现代煤化工新技术的介绍

一、煤制二甲醚（DME）

1.1概况

二甲醚是一种重要的绿色工业产品，主要用做清洁燃料、气雾剂、制冷剂、发泡剂、有机合成原料等。与液化石油气相比生产成本低，有较大的差价，使得二甲醚替代液化石油气成为可能。所以现在作为柴油掺烧剂和替代民用燃料液化石油气。制取二甲醚的行业成为了新兴的“绿色化工”。国内合成二甲醚的研究工作正在紧张进行中，目前已建成最大的二甲醚生产装置为年产几十万吨。不少企业对“合成气”制二甲醚感兴趣，因此二甲醚被称为朝阳化工产品。并且甲醇制二甲醚的知识产权是自主的。

二甲醚（DME）是一种比较惰性的非腐蚀性有机物，常温常压下二甲醚为无色易燃气体，空气中允许浓度为400*10-6。对金属无腐蚀性，对人体不刺激皮肤，不致癌，对大气臭氧层无破坏作用，是一种有娘的绿色化工产品。

下表为二甲醚和液化石油气的性质比较

二甲醚与液化石油气性质的比较

项目二甲醚液化气

分子量46 44～56

饱和蒸汽压（60℃）/MPa 1.35 1.92

平均热值/（kj/kg）28410 45760

爆炸下限/% 3.5 1.7

理论烟气量/（m3/kg） 6.96 11.32

理论空气量/(m3/kg) 7.46 12.02

预热器热值/(kj/m3) 4219 3509

理论燃烧温度/℃2250 2055

从数据可看出，同等条件下，二甲醚存储运输较为安全。虽然二甲醚热值低，但由于二甲醚本身含氧在燃烧过程中所需空气质量远低于液化石油气，从而使得二甲醚的预混热气值夏理论燃烧温度都高于液化石油气。

二甲醚具有较高的十六烷值，液化后可直接作为汽车燃料，其燃烧效果比甲醇燃料效果好。由于二甲醚自身含氧，组分单一，碳链短，所以可实现无言高效燃烧，并可降低噪声。易于压缩使用，还可作为精细化工产品。在这些用途中，作为精细化工产品时，小规模生产（0.25～1.0万吨/年）就可满足需求，作为化工原料时生产规模应在2万吨/年以上，作为清洁燃料时的需求量大，实际上是代替原油，必须大规模生产（10万吨/年）以上，才能形成经济规模。全世界到2006年对二甲醚的需求量为40万吨/年。2008年世界经济风暴开始后，二甲醚的产量和价格也一落千丈，据统计2008年底仅有13.9%的装置维持生产。

1.2生产工艺、方法

煤制二甲醚既可以作为液化石油气(LPG)的替代品，也有可能作为车用柴油的替代品，因此是一种有望在我国得到大力发展的替代燃料。主要有甲醇脱水制二甲醚和合成气一步法。

1.3甲醇脱水制二甲醚

甲醇脱水制二甲醚，分为气相法和液相法。

液相法是加热硫酸和甲醇的混合物，甲醇脱水制二甲醚。由于硫酸腐蚀性较大且污染严重，近年来已逐渐被淘汰。

气相法是将甲醇蒸汽通过分子催化剂，催化脱水的二甲醚。就是气固相催化反应精馏流程，国内已在这方面取得成功，并已实现规模化生产。例如，西南化工研究院的CNM-3甲醇脱水催化剂，具有生产成本低，工艺过程较易控制，产品质量稳定的特点。得到的产品纯度为99.99%的二甲醚，甲醇单程转化率80%，二甲醚选择性99%，催化剂的寿命可达三年。下图为气象催化脱水制二甲醚流程图。

1.31 生产流程

甲醇经预热后，送入汽化塔气化后的甲醇经化热后，分两股进入反应器。第一股甲醇加热到反应温度，从顶部进入反应器；第二股甲醇稍微加热，进入反应器中部，作为冷激气。出反应器的粗甲醇，经换热器、预热器、水冷器冷却后，进入储罐气液分离。液相为二甲醚，气相为H2COCH4CO2等不凝气体和饱和的二甲醚和甲醇蒸汽。气相进入甲醇吸收塔，用甲醇吸收二甲醚，吸收液进入粗醚储罐，尾气解压后送火炬。然后粗甲醚送精馏塔，上段底部出二甲醚产品，精馏塔底部釜液送汽化塔，回收甲醇，塔釜废液冷却后外排或另外利用。

