阮并玥

（山西省能源發展中心，山西 太原 030000）

引 言

      我國是煤炭生產和消費大國，據不完全統計，截止到2017年底，煤炭探明量已經達到1.67 萬億ｔ。在2019年，我國焦炭產量達到4.7億ｔ，主要將其用在冶金與煉鐵。通常情況下，每生產1ｔ焦炭可以產生400 ｍ^３～460 ｍ^３  的焦爐煤氣，同時煤炭行業每年能夠生產焦爐煤氣為900 億 ｍ^３。由此可以看出，焦爐煤氣產量十分可觀。經過分析發現，在焦爐煤氣中富含氫資源，當前部分焦爐煤氣經過循環進入焦爐當作燃料繼續燃燒，剩余的相當一部分焦爐煤氣被當作廢氣排放到大氣中，不僅造成能源的浪費，而且還污染空氣。因此，合理開發焦爐煤氣成為當前一個熱點研究問題。

１ 焦炭、焦爐煤氣制甲醇的工藝技術方案

      氣化煤氣制作甲醇工藝比較成熟，該氣體主要來源于甲醇原料氣體，其工藝流程為：當原料煤經過預處理變成水煤漿之后，其可以在氣化爐中與氧氣發生化學反應，進而產生粗合成氣。經過分析發現， 在粗合氣中 Ｈ：Ｃ 比例達到:6.5，因此需要將粗合氣進入水煤氣單元，將一定的 ＣＯ 轉化為 Ｈ_２ 同時生成 ＣＯ_２，最后經過凈化處理，可以消除氣體里面的酸性氣體，最終得到甲醇。在該工藝中將產生大量的ＣＯ_２，給凈化裝置帶來一定的負擔，需要消耗一定的能量。為此，筆者提出煤制甲醇工藝，能夠對焦炭與焦爐煤氣進行耦合處理，從而實現氫碳互補，進一步降低水煤氣的變化度，以及 ＣＯ_２  的生成量。該工藝共計劃分為７個單元：空分；加壓氣化；凈化；深冷分離；變壓吸附；甲烷部分氧化；甲醇合成。

      圖１表示相應的焦炭以及焦爐煤氣制甲醇工藝流程框圖，其采用軟件 ＡｓｐｅｎＰｌｕ 進行模擬，熱力學方法：ＳＲＫ；ＰＥＮＧ－ＲＯＢ。

圖１ 焦炭、焦爐煤氣制甲醇工藝流程框圖

1.1  空分單元

      空分單元是將混合氣體分離出來，將氧氣通入焦炭加壓氣化以及甲烷氧化過程。當原材料進入空氣塔之后，首先有效地清除混在空氣中的灰塵，緊接著能夠在離心壓縮機中壓縮 ， 使其壓強達到0.8 Ｍpa左右，隨后將凈化之后的部分空氣引入精餾塔中，另一路經過膨脹機在其中進行膨脹與冷卻后進入下塔，最終可以得到純度較高的氧氣，其含量可以達到99.6％以上。

1.2加壓氣化單元

      焦炭來源于煙煤高溫干餾工藝，以焦炭為原材料，氧氣以及二氧化碳為氣化劑，可以在氣化爐中產生粗合成氣。其中氣體中氫碳比在1.8～2.4范圍內。

圖２ 加壓氣化單元工藝流程圖

Ｃ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋Ｈ_２；ΔＨ ＝＋131.4ｋＪ／ｍｏｌ （1） 

Ｃ＋Ｏ_２→ＣＯ_２；ΔＨ ＝－409ｋＪ／ｍｏｌ      （2）

Ｃ＋0.5Ｏ２→ＣＯ；ΔＨ ＝－123ｋＪ／ｍｏｌ     （3）

Ｃ＋ＣＯ_２→２ＣＯ；ΔＨ ＝＋172.6ｋＪ／ｍｏｌ    （4）

Ｃ＋２Ｈ_２→ＣＨ_４；ΔＨ ＝－75ｋＪ／ｍｏｌ       （5）

經過分析發現，回收的 ＣＯ_２  能夠有效地降低原材料的消耗，與此同時，起到調節溫度的作用。

1.3凈化單元

      在實際生產中，粗合成氣與焦爐煤氣在流經凈化單元后，可將其攜帶的二氧化碳和硫化物脫除，最終得到所需的凈化合成氣與焦爐煤氣。其中，脫除的硫化物會流入克勞斯回收硫的單元，而脫除的大部分二氧化碳，部分會流入焦炭加壓氣化單元，作為氣化劑來供氣化爐使用，實現了變廢為寶，減少原材料消耗的目的；為了避免二氧化碳直接排入空氣中， 對大氣候環境造成影響，剩余的二氧化碳回收單元回收。

