專利名稱：一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝的制作方法
技術領域：
本發明屬于煤化工、天然氣化工、煤層氣化工、沼氣化工中的原料氣CO變換領域，尤其涉及航天、水煤漿德士古、GSP、多噴嘴、殼牌(shell)等加壓粉煤連續氣化爐產生的高水氣比高CO變換領域、固定床間歇式氣化產生低水氣比高CO變換領域及常壓粉煤連續氣化爐產生的低水氣比高CO變換領域。特別是一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝。
背景技術：
目前，使CO與H2O生成CO2和H2達到CO轉化為H2的目的，基本原理為在催化劑(催化劑種類有鐵系催化劑、鈷鑰系催化劑、銅鋅系催化劑)存在條件下，具備適宜的溫度和壓力，使CO與H2O生成COjPH2，其反應方程式為C0+H20 ^CO2+ +Q lA O
目前，加壓連續粉煤氣化水煤氣變換存在以下問題(I)變換爐均為絕熱反應，采取反應器之后設置間接換熱設備來回收變換氣的顯熱和潛熱；回收熱量的級別較多，特別低品位熱能較多。(2) 一段絕熱變換爐催化劑裝填量難確定受到“活度系數(TF) ”限制TF是一個經驗值，需要實際應用后的數據去校核。選擇“一段絕熱變換爐”催化劑用量時，如果TF選大，催化劑用量就少，“一段絕熱變換爐”轉化率就達不到要求，給后序變換爐帶來負荷增力口、系統熱能回收與設計值之間偏差很大；如果TF小，“一段絕熱變換爐”催化劑用量就多，“一段絕熱變換爐”就出現超溫(很有可能出現催化劑燒掉現象)，隨之帶來的是甲烷化副反應增加，并給系統運行帶來非常大的安全隱患。(3)另外現有絕熱變換爐工藝還存在以下缺陷設備多、工藝路線長、工程投資大、系統阻力大、露點腐蝕的點多、運行能耗高、催化劑使用壽命短。
天然氣轉化氣、煤層氣轉化氣及焦爐氣轉化氣的變換存在如下問題(I)變換為兩段絕熱式，每一個變換爐之后均需要設置間接換熱設備來回收變換氣的顯熱和潛熱；回收熱量的級別較多，特別低品位熱能較多。(2)由于水氣比高，最后一級絕熱反應平衡溫距小，變換系統出口 CO彡0. 25%(干基)，很難降到CO ( 0. 10%，原料氣利用率低，增加后序負荷及能耗。間歇式固定床及常壓連續氣化低水氣比的變換存在如下問題(I)出最后一級催化劑床層的變換氣夾帶蒸汽量大造成蒸汽消耗高，給回收變換氣體顯熱和潛熱帶來一定難度。(2)變換低品位熱能多，整體工序無法平衡，造成大量低品位熱能浪費。
發明內容
為了解決背景技術中存在的問題，本發明提供一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，本工藝CO深度轉化、原料氣(含水煤氣、半水煤氣、天然氣轉化氣或焦爐氣轉化氣)利用率高，變換催化劑不超溫、催化劑使用壽命長，同時副產0. 5 9. OMPa的飽和蒸汽，利用除氧水及脫鹽水進一步回收變換氣中顯熱和潛熱，將低品位熱能轉化為高品位熱能、減少冷卻水消耗，出工藝系統的變換氣< 40°C。設備少、流程短、投資抵、阻力低((0. 05MPa)。為解決以上技術問題，本發明采取的技術方案是一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，該工藝包含下列步驟a.首先原料氣氣水分離，原料氣包含高水氣比、高CO水煤氣；低水氣比、高CO水煤氣；高水氣比天然氣轉化氣、高水氣比焦爐氣轉化氣及低水氣比半水煤氣；
