煤制甲醇項目的煤氣化技術選擇

王 勇

（兗礦能源集團股份有限公司 山東能源化工分公司，山東鄒城 273500）

隨著社會經濟發展速度不斷加快，工業建設水平更為成熟，各領域生產經營建設期間的石油資源需求量更高，石油成本持續攀升。在此背景下，相關部門需要著重關注甲醇項目的推廣工作，配合使用煤制甲醇技術手段，切實保障甲醇生產質量與效率。現有甲醇使用可分為直接使用與間接使用兩種方式。其中，直接使用又包括摻混與全額甲醇使用手段。間接使用可以將甲醇轉變為二甲醚以及甲基叔丁基醚物質，從根本上提升甲醇生產期間的資源利用率。

1 煤制甲醇生產工藝與原則

1.1 甲醇生產工藝種類

煤制甲醇生產工藝主要以煤為原材料，其關鍵工藝主要包括空分、煤氣化、轉變以及酸性氣體脫除，生成甲醇制二甲醚以及甲醇制烯烴。煤氣化技術是甲醇生產重要內容，不同的氣化技術會受到生產技術規格以及技術路線因素影響，因此需要借助煤制甲醇生產要求選擇適宜的煤氣化技術手段。

依照進料角度分析，氣化技術可分為塊煤氣化技術、水煤漿氣化技術、干煤粉氣化技術三種。不同煤氣化技術涉及的流程不同，流體力學條件以及技術來源存在較大差異。

塊煤氣化技術的出現時間較短，水煤漿氣化技術在此基礎上進行了生產設施的改造與優化，實際應用期間具備能耗量低、副產品少等優勢。煤灰氣化技術在具體應用期間主要包括干煤粉氣化技術、單噴嘴粉煤氣化技術與兩段干煤粉氣化技術。針對多噴嘴對置水煤漿氣化技術，需要找尋出適宜的煤制甲醇手段。

結合現階段甲醇生產實際情況，發現以煤為原料生產甲醇期間需要涉及較多關鍵技術手段。其中，煤氣化技術可直接影響到甲醇生產質量與效率。

我國主要使用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術手段以及干煤粉氣化技術。因不同技術應用要求及應用特征存在較大差異，還需要對各項應用技術方案進行對比分析。

1.2 甲醇煤氣化技術選擇原則

甲醇煤氣化技術的應用水平可直接影響到甲醇生產效率以及甲醇生產系統運行過程中的安全性與可靠性，需要在煤氣化技術選擇過程中，嚴格遵循以下原則，確保選擇出的煤氣化技術具備運行效率高、能耗量低、安全可靠性能。

（1）安全環保原則。在甲醇煤氣化生產過程中，生產出的煤渣、煤灰、廢氣的處理難度較大。在處理工作沒有得到嚴格管控的情況下，會對實際生產質量造成嚴重不利影響。因此在選擇煤氣化技術手段時，需要著重關注安全環保工作，開展清潔型生產，控制廢棄物排量。

（2）適用性原則。不同地區煤礦資源存儲量不同，需要著重分析煤氣化技術應用期間的適用性原則。結合地區具體條件、實際生產情況，對煤氣化技術進行靈活選擇。

（3）先進性原則。為從根本上提高生產企業綜合競爭水平，在選擇煤氣化技術過程中還需要確保選擇的技術手段具有較高的先進性，能夠切實提升實際生產效率，使甲醇項目開展全過程均能夠得到嚴格把控。

（4）可靠性原則。要求選擇出的煤氣化系統始終保持安全、可靠的運行狀態，切實提升實際生產質量的效率，降低設備實際使用期間的故障問題發生概率。

2 煤制甲醇煤氣化技術對比

以年產量為300萬t的二甲醚生產項目為例，該生產環節的主要原材料為煤。經過甲醇轉化后會生產出二甲醚。

1）生產技術方案主要就是使用多噴嘴對置氣化工藝，將合成后的氣體通過凈化形成甲醇，將甲醇作為生產原材料生產二甲醚。結合多噴嘴對置氣化技術手段，對技術方案進行合理判定。

2）生產技術方案主要就是使用BGL氣化工藝生成合成氣體，將氣體凈化后生成甲醇。以甲醇作為原材料繼續生產二甲醚。BGL氣化技術在氣體合成過程中具備較高含量的甲烷，甲烷也可以進行回收利用。使用PSA甲烷，氧化處理富甲烷氣體中的非催化部分，也可以生成合成氣體，并將此氣體再傳輸到粗合成氣的進化系統中。

