CN103508418A - 水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统及加热方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统及方法，该系统包括原料气分液罐、中变气原料换热器以及换热冷却单元。换热冷却单元包括换热段及冷却段，换热段包括中变气原料换热器，其管程入口连接有中压蒸汽管道，其管程出口通过蒸汽管线与低压蒸汽管网连接；所述开工气从开工气进气口进入系统，经原料气分液罐后进入中变气原料换热器壳程入口，从壳程出口出后进入加氢反应器；之后从加氢反应器出口出来经过冷却段，再回到原料气分液罐，构成加热开工气系统的循环回路。本发明开工气加热系统先后实现加热开工气以及制备氢气两种工作模式切换，不必专门设置开工系统，节省投资成本和设备占地面积，设备利用率显著提高。

Description

水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统及加热方法

技术领域

本发明涉及烃类蒸汽转化工艺制氢领域，尤其涉及水蒸气制氢工艺中的硫化过程中的开工气加热系统及加热方法。

背景技术

采用水蒸气转化工艺的制氢装置可以用天然气，炼厂气、焦化干气、轻油等为原料，针对不同原料在开工时会有不同的开工流程安排。天然气因为所含硫型简单，因此不需要专门对加氢催化剂进行预硫化。但是如果使用含硫型态复杂的焦化干气或轻油为原料，在开工时，必须进行加氢催化剂的硫化。因此制氢装置设有单独为加氢催化剂硫化而设的开工流程，这套流程除压缩机在正常操作时继续使用外，其它设施不再使用。早期的制氢装置设有专门的开工加热炉为加氢催化剂升温和硫化，开工后不再使用。使用率低，造成资源浪费，同时需要消耗燃料作为热源，造成大量能耗。发展到后期很多制氢装置都取消了开工加热炉转而使用开工加热器来为加氢催化剂硫化提供加热。但也同样面临在开工结束后开工加热器、开工冷却器、开工分液罐不再使用、设备利用率低、浪费投资的问题。

如图1所示，现有的加热开工加热气的流程如下：开工气（氮气、氢气）自管1进入原料气分液罐7，经分液后进入原料气压缩机8，经升压后经过开工加热器9的管程3，中压蒸汽从开工加热器的壳程15进入开工加热器加热开工气。

上述方案通过调节阀13调节蒸汽量来达到加氢反应器入口温度，自加氢反应器10出来的开工气经过开工冷却器11冷却后返回原料气分液罐7的入口。打通此循环后，可根据催化剂硫化曲线升温、硫化，直至硫化结束。

中国专利CN1051896提供了一种耐硫低温变换过程及反应器。该专利技术采用粗煤气经过预热、耐硫变换将其中的一氧化碳转变为氢气，属于正常生产时的耐硫变换过程，而本发明是通过改进加氢催化剂的硫化工艺方案，从而取消了专门的硫化设施，二者的保护对象和发明目的均不相同。

发明内容

为了解决现有技术中的加热开工气流程中设备利用率低、耗能较大等缺陷，本发明研究了一种在水蒸气制氢开工中加热开工气的系统及方法，本发明利用装置正常运行的流程，通过适当的组合和衔接，实现加氢催化剂预硫化之前开工气加热，并且这些装置可以在后续的制氢流程中继续使用。

本发明的目的之一是提供一种水蒸气制氢工艺中的开工气的加热系统。所述开工气加热系统如下：

水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，包括依次连接的开工气进气口1、原料气分液罐2以及换热冷却单元。

换热冷却单元包括换热段及冷却段，其中换热段包括中变气原料换热器3，中变气原料换热器3的管程入口连接有中压蒸汽管道6，中变气原料换热器3的管程出口连接有蒸汽管线7，蒸汽管线7与低压蒸汽管网相连接。实现了利用中变气原料换热器3来代替现有技术中常用的开工加热器，利用中压蒸汽来加热开工气以完成对加氢催化剂的硫化。

