保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統的製作方法

2024-02-18 02:44:15

本實用新型屬於整體煤氣化發電技術領域，尤其涉及一種基於IGCC的保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統。

背景技術：

在眾多溫室氣體減排方案中，碳捕集與封存技術是一項新興的、具有大規模減排潛力的技術，有望實現化石能源使用的CO2低碳排放。

IGCC(整體煤氣化聯合循環)是集成煤氣化與燃氣輪機聯合循環的清潔高效發電技術，也是能夠經濟方便地開展CO2捕集與封存的燃煤發電技術。基於IGCC的CO2捕集系統在高壓條件下可將合成氣的CO通過變換反應生成H2和CO2，從而將CO2的濃度提高到35-45％，並且具有較高的壓力，便於CO2的分離回收及利用，降低能耗。

煤氣變換是燃燒前CO2捕集工藝流程的關鍵技術，在鈷鉬耐硫變換催化劑的催化作用下，將煤氣中的CO轉化為CO2。煤氣變換過程是放熱過程，催化劑的最高使用溫度均在500℃以下。採用幹煤粉加壓氣化技術的氣化爐產生的煤氣中CO含量高達60％左右，進入變換過程反應劇烈，產生大量的熱量，需要向變換爐中噴入一定量的蒸汽或鍋爐水降低變換氣體溫度在500℃以下以保護催化劑的活性，蒸汽的冷凝或鍋爐水的過量加入均會導致催化劑粉碎失活。因此，煤氣變換過程反應的調節及蒸汽鍋爐水的用量將直接影響燃燒前CO2捕集系統的能耗，催化劑的保護有利於系統的長周期穩定運行。

技術實現要素：

為了解決上述現有技術存在的問題，本實用新型提供了一種保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統，可實現變換反應的穩定和低能耗運行，降低燃燒前CO2捕集系統的能耗水平。

為了達到上述目的，本實用新型採用如下技術方案：

保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統，包括緩衝過濾器1，緩衝過濾器1的入口連接合成氣，緩衝過濾器1的出口連接熱交換器2的冷端入口，熱交換器2的冷端出口連接高溫過濾器3的入口，熱交換器2的熱端入口連接第二變換爐6的出口，熱交換器2的熱端出口連接第一增溼器7和第二增溼器8的入口，高溫過濾器3的出口連接第一變換爐5的入口，第一變換爐5的出口連接第一增溼器7的入口，第一增溼器7的出口連接第二變換爐6的入口，第一變換爐5和第二變換爐6組成一號變換爐；第一增溼器7和第二增溼器8的入口連接脫鹽水泵15的出口，第二增溼器8的蒸汽入口連接蒸汽分離器4的出口，蒸汽分離器4的出口連接高溫過濾器3的入口，第二增溼器8的出口連接二號變換爐9的入口，二號變換爐9的出口連接冷卻器10的入口，冷卻器10的出口連接變換氣分水器11的入口，變換氣分水器11的出口連接過濾器12的入口，過濾器12的出口連接汽提塔13的入口，蒸汽通入到汽提塔13的蒸汽入口，汽提塔13的出口連接脫鹽水緩衝罐14的入口，脫鹽水緩衝罐14的脫鹽水入口連接脫鹽水管網，脫鹽水緩衝罐14的出口連接脫鹽水泵15；所述第一增溼器7和第二增溼器8的底部裝設溫度測量儀器，並在第一增溼器7和第二增溼器8設備的蒸汽入口位置和加溼混合氣出口位置之間加裝液位測量裝置。

上述所述的保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統保護催化劑的方法，IGCC系統氣化爐產生的煤氣合成氣，CO為55.85％；H2為25.66％；CH4為2900ppm；二氧化碳為1.76％，N2為16.7％，溫度138℃，壓力2.85MPa，首先進入緩衝過濾器1，除去合成氣中冷凝水，進入熱交換器2與一號變換爐出口氣體換熱升溫並與中壓蒸汽混合經高溫過濾器3後，進入第一變換爐5的入口，氣體溫度為200℃以上，第一變換爐5出口的溫度382℃以上的氣體經第一增溼器7換熱增溼後進入第二變換爐6的入口，第二變換爐6入口溫度為200℃以上，第二變換爐6出口溫度為370℃以上，反應氣在熱交換器2經熱回收後經第二增溼器8噴霧增溼進入二號變換爐9的入口，二號變換爐9入口出口溫度為180℃以上，出二號變換爐9的溫度為265℃以上的反應氣經冷卻器10降溫和變換氣分水器11後，降低為溫度40℃、壓力～2.5Mpa的氣體進入後續脫硫脫碳工序；變換氣分水器11分離的冷凝液經過過濾器12過濾、汽提塔13氣提後補入脫鹽水緩衝罐14，再由脫鹽水泵15返回增溼器作為增溼使用。

