 言

甲醇不僅可用于工業化學產品的生產原料，還可以作為吸收劑、液體原料等使用。目前，工業中制備甲醇的工藝包括有天然氣制甲醇、煤制甲醇以及焦爐煤氣制甲醇。焦爐煤氣作為煤炭焦化附帶的產物，通過焦爐煤氣制備甲醇可提高資源的利用率[1]。本文著重對焦爐煤氣制備甲醇的工藝進行優化，以達到提高甲醇的轉化率和節能減排的目的。

1 焦爐煤氣制備甲醇現狀

以某焦爐煤氣制備甲醇的工廠為研究對象，該廠每年所生產甲醇的產量為20萬t。目前，該廠所采用的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，該廠目前焦爐煤氣制備甲醇工藝經歷了脫硫、壓縮、精脫硫、甲烷轉化、甲醇合成以及甲醇精餾等工藝。上述甲醇制備工藝在實際生產過程中存在如下問題：

1) 上述工藝中采用的脫硫方法為鐵鉬加氫-氧化鋅，經該種脫硫方法后氣體中含有0.1×10-6的硫元素；2) 甲烷轉化工藝采用催化氧化法對精脫硫處理后的氣體進行轉化處理，但經轉化處理后焦爐煤氣中仍然含有微量的甲烷；3) 本工藝所采用的合成裝置為Lugri列管式反應器，該反應器中壓力為6.8 MPa，而對應冷卻器的溫度為227 ℃；4) 本工藝中的精餾工藝采用“三塔雙效”進行精餾操作，最終得到甲醇產品的純度為99.99%。

2 焦爐煤氣制備甲醇工藝模擬

為明確當前焦爐煤氣制備甲醇工藝需優化的環節，本文采用AspenPlus軟件對工藝流程進行模擬分析。

2.1 模擬模型的建立

根據焦爐煤氣制備甲醇的工藝流程，在對工藝流程研究的基礎上對焦爐煤氣凈化單元、重整轉化單元、合成單元以及精餾單元分別建立模擬模型[2]。并根據各個工藝環節中的參數對相應模擬模型中的參數進行設置，確保參數均與工廠實際生產的參數誤差小于5%。焦爐煤氣制備甲醇工藝流程的模擬模型如第85頁圖2所示。

2.2 工藝模擬分析與優化

1) 冷卻劑溫度參數的優化

經研究可知，冷卻器溫度對甲醇合成器反應的影響較大，其在一定程度上影響著甲醇合成反應的熱平衡。基于如圖2所建立的模擬模型，對不同冷卻劑溫度下反應器內溫度變化和甲醇質量分數的變化趨勢進行研究。經對模擬結果分析可得，在反應器前段(0 m～4 m)，冷卻劑溫度越高對應甲醇的質量分數越高；在反應器后段(5 m以后)，冷卻劑溫度越高對應甲醇的質量分數越低[3]。影響甲醇質量分數的時間段為甲醇合成反應的后半段，冷卻劑溫度會對甲醇合成反應的化學平衡造成影響。當冷卻劑溫度為187 ℃時，甲醇的質量分數越高，即此時甲醇的轉化率越高。

圖2 焦爐煤氣制備甲醇工藝流程模擬模型

此外，當冷卻劑溫度為187 ℃時，對應合成反應的能量、投資以及收入等成本均較低。經量化分析后可知，冷卻劑溫度為187 ℃時，甲醇轉化效率較冷卻劑溫度為227 ℃時提高23.5%；甲醇反應器中能量回收也提高了38%。

因此，在模擬分析的基礎上得出甲醇合成反應最佳冷卻劑的溫度為187 ℃。

2) 反應器入口溫度的優化

從理論上分析，甲醇合成反應器的入口溫度也是影響甲醇合成反應熱平衡的影響因素之一。不同入口溫度與不同冷卻劑溫度下對應總碳單程轉化率的關系如圖3所示。

如圖3所示，當冷卻劑溫度為167 ℃～207 ℃時，隨著反應器入口溫度的增加對應總碳單程轉化率不斷增加，而當冷卻劑溫度大于207 ℃時，隨著入口溫度的變化總碳單程轉化率變化不大。當入口溫度為253 ℃、冷卻劑溫度為177 ℃時，總碳單程轉化率最大。而當冷卻劑溫度為187 ℃，入口溫度為213 ℃時該工藝的收入最高。

圖3 不同入口溫度與不同冷卻劑溫度下對應總碳單程轉化率關系曲線

綜上所述，為均衡總碳單程轉化率和工藝收入，對反應器入口溫度最終優化為213 ℃，冷卻劑溫度為187 ℃。

3) 未反應氣體循化率的優化

甲醇合成反應器所排出的氣體主要可分為兩部分，一部分循環氣再次循環至反應器中繼續反應；另一部分作為馳放氣如火炬系統中[4]。由于循環氣體中含有一定量的氫氣、一氧化碳和二氧化碳，提高循環氣體的循環率可提高甲醇的轉化率。此外，為保證循環氣體的高循環率還需增加壓縮機的功耗，從而增加生產成本。

經模擬分析可得，當循環氣的循環率為94.5%時，甲醇的轉化率達到最大；當循環氣體的循環率為94.5%時，此時甲醇合成反應的投資成本及運行成本最低。因此，在綜合考慮甲醇產量和投資成本的基礎上，最終將未反應氣的循化率控制在94.5%左右。

4) 精餾塔操作參數的優化

當甲醇合成反應器中冷卻劑的溫度、入口溫度和未反應氣體循環率均達到最佳時，對應合成甲醇的產量也會增加，從而進入精餾塔中甲醇的流量和成分也會發生微量的變化[5]。因此，需對精餾塔的操作參數進行優化。

本工藝精餾塔環節包括有預塔、加壓塔和常壓塔。其中，以加壓塔和常壓塔的耗能最大，預塔的耗能最少。而且，加壓塔和常壓塔的質量回流比將直接影響甲醇產品的純度和冷凝器的負荷，二者之間的關系如圖4所示：

如圖4所示，隨著加壓塔和常壓塔額質量回流比的增加對應甲醇產品的純度也在增加，對應精餾環節的能耗也在增大。為滿足本工廠所產甲醇的純度必須大于99.99%，加壓塔質量回流比對應的數值為1.28，常壓塔對應的質量回流比為1.826。

圖4 加壓塔和常壓塔的質量回流比與甲醇純度和能耗的關系

3 結論

焦爐煤氣制備甲醇為當前工業中制備甲醇的主要方式之一。目前，該工藝在我國發展尚未成熟，其工藝流程中的具體操作參數還有待優化。本文以某制備甲醇工廠為研究對象，對其焦爐煤氣制備甲醇的工藝參數進行優化設計，具體總結如下：

1) 冷卻劑溫度可影響焦爐煤氣制備甲醇的反應動力和反應平衡，經模擬分析后可知，本廠最佳冷卻劑溫度為187 ℃；

2) 甲醇反應器入口溫度影響焦爐煤氣制備甲醇反應的平衡，經模擬分析后，綜合考慮生產成本和總碳單程轉化率，最佳甲醇反應器入口溫度為213 ℃；

3) 為提高反應氣體的循環率可適當甲醇的轉化率，綜合考慮甲醇轉化率和投資成本，經模擬分析后得出最佳未反應氣體的循環率為94.5%；

4) 由于甲醇合成反應參數的優化，需對加壓塔和常壓塔的質量回流比進行優化，以甲醇純度為99.99%為生產目標，確定加壓塔和常壓塔的質量回流比分別為1.28和1.826。