CN102099283A - 一种用于氨或甲醇生产的低能量工艺 - Google Patents

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Abstract

一种在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的工艺，该低能量氨或甲醇设备包括：重整或部分氧化段(1)；至少一个具有壳侧和管侧的超临界蒸汽发生器(3)；至少一个过热器(14)；至少一个背压式汽轮机(17)；至少一个抽汽和凝汽式汽轮机(23)；和至少一个锅炉给水泵(7)。合成的合成气(2)被送入超临界蒸汽发生器(3)的壳侧，超临界蒸汽发生器(3)被供给加压给水(4)，给水流被调节以将超临界蒸汽发生器的出口处的蒸汽温度保持在375-500℃(13)的范围内，超临界蒸汽在225-450bar的压力下在超临界蒸汽发生器中产生，超临界蒸汽(13)在过热器(14)中被进一步加热到500-750℃的温度，以及在过热器中产生的超临界蒸汽被供给至背压式汽轮机(17)。

Description

一种用于氨或甲醇生产的低能量工艺
技术领域
本发明涉及一种在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的工艺，以及涉及一种适用于操作该工艺的设备，由此实现了节能和节省总成本的优点，即，更好的工艺经济性。特别地，本发明以防止在蒸汽产生器的管子上发生金属灰尘腐蚀的方式与一种用于产生超临界蒸汽的方法相结合。超临界蒸汽的温度得到控制并通过调整流向超临界发生器的给水流量而保持恒定。
背景技术
合成气包含不同量的一氧化碳、二氧化碳和氢气。它们通过气化从煤、重燃料油或类似原料产生，或者经由蒸汽重整烃燃料(诸如天然气或石脑油)产生。合成气例如用作在工业中用于生产甲醇或氨的中间产品。
合成气的生产可以通过若干种方式来实现，即，单独或顺次地使用两个基本步骤：部分氧化和蒸汽重整。最广泛使用的方法是在第一重整器中进行吸热的蒸汽重整反应，随后进行放热的部分氧化，再加上在第二重整器中进行吸热的重整反应步骤相结合。还有，已经提出了设置部分旁路的吸热的重整步骤的处理方案。在特殊催化剂下进行各重整步骤。此外，不存在第二重整步骤的完全吸热的蒸汽重整以及完全自热重整(即，在与第二重整器类似的容器中进行放热的部分氧化加上吸热的重整反应步骤)是可行的选择。所有这些合成气生产方案可以与绝热的重整器相结合而作为第一步骤，用于将原料中的较重烃转化为CH4、H2、CO和CO2并且因此防止在催化剂上形成烟灰。再者，可以使用所谓的没有催化剂的部分氧化(POX-)反应器。如DE102004049076A1所述，含有氧传输膜的反应器的使用与在一个容器中生产氧和合成气相结合，因而排除了仅仅产生氧，并且因此节省了投资和操作成本。
由于产生合成气的重整反应的能量需求和在升高压力下合成氨和甲醇所需的压缩能量，氨和甲醇设备的能量消耗相当大。来自氨或甲醇设备中的重整部分的废热被用来产生蒸汽，该蒸汽根据克劳修斯-兰金(Clausius-Rankine)循环用于压缩机驱动器的汽轮机中。传统的蒸汽系统通常在该重整部段中使用下述的三个昂贵的设备部件：在壳侧上具有较高蒸汽循环压力的锅炉；蒸汽汽包；加上蒸汽过热器。由于所有已知材料的金属耐灰尘腐蚀性不充分，在工艺用气体管线中蒸汽的完全过热是不可能的。因此，利用来自重整器废气部段或来自燃烧式加热器的废气的至少一个附加的过热器不得不设置在蒸汽管线中以实现合理的热力学效率。
包括利用来自重整部段的热，还利用其它工艺热源来对各种工艺流和公共设施流(utility streams)进行预热，由此，本领域技术的状况在氨或甲醇设备中实现了非常高度的热整合，从而对具有挑战性的任务作出了显著的进一步改进。然而，在能量价格日益增长的时代中，将这种方法的效率进一步增加到适宜程度是非常重要的。
