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1、煤气化制甲醇精馏工艺毕业设计摘要中国是世界上煤炭资源丰富的国家之一，煤炭储量远大于石油、天然气储量。基于国情， 将煤炭加工转化成清洁、高效的二次能源，寻找内燃发动机的替代燃料，使能源结构向 多元化结构，解决对石油的过分依赖将是今后的主要发展方向。本文主要综述了煤气化 和合成甲醇基本原理、工艺流程、设备、净化、影响因素等。基于此，选用德士古煤气 化工艺和低压法合成甲醇工艺，在工艺计算基础上，设计了年产40万吨煤气化制甲醇 生产线。关键词：煤气化，低压法，精馏，甲醇绪论煤化工是以煤炭为主要原料生产化工产品的行业。根据生产工艺与产品的不同，主要分 为煤焦化、煤气化和煤液化三条产品链。随着高油价时代的
2、到来，以大型煤气化为龙头的现代煤化工产业，以成为全球经济发展 的热点产业，这是因为煤化工的能源化工一体化的产业模式，可以减少对原油资源的高 度依赖，并有效的解决交通、火电等重要耗能行业的污染和排放等问题。新型的煤化 工产业必将迎来一个蓬勃发展的新时期，成为21世纪的高新技术产业的一个组织部分。 作为新型煤化工的一个重要单元技术一一大型先进的煤炭气化技术及气化产品的进一 步合作利用，将成为今后的发展的主要方向。煤炭气化的发展中国是使用煤最早的国家之一，早在公元前就用煤冶炼铜矿石、烧陶瓷，至明代已用焦 炭冶铁。但煤作为化学工业的原料加以利用并逐步形成工业体系，则是在近代工业革命 之后。18世纪中叶
3、由于工业革命的进展，英国对炼铁用焦炭的需要量大幅度地增加， 炼焦炉应运而生。18世纪末，煤用于生产民用煤气。1792年，苏格兰人W.默多克用铁 甑干馏烟煤，并将所得煤气用于家庭照明。1812年，这种干馏煤气首先用于伦敦街道 照明，随后世界一些主要城市也相继采用。19世纪70年代德国成功地建成了有化学品 回收装置的焦炉，由煤焦油中提取了大量的芳烃，作为医药、农药、染料等工业的原料。 第一次世界大战期间，钢铁工业高速发展，同时作为炸药原料的氨、苯及甲苯也很急需， 这促使炼焦工业进一步发展，并形成炼焦副产化学品的回收和利用工业。1925年，中 国在石家庄建成了第一座焦化厂，满足了汉冶萍炼铁厂对焦炭的
4、需要。二次世界大战时 期，煤炭气化工业在德国得到迅速发展。二次世界大战后，煤炭气化工业因石油、天 然气的迅速发展减慢了步伐，进入低迷时期，煤气主要作为城市煤气及合成氨原料的生 产等，直到20世纪70年代成功开发由合成气制甲醇技术，由于甲醇的广泛用途，使煤 炭气化工业又重新引起人们重视。现在，随着气化生产技术的进一步发展，以生产含氧燃料为主的煤炭气化合成甲醇、二甲醚，有广阔的市场前景。其中二甲醚不仅 从合成气经甲醇制汽油、低碳烯烃的重要中间体，而且也是多种化工产品的重要原料。 甲醇从今年供需情况来看，除了作基本有机化工原料、精细化工原料外，还可以做替代 燃料应用。新型煤化工内容简介发展现代煤化工
5、的意义我国已成为世界第二大能源生产国和第二大能源消费国，能源消费主要靠国内供应。 1我国煤炭资源丰富我国煤炭、石油与天然气的总储量与OECD（经济合作与发展组 织）发达国家相比相差不大，但从人均储量来看就有了较大的差别；其中煤炭资源情况 与世界平均水平接近，具有相对比较优势，这决定了我国长期依赖煤炭的能源格局。2 替代石油维护能源安全我国能源资源储量总体偏紧，特别是优质石油能源资源短缺， 是我国能源供应最突出的问题。因此为了降低对进口石油的严重依赖，必然要发展以“煤 代油”为核心的现代煤化工产业。3清洁利用能源降低环境污染传统煤化工是污染 行业，据具有“煤炭一一化工产品一一污染排放”的单向流动
