甲醇气化工艺设计

甲醇气化工艺设计任务书专业化学工程与工艺班级化工1设计人孟德东一设计题目题目三年产120万吨煤制甲醇气化工艺设计二设计条件1生产规模年产120万吨甲醇，年开工日为330天，工作小时为24小时。2原料煤规格原料煤的元素分析为：C67.5%；H4.0%；O10.2%；N0.65%；S（可燃）1.73%；S（不可燃）0.34%；Cl/（mg/kg）229；F/（mg/kg）104；Na/（mg/kg）2180；K/（mg/kg）292。3产品质量标准及粗甲醇组成本产品（精甲醇）执行国家《GB338—92》标准，具体指标见下表表1甲醇《GB338—92》项目指标优等品一等品合格品色度（铂—钴），号≤510密度（200C），g/cm30.791～0.7920.791～0.793温度范围(0℃,101325Pa)，℃沸程（包括64.6±0.10C），℃≤64.0-65.50.81.01.5高锰酸钾试验，min≥503020水溶性试验澄清水分含量，%≤0.100.15酸度（以HCOOH计），%≤或碱度（以NH3计），%≤0.00150.0030.0050.00020.00080.0015羰基化合物含量（以CH2O计），%≤0.0020.0050.01蒸发残渣含量，%≤0.0010.0030.005表2粗甲醇组成组分百分比甲醇93.40%二甲醚0.42%高级醇（以异丁醇计）0.26%高级烷烃（以辛烷计）0.32%水5.6%粗甲醇100%年产83万吨甲醇气化工艺设计1.总论1.1设计概况1.1.1产品介绍煤气化产物的有效组分是CO，H2和CH4。通过调节其各自比例后广泛地应用于国民经济的不同部门，包括合成气、城市煤气、工业用燃气、联合循环发电用燃气及冶金工业还原气等。如今，国内外正在把煤化学发展成以煤炭气化为基础的碳化学工业，使煤化工由能源型逐渐转向化工型。所以，煤气化制合成气(主要成分为CO+H2)将成为目前主要发展方向。合成气又称化工原料气，其除了作为气体燃料使用外，另一个重要用途是作为化工合成原料，已展现出广阔的前景。由于合成气化工和碳化学技术的开发和发展，煤气化制取合成气，进而直接合成各种化工产品的工艺已成为现代煤化工的基础。当前国内外进行合成研究的重点包含以下三个方面：（1）醇类：甲醇、乙醇、低碳混合醇、乙二醇；（2）烃类：烷烃(CH4)、烯烃、芳烃(汽油、柴油)；（3）酸类：醋酸。近来研究表明，大多数化工原料(烷烃，烯烃，芳烃等)均可以用合成气直接合成，而其一次产物(如甲醇)又可进一步合成更多不同产物。如下图1所示。图1－各种合成路线在醇类合成过程中，甲醇占据着重要的地位，它既是重要的化工原料，又是烃类烯烃CO+H2（合成气）甲烷NH3含氧化合物甲醇乙醇醋酸F－T油裂解催化剂羟基合成H2OH2/CO重要的二次能源。能直接用CO+H2合成的大部分产物，都可以通过甲醇间接制取，而且间接过程往往在技术上和经济上更简便，综合考虑本装置所生产的合成气将被应用于制取甲醇。在烃类合成中，甲烷合成作为从合成气中脱出微量CO+CO2的手段已在合成氨等工业中得到广泛应用，现阶段大规模制取高浓度甲烷的工艺已在美国实现工业性生产。我国为了提高城市煤气的热值也正在开发低热值部分甲烷化。液态烃的合成，即费－托合成工艺以合成气为原料，烃类及其含氧化合物，是煤液化的主要方法之一。它是煤炭间接液化的基础，其制取烯烃的直接液化过程目前还处于试验阶段，并不成熟。醋酸的合成通常采用CH4和CO的羟基化法，用Rh－I2作催化剂。在我国，目前合成气用量最大的是化肥工业，尤其是中小合成氨厂几乎均采用水煤气工艺，由煤制合成气作为合成氨原料。因而，无论从近期或远景来看，煤炭气化制合成气都在我国化工工业发展以及能源安全保障中发挥着不可估量的作用。