林德公司的合成气制造与提纯工艺

1 技术进展煤经甲醇制烯烃工艺主要由煤气化制合成气、合成气制取甲醇、甲醇制烯烃三项技术组成。煤经气化过程生成CO和H2(合成气)，然后合成甲醇，再借助类似催化裂化装置的流化床反应形式，生产低碳烯烃(乙烯和丙烯)。其中，为满足经济规模甲醇制烯烃装置所需的大型煤气化技术、百万吨级甲醇生产技术均成熟可靠，关键是甲醇制烯烃技术。目前，世界上具备商业转让条件的甲醇制烯烃技术的有美国环球油品公司和挪威Hydro公司共同开发的甲醇制低碳烯烃(MTO)工艺、德国Lurgi公司的甲醇制丙烯(MTP)工艺、中国科学院大连化学物理研究所的甲醇制低碳烯烃(DMTO)工艺。这三种工艺虽然还没有工业化装置运行，但经多年开发，已具备工业化条件。 1.1 气化技术 目前有代表性的工业化煤气化炉型有：固定床气化(Lurgi炉、BGL炉)；流化床气化(Win—kler炉、HTW炉、U-Gas炉、KRW炉和CFB气化炉)；气流床气化(KT炉、Texaco炉、Shell炉、Prenflo炉和GSP炉)。这三类气化炉各有特点。产业化程度以鲁奇(Lurgi)、德士古(Texa—co)最为成熟。鲁奇炉以弱粘结块煤为原料，冷煤气效率最高，但净化系统复杂(焦油处理)；德士古气化炉需以低灰、低灰熔点煤为原料，高温操作，虽气化强度和气体品质较高，但氧耗高、设备投资高；高温温克勒炉(Winkler／HTW)操作温度相对较低，且只适用于年青烟煤或褐煤。发达国家开发的高效洁净煤气化技术已实现商业化，例如Texaco气化技术的Tampa(日处理2000t煤，发电能力为250MW)；Shell气化技术的Buggenum(日处理2000t煤，发电能力250MW)；Kropp技术的Puertollano(日处理2600t煤与石油，发电能力300MW)。 1.2 甲醇合成技术 目前，世界上新建甲醇装置的规模不断加大，大多数已经增长到60万—80万t／a，最大的单系列甲醇装置已达180万t／a以上，更大规模的单系列甲醇装置也在开发当中。国外甲醇生产多采用低压法工艺，主要有Davy、Lurgi、Tops扣等方法，前两种被认为是当今较为先进的甲醇技术，约80%的甲醇装置采用这两种方法生产。其比较见表1。 此外，日本三菱瓦斯公司，德国林德公司和美国凯洛格公司等均开发了节能型低压生产甲醇工艺技术。 合成反应所需的催化剂一直是甲醇合成技术开发的核心。虽然实验室研究出了多种甲醇合成催化剂，但工业上使用的催化剂只有锌铬和铜基催化剂。锌铬(ZnO／Cr203)催化剂是一种高压固体催化剂，锌铬催化剂的活性较低，为获得较高的催化活性，反应需在350-450℃之间；为了获取较高的转化率，需在高压条件下操作，操作压力为25-35MPa，因此被称为高压催化剂。1966年以前世界上几乎所有的甲醇合成厂家都是使用该类催化剂，目前已逐渐被淘汰。 铜基催化剂是一种低压催化剂，其主要组分为CuO／ZnO／Al203，是由英国ICI公司和德国Lurgi公司先后研制成功的，该催化剂比锌铬催化剂的合成工艺温度低得多，对甲醇反应平衡有利。目前合成生产工艺路线主要采用铜基催化剂。 1.3 MTO技术 MTO是由合成气经过甲醇转化为低碳烯烃的工艺，国际上一些著名的石油和化学公司，如埃克森美孚公司(Exxon-Mobil)、巴斯夫公司(BASF)、环球石油公司(UOP)和海德鲁公司(NorskHydro)都投入大量资金和人员，进行了多年的研究。1995年，UOP与挪威NorskHydro公司合作建成一套甲醇加工能力0.75t／d的示范装置，连续运转90天，甲醇转化率接近100%，乙烯和丙烯的碳基质量收率达到80%。该工艺采用流化床反应器和再生器设计，反应热通过产生的蒸汽带出并回收，失活的催化剂被送到流化床再生器中烧炭再生，然后返回流化床反应器继续反应。在整个产物气流混合物分离之前，需要通过一个特制的进料气流换热器，其中大部分的水分和惰性物质被清除，然后气体产物经气液分离塔进一步脱水、碱洗塔脱CO2、干燥后进入产品回收段。