6、特征，而现代煤化工属于 洁净中煤炭转化领域。发展循环经济型煤炭能源化工，尤其是各种类型的多联产系统已 经是解决环境问题的主要方向。4节约资源充分利用低成本劣质煤煤气化技术与煤 液化技术都已经实现了对劣质煤的充分利用。现代煤化工的主要特点1清洁能源是新型煤化工的主要产品。新型煤化工生产的主要产品是洁净能源和可替 代石油化工产品。如柴油、汽油、乙烯原料、甲醇、二甲醚等以及一些化工产品。2 煤炭一能源一化工一体化。新型煤化工是未来中国能源技术发展的战略方向，依靠煤 炭资源，形成煤炭一一能源一一化工一体化的新兴产业。如煤炭气化联合循环发电技术。3高新技术及优化集成。新型煤化工生产采集用煤转化高新技术，
7、在能源梯级利用、 产品结构方面对不同工艺优化集成，提高了整体经济效益。同时，现代煤化工可以通过 信息技术的广泛利用、推动现代煤化工技术在高起点上迅速发展和产业化建设。4有 效的利用煤炭资源现代煤化工注重煤的洁净、高效利用，如高硫煤或高活性低变质煤 作化工原料煤。在一个工厂用不同的技术加工不同煤种，并使各种技术得到集成与互补， 使各种煤炭达到物尽其用，充分发挥各种煤种、煤质特点，实现不同质量煤炭资源的合 理利用。1.3煤炭气化工艺煤炭气化技术虽有很多种不同的分类方法，但一般常用按生产装置化学工程特征分 类方法进行分类，或称为按照反应器形式分类。气化工艺在很大程度上影响煤化工产品 的成本和效率，采
8、用高效、低耗、无污染的煤气化工艺（技术）是发展煤化工的重要前提， 其中反应器便是工艺的核心，可以说气化工艺的发展是随着反应器的发展而发展的，为 了提高煤气化的气化率和气化炉气化强度，改善环境，新一代煤气化技术的开发总的方 向，气化压力由常压向中高压（8.5 MPa）发展；气化温度向高温（15001600C ）发 展；气化原料向多样化发展；固态排渣向液态排渣发展。1固定床气化固定床气化也称移动床气化。固定床一般以块煤或焦煤为原料。煤由气化炉顶加入， 气化剂由炉底加入。流动气体的上升力不致使固体颗粒的相对位置发生变化，即固体颗 粒处于相对固定状态，床层高度亦基本保持不变，因而称为固定床气化。另外，
9、从宏观 角度看，由于煤从炉顶加入，含有残炭的炉渣自炉底排出，气化过程中，煤粒在气化炉 内逐渐并缓慢往下移动，因而又称为移动床气化。固定床间歇式气化炉（UGI）以块状无烟煤或焦炭为原料，以空气和水蒸气为气化剂，在常压下生产合成原料气或 燃料气。该技术是30年代开发成功的，投资少，容易操作，目前已属落后的技术，其 气化率低、原料单一、能耗高，间歇制气过程中，大量吹风气排空，每吨合成氨吹风气 放空多达5 000 m3，放空气体中含CO、CO2、H2、H2S、SO2、NOx及粉灰；煤气冷 却洗涤塔排出的污水含有焦油、酚类及氰化物，造成环境污染。我国中小化肥厂有900 余家，多数厂仍采用该技术生产合成原
10、料气。随着能源政策和环境的要来越来越高，不 久的将来，会逐步为新的煤气化技术所取代。（2）鲁奇气化炉30年代德国鲁奇（Lurgi）公司开发成功固定床连续块煤气化技术，由于其原料适应性 较好，单炉生产能力较大，在国内外得到广泛应用。气化炉压力（2.54.0） MPa，气 化反应温度（800900）C，固态排渣，气化炉已定型（MK-1MK5），其中MK -5型炉，内径4.8m，投煤量（7584）吨小，粉煤气产量（1014）万m3/h。煤气 中除含CO和H2外，含CH4高达10%12%，可作为城市煤气、人工天然气、合成气 使用。缺点是气化炉结构复杂、炉内设有破粘和煤分布器、炉篦等转动设备，制造和维
11、修费用大；入炉煤必须是块煤；原料来源受一定限制；出炉煤气中含焦油、酚等，污水 处理和煤气净化工艺复杂、流程长、设备多、炉渣含碳5%左右。针对上述问题，1984 年鲁奇公司和英国煤气公司联合开发了液体排渣气化炉（BGL），特点是气化温度高， 灰渣成熔融态排出，炭转化率高，合成气质量较好，煤气化产生废水量小并且处理难度 小，单炉生产能力同比提高35倍，是一种有发展前途的气化炉。2流化床气化流化床气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化原料，这些细颗粒在自下而上的气 化剂的作用下，保持着连续不断和无秩序的沸腾和悬浮状态运动，迅速地进行着混合和 热交换，其结果导致整个床层温度和组成的均一。流化床气化能
