一种煤制氢co变换多联产方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明属于煤化工装置工艺节能优化和工厂废热回收利用技术领域，具体涉及一种煤制氢CO变换多联产方法及装置，是分布式能源系统的在化工生产装置工业化应用。根据“温度对口、梯级利用”等总能系统理论原则，本发明提出在煤化工生产中引入冷热电多联产的设计理念，通过在一氧化碳变换工艺中串联循环工质发电机组、吸收式制冷机组和采暖加热器，优化和搭建工艺流程，在满足生产工艺和保证CO转化率要求的同时，有效回收利用变换过程反应热，可以实现发电、制冷和供暖多联产，并具有能量集成效果好、节能降耗显著、余热利用效率高等特点。
【专利说明】
-种煤制氨CO变换多联产方法及装置
技术领域
[0001] 本发明属于煤化工装置工艺节能优化和工厂废热回收利用技术领域，设及一种煤 制氨C0变换多联产方法及装置，是分布式能源系统的在化工生产装置的工业化应用。
【背景技术】
[0002] 在工业上，加快发展节能环保产业，优化工艺技术路线，合理配置资源、推广应用 节能技术、采用高效节能设备，推动产业升级和发展方式转变，具有十分重要的意义。冷热 电多联产是分布式能源的一种，具有节约能源、改善环境，增加电力供应等综合效益，是城 市治理大气污染和提高能源综合利用率的必要手段之一，符合国家可持续发展战略。《中华 人民共和国节约能源法》第Ξ十九条指出"国家鼓励发展热能梯级利用技术，热电冷联产技 术，提高热能综合利用率"。2006年国家发改会同财政部、建设部等部口编制了 Γ十一五"十 大重点节能工程实施意见》，明确提出"建设分布式热电联产和热电冷联供"。
[0003] 在煤制氨生产中，通常来自上游煤气化装置的粗合成气中C0的含量较多，甚至高 达70% W上，因此需要通过变换催化反应将C0与水反应转化成C〇2和也，得到富含氨气的工 艺气，再经过下游酸性气体脱除单元脱除C〇2等杂质，获得高纯度的氨气。一氧化碳变换反 应属于强放热反应，是一个热力学控制的过程，反应的热点溫度高达45(TCW上。目前，工业 生产中一氧化碳变换反应大多数采用多段绝热反应器串联，从而达到工艺气中一氧化碳的 高转换率。然而，C0变换过程的大量反应热回收是通过设置多台换热器，副产中低压蒸汽、 预热锅炉给水、加热脱盐水和循环水冷却等方式来实现。
[0004] 在2011年9月的《中氮肥》中公开了题为"Shell粉煤气化高水气比C0耐硫变换工艺 流程优化"的文章，文中讨论的变换流程中通过串联中压废锅、中压蒸汽过热器和低压废 锅，副产中压过热蒸汽和低压蒸汽的方式回收变换反应热，并提出了优化措施。在公开的专 利文件中，如"一种饱和热水塔高水气比C0变换工艺(CN102337159A)"、"一种粉煤加压气化 获得的高C0粗煤气变换工艺"（CN 1043409 5 8A)和"一种分股循环C0变换工艺 (CN103881765A)，一氧化碳变换过程反应热都是用来副产各等级的过热蒸汽和饱和蒸汽， 通常副产的大多数蒸汽品位低、能量利用率低，产生的大量多余蒸汽往往直接放空排放，造 成能源的极大浪费。
[0005] W上所述的变换工艺流程布置均采用多段反应器串联废热锅炉，通过副产蒸汽回 收反应热，即废锅变换流程，尽管能够满足工艺生产上的要求，但其不足之处在于:装置运 行能耗高，热量利用效率低，副产蒸汽量大，蒸汽品位低，实际生产中有大量多余蒸汽放空， 不能高效回收反应过程热量，造成能源浪费。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于按照国家节能减排的发展和相关政策要求，针对现有技术存在 的不足之处，而提供一种煤制氨C0变换多联产工艺及装置。根据"溫度对口、梯级利用"等总 能系统理论原则，优化和搭建工艺流程，首次提出在煤化工生产工艺装置中，通过引入冷热 电多联产用于回收利用变换反应热，满足工艺生产要求的同时，实现发电、制冷和供暖多联 供，并具有能量集成效果好、节能降耗显著、余热利用效率高等特点。
