專利名稱：烴類蒸汽串聯(lián)轉化工藝的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種烴類蒸汽轉化節(jié)能新工藝，適用于烴類蒸汽轉化制取合成氣的工藝過程。
采用氣態(tài)烴為原料制備氨合成原料氣，最早工業(yè)化的工藝過程為常壓部份氧化法，隨著冶金工藝技術的發(fā)展，耐高溫合金轉化管(如HK-40，HP-Nb)的加工制作得到了解決，氣態(tài)烴加壓蒸汽轉化工藝就取代了常壓部份氧化工藝。迄今為止，轉化壓力已從常壓提高到3.0～4.3MPa，生產規(guī)模也日趨大型化，當今世界上單系統(tǒng)合成氨最大規(guī)模為1700MTPD，單系統(tǒng)甲醇最大規(guī)模為2540MTPD以上。60年代初我國尚不能生產耐高溫合金轉化管，為了滿足我國農業(yè)發(fā)展對化肥的需求，開發(fā)了C.C.R間歇轉化工藝。傳統(tǒng)工藝，無論是常壓部份氧化法、加壓連續(xù)轉化工藝或者C.C.R.間歇轉化工藝，均是將高溫工藝氣體直接導入廢熱鍋爐產生高參數蒸汽，而氣態(tài)烴蒸汽轉化所需的熱量不得不靠燃燒一部份烴類物質來介決。
這些節(jié)能工藝的核心就是盡可能減少燃燒用烴類物質的消耗，從而實現(xiàn)轉化工藝過程的自熱式熱平衡或半自熱式熱平衡(前者如LCA工藝與換熱式一段轉化、富氧空氣二段轉化工藝，后者如類烴蒸汽換熱式并聯(lián)轉化新工藝與本工藝等)。
為了實現(xiàn)轉化過程的自熱式熱平衡或半自熱式熱平衡，從80年代開始國外就著手開發(fā)換熱式轉化造氣新工藝。最早實現(xiàn)工業(yè)化的是英國I.C.I公司的LCA工藝，其生產規(guī)模為300～450MTPD。該工藝采用換熱式一段轉化爐取代傳統(tǒng)外熱式轉化爐，并將一段轉化爐的部份CH4蒸汽轉化負荷移向二段轉化爐，向二段轉化爐內加入過量空氣以維持該系統(tǒng)的自熱式熱平衡，同時利用來自二段轉化爐的高溫工藝氣體在換熱式一段轉化爐管外與管內反應物間進行換熱，以提供管內烴類物質蒸汽轉化反應所需的熱量。為了滿足合成氨對原料氣中H2/N2的要求，設置了PSA裝置，以脫除隨過量空氣帶入系統(tǒng)的過量N2，同時也脫除CO2氣。LCA工藝在脫除過量N2的過程中造成了一定量的H2損失，為了克服這一缺點，白俄羅斯的格羅德諾氮素綜合企業(yè)采用換熱式一段轉化爐串富氧空氣二段轉化的工藝，從而既達到了系統(tǒng)自熱式熱平衡目的，又沒有H2損失問題，只是也需要設置一套PSA空氣分離裝置。
本發(fā)明的目的主要在于充分利用合成氨廠的原有設備、管線及配套設施來進行節(jié)能技術改造，提出一種烴類蒸汽轉化節(jié)能工藝，適用于烴類蒸汽轉化制取合成氣的工藝過程達到節(jié)能降耗與減少投資、縮短工期的雙重效果。
本發(fā)明的烴類蒸汽轉化串聯(lián)工藝是將原料烴與工藝蒸汽混合預熱后，首先進入換熱式一段轉化爐，由來自二段轉化爐的高溫工藝氣體在管間流動，與管內反應物進行間接換熱，以提供管內烴類蒸汽轉化所需的熱量，當烴類蒸汽轉化反應進行到一定程度后，再進入傳統(tǒng)外熱式轉化爐(簡稱中間轉化爐)內進一步進行CH4蒸汽轉化反應，然后再進入二段轉化爐內進行CH4深度轉化反應。即采用一臺換熱式一段轉化爐與一臺外熱式一段轉化爐串聯(lián)操作，共同完成烴類蒸汽一段轉化反應，我們將這一工藝命名為烴類蒸汽換熱式串聯(lián)轉化工藝。