该工段流经脱甲烷塔、脱乙烷塔、乙炔饱和塔、乙烯分离塔、丙烯分离塔、脱丙烷塔和脱丁烷塔。含氧化合物也在压缩工段中被除去。 据了解，该工艺除反应段(反应—再生系统)的热传递不同之外，其它都非常类似于炼油工业中成熟的催化裂化技术，且操作条件的苛刻度更低，技术风险处于可控之内。而其产品分离段与传统石脑油裂解制烯烃工艺类似，且产物组成更为简单，杂质种类和含量更少，更易实现产品的分离回收。UOP/Hydro的MTO工艺可以在比较宽的范围内调整反应产物中C=2与C=3烯烃的产出比，各生产商可根据市场需求生产适销对路的产品，以获取最大的收益。 UOP／Hydro公司SAPO-34催化剂具有适宜的内孔道结构尺寸和固体酸性强度，能够减少低碳烯烃齐聚，提高生成烯烃的选择性。UOP／Hydro公司在SAPO-34催化剂基础上开发了新型催化剂MTO-100，新型催化剂MTO-100可使乙烯、丙烯的选择性达到80%。 1998年建成投产采用UOP／Hydro工艺的200kt／a工业装置(按乙烯产出计)。目前，欧洲化学技术公司采用UOP／Hydro公司的MTO技术正在尼日利亚建设7500t／d生产装置(按原料甲醇计)，甲醇用作MTO装置进料，MTO装置乙烯和丙烯设计生产能力均为40万t／a，预计2007年建成投产。 中科院大连化物所在“八.五”期间完成了MTO中试，2005年由中科院大连化物所、陕西新兴煤化工科技发展有限责任公司和中国石化集团洛阳石化工程公司合作在陕西建设了生产规模以原料甲醇计为15000t／a的DMTO工业化试验装置。该装置2005年12月投料试车，2006年8月23日通过了国家级鉴定。经国家科技成果鉴定，认定此项目自主创新的工业化技术处于国际领先水平。在日处理甲醇50t的工业化试验装置上实现了近100%甲醇转化率，低碳烯烃(乙烯、丙烯、丁烯)选择性达90%以上。据陕西1省的有关报道，目前，由正大能源化工集团、陕西煤业化工集团、陕西省投资集团合资进行的年加工300万t甲醇及烯烃项目落户榆林，项目的前期工作已全面展开。试验装置的成功运转及下一步大型化DMTO工业装置的建设，对我国综合利用能源、拓展低碳烯烃原料的多样化具有重大的经济意义和战略意义。 1.4 MTP技术 MTP工艺由德国Lurgi公司在20世纪90年代开发成功。该工艺采用稳定的分子筛催化剂和固定床反应器，催化剂由南方化学(Sud-Chemie)公司提供。第一个反应器中甲醇转化为二甲醚，第二个反应器中转化为丙烯，反应—再生轮流切换操作。工艺流程与20世纪80年代在新西兰建成的甲醇制汽油装置基本一样，反应器的工业放大有成熟经验可以借鉴，技术基本成熟，工业化的风险很小。 2001年，鲁奇公司在挪威建设了MTP工艺的示范装置，为大型工业化设计取得了大量数据。2004年3月份，鲁奇公司与伊朗Fanavaran石化公司正式签署MTP技术转让合同，装置规模为10万t／a。鲁奇公司与伊朗石化技术研究院共同向伊朗Fanavaran石化公司提供基础设计、技术使用许可证和主要设备。该项目预计2009年建成投产，届时将成为世界上第1套MTP工业化生产装置。对于鲁奇公司MTP技术的可靠性和经济性，也有待于伊朗项目投产后的考查与验证。 鲁奇MTP技术特点是：较高的丙烯收率，专有的沸石催化剂，低磨损的固定床反应器，低结焦催化剂可降低再生循环次数，在反应温度下可以不连续再生。MTP技术所用催化剂的开发和工业化规模生产已由供应商完成。 Lurgi公司开发的MTP工艺，它与MTO不同之处除催化剂对丙烯有较高选择性外，反应器采用固定床而不是流化床，典型的产物体积组成：乙烯1.6%、丙烯71.0%、丙烷1.6%、C4／C58.5%、C+616.1%、焦炭

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