一種用於高濃度一氧化碳變換的等溫變換工藝方法

2023-05-28 00:13:46

專利名稱：一種用於高濃度一氧化碳變換的等溫變換工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種以煤為原料粉煤氣化的等溫變換工藝方法，在恆定溫度下進行CO 與水蒸汽變換成CO2與H2的方法，具體為CO幹基體積含量在40 75%的煤氣與水蒸氣在 列管式等溫變換反應器中發生變換反應，主要用於高濃度一氧化碳變換的耐硫變換工藝。
背景技術：
由於石油資源日趨緊張，煤炭作為重要的能源和化工原料，其重要性日益顯現。我 國是一個石油資源貧乏，煤炭資源相對豐富的國家，更好地利用煤炭資源對我國有著重要 的戰略意義。進入21世紀以來，我國煤化工事業已經進入一個新的快速發展階段，以煤為 原料生產合成氨、制甲醇以及煤液化等煤化工項目全面啟動。期間引進了多套荷蘭殼牌公 司開發的粉煤氣化工藝和德士古的水煤漿加壓氣化工藝，殼牌粉煤氣化工藝和德士古水煤 漿加壓氣化工藝都屬於加壓氣流床煤氣化工藝；同時國內加壓氣流床煤氣化技術也得到了 很大的發展，以航天11所的航天爐、西安熱工院的兩段爐等為代表。由於加壓氣流床煤氣化工藝氣化壓力高、氣化溫度高、氣化效率高、三廢排放少等 優點，為目前煤氣化技術主流，氣化爐出口 CO含量較高也是其特點之一。一氧化碳變換工藝是煤化工生產的關鍵環節，是合成氨、制甲醇及制氫工藝中重 要的淨化工藝過程，一氧化碳變換一方面通過變換反應除去大部分一氧化碳，另一方面可 以將一氧化碳轉換為有效氣體氫氣。由於氣流床煤氣化工藝產生的粗煤氣中一氧化碳含量較高(達到60%以上)，在絕 熱變換反應器內，易造成床層的熱點溫度高，嚴重影響了催化劑的使用壽命，同時設備操作 工況惡劣。針對高CO濃度的變換目前有高汽/氣比(汽/氣比一般在0. 9 1. 8之間)和 低汽/氣比(汽/氣比一般在0. 2 0. 4之間)兩種變換工藝，但都採用絕熱反應器。高汽 /氣比和低汽/氣比兩種變換工藝各有其優缺點高汽/氣比變換工藝單個反應器的反應 負荷較大，同等變換深度的情況下高汽/氣比工藝可以減少反應器的個數，同時高汽/氣 比可以有效控制甲烷化副反應的發生，但是由於煤氣中CO含量高，高汽/氣比工況下變換 反應推動力大，催化劑床層熱點溫度高，甚至頻繁出現反應器超溫的現象，影響變換催化劑 的使用壽命和設備的安全操作，同時高汽/氣比工藝蒸汽消耗較高，裝置運行不經濟；低汽 /氣比變換工藝可以較為平穩的控制變換反應的深度，實現在較低熱點溫度下平穩運行，有 利於延長催化劑的使用壽命，降低對反應器設備的要求，同時蒸汽消耗較低，降低了裝置的 運行成本，但是低汽/氣比工況下出現甲烷化副反應的風險比高汽/氣比工況高，且低汽/ 氣比工藝單個反應器的反應負荷較低，設備利用率較差。90年代，四川瀘縣化肥廠曾經在天然氣制合成氨的流程中使用過列管式等溫變換 爐，但為低濃度CO變換，變換爐入口的CO含量在5 6%。德國林德公司也曾研究過等溫變 換爐，其爐型為蛇管式等溫變換爐，催化劑填充在蛇管外，移走反應熱量的鍋爐給水或冷凝 液走蛇管內，用於天然氣制合成氨的低濃度CO變換工藝。

發明內容
