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    煤直接制乙醇技术的应用前景分析.pdf

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    煤直接制乙醇技术的应用前景分析.pdf

    段中华等煤直接制乙醇技术的应用前景分析 3 煤直接制乙醇技术的应用前景分析 段中华 张洪伟中国五环工程有限公司武汉430223 摘要 从当前国内外乙醇工业的发展现状出发,着重分析与论述基于煤气化的合成气直接制乙醇技术, 并对其在未来发展与应用的前景进行分析和论述。 关键词煤气化合成气乙醇技术 随着国际油价的不断攀升,煤气化技术不断 成熟,世界人口对粮食需求量不断增长,煤直接 制乙醇技术应用已迫在眉睫。 我国能源结构富煤、缺油、少气,在能源结 构中,煤炭占68.7%煤炭消费量中电力用煤约 占50%,石油占18%,天然气占3.4%,可再生 能源占9.9%,而世界平均能源结构中,煤炭占 28.4%,石油占35.8%,天然气占23.7%,可再 生能源占12.1%。这一方面说明经济的发展对能 源消费、外延式发展的依赖很强,另一方面说明 化石能源,尤其是煤炭消费比重过大。随着近年 来国际石油价格的攀升,让我们清晰地认识到, 立足于我国能源结构的基本国情,走出一条以煤 为基础的清洁能源发展之路势在必行。 近十年来我国煤化工迅猛发展。在煤化工项 目中,继煤制油、煤制天然气、煤制烯烃、煤制 乙二醇之后,笔者在这里要论述的是煤化工行业 的又一新方向煤直接制乙醇。乙醇作为基本 的化工原料,广泛应用于化工、食品、饮料工业、 军工、日用化工及医药卫生等领域,同时又可以 作为一种清洁的绿色能源广泛用于交通运输行业。 1 乙醇生产工艺 生产乙醇有两种方法发酵法和合成法。 发酵法是用淀粉或糖基原料如甜菜、废糖 蜜、水果、葡萄酒、谷物等进行生产。发酵法 分为两种工艺,即湿磨和干磨,二者之间主要的 区别是谷物的第一步处理和伴产的饲料。目前, 还有一小部分乙醇是用非传统原料如饮料、食 品和林业方面的废品生产的,这种乙醇的产量 在逐年增加。当前我国主要以粮食为原料的发酵 法生产乙醇,这与我国地少人多、粮食紧缺的国 情发生严重矛盾。 合成法是以煤为原料,经气化工艺制合成气 后,再制乙醇的方法。目前煤制乙醇的工艺路线 主要包括三种①合成气直接制乙醇;②合成气 生物法制乙醇,即利用微生物发酵技术,以合成 气COH 为原料生产乙醇;③合成气经醋酸 加氢制乙醇。三种工艺路线相比较,煤经合成气 直接制乙醇的工艺路线最短,也最经济。 针对国情,论述从煤出发,经合成气直接合 成乙醇的全新催化工艺过程。 煤直接制乙醇的化学反应原理是以煤气化产 生的粗合成气经净化后作为原料,合成乙醇、乙 醛和乙酸等C2化合物。CO加H 为复合反应体 系,在催化剂的作用下,主要发生如下反应 2C04H2_CH3CH2OH乙醇H20 2C03H2_CH3CHO乙醛H20 2C02H2_CH3CO0tt乙酸 副产的CH3CHO乙醛和CH3COOH乙 酸经过加氢处理,还原生成产品乙醇,主要发 生如下反应 CH3CHOH22 CH3CH2OH乙醇 CH3COOHH2 CH3CH2OH乙醇H20 对于在合成气合成乙醇过程中副产出的其他 产品,如丙醛、丁醛、乙酸乙酯、乙酸甲酯等, 均可通过加氢反应使其还原成乙醇产品。 最后经过分离和精馏两个工序的处理,粗乙 醇变成纯度高达99.6%以上的精乙醇。 2煤气化技术 煤制乙醇技术发展的基础为煤气化技术。 段中华高级工程师。主要从事与煤化工相关的设计、研发以及技术管理等方面的工作。联系电话02781928705。 4 CHE ⅡCAL ENGINEER G DESIGN 科学技术的不断进步促进了洁净煤气化技术 的发展与成熟。按气化炉进料方式划分,目前较 为先进的新一代煤气化技术主要有干粉煤加压气 化技术和水煤浆加压气化技术两种①干粉煤气 化技术包括荷兰SHELL公司的SCGP粉煤加压 气化工艺、KruppUhde公司的Pronflo粉煤加压 气化工艺、德国西门子GSP气化工艺、中国五环 工程有限公司的WHG气化工艺、德国科林CCG 气化工艺等;②水煤浆加压气化技术包括美国 GE公司的水煤浆加压气化工艺、美国康菲公司的 EGAS加压气化工艺、华东理工大学的多喷嘴水 煤浆加压气流床气化技术等。 