根据卡诺定律，用于电力设备中的较高蒸汽参数的使用将导致上述改进。然而，用于合成气工艺的蒸汽系统的布局与电力设备完全不同，而且用于蒸汽升高和过热的热源也是不同的。当用如在合成气中一样具有高CO含量的工艺用气体来加热蒸汽发生器或过热器时，关键问题是避免金属灰尘腐蚀。在传统的合成气设备中，在水的临界温度以下的两相区域中在蒸发温度下操作锅炉。在该操作条件下的管子的有效冷却将管壁温度保持在低水平下，因而阻止了金属灰尘腐蚀。该问题显然与在具有废气的低CO部分压力的电力设备处的燃烧式锅炉是不相关的。
现代的氨或甲醇设备的一般操作是每个压缩机由其自身的单独壳体蒸汽汽轮机驱动。该汽轮机特别地设计成在相对高的速度下运行，因而至少对于压缩机的低压壳体来说消除了对变速箱的需要。由于汽轮机的机械输出不得不与各个压缩机的动力需求相匹配，它们的相应蒸汽消耗因此也是指定的。
蒸汽系统还不得不在适合压力水平下向重整器提供工艺用蒸汽。这些典型的中等压力水平通过相应的合成气制备部段的操作压力来确定。为了提供所需的蒸汽量，通常，在相应压力水平下从较大汽轮机抽取蒸汽。这些抽汽的能力使汽轮机设计复杂化，并导致普通设备中的机器相当昂贵。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种工艺，该工艺既节能又成本有效，该工艺与一种用于生产适宜温度和压力的超临界蒸汽的方法相结合，从而能够避开如上所述的蒸汽发生器管子的金属灰尘腐蚀问题。本发明的另一个目的是提供一种适合于操作上述工艺的设备。
这通过在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的工艺得以实现。该低能量氨或甲醇设备包括：重整或部分氧化段；至少一个超临界蒸汽发生器；至少一个过热器；至少一个背压式汽轮机；至少一个抽汽和凝汽式汽轮机；和至少一个锅炉给水泵。在本工艺中，合成气在重整或部分氧化段被合成，超临界蒸汽发生器用于热回收。在本工艺中，合成的合成气被送入超临界蒸汽发生器的壳侧，超临界蒸汽发生器被供给加压给水，给水流被调节以将超临界蒸汽发生器出口处的蒸汽温度保持在375-500℃的范围，以便防止发生金属灰尘腐蚀，取决于加工气体的组成和蒸汽发生器的设计的精确温度，在超临界蒸汽发生器中在225-450bar的压力下产生超临界蒸汽，该超临界蒸汽在过热器中被进一步加热到500-750℃的温度，离开过热器的超临界蒸汽被供给至背压式汽轮机。
可选地，生产合成气的重整或部分氧化段选自包括下述装置的组：第一重整器；第一重整器和第二重整器的组合；气体加热重整器；自热重整器；部分氧化室，具有氧传输膜的膜反应器；催化部分氧化(POx)；或它们的组合。
另外的选择涉及超临界蒸汽发生器。工艺侧(process side)的入口温度被推荐为在550-1100℃的范围内，并且取决于安装在设备中的重整或部分氧化段的性质。由于由工艺用气体提供的一定量热，蒸汽发生器的给水流率和入口温度决定了临界蒸汽出口温度。离开超临界蒸汽发生器的超临界蒸汽的温度保持恒定并且通过速度可控的给水泵而可选地调整。不同于现有技术的仅亚临界的蒸汽参数得以实现的情况，根据卡诺循环，超临界蒸汽的较高温度和压力实现较高效率。
根据本发明的其它实施例与背压式汽轮机相关，该背压式汽轮机从加压蒸汽中抽取热能并将其转化为机械功。该工艺可以通过一种背压式汽轮机是工艺用空气压缩机或合成气压缩机的唯一驱动器的方式进行设计。超临界蒸汽在背压式汽轮机中被降低至100-130bar的蒸汽压力水平，然后，其与在氨和甲醇合成部段中的蒸汽锅炉中产生的饱和高压蒸汽混合，并被进一步过热。该蒸汽而后被供给至具有中等的蒸汽抽汽和凝汽部件的传统的高压蒸汽汽轮机。