針對現有技術存在的上述不足，本發明的目的在於提供一種既能控制CO變換反應又可以降低蒸汽消耗；既解決高濃度CO變換的超溫和甲烷化風險，又可以延長變換催化 劑的使用壽命的用於高濃度一氧化碳變換的等溫變換工藝方法。本發明採用的技術手段是一種用於高濃度一氧化碳變換的工藝方法，所述的工 藝為氣流床粉煤氣化的粗煤氣變換工藝，具體為粗煤氣首先進入煤氣分離器中分離除去液 滴，然後進入換熱器加熱，接著進入煤氣過濾器中除去煤氣中對變換催化劑有害的物質，根 據煤氣的組成和CO變換深度的要求加入中壓蒸汽調節好汽/氣比之後進入等溫變換反 應器進行一氧化碳變換反應，出等溫變換反應器的變換氣根據工藝需要進入下遊設備處 理。其中，粗煤氣中含有高濃度的一氧化碳，其幹基含量為40 75%，等溫變換反應器入口 氣體的汽/氣體積比為0. 6 1. 5，反應器入口溫度為210 290 °C，操作壓力為3. 0 6. 5MPa,反應管內的熱點溫度不超過340 °C，變換催化劑為CO耐硫變換反應催化劑，等溫 變換反應器出口的CO濃度可以根據裝置要求通過調節入口汽/氣比來控制。本發明根據原料粗煤氣的潔淨程度對煤氣進行過濾處理後再進入等溫變換反應 器，以減輕煤氣中有害物質對變換催化劑的毒害，延長催化劑的使用壽命；根據粗煤氣中 CO含量高低、水汽含量多少以及裝置對CO變換深度的要求通過加入中壓蒸汽來調節等溫 變換反應器入口的汽/氣比，以控制CO變換反應的深度，可以減少蒸汽消耗，降低運行成 本；本發明根據耐硫變換催化劑的最佳反應溫度以及等溫變換反應器入口煤氣的水汽含量 來調節進入等溫變換反應器的溫度，可以最大限度地利用變換催化劑的反應活性和延長變 換催化劑的使用壽命；本發明中等溫變換反應器的管內裝填變換催化劑，管間通過鍋爐給 水副產蒸汽來移走反應熱量，以維持反應管內的溫度穩定，通過調節副產蒸汽的壓力來控 制反應管內的溫度；由於粗煤氣中通常含有一定量的硫組分，本發明中變換催化劑建議使 用Co Mo系耐硫變換催化劑。本發明的創新在於工藝流程方法，其中，所採用的煤氣分離 器、換熱器加熱、煤氣過濾器和等溫變換反應器等設備均採用現有成熟技術即可。綜上所述，本發明具有如下優點
(1 )本發明採用等溫變換反應器，使裝置操作簡單，運行平穩；既解決高濃度CO變換 的超溫和甲烷化風險，又可以延長變換催化劑的使用壽命，工業意義和經濟效益顯著。( 2 )本發明通過調節等溫變換爐入口汽/氣比來控制CO變換反應的深度，既可 以很好地控制CO變換反應又可以降低蒸汽消耗；解決高汽/氣比變換工藝蒸汽消耗高的問 題，降低裝置運行消耗。( 3 )本發明降低了變換裝置的最高操作溫度，降低了對設備和管道材料的要求。( 4 )本發明可以簡化變換裝置的工藝流程，節約裝置建設投資。( 5 )本發明可以使變換催化劑在最佳使用溫度下操作，提高了變換催化劑的使用 效率和延長了變換催化劑的使用壽命，降低裝置運行成本。


圖1為「GSP」粉煤氣化制合成氨CO等溫變換工藝流程簡圖。圖2為航天爐粉煤氣化制合成氨CO等溫變換工藝流程簡圖。圖3為「Shell」粉煤氣化制合成氨⑶等溫變換工藝流程簡圖。圖4為「Shell」粉煤氣化制甲醇CO等溫變換工藝流程簡圖。
