60万t/a煤制甲醇生产工艺技术分析

周剑伟

(山西焦煤集团五麟煤焦开发有限责任公司，山西汾阳 032200)

在分析了国内外目前化石能源转化甲醇技术的基础上，以60万t/a煤制甲醇制备生产线为研究对象，介绍了其生产工艺，并进行了生命周期评价，以期为追求清洁、高效、绿色的煤制备甲醇生产提供参考。

甲醇；煤炭；转化；生命周期；生产工艺；评价

引言

随着新时代技术的发展，全球煤炭消费预计将增长20%～55%，在此背景下，煤炭的高效洁净利用成为重要的研究内容。目前，煤气化技术已经成为国内外主流的生产技术。首先，煤碳气化(UCG)是降低成本的新技术。若煤炭气化到位，可以使煤炭更安全、更清洁，比使用表面气化器便宜。同时，UCG提供了一个有效的方法来缓解能源供应与确保可持续发展之间的紧张关系[1]。

在我国，能源安全是通过使用和保证能源持续供应来实现的。未来几年，煤炭将继续发挥关键作用，主要用于发电的原材料。这就要求我们不仅要提高采煤加工的效率，而且需要在我国和世界范围内利用清洁煤技术(CCT)，其中包括从矿山利用提炼的煤炭进行气化以及地下煤气化[2]。煤气化过程可以生成不同的产品：电、热、替代天然气、甲醇、汽油、柴油、二甲基醚、烯烃和氢气等。其中一些产品(包括甲醇)被认为是未来燃料。由于甲醇在化学工业中不可替代的地位，煤制甲醇链是必不可少的。但是，煤制甲醇由于能源消耗量大，温室气体排放量高，尤其与其他石油或天然气工艺相比，时常引起排放争议。国内煤制甲醇装置很多，规模从年产几万吨到上百万吨不等。年产几万吨到几十万吨的煤制甲醇工艺技术基本实现了国产化，但百万吨级以上的甲醇装置主要工艺技术仍需引进。已投产的神华包头、大唐国际和神华宁煤MTP 3个煤制稀烃项目，煤制甲醇的规模分别为180万t/a、167万t/a和167万t/a，除一氧化碳变换和甲醇精馏技术之外，空分、气化、气体净化和甲醇合成等主要工艺技术均由国外引进。所以，我国目前的煤制甲醇技术还是以百万吨以内的生产线为主[3-5]。

1 煤制甲醇的生命周期评价

为了实现可持续发展，多样化的新能源被视为未来有希望的替代能源，如，核能、太阳能、生物能、氢能。此外，还采取其他措施缓解全球变暖，包括煤炭的清洁高效利用。甲醇生产被认为是繁荣的化工网络中心及其产品原料，如，二甲基甲酰胺醚(DME)、乙酸、乙酸乙酯、甲酸甲酯、甲酸和草酸的生产。甲醇在化工产品中的利用网络示意图如第78页图1所示。甲醇主要是以煤、天然气和焦炉煤气生产技术为基础，但煤基甲醇生产加剧污水和温室气体排放量增加，这与清洁生产的主题背道而驰。因此，煤制甲醇链对温室气体的影响评估十分重要。

生命周期评估(LCA)可以用于理解和解决环境影响(ISO14040，ISO14044)。碳足迹是一个改进的指标，用于在生命周期的指南中评估直接和间接的温室气体排放量，以便决策者更好地进行产业链规划。目前，甲醇生产过程中几乎没有基于煤气化技术的生命周期评估。拉森和廷金于2003年介绍了LCA二氧化碳的排放结果用于煤炭联产甲醇和电力。通过分析多产出技术时出现的问题，他提出了需要注意分配环境对多联产工厂的单个副产品负担，如一生中发生的一部分环境负担与消耗材料相关的周期，以及排放物、废物和废水管理与个人联产品相关联。其他温室气体排放量则归因于生产的联产品。拉森和廷金还提供了广泛的温室气体排放范围，从20.9 kg C/GJ到45.38 kg C/GJ，取决于工艺配置。

图1 甲醇在化工产品中的利用网络示意图

2 60万t/a煤制甲醇生产链对环境压力LCA评价分析2.1 方法的选择

本文基于煤炭制甲醇链，结合生命周期评估(LCA)和ASPEN Plus的工具进行分析与评价。 LAMMEN等曾提出了分层的思想归因管理(HAM)，为评估煤炭资源的碳足迹提供一种分类方法。在LCA中，目前主流的方法还有两种，一种是基于“系统扩展和避免负担”方法，另一种是“直接系统扩大和比例分配”方法，这两种方法在使用过程中均基于物理关系进行分区，也就是说分析的因果关系(生产过程)被确定，允许识别分配因素[6-7]。这两种方法均揭示了实施的环境后果分析的技术。

但是分析显示，基于“系统扩展和避免负担”的LCA评价方法，可以得到更完整的环境后果信息来源。生命周期评估是针对变化的替代技术进行的，本文分析侧重于从煤气化制备甲醇以及重整过程中甲醇生产的参考技术。

2.2 模型的建立和初始参数

利用ASPEN Plus的工具进行数学建模，60万t/a煤制甲醇生产链条主要流程如图2所示。整个流程分为7个模块，分别是：煤浆制备模块、气化模块、高危废水处理模块、能量产出模块、变换模块、吸收模块、废水处理模块。

图2 60万t/a煤制甲醇生产链LCA评价模型

2.3 结果与分析

计算的生命周期温室气体排放总值为198 mg/h。二氧化碳和化石甲烷两种气体构成了大部分(总排放量的99.9%)。其他气体，如，一氧化二氮、生物源甲烷、四氟甲烷、硫磺六氟化物和六氟乙烷，对温室气体排放总量的贡献不大。分析表明，排放量的32.4%是在煤炭开采阶段产生的，67.4%是燃气锅炉中燃烧过程中未反应的气体，而气化厂产生的排放量很高。煤矿产生的大量温室气体排放量可归因于两个来源，其中一个来源是被困在煤层中甲烷的排放产生的，并在采煤期间释放。这种甲烷通过空气通风从地下矿井中除去。甲烷也在甲烷排放站被部分捕获，然后烧成二氧化碳。温室气体排放量也通过在矿山消耗电力生产中增加。在我国，电力主要使用的是硬煤和褐煤，随煤炭从煤矿运输到气化厂对温室气体排放总量的影响不明显。因此，使用基于“系统扩展和避免负担”的LCA评价方法，可以得到更完整的环境后果信息来源，后续还可以进行环境负担的副产品和性能比较分析。

基于系统扩展方法的参考技术方法，即“系统扩展和避免负担”方法和“直接系统扩大和比例分配”方法来分析和评估温室气体排放的量化评估(见第79页图3)。参考60万t/a煤制甲醇生产链流程，“直接系统扩大和比例分配”(图3a)可以比较产生的温室气体排放量，“系统扩展和避免负担”方法(图3b)可以比较温室气体排放量产生1 kg的甲醇使用的技术。无论如何，两种使用系统扩展的方法得到的结果都指向相似的结论。

3 结论

我国“贫油、少气、多煤”的能源结构决定了现阶段煤仍然是我国的主要能源形式,随着我国逐步进入“十三五”规划下的能源结构改革，从煤炭中制备甲醇大大提高了煤的综合利用价值，而加强煤制甲醇生产链条中的碳排放控制手段和设备是以后发展的新方向，这也是实现“青山绿水”目标的必然途径。对60万t/a煤制甲醇生产工艺现状进行了探讨，并计算了全产业连的碳排放生命周期情况，为煤化工企业实现零排放的目标提供一些参考。