大型煤制甲醇合成工艺选择研究

大型煤制甲醇合成工艺选择研究

索贵周

中煤陕西榆林能源化工有限公司 陕西榆林 719000

摘要∶一个国家的综合实力主要是由其工业水平体现的，为了促进工业实力的提高必须要确保其基础资源充沛。甲醇作为工业生产中的基础资源，深受国家重视。但在生产过程中容易出现安全隐患，所以必须要使用先进的工艺技术确保其生产安全、高效。因此本文主要探讨大型煤制甲醇的合成工艺技术的选择研究。

关键词∶煤制甲醇；工艺介绍；技术选择

1.大型煤制甲醇工艺选择研究的必要性

1.1大型煤制甲醇是国家战略需要

甲醇作为基础有机原料，应用广泛，用于合成甲醛、二甲醚、醋酸、乙二醇、MTBE、MTO等。欧美国家主要采用天然气为原料生产甲醇，例如美国有90%以上的工艺来自于天然气。但我国缺少廉价的天然气资源，而煤储量相对丰富，因此我国甲醇主要以煤炭作为原材料生产，煤制甲醇装置占比高达58%，天然气制甲醇装置仅占总产能的14%。特别是在聚烯烃供应领域，用甲醇制烯烃能够拓宽聚烯烃供给路径，降低对石油的依赖程度。

1.2大型煤制甲醇工艺是国情的需要

2018年我国甲醇产能达到8650万t,2019年我国甲醇产能达到9400万t,行业对甲醇需要量巨大，大型煤制甲醇项目不但能够显著提升单系列产能，而且能够节约生产成本、提高生产效益，所以煤制甲醇大型化、规模化是其发展的主流方向。

1.3大型煤制甲醇工艺优点明显

第一，能耗低，三废排放少，对环境污染小；第二、自动化程度高，长周期运行稳定性高；第三、单系列产能高，资源利用集中^[1]。

2．煤制甲醇合成工艺技术介绍

2.1英国DAVY技术

英国DAVY工艺技术有限公司（Davy Process Technology Ltd，简称DPT公司）是目前世界上大型甲醇技术的主要供应商之一，DPT公司开发的甲醇技术已有三十多年的历史，在甲醇技术方面积累了较丰富的研发和工程经验，目前DPT公司主推的甲醇工艺流程如下图所示：

从新鲜合成气在两个合成塔之间的分布角度来看，该工艺流程又是一种并联流程，因此Davy的工艺流程可称之为串/并联耦合方式。在该流程中，将第一反应器的出口气体进行降温、分醇后再进入第二反应器，使得第二反应器的原料气中甲醇含量很低，促使反应平衡向甲醇合成的方向移动，可显著提高甲醇转化率，降低整个合成回路的循环比。同时这种串/并联流程可有效提高催化剂的使用效率，据专利商介绍，采用该流程比传统的并联流程节省催化剂30％以上，

采用的甲醇合成反应器为蒸汽上升式合成塔，蒸汽上升式合成塔是一个轴径向流反应器，催化剂装填在反应器的壳侧，管内产生次中压蒸汽。新鲜的合成气从反应器底部的中心管进入，中心管管壁上有分配孔以保证气体的分布均匀。气体沿径向从内到外通过反应器的催化剂床层。从汽包来的锅炉水进入反应器的底部然后向上流动并部分汽化带走甲醇合成反应所产生的反应热。轴径向流反应器也确保了在大气量的条件下压降较小，反应器生产能力的扩大可以通过加长反应器长度来实现。Davy公司通过计算,比较了催化剂在管内、水在管外与催化剂在管外、水在管内两种方案,结果表明,后者所需的管子表面积仅为前者的6/7，因此选择催化剂床层在壳侧的方式，同时这种催化剂装填方式还具有催化剂装填量大，易于装卸等优点，适合大型化生产装置。Davy反应器对材料的要求相对较低，因换热管内走水，在某些操作条件下换热管甚至可以采用碳钢，大大降低了设备投资。目前神华包头、中煤榆林、延长靖边、宁夏宝丰等多套甲醇装置使用该工艺技术,装置运行稳定性较好。