1.1.2简要结论(1)产品市场前景良好，符合国家能源发展战略和国家产业政策；工艺技术先进、成熟、可靠，能耗低，安全、卫生、环保等各项措施完善、符合国家标准；(2)从财务分析看，所得税前内部收益率14.68%，大于行业基准收益率12%；(3)敏感性分析表明本项目有较好的抗风险能力；(4)增加地区和国家税收、扩大就业岗位，拉动社会需求，促进地区社会繁荣，社会效益良好，因此本项目是可行的。2.煤气化工艺2.1煤气化的应用及重要性进入21世纪，为了保护中国经济的可持续发展，实施《京都议定书》减少燃煤对大气的污染，必须大力发展洁净煤技术，煤炭气化是最重要的应用广泛的洁净煤技术，是发展现代煤化工最重要的单元技术，煤炭气化可以生产工业燃料气、民用燃料气、化工合成原料气、合成燃料油原料气、氢燃料电池、煤气联合循环发电、合成天然气和火箭燃料等。煤气化技术广泛应用于化工、冶金、机械和建材等重要工业部门和城市煤气的生产，目前中国拥有各种类型的煤气炉约有9000台，其中化工行业煤气化炉约有4000台，以固定床气化炉为主。多数中小化肥厂和少数大型化肥厂以煤炭(焦炭)为原料，通过煤气化生产合成氨和甲醇，年耗原料煤4000多万吨，合成氨产量占全国总产量的60%以上，为中国农业生产提供了充足的化肥。因此，煤气化过去和今后在中国工农业生产和居民生活中，特别是对现代煤化工和洁净煤技术的发展占有十分重要的地位，是实现中国经济可持续发展的主要技术手段之一。2.2煤气化技术的现状及发展趋势目前世界正在应用和开发的煤气化技术有数十种之多，气化炉型也是多种多样，最有发展前途的有10余种，所有煤气化技术都有一个共同的特征，即气化炉内煤炭在高温条件下与气化剂反应，使固体煤炭转化为气体燃料，剩下的含灰残渣排出炉外。气化剂为水蒸气、纯氧、空气、CO2和H2。粗煤气中主要成分有CO、CO2、H2、CH4、N2、H2O，还有少量硫化物、烃类和其他微量成分。各种煤气的组成和热值取决于煤的种类、气化工艺、气化压力、气化温度和气化剂组成。2.2.1煤炭气化技术的发展趋势(1)气化压力向高压发展气化压力由常压低压(﹤1.0MPa)向高压(2.0－8.5MPa)气化发展，从而提高气化效率、硫转化率和气化炉能力，实现气化装置大型化和能量高效利用，降低合成气的压缩能耗或实现等压合成(如甲醇低压合成)降低生产成本。如Texaco气化压力可达6.5MPa－8.5MPa，Shell气化压力为2－4MPa。(2)气化炉能力向大型化发展Texaco和Shell单台气化炉气化煤量已达2000t/d以上，prenflo气化炉单台气化煤量已达2600t/d。大型化便于实现自动控制和优化操作、降低能耗和操作费用。(3)气化温度向高温发展Texaco气化温度1400－1500℃，Shell气化温度高达1400－1700℃，流化床气化温度为1000－1200℃。气化温度高煤中有机物质分解气化，消除或减少环境污染，对煤种适应性广。(4)不断开发新的气化技术和新型气化炉提高硫转化率和煤气质量，降低建设投资。目前硫转化率高达98%－99%，煤气中含CO+H2达到80%－90%。(5)现代煤气化技术与其他先进技术联合应用如与燃气轮机发电组合的IGCC发电技术，高压气化(6.5MPa)与低压合成甲醇、二甲醚技术联合实现等压合成，省去合成气压缩机，使生产过程简化、总能耗降低。(6)煤气化技术与先进脱硫除尘技术相结合，实现环境友好、减少污染。如在气化炉内加入脱硫剂(石灰石)，脱硫效率可达80%－90%。采用高效除尘器使煤气中含尘降到1－2mg/m3以下。总之，先进的流化床、气流床煤气化技术目前已成功实现工业化和大型化，并不断改进和完善，应用范围不断扩大，是今后的主要发展方向。而固定床气化技术特别是固定床间歇式气化技术其气化效率低、能耗高、污染大，随着各气化工艺的不断发展将会被淘汰。2.2.2国内外煤气化技术的现状和发展1.国内煤气化技术的发展趋势煤气化技术在中国已有近百年的历史，但仍然较落后和发展缓慢，就总体而言，中国煤气化以传统技术为主，工艺落后，环保设施不健全，煤炭利用效率低，污染严重。目前在国内较为成熟的仍然只是常压固定床气化技术。