煤氣合成甲醇的工藝優化及應用研究

張文佳

（山西焦化股份有限公司，山西 臨汾 041600）

某焦化廠座落于富煤區域，當地具有煤炭相關的煤焦化相關產業鏈，且焦爐煤氣產量較多。廠區甲醇項目中，設計的焦爐氣制甲醇產線最大規劃設計產能40 萬t/a，是當前國內較大的焦爐氣制甲醇項目，項目通過COG 凈化和重整、合成和精餾最終得到甲醇，實際規模為35.4 萬t/a 精甲醇，8 余萬t/a 合成氨，雜醇2 000 t/a。但是項目中存在工藝上的不足、投入成本高和環境污染等問題，所以通過建立模型尋找出其中工藝上改進的地方，再在項目中進行調試磨合，這對項目帶來的效能的提高和成本的降低都具有很大的意義[1]。

1 流程模擬及驗證

1.1 模型建立及流程說明

依照某焦化廠中的焦爐煤氣制甲醇工藝環節，通過Aspen Plus 軟件進行焦爐煤氣制甲醇工藝模型的設計，通過對反應器類型以及工藝流程的科學選擇，實現對整個工藝流程的嚴謹設計，最終如圖1 所示即為設計好的模型。設計完模型后就是全局級信息定義，選擇模擬的平衡要求、環境壓力、運行類型等。并且，要確定物性方法，做好相關物流、組分等單元模型定義工作，然后進行模型的運行[2-3]。

圖1 焦爐煤氣制甲醇Aspen Plus 流程圖

如流程圖1 所示，初始接入的COG 在通過換熱等程序后，通過加壓器和升溫達到精脫硫環節。COG經過凈化環節與O2、CO2混合，再經過重整完成合成氣制備，合成氣隨后會在甲醇合成反應器中進行相關作用，完成氣液分離工作，其中一部分留在原處，另外一部分進入回收環節，制取的液體粗甲醇再經過精餾完成全部工藝。

1.2 模型驗證

設計的模型以上海某焦化集團20 萬t/a 甲醇項目的工藝參數模型進行驗證。最終得到相關的轉化單元和重整單元的模擬數據（表1）。

通過表1 得到，設計模型中用的數據轉化氣中合成氣氫碳比為2.0 左右，且甲烷體積分數低于5%，在模型設計設定的合理參數范圍內，同時得到模擬結果與實際的生產數據相近，所以說明模型設計是合理科學的。

2 工藝系統的分析

2.1 流程模擬中的計算

流程模擬在進行相關計算時，選定日本的龜山吉田模型作為環境基準模型，同時用Hinderink 理論，以此來將 用分為混合 用、化學?和物理?的計算法方便進行相關計算，得到式（1）：

式中：Ex為物流的總?；Ex，ph為物理?；Ex，ch為化學?；ΔEx，mix為混合?。

2.2 平衡和損失的計算

通過結合嫡的能量守恒定律，可以得到系統的平衡[式（2）]：

式中：Ein為輸人?；Eout為輸出?；Eloss為損失?；Esys為?在系統內部的存積量。

通過上述計算，得到圖2 的實際的工藝環節中的?流平衡圖。

通過圖2 得到，輸入的COG 總?為258.13 MW，加上O2，蒸汽以及CO2總?11.32 MW，以及消耗壓縮機耗電總?為16.63 MW，最終得到總?為190.35 MW的甲醇產品。在該工藝中，前期的COG 凈化和重整存在總?損20%以上，甲醇合成單元?損較多，達到了總?損的60%以上，為了提高工藝系統的效率，需要對甲醇合成和COG 凈化和重整階段進行優化。

3 優化分析與討論

3.1 冷卻劑溫度對工藝的影響

甲醇合成反應伴隨有大量的熱能轉換，所以冷卻劑的溫度對反應過程和結果影響較大，所以掌握圖3所示冷卻劑溫度再次工藝中對馳放氣、甲醇產量的影響規律具有很大意義。

圖3 冷卻劑溫度對甲醇產量和循環氣的影響

通過模型繪制出的圖3 得到，冷卻劑溫度為200 ℃時甲醇產量達到峰值，隨后隨溫度升高下降。且在此溫度下，所需循環氣產生的壓縮功耗到極低值。

3.2 COG 凈化和重整單元的溫度因素影響

氣化溫度和變換溫度是系統中重要的影響因素，對于反應效果和反應程度產生很大的影響。如圖4 即為相關反應規律，對于進行工藝參數優化有重要的意義。

圖4 COG 凈化和重整單元的溫度因素影響

由圖4-1 可知，煤氣化階段隨著氣化溫度的升高，CO 的含量逐漸增高，到1 400 ℃左右時開始略有下降，H2的含量隨著溫度的升高，先略有上升，在1 200 ℃左右時達到最高，CO2的濃度隨溫度的升高在1 200 ℃左右達到極低值。H2O 隨著氣化溫度的升高而增加。碳的轉換率升高，O2反應完后，使CO 和H2的含量均增加，CO2含量降低。當溫度繼續升高時，H2含量降低。當溫度過高時，由于H2大幅減少，使有效氣體的熱值降低，冷煤氣效率下降。根據模擬結果，當溫度為1 350 ℃時，氣化效果最好。

由圖4-2 可知，變換反應是可逆的放熱反應，由于催化劑參與反應，因此對反應溫度控制很重要。隨著溫度的上升，得到變換氣中CO 的含量先減小再上升，而CO 的變換率則是先升高再降低。溫度升高后，催化劑活性增強，化學反應速率不斷增加，CO 的變換率升高。由于CO 變換反應是放熱反應，溫度較低時平衡常數較大，隨著溫度的升高，平衡常數逐漸降低，超過催化劑活性的適宜溫度后。催化劑的活性也會下降，反應速率達到最大值后就隨溫度的升高而逐漸降低，致使CO 變換率的逐漸下降。當反應溫度為230～250 ℃時，CO 變換率較高，是比較好的反應范圍。

4 應用效果

將上述確定的最優工藝參數應用于某焦化廠實際的生產工藝環節當中，最終得到表2 兩個單元數據，即在進行具體工藝參數優化前后的結果。表明，整個煤氣制甲醇的生產工藝中，采用工藝優化后，整體系統的效率提高了2%?損失降低了4.97 MW，說明整個優化后的工藝環節使得能量損失有明顯減小。

5 結論

通過對實際工藝環節的損失計算以及關鍵環節的針對性的模擬分析，找到優化的參數，并且將其應用于實際的生產實際當中，最終從得到的實際數據證明：

1）使用的Aspen Plus 軟件模擬的工藝流程是很穩定的，算出工藝中前邊兩環節存在近80%以上的損失，得到相對準確的優化參數。

2）在經過對COG 凈化和重整單元以及甲醇合成單元相關參數的優化，最終得到優化后的整個工藝的效率提高2%?損減少4.97 MW。