本發(fā)明的烴類蒸汽串聯(lián)轉化工藝，其特征在于(1)采用一臺換熱式一段轉化爐與一臺傳統(tǒng)外熱式一段轉化爐串聯(lián)操作，原料烴與工藝蒸汽先進入換熱式一段轉化爐節(jié)轉化后進入外熱式一段轉化爐繼續(xù)轉化，再進入二段轉化爐進行CH4深度轉化反應。
(2)換熱式一段轉化爐內烴類蒸汽轉化所需熱量來自二段轉化爐的高溫工藝氣體的高位熱能，它通過高溫工藝氣體與換熱式一段轉化爐管內反應物之間的間接換熱而獲得，而傳統(tǒng)外熱式一段轉化爐仍然靠燒咀燃燒燃料氣，為烴類一段蒸汽轉化提供熱量。
(3)二段轉化爐出口高溫工藝氣體首先將熱量提供給換熱式一段轉化爐，然后再利用其余熱量來預熱原料天然氣/工藝蒸汽混合氣，自身溫度降低后進入轉化氣廢鍋，繼后入CO中溫變換爐，以后就遵循原有工藝流程。
對于本發(fā)明的烴類蒸汽串聯(lián)轉化工藝，其具體操作的工藝條件為進入換熱式一段轉化爐管內原料氣的壓力為0.2～4Mpa，溫度為400～600℃，出口氣體溫度為500～750℃，CH4體積含量為8～24％，管間出口氣體溫度為500～700℃；外熱式一段中間轉化爐管內氣體出口溫度為700～800℃，CH4體積含量為9～12％，二段轉化爐出口氣體溫度為800～1050℃。
對于本發(fā)明的烴類蒸汽串聯(lián)轉化工藝，在外熱式一段中間轉化爐的對流段內還設有一組鍋爐給水予熱盤管，來自管線的鍋爐給水經予熱盤管回收煙氣的廢熱后，進入轉化氣——變換氣廢熱鍋爐；轉化氣廢鍋與變換氣廢鍋所產蒸汽，經汽水分離后進入本系統(tǒng)蒸汽總管。
下面結合附圖
對本發(fā)明進行詳細說明。
附圖一為烴類蒸汽換熱式串聯(lián)轉化新工藝流程圖。
對附圖中的部分符號說明13-換熱式一段轉化爐；19-中間轉化爐18-二段轉化爐；11-工藝原料氣/轉化氣換熱器；本發(fā)明是將原料氣態(tài)烴經管線1導入壓縮機2，升壓至1～3.5MPa后與來自管線3的返氫氣(甲烷化后的精制氣)混合，經管線4進入中間轉化爐19對流段內的原料氣予熱盤管5，預熱至250～430℃，經管線6進入加氫脫硫反應器7以除去對后繼工序有害的硫，反應器內裝有催化劑。脫硫合格的氣體由管線8流出并與來自管線9的水蒸汽(壓力為1.3～3.9MPa)混合，即為工藝原料氣，經管線10進入工藝原料氣/轉化氣換熱器11，使溫度升至400～600℃，經管線12進入換熱式一段轉化爐13的各轉化管14，管內裝有催化劑。借助于管間二段轉化爐出口高溫工藝氣體所提供的熱量，來維持烴類蒸汽轉化反應的進行，當反應進行到一定程度后，即出口溫度為500～750℃時，再經管線15進入中間轉化爐19輻射段的各轉化管16，管內裝有催化劑。借助于管外來自燃料氣管線50的燃料氣(天然氣與弛放氣的混合物)經燒咀燃燒放出的熱量，來維持CH4轉化反應的進行，當出口溫度遲到700～800℃，氣體經管線17進入二段轉化爐18，二段轉化爐內裝有催化劑。