一種含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)存在的設(shè)備投資高、運行成本高、系統(tǒng)復(fù)雜的問題。本實用新型工藝中通過廢鍋和多個換熱器回收出轉(zhuǎn)化爐的高溫工藝氣體的熱能，用于預(yù)熱原料氣及鍋爐給水并副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，能夠很好的回收系統(tǒng)中的熱能，省去加熱爐及燃燒氣的消耗，具有工藝簡單、控制簡便、有效回收系統(tǒng)熱能、降低能耗、節(jié)省設(shè)備投資的優(yōu)點。
【專利說明】一種含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種制氫系統(tǒng)，具體的說是一種含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002] 在現(xiàn)代大型化工領(lǐng)域中，如天然氣制乙炔，固定床碎煤加壓氣化，煤氣化合成油及 焦?fàn)t煤氣等流程中都會產(chǎn)生大量含CH4等烴類的尾氣，處理并綜合利用含CH4等烴類的尾 氣來制備氫氣，不僅實現(xiàn)了廢氣的處理，對于環(huán)境保護和裝置增產(chǎn)都具有重要意義。
[0003] 國外以烴類（天然氣等）為原料制氫的工藝生產(chǎn)方法，主要有自熱轉(zhuǎn)化法，和以石 油、重油為原料的部分氧化法等工藝，還有利用氨廠弛放氣、甲烷化尾氣、甲醇尾氣、催化重 整尾氣等富氫氣體進行變壓吸附、低溫法或薄膜滲透等方法精制得到一定純度的氫。在眾 多的制氫工藝路線中，以烴類（天然氣）為原料的蒸汽轉(zhuǎn)化工藝在制氫工業(yè)上占有較大的 優(yōu)勢。
[0004] 一般情況下在甲烷轉(zhuǎn)化過程中，需要設(shè)置單獨的加熱爐對原料尾氣、飽和蒸 汽等進行預(yù)熱、以及對副產(chǎn)飽和蒸汽的過熱，加熱爐通過燃料氣進行加熱。在專利 ZL200910195146. 5中，甲醇合成回路馳放氣進入轉(zhuǎn)化爐之前需通過加熱爐進行預(yù)熱，加熱 爐采用了自吸式兩段輻射，采取先用對流段、后用輻射段的設(shè)計，將尾氣、尾氣+蒸汽加熱 到所需的溫度，加熱爐的設(shè)置，使得裝置復(fù)雜，操作難度加大、投資升高，也增加了燃料氣消 耗和操作成本，降低了能量的綜合利用率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本實用新型的目的是為了解決上述技術(shù)問題，提供一種工藝簡單、控制簡便、有效 回收系統(tǒng)熱能、降低能耗、節(jié)省設(shè)備投資的含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)。
[0006] 本實用新型含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，包括轉(zhuǎn)化爐，所述轉(zhuǎn)化爐的出口依次經(jīng)帶有 汽包的轉(zhuǎn)化廢鍋、熱交換器、轉(zhuǎn)化氣冷卻器、變換爐、鍋爐給水預(yù)熱器、原料氣預(yù)熱器、空冷 器、1#氣液分離器、水冷器、2#氣液分離器與提氫系統(tǒng)連接，所述轉(zhuǎn)化爐的原料氣入口經(jīng)熱 交換器與原料氣預(yù)熱器的原料氣出口連接；所述汽包的入水口經(jīng)轉(zhuǎn)化氣冷卻器與鍋爐給水 預(yù)熱器的入水口連接。
[0007] 所述轉(zhuǎn)化爐的氧氣入口與氧氣預(yù)熱器的氧氣出口連接；所述汽包的蒸汽出口分別 與蒸汽過熱器的蒸汽入口、氧氣預(yù)熱器的蒸汽入口以及轉(zhuǎn)化爐的氧氣入口連通。
[0008] 所述變換爐為兩段式變換爐，一段出口經(jīng)蒸汽過熱器、除鹽水預(yù)熱器與二段入口 連接；
[0009] 所述蒸汽過熱器殼側(cè)的蒸汽出口分別與熱交換器殼側(cè)的原料氣入口以及界外的 中壓蒸汽管網(wǎng)連通。
