【正文】 甲醇?xì)饣に囋O(shè)計(jì)任務(wù)書專業(yè) 化學(xué)工程與工藝 班級 化工1 設(shè)計(jì)人 孟德東 一 設(shè)計(jì)題目題目三 年產(chǎn) 120 萬噸煤制甲醇?xì)饣に囋O(shè)計(jì)二 設(shè)計(jì)條件1 生產(chǎn)規(guī)模年產(chǎn) 120 萬噸甲醇，年開工日為330天，工作小時(shí)為24小時(shí)。2原料煤規(guī)格原料煤的元素分析為：C %；H % ；O %；N % ；S（可燃）%；S（不可燃）%； Cl/（mg/kg）229；F/（mg/kg）104；Na/（mg/kg）2180；K/（mg/kg）292 。3產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及粗甲醇組成本產(chǎn)品（精甲醇）執(zhí)行國家《GB338—92》標(biāo)準(zhǔn)，具體指標(biāo)見下表表1 甲醇《GB338—92》項(xiàng) 目指標(biāo)優(yōu)等品一等品合格品色度（鉑—鈷），號 ≤510密度（200C），g/cm3～～溫度范圍(0℃,101325Pa)，℃沸程（177。），℃ ≤高錳酸鉀試驗(yàn)，min ≥503020水溶性試驗(yàn)澄清水分含量，% ≤酸度（以HCOOH計(jì)），% ≤或堿度（以NH3計(jì)），% ≤羰基化合物含量（以CH2O計(jì)），% ≤蒸發(fā)殘?jiān)浚? ≤ 表2 粗甲醇組成組分百分比甲醇% 二甲醚%高級醇（以異丁醇計(jì)）%高級烷烴（以辛烷計(jì)）%水%粗甲醇100%年產(chǎn)83萬噸甲醇?xì)饣に囋O(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)概況 產(chǎn)品介紹煤氣化產(chǎn)物的有效組分是CO，H2 和CH4。通過調(diào)節(jié)其各自比例后廣泛地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的不同部門，包括合成氣、城市煤氣、工業(yè)用燃?xì)狻⒙?lián)合循環(huán)發(fā)電用燃?xì)饧耙苯鸸I(yè)還原氣等。如今，國內(nèi)外正在把煤化學(xué)發(fā)展成以煤炭氣化為基礎(chǔ)的碳化學(xué)工業(yè)，使煤化工由能源型逐漸轉(zhuǎn)向化工型。所以，煤氣化制合成氣 (主要成分為CO+H2)將成為目前主要發(fā)展方向。合成氣又稱化工原料氣，其除了作為氣體燃料使用外，另一個(gè)重要用途是作為化工合成原料，已展現(xiàn)出廣闊的前景。由于合成氣化工和碳化學(xué)技術(shù)的開發(fā)和發(fā)展，煤氣化制取合成氣，進(jìn)而直接合成各種化工產(chǎn)品的工藝已成為現(xiàn)代煤化工的基礎(chǔ)。 當(dāng)前國內(nèi)外進(jìn)行合成研究的重點(diǎn)包含以下三個(gè)方面：（1） 醇類：甲醇、乙醇、低碳混合醇、乙二醇；（2） 烴類：烷烴 (CH4)、烯烴、芳烴 (汽油、柴油)；（3） 酸類：醋酸。近來研究表明，大多數(shù)化工原料 (烷烴，烯烴，芳烴等)均可以用合成氣直接合成，而其一次產(chǎn)物 (如甲醇)又可進(jìn)一步合成更多不同產(chǎn)物。如下圖1所示。烴類 烯烴CO+H2（合成氣）甲烷NH3含氧化合物甲醇乙醇醋酸F－T油裂解催化劑羥基合成H2OH2/CO圖1－各種合成路線 在醇類合成過程中，甲醇占據(jù)著重要的地位，它既是重要的化工原料，又是重要的二次能源。能直接用CO+H2 合成的大部分產(chǎn)物，都可以通過甲醇間接制取，而且間接過程往往在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上更簡便，綜合考慮本裝置所生產(chǎn)的合成氣將被應(yīng)用于制取甲醇。