b.氣水分離后的原料氣加熱；c.加熱后的原料氣進行脫毒及預變反應；d.原料氣在一級水移熱變換爐內完成部分CO轉化為H2XO2，采用水間接回收催化劑床層反應熱，副產2. 5 9. OMPa高品位飽和蒸汽；e.變換氣在二級水移熱變換爐內完成余下的CO轉化為H2XO2，采用水間接回收催化劑床層反應熱，副產0. 5 2. 5MPa飽和蒸汽；f.采用除氧軟水回收變換氣中的顯熱和潛熱，除氧水被加熱到150 220°C ；g.采用脫鹽水回收變換氣中的顯熱和潛熱，脫鹽水被加熱104 230°C ；h.采用冷卻水將變換氣冷卻到40°C以下；i.分離工藝冷凝水；j.除鹽水洗滌變換氣中的氨；k.采用低壓蒸汽將工藝冷凝水中夾帶氣體閃蒸出來；L.尾氣去火炬燃燒，工藝冷凝水去氣化；m.系統設計壓力0. 8 9. OMPa0進一步，原料氣在1#氣液分離器(I)內將氣中夾帶有害的液體分離下來。進一步，原料氣在原料氣加熱器(2)內通過與一級水移熱變換爐(4)出口高溫氣體換熱，確保進脫毒槽(3)的原料氣溫度>T7Wr ASS+3(rc，保護脫毒劑及鈷鑰催化劑。進一步，原料氣中含有的重金屬氧化物、粉塵及其它對催化劑有害物質被脫毒槽
(3)上層吸附劑吸收；脫毒槽(3)下層裝填少量的鈷鑰系催化劑將原料氣中部分CO與H2O反應轉化為H2和CO2,原料氣溫度提升到250 300°C。吸附劑為本領域常用的CT系列鎂鋁尖晶石為主要成分的吸附劑。進一步，原料氣在一級水移熱變換爐(4)內完成部分CO轉化為H2、CO2, 一級水移熱變換爐(4)出口變換氣中CO彡2.0% (干基)。反應溫度在180 400°C、壓力在0.8
9.OMPa0進一步，變換氣在二級水移熱變換爐(6)內完成余下部分CO轉化為H2、CO2,并副產0. 5 2. 5MPa飽和蒸汽；二級水移熱變換爐(6)出口變換氣中CO彡0. I % (干基)，移走一級、二級水移熱變換爐反應熱的水為自然循環，熱水在氣包內解析出高品位飽和蒸汽。反應溫度在180 300°C、壓力在0. 8 9. OMPa0進一步，通過除氧軟水加熱器(8)和脫鹽水加熱器(9)兩級回收變換氣體的顯熱和潛熱使變換氣溫度降到40°C以下，加熱的除氧軟水供給1#氣包(5)、2#氣包(7)。進一步，變換系統工藝冷凝水通過2#氣液分離器(10)實現氣液分離，液體直接去氣化回收利用；氣體在氨洗塔(11)完成洗滌凈化，凈化后氣體去下一工序，洗滌液在汽提塔(12)內完成閃蒸,溫度為25 160°C。閃蒸出來氣體去火炬，液體去氣化工序回收利用。進一步,水移熱變換爐為兩級就完成CO的變換任務；一級、二級水移熱變換爐為全徑向結構，氣體上進下出，氣流由外向內徑向經過催化劑床層，鈷鑰或銅鋅系催化劑床層內設置便于起吊的移熱水管單元，二級水移熱變換爐出口變換氣中C0<0.1% (干基)；移走一、二級水移熱變換爐反應熱的水為自然循環，并在1#、2#氣包內解析出飽和蒸汽。進一步，系統催化劑硫化為單臺并聯硫化，更換脫毒槽(3)其中一臺脫毒劑和催化劑以及硫化時，在系統正常運行狀態下完成。進一步，正常開車采用蒸汽供給熱源，開車蒸汽加熱一、二級水移熱變換爐的自然循環系統，通過水的循環將催化劑床層預熱，催化劑并達到180°C以上起活溫度，無需另外設置電加熱器供給熱源。本發明的有益效果是 (I)脫毒槽設計為A、B兩臺，交替使用，不僅吸附水煤氣中的毒物，同時對每次開車時，通過脫毒槽內部裝填催化劑的催化作用使水煤氣中飽和水轉變為過熱蒸汽，杜絕開車時由于飽和蒸汽造成對后續設備的“露點腐蝕”，確保變換爐催化劑使用壽命> 8年。(2)變換爐采用兩臺，第一臺變換爐(一級水移熱變換爐)催化劑床層內部埋有水移熱的換熱管，一級水移熱變換爐反應熱及脫毒槽反應熱全部通過埋在一級水移熱變換爐催化劑床層內部水管移出，并副產2. 