CN105460890B - 一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法 - Google Patents

一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公布了一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢新工艺。该工艺很好的解决了因“油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气”中含有较高含量的高级烃和不饱和烃，导致纯氧转化过程中会出现黑烟的问题。该工艺方法同时将原料气进行CO变换，原料出口气中氢气含量得到有效提高，从而有效提高了原料气进转化炉自燃的可靠性。CO变换又降低去加热炉原料气中CO的浓度，从而降低了加热炉炉管金属粉末化的风险，和对加热盘管材质的要求。

Description

一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化 制氢的方法
技术领域
本发明属煤制油领域，尤其涉及一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法。
背景技术
一、黑烟形成
在煤制油项目油洗干气非渗透气传统纯氧转化制氢工艺中，火焰中常有黑烟形成。
理论研究发现，黑烟的主要成分是炭黑，炭黑形成是一个复杂的聚合过程，它不是甲烷裂解或重碳氢化合物形成碳直链。而是甲烷转化反应在火焰中形成CH3，CH2和CH自由基(正常情况下这些自由基会完全转换为CO)，一些自由基反应形成乙烯(C2H4)和乙炔(C2H2)，最后聚合成芳香族化合物，如苯、甲苯等，继续反应直到形成最终产品炭黑。
如果原料气含有一定量的乙烯、丙烯、丁烯等不饱和烃，则可以直接聚合反应生成炭黑，而不需要甲烷生成乙烯再发生聚合，因此，如果原料气中含有一定量的不饱和烃，则形成炭黑的概率会明显增加。
已建成的类似项目经验也说明此类问题，上世纪八十年代，中石化川维工厂在利用乙炔尾气资源生产甲醇的工艺装置中，二段转化炉燃烧器与转化催化剂因结炭始终制约并影响甲醇装置正常生产，历经十年，未能根本解决。一九九七年，通过与日本东洋株式会社合作，针对尾气资源含有部分不饱和炔烃与烯烃成分，利用国产不饱和烃加氢净化催化剂，在一定程度上缓解了炭黑的问题。
基于煤制油项目FT合成尾气中,含有足够高的高级烃(包括乙烷，丙烷，丁烷，戊烷，己烷，和庚烷)和一些不饱和烃(乙烯，丙烯，丁烯，戊烯，已稀和庚烯)，基于理论研究和已建成类似项目的经验，这些组成如果不经处理直接进转化炉，则在纯氧转化制氢过程中会造成明显的黑烟生成。
二、技术不足
目前煤制油项目油洗干气非渗透气传统的纯氧转化制氢工艺中存在以下技术不足：
现有技术虽然一定程度上解决了不饱和烃加氢净化的问题，但也存在综合加氢转化率低(一般≤70％)，加氢不彻底的问题；
现有常规使用的加氢催化剂只有在硫化态下才有活性，但下游系统要求原料气中不能含硫，因为原料气中不含硫，故存在需要先硫化再脱硫的矛盾；
现有加氢催化剂只具有加氢催化的作用，不能同时促进CO变换反应，从而无法降低原料气中CO的含量，为了避免加热炉炉管金属粉末化风险，只能选择材料等级更高、价格昂贵的加热炉炉管材质，如INCONEL 600系列，即使这样，也无法从根本上解决炉管的使用寿命问题。
同时，因为传统工艺无法同时促进CO变换反应，故无法提高出口工艺气中H2的含量，只能采用较高的进料温度来提高原料气在转化炉内自燃的可靠性，因此会消耗更多的燃料。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是在于提供一种适用于煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气气体特点的，能有效避免转化过程中炭黑形成的，能降低设备造价、改善操作工况和保证催化剂使用寿命的，在精简工艺流程的同时，又能有效提高装置安全性的，一种新的原料气预处理和转化制氢工艺。
一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于：
油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气原料气经加热炉预热后，后按1：0.65-1.5的原料气与蒸汽摩尔比加入中压蒸汽后，送入预处理反应器，原料气中的不饱和烃在预处理催化剂的作用下发生加氢反应，同时发生CO变换反应；反应后的原料气继续送往加热炉辐射段盘管加热至440-480℃后，去转化炉进料，在1-3秒达到反应平衡，制得富氢工艺气，后经变换和提氢得到最终产品氢气。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的原料气中含有的高级烃的干基摩尔含量总和在1～4％；
所述的原料气中含有的不饱和烃的干基摩尔含量总和在1～6％；
所述的原料气中含有的CO干基摩尔含量在10～30％；
所述的原料气中含有的H2干基摩尔含量在10～30％。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂为铜系催化剂,正常使用空速为1500～2500h-1。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的原料气加热炉预热温度为220-280℃。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂兼具不饱和烃加氢和CO变换的双重功效。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂开车阶段及正常情况下使用都不需要硫化预处理。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，高级烃指的是＞C4的烃类，不饱和烃指的是乙烯、丙烯、丁烯、戊烯中的一种或几种。