在烴類合成中，甲烷合成作為從合成氣中脫出微量CO+CO2的手段已在合成氨等工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，現(xiàn)階段大規(guī)模制取高濃度甲烷的工藝已在美國實(shí)現(xiàn)工業(yè)性生產(chǎn)。我國為了提高城市煤氣的熱值也正在開發(fā)低熱值部分甲烷化。液態(tài)烴的合成，即費(fèi)－托合成工藝以合成氣為原料，烴類及其含氧化合物，是煤液化的主要方法之一。它是煤炭間接液化的基礎(chǔ)，其制取烯烴的直接液化過程目前還處于試驗(yàn)階段，并不成熟。醋酸的合成通常采用CH4和CO的羥基化法，用Rh－I2作催化劑。在我國，目前合成氣用量最大的是化肥工業(yè)，尤其是中小合成氨廠幾乎均采用水煤氣工藝，由煤制合成氣作為合成氨原料。因而，無論從近期或遠(yuǎn)景來看，煤炭氣化制合成氣都在我國化工工業(yè)發(fā)展以及能源安全保障中發(fā)揮著不可估量的作用。 簡要結(jié)論(1) 產(chǎn)品市場前景良好，符合國家能源發(fā)展戰(zhàn)略和國家產(chǎn)業(yè)政策；工藝技術(shù)先進(jìn)、成熟、可靠，能耗低，安全、衛(wèi)生、環(huán)保等各項(xiàng)措施完善、符合國家標(biāo)準(zhǔn)；(2) 從財(cái)務(wù)分析看，%，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率12%；(3) 敏感性分析表明本項(xiàng)目有較好的抗風(fēng)險(xiǎn)能力；(4) 增加地區(qū)和國家稅收、擴(kuò)大就業(yè)崗位，拉動(dòng)社會(huì)需求，促進(jìn)地區(qū)社會(huì)繁榮，社會(huì)效益良好，因此本項(xiàng)目是可行的。2 . 煤氣化工藝 煤氣化的應(yīng)用及重要性進(jìn)入21世紀(jì)，為了保護(hù)中國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，實(shí)施《京都議定書》減少燃煤對大氣的污染，必須大力發(fā)展?jié)崈裘杭夹g(shù)，煤炭氣化是最重要的應(yīng)用廣泛的潔凈煤技術(shù)，是發(fā)展現(xiàn)代煤化工最重要的單元技術(shù)，煤炭氣化可以生產(chǎn)工業(yè)燃料氣、民用燃料氣、化工合成原料氣、合成燃料油原料氣、氫燃料電池、煤氣聯(lián)合循環(huán)發(fā)電、合成天然氣和火箭燃料等。煤氣化技術(shù)廣泛應(yīng)用于化工、冶金、機(jī)械和建材等重要工業(yè)部門和城市煤氣的生產(chǎn)，目前中國擁有各種類型的煤氣爐約有9000臺(tái)，其中化工行業(yè)煤氣化爐約有4000臺(tái)，以固定床氣化爐為主。多數(shù)中小化肥廠和少數(shù)大型化肥廠以煤炭 (焦炭)為原料，通過煤氣化生產(chǎn)合成氨和甲醇，年耗原料煤4000多萬噸，合成氨產(chǎn)量占全國總產(chǎn)量的60%以上，為中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了充足的化肥。因此，煤氣化過去和今后在中國工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民生活中，特別是對現(xiàn)代煤化工和潔凈煤技術(shù)的發(fā)展占有十分重要的地位，是實(shí)現(xiàn)中國經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的主要技術(shù)手段之一。 煤氣化技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前世界正在應(yīng)用和開發(fā)的煤氣化技術(shù)有數(shù)十種之多，氣化爐型也是多種多樣，最有發(fā)展前途的有10余種，所有煤氣化技術(shù)都有一個(gè)共同的特征，即氣化爐內(nèi)煤炭在高溫條件下與氣化劑反應(yīng)，使固體煤炭轉(zhuǎn)化為氣體燃料，剩下的含灰殘?jiān)懦鰻t外。