3）生產技術方案主要就是使用Shell干煤粉氣化工藝，甲醇氣體可以作為原材料生產二甲醚。

4）不同生產技術手段下的氣化裝置、凈化裝置、甲醇裝置、甲烷回收裝置、催化及二甲醚裝置結構不同，但空分裝置多是用分子篩凈化空氣、空氣增壓，氧氣壓縮方式。借助氮氣增壓裝置增加氮氣流程中壓空氣增壓，增流塔處使用規整填料手段。

5）從氣化裝置角度分析，使用多噴嘴水煤漿氣化技術中的氣化爐直徑為3 600mm，操作壓力需要控制在6.5MPa。使用BGL熔渣氣化技術，公稱直徑為3 600mm，操作壓力為4.0MPa。使用shell干煤粉氣化技術，氣化爐為4開無備用。公稱直徑為3 800mm，實際操作壓力為4.0MPa。

6）從凈化裝置角度分析：

（1）生產方式需要配合使用一氧化碳變換裝置。低溫甲醇洗技術需要使用三系統配置方式。丙烯離心壓縮機應當提供給低溫甲醇洗正常生產時所需的制冷量；

（2）生產方式應當使用低水與低氣比裝置，采用4系統配置手段。酸性氣體脫除時要使用低溫甲醇洗技術以及四系統丙烯離心壓縮機，確保低溫甲醇洗生產時的溫度始終處于適宜的冷量范圍之內；

（3）生產方式的一氧化碳變換需要使用高水與高氣比裝置，依照4系統配置手段開展配置工作。丙烯離心壓縮機應當注重提供低溫甲醇洗正常生產時所需的能量；

7）從甲醇裝置角度分析。第1種生產方式采用三個系統配置。第2種及第3種生產方式需要采用4個系列配置手段。

8）從甲烷回收裝置角度分析，第1種生產方式與第3種生產方式不必配置回收裝置。第2種生產方式需要采用變壓吸附式脫除惰性組分手段。

9）從甲烷非催化部分氧化裝置角度分析，第1種生產方式與第3種生產方式，不必配置非催化氧化設備。第2種生產方式需要收集副甲烷氣體，并借助非催化部分氧化裝置合成氣體。

3 煤制甲醇煤氣化技術經濟指標評估

3.1 財務評價基礎

通過對三種生產技術方案進行全方位評比，將每個生產方案的二甲醚銷售量均設定為300萬t。其他產品作為生產副產品，扣除其制造成本，使三個生產方案中的銷售收入趨于一致。對比分析不同方案制造成本水平，并將對比分析結果作為實際生產期間的財務評價基礎。

煤制甲烷煤氣化生產期間的生產原料以及生產副產品主要包括原水、原料煤、二甲醚、硫磺、粗輕油、氨水以及焦油等。

財務評價測算價格需要取國際油價標準，以從根本上保障評價結果的全面性與可靠性。

3.2 綜合技術經濟指標評價

煤制甲烷煤氣化生產技術中的綜合技術經濟評價主要涉及原材料、燃料煤用量、主要公用工程用量、產品及副產品用量、生產體系總定員、總占地面積、投資估算、涉及內部收益率、年均凈利潤以及二甲醚成本的技術經濟指標等。

4 不同煤制甲烷煤氣化技術綜合對比分析

4.1 原料適用性

通過運行多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，原料煤需要選擇具備較好成漿性的材料，使氣化裝置能夠在具體運行過程中具備良好的處理效率。原料煤中的灰熔點與FT不可過高，以進一步延長耐火磚使用壽命。原料煤的成漿性可直接影響到水煤漿氣化水平，需要在具體應用期間進行嚴格管控。使用塊煤熔渣氣化技術手段時，塊煤原料的粒徑應當控制在6～50mm，在具體應用期間還需要額外增加型煤車間以及型煤生產裝置。在使用Shell粉煤灰氣化工藝時，生產期間需要首先向生產鍋爐中投入含水量為2%～5%的干粉煤。干粉煤的灰分也要控制在1%～3%。

4.2 產品適應性

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術，需要通過激冷工藝合成氣，汽氣比需要達到1∶4，生產能夠滿足實際生產要求的氨氣與甲醇。配合使用氫氣與碳基合成氣體，擴大實際生產覆蓋面，應用范圍較廣。塊煤熔渣氣化工藝中的氣化爐出口合成氣甲烷質量較高，質量分數可以達到6%左右，能夠被更好地應用在 IGCC系統燃料氣以及合成天然氣的生產過程中，甲醇生產需要處理合成其中的甲烷氣體，塊煤熔渣氣化生產還需要配備催化與非催化部分氧化裝置，富集馳放氣體中的甲烷物質，并對富甲烷氣體進行氧化處理，合成的氣體可以進入到粗合成氣化系統中，實際運行期間的復雜性進一步提升，生產成本增長。Shell粉煤氣化工藝需要配合使用多級噴水激冷或者控制水汽比的方式開展生產作業工作，合成后的氣體氧化碳質量分數可達到6%～6.5%，對氧化碳變化率的要求較高，導致下游低溫甲醇洗負荷增長。