2.2德国LURGI技术

德国LURGI公司是世界上主要的甲醇技术供应商之一，在上世纪70年代就成功开发了LURGI低压法甲醇合成技术。1997年LURGI公司提出大甲醇技术（MegaMethanol，年产百万吨级甲醇装置）的概念，引领甲醇技术向大型化发展，图2.3所示为LURGI公司的MegaMethanol工艺流程，该工艺的合成工段包含2个反应器，其中一个为气冷式反应器，另一个为水冷式反应器。。LURGI公司提出的这种工艺流程较好地在甲醇合成反应动力学与反应热力学之间进行了权衡。从反应热力学角度来看，甲醇合成反应是放热反应，低温有利于甲醇的生成，从反应动力学角度来看，高温可以加快反应速度，但高温对催化剂有害。在LURGI工艺流程中，其列管式水冷反应器有相对较高（260℃）的出口温度，使得反应能够较快地进行，在此发生部分转化后，其余的转化发生在气冷管式反应器，在较低温度（220～225℃）下操作有利于甲醇的合成。这种流程配置实现了较快的反应速度和较高的转化率，显著提高了反应的单程转化率，降低循环气量，节省循环气压缩机的功耗。同时，因为其水冷式反应器操作温度较高，使得副产蒸汽的压力相对于Davy工艺而言要高，有利于蒸汽的回收利用。

鲁奇的水冷反应器，管内装填触媒，管间为沸腾水，反应放出的热量经管壁传给管间的沸腾水，产生中压蒸汽。该反应器的优点是：通过调节蒸汽压力有效地控制床层温度，床层温差变化较小。操作平稳，副反应少，单程转化率高，循环比小，功耗低。与DAVY的蒸汽上升式反应器相比，LURGI列管式水冷反应器的缺点是床层压降较大，达0.3MPaG左右；由于列管长度受到限制，放大生产一般通过增加管数的方法实现，使反应器的直径增大，给设计和制造带来很大困难；此外列管式反应器对材料的要求较高，如换热管要求用双相钢，设备费用大。

鲁奇的气冷反应器，壳层装填触媒，管间为原料合成气，反应放出的热量经管壁对管内的合成气进行预热。在气冷反应器中，壳层装填催化剂并发生甲醇合成反应，反应热由管内的冷新鲜原料气移除，同时实现对新鲜原料气的预热。气冷管式反应器的优点是催化剂装填量大，床层温差变化也较小。缺点是结构较复杂，对材料的要求也较高，设备费用大。

2.3瑞士CASALE技术

瑞士CASALE公司近年来开发出一种新型的IMC（Isothermal Methanol Casale converter）甲醇反应器，即等温型甲醇反应器。IMC反应器的结构简，该反应器的主要特点是将换热板埋入催化剂床层内作为冷却元件，换热板内走锅炉给水将反应热移出催化剂床层的同时产生饱和蒸汽，冷却介质也可以换成需要预热的新鲜原料气。这种设计结构比传统的列管式反应器换热效率更高，实现了较优的床层温度分布。同时催化剂装填在壳侧，装填量大，且无需管板，从而提高了单台反应器的生产能力。反应气体在反应器中的流动形式为轴－径向流，压降可减少至0.05MPaG。IMC反应器的缺点是结构复杂，制造难度较大，同时对材料的要求较高，设备投资较大。换热板的制造难度大，反应器内部的蒸汽总管设计和制造难度较大。

3总结

通过对以上三种甲醇合成工艺技术的对比，可以得到以下结论：第一，DAVY甲醇技术在产能和运行稳定性上有优势；但该工艺单程转化率不如鲁奇和卡萨利甲醇技术；第二，鲁奇甲醇合成技术反应副产物较少，副产蒸汽等级高，但设备投资相对较多；第三，卡萨利甲醇合成技术单程转化率高，但反应器和汽包之间需要强制循环泵，能耗较高，受制于大型化。

参考文献：

[1]曾纪龙.大型煤制甲醇的气化与合成工艺选择[J].化工技术经济,2005,23(7):10-10.