[0010] 所述原料氣預(yù)熱器的原料氣出口還經(jīng)開工加熱爐與轉(zhuǎn)化爐的原料氣入口連接。
[0011] 本實用新型工藝將原料氣送入原料氣預(yù)熱器中預(yù)熱至110-130°C后再送至熱交換 器繼續(xù)被加熱至550?650°C后進入轉(zhuǎn)化爐，出轉(zhuǎn)化爐反應(yīng)后的950?1100°C高溫工藝氣 體送入連接有汽包的轉(zhuǎn)化廢鍋副產(chǎn)中壓飽和蒸汽，工藝氣體降溫降至600?700°C后依次 送入熱交換器與原料氣換熱后，再送至轉(zhuǎn)化氣冷卻器與鍋爐給水換熱冷卻至250?300°C 后送入變換爐，出變換爐的變化氣溫度為220?250°C，CO濃度降至體積百分比0. 8%以下， 所述變換氣經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器與鍋爐水換熱降溫后，再經(jīng)原料氣預(yù)熱器與原料氣進一步換 熱降溫至160?190°C，然后依次經(jīng)空冷器冷卻至60°C，進入1#氣液分離器進行氣液分離， 罐頂引出的變換氣經(jīng)水冷器冷卻至40°C進入2#氣液分離器進一步分離，罐頂引出的變換 氣送提氫系統(tǒng)做進一步處理，得到高純氫氣，所述鍋爐給水經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器與變換氣換 熱后再送入轉(zhuǎn)化氣冷卻器預(yù)熱至200?260°C再送入汽包。
[0012] 所述由汽包引出的中壓飽和蒸汽分成三股，第一股送蒸汽過熱器進行過熱，第二 股作為加熱蒸汽送入氧氣預(yù)熱器用于預(yù)熱進入轉(zhuǎn)化爐的純氧，第三股作為安全蒸汽混入所 述純氧中。
[0013] 所述變換爐為兩段式變換爐，一段出口的溫度達370°C?410°C變換氣經(jīng)蒸汽過 熱器對第一股中壓飽和蒸汽進行過熱，再經(jīng)除鹽水預(yù)熱器冷卻至200?220°C后送至變換 爐二段。
[0014] 第一股中壓飽和蒸汽經(jīng)蒸汽過熱器過熱后形成中壓過熱蒸汽，被分成兩部分，一 部分送界外中壓蒸汽管網(wǎng)，另一部分作為工藝蒸汽與原料氣混合經(jīng)熱交換器預(yù)熱后送至轉(zhuǎn) 化爐參與反應(yīng)。
[0015] 開工時，出原料氣預(yù)熱器的原料氣先送入開工加熱爐加熱至550?650°C后送入 轉(zhuǎn)化爐。
[0016] 本實用新型工藝系統(tǒng)包括原料氣預(yù)熱、甲烷及烴類轉(zhuǎn)化、C0變換、熱回收、提氫、冷 凝液氣提等工藝步驟，適用于處理的原料氣如天然氣制乙炔、固定床碎煤加壓氣化、煤氣化 合成油及焦?fàn)t煤氣等流程中產(chǎn)生的尾氣，如含CH4 :10?60mol%及其它烴類的氣體。
[0017] 本系統(tǒng)是以含甲烷及其它烴類尾氣為原料，以純氧為氧化劑的催化轉(zhuǎn)化，生產(chǎn)裝 置所需要的高純度H2。本裝置出界區(qū)的轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量達到0.6mol %以下，變換氣后的 C0體積含量降至0· 8mol %以下，經(jīng)過提氫系統(tǒng)處理后的H2含量可達99. 5mol %，滿足了裝 置對高純度H2的要求。
[0018] 本實用新型采用甲烷轉(zhuǎn)化后產(chǎn)生的高溫來預(yù)熱原料氣，利用轉(zhuǎn)化爐出口的高溫工 藝氣體經(jīng)轉(zhuǎn)化廢鍋回收熱量并產(chǎn)生中壓飽和蒸汽，用副產(chǎn)的蒸汽用作工藝蒸汽、預(yù)熱氧氣 等，同時在氣體溫度降低至600?700°C后，再用來預(yù)熱原料氣，從而提高能量的綜合利用 率。相較于過去使用加熱爐來預(yù)熱氣體而言，采用本系統(tǒng)自產(chǎn)熱能回用更具有節(jié)省設(shè)備投 資、降低能耗的優(yōu)點。