工藝空氣經管線20進入壓縮機21升壓至1～2MPa后，與來自管線23的少量水蒸汽混合，經管線24進入中間轉化爐19對流段內的予熱盤管25，預熱至400～750℃，經管線26進入二段轉化爐18，與來自管線17的一段轉化氣混合，在二段轉化爐18爐頭發(fā)生H2與O2的燃燒反應，為爐內CH4深度轉化提供必需的熱源。當反應進行到一定程度后，即出口溫度為800～1050℃時，出二段轉化爐的氣體經管線27進入換熱式一段轉化爐13的管間，將高位能熱量傳遞給管內參與反應的氣流，當溫度降至500～700℃時，經管線28進入工藝原料氣/轉化氣換熱器11，將熱量再傳遞給工藝原料氣后經管線29進入轉化氣廢鍋30，以副產蒸汽方式進一步回收轉化氣的工藝余熱，當溫度降至320～400℃時經管線31進入中溫變換爐32，中溫變換爐內裝有催化劑。在中變爐內進行水煤氣變換反應，當CO含量降至1～3.5％(V干)時，經管線33進入變換氣廢鍋34，以副產蒸汽形式回收中變氣的余熱，溫度降至180～280℃后經管線35進入鍋爐給水預熱器36進一步回收熱量，再經管線37進入低溫變換爐38，低溫變換爐內裝有催化劑。在爐內進行接近平衡濃度的水煤氣深度變換反應，出口殘余CO含量降至0.3％左右，經管線39進入鍋爐給水預熱器40以回收低變氣的余熱再經管線41進入水冷器42，經冷卻至40℃左右，經管線43進入后繼工序，以后遵循原有工藝流程。
在中間轉化爐19的對流段內還設有一組鍋爐給水予熱盤管46，來自管線45的鍋爐給水經盤管46回收煙氣的廢熱后，由管線47進入轉化氣——變換氣廢熱鍋爐。轉化氣廢鍋30與變換氣廢鍋34所產蒸汽，經汽水分離后由管線48進入本系統(tǒng)蒸汽總管44，以維持合成氨廠的蒸汽平衡。
本發(fā)明的構思主要是針對以氣態(tài)烴為原料的中、小型氨廠的節(jié)能技術改造與技術升級換代而提出的，當然也適用于以天然氣為原料的各種規(guī)模的合成氨廠。其主要特點如下1.能耗低本發(fā)明優(yōu)于傳統(tǒng)外熱式蒸汽轉化工藝，它能利用二段轉化爐出口工藝氣體的高位熱能來加熱換熱式一段轉化爐管內的反應物，為其烴類蒸汽轉化提供必需的熱源，大大減少了傳統(tǒng)外熱式一段轉化爐(中間轉化爐)的燃料氣消耗及煙氣排放量，從而減少了煙氣排放所造成的熱損失，改善了環(huán)境條件，因而大大降低了氣態(tài)烴的消耗定額。
本發(fā)明與換熱式富氧蒸汽轉化工藝相比，它不需要氧氣，與LCA工藝相比，它不需要脫除過量N2，前者的空氣分離裝置和后者的PSA分離裝置都要消耗大量的電力。因此，若采用本發(fā)明對現(xiàn)有采用C.C.R造氣工藝或傳統(tǒng)的直接轉化工藝的中、小型氨廠進行節(jié)能技術改造，其綜合能耗(氣耗+電耗)是最低的。
2.工藝操作與開停車簡便本發(fā)明與烴類蒸汽換熱式并聯(lián)轉化工藝相比，雖然一段轉化阻力降大一點，轉化管材料要多耗一點，但在串聯(lián)流程中，換熱式轉化爐可視作予轉化爐，后面有外熱式中間轉化爐把關，因力工藝操作與控制容易，系統(tǒng)開停車也更簡便。
3.投資省，建設周期短采用本發(fā)明對現(xiàn)有C.C.R造氣工藝的中小型氨廠進行節(jié)能技術改造時，只要轉化壓力選擇適當，只需新建造氣氣頭，從中溫變換工序起，以后各工序的設備、管線、電氣儀表及其它配套設施，均可原封不動地加以利用。