4.3 投資成本

從煤制甲醇項目總投資角度分析，使用多噴嘴對置式水煤漿氣化技術的投資成本最低，塊煤熔渣氣化技術的投資成本居中，Shell粉煤氣化技術的投資成本最高。雖然shell粉煤灰氣化技術不需要備爐，但為切實保障生產期間的安全性及可靠性，仍需要配備相應的備用鍋爐設施，導致投資成本進一步增長。

4.4 副產品

多噴嘴對置式水煤漿氣化技術與 Shell粉煤氣化技術的副產品僅為硫磺。而塊煤熔渣氣化技術在生產期間除會產出硫磺之外，還會生產出焦油、粗輕油、粗酚等副產品，且副產品總量較大。副產品可直接影響到煤制甲醇項目開展過程中的經濟效益，在副產品較多的情況下，項目經濟指標真實性將會受到嚴重不利影響。

不僅如此，煤化工項目多處于偏遠地段，周邊交通環境及經濟發展水平無法得到根本上把控。在使用塊煤熔渣氣化技術過程中，產生的副產品排放要求，還需要額外設置精加工處理裝置。

現階段國內尚未生成完備的焦油處理系統，處理后的焦油產品質量與實際應用要求不符。如直接將副產品作為產品銷售，周邊市場消化能力較弱，只能夠在項目內作為燃料，難以從根本上保障副產品實際應用期間的價值。

4.5 大型化及技術應用成熟度

多噴嘴水煤漿氣化技術的應用時間較早，并已經向國外推廣。相較于其他兩種煤氣化手段而言，水煤漿氣化技術能夠被更好地應用在大型煤化生產項目中。同時，單臺氣化爐的最大投煤量可以達到3 000t，在生產300萬t二甲醚時，只通過配備7臺氣化爐與3臺備用爐就可實現。使用Shell粉煤灰氣化技術的單臺氣化爐最大投煤量也可達到3 000t，在生產300萬t二甲醚項目過程中，只需要配備6臺氣化爐裝置就可實現。在使用塊煤熔渣氣化技術的情況下，由于生產環節會受到氣化壓力值等因素影響，生產300萬t二甲醚過程中需要配備8臺氣化爐以及4臺備爐，實際生產環節的流程更為復雜，生產成本進一步提升。

4.6 污水處理

為確保煤制甲醇項目中的煤氣化技術能夠與現階段地區可持續發展相符，還應當對比分析不同煤氣化技術應用過程中的污水處理水平。多噴嘴水煤漿氣化技術與Shell煤氣化技術的工藝均屬于清潔性煤氣化技術，在實際生產過程中不會出現過多的副產品，且氣體有效成分較高，廢氣廢水及固體廢物容易處理、氣化壓力范圍較大；塊煤熔渣氣化技術因其生產期間涉及的環節較為復雜，會在具體生產時出現焦油、粗酚酞以及粗氨氣等副產品。

通過分析煤制甲醇項目煤氣化技術應用現狀，發現國內尚無成熟的專項廢水處理工藝，廢水處理效果與廢水處理標準的差異較大，回用難度進一步提升。在使用塊煤熔渣氣化系統過程中，應當首先在同類裝置上進行試燒處理，而后才可以確定氣化爐生產能力、副產品數量與副產品成分，靈活設置污水處理環節，確保污水排放及活用效果與預期目標相當。

5 不同煤制甲烷煤氣化技術的對比結果

通過從不同角度對煤制甲烷煤氣化技術實際應用情況進行對比分析，發現Shell干煤粉氣化技術雖然應用期間的優勢較為凸顯，但在具體應用期間的投資成本較高，經濟效益無法得到根本保障。塊煤熔渣氣化技術的應用先進性及技術可行性均較低，且在具體使用期間需要浪費大量的水資源，不可使用在水資源緊缺地區。多噴嘴水煤漿氣化技術實際應用期間的經濟效益更為顯著，在原料煤成漿條件較為良好的情況下，煤制甲醇項目開展效果更好，因此可以在具體生產過程中進行大規模投入使用。

6 結束語

甲醇生產水平直接影響到我國能源利用期間的安全性及可靠性。通過對甲醇進行可靠加工，能夠代替石油資源完成各項生產任務，對實現地區可持續發展意義重大。現有煤制甲醇項目更為復雜，需要結合實際生產要求選擇更加適宜的煤氣化技術手段。通過對比分析多項煤氣化技術，發現在保障原材料質量的前提下，多噴嘴對置式的水煤漿氣化技術最為理想，可以得到全面推廣及應用。