开工气从开工气进气口1进入系统，经原料气分液罐2后进入中变气原料换热器3壳程入口，从壳程出口出后进入加氢反应器4；从加氢反应器4的出口出后经过冷却段，再回到原料气分液罐2，构成加热开工气系统的循环回路。

具体来讲：

为了使用正常制氢流程工艺中的设备来代替专用的开工加热冷却设备，冷却段依次包括锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14；锅炉给水换热器11的管程入口与加氢反应器4的出口管线连接，水冷器14的管程出口与原料气分液罐2的入口管线连接。从加氢反应器（4）出来的开工气经锅炉给水换热器（11）、除盐水换热器（12）、空冷器（13）以及水冷器（14）的管程后进入原料气分液罐（2）。实现利用正常制氢流程中的锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14代替现有技术中常用的开工冷却器。

在具体实施中，原料气分液罐2与中变气原料换热器3的壳程入口之间设有原料气压缩机16。开工气经原料气分液罐2以及原料气压缩机16后再进入中变气原料换热器3壳程入口。

中变气原料换热器3的管程入口与中压蒸汽管道6之间设有第一盲板5；蒸汽管线7与低压蒸汽管网之间的连接管线上设有调节阀17，中变气原料换热器3的管程出口与调节阀17之间的蒸汽管线7上设置有第二盲板8。

加氢反应器4的出口与冷却段的连接管线上设有第三盲板10。

冷却段出口与原料气分液罐2入口之间的管线上设有第七盲板23。

加氢反应器4的出口引出管线依次与脱硫反应器18、转化炉19以及中变反应器20管线连接，中变反应器20的出口与中变气原料换热器3的管程入口管线连接，加氢反应器4出口与脱硫反应器18入口之间的连接管线上设有第五盲板21，中变反应器20出口与中变气原料换热器3管程入口之间设有第六盲板22。

中变气原料换热器（3）的管程出口引出管线与冷却段连接，在此管线上设置有第四盲板（15）；冷却段出口与后续制氢设备入口之间的管线上设有第八盲板24。

开工时，打开所述的第一盲板5、第二盲板8、第三盲板10以及第七盲板23，关闭所述的第四盲板15、第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24。在开工气加热过程中，第四盲板15封住中变气原料换热器3与冷却段的连接，第五盲板21封住开工气与脱硫反应器18的连接。中压蒸汽经中变气原料换热器3的管程自第四盲板15前进入低压蒸气管网，开工气从加氢反应器4出口出来后，自第四盲板15后进入冷却段。

在开工结束后，将第一盲板5、第二盲板8、第三盲板10以及第七盲板23盲死，打开第四盲板15、第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24，构成正常制氢环节中的中变气进入中变气原料换热器3管程的通道，使本系统具备正常制氢的功能。

本发明的目的之二是提供一种水蒸气制氢工艺中的开工气的加热方法。所述开工气加热方法，是将中压蒸汽引入中变气原料换热器3的管程，开工气经过中变气原料换热器3的壳程，利用中压蒸汽加热开工气，使开工气进入加氢反应器4时达到硫化时所需温度；离开加氢反应器4的开工气经冷却并经分液后，再经中变气原料换热器3的蒸汽加热进入加氢反应器4，完成开工气循环。

具体地，利用调节阀17控制中压蒸汽并入低压蒸汽管网的量，从而控制中变气原料换热器3中的中压蒸汽含量，实现硫化过程中进入加氢反应器4的开工气温度。

离开加氢反应器4的开工气进入冷却段的锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13、水冷器14来冷却，并在原料气分液罐2进行分液后再进入开工气循环。

本发明的开工气加热方法包括以下具体步骤：

步骤一：

开工时，打开第一盲板5、第二盲板8、第三盲板10以及第七盲板23，关闭第四盲板15，第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24。开工气进气口1通入开工气（氮气、氢气），开工气进入原料气分液罐2，经过缓冲和分液后，从顶部离开并进入原料气压缩机16进行升压。

