1、 1 2 煤制甲醇概述 2.2 操作条件 （ 1） 年产甲醇量： 36 万 t/a （ 2） 年操作时间： 7200 小时 （本次请你 330 天计算） 2.3 设计依据 （ 1） .西安建筑科技大学化工教研室下发的“毕业论文设计任务书 ”； （ 2） .中华人民共和国煤、甲醇行业标准； （ 3） .中华人民共和国化工行业标准； （ 4） .中华人民共和国国家钢制压力容器标准。 2.4 设计原则 （ 1）采用先进成熟的 Lurgi低压法甲醇合成工艺； （ 2）依国内现有的技术、设备及条件的基础上，对工艺流程及合成反应器进行改进 （ 3）采用一乙醇胺法脱硫工艺，加氢 串氧化锌工艺脱硫提高脱硫效果
2、，保证合成气总硫 0.1 10-6； （ 4）甲醇精馏采用三塔流程，提高精馏效率，保证了精甲醇的质量，降低蒸汽消耗； （ 5）回收甲醇合成弛放气并返送至合成氨系统，降低原料消耗，减少污染。 2.5 工艺原理及流程 2.5.1 流程图 空气分离 加压气化 脱除H2S+CO2 合成 甲醇 甲醇 精制 回收 焦油 分离 脱酚 分离 冷却 焦油 酚 空 气气气 水煤 浆 2 图 2.1 甲醇合成工艺流程 2.5.2 流程介绍 首先制气，将原料煤和水及蒸汽通入气化炉进行加热反应，其中的煤尘要降尘，灰通入循环水槽回收以防止污染环境。从气化炉出来的气体经洗涤器通入废热锅炉进行预热，其后的气体要净化。先进行煤
3、气脱硫，因为出来的气体含有大量的灰尘及硫化物，通入入口水封的水箱后进入煤气脱硫塔进行脱硫，由于出来的气体含有大量的油雾，所以要先通入旋流板除雾器后进入气柜。其中的气体先进行 CO 变换，从气柜出来的气体通入活性炭过滤器，然后再进入第一、二煤气换热器换热后通入变换炉变换后将变换气冷却至45进行分离，通入变换气脱硫塔进行脱硫后，通入 CO2 吸收塔将 CO2 吸收，后通入净化气冷却器将气体冷却，然后通入净化器分离器进行分离后，净化气再进行干法脱硫 .由于甲醇合成催化剂要求气体总含硫量 0.1 10-6,所以还要进行干法脱硫以达到要求。先后 分别通入预脱塔、预热器、水解塔、精脱塔后才能进行甲醇合成。
4、新鲜气先压缩通入甲醇合成塔进行合成，后经中间换热器换热，再经过甲醇分离器进行分离后通入粗甲醇储罐，其中甲醇分离器分离的部分气体有驰放气去氨系统，一部分经循环气压缩机再通入甲醇合成塔进行循环。 粗甲醇通入三塔精馏系统，由合成工段或粗甲醇储罐在预热器内预热到 65送入预塔。溶解在粗甲醇中的气体及低沸点杂质均在该塔中除去。预塔有两个冷凝器。塔顶蒸汽中所含大部分甲醇在第一冷凝器器被冷凝下来送入预塔回流槽进行全回流。未冷凝的少部分甲醇蒸汽、低沸点轻组分及不凝气 进入第二冷凝器冷却至 40 2，将其中绝大部分甲醇回收，不凝气体送入硫回收工段作燃料，冷凝液（预塔馏分）送入杂醇油槽。从预塔底来的甲醇经泵加压塔
5、，塔顶甲醇蒸汽进入冷凝再沸器作为常压塔的热源。甲醇蒸汽被冷凝后进入回流槽。一部分经泵加压后回流，其余部分经冷却器冷却后送往精甲醇槽。 3 2.5.3 主要设备表 表 2.2 甲醇合成工艺主要设备 设备 主要参数 规格型号 气化炉 P=3.05MPa 3600 H1200 煤气脱硫塔 P=0.02MPa（表） 3000 H38600 原料气压缩机 转速： 333r/min M 155/5 型 CO 变换炉 P 2.2 MPa 2000 H11410 变换气脱硫塔 P 2.2MPa 2600 H19230 CO2 吸收塔 P 2.1MPa 2400 H26640 预脱塔 P 2.2MPa 2400
