摘 要

发展煤化工的目的是使资源高效利用、提高经济效益、保护环境，尤其发展煤制油、煤制天然气、煤制烯烃等新型煤化工是转变我国能源发展方式、保障能源安全、优化煤炭消费结构和建设煤炭强国的需要。这对我国整个能源结构优化和提高人民生活水平有重大意义

本文主要对煤气化制甲醇工艺中所涉及的工艺技术进行研究与分析，包括煤种选择与预处理，煤气化技术，煤气净化技术，甲醇合成技术，详细探究了煤化工制甲醇工艺流程和技术要求。在此过程中，我们通过GSP粉煤气化技术对煤粉气化，利用低温甲醇净化工艺对煤气处理，再经过Lurgi甲醇合成工艺设计了年产120万吨甲醇生产线，并对生产过程中的各设备的规格参数和甲醇精馏塔设计进行了详细的计算，并绘制了反应器和精馏塔的装备图，生产工艺流程图和平面布置图。

关键词：煤气化、低温甲醇洗、煤净化、鲁奇工艺

Abstract

The purpose of the development of coal chemical industry is to make efficient utilization of resources, improve the economic benefit, environmental protection, especially the development of coal, coal gas, coal to olefin new coal chemical industry is the transformation of the mode of energy development in China, such as energy security, optimizing the structure of coal consumption and the needs of the construction of coal power. This is of great significance to the optimization of China's overall energy structure and the improvement of people's living standards.

This article mainly on coal gasification methanol synthesis process involved in technology research and analysis, including the selection and pretreatment of coal, coal gasification technology, gas purification, methanol synthesis technology, explores the coal chemical industry in detail the methanol synthesis process and technical requirements. In this process, we through the GSP pulverized coal gasification technology of pulverized coal gasification, using the rectisol process of gas processing, repass pidec in methanol production line, the annual output of 1.2 million tons of methanol synthesis process design and the specification of each equipment in the process of production design has carried on the detailed calculation and methanol rectification tower, diagram and draw the reactor and distillation equipment, production process flow diagram and plane layout.