步骤二：

升压后的开工气进入中变气原料换热器3的壳程；同时，中压蒸汽由所述中压蒸汽管道6进入中变气原料换热器3的管程，通过中压蒸汽加热壳程中的开工气，由壳程出来的开工气进入加氢反应器4；

通过出口调节阀17来控制进入中变气原料换热器3管程的中压蒸汽含量来控制开工气的温度；具体地，打开调节阀17，将中压蒸汽由中变气原料换热器3的管程经蒸汽管线7引入低压蒸汽管网，通过调节调节阀17实现进入加氢反应器4的开工气的温度控制，即可按照加氢催化剂的升温、硫化温度曲线，按照催化剂的要求实现硫化；

步骤三：

由加氢反应器4出来的开工气依次经过锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14进行冷却，离开水冷器14的开工气返回到原料气分液罐2入口进行分液，形成开工气的循环；

步骤四：

当开工结束后，关闭第一盲板5，盲死中压蒸汽管道6，同时关闭第二盲板8，切断进、出中变气原料加热器3管程的蒸汽管线；关闭第三盲板10以及第七盲板23，开启第四盲板15、第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24，恢复为正常操作流程，即是使加氢反应器4中的开工气经脱硫反应器18、转化炉19以及中变反应器20后，经中变气原料换热器3的管程，再经过锅炉冷水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13及水冷器14的管程进行冷却，第七盲板23封住水冷器14与原料气分液罐2入口之间的管线，使中变气传输至现有的后续制氢设备流程中，完成制氢。

本发明是利用现有流程的中变气加热和冷却部分，实现开工循环气的加热和冷却。正常流程中的中变气原料换热器3是为回收反应热而设置的。本发明的核心是利用已有的中变气原料换热器3加热；利用锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13、水冷器14及原料气分液罐2冷却分液流程完成开工循环气的冷却和分液。本发明巧妙利用了现中变气冷却流程，冷却开工循环气。

本发明带来的有益效果如下：

本发明利用中变气原料换热器替代开工气加热设备对开工气加热，使之能够对加氢催化剂升温硫化；利用现有制氢流程中的中变气冷却、分液设施实现开工气的冷却和分液循环，并且同时具备与现有制氢装置相同的制氢功能，不必为加氢催化剂硫化专门设置开工系统，大大节省了投资成本和设备的占地面积，设备的利用率显著提高。

附图说明

图1为现有技术1的开工气加热的工艺流程图；

图2为本发明的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统的工艺流程图；

附图编号说明：

1-开工气进气口；2-原料气分液罐；3-中变气原料换热器；

4-加氢反应器；5-第一盲板；6-中压蒸汽管道；7-蒸汽管线；

8-第二盲板；10-第三盲板；11-锅炉给水换热器；12-除盐水换热器；

13-空冷器；14-水冷器；15-第四盲板；16-原料气压缩机；17-调节阀；

18-脱硫反应器；19-转化炉；20-中变反应器；21-第五盲板；

22-第六盲板；23-第七盲板；24-第八盲板。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图2所示，水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，包括依次连接的开工气进气口1、原料气分液罐2、原料气压缩机16、中变气原料换热器3，以及加氢反应器4之后的锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14。

水冷器14出口与原料气分液罐2入口之间的管线上设有第七盲板23，水冷器14出口与后续制氢设备入口之间的管线上设有第八盲板24。

中变气原料换热器3的管程入口连接有带第一盲板5的中压蒸汽管道6，中变气原料换热器3的管程出口连接有蒸汽管线7，蒸汽管线7上依次设有第二盲板8和出口调节阀17。加氢反应器4的出口与冷却段的连接管线上设有第三盲板10。加氢反应器4的出口引出管线依次与脱硫反应器18、转化炉19以及中变反应器20管线连接，加氢反应器4出口与脱硫反应器18之间设有第五盲板21，中变反应器20的出口与中变气原料换热器3的管程入口管线连接，在此管线上设有第六盲板22；中变气原料换热器3的管程出口引出管线与冷却段连接，在此管线上设置有第四盲板15。