经多年实践,新型煤气化技术较传统燃煤技 术而言,其优势已凸显出来 1碳的转化率一般在95%一99%之间,合 成气中有效气体组分COH 含量在90%以 上,单位体积合成气的煤耗、氧耗量低。 2产品多样,易于输送。煤气化作为“煤 头”,可以为产业链下游提供合格的合成气,并通 过产业链的延伸,生产出各种各样的化工产品, 还可为居民提供燃气,也可以用来发展绿色发电 IGCC。 3有利于环境保护。煤炭高温气化后产生 的炉渣经激冷形成玻璃状颗粒及煤炭燃烧产生的 飞灰,物性稳定。飞灰和炉渣都可利用,如可将 飞灰直接掺人到水泥中,或制作成环保空心砖等, 用途多样,节能环保。 4脱硫脱硝一步到位。在煤制甲醇项目中, 来自煤气化装置经CO变换工序出来的变换气中二 氧化碳含量为35.5%,H SCOS含量为0.17%, 此外还有微量的HCN、NH 等。在经酸性气体脱 除工序后,富裕的二氧化碳气体和无用的H s等 气体被分别剥离出来,其中H S等酸性气体经硫 回收工序,生产出硫磺产品,为产业链下游产品 提供原料。 5二氧化碳更易于捕捉、收集CCS。正 如4中论述,酸性气体脱除工序可将富裕的二 氧化碳气体有效剥离,为后续工作奠定基础。 6国产化水平高。就当前两个主流煤气化 技术应用情况而言,Shell工艺的设备国产率可以 达到85%以上,而GE工艺的国产化率更高,现已 达到90%以上。 经过十年的摸索和发展,新型煤气化技术的 应用总结出很多宝贵的经验和教训,考虑到煤炭 资源和水资源的分布现实,笔者认为在发展大型 现代化煤化工项目,对气化技术进行选择时一定 要充分考虑到当地的自然环境和资源的可承载能 力,特别是水资源的可承载能力。 随着采煤机械化程度的不断提高,采煤、洗 煤过程中会产生大量的粉煤,其含量已占总采量 的50%以上。为实现煤炭资源的充分利用,考虑 到环境的承载能力,大力发展新型的粉煤气化技 术成为我国未来气化技术发展的主要方向。 对于粉煤气化技术,在除灰方面存在一定的 差异,即主要包括以SHELL煤气化为代表的干法 除灰湿法洗涤技术和以GSP煤气化为代表的激 冷分离湿法洗涤技术两种。虽然SHELL煤气化 技术较GSP增加了除灰工序,相应增加了一定的 投资,但是GSP煤气化技术由于生产过程中产生 了大量的黑水,且黑水非常难处理,为此增加的 水处理装置投资不亚于SHELL煤气化装置除灰工 序的投资。同时,由于SHELL气化过程无废气排 放,系统排出的融渣和飞灰含碳低,可作为水泥 等建筑材料,堆放时也无污染物渗出。气化污水 不含焦油、酚等化学物质,容易处理,可做到 “零”排放。 由此看出,以SHELL为代表的干法除灰湿 法洗涤技术,是适应我国低碳经济发展、满足能 源分布结构、能最大限度地创造经济效益与社会 效益的气化技术,是未来努力提升、发展与应用 的主要方向,具有广阔的发展前景。 3 煤直接制乙醇技术发展的优势 当前,我国把高油价及消费猛增作为一项能 源安全战略来实施,并千方百计加大力气寻求新 工艺、新方法以实现能源的可替代性。替代能源, 这是一个在国内讨论和争论了二十多年的老话题 了。近几年来,随着国际油价的不断攀升,替代 能源再次成为热点和焦点话题。从理论上说,合 适的替代能源可以缓解甚至解决中国经济对石油 的高度依赖,笔者认为,在诸多替代能源品种中, 煤基醇醚燃料应该成为最先考虑发展的项目之一。 作为煤基醇醚燃料中的重要品种煤直接制乙 醇,其技术的发展有着诸多优势,具体阐述如下。 3.1 替代石油的重要性 据第十五届世界石油大会估算,世界未探明 段中华等煤直接制乙醇技术的应用前景分析 5 的石油资源量为6.710mt。按2001年世界原油 肖费量3.5110 t和已探明的储量计算,可供使 用4O多年,如果按2010年预测石油消费4.47 X 10 t计算,可使用37年左右。石油作为一种有限 而不能再生的资源,面对世界工业化的发展及汽 车的大量使用,其资源会越来越紧张,离告别人 类的日子也越来越近。为此应加大对替代能源的 开发和利用力度,积极推进煤基醇醚燃料,特别 是煤直接制乙醇燃料的发展。 