用于蒸汽重整系统的稳定运行的方法与流程

1.本发明涉及一种用于调节和稳定运行蒸汽重整系统的方法，该蒸汽重整系统的容量利用水平可以调节，并且该蒸汽重整系统包括蒸汽重整器、定位在蒸汽重整器上游并且旨在用于原料脱硫的氢化和脱硫单元以及蒸汽重整器的燃烧单元。


背景技术：

2.例如，考虑到全球对氢气需求的上升，生产能力正在连续扩大，并且用于氢气生产的方法的效率正在优化。用于生产氢气的一种有效并且因此也是广泛使用的技术是蒸汽重整技术，其中氢气由烃来生产，例如天然气、石脑油(原油、直馏汽油)、lpg、富氢废气，比如提炼厂废气、生物质或原油。
3.这里的蒸汽重整典型地嵌入到以下运行链中：
4.蒸汽重整本身通常在原料制备之前进行，这需要例如原料的压缩或蒸发或预热。这通常随后是两步原料脱硫，其中在氢化单元中氢化烯烃以及包含在原料中的有机硫化合物。现在以h2s形式存在的硫随后被吸附在例如氧化锌上。
5.在原料制备之后，例如添加后续催化步骤所需的全部量的工艺蒸汽。以限定的摩尔比进行添加。该比由原料流中所含的有机碳和工艺蒸汽流速形成。
6.在实际蒸汽重整发生之前，出于最小化原料和燃料消耗还有最小化蒸汽重整器尺寸的原因，可以在绝热反应器中进行初步重整，该初步重整的主旨是在约450至540℃下将重质烃转化为甲烷、氢气、一氧化碳和二氧化碳。
7.用于在蒸汽重整器中获得氢气的实际蒸汽重整在约500至930℃下进行，并且在烃、例如甲烷和蒸汽之间的吸热反应中完成：
[0008][0009]
对于饱和烃，这可以以如下的一般形式书写：
[0010][0011]
为了提高氢气产率，该反应可能(通常在用于氢气产生的设备的情况下)通过称为水煤气变换反应的反应进行，其中一氧化碳和蒸汽反应以形成二氧化碳和氢气：
[0012][0013]
最后，将离开蒸汽重整器的合成气冷却至适合于变压吸附设备的温度。在变压吸附设备中，比如co、co2、h2o、n2和ch4的杂质得到了有效分离，并且获得了高纯度的氢气。由于效率的原因，出现的废热被回收。由废热产生的蒸汽被重新用作工艺蒸汽，任何多余的蒸汽都被输送到例如现有的网络。
[0014]
从us 7,881,825 b2已知一种用于基于蒸汽重整运行氢气生产系统的方法，该方法通过算法和精细的校正模型使得能够在尽可能接近最优的运行点运行氢气生产系统，以便最小化原料的消耗，同时最大化氢气产率。
[0015]
然而，对用于运行氢气生产系统或通常蒸汽重整系统的方法施加的要求并不简单地等于发现针对原料消耗而优化的运行点。相反，这种方法同样应当使得系统的容量利用
水平能够适应产品需求和/或氢气需求波动的情况。对该系统施加的另一个要求是，不管可变的容量利用水平，并且因此不管对产品和/或氢气的可变需求，都确保其稳定运行。系统稳定性的标准-从工艺运行的复杂性和所涉及的系统组成的复杂性来看绝不是微不足道的-是特别重要的，因为氢生产系统，如许多大型化设备，必须配备紧急停堆系统，该系统在例如数量波动的事件中进行干预，由负载变化引起的压力和温度，导致超过规定的安全相关系统限值，并且作为整体关闭氢气生产系统。系统关闭需要相当大的下游成本，这可能显著地负面影响设备的总生产率，并且因此单个系统关闭通常与相对于正常运行中的原料消耗的与最优运行点的轻微偏离相比更高的成本相关联。