加氢反应器4的出口经过锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14后，与原料气分液罐2相连接，构成开工气的循环回路。

其中，锅炉给水换热器11的管程入口与加氢反应器4的出口管线连接，水冷器14的管程出口与原料气分液罐2的入口管线连接。

具体的开工气加热方法，包括如下步骤：

步骤一：

打开第一盲板5、第二盲板8、第三盲板10以及第七盲板23，关闭第四盲板15、第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24。开工气进气口1通入开工气，开工气进入原料气分液罐2，经过缓冲和分液后，从顶部离开并进入原料压缩机16进行升压。

步骤二：

升压后的开工气进入中变气原料换热器3的壳程，同时，中压蒸汽由中压蒸汽管道6进入中变气原料换热器3的管程，通过中压蒸汽加热壳程中的开工气，壳程出来的开工气进入加氢反应器4。通过出口调节阀17来控制进入中变气原料换热器3管程的中压蒸汽含量来控制进入加氢反应器4的开工气的温度，即可按照加氢催化剂的升温、硫化温度曲线，按照催化剂的要求实现硫化。

步骤三：

由加氢反应器4出来的开工气依次经过锅炉给水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13以及水冷器14进行冷却，离开水冷器14的开工气返回到原料气分液罐2入口，形成开工气的循环。

步骤四：

当开工结束后，盲死第一盲板5，同时关闭第二盲板8、第三盲板10以及第七盲板23；打开第四盲板15、第五盲板21、第六盲板22以及第八盲板24，使加氢反应器4中的气体经中变气原料换热器3的管程，传输至现有制氢工艺的后续流程设备中，完成制氢。即为使加氢反应器4中的气体经脱硫反应器18、转化炉19以及中变反应器20后，经中变气原料换热器3的管程，再经过锅炉冷水换热器11、除盐水换热器12、空冷器13及水冷器14的管程进行冷却，然后经过第八盲板24传输至现有制氢工艺的后续流程设备中，完成制氢。

Claims (9)

1.水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，包括依次连接的开工气进气口（1）、原料气分液罐（2）以及换热冷却单元，其特征在于：

所述换热冷却单元包括换热段及冷却段，其中所述换热段包括中变气原料换热器（3），所述中变气原料换热器（3）的管程入口连接有中压蒸汽管道（6），所述中变气原料换热器（3）的管程出口连接有蒸汽管线（7），所述的蒸汽管线（7）与低压蒸汽管网管线连接；

所述开工气经所述开工气进气口（1）进入系统，经所述原料气分液罐（2）后进入所述中变气原料换热器（3）壳程入口，从壳程出口出后进入加氢反应器（4）；之后从所述加氢反应器（4）出口出来经过所述冷却段，再回到所述原料气分液罐（2），构成加热开工气系统的循环回路。

2.根据权利要求1所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，其特征在于：

所述冷却段依次包括锅炉给水换热器（11）、除盐水换热器（12）、空冷器（13）以及水冷器（14）；所述锅炉给水换热器（11）的管程入口与所述加氢反应器（4）的出口管线相连接，所述水冷器（14）的管程出口与所述原料气分液罐（2）的入口管线连接；从所述加氢反应器（4）出来的开工气经所述锅炉给水换热器（11）、除盐水换热器（12）、空冷器（13）以及水冷器（14）的管程后进入所述原料气分液罐（2）。