氣化劑為水蒸氣、純氧、空氣、CO2 和H2 。粗煤氣中主要成分有CO、COHCH4 、NH2O，還有少量硫化物、烴類和其他微量成分。各種煤氣的組成和熱值取決于煤的種類、氣化工藝、氣化壓力、氣化溫度和氣化劑組成。(1) 氣化壓力向高壓發(fā)展氣化壓力由常壓低壓 (﹤ MPa)向高壓 (－ MPa)氣化發(fā)展，從而提高氣化效率、硫轉(zhuǎn)化率和氣化爐能力，實(shí)現(xiàn)氣化裝置大型化和能量高效利用，降低合成氣的壓縮能耗或?qū)崿F(xiàn)等壓合成 (如甲醇低壓合成)降低生產(chǎn)成本。 MPa－ MPa，Shell氣化壓力為2－4 MPa。(2) 氣化爐能力向大型化發(fā)展 Texaco和Shell單臺(tái)氣化爐氣化煤量已達(dá)2000 t/d以上，prenflo氣化爐單臺(tái)氣化煤量已達(dá)2600 t/d 。大型化便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和優(yōu)化操作、降低能耗和操作費(fèi)用。(3) 氣化溫度向高溫發(fā)展 Texaco氣化溫度1400－1500 ℃，Shell氣化溫度高達(dá)1400－1700 ℃，流化床氣化溫度為1000－1200 ℃。氣化溫度高煤中有機(jī)物質(zhì)分解氣化，消除或減少環(huán)境污染，對煤種適應(yīng)性廣。(4) 不斷開發(fā)新的氣化技術(shù)和新型氣化爐 提高硫轉(zhuǎn)化率和煤氣質(zhì)量，降低建設(shè)投資。目前硫轉(zhuǎn)化率高達(dá)98%－99%，煤氣中含CO+H2 達(dá)到80%－90%。(5) 現(xiàn)代煤氣化技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用 如與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電組合的IGCC發(fā)電技術(shù)，高壓氣化 ( MPa)與低壓合成甲醇、二甲醚技術(shù)聯(lián)合實(shí)現(xiàn)等壓合成，省去合成氣壓縮機(jī)，使生產(chǎn)過程簡化、總能耗降低。(6) 煤氣化技術(shù)與先進(jìn)脫硫除塵技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好、減少污染。如在氣化爐內(nèi)加入脫硫劑(石灰石)，脫硫效率可達(dá)80%－90%。采用高效除塵器使煤氣中含塵降到1－2 mg/m3以下?？傊冗M(jìn)的流化床、氣流床煤氣化技術(shù)目前已成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)化和大型化，并不斷改進(jìn)和完善，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，是今后的主要發(fā)展方向。而固定床氣化技術(shù)特別是固定床間歇式氣化技術(shù)其氣化效率低、能耗高、污染大，隨著各氣化工藝的不斷發(fā)展將會(huì)被淘汰。 煤氣化技術(shù)在中國已有近百年的歷史，但仍然較落后和發(fā)展緩慢，就總體而言，中國煤氣化以傳統(tǒng)技術(shù)為主，工藝落后，環(huán)保設(shè)施不健全，煤炭利用效率低，污染嚴(yán)重。目前在國內(nèi)較為成熟的仍然只是常壓固定床氣化技術(shù)。它廣泛用于冶金、化工、建材、機(jī)械等工業(yè)行業(yè)和民用燃?xì)?，以UGI、水煤氣兩段爐、發(fā)生爐兩段爐等固定床氣化技術(shù)為主。常壓固定床氣化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是操作簡單，投資??；但技術(shù)落后，能力和效率低，污染重，急需技術(shù)改造。