6、 H14360 水解塔 P 2.2MPa 2400 H11150 精脱塔 P 2.2MPa 2200 H17560 合成反应器 F=4120m2 3400 H11634 循环气压缩机 转速： 375r/min D-29/49-53 型 预精馏塔 V=40m3 1400 H27670 加压精馏塔 V=60m3 1600 H35640 常压精馏塔 V=92m3 1800 H50260 4 3 气化过程计算 89 3.1 加压气化原理 3.1.1 气化原理 加压 下煤的气化在高温下受氧、水蒸气、二氧化碳的作用，各种反应如下： 碳与氧的反应： （ 1） C + O2 CO +408.8MJ （ 2）
7、2C+ O2=2CO+246.4MJ （ 3） CO2+C=2CO-162.4MJ （ 4） 2CO+O2=2CO2+570.24MJ 碳与水蒸汽反应： (5) C+H2O=CO+H2-118.8MJ (6) C+2H2O=CO+2H-75.2MJ (7) CO+H2O=CO2+H2+42.9MJ 甲烷生成反应： (8) C+2H2=CH4+87.38MJ (9) CO+3 H2= CH4+ H2O +206.2MJ (10) 2CO+4 H2= CH4+CO2+247.4MJ (11) CO2+4 H2= CH4+2 H2O +162.9MJ (12) 2C+2 H2O = CH4+CO2+
8、125.6MJ 根据化学反应速度与化学反应平衡原则，提高反应压力有利于化学反应向体积缩小的方向移动，化学反应则向吸热方向移动，对加压气化可以得出以下结论： (1) 提高压力，有利于煤气中甲烷的生成，可提高煤气的热值； 5 (2) 提高气化反应温度，有利于 CO2+C=2CO 向生成一氧化碳的方向进行，也有利于 C+H2O=CO+H2 反应，从而可提高煤气中的有效成分。但提高温度不利于生成甲烷的放热反应。 3.1.2 煤种及煤的性质对气化过程的影响 原料煤是影响煤气产量、质量及生产操作条件的重要因素，不同煤种对煤气化会产生不同的影响，即使同种煤各性能参数不同也会对煤气化产生不同影响。由于各煤种变
9、质程度的不同，本身的物化性质不同，在加压气化反应中煤气产率、煤气组成均有所不同。 煤气组分 煤种不同，经加压气化后生成的煤气质量是不一样的，随着煤碳化度的加深，煤的挥发分减少。挥发分越高的煤，干馏组分在煤气中占的比例越大。 由于干馏煤气中的甲烷比气化段生成的甲烷量要大，所以在相同气 化压力下，越年轻的气化后煤气中的甲烷含量越高，煤气的热值就越高。用加压气化法制取煤气时，劣质的褐煤或弱黏结烟煤作为气化原料最佳。此外，年轻没煤种的半焦活性高，气化层反应温度低，这样有利于甲烷的生成。因此，煤种越年轻，产品煤气中 CH4 和 CO2 呈上升趋势， CO 呈下降趋势。 煤气产率 煤气的产率与煤中的碳的转
10、化方向有关，煤种挥发分越高，转变为焦油的有机物就越多，转入到焦油中的碳就越多，进入真正的气化区生成煤气的碳量减少，煤气生产率就下降。 3.1.3 煤的理化性质对气化的影响 （ 1） 煤 的 粒度对加压气化的影响 在加压气化的过程中，煤的粒度对气化炉的运行负载、煤气和焦油的产率以及各项消耗指针影响很大。煤的粒度越小，其比表面积越大，在动力学控制区的吸附和扩散速度加快，有利于气化反应的进行。煤粒的大小也影响煤准备阶段的加热速度，很显然粒度越大，传热速度越慢，煤粒内部与表面之间的温差越大，使颗粒内焦油蒸汽扩散阻力和停留时间越长，焦油的热分解增加。煤粒的大小也对汽化炉的生产能力6 影响也很大。 （ 2