[0019] 本系統(tǒng)設(shè)置開工加熱爐旁路，用于原始開車工況下預(yù)熱原料氣，保證反應(yīng)正常進 行，開車成功后，關(guān)閉開工加熱爐及相關(guān)管線，通過熱交換器利用轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱源來加熱送 進轉(zhuǎn)化爐的原料氣。
[0020] 變換爐一段出口，經(jīng)過蒸汽過熱器對汽包引出的中壓飽和蒸汽進行過熱，冷卻后 的變換氣在再經(jīng)除鹽水預(yù)熱器冷卻后送至變換爐二段，既有效利用了一段的反應(yīng)熱對中壓 飽和蒸汽進行過熱，也使一段出來的變換氣有效降溫，一舉兩得。
[0021] 所述原料氣可為如天然氣制乙炔、固定床碎煤加壓氣化、煤氣化合成油及焦?fàn)t煤 氣等流程中產(chǎn)生的尾氣，如含CH4 :10?60mol%及其它烴類的氣體。
[0022] 本實用新型具有如下優(yōu)點和有益效果：
[0023] 1)本實用新型系統(tǒng)不設(shè)加熱爐，節(jié)省了設(shè)備本體、儀表以及聯(lián)鎖控制等方面的投 資；
[0024] 2)本實用新型工藝系統(tǒng)操作更為簡便，易于控制，應(yīng)用范圍廣泛，可用于合成氨、 甲醇合成及煤制油裝置等富甲烷尾氣轉(zhuǎn)化制氫過程；
[0025] 3)轉(zhuǎn)化爐出口高溫工藝氣體用來預(yù)熱原料氣、副產(chǎn)蒸汽等，實現(xiàn)了能量的綜合利 用，節(jié)能降耗；而副產(chǎn)的蒸汽也部分作為工藝蒸汽、安全蒸汽等回用；
[0026] 4)本系統(tǒng)只設(shè)置開工加熱爐，正常運行時無需消耗燃料氣，盡管與帶加熱爐流程 相比副產(chǎn)蒸汽稍有減少，但由于燃料氣成本遠高于蒸汽成本，裝置長期運行，可節(jié)約成本、 經(jīng)濟利潤可觀。
[0027] 5)以120萬噸/年煤制油制氫裝置為例，采用本系統(tǒng)工藝流程可減少加熱爐及相 關(guān)設(shè)備投資達4000?5000萬人民幣，同時減少燃料氣消耗約4700Nm3/h (2300kJ/kmol)，與 加熱爐流程相比每年消耗減少折合人民幣?700萬。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028] 圖1為本實用新型工藝流程圖暨系統(tǒng)圖。
[0029] 圖中，（1)汽提塔，⑵氧氣預(yù)熱器，⑶轉(zhuǎn)化爐，⑷轉(zhuǎn)化廢鍋，（5)汽包，（6)開 工加熱爐，（7)熱交換器，（8)轉(zhuǎn)化氣冷卻器，（9)變換爐，（9. 1) 一段，（9. 2)二段，（10)蒸 汽過熱器，（11)除鹽水預(yù)熱器，（12)鍋爐給水預(yù)熱器，（13)原料氣預(yù)熱器，（14)空冷器， (15)1#氣液分離器，（16)水冷器，（17) 2#氣液分離器，（18)冷凝液泵，（19)提氫系統(tǒng)，（20) 冷凝液預(yù)熱器。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步詳細說明：
[0031] 系統(tǒng)實施例：
[0032] 所述轉(zhuǎn)化爐3的出口依次經(jīng)連有汽包5的轉(zhuǎn)化廢鍋4的管側(cè)、熱交換器7的管側(cè)、 轉(zhuǎn)化氣冷卻器8的管側(cè)與變換爐9的一段9. 1入口連接，所述變換爐9的一段9. 1出口依 次經(jīng)蒸汽過熱器10的管側(cè)、除鹽水預(yù)熱器11的管側(cè)與變換爐9的二段9. 2入口連接。所 述變換爐9的二段9. 2出口依次經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器的管側(cè)、原料氣預(yù)熱器的管側(cè)、空冷器、 1#氣液分離器、水冷器、2#氣液分離器與提氫系統(tǒng)連接，所述轉(zhuǎn)化爐3的原料氣入口經(jīng)熱交 換器7的殼側(cè)與原料氣預(yù)熱器13殼側(cè)的原料氣出口連接；所述轉(zhuǎn)化爐3的氧氣入口與氧氣 預(yù)熱器2殼側(cè)的氧氣出口連接。