如不改變現(xiàn)狀，將影響經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展?！　〗?0年來，在國家的支持下，中國在研究與開發(fā)、消化引進(jìn)技術(shù)方面進(jìn)行了大量工作。我國先后從國外引進(jìn)的煤氣化技術(shù)多種多樣。通過對煤氣化引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，尤其是通過國家重點(diǎn)科技攻關(guān)，對引進(jìn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造并使之國產(chǎn)化，使我國煤氣化技術(shù)的研究開發(fā)取得了重要進(jìn)展。50年代末到70年代進(jìn)行了仿KT氣化技術(shù)研究與開發(fā)；70年代中科院山西煤化所開發(fā)了灰熔聚流化床煤氣化工藝并取得了專利；“九五”期間華東理工大學(xué)、兗礦魯南化肥廠、中國天辰化學(xué)工程公司承擔(dān)了國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“新型(多噴嘴對置)水煤漿氣化爐開發(fā)”(22噸煤/天裝置)，中試裝置的結(jié)果表明：有效氣成分約83%，～2個(gè)百分點(diǎn)；碳轉(zhuǎn)化率98%，比Texaco高2～3個(gè)百分點(diǎn)；比煤耗、比氧耗均比Texaco降低7%。 “十五”期間多噴嘴對置式水煤漿氣化技術(shù)已進(jìn)入商業(yè)示范階段?！靶滦退簼{氣化技術(shù)”獲“十五”國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)立項(xiàng)，由兗礦集團(tuán)有限公司、華東理工大學(xué)承擔(dān)，在兗礦魯南化肥廠建設(shè)多噴嘴對置式水煤漿氣化爐及配套工程，利用兩臺(tái)日處理1150噸煤多噴嘴對置式水煤漿氣化爐()配套生產(chǎn)24萬噸甲醇、總投資為16億元。 2國內(nèi)煤氣化技術(shù)簡介 煤氣化是發(fā)展新型煤化工的重要單元技術(shù)，煤電化工聯(lián)產(chǎn)是發(fā)展的重要方向。研究表明，煤氣化技術(shù)在單元工藝，中間產(chǎn)物，目標(biāo)產(chǎn)品等方面有很大的互補(bǔ)性。將不同的工藝進(jìn)行優(yōu)化組合實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)，并于尾氣發(fā)電，廢渣利用等形成綜合聯(lián)產(chǎn)，達(dá)到資源能源綜合利用的目的，能有效地減少工程建設(shè)投資，降低生產(chǎn)成本，減少污染物或廢物排放。 間歇固定床氣化爐( UGI) 固定床氣化 UGI爐：世界上第一臺(tái)氣化爐是德 國于1882年設(shè)計(jì)的規(guī)范為200t/d的 煤氣發(fā)生爐，1913年在德國 OPPAU建設(shè)第一套用炭制半水煤 氣的常壓固定層造氣爐，能力為 300t/d，這種爐與后來演變成UGI 爐。 主要特點(diǎn)：以塊狀無煙煤或焦炭 為原料，以空氣和水蒸氣為氣化劑， 在常壓下生產(chǎn)合成原料氣和燃料氣。 該技術(shù)是20世紀(jì)30年代開發(fā)成功 的，設(shè)備容易制造、操作簡單、投 資少。但在日益重視規(guī)?；h(huán)境 保護(hù)和能源利用率的今天，其設(shè)備 能力低、三廢量大以及必須使用無 煙塊煤等缺點(diǎn)變得日益突出。 Lurgi加壓氣化爐 Lurgi加壓氣化爐：該技術(shù)是20世紀(jì)30年代由聯(lián)邦德國魯奇 公司開發(fā)，是目前世界上建廠數(shù)量最多的煤氣化技術(shù)，主要用 于生產(chǎn)城市煤氣和合成原料氣。德國Lurgi加壓氣化爐壓力位 ，氣化反應(yīng)溫度800900 ℃，固態(tài)排渣，以小塊煤 原料、蒸汽氧連續(xù)送風(fēng)制取中熱值煤氣。