56 9. OMPa飽和蒸汽；第二臺變換爐(二級水移熱變換爐)催化劑床層內部也埋有水移熱的換熱管，二級水移熱變換爐反應熱通過埋在二級水移熱變換爐催化劑床層內部水管移出，并副產0. 5 2. 5MPa飽和蒸汽，由于變換爐的反應熱被內部水管及時移走，變換爐出口溫度易控制，催化劑可以多裝。(3) 一級水移熱變換爐及二級水移熱變換爐催化劑床層的爐溫通過變換爐副產蒸汽壓力來調節，確保調節方面靈活、易控制；同時也確保開車時，采取向一級水移熱變換爐、二級水移熱變換爐的自然水循環系統添加蒸汽，迅速將變換爐溫升起來，以縮短開車時間。(4) 一級水移熱變換爐及二級水移熱變換爐水路采取自然循環，突然停車時，變換爐內部殘余部分的CO繼續反應，水路也仍然保持循環，并將催化劑床層內部熱量移出，確保在突然停車狀態變換爐的爐溫也不會超。(5)回收二級水移熱變換爐出口 200 210°C變換氣顯熱和潛熱采用除氧水和脫鹽水回收，確保不使用循環冷卻水前提下，變換氣出口溫度< 40°C。(6) 一級水移熱變換爐及二級水移熱變換爐催化劑內部移熱的水管束為一整體結構，可以順利吊出，便于管束的維修和催化劑自卸；同時，在上部封頭設有檢修孔、下部封頭設有催化劑自卸孔，催化劑裝填、壓填料及卸催化劑等具體事項在不吊上部封頭時也能完成。(7)變換腐蝕主要為“氫腐蝕”和“露點腐蝕”，水煤氣加熱器、脫毒槽、一級水移熱變換爐、二級水移熱變換爐內部的水煤氣及變換氣內部含有的“H2o”為過熱蒸汽，這些設備要解決“氫腐蝕”問題；除氧水加熱器、脫鹽水加熱器、氣水分離器變換氣中的“h20”由飽和態變為液態，容易形成“酸性溶液”，這些設備要解決“露點腐蝕”問題。(8) 一級水移熱變換爐、二級水移熱變換爐床層溫度由蒸汽壓力控制，變換反應平衡溫距大，推動力大，采用兩臺變換爐就可以實現變換系統出口 COS 0. 1% (干基)，氣體流程短，主要設備僅為8臺(脫毒槽為一開一備)。改變了原有變換工藝流程長、設備多、“露點腐蝕”多、工程投資大、維修費用高、運行費用高以及容易出現安全事故等缺陷。(9)我們將合成氨反應器徑向分布原理很好應用到變換爐反應器中，內外均設有氣體分布器及收集筒，氣體分布器內側及收集筒外側均設有橋式再分布板，內外之間采用雙項補償，使徑向氣體分布誤差< 5. 0%，確保氣體分布均勻；變換爐整體阻力< 0. OlMPa,兩臺變換爐可以滿足20 60萬噸/年合成能力；不僅解決運輸難題，同時降低工程投資。(10)本發明實用性強，可以滿足所有原料氣變換工藝。本發明專利可以用于新建項目，也可以用于老裝置改造。
附圖I為航天爐及加壓殼牌(shell)加壓粉煤加壓連續氣化變換的工藝流程圖；附圖2為水煤漿德士古、GSP、多噴嘴等加壓粉煤加壓連續氣化的變換工藝流程；附圖3為粉煤常壓間歇式固定床氣化低水氣比的變換的工藝流程。
具體實施例方式下面結合附圖對發明實施方式作進一步說明實施例I :如附圖I所示，來自氣化裝置的原料氣進入1#氣液分離器1-1內部進行下旋流(氣體向下旋流便于分離)，粉塵和水被分離后反轉180°進入中心管，然后進過不銹鋼絲網進一步過濾，確保氣體干凈。出1#液分離器1-1的原料氣進原料氣加熱器1-2換熱，溫度到240°C (進料溫度>露點溫度30°C )后進入脫毒槽1-3，氣體經過上部脫毒劑脫毒后直接進入下部少量的催化劑床層進行反應，溫度升高到30(TC (通過催化劑裝填量來控制反應溫度< 30(TC )，利用此部分催化劑在高溫條件下進一步吸附和脫除水煤氣中的有害物質。