11、） 原料中水分对气化过程的影响 煤中所含的水分随煤变质程度的加深而减少，水分较多的煤，挥发 分往往较高，则进入气化层的半焦气孔率也大，因而使反应速度加快，生成的煤气质量较好，另外在气化一定的煤种时，其焦油和水分存在一定的关系，水分太低，会使焦油的产率下降。由于加压气化炉的生产能力较高，煤在炉内干燥 /干馏层的加热速度很快，一般在 2040 之间，因此对一些稳定性差的煤，为防止热裂，要求煤中含有一定的水分，但煤中水分过高又会给气化过程带来不良影响。 （ 3） 煤中灰分及灰熔点对气化过程的影响 煤中的灰分是煤燃烧后所剩余的矿物残渣，煤中的灰分量对气化反应而言影响不大，鲁奇甚至可气化灰分高大 50%
12、的煤。但灰 分较高时对气化过程带来一定的危害。 （ 4） 煤的黏结性对气化过程的影响 煤的黏结性是指煤在高温干馏时的黏结性能。黏结性煤在气化炉内进入干馏层时会产生胶质体，这种胶质体的黏结性较高，它将较小的煤黏结成大块，其机理与炼焦过程相同，这使得干馏层的透气性变差，从而导致床层气流层的分布不均和阻碍料层的下移，使气化过程恶化。 （ 5） 煤的机械强度和热稳定的影响 煤的机械强度是指煤的抗碎能力。易破碎的煤在筛分后的传送及气化炉加煤过程在中必然产生很多的煤屑，这样会增加入炉煤的煤粉含量，使煤气带出物增加。故加压气化应选用 抗碎能力较高的煤种。煤的热稳定性差在气化炉内容易粉化，给气化过程带来不利的
13、影响。 （ 6） 煤的化学活性的影响 煤种不同，其反应活性是不同的。一般的煤的炭化程度越浅，焦碳质气孔率越大，即其内表面积越大，反应性越高。煤的反应活性越高，则发生反应的其始反应温度越低，气化程度越低。气化炉温度低，有利于甲烷生成反应的进行，煤气热值相应提高。 综上所述，有以上两种影响，经过选择，本设计采用无烟煤作为气化用煤。 气化过程工艺流程简图： 7 图 3.1 气化工艺 流程图 3.2 气化过程计算 计算假设： 在计算过程中，计算方法在一定理论和经验基础上做以下假设： （ 1） 水蒸气 来源于原料煤中的水分和干馏生成的热解水，原料煤中50的氧与氢化合成热解水。 （ 2） CH4 C2H4
14、 来源于原料煤中的 C 和 H，其生成量主要取决于原料煤化程度和干馏温度。 （ 3） CO2 来源于原料煤中的 C 和 O，其生成量随煤化程度加深而减少。 （ 4） 焦油 其性质和数量与原料煤的种类，气化炉的结构和操作条件关系很大，生成量取决于煤中的 H 量，通常假定转入焦油中的 C 量等于H 量。 （ 5） H2S 煤中的硫除少数转入焦油， 20进入 灰渣， 80与氢化合成 H2S转入合成气中。 （ 6） N2 煤中的 N，除少数转入焦油外，几乎全部以 N2 形式转入煤气。 （ 7） H2 出生成热解水， CH4, C2H4, 焦油， H2S 以外，煤中剩余的 H 都以 H2 的形式转入合成
15、气。 8 （ 8） CO 煤中的 O、 除生成热解水 、 CO2 和焦油外，都以 CO 形式进入合成气中。 （ 9） 带出物 在计算时应考率到 气化炉中被煤气流带出的小颗粒原料，当原料煤中含粉末不多时（约 10），带出物占原料重量的 1 3。 （ 10） 灰渣含量 灰渣含 C 为灰渣重量的 5 15。 （ 11） 气化用碳 除了生成干馏产物以及在灰渣和带出物中的损 失以外，其余的 C 进入发生炉下部，参加气化反应，生成气化煤气。 表 3.1 入炉无烟煤的元素分析（ %） 项目 碳(C) 氢(H) 氧(O) 氮(N) 硫(S) 灰(A) 水分(M) 合计 接受基（ ar） 79.23 1.61
