CN106838854A - 一种副产高品位蒸汽的变换系统及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于能源化工技术领域，涉及一种副产高品位蒸汽的变换系统及其使用方法。该变换系统包括气液分离器、原料气预热器、过滤器、第一变换炉、第一废热锅炉、脱盐水预热器、第二变换炉、脱盐水加热器和第三变换炉。通过增加脱盐水预热器和脱盐水加热器等组成部件、调整变换工艺流程的内部工序以及改变相关的工艺参数等手段，使第一废热锅炉内能够副产压力为12MPa以上的高品位饱和蒸汽，充分利用了变换过程中的反应热，减少了能量损失，实现了节约能源的目的。
Description
技术领域
本发明属于能源化工技术领域，涉及一种副产高品位蒸汽的变换系统及其使用方法。
背景技术
进入21世纪以来，包括煤、石油和天然气在内的化石能源在世界能源消费结构中仍占据主体地位。据有关资料报道，世界范围内已探明的石油储量只能供人类使用至本世纪中叶。煤炭作为最早被开采的化石能源，其资源储量虽然丰富，但经济可采储量较少。加之我国人口众多，当今煤炭资源的人均占有量仅约为234.4吨，远低于美国人均的1045吨，煤炭后备储量相当紧张。因此，对于能源化工领域而言，如何高效、合理地利用化石能源将具有重要意义。
在以煤化工、石油化工、天然气化工等为基础发展起来的大规模化学工业(即大化工)领域中，变换工段是至关重要的一个工段，处于变换炉中的原料气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，进而获得预期的工艺气。由于变换反应会放出大量的热，并且该反应为可逆反应，因此需要转移该部分热量，才能确保反应继续向正方向进行。
在传统变换工艺流程中，变换反应产生的热量以锅炉蒸汽的形式转移，利用多个给水锅炉产生蒸汽的方式来降低工艺气的温度，最终获得不同压力等级的低品位饱和蒸汽。然而，在化工生产过程中，理想的目标是使蒸汽能量尽可能多地转化为机械能，而减少低品位蒸汽的能量耗散，因为后者无法被有效利用。因此，在特定工况下，制备高品位蒸汽将有利于实现能量的最大化使用，符合国家提出的“建设资源节约型、环境友好型社会”方针。
发明内容
如图1所示，石油化工、煤化工、合成氨等大化工企业中使用的传统变换系统主要包括气液分离器、原料气预热器、过滤器、第一变换炉、第一废热锅炉、第二变换炉、第二废热锅炉、第三变换炉和第三废热锅炉；其中：气液分离器的入口与气化工段连接，气液分离器的出口与原料气预热器(作为气-气换热器使用)的原料气入口连接，原料气预热器的原料气出口与过滤器的入口连接，过滤器的出口与第一变换炉的入口连接，第一变换炉的出口与原料气预热器的变换气入口连接，原料气预热器的变换气出口与第一废热锅炉的入口连接，第一废热锅炉的出口与第二变换炉的入口连接，第二变换炉的出口与第二废热锅炉的入口连接，第二废热锅炉的出口与第三变换炉的入口连接，第三变换炉的出口与第三废热锅炉的入口连接，第三废热锅炉的出口与合成工段连接。
上述传统变换系统的工艺流程如下所述：将来自于气化工段的原料气导入气液分离器中，经气液分离器分离出部分煤灰和水，再经原料气预热器升温，升温后的原料气经过滤器进入第一变换炉，经变换反应再次升温，变换气经原料气预热器换热降温，再进入第一废热锅炉，副产低品位饱和蒸汽，变换气再次降温；再次降温后的变换气进入第二变换炉，经变换反应升温，再进入第二废热锅炉，副产低品位饱和蒸汽，变换气降温；降温后的变换气进入第三变换炉，经变换反应升温，再进入第三废热锅炉，变换气降温，降温后的变换气最终进入合成工段。
为了克服传统变换工艺中低品位蒸汽能量消耗严重，蒸汽能量无法最大程度地转化为机械能的问题，本发明基于现有的变换系统及其使用方法进行技术改造，提供了一种副产高品位蒸汽的变换系统及其使用方法，以减少低品位蒸汽的能量耗散，实现能量的最大化使用。