[0033] 所述汽包5的蒸汽出口分別與所述蒸汽過熱器10殼側(cè)的蒸汽入口連接、氧氣預(yù)熱 器2管側(cè)的蒸汽入口以及轉(zhuǎn)化爐3的氧氣入口連通。所述汽包5的入水口經(jīng)轉(zhuǎn)化氣冷卻器 8的殼側(cè)與鍋爐給水預(yù)熱器12殼側(cè)的入水口連接。所述蒸汽過熱器10殼側(cè)的蒸汽出口分 別與熱交換器7殼側(cè)的原料氣入口以及界外的中壓蒸汽管網(wǎng)連通。所述原料氣預(yù)熱器13 殼側(cè)的原料氣出口還經(jīng)開工加熱爐6與轉(zhuǎn)化爐3的原料氣入口連接。
[0034] 所述轉(zhuǎn)化廢鍋4可采用固定管板式，將高溫側(cè)設(shè)計為管側(cè)，管側(cè)需進行熱保護，殼 側(cè)介質(zhì)為鍋爐給水。
[0035] 熱交換器7可以選擇U型管換熱器結(jié)構(gòu)型式，可以較好的解決換熱器設(shè)備中高溫 的換熱管與殼體間產(chǎn)生的熱膨脹的應(yīng)力問題，使設(shè)備設(shè)計安全可靠。
[0036] 工藝流程說明如下。
[0037] 界區(qū)來的原料氣即工藝裝置尾氣（SG，5. 0?5. 5MPaG、40?70°C )，CH4含量為 10?60mol %，其它烴類< lOmol %，經(jīng)原料氣預(yù)熱器13預(yù)熱至110?130°C后與來自蒸汽 過熱器10的一部分過熱蒸汽（5. 2?5. 6MPaG、340°C?360°C )混合，尾氣+蒸汽的混合氣 被送至熱交換器7被來自轉(zhuǎn)化爐3的高溫工藝氣體加熱至550?650°C，然后送至轉(zhuǎn)化爐3 的原料氣入口。
[0038] 來自空分裝置的純氧（02,6.0?6.5MPaG、10°C?常溫）經(jīng)氧氣預(yù)熱器2與來自 汽包5的中壓飽和蒸汽換熱，將純氧預(yù)熱到180?240°C,然后向預(yù)熱后的純氧中補入少量 同樣來自汽包5的作為安全蒸汽的中壓飽和蒸汽，經(jīng)轉(zhuǎn)化爐3的氧氣入口送入轉(zhuǎn)化爐與尾 氣反應(yīng)產(chǎn)生高溫?zé)崃?，通過自熱轉(zhuǎn)化并在催化劑作用下，反應(yīng)生成H 2、C0等高溫工藝氣體 (950?1100°C )。轉(zhuǎn)化爐3純氧燒嘴可采用循環(huán)水冷卻。
[0039] 出轉(zhuǎn)化爐的高溫工藝氣體先進入轉(zhuǎn)化廢鍋4的管側(cè)回收熱量，利用汽包4副產(chǎn)中 壓飽和蒸汽（5. 2?5. 6MPaG、267?272°C )，出轉(zhuǎn)化廢鍋4的工藝氣溫度由950?1100°C 降至600?700°C，后依次經(jīng)過熱交換器7的管側(cè)與殼側(cè)的尾氣換熱降溫至295°C?345°C， 再經(jīng)轉(zhuǎn)化氣冷卻器8的管側(cè)與殼側(cè)鍋爐給換熱降溫至250?300°C，經(jīng)過熱回收的工藝氣 體（CH 4降至0. 3 %體積百分比）送入變換爐9 一段，變換爐一段9. 1出口的變換氣溫度達 370°C?410°C，一段變換氣經(jīng)蒸汽過熱器10的管側(cè)對來自汽包5的部分中壓飽和蒸汽進行 過熱，過熱后的蒸汽（MS) -部分作為工藝蒸汽與送入熱交換器7殼側(cè)的原料氣入口的尾氣 混合，另一部分送至界外的中壓蒸汽管網(wǎng)。經(jīng)過蒸汽過熱器10換熱冷卻后的一段變換氣再 經(jīng)除鹽水預(yù)熱器11進一步冷卻后送至變換爐9二段。
[0040] 變換爐9二段出口變換氣溫度220?250°C，C0濃度降至體積百分比0. 8%以下， 出變換爐9二段的變換氣，經(jīng)鍋爐給水預(yù)熱器12的管側(cè)與殼側(cè)的鍋爐給水換熱回收熱量， 再經(jīng)原料氣預(yù)熱器13的管側(cè)與殼側(cè)的尾氣換熱進一步冷卻至160?190°C，后依次經(jīng)過空 冷器14冷卻至60°C，進入1#氣液分離器15進行氣液分離，罐頂變換氣經(jīng)水冷器16冷卻至 40°C，進入2#氣液分離器17進一步氣液分離，罐頂?shù)淖儞Q氣送出提氫系統(tǒng)19做進一步處 理，最終生產(chǎn)99. 5mol %以上的高純氫氣（H2)。1#氣液分離器15及2#氣液分離器17罐底 分離出的工藝?yán)淠河衫淠核捅?8經(jīng)工藝?yán)淠侯A(yù)熱器20預(yù)熱后送至氣提塔1，氣提處 理后的工藝?yán)淠海≒C)送至界外水處理裝置。