现行的乙醇汽油,是由玉米等原料通过发酵 法制成的乙醇同汽油掺烧的一种替代燃料,即在 汽油中加入10%的乙醇掺烧。也就是说,即使未 来仍然按照现行的比例往汽油中添加乙醇,如果 能够在全国推广的话,那么每年可以为我国节省 10%以上的汽油消耗,从而减少石油的进口。考虑 到煤直接制乙醇仅是煤基醇醚燃料中的一种,如 果其他煤基醇醚燃料添加到汽油中的话,可以想 象,届时我国石油进口量将会大大减少。 3.2作为燃料的优良特性 乙醇作为煤基醇醚燃料中的一种已被广泛接 受的燃料,不仅可以替代石油,还可以提高燃油 品质。煤基乙醇燃料具有如下优点 1可以替代或部分替代汽油作发动机燃料, 减少汽油用量,缓解化石燃料的紧张,提高国家 能源安全性。 2乙醇作为汽油的高辛烷值组分,调和辛 烷值一般在120以上,可提高点燃式内燃机的抗爆 震性,使发动机运行更平稳。 3因乙醇是有氧燃料,掺混到汽油中,可 替代对水资源有污染的汽油增氧剂MTBE甲基叔 丁基醚,使燃烧更充分,可使颗粒物、一氧化 碳、挥发性有机化合物VOC等大气污染物排 放量平均降低1/3以上,起到节能和环保作用。 4可以有效消除火花塞、气门、活塞顶部 及排气管、消声器部位积炭的形成,延长主要部 件的使用寿命。 3.3对粮食生产与安全的贡献 据统计,2006年全国用于工业加工的玉米用 量在2.5 X 10 t左右。近年来我国乙醇生产能力增 长迅猛,全国生产能力2004年为3。9510。t, 2005年为6.5610。t,而2006年猛增至8.97 10 t,其中燃料乙醇的产量2005年为1.0510。t。 尽管燃料乙醇的生产能力扩展很快,已有的 生产能力、在建项目和未来5年已知的计划建设项 目预计每年共生产约3.010 t乙醇。但据国家发 展和改革委员会NDRC预测,到2020年中国 的燃料乙醇消费总量将达到6.010 t,可见燃料 乙醇供应及需求的缺口还很大。 按照平均每3.3t玉米可生产1t燃料乙醇计算 的话,到2020年,如果我们不发展煤制乙醇,而 所有燃料乙醇均产白玉米发酵法,届时每年用于 燃料乙醇生产的玉米总量将达到近210 t。仅此 一项,就等于消耗掉5000万人的口粮每人年按 0.4t消费计算。可见,煤直接制乙醇的发展将会 对粮食的生产和安全作出巨大的贡献。 3.4为下游提供基础化工原料 煤直接制乙醇可用于生产醋酸乙酯。当前, 中国每年消耗工业级乙醇约310 t,仅我国醋酸 乙酯的生产产能达到2 X 10 t所需要消耗的乙 醇达1.2 X 10 t。用煤直接制乙醇生产下游化工产 品,不仅能降低生产成本,而且能减少对粮食乙 醇的依赖。另外,还可以将乙醇脱水生产乙烯, 开发在国内有很大市场潜力的乙烯一乙烯醇树 脂等。 3.5对环境保护的作用 煤直接制乙醇,通过煤气化将煤转化为合成 气,并合成制乙醇的过程。通过新型煤气化技术 的应用,可以利用高硫煤、劣质煤生产乙醇。这 样,一方面可以充分利用能源资源,使低品质能 源得到充分的利用;另一方面,通过前述工艺技 术,将煤炭燃烧产生的污染物有效地处理与回收, 实现接近“零”污染排放。 4煤直接制乙醇技术的成本分析 根据已经公布的各项资料显示,目前我国主 要采用传统的粮食发酵法制乙醇,该工艺路线乙 醇的生产成本大约在7000t./t。还有部分采用的 是纤维素制乙醇,目前该工艺路线处于中试阶段, 根据已公布的各项资料,其成本约为70008000 t。从理论上来讲,煤制乙醇技术需要64t合成 气产46t乙醇和18t水,也就是1.4t合成气生产1t 乙醇,合成气转化率为7l%,估计煤制乙醇的成 本在4000 t左右。上述数据显示,煤制乙醇技 术较传统的粮食发酵法制乙醇和纤维素乙醇在成 本上具有较大优势。 下转第26页 26 CHENⅡCAL ENGINEERING DESIGN 截面会开裂,竖向受力钢筋会承担较大的拉应力, 配筋计算时应引起注意,若配筋计算不能满足要 求,可通过增加竖向预应力来改善受力状态,由 图8可见,竖向预应力值增加一倍,罐壁内侧的竖 向拉应力能减少1.5MPa左右,但其综合值还是可 能会超过混凝土的受拉强度设计值。竖向预应力 取值应综合配筋方案的计算结果来整体考虑。 