1.32使用的催化剂

催化剂为CNM-3型，圆柱状ø（3～4）㎜*（10～20）㎜，堆密度0.7㎏/L，比表面150～300㎡/g，平均孔径（4～6）*10-6，使用寿命1～2年。

反应温度230～350℃，压力0.5～1.1MPa，甲醇单程转化率78～88%，二甲醚选择性>99%。引自文献○1。下表为1300t/d装置预计的主要设备数据。

1300t/d装置预计的主要设备数据

名称规格台数二甲醚合成反应器ø3800，催化剂105 1

汽化塔ø3000，浮阀塔，80块塔板 1

精馏塔ø2800，浮阀塔，65块塔板 1

1.4合成气一步法

以煤为原料制二甲醚装置主要包括如下基本工序：煤气化制粗煤气、氧气制备、净化(包括脱硫、变换、微量成分脱除等)、二甲醚合成、二甲醚精馏等单元。其中，煤气化工序是主要的步骤，不同的炉型适合于不同的规模和煤种。以煤为原料生产煤气的成熟方法有：德士古水煤浆加压气化法，Lurgi 固定层加压气化和UGI常压气化法，特别是南非在使用Lurqi炉上是比较成功的。净化的工艺与煤制甲醇相同，由于粗煤气中含有硫、砷、金属羰基化合物等有害成分，并且要脱除一部分CO2，因此，采用低温甲醇洗或NHD

方法比较好。这种生产对工艺对除尘的要求就特别高了，如果在粗煤气制备过程中，粉尘没有除干净，将影响到后续工艺。主要反应为：

2CO+4H2=CH3OCH3+H2O(1)

CO+2H2=CH3OH(2)

CO+H2O=CO2+H2(3)

合成气一步法制二甲醚的工艺。分为气固床和淤浆床两种。气固床的形式与甲醇合成反应器很相似，如果催化剂研究得当，放大技术上无多大难题。气相法中反应器内合成气的转化率较低，未反应合成气的循环量大，并要求使用富氢合成气(H2/CO大于2)。淤浆床是国内外研究的主攻方向。反应过程中，合成气扩散到悬浮于惰性溶剂中的催化剂表面进行反应。淤浆床的单程转化率高于气固床，且选择性高，能耗低，它可以不受气相热力学平衡的限制，反应后需要汽液固三相分离。尽管这种反应器还缺乏大型化的工业实践，但根据千吨级放大到万吨级，因难不大。上述这两种工艺的反应温度压力大体相同。在催化剂的存在下，在3.5～5.0MPa和230～250℃条件下反应，约有75%～80%的CO转化为二甲醚。其中反应(1)的选择性很高。

使用的催化剂。目前一步法合成中使用的催化剂，均有两种催化剂复合而成，即合成甲醇的金属催化剂，和甲醇脱水生成DME的固体酸催化剂。所谓的双功能催化剂。合成甲醇的传统催化剂主要是Cu/Zn系列。甲醇脱水催化剂主要是γ-Al2O3或HZSM-5等费事分子筛。有文章认为○2

CuO/ZnO/Al2O3及HZSM-5分子筛的比例为1：4较好。

二甲醚的提纯。合成气一步法的产物中存在大量的CO

，是CO2、DME

2

和H2O的多元吸收和解吸问题。水的量比较大，分离比较因难。实际上，一步法二甲醚分离流程的原则是“吸收—解吸—精馏”，但还没有找到一个比较合适的分离流程及其参数。水吸收DME时，一部分CO2溶解于水中，解吸CO2时，部分DME随之逸出。有书介绍○3，还没有发现分离过程的物料平衡数据。在这种情况下，如果急于工业化，势必造成产品的经济上过不