可替换地，背压式汽轮机的出口压力水平可以与有规律的中等压力蒸汽水平相同。通常，该有规律的中等压力蒸汽水平稍高于能够向工艺提供蒸汽的合成气发生器的工艺压力水平。
再者，背压式汽轮机的出口压力水平不必不得不与设备的有规律的中等压力蒸汽水平相等，而是可以介于高压压力蒸汽水平与中等压力蒸汽水平之间。这样，可通过经济的方式将蒸汽供入较高压力的合成气发生器，而不影响用于其它汽轮机的有规律的中等压力蒸汽。
所描述的在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的工艺将在一组设备中操作，该一组设备包括：重整或部分氧化段；至少一个超临界蒸汽发生器；至少一个用于超临界蒸汽的过热器；在超临界蒸汽发生器下游的温度测量装置；至少一个背压式汽轮机；至少一个抽汽和凝汽式汽轮机；至少一个锅炉给水泵；用于将合成的合成气供给至超临界蒸汽发生器壳侧的装置；用于将加压给水输送至超临界蒸汽发生器的装置；用于调节给水流量以保持超临界蒸汽发生器的出口处的恒定的超临界蒸汽温度的装置；用于将在超临界蒸汽发生器中产生的超临界蒸汽输送至过热器的装置；和用于将超临界蒸汽输送至背压式汽轮机的装置。
设备的另一选择是超临界蒸汽发生器设计有竖直管束。
设备的又一选择是设备另外地包括用于将温度测量装置连接至速度可控的给水泵的装置。
设备再一选择是设备包括在背压式汽轮机上游的过热器，该过热器位于第一重整器的对流部段或者作为燃烧式加热器中的替代装置。
设备的一种替代选择是设备包括在抽汽和凝汽式汽轮机上游的过热器，该过热器设计为重整器的对流部段或者作为燃烧式加热器盘管。
设备另一替代选择是设备另外地包括用于将来自合成部段中的蒸汽锅炉的饱和高压蒸汽与从背压式汽轮机中出来的蒸汽相组合并将该组合流传输至共用的过热器的装置。
设备的又一选择是设备包括用于将来自背压式汽轮机的蒸汽流与从抽汽和凝汽式汽轮机中抽取的蒸汽相组合的装置。
设备的再一选择是设备包括位于合成气管线中的超临界蒸汽发生器，该超临界蒸汽发生器位于蒸汽侧而且位于超临界蒸汽发生器之前的合成气侧。
设备的另一选择是设备包括高温CO-转换转化炉，该转化炉在合成器管线中设置在超临界蒸汽发生器和超临界蒸汽过热器之间。
附图说明
接下来，本发明通过举例的方式进行更详细的描述并通过下述的四个附图进行图示。图1至4显示出框图，这些框图示例性地示出了在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的不同方式。
具体实施方式
图1中的框图显示出重整或部分氧化段(1)，在该重整或部分氧化段中产生合成气。该段选自由包括下述装置的组：第一重整器；第一重整器和第二重整器的组合；气体加热重整器；自热重整器；部分氧化室；具有氧传输膜的膜反应器；催化部分氧化；或者它们的组合。产生的合成气(2)被传输到超临界蒸汽发生器(3)的壳侧。给水流(4)在进入超临界蒸汽发生器(3)之前先被预热(5、6)并加压(7、8)。离开超临界发生器1的气体(9)在一个或多个CO-转换单元(10、11)中被进一步处理。由此，预热器(5、6)的加热通过使用CO-转换单元(10、11)的废热(12、30)来实现。产生的超临界蒸汽(13)被送入过热器(14)，该过热器位于第一重整器的对流部段中或者位于燃烧式加热器中。超临界蒸汽的温度经由温度测量装置(15)控制，该温度测量装置与速度可控的给水泵(7)连接以调节超临界蒸汽发生器(3)的给水流(4)，以便将超临界蒸汽的温度保持在恒定水平。来自过热器(14)的进一步加热的超临界蒸汽(16)被供给至背压式汽轮机(17)。来自背压式汽轮机(17)的膨胀的蒸汽(18)与在氨或甲醇合成部段(20)的蒸汽锅炉中产生的饱和高压蒸汽(19)混合，并在过热器(21)中被进一步过热。该过热器(21)可被设计为重整器对流部段或燃烧式加热器盘管。过热蒸汽(22)而后被供给至抽汽和凝汽式汽轮机(23)。