采用本發(fā)明對現(xiàn)有傳統(tǒng)直接蒸汽轉化工藝的合成氨裝置進行改造時，只需在原外熱式一段轉化爐前增設一臺串聯(lián)的換熱式一段轉化爐，再改造擴大二段爐生產能力，即可達到增產節(jié)能目的，原有的外熱式一段轉化爐、轉化氣廢鍋等也可以直接利用。
換熱式轉化爐由于管壁溫度較低，運行條件溫和，材質較傳統(tǒng)蒸汽轉化工藝的外熱式一段轉化爐要求低。
與換熱式富氧蒸汽轉化工藝相比，它不需要設置昂貴的PSA制富氧裝置或空分裝置；與LCA工藝相比，它不需要設置脫除過量N2的PSA分離裝置；與上述二種換熱式轉化工藝相比，它的二段轉化爐不添加富氧或過量空氣，熱負荷小，反應條件溫和，與傳統(tǒng)工藝的二段轉化爐一樣，對設備材質、結構、耐火材料和催化劑沒有特殊的要求。
4.風險小，運行穩(wěn)定可靠本發(fā)明的中間轉化爐與二段轉化爐組合，即為傳統(tǒng)的烴類蒸汽直接轉化工藝流程，因此，即便是換熱式一段轉化爐出了故障，原料氣可由傍路繞過換熱式一段轉化爐，直接進入中間轉化爐，而使該工藝過程維持正常運行。
本發(fā)明還克服了換熱式富氧蒸汽轉化工藝和LCA工藝的PSA制富氧或脫N2裝置運行不穩(wěn)定帶來的風險，以及二段轉化爐易超溫常常造成催化劑老化、失活與二段轉化爐、換熱式一段轉化爐燒壞的弊病，因而運行更穩(wěn)定、可靠。
綜上所述，本發(fā)明是一項適合于中小型合成氨廠推廣應用的技術，特別適用于原有C.C.R工藝.造氣的合成氨廠的節(jié)能技術改造。采用本發(fā)明進行技術改造后，每噸合成氨可節(jié)能1.2～17.6×106Ki，可節(jié)省造氣系統(tǒng)改造投資10～30％。
本發(fā)明可用于氣態(tài)烴合成甲醇與制H2的生產過程及其造氣系統(tǒng)的節(jié)能技術改造。
實施例60kgmol/h，壓力為0.5MPa的天然氣經管成1進入壓縮機2加壓至1.1Mpa經由管線4進入中間轉化爐19對流段內盤管5預熱至410℃，然后由管線6進入加氫脫硫反應器7，脫硫后氣體(總硫＜1PPM)由管線8與來自管線9的3400Kg/h蒸汽混合，并調節(jié)水碳比為2.7即為工藝原料氣，經管線10進入轉化氣/工藝原料氣換熱器11，經加熱至500℃后由管線12進入換熱式一段轉化爐13的轉化管14管內，出換熱式一段轉化爐13的氣體溫度為680℃，CH4含量降至30％(干基)，經管線15進入中間轉化爐19輻射段的轉化管16管內，管外由管線50提供的燃料天然氣和弛放氣(約為30gmol/h)燃燒供熱，出轉化管16的氣體溫度為760℃，CH4含量10％(干基)，經管線17進入二段轉化爐18。來自管線20的空氣約100Kgmol/h，經空壓機21壓縮至1.05Mpa后配入由管線23來的少量蒸汽，在中間轉化爐19對流段內盤管25中預熱至510℃，經管線26進入二段轉化爐18并與來自管線17的一段轉化氣混合，二段爐18出口氣體溫度為960℃，CH4含量0.5％(干基)，流量為7500Kg/h，經管線27通入換熱式一段轉化爐13的管間，以提供轉化管14中烴類進行轉化反應所需要的熱量。