12、得以迅速发展的主要原 因在于：（1）生产强度较固定床大。（2）直接使用小颗粒碎煤为原料，适应采煤技术发展，避开了块煤供求矛盾。（3）对煤种煤质的适应性强，可利用如褐煤等高灰劣质煤作原料。（1）循环流化床气化炉CFB鲁奇公司开发的循环流化床气化炉（CFB）可气化各种煤，也可以用碎木、树皮、城 市可燃垃圾作为气化原料，水蒸气和氧气作气化剂，气化比较完全，气化强度大，是移 动床的2倍，碳转化率高（97%），炉底排灰中含碳2%3%，气化原料循环过程中返 回气化炉内的循环物料是新加入原料的40倍，炉内气流速度在（57） m/s之间，有 很高的传热传质速度。气化压力0.15MPa。气化温度视原料情况进行控
13、制，一般控制循 环旋风除尘器的温度在（8001050）C之间。鲁奇公司的CFB气化技术，在全世界已 有60多个工厂采用，正在设计和建设的还有30多个工厂，在世界市场处于领先地位。（2）灰熔聚流化床粉煤气化技术灰熔聚煤气化技术以小于6mm粒径的干粉煤为原料，用空气或富氧、水蒸气作气化剂， 粉煤和气化剂从气化炉底部连续加入，在炉内（10501100）C的高温下进行快速气化反应， 被粗煤气夹带的未完全反应的残碳和飞灰，经两极旋风分离器回收，再返回炉内进行气化， 从而提高了碳转化率，使灰中含磷量降低到10%以下，排灰系统简单。粗煤气中几乎不含 焦油、酚等有害物质，煤气容易净化，这种先进的煤气化技术中国
14、已自行开发成功。该技术 可用于生产燃料气、合成气和联合循环发电，特别用于中小氮肥厂替代间歇式固定床气化炉， 以烟煤替代无烟煤生产合成氨原料气，可以使合成氨成本降低15%20%，具有广阔的发展 前景。3气流床气化气流床气化是一种并流式气化。从原料形态分有水煤浆、干煤粉2类；从专利上分，Texaco、 Shell最具代表性。前者是先将煤粉制成煤浆，用泵送入气化炉，气化温度13501500C； 后者是气化剂将煤粉夹带入气化炉，在15001900C高温下气化，残渣以熔渣形式排出。 在气化炉内，煤炭细粉粒经特殊喷嘴进入反应室，会在瞬间着火，直接发生火焰反应，同时 处于不充分的氧化条件下，因此，其热解、燃
15、烧以吸热的气化反应，几乎是同时发生的。随 气流的运动，未反应的气化剂、热解挥发物及燃烧产物裹夹着煤焦粒子高速运动，运动过程 中进行着煤焦颗粒的气化反应。这种运动状态，相当于流化技术领域里对固体颗粒的“气流 输送”，习惯上称为气流床气化。1）德士古（Texaco）气化炉 美国Texaco（2002年初 成为Chevron公司一部分，2004年5月被GE公司收购）开发的水煤浆气化工艺是将煤加水 磨成浓度为6065%的水煤浆，用纯氧作气化剂，在高温高压下进行气化反应，气化压力 在3.08.5MPa之间，气化温度1400C，液态排渣，煤气成份CO+H2为80%左右，不含 焦油、酚等有机物质，对环境无污
16、染，碳转化率9699%，气化强度大，炉子结构简单， 能耗低，运转率高，而且煤适应范围较宽。目前Texaco最大商业装置是Tampa电站，属于 DOE的CCT-3，1989年立项，1996年7月投运，12月宣布进入验证运行。该装置为单炉， 日处理煤20002400吨，气化压力为2.8MPa，氧纯度为95%，煤浆浓度68%，冷煤气效 率76%，净功率250MW。从已投产的水煤浆加压气化装置的运行情况看，主要优点：水煤浆制备输送、计量控制简单、 安全、可靠；设备国产化率高，投资省。由于工程设计和操作经验的不完善，还没有达到长 周期、高负荷、稳定运行的最佳状态，存在的问题还较多，主要缺点：喷嘴寿命短、激冷环 寿命仅一年、褐煤的制浆浓度约59%61%；烟煤的制浆浓度为65%；因汽化煤浆中的水要 耗去煤的8%，比干煤粉为原料氧耗高12%20%，所以效率比较低。（2）Destec （Globa