本发明允许以多种方式利用该工艺。例如，连接器(24)可以通过自动地调节超临界蒸汽发生器(3)的给水(4)流量来控制超临界蒸汽温度，但该连接器也可以省略，而通过其它装置控制给水流量。再者，一种选择是将给水流量分为两部分。部分1送入合成部段，部分2(4)用于和给水一起供给至超临界蒸汽发生器，该给水在进入超临界蒸汽发生器(3)之前可以被进一步加压(7)和预热(5)。
图1显示了一种工艺结构，其中来自合成部段(20)中的蒸汽锅炉的饱和高压蒸汽(19)与在背压式汽轮机(17)中产生的蒸汽(18)相组合并且该组合流被传输至共用的过热器(21)。根据第一重整器的对流部段的可用热，该工艺还可以通过下述方式构造：流(18)和(19)中的一股流在重整器对流盘管中被过热而另一股流在燃烧式加热器盘管中被过热，然后，该两股流在分别被过热后相组合。
图2显示了该工艺的一种变体，其中来自合成段(20)中的蒸汽锅炉的饱和高压蒸汽(19)在过热器(21)中被加热并被供给至抽汽和凝汽式汽轮机(23)。超临界蒸汽(16)被供给至背压式汽轮机(17)，超临界蒸汽在该背压式汽轮机中被膨胀。背压式汽轮机(27)出口的蒸汽和抽汽和凝汽式汽轮机的抽取蒸汽(28)相组合(29)以用于进一步的应用。
图3显示了图1和2所描述的工艺的另一变体。图3所述的工艺与图2所述工艺直到从背压式汽轮机(27)中出来的生成流与来自抽汽和凝汽式汽轮机(28)的生成流进行组合的位置之前是等同的。在图3所示的工艺变体中，这两股流(27、28)保持独立。将背压水平(27)与有规律的中等压力蒸汽水平(29)分离使重整或部分氧化段(1)的例如用于高压蒸汽重整或高压自热重整的操作压力不同。由此，尽管工艺用蒸汽压力较高，仍保持在中等压力蒸汽水平(29)下操作的抽汽和凝汽式汽轮机(23)和其它汽轮机的高效率。
在图1-3中提出的工艺变体描述了设备的构思，其设计用于使电力产生最大化。设备相对于它们自身的动力需求是不平衡的，即将有相当大的蒸汽输出。这不总是令人期望的，因为有许多在附近不能找到合适的消耗装置的位置。在这种情况下，平衡的设备是优选的方案。通过图4所示的本发明的变体来提供上述方案。产生的合成气(2)再次被输送至超临界蒸汽发生器(3)。该超临界给水流(4)直接来自超临界给水泵(7)。在超临界蒸汽发生器(3)中产生的超临界蒸汽(31)现在被传输至合成气管线(33)中的附加的过热器(32)中，在该处进行过热的一部分。排出流(13)而后进入常规过热器(14)以用于最终调整。因此，在过热器(14)中所需的热量被很大程度地减小。离开超临界蒸汽发生器1(3)的合成气(33)继续通过过热器(32)。可选地，高温CO-转换转化炉(10)可设置在管线(33)中。在该位置的转变步骤显著地降低了合成气的CO-含量，从此相应地降低了其金属灰尘侵蚀性。这允许过热器(32)中的较高金属温度和用于超临界蒸汽(13)的较高预热温度。图4中提出的工艺变体可以与图1至3中所示的变体相结合，因而为将蒸汽循环调节成满足工艺需求和可用热源需求提供了充分的灵活性。
下面的实例说明了本发明工艺关于操作成本减小方面的可能性。
实例1
在本实例中，比较了氨和甲醇设备中的蒸汽系统的下述实现结果：
S1具有抽汽和凝汽式汽轮机的标准高压蒸汽系统
A1根据图1的本发明的实施例
B1根据图2的本发明的实施例
该对比是基于用于所有汽轮机的60MW的组合电力输出的。该图是当今世界范围的氨和甲醇设备的规格。还有，假设在45bar和430℃下的120t/h的蒸汽流率用作重整段的工艺用蒸汽。
在计算中已经使用了80％的汽轮机效率。