具体而言，本发明采用下列技术方案：
一种副产高品位蒸汽的变换系统，其包括气液分离器、原料气预热器、过滤器、第一变换炉、第一废热锅炉、脱盐水预热器、第二变换炉、脱盐水加热器和第三变换炉；
其中：
气液分离器的入口与气化工段连接，气液分离器的出口与原料气预热器(作为气-气换热器使用)的原料气入口连接，原料气预热器的原料气出口与过滤器的入口连接，过滤器的出口与第一变换炉的入口连接，第一变换炉的出口与第一废热锅炉的变换气入口连接，第一废热锅炉的变换气出口与脱盐水预热器(作为气-液换热器使用)的变换气入口连接，脱盐水预热器的变换气出口与原料气预热器的变换气入口连接，原料气预热器的变换气出口与第二变换炉的入口连接，第二变换炉的出口与脱盐水加热器(作为气-液换热器使用)的变换气入口连接，脱盐水加热器的变换气出口与第三变换炉的入口连接，第三变换炉的出口与合成工段连接；
脱盐水加热器的脱盐水入口与脱盐水制备工段连接，脱盐水加热器的脱盐水出口与脱盐水预热器的脱盐水入口连接，脱盐水预热器的脱盐水出口与第一废热锅炉的脱盐水入口连接，第一废热锅炉的脱盐水出口与脱盐水处理工段连接。
在上述变换系统中，所述脱盐水预热器选自除氧水预热器、锅炉水预热器、软水预热器中任意一种或多种。
在上述变换系统中，所述脱盐水加热器选自除氧水加热器、锅炉水加热器、软水加热器中任意一种或多种。
在一项优选的实施方案中，所述脱盐水加热器的脱盐水出口还与气化工段中的废热锅炉连接。
上述副产高品位蒸汽的变换系统的使用方法，其包括下列步骤：
1)将来自于气化工段的原料气导入气液分离器中，经气液分离器分离出灰分和水分，再经原料气预热器升温，升温后的原料气经过滤器进入第一变换炉，经变换反应再次升温，再次升温后的变换气进入第一废热锅炉，副产高品位饱和蒸汽，变换气降温；降温后的变换气进入脱盐水预热器，对脱盐水进行加热，变换气再次降温；再次降温后的变换气经原料气预热器第三次降温，第三次降温后的变换气进入第二变换炉，经变换反应升温，升温后的变换气进入脱盐水加热器，对脱盐水进行加热，变换气降温；降温后的变换气进入第三变换炉，经变换反应升温，升温后的变换气最终进入合成工段；
2)将来自于脱盐水制备工段的脱盐水导入脱盐水加热器中，经脱盐水加热器升温，升温后的脱盐水进入脱盐水预热器，经脱盐水预热器再次升温，再次升温后的脱盐水进入第一废热锅炉中，为第一废热锅炉供水，最终进入脱盐水处理工段。
在上述使用方法中，步骤1)中所述高品位饱和蒸汽的压力为12MPa以上。
在一项优选的实施方案中，步骤2)中经脱盐水加热器升温后的脱盐水还进入气化工段的废热锅炉中，为气化工段的废热锅炉供水。
与传统变换系统的工艺流程相比，本发明的变换系统及其使用方法能够高效地收集能量。同时，还应注意结合企业自身的动力需求，有效地控制废热锅炉的压力。在保证能量较大收集率的同时，合理支配企业的动力蒸汽。此外，本发明的变换系统及其使用方法还具有技术安全可靠、设备安装方便、投资少、成本低等优点。
附图说明
图1为传统变换系统及其使用方法的工艺流程图。
图2为本发明的变换系统及其使用方法的工艺流程图，实线箭头表示气体行进方向，虚线箭头表示脱盐水行进方向，其中的附图标记具有下列含义：101.气液分离器；102.原料气预热器；103.过滤器；104.第一变换炉；105.第一废热锅炉；106.脱盐水预热器；107.第二变换炉；108.脱盐水加热器；109.第三变换炉。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明中的技术方案做出进一步的阐述。除另有说明外，下列实施例中所使用的设备、材料、试剂等均可通过常规商业手段获得。
对比例：传统变换系统及其应用。