放熱后溫度約600℃的氣體經管線28引入換熱器11，氣體將熱量傳給由管線10來的原料氣，經進一步冷卻后的氣體由管線29引入轉化氣廢鍋30進一步降低溫度至355℃，然后經管線31進入中溫變換爐32(中變爐為工廠原有設備)，在中變爐內進行一氧化碳與水蒸汽的變換反應，使其出口殘余CO含量達到3.5％(干基)，中變氣經管線33進入變換氣廢鍋34以回收熱量，再經鍋爐給水預熱器36進一步冷卻至190℃后，再進入低溫變換爐38(低變爐為工廠原有設備)，在低變爐內進一步發(fā)生一氧化碳和水蒸汽的變換反應，使其出口殘余CO含量降到0.3％(干基)后，依次經鍋爐給水預熱器40和水冷器42冷卻至40℃，進入后繼的碳化工序。
權利要求
1.一種烴類蒸汽串聯(lián)轉化工藝，其特征在于(1)采用一臺換熱式一段轉化爐與一臺傳統(tǒng)外熱式一段轉化爐串聯(lián)操作，原料烴與工藝蒸汽先進入換熱式一段轉化爐節(jié)轉化后進入外熱式一段轉化爐繼續(xù)轉化，再進入二段轉化爐進行CH4深度轉化反應；(2)換熱式一段轉化爐內烴類蒸汽轉化所需熱量來自二段轉化爐的高溫工藝氣體的高位熱能，它通過高溫工藝氣體與換熱式一段轉化爐管內反應物之間的間接換熱而獲得，而傳統(tǒng)外熱式一段轉化爐仍然靠燒咀燃燒燃料氣，為烴類一段蒸汽轉化提供熱量；(3)二段轉化爐出口高溫工藝氣體首先將熱量提供給換熱式一段轉化爐，然后再利用其余熱量來預熱原料天然氣/工藝蒸汽混合氣，自身溫度降低后進入轉化氣廢鍋，繼后入CO中溫變換爐，以后就遵循原有工藝流程。
2.根據權利要求1所述工藝，其特征在于進入換熱式一段轉化爐管內原料氣的壓力為0.2～4Mpa，溫度為400～600℃，出口氣體溫度為500～750℃，CH4體積含量為8～24％，管間出口氣體溫度為500～700℃；外熱式一段中間轉化爐管內氣體出口溫度為700～800℃，CH4體積含量為9～12％，二段轉化爐出口氣體溫度為800～1050℃。
3.根據權利要求1或2所述工藝，其特征在于在外熱式一段中間轉化爐的對流段內還設有一組鍋爐給水予熱盤管，來自管線的鍋爐給水經予熱盤管回收煙氣的廢熱后，進入轉化氣——變換氣廢熱鍋爐；轉化氣廢鍋與變換氣廢鍋所產蒸汽，經汽水分離后進入本系統(tǒng)蒸汽總管。
全文摘要
本發(fā)明是一種烴類蒸汽轉化串聯(lián)節(jié)能工藝，采用一臺換熱式一段轉化爐與一臺傳統(tǒng)的外熱式一段轉化爐串聯(lián)操作，來完成烴類蒸汽一段轉化反應。該工藝不但能有效地利用二段轉化爐出口工藝氣體的高位熱能來加熱換熱式轉化爐管內參與反應的物流，為管內烴類蒸汽轉化提供所需的熱量，從而節(jié)省燃料烴的消耗，而且省卻了LCA工藝的PSA脫除過剩N2裝置或換熱式富氧蒸汽轉化工藝的PSA制富氧空氣裝置(或空分裝置)。特別適用于各種規(guī)模的以天然氣為原料的合成氨及甲醇工廠的節(jié)能技術改造，具有能耗低、工藝操作與開停車簡便、投資省、建設周期短、風險小、運行穩(wěn)定可靠和能充分利用工廠原有設施等特點。
文檔編號C01B3/00GK1390776SQ0212426
公開日2003年1月15日 申請日期2002年7月12日 優(yōu)先權日2002年7月12日
發(fā)明者龐玉學, 劉武烈, 萬蓉, 魏蜀剛, 龐彪 申請人:龐玉學