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煤制甲醇生产工艺的优化与设计

0、引言

煤是最常用的化石能源之一，尤其是在提供能源供应(供暖、电力)

和家庭烹饪等力一面，此外，还为钢铁生产、煤化工产品等提供动力

和原料。然而，自石油引进以来，煤炭逐渐退出燃料运输和化学品的

使用队列。目前在国外，煤炭主要用于发电厂的电力生产。从美国煤

炭管理协会(EIA)得到的数据来看，仍有约30%的能源电力生产来自于

煤炭。在中国，情况是不一样的。中国煤炭资源储备丰富，石油和天

然气资源匾乏，很多化工产品的原料主要来自煤炭，中国目前己经成

为世界顶级煤炭生产者和消费者。根据环评数据显示，2014年，中国

煤炭产量为38.4亿t/a。超过75%的电力由燃煤提供，煤炭提供的能

源占主导地位。煤炭除了作为发电厂的燃料之外，还广泛用于家庭和

工业的加热等。近十年来，清洁煤技术蓬勃发展标志着一些大型煤炭

转化在中国逐步扩展，煤炭制备甲醇技术便是其中的一种。

1、我国采用煤制甲醇技术的必要性分析

煤炭含有丰富的碳元素，产生相同的能量时会比天然气和石油排

放更多的二氧化碳。二氧化碳的捕集对于燃煤的火力发电厂来说，价

格十分昂贵。所以，在此情况下煤气化技术应运而生。通过气化转化

煤的好处在于，在气化过程中捕获二氧化碳，大大降低了燃煤之后捕

集的成本。在煤气化当中，甲醇的生产制备是重要的环节。甲醇是最

小的醇类物质，与其他醇类相比，甲醇没有c-c键，在大气环境条件

下是稳定的液体。甲醇很容易由天然气、煤或任何含碳物质在铜基催

化剂上得到的合成气材料。甲醇也可以很容易地分解成合成气或重整

成氧气，所以，除了作为广泛使用的化工产品，甲醇也是优秀的能源

载体。与费托合成相比，煤炭转化通过甲醇平台在适应燃料和化学品

方面更加灵活，可以适用于不同地区的需求。从燃煤电厂尾部捕获的

二氧化碳，也可作为合成甲醇的碳源与电解水产生的氧气联合制备甲

醇。我国很多大型的能源集团在甲醇制备领域进行了工程示范。例如，

神华集团率先实现了煤制甲醇(60万t/a)的商业化，首个直接煤制甲醇

MTO厂100万t/a在内蒙古包头建设完成，我国最大的间接煤制甲醇

厂(400万r/a)在宁夏建设成功。其他煤炭转换技术也在我国实现商业

化，如，煤炭合成天然气(SNU)、煤制汽油、煤制二甲醚(DME)等煤

转乙二醇。正在示范和建设的技术还有煤转化为芳烃和聚甲醛二甲醚

(DMMn)。

2、煤制甲醇项目工艺设计及研究进展

工业化合成甲醇工艺为氧(H)和一氧化碳(CO)，以及少量的二氧

2

化碳(C0)合成甲醇。反应采用锌铬(Zn-Cr)作催化剂在苛刻的条件

2

(30Mpa、35MPa,300-400℃)下进行反应，整个反应如式(1)一式(3)所示。

甲醇的合成是可逆的，为了能够减少甲醇在合成时的副反应，也

为了提高甲醇的产出率，在整个反应中要掌握好温度。甲醇的合成反

应通常都是在低温和低压下进行的，所有反应的耗能很低，速度也很

慢，因此，催化剂是掌控耗能和速度的关键要素。用来合成甲醇原料

气体氧气和一氧化碳气体的配比是2∶1。一旦CO气体的含量过高就

不利于对温度的控制，同时还会导致部分沉淀物沉淀在催化剂上从而

影响催化剂的使用效果，严重的话还会导致催化剂失活。所以通常是

要把氧气的通入量设置为过量方可。鉴于此，帝国理工大学的研究者

Katalco从20世纪60年代就开始开发了使用铜件辛的甲醇合成催化剂

(Cu/Zn0)，在低压((5MPa)和相对温和的温度(200-300℃)下进行反应。

此后，铜基甲醇催化剂(Cu/Zn0/AlO)在工业基础上占据甲醇合成的主

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导地位。近年来，国内外研究人员对铜基催化合成甲醇的开发与研究

仍然非常活跃。在煤制甲醇的过程中，合成气是从煤和天然气中分离

出来的水通过气化过程巨如式(4)得到。通常生产的合成气具有较低的

氧碳比，这对于直接甲醇合成来说，最大的限制在于用于合成的氧气

生产效率并不高。

所以，目前常采用水煤气变换技术(WUS)，用于调整适合甲醇合成的

H2/CO比例。二氧化碳和硫磺在之后的步骤中被去除以确保硫和其他

污染物在PPB级别内。除煤气化法外，合成气也可以来自天然气、焦

炉煤气和氨合成装置，之后按照上述程序制备甲醇。与氨工厂联合生

产甲醇因此被提出，合