表1示出了用于该比较中的其它工艺数据以及结果。该表说明了在传统的蒸汽系统和所提出的利用超临界蒸汽系统的新工艺变体之间所需的热输入的显著差别。该表还列出了基于
Figure BDA0000044328040000081
的能量价格而形成的年度操作成本间的差别。
Figure BDA0000044328040000082
实例2
在本实例中，比较了与实例1中的氨和甲醇设备中的蒸汽系统的相似的实现结果：
S2具有抽汽和凝汽式汽轮机的标准高压蒸汽系统
A2根据图1的本发明的实施例
C1根据图3的本发明的实施例
在该情况中，已经假设使用在较高压力下操作的不同重整段，并且工艺用蒸汽不得不在70bar下供应。所有其它数据保持与实例1相同。
表2表示了该对比的结果：
Figure BDA0000044328040000091
提出的工艺的优点在于：
·通过应用超临界蒸汽系统使工艺的能效较高。
·通过替代设备的三个昂贵的部件而成本有效，三个昂贵的部件包括：蒸汽汽包，在壳侧上具有高压蒸汽的锅炉，和具有超临界蒸汽锅炉的加热工艺用气体的过热器，该超临界蒸汽锅炉在壳侧具有低压的工艺用气体。
·由于超临界蒸汽系统的较高热效率，节省蒸汽冷凝器表面和冷却水消耗的费用。
·可以避免在传统的蒸汽过热器常见的金属灰尘腐蚀。
·由于背压式汽轮机处于超临界蒸汽水平和工艺压力蒸汽水平之间的位置，用于高压重整工艺的工艺用蒸汽的供应高效。
对参考术语的解释
1   重整或部分氧化段
2   合成气
3   超临界蒸汽发生器
4   给水流2
5   预热器1
6   预热器2
7   锅炉给水泵1
8   锅炉给水泵2
9   离开超临界蒸汽发生器的气体
10  CO-转换反应器1
11  CO-转换反应器2
12  CO-转换反应器1的废热
13  超临界蒸汽
14  过热器
15  温度控制装置
16  进一步加热的超临界蒸汽
17  背压式汽轮机
18  从背压式汽轮机出来的膨胀蒸汽
19  从甲醇或氨合成部段出来的高压蒸汽
20  合成部段
21  过热器
22  过热蒸汽
23  抽汽和凝汽式汽轮机
24  将温度控制装置与锅炉给水泵连结起来的连接部件
25  给水流
26  给水流1
27  来自背压式汽轮机的出口流
28  来自抽汽和凝汽式汽轮机的抽取蒸汽
29  气体流27与气体流28的组合
30  CO-转换反应器2的废热
31  超临界蒸汽
32  超临界蒸汽过热器
33  合成气

Claims (20)

1.一种在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的工艺，该低能量氨或甲醇设备包括：
●重整或部分氧化段；
●至少一个超临界蒸汽发生器；
●至少一个过热器；
●至少一个背压式汽轮机；
●至少一个抽汽和凝汽式汽轮机；
●至少一个锅炉给水泵；
其中，
●在重整或部分氧化段中合成合成气；
其特征在于：
●具有壳侧和管侧的超临界蒸汽发生器用于热回收；
●合成的合成气被送入超临界蒸汽发生器的壳侧；
●超临界蒸汽发生器被供给加压给水；
●给水流被调节以将超临界蒸汽发生器的出口处的蒸汽温度保持在375-500℃的压力范围内；
●超临界蒸汽在225-450bar的压力下在超临界蒸汽发生器中产生，
●超临界蒸汽在过热器中被进一步加热到500-750℃的温度；以及
●在过热器中产生的超临界蒸汽被供给至背压式汽轮机。
2.根据权利要求1所述的工艺，其特征在于，产生合成气的重整或部分氧化段选自包括下述装置的组：第一重整器；第一重整器和第二重整器的组合；气体加热重整器；自热重整器；部分氧化室，具有氧传输膜的膜反应器；催化部分氧化；或这些装置的组合。