變換系統調試初期，由於進氣量未達到滿負荷，而催化劑裝填量是按照滿負荷計算裝填的，因此調試初期催化劑相對過量，變換反應深度高，反應劇烈，放出大量的熱量，如果產生的熱量不能及時帶走，必然會導致催化劑床層超溫。一般採用向變換爐中加入蒸汽或噴水減溫的辦法降低反應溫度，但蒸汽和水均為反應物，減溫水與變換氣混合過程中會直接氣化成蒸汽而變為反應物參與變換反應，導致床層溫度繼續身高。蒸汽或減溫水投入過量會使催化劑床層溫度下降，但過量的蒸汽有可能冷凝與減溫水沉積在催化劑層，造成催化劑長時間浸泡而失效。所述第一增溼器7和第二增溼器8的底部裝設溫度測量儀器，並在第一增溼器7和第二增溼器8設備的蒸汽入口位置和加溼混合氣出口位置之間加裝液位測量裝置。第一增溼器7和第二增溼器8底部溫度測量儀器顯示的溫度數值應為噴入蒸汽後與變換氣混合的溫度值，而且該值必須高於混合氣出口的溫度值，這樣的溫度測量結果才能保證增溼器中噴入的蒸汽適量，利於催化劑的保護和變換反應的穩定。液位測量裝置能夠直接顯示增溼器內水位情況，判斷蒸汽與變換氣混合以及噴水減溫後變換混合氣的含水情況。

運行過程中嚴格監測增溼器底部溫度值與增溼器變換混合氣出口溫度值，要求增溼器底部溫度應高於增溼器變換混合氣出口溫度值。同時，要求增溼器水位不能高於抹沫板。如果溫度與水位均與所述要求相反，則說明蒸汽冷凝或鍋爐水加溼過量導致過多的冷凝水帶入變換爐，使催化劑遇水浸泡後失活。

防止催化劑床層超溫和催化劑浸泡，具體方法是在變換系統調試初期，為防止第一變換爐5超溫，將第一變換爐5催化劑床層兩段設置，催化劑分兩層裝填，每部分的催化劑量所對應的氣量相當於50％負荷時的氣量。當氣量為半負荷以下至半負荷時，原料氣進第一變換爐5的下段催化劑層，當氣量超過半負荷時，原料氣逐次進入第一變換爐5的上段和下段催化劑層逐漸到滿負荷氣量。為防止催化劑床層超溫，在第一變換爐5入口增設激冷管線，激冷氣可為未預熱的新鮮煤氣、IGCC系統中壓氮氣或者工業CO2氣體，在超溫時通入激冷氣將催化劑床層溫度降到正常水平。也可在第一變換爐5和第二變換爐6出口增設放空管線至火炬總管，當催化劑床層超溫時，直接打開放空管線閥門，通過增大新鮮煤氣流速降低催化劑床層溫度到正常值。在變換系統正常穩定運行期間嚴格控制變換爐各段入口溫度和水汽比，第一變換爐5的入口溫度200℃，水汽比0.2，第二變換爐6入口溫度200℃，水汽比0.3，二號變換爐9入口溫度200℃，水汽比0.26，這樣能保證變換爐內的催化劑床層溫度低於400℃，保證催化劑在設計溫度條件發生反應，從而保護催化劑的使用壽命。

本實用新型的有益效果是：

1、本實用新型通過對基於IGCC的燃燒前CO2捕集系統中煤氣變換工藝流程增溼器溫度水位的監控，以及調試運行過程中參數的調節，達到對變換催化劑保護的目的，以延長變換催化劑的使用壽命。

2、本實用新型的其他優點、目標和特徵在某種程度上將在隨後的說明書中進行闡述。

附圖說明

圖1為本實用新型系統及流程示意圖。

圖2為變換氣蒸汽減溫水監測設備位置示意圖。

具體實施方式

以下將參照附圖，對本實用新型的優選實施例進行詳細的描述。應當理解，優選實施例僅為了說明本實用新型，而不是為了限制本實用新型的保護範圍。

如圖1所示，本實用新型保護燃燒前CO2捕集系統變換單元催化劑的系統，包括緩衝過濾器1，緩衝過濾器1的入口連接合成氣，緩衝過濾器1的出口連接熱交換器2的冷端入口，熱交換器2的冷端出口連接高溫過濾器3的入口，熱交換器2的熱端入口連接第二變換爐6的出口，熱交換器2的熱端出口連接第一增溼器7和第二增溼器8的入口，高溫過濾器3的出口連接第一變換爐5的入口，第一變換爐5的出口連接第一增溼器7的入口，第一增溼器7的出口連接第二變換爐6的入口，第一變換爐5和第二變換爐6組成一號變換爐；第一增溼器7和第二增溼器8的入口連接脫鹽水泵15的出口，第二增溼器8的蒸汽入口連接蒸汽分離器4的出口，蒸汽分離器4的出口連接高溫過濾器3的入口，第二增溼器8的出口連接二號變換爐9的入口，二號變換爐9的出口連接冷卻器10的入口，冷卻器10的出口連接變換氣分水器11的入口，變換氣分水器11的出口連接過濾器12的入口，過濾器12的出口連接汽提塔13的入口，蒸汽通入到汽提塔13的蒸汽入口，汽提塔13的出口連接脫鹽水緩衝罐14的入口，脫鹽水緩衝罐14的脫鹽水入口連接脫鹽水管網，脫鹽水緩衝罐14的出口連接脫鹽水泵15。

