CN112456439B - 一种水煤浆气化制氢co变换装置及方法 - Google Patents

一种水煤浆气化制氢co变换装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于煤化工装置CO变换工艺技术领域，涉及一种水煤浆气化制氢CO变换装置及方法。结合来自水煤浆气化单元粗合成气的组分特点，能量利用集成设计原理，优化和搭建工艺流程。采用三段绝热变换工艺技术以满足煤制氢装置CO深度变换要求，在工艺优化设计中，中压锅炉给水经过两级预热后再去副产蒸汽，获得了大量的高品位蒸汽，系统换热网络高度集成，在满足工艺生产要求的同时获得良好能量利用效果，节省了建设投资，并且获得良好的运行效益。

Description

一种水煤浆气化制氢CO变换装置及方法
技术领域
本发明属于煤化工装置CO变换工艺技术领域，涉及一种水煤浆气化制氢CO变换装置及方法。
背景技术
煤制氢广泛应用于煤基化学品及石油炼制加氢等领域，在我国氢气生产中占据主导地位。煤制氢装置一般由煤气化、CO变换(简称变换)、酸性气体脱除和氢气提纯等单元组成。煤气化技术种类较多，可分为水煤浆气化、粉煤气化、碎煤移动床气化和流化床气化等不同类型。其中，水煤浆气化技术是炼油厂煤制氢项目较为适合的技术。最具代表性的水煤浆气化技术有美国GE水煤浆加压气化技术、道化学公司开发的两段式水煤浆气化技术，以及中国自主研发的多喷嘴水煤浆气化技术等
一氧化碳变换单元作为水煤浆气化制氢装置的主要配套关键技术，它是在催化剂的作用下，通过变换反应将粗煤气中的CO转化为H2。一氧化碳变换单元的关键设备为变换炉，从变换反应热的移除式来划分，一氧化碳变换技术可以分为绝热变换和等温变换。其中绝热变换是通过在2个变换炉之间设置换热器，在反应器外移出反应热。等温变换则是在变换炉中内置换热管束，通过副产蒸汽的方式来移出反应热。在煤制氢装置中，采用一氧化碳等温变换技术主要存在不足如下：(1)变换炉的设备结构复杂，单台设备造价高；(2)换热管与管板之间热应力难以消除导致设备运行过程容易泄露；(3)等温变换副产的蒸汽通常为饱和蒸汽，需要额外设置蒸汽过热炉以获得过热蒸汽，从而满足管网输送要求；(4)大型煤化工装置等温变换炉的运行稳定性仍需要经过长周期验证。
因此，目前工业生产中一氧化碳变换反应大多数采用多段绝热反应器串联工艺，从而达到工艺气中一氧化碳深度转化要求。对于煤制氢装置，通常需要设置三段变换炉串联，以满足深度变换率要求，由于一氧化碳变换反应为强放热反应过程，反应热的高效利用与回收，直接决定了煤制氢装置能效高低。在当前国内运行的煤制氢装置中，部分装置采用一氧化碳绝热变换工艺，主要存在以下不足：粗合成气需补充的大量蒸汽，系统热集成度不高，副产蒸汽量较少，循环水消耗量大，冷凝液汽提系统负荷大等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足之处，而提供了一种水煤浆气化制氢CO变换装置及方法，工艺流程设计具有操作运行稳定，系统能量集成效果好，副产高品位蒸汽量大等优点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种水煤浆气化制氢CO变换装置，该装置包括脱毒槽，1#变换炉，2#变换炉(7)和3#变换炉；粗合成气的输出管道与1#气液分离器相连，所述1#气液分离器的顶部粗合成气输出端通过管道依次与原料气蒸汽加热器、脱毒槽和1#变换炉相连；
所述1#变换炉出口通过管道依次与原料气蒸汽加热器、中压蒸汽发生器、2#中压锅炉给水预热器、2#变换炉、低压蒸汽过热器、中低压蒸汽发生器和3#变换炉相连，所述3#变换炉出口通过管道依次与1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器相连，2#气液分离器顶部的变换气输送至余热回收系统。
上述系统中：来自界外的中压锅炉给水输出管道依次与1#中压锅炉给水预热器、2#中压锅炉给水预热器、中压蒸汽发生器和原料气蒸汽加热器相连。
上述系统中：所述的1#气液分离器的内件型式采用叶片式或离心管束式高效分离结构或采用丝网除沫器结构。
一种利用上所述的装置实现水煤浆气化制氢CO变换的方法，该方法包括以下步骤：
1)粗合成气进入1#气液分离器进行气液分离后，顶部粗合成气经过原料气蒸汽加热器升温后经过脱毒槽后进入1#变换炉发生一氧化碳变换反应，1#变换炉出口变换气温度升高后，经过原料气蒸汽加热器被冷却后进入中压蒸汽发生器副产中压饱和蒸汽，变换气被进一步冷却，经过2#中压锅炉给水预热器进入2#变换炉继续发生一氧化碳变换反应；
2)2#变换炉出口变换气温度升高后，经过低压蒸汽过热器进入中低压蒸汽发生器副产中低压饱和蒸汽，变换气被冷却后进入3#变换炉继续发生一氧化碳深度变换反应；
3)3#变换炉出口变换气依次经过1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器后，送至热回收系统。
上述方法中：#变换炉入口温度控制在260～300℃之间，1#变换炉出口温度控制在410～435℃之间，1#变换炉的变换率为82％～85％。