3.根据权利要求1或2所述的工艺，其特征在于，超临界蒸汽发生器的工艺侧的入口温度在550-1100℃的范围内。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，离开超临界蒸汽发生器的超临界蒸汽的温度经由速度可控的给水泵保持恒定。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，背压式汽轮机是工艺用气体压缩机或合成气压缩机的唯一驱动器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，超临界蒸汽在背压式汽轮机中被降低至100-130bar的蒸汽水平。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其在于，从背压式汽轮机出来的超临界蒸汽与在氨和甲醇合成部段中的蒸汽锅炉中产生的饱和蒸汽混合，并且而后被进一步过热。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，背压式汽轮机的出口蒸汽在进一步过热之后被供给至抽汽和凝汽式汽轮机。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，背压式汽轮机的出口压力水平与由从抽汽和凝汽式汽轮机中抽汽而确定的蒸汽压力水平无关。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的工艺，其特征在于，背压式汽轮机的出口压力水平介于超临界蒸汽压力水平与工艺用蒸汽压力水平之间。
11.一种用于操作根据权利要求1所述的工艺在低能量氨或甲醇设备中利用合成气的热量产生超临界蒸汽的设备，包括：
重整或部分氧化段；
至少一个超临界蒸汽发生器；
至少一个用于超临界蒸汽的过热器；
在超临界蒸汽发生器下游的温度测量装置；
至少一个背压式汽轮机；
至少一个抽汽和凝汽式汽轮机；
至少一个锅炉给水泵；
用于将合成的合成气供给至超临界蒸汽发生器的壳侧的装置；
用于将加压给水供给至超临界蒸汽发生器的装置；
用于调节给水流量来保持超临界蒸汽发生器的出口处的恒定超临界蒸汽温度的装置；
用于将在超临界蒸汽发生器中产生的超临界蒸汽输送至过热器的装置；以及
用于将超临界蒸汽输送至背压式汽轮机的装置。
12.根据权利要求11所述的设备，所述设备包括超临界蒸汽发生器，该超临界蒸汽发生器设计有竖直管束。
13.根据权利要求11或12所述的设备，所述设备包括用于将温度测量装置连接至速度可控的给水泵的装置。
14.根据权利要求11-13中任一项所述的设备，所述设备包括在背压式汽轮机上游的过热器，所述过热器位于第一重整器的对流部段中。
15.根据权利要求11-13中任一项所述的设备，所述设备包括在背压式汽轮机上游的过热器，所述过热器位于燃烧式加热器中。
16.根据权利要求11-15中任一项所述的设备，所述设备包括位于抽汽和凝汽式汽轮机上游的过热器，所述过热器体现为重整器的对流部段或燃烧式加热器盘管。
17.根据权利要求11-16中任一项所述的设备，所述设备包括用于将来自合成段中的蒸汽锅炉的饱和蒸汽与来自背压式汽轮机的蒸汽相组合并将该组合流传输至公用的过热器的装置。
18.根据权利要求11-16中任一项所述的设备，所述设备包括用于将来自背压式汽轮机的蒸汽流与从抽汽和凝汽式汽轮机中抽取的蒸汽相组合的装置。
19.根据权利要求11-18中任一项所述的设备，其特征在于，合成气管线中的超临界蒸汽发生器位于蒸汽侧并且位于超临界蒸汽过热器之前的合成气侧。
20.根据权利要求11-19中任一项所述的设备，其特征在于，高温CO-转换转炉在合成器管线中设置在超临界蒸汽发生器与超临界蒸汽过热器之间。
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