它广泛用于冶金、化工、建材、机械等工业行业和民用燃气，以UGI、水煤气两段炉、发生炉两段炉等固定床气化技术为主。常压固定床气化技术的优点是操作简单，投资小；但技术落后，能力和效率低，污染重，急需技术改造。如不改变现状，将影响经济、能源和环境的协调发展。近40年来，在国家的支持下，中国在研究与开发、消化引进技术方面进行了大量工作。我国先后从国外引进的煤气化技术多种多样。通过对煤气化引进技术的消化吸收，尤其是通过国家重点科技攻关，对引进装置进行技术改造并使之国产化，使我国煤气化技术的研究开发取得了重要进展。50年代末到70年代进行了仿K-T气化技术研究与开发；70年代中科院山西煤化所开发了灰熔聚流化床煤气化工艺并取得了专利；“九五”期间华东理工大学、兖矿鲁南化肥厂、中国天辰化学工程公司承担了国家重点科技攻关项目“新型(多喷嘴对置)水煤浆气化炉开发”(22吨煤/天装置)，中试装置的结果表明：有效气成分约83%，比相同条件下的Texaco生产装置高1.5～2个百分点；碳转化率98%，比Texaco高2～3个百分点；比煤耗、比氧耗均比Texaco降低7%。“十五”期间多喷嘴对置式水煤浆气化技术已进入商业示范阶段。“新型水煤浆气化技术”获“十五”国家高技术研究发展计划(863计划)立项，由兖矿集团有限公司、华东理工大学承担，在兖矿鲁南化肥厂建设多喷嘴对置式水煤浆气化炉及配套工程，利用两台日处理1150吨煤多喷嘴对置式水煤浆气化炉(4.0MPa)配套生产24万吨甲醇、联产71.8MW发电，总投资为16亿元。2国内煤气化技术简介煤气化是发展新型煤化工的重要单元技术，煤-电-化工联产是发展的重要方向。研究表明，煤气化技术在单元工艺，中间产物，目标产品等方面有很大的互补性。将不同的工艺进行优化组合实现多联产，并于尾气发电，废渣利用等形成综合联产，达到资源能源综合利用的目的，能有效地减少工程建设投资，降低生产成本，减少污染物或废物排放。3.国外煤气化技术的现状及发展趋势间歇固定床气化炉(UGI)固定床气化UGI炉：世界上第一台气化炉是德国于1882年设计的规范为200t/d的煤气发生炉，1913年在德国OPPAU建设第一套用炭制半水煤气的常压固定层造气炉，能力为300t/d，这种炉与后来演变成UGI炉。主要特点：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和燃料气。该技术是20世纪30年代开发成功的，设备容易制造、操作简单、投资少。但在日益重视规模化、环境保护和能源利用率的今天，其设备能力低、三废量大以及必须使用无烟块煤等缺点变得日益突出。Lurgi加压气化炉Lurgi加压气化炉：该技术是20世纪30年代由联邦德国鲁奇公司开发，是目前世界上建厂数量最多的煤气化技术，主要用于生产城市煤气和合成原料气。德国Lurgi加压气化炉压力位2.5-4.0MPa，气化反应温度800-900℃，固态排渣，以小块煤原料、蒸汽-氧连续送风制取中热值煤气。产品煤气经热回收和除油，含有约10%~12%的甲烷和不饱和烃，适宜作城市煤气，粗煤气经烃类分离和蒸汽转化后可作合成气。主要特点：固态排渣，适宜弱黏结性碎煤（5-50mm）；生产能力大；结构复杂，炉内设有破黏和煤分布器、炉箅等转动设备，制造和维修费用大；入炉煤必须为块煤，原料来源受限制；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。鲁奇改进（BGL）气化炉固定床气化BGL炉：由鲁奇公司和英国煤气公司联合开发，将固体燃料全部气化产生燃料气和合成气。其工作压力为2.5-3.0MPa，气化温度在1400-1600℃，超过了灰渣流动温度，灰渣呈液态形式排出。主要特点：与传统Lurgi炉相比，BGL炉结构简单，取消了转动炉箅，气化强度高，生产能力大，水蒸气耗量低，煤气热值提高，煤种适应性增强，碳转化率、气化效率和热效率均有提高，对环境的污染也减少，在当时受到了更广泛的重视。流化床气化流化床煤气化又称为沸腾床气化。其以小颗粒煤为气化