传统变换系统包括气液分离器、原料气预热器、过滤器、第一变换炉、第一废热锅炉、第二变换炉、第二废热锅炉、第三变换炉和第三废热锅炉。
以温度为215℃的水煤气作为原料气，将来自于气化工段的原料气导入气液分离器中，经气液分离器分离出部分煤灰和水，再经原料气预热器升温至260℃，升温后的原料气进入第一变换炉，经变换反应再次升温至454℃，变换气经原料气预热器换热降温至392℃，再进入第一废热锅炉，副产2.5MPa饱和蒸汽，变换气再次降温至235℃；再次降温后的变换气进入第二变换炉，经变换反应升温至255℃，再进入第二废热锅炉，副产1.5MPa饱和蒸汽，变换气降温至215℃；降温后的变换气进入第三变换炉，经变换反应升温至221℃，再进入第三废热锅炉，变换气降温至162℃，降温后的变换气最终进入合成工段。
以进入变换系统的工艺气流量为317336kg/h(15964kmol/h)，温度为215℃，压力为3.9MPa，定压比热容(Cp)为0.4364kcal/kg为例：在第一变换炉内发生的化学反应为CO+H2O＝CO2+H2+Q，Q表示反应放出的热量(41.2kJ/mol)，工艺气中CO的摩尔百分比在变换反应发生前后分别为21.566％和4.155％，因此第一变换炉内的反应热计算如下：15964kmol/h×(21.566-4.155)％×41.2kJ/mol＝114515×103kJ/h。第一废热锅炉副产2.5MPa饱和蒸汽，该压力条件下水的汽化热为1840kJ/kg，汽化温度为224℃。工艺气在第一废热锅炉中的热负荷为317336kg/h×(392-235)℃×0.4364kcal/kg×4.18kJ/(kg·℃)＝90882448.55kJ/h，而锅炉给水温度为160℃。根据能量守恒定律，第一废热锅炉的饱和蒸汽产量为90882448.55kJ/h÷[1840kJ/kg+(224-160)℃×4.18kJ/(kg·℃)]＝43122.9kg/h，第一废热锅炉副产2.5MPa蒸汽的效率约为43.12t/h。第二废热锅炉副产1.5MPa饱和蒸汽，该压力条件下水的汽化热为1934kJ/kg，汽化温度为201℃。工艺气在第二废热锅炉中的热负荷为317336kg/h×(255-215)℃×0.4364kal/kg×4.18kJ/(kg·℃)＝23154763kJ/h，而锅炉给水温度为160℃。根据能量守恒定律，第二废热锅炉的饱和蒸汽产量为23154763kJ/h÷[1934kJ/kg+(201-160)℃×4.18kJ/(kg·℃)]＝10998kg/h，第二废热锅炉副产1.5MPa蒸汽的效率约为11.00t/h。由此可见，在传统变换系统的工艺流程中，在锅炉给水温度为160℃的条件下，只能副产2.5MPa蒸汽(效率仅为43.12t/h)和1.5MPa蒸汽(效率仅为11.00t/h)等低品位蒸汽，无法实现能量利用最大化。
实施例：本发明的副产高品位蒸汽的变换系统及其应用。
如图2所示，本发明的副产高品位蒸汽的变换系统包括气液分离器101、原料气预热器102、过滤器103、第一变换炉104、第一废热锅炉105、脱盐水预热器106、第二变换炉107、脱盐水加热器108和第三变换炉109；其中：气液分离器101的入口与气化工段连接，气液分离器101的出口与原料气预热器102的原料气入口连接，原料气预热器102的原料气出口与过滤器103的入口连接，过滤器103的出口与第一变换炉104的入口连接，第一变换炉104的出口与第一废热锅炉105的变换气入口连接，第一废热锅炉105的变换气出口与脱盐水预热器106(可选除氧水预热器、锅炉水预热器或软水预热器)的变换气入口连接，脱盐水预热器106的变换气出口与原料气预热器102的变换气入口连接，原料气预热器102的变换气出口与第二变换炉107的入口连接，第二变换炉107的出口与脱盐水加热器108(可选除氧水加热器、锅炉水加热器或软水加热器)的变换气入口连接，脱盐水加热器108的变换气出口与第三变换炉109的入口连接，第三变换炉109的出口与合成工段连接；脱盐水加热器108的脱盐水入口与脱盐水制备工段连接，脱盐水加热器108的脱盐水出口与脱盐水预热器106的脱盐水入口连接，脱盐水预热器106的脱盐水出口与第一废热锅炉105的脱盐水入口连接，第一废热锅炉105的脱盐水出口与脱盐水处理工段连接。