產(chǎn)品煤氣經(jīng)熱回收 和除油，含有約10%~12%的甲烷和不飽和烴，適宜作城市煤氣， 粗煤氣經(jīng)烴類分離和蒸汽轉(zhuǎn)化后可作合成氣。 主要特點(diǎn)：固態(tài)排渣，適宜弱黏結(jié)性碎煤（550mm）；生 產(chǎn)能力大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐內(nèi)設(shè)有破黏和煤分布器、爐箅等轉(zhuǎn)動(dòng) 設(shè)備，制造和維修費(fèi)用大；入爐煤必須為塊煤，原料來源受限 制；出爐煤氣中含焦油、酚等，污水處理和煤氣凈化工藝復(fù)雜、 流程長、設(shè)備多，爐渣含碳5%左右。 魯奇改進(jìn)（BGL）氣化爐 固定床氣化BGL爐：由魯奇公司和英國煤 氣公司聯(lián)合開發(fā)，將固體燃料 全部氣化產(chǎn)生燃料氣和合成氣。 ，氣 化溫度在14001600 ℃，超過 了灰渣流動(dòng)溫度，灰渣呈液態(tài) 形式排出。 主要特點(diǎn)：與傳統(tǒng)Lurgi爐相比， BGL爐結(jié)構(gòu)簡單，取消了轉(zhuǎn)動(dòng) 爐箅，氣化強(qiáng)度高，生產(chǎn)能力 大，水蒸氣耗量低，煤氣熱值 提高，煤種適應(yīng)性增強(qiáng)，碳轉(zhuǎn) 化率、氣化效率和熱效率均有 提高，對環(huán)境的污染也減少， 在當(dāng)時(shí)受到了更廣泛的重視。 流化床氣化流化床煤氣化又稱為 沸騰床氣化。其以小顆 粒煤為氣化原料。這些 細(xì)煤在自下而上的氣化 劑作用下，保持著連續(xù) 不斷和無次序的沸騰和 懸浮狀態(tài)運(yùn)動(dòng)，迅速地 進(jìn)行著混合和熱交換， 其結(jié)果導(dǎo)致整個(gè)床層溫 度組成的均一。 高溫溫克勒氣化爐（HTW）溫克勒氣化爐是最早工業(yè)化的 流化床氣化爐， 主要特性：① 單爐生產(chǎn)能力可以達(dá)到 47000m3/h，較常壓移動(dòng)床氣 化爐要高得多； ② 對原煤要求不需篩分，備煤系 統(tǒng)簡單； ③ 操作溫度低，無運(yùn)動(dòng)部件、操 作維修簡單，運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高； ④氣化操作溫度低，帶出物和灰 渣中含碳量較高，因而碳利用 率不高，至今只有少數(shù)爐子在 運(yùn)行。 UGas氣化爐 UGas氣化爐是應(yīng)用灰團(tuán) 聚的原理，來進(jìn)行反應(yīng)和 排灰的。在這種氣化爐內(nèi)， 允許灰成分中熔點(diǎn)較低的 部分先熔化，黏結(jié)其他為 熔化的灰，并形成團(tuán)聚。 這種工藝的優(yōu)點(diǎn)是不需要 熔化所有的灰，對灰渣的 流動(dòng)性要求不高。這種氣 化爐的灰渣比純干式排灰 的灰渣對環(huán)境的污染小。 KelloggRust Westinghouse(KRW) 氣化爐KRW也是采用灰團(tuán)聚的流化 床氣化爐，其運(yùn)行狀況與UGas系統(tǒng)非常相似。二者主要 的差別在于底部排灰方式不同。 在KRW氣化爐中，煤，氧氣 （或空氣）一起從底部通過一 個(gè)噴嘴噴入反應(yīng)器。煤的裂解 和燃燒發(fā)生在底部噴嘴的附近。 產(chǎn)生的熱量迅速傳到整個(gè)床層。主要特點(diǎn)：對原煤的適應(yīng)性寬 廣，碳效率高、環(huán)境影響小， 爐內(nèi)無運(yùn)轉(zhuǎn)部件，操作簡便、 穩(wěn)定，操作彈性大。 氣流床氣化氣流床氣化是一支并流式氣化。 氣化劑（氧和蒸汽）將煤粉（70% 以上的煤粉通過200目篩）夾帶入 氣化爐。也可將煤粉制成煤漿，用 泵送入氣化爐。在氣化爐內(nèi)，煤炭 細(xì)粉粒與氣化劑經(jīng)特殊噴嘴進(jìn)入反 應(yīng)室，會(huì)在瞬間著火，