技术实现要素：

[0016]
因此，本发明的目的是提供一种用于调节和稳定运行蒸汽重整系统的方法，该蒸汽重整系统的容量利用水平可以调节，所述方法掌控对容量利用水平的调节，同时保证系统运行的高度稳定性，特别是在容量利用水平变化期间。
[0017]
根据本发明，该目的通过如开始所述的方法来实现，其中通过自动调节以下连续监测的参数比来建立生产系统的强制容量利用水平：
[0018]-氢化和脱硫单元中氢气-原料比，
[0019]-蒸汽重整器中的蒸汽-碳比，
[0020]-蒸汽重整器的燃烧单元中的燃料-空气比。
[0021]
通过该方法，在第一步骤中-甚至在所涉及的气体进入蒸汽重整器之前-为了保护位于蒸汽重整器中的催化剂免受充当催化剂毒物的硫化合物的影响，在准备步骤中确保向原料供应足够量的氢气，以便例如在位于蒸汽重整器上游的氢化单元中进行有机硫化合物和烯烃的有效氢化。通过本发明的方法，这可以例如以有利的方式通过抽出由蒸汽重整生成的氢气的小的子流并且以特定的比将其供应给原料流来实现。连续监测当前的氢气-原料比，并且相应地调节相应的输入变量-在当前情况下为氢气流和原料流。
[0022]
用该方法在该步骤中选择的氢气-原料比优选地取决于原料。特别优选地，基于在0.01至0.60范围内的摩尔流速来调整氢气-原料比。
[0023]
在该准备步骤结束之后，制备的原料可用于随后的蒸汽重整。
[0024]
在本发明方法的第二步骤中，为了有效地实施蒸汽重整，即烃与蒸汽的吸热反应，通过合适的测量装置，例如通过流量计和原料分析来监测蒸汽-碳比，并且通过调节蒸汽流和/或脱硫原料流来调整蒸汽-碳比。优选地以适于脱硫原料流的形式选择蒸汽流，脱硫原料流从氢化和脱硫单元获得并且进入蒸汽重整器。
[0025]
在第一步骤中已经制备的原料流可以认为在准备过程中没有变化，因为从原料流中除去的硫化合物通常具有仅几ppm的分数。特别优选地，在添加工艺蒸汽时，建立2.0至4.0的摩尔蒸汽-碳比。
[0026]
本发明方法的最后步骤包括监测和建立与蒸汽重整器相关联的燃烧单元中的燃料-空气比，所述单元通过燃料的点燃引入吸热反应所需的热量。在这种情况下选择的燃料-空气比取决于原料和燃料。
[0027]
已经显现，如果在系统的容量利用水平发生变化的情况下调节氢气-原料比，使得在用于制备原料的第一步骤中调整氢流和原料流的顺序根据蒸汽重整系统的容量利用水
平是提高还是降低来选择，则系统的运行稳定性可以额外改善。
[0028]
在改善系统运行稳定性方面特别有利的方式中，在系统的容量利用水平发生变化的情况下，调节与蒸汽重整相关的蒸汽-碳比，使得在本发明方法的发展中，调整蒸汽流和原料流的顺序根据蒸汽重整系统的容量利用水平是升高还是降低来选择。
[0029]
在系统的容量利用水平发生变化的情况下，通过调节燃料-空气比，可以进一步改善系统的运行稳定性，使得燃料流和空气流的调整顺序根据蒸汽重整系统的容量利用水平是升高还是降低来选择。
[0030]
此外，已经显现，如果蒸汽重整系统的容量利用水平在30％至100％的范围内，则本发明的方法的应用是特别有用的，这在经济上通常是所期望的。在低容量利用水平(低于30％)下，由于存在非连续部分负载，可能出现非平衡状态，并且可能导致系统运行的不稳定性。在容量利用水平为30％至100％的情况下，氢气生产设备及其整个单独的设备部件典型地处于稳定、连续运行的范围内，其中本发明的方法运行得特别好，因此，由于容量利用水平的变化而导致的设备的不期望停机的可能性被有效地最小化。
[0031]