上述变换系统的使用方法包括下列步骤：
1)将来自于气化工段的原料气导入气液分离器101中，经气液分离器101分离出灰分和水分，再经原料气预热器102升温，升温后的原料气经过滤器103进入第一变换炉104，经变换反应再次升温，再次升温后的变换气进入第一废热锅炉105，副产高品位饱和蒸汽(压力为12MPa以上)，变换气降温；降温后的变换气进入脱盐水预热器106，对脱盐水进行加热，变换气再次降温；再次降温后的变换气经原料气预热器102第三次降温，第三次降温后的变换气进入第二变换炉107，经变换反应升温，升温后的变换气进入脱盐水加热器108，对脱盐水进行加热，变换气降温；降温后的变换气进入第三变换炉109，经变换反应升温，升温后的变换气最终进入合成工段；
2)将来自于脱盐水制备工段的脱盐水导入脱盐水加热器108中，经脱盐水加热器108升温，升温后的脱盐水进入脱盐水预热器106，经脱盐水预热器106再次升温，再次升温后的脱盐水进入第一废热锅炉105中，为第一废热锅炉105供水，最终进入脱盐水处理工段。
同样，以进入变换系统的工艺气流量为317336kg/h(15964kmol/h)、温度为215℃、压力为3.9MPa，定压比热容为0.4364kcal/kg为例：在第一变换炉内发生的化学反应为CO+H2O＝CO2+H2+Q，Q表示反应放出的热量(41.2kJ/mol)，工艺气中CO的摩尔百分比在变换反应发生前后分别为21.566％和4.155％，因此第一变换炉内的反应热计算如下：15964kmol/h×(21.566-4.155)％×41.2kJ/mol＝114515×103kJ/h。第一废热锅炉副产12.0MPa饱和蒸汽，该压力条件下水的汽化热为1193kJ/kg，汽化温度为324℃。工艺气在第一废热锅炉和脱盐水预热器中的热负荷为317336kg/h×(454-290)℃×0.4364kcal/kg×4.18kJ/(kg·℃)＝94934532.25kJ/h，而脱盐水加热器给水温度设定为191.8℃。根据能量守恒定律，第一废热锅炉的饱和蒸汽产量为94934532.25kJ/h÷[1193kJ/kg+(324-191.8)℃×4.18kJ/(kg·℃)]＝54385kg/h，第一废热锅炉副产12.0MPa蒸汽的效率约为54.38t/h。对于第二变换炉与第三变换炉之间的脱盐水加热器而言，根据工艺条件，已知脱盐水加热器出入口的变换气温度分别为255℃和215℃，流量为317336kg/h，定压比热容为0.4364kcal/kg，其所需热源量为(54385+120000)kg/h×(191.8-160)℃×4.18kJ/(kg·℃)＝23179951.74kJ/h，而其热负荷为317336kg/h×0.4364kcal/kg×4.18kJ/(kg·℃)×(255-215)℃＝23154763.96kJ/h。由此可见，脱盐水加热器将160℃的锅炉水加热至191.8℃所需的能量与工艺气温降释放的热量基本相当。此时，经计算脱盐水加热器的出口水温度为191.77℃，同设定值191.8℃相差无几，方法设计较为合理。对传统变换系统进行经改造后，可以副产12.0MPa高品位饱和蒸汽(效率提高至54.38t/h)，实现了单位能量的最大化收集利用。
Claims (7)
