CN106564861A - 一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明属于石油化工技术领域，公开了一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺。该工艺在转化炉出口、余热锅炉进口间设置转化气透平膨胀机，以回收一次转化气的压力能和高温热能产生机械功或发电或驱动其他动力设备(如原料天然气压缩机)，在不影响氢产品的收率和纯度的情况下，增加装置输出能和降低装置能耗，实现了能量升级利用，取得经济效益显著。

Description

一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺
技术领域
本发明属于石油化工技术领域，具体涉及一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺。
背景技术
由于能帮助饱和石油馏分中的不饱和烃以及将大分子断链成小分子和将硫、氮、氧等有害元素转化成易于分离的H2S、NH3、H2O等，氢气在炼油过程中的应用越来越普及，诸如加氢裂化、加氢改质、加氢精制等，从而极大的提升了炼厂氢需求。
目前炼厂通常采用烃类蒸汽转化工艺制氢。基本流程是精制后的制氢原料(多为天然气和石脑油)进转化炉，在高温和催化剂的作用下，原料中的碳元素与外部注入的水蒸汽发生反应，生成富含氢气和一氧化碳的转化气，再经高温变换(简称“高变”)将转化气中的一氧化碳转化为二氧化碳，然后经逐级降温、分凝和变压吸附(PSA)等工艺得到浓度为99.9％的工业氢。
出自转化炉的转化气约850℃、3.05MPa。现有流程是转化气一次进余热锅炉产生3.5MPa蒸汽，二次约340℃进高变。虽然转化气的热能在余热锅炉中得到了回收，但压力能却没有；同时余热锅炉传热温差大，高温端温差约600℃(3.5MPa蒸汽的饱和温度为243℃)，说明其热回收过程第二定律能效很低，仅39％。故如何在不影响转化气后续工艺的前提下，最高效率的回收转化气的能量是十分重要的，可以增加制氢过程输出能，极大的降低制氢工艺能耗(对加氢型炼厂来说，制氢装置的能耗通常占炼油能耗的15％)。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺。该工艺在转化炉出口、余热锅炉进口间设置转化气膨胀透平，以回收一次转化气的压力能和高温热能产生机械功或发电或驱动其他动力设备(如原料天然气压缩机)，极大的提高能量利用效率。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺，包括如下步骤：
原料天然气经加压、升温后进串级加氢与脱硫反应器以除去其中对制氢催化剂有害的元素(如硫、砷等)，然后与中压饱和蒸汽混合进转化炉对流段预热和在预转化反应器中发生预转化反应，再进转化炉管，在高温和催化剂的作用下发生转化反应，生成富含H2、CO、CO2的转化气；所得转化气自压进透平膨胀机以回收压力能和高温热能，然后进余热锅炉产生中压饱和蒸汽以及通过高温变换反应器进一步生成H2和将CO转化成CO2；最后经预热除盐水、工艺冷凝液及两级气液分离，富含氢气体进PSA单元，提纯成浓度为99.9％的工业氢。
优选地，所述中压饱和蒸汽和是指3.5MPa饱和蒸汽。
优选地，所述与中压饱和蒸汽混合进转化炉对流段时控制水碳比为2.6。
本发明基于以下原理：
(1)设置透平膨胀机，以现有工业技术条件下的最高第二定律能效方式，以绝热恒熵膨胀过程回收一次转化气的压力能和高温段热能。
(2)合适回收压力能后的二次转化气仍具有足够的压头完成后续流程，且适度降温后的二次转化气仍能保证余热锅炉有足够的传热温差以产生品质合格的中压蒸汽。因此设置透平膨胀机的本质是升级利用转化气的能量，而并不改变制氢工艺。
(3)设置透平膨胀机后，高变反应器的操作压力有降低，但其中进行的是等分子可逆反应，压力变化对反应平衡基本没影响；