圖中SEP—煤氣分離器，HEX—煤氣加熱器，FIL—煤氣過濾器，MIX—蒸汽混器， REC—等溫變換反應器，RBS—汽包
具體實施例方式實施例1
如圖1所示，來自「GSP」粉煤氣化裝置的粗煤氣溫度為216°C，壓力為3. 7Mpa。煤氣 首先進入煤氣分離器SEP中分離夾帶的液滴，分離後的煤氣進入煤氣加熱器HEX升溫至 250°C後，再經煤氣過濾器FIL除去煤氣中對變換催化劑有害的物質，然後進入等溫變換反 應器REC進行變換反應，煤氣在等溫變換反應器中走管程，殼程管間通過鍋爐給水副產蒸 汽移走反應熱，鍋爐給水在汽包RBS與等溫變換反應器REC殼程管間在鍋爐給水與汽水混 合物密度差產生的推動力作用下實現自循環。等溫變換反應器產生的蒸汽在汽包RBS中進 行氣液分離後送蒸汽管網，同時連續補充鍋爐給水到汽包中，以維持水汽系統的穩定運行。 等溫變換反應器入口和出口的氣體組成見下表
權利要求
一種用於高濃度一氧化碳變換的等溫變換工藝方法，所述的工藝為氣流床粉煤氣化的粗煤氣變換工藝，具體包括如下步驟粗煤氣首先進入煤氣分離器中分離除去液滴，然後進入換熱器加熱，接著進入煤氣過濾器中除去煤氣中對變換催化劑有害的物質，根據煤氣的組成和CO變換深度的要求加入中壓蒸汽調節好汽/氣比之後進入等溫變換反應器進行一氧化碳變換反應，出等溫變換反應器的變換氣根據工藝需要進入下遊設備處理；變換催化劑為CO耐硫變換反應催化劑，等溫變換反應器出口的CO濃度可以根據裝置要求通過調節入口汽/氣比來控制；變換反應催化劑裝填在列管內，管外通過鍋爐給水副產蒸汽移走反應熱以維持管內的溫度保持穩定。
2.根據權利要求1所述的等溫變換工藝方法，其特徵在於所述的粗煤氣中含有高濃度 的一氧化碳，其幹基體積含量為45 75%。
3.根據權利要求1所述的等溫變換工藝方法，其特徵在於所述的原料氣進入等溫變換 反應器的溫度為210 290°C。
4.根據權利要求1所述的等溫變換工藝方法，其特徵在於所述的反應器入口氣體中水 蒸汽/幹氣體積比範圍為0. 6 1. 5。
5.根據權利要求1所述的等溫變換工藝方法，其特徵在於所述的列管式等溫反應器反 應管內的熱點溫度不超過340°C。
6.根據權利要求1所述的等溫變換工藝方法，其特徵在於所述的煤氣操作壓力在 3. 0 6. 5 MPaA 之間。
全文摘要
本發明提供一種用於高濃度一氧化碳變換的工藝方法，具體為粗煤氣經過分離、加熱和過濾處理後加入中壓蒸汽調節汽/氣比，然後進入等溫變換反應器進行CO變換反應。其中，粗煤氣中CO幹基體積含量為40-75%，等溫變換反應器入口氣體的汽/氣體積比為0.6-1.5，反應器入口溫度為210-290℃，操作壓力為3.0-6.5MPa，反應管內熱點溫度不超過340℃。本發明通過調節等溫變換爐入口汽/氣比來控制CO變換反應的深度，既可以很好地控制CO變換反應又可以降低蒸汽消耗；本發明採用等溫變換反應器，既可以解決高濃度CO變換的超溫和甲烷化風險，又可以延長變換催化劑的使用壽命，工業意義和經濟效益顯著。
文檔編號C01B3/02GK101955154SQ20101051812
公開日2011年1月26日 申請日期2010年10月25日 優先權日2010年10月25日
發明者付元波 申請人:付元波