出脫毒槽1-3的氣體進入一級水移熱變換爐1-4進行反應，溫度控制在240 350°C，出一級水移熱變換爐1-4 240 350°C的氣體去原料氣加熱器1-2加熱水煤氣，溫度降到230 250°C后進入二級水移熱變換爐1-6進行反應，溫度控制在190 210°C。出二級水移熱變換爐1-6 190 210°C的氣體進入除氧水加熱器1-8加熱進入1#、2#氣飽(1-5、1-7)的除氧軟水(水溫加熱到190 220°C )，氣體溫度降到152 154°C后進入脫鹽水加熱器1_9，將脫鹽水加熱到104°C直接去熱力除氧。氣體溫度降到40°C后經過2#氣液分離器1-10將系統工藝冷凝水分尚下來，變換氣H在氨洗塔1-11內完成洗漆，洗漆后去后工序。工藝冷凝水及洗漆水在汽提塔1-12內完成閃蒸，閃蒸出來的尾氣I，工藝冷凝水K去氣化。除氧水C加熱流程本系統1#、2#氣包(1-5、1-7)需要的水量為 1311.313kg/tNH3,經過除氧水加熱器1-8后溫度升高到190 220°C，加熱的除氧水C滿足自身需要不外供；25°C脫鹽水D經過脫鹽水加熱器1-9加熱后，溫度升高104°C可以直接去熱力除氧系統，不需要外加蒸汽，加熱的除鹽水G量為 6388. 78kg/tNH3。脫鹽水加熱器1-9及除氧水加熱器1-8總的冷凝水洗滌、閃蒸后輸送到氣化工序。本發明與航天爐現有4臺絕熱變換爐工藝技術運行經濟指標對比一覽表如下
權利要求
1. 一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，該工藝包含下列步驟 a.首先原料氣氣水分離，原料氣包含高水氣比、高CO水煤氣；低水氣比、高CO水煤氣；高水氣比天然氣轉化氣、高水氣比焦爐氣轉化氣及低水氣比半水煤氣； b.氣水分離后的原料氣加熱； c.加熱后的原料氣進行脫毒及預變反應； d.原料氣在一級水移熱變換爐內完成部分CO轉化為H2、CO2，采用水間接回收催化劑床層反應熱，副產2. 5 9. OMPa高品位飽和蒸汽； e.變換氣在二級水移熱變換爐內完成余下的CO轉化為H2、C02，采用水間接回收催化劑床層反應熱，副產0. 5 2. 5MPa飽和蒸汽； f.采用除氧軟水回收變換氣中的顯熱和潛熱，除氧水被加熱到150 220°C； g.采用脫鹽水回收變換氣中的顯熱和潛熱，脫鹽水被加熱104 230°C； h.采用冷卻水將變換氣冷卻到40°C以下； i.分離工藝冷凝水； j.除鹽水洗滌變換氣中的氨； k.采用低壓蒸汽將工藝冷凝水中夾帶氣體閃蒸出來； 1.尾氣去火炬燃燒，工藝冷凝水去氣化； m.系統設計壓力0. 8 9. OMPa0
2.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于原料氣在1#氣液分離器(I)內將氣中夾帶有害的液體分離下來。
3.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于原料氣在原料氣加熱器(2)內通過與一級水移熱變換爐(4)出口高溫氣體換熱，確保進脫毒槽(3)的原料氣溫度彡T7mn^^s+3(TC，保護脫毒劑及鈷鑰催化劑。
4.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于原料氣中含有的重金屬氧化物、粉塵及其它對催化劑有害物質被脫毒槽(3)上層吸附劑吸收；脫毒槽(3)下層裝填部分的鈷鑰系催化劑將原料氣中部分CO與H2O反應轉化為H2和CO2,原料氣溫度提升到250 300°C。