IGCC系統氣化爐產生的煤氣合成氣，CO為55.85％；H2為25.66％；CH4為2900ppm；二氧化碳為1.76％，N2為16.7％，溫度138℃，壓力2.85MPa，首先進入緩衝過濾器1，除去合成氣中冷凝水，進入熱交換器2與一號變換爐出口氣體換熱升溫並與中壓蒸汽混合經高溫過濾器3後，進入第一變換爐5的入口，氣體溫度為200℃以上，第一變換爐5出口的溫度382℃以上的氣體經第一增溼器7換熱增溼後進入第二變換爐6的入口，第二變換爐6入口溫度為200℃以上，第二變換爐6出口溫度為370℃以上，反應氣在熱交換器2經熱回收後經第二增溼器8噴霧增溼進入二號變換爐9的入口，二號變換爐9入口出口溫度為180℃以上，出二號變換爐9的溫度為265℃以上的反應氣經冷卻器10降溫和變換氣分水器11後，降低為溫度40℃、壓力～2.5Mpa的氣體進入後續脫硫脫碳工序；變換氣分水器11分離的冷凝液經過過濾器12過濾、汽提塔13氣提後補入脫鹽水緩衝罐14，再由脫鹽水泵15返回增溼器作為增溼使用。

在變換系統調試初期，為防止第一變換爐5中催化劑床層超溫，將第一變換爐5催化劑床層分兩段設置，催化劑分兩層裝填，每部分的催化劑量所對應的氣量相當於50％負荷時的氣量。當氣量為半負荷以下至半負荷時，原料氣進入第一變換爐5的下段催化劑層，當氣量超過半負荷時，原料氣逐次進入第一變換爐5的上段和下段催化劑層逐漸到滿負荷氣量。為防止催化劑床層超溫，在第一變換爐5入口增設激冷管線，激冷氣可為未預熱的新鮮煤氣、IGCC系統中壓氮氣或者工業CO2氣體，在超溫時通入激冷氣將催化劑床層溫度降到正常水平，如圖1所示。也可在第一變換爐5和第二變換爐6出口增設放空管線至火炬總管，當催化劑床層超溫時，直接打開放空管線閥門，通過增大新鮮煤氣流速降低催化劑床層溫度到正常值。

變換系統調試初期，為防止催化劑超溫監測第一增溼器7和第二增溼器8內蒸汽與減溫水是否噴入過量，在第一增溼器7和第二增溼器8的底部裝設溫度測量儀器(溫度傳感器)，並在第一增溼器7和第二增溼器8設備的蒸汽入口位置和加溼混合氣出口位置之間加裝液位測量裝置(液位計)，如圖2所示。第一增溼器7和第二增溼器8底部溫度測量儀器顯示的溫度數值應為噴入蒸汽後與變換氣混合的溫度值，而且該值必須高於混合氣出口的溫度值，這樣的溫度測量結果才能保證加溼器中噴入的蒸汽適量，利於催化劑的保護和變換反應的穩定。液位測量裝置能夠直接顯示增溼器內水位情況，判斷蒸汽與變換氣混合以及噴水減溫後變換混合氣的含水情況。調試運行過程中嚴格監測第一增溼器7和第二增溼器8底部溫度值與增溼器變換混合氣出口溫度值，要求第一增溼器7和第二增溼器8底部溫度應高於增溼器變換混合氣出口溫度值。同時，要求第一增溼器7和第二增溼器8水位不能高於抹沫板。如果溫度與水位均與所述要求相反，則說明蒸汽冷凝或鍋爐水加溼過量導致過多的冷凝水帶入變換爐，使催化劑遇水浸泡後失活，應及時採取排水措施，將溫度和液位控制在要求的正常水平。

在變換系統正常穩定運行期間嚴格控制變換爐各段入口溫度和水汽比，第一變換爐5的入口溫度200℃，水汽比0.2；第二變換爐6入口溫度200℃，水汽比0.3；二號變換爐9入口溫度200℃，水汽比0.26；最終變換氣中CO達到1.63％，CO變換率達到95.1％，這樣保證變換爐內的催化劑床層溫度低於400℃，保證催化劑在設計溫度條件發生反應，從而保護催化劑的使用壽命。

最後說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本技術方案的宗旨和範圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求範圍當中。