相对于现有技术，本发明具有如下优点及有益效果：
(1)较现有工艺增加了一次转化气透平膨胀机功输出，可用于发电或驱动其他动力设备，利于增加装置输出能和降低装置能耗；
(2)转化气第二定律能效大幅度提升(达45％，较现有工艺增加6％)，实现了能量升级利用；
(3)本发明工艺基本不改变现有烃类蒸汽转化制氢工艺的核心操作参数，不影响氢产品的收率和纯度；
(4)仅在转化炉出口和余热锅炉入口间设置透平膨胀机，不改变上、下游设备和流程；并设置了透平膨胀机旁路滑阀，可灵活调整二次转化气参数，增加了工艺的操作弹性；
(5)一次转化气温度在740～860℃之间、压力在2.2～3.05MPa之间，且不含颗粒和机械杂质，无腐蚀性，能较好满足透平膨胀机的操作条件。
附图说明
图1为本发明对比例的现有烃类蒸汽转化制氢工艺流程图；
图2为本发明实施例的烃类蒸汽转化制氢工艺流程图。
图中编号说明如下：1-天然气压缩机；2-天然气预热器；3，4-烟气～原料预热器；5-加氢反应器；6-脱硫反应器；7-预转化反应器；8-转化炉；9-余热锅炉；10-第二锅炉给水预热器；11-高温变换反应器；12-工艺冷凝液蒸汽发生器；13-第一锅炉给水预热器；14-工艺冷凝液预热器；15-除盐水预热器；16-变换气第一分液罐；17-变换气空冷器；18-变换气水冷器；19-变换气第二分液罐；20-PSA单元；21、22-工艺冷凝液泵；23-透平膨胀机。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
对比例
本对比例为现有烃类蒸汽转化制氢工艺，其流程如图1所示。具体步骤如下：
来自管网的原料天然气经过天然气压缩机1提压后进入天然气预热器2，被来自管网的1.0MPa蒸汽预热，然后进转化炉烟气～原料预热器3和4，进一步加热升温后进加氢反应器5和脱硫反应器6，以脱除硫、砷等有害元素。接着被注入3.5MPa饱和蒸汽，以适宜的水碳比进转化炉8的对流段，经升温后进预转化反应器7和转化炉8的炉管。轻烃和水蒸汽在炉管内进行转化反应，生成富含H2、CO、CO2的转化气。
离开转化炉的高温高压转化气先进余热锅炉9产生中压3.5MPa饱和蒸汽，接着串级进第二锅炉给水预热器10和高温变换反应器11，将CO进一步转化成生成H2和CO2，然后串级经工艺冷凝液蒸汽发生器12、第一锅炉给水预热器13、工艺冷凝液预热器14、除盐水预热器15降温后进变换气第一分液罐16进行气液分离；分液后的高变气再经变换气空冷器17和变换气水冷器18降温后进变换气第二分液罐19，再次分离出凝液，然后进PSA单元20提纯氢气。而出自两座分液罐的凝液或发生蒸汽或外排。
实施例
本实施例一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺，其工艺流程如图2所示。具体步骤如下：
来自管网的原料天然气经过天然气压缩机1提压后进入天然气预热器2，被来自管网的1.0MPa蒸汽预热，然后进转化炉烟气～原料预热器3和4，进一步加热升温后进加氢反应器5和脱硫反应器6，以脱除硫、砷等有害元素。接着被注入3.5MPa饱和蒸汽，以适宜的水碳比进转化炉8的对流段，经升温后进预转化反应器7和转化炉8的炉管。轻烃和水蒸汽在炉管内进行转化反应，生成富含H2、CO、CO2的转化气。
离开转化炉的高温高压转化气先进透平膨胀机23回收压力能和高温段热能，以产生机械功或驱动发电机发电或驱动原料天然气压缩机1(并在透平膨胀机旁设置旁路滑阀，可灵活调整二次转化气参数)，然后进余热锅炉9产生中压3.5MPa饱和蒸汽，再接着串级进第二锅炉给水预热器10和高温变换反应器11，将CO进一步转化成生成H2和CO2，然后经工艺冷凝液蒸汽发生器12、第一锅炉给水预热器13、工艺冷凝液预热器14、除盐水预热器15降温后进变换气第一分液罐16进行气液分离；分液后的高变气再经变换气空冷器17和变换气水冷器18降温后进变换气第二分液罐19，再次分离出凝液，然后进PSA单元20提纯氢气。而出自两座分液罐的凝液或发生蒸汽或外排。