此外，在本发明的方法的上下文中，如果容量利用水平的变化率被限制为100％容量利用率所需的每分钟原料量的0.5％至2.0％，则对于系统稳定性来说是有利的。该改变速率也可以以良好近似的方式转置到要改变的所有其他参数和/或流。更高的变化率会带来数量、压力和温度过度波动的风险，从而可能导致超过规定的安全相关系统限值。这里提到的变化率代表一个优选的值，利用该值可以快速地实现容量利用水平的变化，但同时维持系统的稳定运行。
[0032]
有利的发展从从属权利要求、下文的描述和附图中是显而易见的。
附图说明
[0033]
下面参照附图通过工作实施例描述本发明，其中：
[0034]
图1示出了在容量利用水平提高的情况下本发明的方法的示意性表示，和
[0035]
图2示出了在容量利用水平降低的情况下本发明的方法的示意性表示。
具体实施方式
[0036]
图1表示本发明方法的工作实例，其中在提高容量利用方法并且因此提高氢气产量的情况下调节蒸汽重整系统，其中还考虑了相应变量的变化顺序，以便进一步改善系统运行的稳定性。
[0037]
在一个步骤中，通过在氢化阶段中氢化以及随后在脱硫单元1中，通过在特定的氢气-原料比2下实施氢化来制备原料。为了建立该取决于原料的比，根据强制容量利用水平来计算氢气流和原料流的设定点值，3，该强制容量利用水平通常在用户侧提高(例如，手动地或基于产品输送压力)。首先调整氢气流4。随后调整原料流5，以便保持期望的氢气-原料比。因此，在调整原料流5之前调整氢气流4。原料流5的调整在这里优选在达到氢流的设定点值之前开始。以这种方式，建立了期望的氢气-原料比2。
[0038]
在进一步的步骤中，在蒸汽重整器6中，在进入蒸汽重整过程之前，首先计算蒸汽流和碳流8的针对目标容量利用水平的设定点值，以便通过建立特定的蒸汽-碳比7来确保其正确运行。在此，原料携带的碳的量可以基于其在原料中的摩尔质量分数，通过合适的测
量-例如气相色谱法测量，或通过在实验室中取样和评价来确定。随后，首先调整计算的蒸汽流9，然后调整用于建立期望的比率的相应原料流10。因此，在调整原料流10之前调整蒸汽流9。蒸汽流9的调整在此优选在已经达到原料流10的设定点值之前开始。
[0039]
为了确保遵守规定的顺序，可以规定根据氢化和脱硫单元中的原料流的时间分布以及氢化和脱硫单元与蒸汽重整器之间的系统特定的渡越时间来计算将被引入蒸汽重整器的原料流和蒸汽流的设定点值的时间分布。
[0040]
在第三步骤中，在蒸汽重整器6的燃烧单元11中，通过首先计算空气流和燃料流13的设定点值，建立作为容量利用水平的函数的特定燃料空气比12。随后，首先调整计算的空气流14，然后调整用于建立期望比的相应燃料流15。
[0041]
图2描述了与图1相反的容量利用水平下降或氢气产量下降的情况。这里关键的是，与图1所示的情况相比，切换对各个流的调整顺序，以便实现系统稳定性的目标程度。
[0042]
应当理解，在工作示例的上下文中描述的涉及流的改变顺序的方法步骤不仅可以以所描述的整体使用(即，以所的有三个方法步骤)，也可以仅以所描述的三个方法步骤中的一个或两个使用，就保证系统稳定性而言，所有方法步骤的应用是优选的。
[0043]
附图标记表
[0044]1ꢀꢀ
氢化和脱硫单元
[0045]2ꢀꢀ
氢气-原料比
[0046]3ꢀꢀ
氢气流和原料流的设定点值
[0047]4ꢀꢀ
氢气流的调整
[0048]5ꢀꢀ
原料流的调整
[0049]6ꢀꢀ
蒸汽重整器
[0050]7ꢀꢀ
蒸汽-碳比
[0051]8ꢀꢀ
蒸汽流和碳流的设定点值
[0052]9ꢀꢀ
蒸汽流的调整
[0053]
10 原料流的调整
[0054]
11 燃烧单元
[0055]
12 燃料-空气比
[0056]
13 气流和燃料流的设定点值
[0057]
14 气流的调整
[0058]
15 燃料流的调整