16、1.98 0.79 1.38 11.22 3.79 100 操作条件：（假设） 1 气化压力： 5.0MPa； 2 气化温度： 1300； 3 炉顶温度： 500 ； 4 焦油产率： Vj=0；带出物产率 VT为工作原料的 2.0%；即 VT=1002.0%=2； 5 干灰渣的含碳量 CF=15.0%； 6 带出物（ %）： CT=90， AT=10。 表 3.2 发生炉煤气组成（体积 %） 组分 CO CO2 H2 N2 CH4 O2 H2S 合计 含量 28.2 5.9 12.9 51.7 0.90 0.22 0.18 100 3.2.1 气化过程的物料衡算 以 100kg 无烟煤为计算标
17、准。 1. 确定干灰渣的生成率 因原料中的灰分分配在带出物和灰渣中，有； 则； FFTTar VAVAA 9 FV =FTTar A VAA = 1 1 .2 2 0 .1 2 1 0 0 % 1 2 .6 91 0 .1 5 式中 ： FV 灰渣生成率， %；（占工业原料重量） TV 带出物产率， %；（占工业原料重量） FA 灰渣中灰含量， kgkg/ ； TA 带出物中灰含量， kgkg/ 。 2. 确定干煤气产量 按碳平衡计算： gV =)2(4.2212)(2242 HCCHCOCOCCCC a r TjF = 7 9 . 2 3 ( 0 . 1 5 1 2 . 9 6 0 0 .
18、9 2 ) 0 . 0 1 4 0 312 ( 5 . 9 2 8 . 2 0 . 9 )2 2 . 4 kgNm 100/3 式中 ： GV 干煤气产率， kgNm 100/3 煤； arC 原料煤含碳量， kgkg 100/ 煤； FC 灰渣中含碳量， FC =10.0 0.15=1.5/100kg 煤； jC 焦油中含碳量， jC =0； TC 带出物中含碳量 TC =2 0.9=1.8kg/kg 煤； 4242 HCCHCOCO 、 每标准立方米煤气中各成分含量， 3Nm 。 3按 氨平衡确定空气消耗量 KV 79.0 25.1/argg NVN = 0 .0 0 7 90 .5 1
19、7 4 0 3 1 .2 5 2640 .7 9 kgNm 100/3 式中： 10 KV 空气消耗量， kgNm 100/3 煤； gN 每标准立方米干煤气中氮含量， N2=0.0403， 3Nm ； gV 干煤气产率， kgNm 100/3 煤； arN 煤中含氮量， kgkgN ar 100/84.0 煤。 4 确定蒸汽消耗量 已知蒸汽饱和温度为 58 ，查得含湿量为0.175 3/mkg ，故蒸汽消耗量为： ZM =0.175 KV = 0 .1 7 5 2 6 4 0 .0 1 0 .4 6 2 kgkg/ 式中： KV 空气消耗量， kgNm/3 煤； zM 代表蒸汽消耗量， kg
20、kg/ 煤。 5 确定煤气中含水分 由氢平衡得； H2Og=gjgZarar V HVHCCHSHHMMH 111.0 )22(0 8 9 9.0)(111.0 22422 = 0 . 0 4 6 1 0 . 1 1 1 (0 . 0 3 7 9 0 . 4 6 2 ) 0 . 0 8 9 9 ( 1 2 . 9 0 . 1 8 0 . 9 2 ) 0 . 0 1 4 0 3 0 . 0 10 . 1 1 1 4 0 3 0 . 0 1 =0.0395 3/Nmkg 式中： gOH2 干煤气中含水分， 3/Nmkg ； arH 煤中氢含量， kgkg/ 煤； arM 煤中水分含量， kgkg/ 煤； ZM 蒸汽消耗量， kgkg/ 煤； gV 干煤气产率， kgNm/3 煤； jH 焦油中含氢量， jH =0。 7 确定湿煤气的产率 湿煤气产率为干煤气的体积和煤气中水分体积之 和。 gV = )/1( 2 gg OHV