实施例与对比例能耗比较：
以某以天然气为原料的产纯氢7×104Nm3/h的烃类蒸汽转化制氢装置为例。对比例中，来自管网的原料天然气(18180kg/h、24℃、3.0MPa)经加压升温后370.6℃、3.87MPa依次进加氢和脱硫反应器，然后与54.8t/h中压饱和蒸汽(299℃、3.5MPa)混合进转化炉对流段预热到498.4℃，经预转化及加热后630℃、3.27MPa进转化炉炉管，发生转化反应，产生的高温高压转化气以850℃、3.05MPa、72980kg/h离开炉管进余锅产生68.85t/h、3.5MPa、243℃中压饱和蒸汽，然后预热锅炉给水，以334.7℃、3.0MPa进高变，再依次进工艺冷凝液蒸汽发生器、锅炉给水预热器、工艺冷凝液预热器和除盐水预热器，降温到142℃、2.67MPa进一次气液分离。分液后的高变气再经空冷、水冷降温到31℃、2.58MPa进入PSA单元提纯氢气，产99.9％氢64962Nm3/h。
实施例中，出自转化炉管的850℃、3.05MPa、72980kg/h高温高压转化气不进余锅，而是进透平膨胀机做功2413kW，然后811℃、2.47MPa进余锅产生64.35t/h、3.5MPa、243℃饱和蒸汽；在预热锅炉给水后，以334.7℃、2.42MPa进高变，完成后续工艺，得到99.9％氢64962Nm3/h。
表1列出了对比例和实施例的主要能耗参数。
表1对比例和实施例主要能耗参数对比
No. 项目 单位 对比例1 实施例1 差值
1 转化炉反应热 kW 61034 61034 0
2 余锅3.5MPa饱和蒸汽产量 t/h 68.85 64.35 -4.5
3 凝液3.5MPa饱和蒸汽产量 t/h 14.52 14.52 0
4 膨胀透平做功(效率80％) kW / 2413 2413
5 产品氢产量 kg/h 5806 5806 0
6 产品氢纯度 v％ 99.9 99.9 0
从表1可以看出，相较于对比例，实施例在不改变产品氢收率和纯度的前提下：
1)转化气经过膨胀透平后压力从3.05MPa降至2.47MPa，做功2413kW；
2)由于转化气经过膨胀做功后温度下降39℃，导致余锅3.5MPa饱和蒸汽产量下降4.5t/h(产汽量下降可通过提高除氧水进汽包温度得到一定弥补)；
3)由于保持高变操作温度不变，故工艺冷凝液蒸汽发生器的产汽量不变。
合计1～3项，按3.5MPa蒸汽200元/t、循环水0.3元/t(温差取8℃)、电价0.75元/kwh计算，实施例较比较例可实现年综合效益764.2万元。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺，其特征在于包括如下步骤：
原料天然气经加压、升温后进串级加氢与脱硫反应器以除去其中对制氢催化剂有害的元素，然后与中压饱和蒸汽混合进转化炉对流段预热和在预转化反应器中发生预转化反应，再进转化炉管，在高温和催化剂的作用下发生转化反应，生成富含H2、CO、CO2的转化气；所得转化气自压进透平膨胀机以回收压力能和高温热能，然后进余热锅炉产生中压饱和蒸汽以及通过高温变换反应器进一步生成H2和将CO转化成CO2；最后经预热除盐水、工艺冷凝液及两级气液分离，富含氢气体进PSA单元，提纯成浓度为99.9％的工业氢。
2.根据权利要求1所述的一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺，其特征在于：所述中压饱和蒸汽和是指3.5MPa饱和蒸汽。
3.根据权利要求1所述的一种高效回收烃类蒸汽转化制氢过程中转化气能量的工艺，其特征在于：所述与中压饱和蒸汽混合进转化炉对流段时控制水碳比为2.6。
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