3.根据权利要求1所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，其特征在于：

所述原料气分液罐（2）的出口与所述中变气原料换热器（3）的壳程入口之间的管线上设有原料气压缩机（16）；

所述开工气经所述原料气分液罐（2）以及所述原料气压缩机（16）后再进入所述中变气原料换热器（3）壳程入口。

4.根据权利要求1-3之任一项所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，其特征在于：

所述中变气原料换热器（3）的管程入口与中压蒸汽管道（6）之间设有第一盲板（5）；

所述的蒸汽管线（7）与低压蒸汽管网之间的连接管线上设有调节阀（17）；所述中变气原料换热器（3）的管程出口与所述调节阀（17）之间的蒸汽管线（7）上设置有第二盲板（8）；

所述加氢反应器（4）的出口与所述冷却段的连接管线上设有第三盲板（10）；

所述冷却段出口与所述原料气分液罐（2）入口之间的管线上设有第七盲板（23）。

5.根据权利要求4所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统，其特征在于：

所述加氢反应器（4）的出口引出管线依次与脱硫反应器（18）、转化炉（19）以及中变反应器（20）管线连接，所述中变反应器（20）的出口与所述中变气原料换热器（3）的管程入口管线连接，其中所述加氢反应器（4）出口与脱硫反应器（18）入口之间的连接管线上设有第五盲板（21），所述中变反应器（20）出口与中变气原料换热器（3）管程入口之间设有第六盲板（22）；

所述中变气原料换热器（3）的管程出口引出管线与冷却段连接，在此管线上设置有第四盲板（15）；所述冷却段出口与后续制氢设备入口之间的管线上设有第八盲板（24）。

6.利用权利要求1～5之一所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统的加热方法，其特征在于：

将中压蒸汽引入中变气原料换热器（3）的管程，开工气经过中变气原料换热器（3）的壳程,利用中压蒸汽加热开工气，使开工气进入所述加氢反应器（4）时达到硫化时所需温度；离开所述加氢反应器（4）的开工气经冷却并经分液后，再经中变气原料换热器（3）的蒸汽加热进入所述加氢反应器（4），完成开工气循环。

7.根据权利要求6所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统的加热方法，其特征在于：

利用所述调节阀（17）控制中压蒸汽并入低压蒸汽管网的量，从而控制所述中变气原料换热器（3）中的中压蒸汽含量，实现硫化过程中进入所述加氢反应器（4）的开工气温度。

8.根据权利要求6或7所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统的加热方法，其特征在于：

离开所述加氢反应器（4）的开工气进入冷却段的锅炉给水换热器（11）、除盐水换热器（12）、空冷器（13）、水冷器（14）来冷却，并在所述原料气分液罐（2）进行分液后再进入开工气循环。

9.根据权利要求8所述的水蒸气制氢工艺中的开工气加热系统的加热方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：

开工时，打开所述的第一盲板（5）、第二盲板（8）、第三盲板（10）以及第七盲板（23），关闭所述的第四盲板（15）、第五盲板（21）、第六盲板（22）以及第八盲板（24）；所述的开工气进气口（1）通入开工气，开工气进入所述原料气分液罐（2），经过缓冲和分液后，从顶部离开并进入原料气压缩机（16）进行升压；

步骤二：

升压后的开工气进入所述中变气原料换热器（3）的壳程，同时，中压蒸汽由所述中压蒸汽管道（6）进入所述中变气原料换热器（3）的管程，通过中压蒸汽加热壳程中的开工气，加热后的开工气进入所述加氢反应器（4）；通过出口调节阀(17)来控制进入中变气原料换热器（3）管程的中压蒸汽含量来控制进入加氢反应器（4）的开工气的温度；

步骤三：

由所述加氢反应器（4）出来的开工气依次经过所述锅炉给水换热器（11）、除盐水换热器（12）、空冷器（13）以及水冷器（14）的管程进行冷却，离开所述水冷器（14）的开工气返回到所述的原料气分液罐（2）入口进行分液，形成开工气的循环；

步骤四:

开工结束后,关闭所述第一盲板（5）、第二盲板（8）、第三盲板（10）以及第七盲板（23），打开所述第四盲板（15）、第五盲板（21）、第六盲板（22）以及第八盲板（24），开始正常制氢操作流程。

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