7在环梁区域,内外侧环向均为压应力, 且都远小于混凝土的受压强度设计值,表明该方 案的预应力取值在该处环向不存在超压的现象, 是合适的。 8在环梁与罐壁的交接处,内侧竖向为拉 应力,外侧竖向为压应力;其竖向压应力值小于 混凝土的受压强度设计值,表明该项内容是合适的; 其竖向拉应力最大值小于混凝土的受拉强度设计 值,表明该区域罐壁内侧截面不会开裂。 9在罐顶的区域,预应力的影响很小,可 以忽略不计。 参考文献 1 BS 777731993,Eatbottomed,vertical,ciudfieal stor- age tanks for low temperature service Part 3.Recommendations for the design and construction of prestressed and reinforced con erete tanks and tank fouudations,and for the design and installa tion of tank insulation,tank liners and tank coatings[S]. 2 EN 1462032006,Design and manufacture of site built, vertical,cylindrical,flatbottomed steel tanks for the storage of refrigerated,liquefied gases with operating temperatures between OC and一165CPay3Concrete Components[S]. 收稿日期20120419 上接第5页 煤制乙醇技术工艺路线长且复杂,在生产乙 醇的同时,产生了大量的副产物水,导致合 成气中氢的1/4被损耗掉,造成能源浪费。加之产 物组分较为复杂,粗产品需要加氢和精制处理, 催化剂成本高等。所以工艺有待进一步完善。 5 结语 新型煤气化技术的发展与应用,为我国乙醇 工业的发展提供了更多可选的途径。大力发展煤 直接制乙醇技术,在充分利用我国资源的基础上, 减轻国际原油价格不断上涨给我国经济发展带来 的挑战与威胁。 收稿日期20120504 浙江丰利气流式涡旋微粉机 国家高新技术企业浙江丰利粉碎设备有限公司吸收消化国外微粉粉碎先进技术再创新,研制成功的新一代气流微粉设 备气流式涡轮微粉机,目前获得国家实用新型专利专利号201120387557.7。该专利具有粉碎效率高,可自由调 节产品粒度,分级效果理想,进料量均匀且可调节,散热性能好,操作简单,清理方便等优点。适合加工多种物料,对热 敏性和纤维性物料均能胜任,产品粒度均匀,能粉碎到微米级和亚微米级粒度,是当前性能好、效率高的节能理想微粉生 产设备。这是该产品在获得国家重点新产品,列入国家火炬计划项目后的又一荣誉。国内已有粉碎机不同程度地存在着粉 碎粒度大,粒度欠均匀,特别是对纤维性、热敏性有机物料难以粉碎等缺陷,因此,此类设备,长期来一直从美国、日本 进口。 为了改变国内尚无集粉碎与气流分级双重功能于一体的微粉碎机现状,浙江丰利在相关科研院所的指导下,悉心研制 成功气流式涡旋微粉机。此机性能与众不同①这是一种立轴反射型粉碎机。分级装置取代通常粉碎的筛网,粉碎效率 高;②装有气流流量调节阀和分级叶轮无级调速器,不停机即可调节产品粒度,且细粉能全部回收,不污染环境;③该机 具有冷却功能,粉碎时温升低,特别适用于加工热敏性和纤维性物料,成品粒度均匀;④生产能力大,维修、操作和清理 方便;⑤该机采用新型进口窄V三角带传动,具有传动功率大、运转平稳、效率高等特点。 目前,该机已广泛应用于化工、医药、涂料、染料、饲料、塑料、橡胶、烟草、植物纤维、食品、农药、冶金、非金 属矿等行业,超微粉碎莫氏硬度4~5级以下的多种物料,是一种高细度、低噪声、高效率的节能理想型粉碎机。产品性能 达到国外同类设备水平,而价格仅为进口设备的10%。产品畅销全国,远销欧美、东南亚,深受用户青睐。 吴红富

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