Key words:coal gasification,rectisol,coal gas purification,Lurgi process

目录

摘要 I

Abstract II

第 1 章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2煤气化技术 1

1.2.1煤质的选择 1

1.2.2气流床气化技术特点要求 1

1.2.3 GSP粉煤气化技术 2

1.3低温甲醇洗法脱硫工艺 2

1.4 本设计的设计思路和设计内容 3

第2章 甲醇的合成工艺 5

2.1 工艺流程 5

2.2 Lurgi工艺优点 6

2.3 甲醇合成反应过程物料衡算 6

2.3.1 数据假设 6

2.3.2 计算依据 6

2.3.3 100m³入塔气合成甲醇量计算 6

2.3.4 100 m³ 入塔气生产甲醇量精确计算 9

详细计算如下： 9

2.3.5 年产 120 万吨甲醇衡算 16

2.4热量衡算 20

2.4.1数据假定和计算思路 20

2.4.2反应器 21

2.4.1换热器 23

2.4.2水冷器 23

2.5甲醇合成反应器的设计 23

2.5.1合成反应器列管参数选择 23

2.5.2合成反应器传热面积计算 24

2.5.3合成反应器筒体直径计算 24

2.5.4合成反应器筒体壁厚计算 25

2.5.5筒体水压应力校核 26

2.5.6合成反应器封头设计 26

2.5.7合成反应器封头水压应力校核 26

2.5.8裙座设计 27

2.5.10合成塔高度确定 28

2.6合成气进塔换热器设计 28

2.7水冷器选型 29

2.8分离器设计 30

第 3 章 精馏塔设计 34

3.1精馏塔参数确定 34

3.1.1进料热状态 34

3.1.2回流比的确定 34

3.2塔板数计算 34

3.2.1轻质组分衡算 34

3.2.2精馏塔平均挥发度的确定 34

3.2.3精馏塔理论板数的确定 36

3.2.4精馏塔实际塔板数的确定 37

3.3精馏塔中各项物性数据的确定 37

3.3.1操作压强 38

3.3.2各段气液组成 38

3.3.3各段平均分子量 38

3.3.4各段平均密度 39

3.3.5气液相流量 39

3.3.6各段表面张力计算 39

3.4精馏塔参数的确定 39

3.4.1精馏塔直径的确定 39

3.4.2精馏塔塔高的确定 40

3.5精馏塔塔板参数的确定 40

3.5.1 溢流装置的选型 40

3.5.2溢流堰堰长的确定 40

3.5.3溢流堰堰高的确定 41

3.5.4降液管宽度和面积的确定 41

3.5.5降液管底隙高度的确定 42

3.6塔板工艺参数的确定 43

3.6.1塔板参数的选择 43

3.6.2塔板边缘区域宽度确定 43

3.6.3板上开孔区面积的计算 43

3.7精馏塔流体力学校核 44

3.7.1精馏塔压降计算 44

3.7.2液泛 44

3.7.3 雾沫夹带计算 45

3.8精馏塔壁厚的确定 45

3.9精馏塔接管尺寸的确定 46

3.9.1进料管 46

3.9.2残釜液出料管 46

3.9.3回流液管 46

3.9.4塔顶蒸汽出料管 47

3.9.5塔釜蒸汽进料管 47

第4章甲醇装置工艺流程模拟 48

4.1 Aspen Plus系统建模 48

4.2 Aspen Plus模块参数 49

4.3 Aspen Plus模拟验证 50

4.4本章小结 50

第 5 章 甲醇生产安全备忘录 51

5.1甲醇危害及防范 51

5.1.1甲醇性质 51

5.1.2健康危害 51

5.1.3急救措施 51

5.1.4泄露紧急处理 51

5.2一氧化碳危害及防范 51

5.2.1一氧化碳性质 51

5.2.2健康危害 52

5.2.3急救措施 52

第 6 章 总结与展望 53

致谢 55

第 1 章 绪论

引言

我国持续较大的能源需求与以煤为主的能源结构决定了我们进行可持续发展与节能减排的出路在于清洁高效的使用煤炭资源。中国是世界煤炭生产和消费大国，我国能源的基本结构是“富煤、贫油、少气”，我国以煤为主的能源格局难以在短时间内改变，煤炭仍是我国的主体能源。由于煤的直接燃烧既造成环境污染，同时这种低效率的利用资源也造成我国煤炭资源的浪费，积极发展煤化工技术，可解决我国油气资源短缺的问题，满足经济发展的需求，对我国经济的可持续发展有重要意义^[1]。

随着中国现代化进程的加快，我国油气短缺的问题愈加严峻，其中超过半数的石油依赖进口，天然气的短缺更为严重，这势必减缓中国社会工业化、城市化的进程。但我国的西北和东北（内蒙古东部）地区煤炭储量巨大，煤质优渥。但这些地区一般地广人稀，交通能力有限，距离能源的最终用户较远。因此，煤化工对这些地区的经济发展具有深远的意义^[2]。

1.2煤气化技术

1.2.1煤质的选择

煤气化技术在实际应用到工业化过程中，要经过多年的实践和经验的积累，煤种不同，所适用的气化技术也不同，这决定了在选择煤气化工艺时，需谨慎考虑煤质的影响。中国作为一个煤炭大国，煤炭资源丰富，煤种齐全，选择合适的煤气化技术尤为重要。

1.2.2气流床气化技术特点要求

气流床气化是煤炭气化的一种重要形式。原料煤粉状入炉，煤粉和气化剂经烧嘴或燃烧器一起夹带、并流进入气化炉，在炉内充分混合，燃烧和气化反应。

气流床气化技术特点：

①粉煤进料：煤粉经过气化提高煤比表面积，进而提高反应速率，使气化炉的碳转化率和生产能力得到提高。

②高温气化：气化反应温度可达到2000℃使得炉内碳转化率极高，生产过程合成气化显热可锅炉回收，用于制蒸汽。

③液态排渣：气化过程中，灰分气流结团以熔融状态沿炉壁下滑，排出气化炉。固要求煤质灰熔点低于气化炉操作温度。

煤种选择要求：

（1）所选煤种的灰熔点要求在1400℃以下；

（2）煤种含水量要尽量降低，要求小于2%

（4）灰分一般低于 30%，这样对后续排渣和黑水处理过程有利；

（5）可采用配煤或添加助溶剂有效降低煤种的灰熔点和灰黏度，以适应生产需求^[4]。

1.2.3 GSP粉煤气化技术

GSP煤气化技术是将合适的干粉煤向下喷入气化炉中，气化炉由两大部分组成，分别为气化室和激冷室。用冷却格栅做水冷壁的炉内壁，效果好用，结构简单。水冷壁上焊接抓钉，内壁涂SiC耐火材料，运行时，炉内温度达到一定程度，溶渣在水冷壁形成固态保护层，其厚度随炉内温度变化而变化，达到“以渣抗渣”的效果^[5]。

烧嘴作为物流的通道，是物流进入气化炉的进口。烧嘴由生产烧嘴和点火烧嘴两部分组成，其中，点火烧嘴在工作过程中保持燃烧状态，保证气化炉内反应持续进行，不会熄灭。

GSP 粉煤气化技术特点：

（1）煤种粒度要求在 250～500μm之间，灰熔点在 1100～1500℃、灰分在 1%～20%（质量分数）。

（2）水冷壁结构。炉内采用水冷壁结构，结构简单，效果好用，可保证气化炉长时间运行。

（3）喷嘴处温度可以达到 1800～2200℃，煤料在此处反应时间约为10s,生产周期短，产量大。生成有效气体（一般指CO和H₂）含量高，碳转化率高。

（4）原料粉煤经炉顶部喷嘴进入气化炉，炉中采用四层喷料结构，每层用水来冷却。粉煤和气化剂通过旋转方式送入炉内，保证煤粉的充分气化。

（5）点火后炉内温度快速上升，可通过全自动开车启动。气化炉中激冷室的设计，让高温煤气在激冷室被激冷到约 200℃，达到后面合成工艺要求。

1.3低温甲醇洗法脱硫工艺

低温甲醇洗是20世纪50年代开发的脱除原料气中酸性气体的方法。其原理是典型的物理吸收过程。通过不同温度下气态烃在甲醇中溶解度的变化将其进行吸收分离。因甲醇对酸性气体选择性随温度降低而提高，固该法叫低温甲醇洗技术^[2]。

在煤气化生产过程中，因为煤粉中S的存在，除了得到CO和H₂外，还会得到各种有机硫化物和H₂S气体。煤气中的硫化物会腐蚀生产设备和管道，对后续的合成反应非常不利。固在任何煤化工技术中，脱硫工艺显得尤为重要。同时在煤化工脱硫过程中，不仅仅是提高了煤产品的质量，也可将脱硫过程的硫资源有效利用，符合国家资源有效利用的规定，同时也减少了对环境的危害。