所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，原料气经加热炉预热后，按一定气汽摩尔比比例配入中压蒸汽后送预处理反应器，原料气中的不饱和烃在预处理催化剂的作用下发生加氢反应，同时发生CO变换反应；反应后的原料气继续送往加热炉辐射段盘管加热后去转化炉进料。
所述的原料气中含有的高级烃(＞C4的烃类等)干基摩尔含量总和在1～4％。
所述的原料气中含有的不饱和烃(乙烯、丙烯、丁烯、戊烯等)干基摩尔含量总和在1～6％。
所述的原料气中含有的CO干基摩尔含量在10～30％。
所述的原料气中含有的H2干基摩尔含量在10～30％。
所述的原料气加热炉辐射段加热温度控制在440～480℃。
所述的原料气加热炉对流段预热温度控制在220～280℃。
所述的预处理催化剂的兼具不饱和烃加氢和CO变换的双重功效。
所述的预处理催化剂开车阶段及正常情况下使用都不需要硫化。
为达到上述目的，本发明采用了新的工艺技术，与传统工艺比较，具体技术方案及对应有益效果如下：
1)本工艺采用成熟、安全、可靠的不饱和烃预处理工艺，采用新型的预处理催化剂，可以将原料气中的乙烯、丙烯、丁烯、戊烯等不饱和烯烃(常规原料气中不饱和烃干基摩尔含量总和在1～6％之间)98％以上加氢饱和，以大大降低炭黑生成的概率。
2)此预处理催化剂的使用工艺路线简单，升温还原方便，开车阶段采用常规还原性气体还原即可使用，正常情况下使用不需要硫化，上游来的原料气可以直接进入催化剂床层，等温反应，高效回收反应热，反应可控性好。
3)考虑到所述原料气中含有较高的CO(10～30％，干基mol％)，富CO原料气直接进加热炉加热，加热炉盘管存在较高的金属粉末化的风险，为避免金属粉末化，只能选择材料等级更高、价格昂贵的加热炉炉管材质，如INCONEL600系列，即使这样，也无法从根本上解决炉管的使用寿命问题。本工艺方法对原料气进行了预处理，预处理催化剂兼具变换催化剂的功效，经预处理工艺后的原料气中CO可以≥97％变换为H2，出口工艺气中CO含量≤1％，故能有效降低炉管的金属粉末化风险。
4)通过预处理催化剂的CO变换功效，降低了转化炉入口原料气中CO的浓度，也是避免转化炉内生成炭黑的一个有效手段。
5)原料气经加氢预处理后，氢气含量从原始时的10～30％(mol％干基)提高到25～45％(mol％干基)。原料气中H2含量提高明显，富氢原料气在转化炉纯氧环境下，瞬间自燃的可靠性大大提高。
6)富氢的特点也可以大大降低了对炉内环境温度的要求，常规方法原料气通常需要加热到550℃～650℃左右，采用本发明的新工艺，原料气只需要加热至440～480℃，故明显改善了加热炉的操作工况的同时，大大增强了操作的安全性。
7)原料气加热温度的明显降低，可以节约30％的加热热负荷，约节约～30％的燃料消耗，节能降耗及环保效果明显。
8)在原料气加热温度明显降低，和经预处理工艺后的原料气中CO含量降至1％以下的双重因素的影响下，本来需要选择镍基合金材质的加热炉炉管，现 在只需要选用不锈钢材质，炉管的材料费能节省80％以上，而且使用寿命更长。因前面所述新工艺有效解决了炭黑生成的问题，及各操作工况的改善，故大大增加了纯氧转化工艺过程的安全可靠性，从而保证了纯氧转化催化剂的使用寿命，保证了转化制氢装置的运行可靠性，最终保证煤制油工厂长周期、稳定运行的可靠性。本发明一种新型的、适用于煤制油项目油洗干气气体特点的，能有效避免转化过程中黑烟形成的，能降低设备造价、改善操作工况和延长催化剂使用寿命的，在精简工艺流程的同时，又能有效提高装置安全性的新的油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气(以下简称原料气)预处理及纯氧转化制氢工艺。
附图说明
图1为本发明所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法的工艺流程示意图；
其中的22100-F001指的是加热炉；
其中的22100-V001指的是反应器汽包；
其中的22100-R001指的是预处理反应器；
其中的22100-F002指的是转化炉；
其中的22100-E001指的是氧气预热器；
图2为本发明所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法的流程方块示意图。
具体实施方式
下面结合图1、图2对本发明做进一步的描述：
油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气原料气经加热炉预热后，后按1：1的原料气与蒸汽摩尔比加入中压蒸汽后，送入预处理反应器，原料气中的不饱和烃在预处理催化剂的作用下发生加氢反应，同时发生CO变换反应；反应后的原料气继续送往加热炉辐射段盘管加热至450℃后，去转化炉进料，在1-3秒达到反应平衡，制得富氢工艺气，后经变换和提氢得到最终产品氢气。
所述的原料气中含有的高级烃的干基摩尔含量总和在1～4％；
所述的原料气中含有的不饱和烃的干基摩尔含量总和在1～6％；
所述的原料气中含有的CO干基摩尔含量在10～30％；
所述的原料气中含有的H2干基摩尔含量在10～30％。
所述的预处理催化剂为铜系催化剂,正常使用空速为1500～2500h-1。
所述的预处理催化剂兼具不饱和烃加氢和CO变换的双重功效。
所述的预处理催化剂开车阶段及正常情况下使用都不需要硫化预处理。
高级烃指的是＞C4的烃类，不饱和烃指的是乙烯、丙烯、丁烯、戊烯中的一种或几种。
从空分来的纯氧在氧气预热器中被加热到≥170℃从转化炉顶部烧嘴进入，增湿并加热后的原料气从转化炉颈部侧向进入，经专门设计的分布器均匀分布后在烧嘴头处与喷出的氧气接触自燃，H2和O2在催化剂床层上部空间发生燃烧反应迅速升温，经合理设计的燃烧室流体动力场能保证合适的气体回流，原料气在高温及蒸汽环境下发生甲烷转化反应，高温气体随即向下进入催化剂床层，进一步发生甲烷转化和变换反应。经催化床层出口的工艺气中CH4含量降至≤0.40％(干基mol％)。实施例具体数据见表1：
表1