上述方法中：2#变换炉入口温度控制在220～250℃之间，2#变换炉出口温度控制在250～270℃之间，2#变换炉的变换率为80％～85％。
上述方法中：3#变换炉入口温度控制在205～220℃之间，3#变换炉出口温度控制在210～225℃之间，3#变换炉的变换率为57％～70％。
本发明的有益效果：
提供了一种水煤浆气化制氢装置CO变换装置及方法，来自水煤浆气化单元粗合成气的组分特点，能量利用集成设计原理，优化和搭建工艺流程。采用三段绝热变换工艺技术以满足煤制氢装置CO深度变换要求，在工艺优化设计中，中压锅炉给水经过两级预热后再去副产蒸汽，获得了大量的高品位蒸汽，系统换热网络高度集成，在满足工艺生产要求的同时获得良好能量利用效果，节省了建设投资，并且获得良好的运行效益。
附图说明
图1是本发明的工艺流程示意图。
图中：1-1#气液分离器，2-原料气蒸汽加热器，3-脱毒槽，4-1#变换炉，5-中压蒸汽发生器，6-2#高压锅炉给水预热器，7-2#变换炉，8-低压蒸汽过热器，9-中低压蒸汽发生器，10-3#变换炉，11-1#高压锅炉给水预热器，12-低压蒸汽发生器，13-2#气液分离器。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
一种水煤浆气化制氢CO变换装置，该装置包括脱毒槽3，1#变换炉4，2#变换炉7和3#变换炉10；粗合成气的输出管道与1#气液分离器1相连，所述1#气液分离器1的顶部粗合成气输出端通过管道依次与原料气蒸汽加热器2、脱毒槽3和1#变换炉4相连；
所述1#变换炉4出口通过管道依次与原料气蒸汽加热器2、中压蒸汽发生器5、2#中压锅炉给水预热器6、2#变换炉7、低压蒸汽过热器8、中低压蒸汽发生器9和3#变换炉10相连，所述3#变换炉10出口通过管道依次与1#中压锅炉给水预热器11、低压蒸汽发生器12和2#气液分离器13相连，2#气液分离器13顶部的变换气输送至热回收系统。
来自界外的中压锅炉给水输出管道依次与1#中压锅炉给水预热器11、2#中压锅炉给水预热器6、中压蒸汽发生器5和原料气蒸汽加热器2相连。
所述的1#气液分离器1的内件型式采用叶片式或离心管束式高效分离结构或采用丝网除沫器结构。
实施例1
来自上游水煤浆气化单元粗合成气，流量为278623kg/h，CO含量为18.2％(湿基)，温度为216℃，压力为3.79MPa，水气比为1.41，经过1#气液分离器进行气液分离后，顶部粗合成气经过原料气蒸汽加热器升温至260℃后，经过脱毒槽后进入1#变换炉发生一氧化碳变换反应，1#变换炉入口温度为260℃，1#变换炉出口CO含量为2.7％(湿基)，变换率为85％，1#变换炉出口变换气温度升高至410℃后，经过原料气蒸汽加热器被冷却至350℃后进入中压蒸汽发生器副产28406kg/h中压饱和蒸汽(温度为254℃，压力为4.3MPa)，变换气被进一步冷却至250℃，经过2#中压锅炉给水预热器冷却后进入2#变换炉继续发生一氧化碳变换反应；2#变换炉入口温度为220℃，2#变换炉出口CO含量为0.5％(湿基)变换率为80％，2#变换炉出口变换气温度升高至250℃后，经过低压蒸汽过热器后进入中低压蒸汽发生器副产6354kg/h中低压饱和蒸汽(温度为200℃，压力为1.6MPa)，变换气被冷却至210℃后进入3#变换炉继续发生一氧化碳深度变换反应；3#变换炉入口温度为215℃，3#变换炉出口CO含量为0.2％(湿基)，变换率为67％，3#变换炉出口变换气温度升高至215℃后依次经过1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器后，送至热回收系统。
实施例2
来自上游水煤浆气化单元粗合成气，流量为278623kg/h，CO含量为18.2％(湿基)，温度为216℃，压力为3.79MPa，水气比为1.41，经过1#气液分离器进行气液分离后，顶部粗合成气经过原料气蒸汽加热器升温至280℃后，经过脱毒槽后进入1#变换炉发生一氧化碳变换反应，1#变换炉入口温度为280℃，1#变换炉出口CO含量为2.8％(湿基)，变换率为84％，1#变换炉出口变换气温度升高至430℃后，经过原料气蒸汽加热器被冷却至365℃后进入中压蒸汽发生器副产29208kg/h中压饱和蒸汽(温度为254℃，压力为4.3MPa)，变换气被进一步冷却至245℃，经过2#中压锅炉给水预热器冷却后进入2#变换炉继续发生一氧化碳变换反应；2#变换炉入口温度为238℃，2#变换炉出口CO含量为0.4％(湿基)变换率为85％，2#变换炉出口变换气温度升高至260℃后，经过低压蒸汽过热器后进入中低压蒸汽发生器副产7812kg/h中低压饱和蒸汽(温度为200℃，压力为1.6MPa)，变换气被冷却至220℃后进入3#变换炉继续发生一氧化碳深度变换反应；3#变换炉入口温度为220℃，3#变换炉出口CO含量为0.2％(湿基)，变换率为57％，3#变换炉出口变换气温度升高至225℃后依次经过1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器后，送至热回收系统。