[0041] 來自界外的鍋爐給水（BFW)依次經(jīng)過鍋爐給水預(yù)熱器12的殼側(cè)與管側(cè)的變換氣 換熱升溫、再經(jīng)轉(zhuǎn)化氣冷卻器8的殼側(cè)與管側(cè)的轉(zhuǎn)化氣換熱預(yù)熱至200?260°C后送至汽包 5以副產(chǎn)中壓飽和蒸汽（5. 2?5. 6MPaG、267?272°C )，副產(chǎn)的中壓飽和蒸汽分別作為，預(yù) 熱氧氣，以及氧氣管線中補充的安全蒸汽，剩余的蒸汽送蒸汽過熱器10進行過熱，過熱后 的蒸汽一部分用作生產(chǎn)用工藝蒸汽，剩余過熱蒸汽送至界區(qū)外管網(wǎng)。
[0042] 設(shè)置的開工加熱爐6用于原始開車階段熱交換器7無熱負荷條件下對尾氣+蒸汽 的混合氣加熱，即原始開車階段尾氣+蒸汽的混合氣由開工加熱爐加熱至550?650°C后送 至轉(zhuǎn)化爐3的原料氣入口，開車成功后，關(guān)閉開工加熱爐6及相關(guān)管線，通過熱交換器7利 用轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱源來加熱送至轉(zhuǎn)化爐3的尾氣。
[0043] 本系統(tǒng)出轉(zhuǎn)化爐的轉(zhuǎn)化氣中甲烷含量達到0. 6mol %以下，變換氣后的C0體積含 量降至0. 8m〇l%以下，經(jīng)過提氫系統(tǒng)處理后的H2含量可達99. 5m〇l%，滿足了裝置對高純 度H2的要求。
【權(quán)利要求】
1. 一種含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，其特征在于，包括轉(zhuǎn)化爐，所述轉(zhuǎn)化爐的出口依次經(jīng)帶 有汽包的轉(zhuǎn)化廢鍋、熱交換器、轉(zhuǎn)化氣冷卻器、變換爐、鍋爐給水預(yù)熱器、原料氣預(yù)熱器、空 冷器、1#氣液分離器、水冷器、2#氣液分離器與提氫系統(tǒng)連接，所述轉(zhuǎn)化爐的原料氣入口經(jīng) 熱交換器與原料氣預(yù)熱器的原料氣出口連接；所述汽包的入水口經(jīng)轉(zhuǎn)化氣冷卻器與鍋爐給 水預(yù)熱器的入水口連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述轉(zhuǎn)化爐的氧氣入口 與氧氣預(yù)熱器的氧氣出口連接；所述汽包的蒸汽出口分別與蒸汽過熱器的蒸汽入口、氧氣 預(yù)熱器的蒸汽入口以及轉(zhuǎn)化爐的氧氣入口連通。
3. 如權(quán)利要求2所述的含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述變換爐為兩段式變 換爐，一段出口經(jīng)蒸汽過熱器、除鹽水預(yù)熱器與二段入口連接。
4. 如權(quán)利要求3所述的含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述蒸汽過熱器殼側(cè)的 蒸汽出口分別與熱交換器殼側(cè)的原料氣入口以及界外中壓蒸汽管網(wǎng)連通。
5. 如權(quán)利要求1-4任一項所述的含烴尾氣轉(zhuǎn)化制氫系統(tǒng)，其特征在于，所述原料氣預(yù) 熱器的原料氣出口還經(jīng)開工加熱爐與轉(zhuǎn)化爐的原料氣入口連接。
【文檔編號】C01B3/38GK203998947SQ201420307964
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年6月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月10日
【發(fā)明者】張占一, 張洪偉, 趙振強, 徐建民, 夏吳 申請人:中國五環(huán)工程有限公司