Claims (7)

1.一种煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于：
油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气原料气经加热炉预热后，后按1：0.65-1.5的原料气与蒸汽摩尔比加入中压蒸汽后，送入预处理反应器，原料气中的不饱和烃在预处理催化剂的作用下发生加氢反应，同时发生CO变换反应；反应后的原料气继续送往加热炉辐射段盘管加热至440-480℃后，去转化炉进料，在1-3秒达到反应平衡，制得富氢工艺气，后经变换和提氢得到最终产品氢气。
2.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的原料气中含有的高级烃的干基摩尔含量总和在1~4%，高级烃指的是＞C4的烃类；
所述的原料气中含有的不饱和烃的干基摩尔含量总和在1~6%；
所述的原料气中含有的CO干基摩尔含量在10~30%；
所述的原料气中含有的H2干基摩尔含量在10~30%。
3.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂为铜系催化剂,正常使用空速为1500~2500h-1。
4.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的原料气加热炉预热温度为220-280℃。
5.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂兼具不饱和烃加氢和CO变换的双重功效。
6.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，所述的预处理催化剂开车阶段及正常情况下使用都不需要硫化预处理。
7.根据权利要求1所述的煤制油项目油洗干气经膜分离后的膜分离非渗透气转化制氢的方法，其特征在于，不饱和烃指的是乙烯、丙烯、丁烯、戊烯中的一种或几种。
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