实施例3
来自上游水煤浆气化单元粗合成气，流量为278623kg/h，CO含量为18.2％(湿基)，温度为216℃，压力为3.79MPa，水气比为1.41，经过1#气液分离器进行气液分离后，顶部粗合成气经过原料气蒸汽加热器升温至300℃后，经过脱毒槽后进入1#变换炉发生一氧化碳变换反应，1#变换炉入口温度为300℃，1#变换炉出口CO含量为3.2％(湿基)，变换率为82％，1#变换炉出口变换气温度升高至435℃后，经过原料气蒸汽加热器被冷却至370℃后进入中压蒸汽发生器副产30103kg/h中压饱和蒸汽(温度为254℃，压力为4.3MPa)，变换气被进一步冷却至255℃，经过2#中压锅炉给水预热器冷却后进入2#变换炉继续发生一氧化碳变换反应；2#变换炉入口温度为250℃，2#变换炉出口CO含量为0.6％(湿基)变换率为81％，2#变换炉出口变换气温度升高至270℃后，经过低压蒸汽过热器后进入中低压蒸汽发生器副产8765kg/h中低压饱和蒸汽(温度为200℃，压力为1.6MPa)，变换气被冷却至205℃后进入3#变换炉继续发生一氧化碳深度变换反应；3#变换炉入口温度为205℃，3#变换炉出口CO含量为0.2％(湿基)，变换率为70％，3#变换炉出口变换气温度升高至210℃后依次经过1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器后，送至热回收系统。
上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明创造的原理，并不因此而限定本发明的保护范围，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本技术发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (7)

1.一种水煤浆气化制氢CO变换的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）粗合成气进入1#气液分离器进行气液分离后，顶部粗合成气经过原料气蒸汽加热器升温后经过脱毒槽后进入1#变换炉发生一氧化碳变换反应，1#变换炉出口变换气温度升高后，经过原料气蒸汽加热器被冷却后进入中压蒸汽发生器副产中压饱和蒸汽，变换气被进一步冷却，经过2#中压锅炉给水预热器进入2#变换炉继续发生一氧化碳变换反应；
2）2#变换炉出口变换气温度升高后，经过低压蒸汽过热器进入中低压蒸汽发生器副产中低压饱和蒸汽，变换气被冷却后进入3#变换炉继续发生一氧化碳深度变换反应；
3）3#变换炉出口变换气依次经过1#中压锅炉给水预热器、低压蒸汽发生器和2#气液分离器后，送至热回收系统。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：1#变换炉入口温度控制在260~300℃之间，1#变换炉出口温度控制在410~435℃之间，1#变换炉的变换率为82%~85%。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：2#变换炉入口温度控制在220~250℃之间，2#变换炉出口温度控制在250~270℃之间，2#变换炉的变换率为80%~85%。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：3#变换炉入口温度控制在205~220℃之间，3#变换炉出口温度控制在210~225℃之间，3#变换炉的变换率为57%~70%。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：实现该方法的装置包括脱毒槽（3），1#变换炉（4），2#变换炉（7）和3#变换炉（10）；粗合成气的输出管道与1#气液分离器（1）相连，所述1#气液分离器（1）的顶部粗合成气输出端通过管道依次与原料气蒸汽加热器（2）、脱毒槽（3）和1#变换炉（4）相连；
所述1#变换炉（4）出口通过管道依次与原料气蒸汽加热器（2）、中压蒸汽发生器（5）、2#中压锅炉给水预热器（6）、2#变换炉（7）、低压蒸汽过热器（8）、中低压蒸汽发生器（9）和3#变换炉（10）相连，所述3#变换炉（10）出口通过管道依次与1#中压锅炉给水预热器（11）、低压蒸汽发生器（12）和2#气液分离器（13）相连，2#气液分离器（13）顶部的变换气输送至余热回收系统。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：来自界外的中压锅炉给水输出管道依次与1#中压锅炉给水预热器（11）、2#中压锅炉给水预热器（6）、中压蒸汽发生器（5）和原料气蒸汽加热器（2）相连。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的1#气液分离器（1）的内件型式采用叶片式或离心管束式高效分离结构或采用丝网除沫器结构。
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