5.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于原料氣在一級水移熱變換爐(4)內完成部分CO轉化為H2、CO2，一級水移熱變換爐(4)出口變換氣中CO彡2.0% (干基)，反應溫度為180 400°C、壓力為0.8 9.0MPa。
6.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于變換氣在二級水移熱變換爐(6)內完成余下部分CO轉化為H2、CO2,并副產0. 5 2.5MPa飽和蒸汽；二級水移熱變換爐(6)出口變換氣中CO彡0. I % (干基)，移走一級、二級水移熱變換爐反應熱的水為自然循環，熱水在氣包內解析出高品位飽和蒸汽，反應溫度在 180 300°C、壓力在 0. 8 9. OMPa0
7.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于通過除氧軟水加熱器(8)和脫鹽水加熱器(9)兩級回收變換氣體的顯熱和潛熱使變換氣溫度降到40°C以下，加熱的除氧軟水供給1#氣包(5)、2#氣包(7)。
8.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于變換系統工藝冷凝水通過2#氣液分離器(10)實現氣液分離，液體直接去氣化回收利用；氣體在氨洗塔(11)完成洗滌凈化，凈化后氣體去下一工序，洗滌液在汽提塔(12)內完成閃蒸，溫度為25 160°C。閃蒸出來氣體去火炬，液體去氣化工序回收利用。
9.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于水移熱變換爐為兩級就完成CO的變換任務；一級、二級水移熱變換爐為全徑向結構，氣體上進下出，氣流由外向內徑向經過催化劑床層，鈷鑰或銅鋅系催化劑床層內設置便于起吊的移熱水管單元，二級水移熱變換爐出口變換氣中COS 0.1% (干基)；移走一、二級水移熱變換爐反應熱的水為自然循環，并在1#、2#氣包內解析出飽和蒸汽。
10.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于系統催化劑硫化為單臺并聯硫化，更換脫毒槽(3)其中一臺脫毒劑和催化劑以及硫化時，在系統正常運行狀態下完成。
11.根據權利要求I所述的一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，其特征在于正常開車采用蒸汽供給熱源，開車蒸汽加熱一、二級水移熱變換爐的自然循環系統，通過水的循環將催化劑床層預熱，催化劑并達到180°C以上起活溫度，無需另外設置電加熱器供給熱源。
全文摘要
本發明涉及一種副產高品位蒸汽節能深度轉化的水移熱變換工藝，該工藝采用一級、二級水移熱變換爐，在鈷鉬系(或銅鋅系)催化劑催化下將原料氣中CO與H2O反應生成H2與CO2，實現出變換系統的變換氣中CO≤0.1％(干基)。本工藝CO深度轉化、原料氣(含水煤氣、半水煤氣、天然氣轉化氣或焦爐氣轉化氣)利用率高，變換催化劑不超溫、催化劑使用壽命長，同時副產0.5～9.0MPa的飽和蒸汽，利用除氧水及脫鹽水進一步回收變換氣中顯熱和潛熱，將低品位熱能轉化為高品位熱能、減少冷卻水消耗，出工藝系統的變換氣≤40℃，設備少、流程短、投資抵、阻力低(≤0.05MPa)。
文檔編號C01B3/16GK102701149SQ20121018573
公開日2012年10月3日 申請日期2012年6月7日 優先權日2012年6月7日
發明者王慶新 申請人:王攬月