1.4 深冷分離單元

      深冷分離單元主要借助機械的方式把氣體進行壓縮，當氣體經過冷卻處理后，采用蒸餾的方式將氣體分流。分離之后的氣體進入甲烷部分氧化單元， 進而合成甲醇。

1.5變壓吸附單元

      經過分析發現，粗焦爐煤氣包括如下幾種氣體：Ｈ_２、ＣＨ_４、ＣＯ、Ｎ_２、ＣＯ_２  等。這些氣體先流經凈化單元進行凈化后，再經吸附單元進行分離，最終可得到甲烷氣體和氫氣氣體。當吸附床達到最高壓力時，可把被分離后的氣體混合物通入吸附床，這時吸附劑會選擇性吸收部分強吸附組分，而弱吸附組分會在吸附床的另一端排出。此外，對氣體進行減壓解析，進而能夠實現回收吸附劑的作用。當處于變壓吸附的情況下，能夠有效地將焦爐煤氣中的混合氣體進行分離，使氫氣的濃度達到為99.99％，進入下一單元。

1.6甲烷部分氧化單元

      溫和條件下，部分氧化能夠有效地推動甲烷轉化，其反應條件為：壓強為1.5 ＭＰａ～３ ＭＰａ，其中部分氧化化學式如式（６）～式（11）。

ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ；ΔＨ＝－803ｋＪ／ｍｏｌ （６） 

ＣＨ_４＋３／２Ｏ_２→ＣＯ＋２Ｈ_２Ｏ；ΔＨ＝－519ｋＪ／ｍｏｌ（７） 

ＣＨ_４＋Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２；ΔＨ＝－319ｋＪ／ｍｏｌ   （８） 

ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２；ΔＨ ＝＋206ｋＪ／ｍｏｌ （９）

ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２；ΔＨ＝＋247ｋＪ／ｍｏｌ（10）

ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２；ΔＨ＝－41.2ｋＪ／ｍｏｌ（11）

部分氧化單元經過反應合成氣中，氫碳比在1.5～２的范圍內。

1.7甲醇合成單元

      本單元主要為合成氣體發生化學反應，進而產生甲醇。經過實踐發現，甲醇合成成熟的工藝為：高壓法和中低壓法。其中，高壓法合成甲醇時，所采用的催化劑為鋅、鉻，其在高溫高壓環境中合成甲醇。對于低壓法而言，其采用的催化劑為高活性銅基，反應條件為5Ｍpa。經過對工程探究發現選擇高壓法比較理想，在合成塔中發生化學反應的條件為：25ＭＰａ、400℃，由此選用鋅、鉻作為催化劑。

２ 成本分析

      經過對該公司統計發現，生產設備凈殘值率達到５％，相應的折舊率年限為10年。一般情況下，固定資產折舊也是按照年限計算。對于維修費而言，需要按照固定資產的５％ 計算，成本分布如圖３ 所示。

圖３ 原料及公用工程費用成本分布

      筆者選擇某焦炭公司使用的原料以及相應的工程造價為例，焦炭、焦爐煤氣、冷卻水、工藝軟水、污水處理、工業用電、動力煤價格分別為：2000元／ｔ、 0.5元／標立、0.2元／ｔ、10元／ｔ、５ 元／ｔ、0.7 元／度、400元／ｔ。通過分析圖３可以發現，焦炭以及焦爐煤氣來源于甲醇裝置原材料以及相應的輔助材料，焦爐煤氣所占的比例較大，所占的成本占到51％，其次，焦炭所占成本的33％。對于輔助材料而言，吸附劑占到成本費用為６％，催化劑鋅、鉻占到成本費用為６％。

      圖４與圖５ 表示焦炭、焦爐煤氣制甲醇裝置的工程費用分布以及生產裝置投資成本分布。通過分析圖４、圖５，在構建新的工藝裝置系統時所占的工程費用為22％，而相應的產外工程在總成費用中達到３％，而工藝裝置在總費用中所占的費用為75％，在裝置方面，甲醇合成環節占總成本的65％。因此，甲醇生產環節比較合理，該工藝最大限度地降低了原利用低的材料。

圖４ 生產裝置投資成本分布

圖５ 工程費用分布

      通過分析圖６ 發現，生產成本在該工藝中占比最大達到90％，其次是管理費用，在總成本中占比達到４％ ，涉及管理人員的薪酬、資產折舊，最后財務費用以及營業費用，占比達到３％。由此可見該工藝中生產成本產比最大，其次主要是管理費用，該工藝的成本分布相對較合理，這種成本分布有助于降低焦炭與焦爐煤氣制甲醇成本消耗，提高生產效益。

圖６ 總成本分布

３ 結語

１）在實施工藝的過程中，以焦炭與焦爐為原材料，主要涉及如下幾個環節：空氣空分制氧氣、加壓氣化、凈化、深冷分離、變壓吸附、甲烷部分氧化，最終可以制作成為甲醇產品。

２）在制作合成氣碳氫互補時，選用價格低的焦炭和焦爐，將凈化之后的二氧化碳循環到加壓氣化單元中，實現資源的重復利用，更好地實現經濟效益。

３）該工藝制作合成氣具有彈性，隨著市場的變化進行有效的調整，當焦炭價格比較高時，參與的原材料可以選用焦爐煤氣。當焦炭價格走低時，參與的原材料可以選用焦炭。

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