1.一种副产高品位蒸汽的变换系统，其包括气液分离器(101)、原料气预热器(102)、过滤器(103)、第一变换炉(104)、第一废热锅炉(105)、脱盐水预热器(106)、第二变换炉(107)、脱盐水加热器(108)和第三变换炉(109)；
其中：
气液分离器(101)的入口与气化工段连接，气液分离器(101)的出口与原料气预热器(102)的原料气入口连接，原料气预热器(102)的原料气出口与过滤器(103)的入口连接，过滤器(103)的出口与第一变换炉(104)的入口连接，第一变换炉(104)的出口与第一废热锅炉(105)的变换气入口连接，第一废热锅炉(105)的变换气出口与脱盐水预热器(106)的变换气入口连接，脱盐水预热器(106)的变换气出口与原料气预热器(102)的变换气入口连接，原料气预热器(102)的变换气出口与第二变换炉(107)的入口连接，第二变换炉(107)的出口与脱盐水加热器(108)的变换气入口连接，脱盐水加热器(108)的变换气出口与第三变换炉(109)的入口连接，第三变换炉(109)的出口与合成工段连接；
脱盐水加热器(108)的脱盐水入口与脱盐水制备工段连接，脱盐水加热器(108)的脱盐水出口与脱盐水预热器(106)的脱盐水入口连接，脱盐水预热器(106)的脱盐水出口与第一废热锅炉(105)的脱盐水入口连接，第一废热锅炉(105)的脱盐水出口与脱盐水处理工段连接。
2.根据权利要求1所述的副产高品位蒸汽的变换系统，其特征在于：
所述脱盐水预热器(106)选自除氧水预热器、锅炉水预热器、软水预热器中任意一种或多种。
3.根据权利要求1所述的副产高品位蒸汽的变换系统，其特征在于：
所述脱盐水加热器(108)选自除氧水加热器、锅炉水加热器、软水加热器中任意一种或多种。
4.根据权利要求1所述的副产高品位蒸汽的变换系统，其特征在于：
所述脱盐水加热器(108)的脱盐水出口还与气化工段中的废热锅炉连接。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的副产高品位蒸汽的变换系统的使用方法，其包括下列步骤：
1)将来自于气化工段的原料气导入气液分离器(101)中，经气液分离器(101)分离出灰分和水分，再经原料气预热器(102)升温，升温后的原料气经过滤器(103)进入第一变换炉(104)，经变换反应再次升温，再次升温后的变换气进入第一废热锅炉(105)，副产高品位饱和蒸汽，变换气降温；降温后的变换气进入脱盐水预热器(106)，对脱盐水进行加热，变换气再次降温；再次降温后的变换气经原料气预热器(102)第三次降温，第三次降温后的变换气进入第二变换炉(107)，经变换反应升温，升温后的变换气进入脱盐水加热器(108)，对脱盐水进行加热，变换气降温；降温后的变换气进入第三变换炉(109)，经变换反应升温，升温后的变换气最终进入合成工段；
2)将来自于脱盐水制备工段的脱盐水导入脱盐水加热器(108)中，经脱盐水加热器(108)升温，升温后的脱盐水进入脱盐水预热器(106)，经脱盐水预热器(106)再次升温，再次升温后的脱盐水进入第一废热锅炉(105)中，为第一废热锅炉(105)供水，最终进入脱盐水处理工段。
6.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：
步骤1)中所述高品位饱和蒸汽的压力为12MPa以上。
7.根据权利要求5所述的使用方法，其特征在于：
步骤2)中经脱盐水加热器(108)升温后的脱盐水还进入气化工段的废热锅炉中，为气化工段的废热锅炉供水。
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| CN106838854B (zh) | 2019-03-08 |
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