夹点技术在煤气化制甲醇工艺中的应用

2020-01-13田希源兖矿国宏化工有限责任公司山东邹城273500

化工管理 2020年14期

田希源（兖矿国宏化工有限责任公司，山东邹城273500）

0 引言

为更好实现煤气化制甲醇期间的节能节水目标，推进社会可持续发展进程，需采用更加可靠的夹点技术，对当前生产工艺进行分析与优化，预测生产期间的能耗目标值，制定出煤气化制甲醇环节能耗量管控机制，从根本上控制煤气化制甲醇工艺实施过程中的资源消耗量，更好实现甲醇生产的经济效益、生态效益最大化目标。

1 夹点技术的理论分析

夹点理念首次提出于20 世纪70 年代末，当时主要为解决换热器网络中的温度夹点问题，指出通过控制夹点能够更好提升换热网络运行期间的最大热回收量[1]。从广义上来讲，夹点技术就是应用热阱系统，向公用工程输入热量，不会产生其他热量流出。应用热源系统，在公用工程冷却过程中带走热量，不会产生其他热量的流入。

为确保夹点技术能够充分发挥出其应有作用，需对夹点设计环节进行不断优化。要求在夹点之上避免设置冷却器，夹点之下避免设置加热器，不可出现跨越夹点加热的情况。

2 煤气化制甲醇工艺夹点设置

2.1 煤气化制甲醇工艺

随着社会发展进程的不断加快，各类能源消耗量增大，为更好解决能源紧张问题，可运用甲醇替代其他燃料，控制燃料燃烧期间的废弃物排放量，从根本上保障周边生态环境。煤气化制甲醇是当前甲醇生产的重要方式，在实际生产期间需经历煤气化、渣水处理、变换热回收、低温甲醇洗、甲醇合成与甲醇精馏等环节。

2.2 不同环节夹点的应用

在煤气化制甲醇的渣水处理环节应用夹点技术，使渣水处理能源利用率不断提升[2]。具体来说，渣水处理主要就是将气化环节输送来的黑水进行闪蒸处理，借助真空过滤装置使溶渣与水分离，将经过处理后的灰水循环使用，从根本上提升煤气化制甲醇工艺生产期间的水资源利用率。结合渣水处理要点，明确夹点阙值情况，将夹点的目标值与设计值控制在实际范围之内。

在变换热回收环节应用夹点技术，主要就是将水煤气进入到变换炉后，使水煤气内部一氧化碳与水蒸气在催化剂的作用下发生变换反应，生成氢气与二氧化碳，调整反应原料内的气体氢碳比。利用夹点技术吸收水气内的热量，使粗煤气降低到40℃，送至到低温甲醇洗工序中。在变换热回收单元内，仅需冷却公共工程，因此变换期间的目标值与设计值均应控制在5.5MW 范围之内。在变换热回收单元产生蒸汽或与循环水冷却期间，也应进一步提升废热资源利用率，确保转换期间能够产生更多的中压蒸汽以及低压蒸汽，控制循环水的用量。

在低温甲醇洗过程中设置夹点，主要就是清除粗煤气内硫化氢等有害气体，将煤气进行净化，更好满足甲醇后期合成要求。在低温甲醇洗环节内，单元低温物流较多，在冷公用工程内需采用成本较大的丙烯制冷方式，因此为从根本上提升煤气化制甲醇生产期间的经济效益，需将低温甲醇洗的最小热传温差控制在5℃之内，要求冷热物流复合曲线的夹点温度为102.5℃。

在对夹点结果进行分析中发现，传统煤气化制甲醇工艺内的换热网络存在跨越夹点传热的现象，依照夹点技术应用原则，发现跨越夹点的传输方式会使加热公共工程与冷却公共工程的消耗量增加，需注重控制最小公共工程用量，避免完全禁止能量穿越夹点导致换热器数量增多，操作流程复杂，生产成本难以管控等问题发生。

在甲醇合成以及精馏环节中涉及夹点，切实提升甲醇合成与精馏期间的能源利用率。甲醇合成主要就是将净化合成后气体输入到合成装置进行合成反应，形成粗甲醇[3]。通过精馏塔去除粗甲醇内的杂质，从而获得高质量甲醇产品。将夹点最小传送温差设置在10℃，发现甲醇合成与精馏环节的冷热物流负荷曲线夹点温度为78.6℃。

由此可见，在甲醇合成以及精馏环节内存在以下问题：第一，跨越夹点传热。对甲醇合成塔入塔后的气体温度与出塔合成气体温度进行换热；第二，在夹点之上应用了冷却公用工程。气体出塔合成与入塔合成转换热后，温度仍然高于夹点温度，但应用了循环冷却水冷却，导致甲醇冷凝期间的热力资源被额外消耗。因此为提升甲醇合成期间的资源利用率，需合理应用甲醇冷凝潜热。

依照夹点设计原则，在跨越夹点传热以及夹点上应用冷却公用工程，会导致工程实施期间的能耗量增加，因此需结合煤气化装置的工艺生产要求，对甲醇合成期间的控制方式进行不断改进与优化。

2.3 煤气化制甲醇工艺的整合

在煤气化制甲醇工艺应用期间，涉及到多个单元的工艺。现阶段在各工段环节的优化过程中，只局限在考虑本工段能量平衡方面，对于各工段之间可用于热量交换的物流研究较少，为更好满足甲醇生产期间部分物质的冷却要求，需采用增加冷却工用工程的方式，导致生产期间的热量流失严重；同样，部分应要加热的物质也需通过加热公共系统获取足够的热量，致使煤气化制甲醇工艺实际应用期间的能量损失巨大。

为从根本上提升煤气化制甲醇生产期间的能源利用率，对周边生态温度造成的不利影响，需将煤气化制甲醇生产环节整合在一起，对生产过程中的能源潜力进行挖掘，进行最优化夹点设计，使各单元的能源消耗量得到有效控制[4]。结合当前煤气化制甲醇生产要求，将生产环节各单元的最小温度差统一控制在10℃，使加热供应工程与冷却供应工程的节能潜力得到最大限度发挥。

3 夹点技术在煤气化制甲醇工艺中应用的效果分析

以某生产企业蒸馏装置的能耗量为例，该蒸馏装置运行期限的能耗约占25%，蒸馏装置长期处于低负荷运行状态，导致生产过程中的原料消耗量增加，难以实现企业生产经营期间经济效益最大化目标，使企业发展到达瓶颈阶段[5]。而将夹点技术应用在煤气化制甲醇生产的蒸馏装置内，将换热温度提升到294℃，使蒸馏加热能力进一步增长，原材料用量不断降低。

同时，在煤气化制甲醇环节内高效应用夹点技术也可提升甲醇生产期间的速率，帮助相关管理部门分析甲醇生产存在的不合理问题，针对此些问题提出相应的解决方案，煤气化制甲醇生产环节的节能潜力得到充分发挥。切实提升夹点技术研究力度，分析夹点技术在实际应用期间的改进重点，使夹点技术在解决社会能源紧张问题、促进国民经济稳定发展中发挥出重要作用。