[0007] 本发明的目的可W通过W下技术方案实现：
[0008] -种煤制氨C0变换多联产装置，该装置包括第一反应炉、第二反应炉和第Ξ反应 炉;粗合成气的输出管道与第一气液分离器相连，所述第一气液分离器的输出端通过粗合 成气加热器与第一反应炉的输入端相连，所述第一反应炉的输出端通过第一余热锅炉与第 二反应炉的输入端相连；
[0009] 所述第二反应炉的输出端通过第二余热锅炉与第Ξ反应炉的输入端相连，所述第 Ξ反应炉的输出端与第二气液分离器相连，所述第二气液分离器顶部的输出端通过发生器 与第Ξ气液分离器相连，所述第Ξ气液分离器顶部的输出端通过采暖加热器与第四气液分 离器相连，所述第四气液分离器顶部的输出端通过变换气终冷器与第五气液分离器相连， 所述第五气液分离器顶部的输出端与脱酸单元相连。
[0010] 本发明技术方案中：所述的第一余热锅炉与第一循环工质发电机组匹配相连;所 述的第二余热锅炉与第二循环工质发电机组匹配相连;所述的发生器与吸收式制冷循环装 置匹配相连。
[0011] 本发明技术方案中：所述的第一、第二循环工质发电机组为卡琳娜循环化alina 切cle)、朗肯循环(Rankine切cle)W及它们的改进型式;所述的吸收式制冷装置为热驱动 制冷循环和热/功复合驱动制冷循环及其改进型式。所述的吸收式制冷装置采用的循环工 质为漠化裡-水、氨水、R134a-DMF、离子液体-水及其改进型式。
[0012] 在一些优选的技术方案中：所述第一反应炉的输出端依次通过粗合成气加热器、 第一余热锅炉和第二反应炉的输入端相连。
[0013] 在一些优选的技术方案中：所述第Ξ反应炉的输出端通过第二余热锅炉与第二气 液分离器相连。
[0014] -种利用上述装置实现煤制氨C0变换多联产的方法，该方法包括W下步骤：
[0015] 1)粗合成气进入第一气液分离器气液分离后，经过粗合成气加热器加热升溫后进 入第一反应炉进行绝热变换反应，所得的高溫变换气经粗合成气加热器进入第一余热锅炉 驱动发电；
[0016] 2)步骤η驱动发电后降溫的变换气进入第二反应炉进行反应，反应后的气体输送 至第二循环工质发电机组的第二余热锅炉驱动发电；
[0017] 3)步骤2巧Ε动发电后降溫的变换气进入第Ξ反应炉进行反应，反应后的气体再次 输送至第二循环工质发电机组的第二余热锅炉驱动发电；
[0018] 4)步骤3巧Ε动发电降溫后气体先进入第二气液分离器，经分离后得到的气相去吸 收式制冷装置的发生器，从发生器出来的变换气进入第Ξ气液分离器，经分离后得到的气 体输送至采暖加热器，降溫后的气体输送至第四气液分离器，从第四气液分离装置出来的 气体依次输送至变换气终冷器和第五气液分离器，从第五气液分离器出来的气体送至下游 酸性气体脱出单元。
[0019] 上述实现煤制氨C0变换多联产的方法中：第一反应炉、第二反应炉、第Ξ反应炉的 入口溫度控制在200~300°C之间，第一反应炉出口溫度控制在350~500°C，第二反应炉出 口溫度控制在250~400°C，第Ξ反应炉出口溫度控制在200~300°C。
[0020] 上述实现煤制氨CO变换多联产的方法中：所述第一循环工质发电机组的第一余热 锅炉的操作溫度为300~500°C;第二循环工质发电机组的第二余热锅炉的操作溫度为200 ~300°C ;吸收式制冷装置发生器的操作溫度为100~200°C ;采暖加热器可W提供的热水溫 度为50~100°C。
[0021] 上述实现煤制氨CO变换多联产的方法中：粗合成气来源于水煤浆气化装置、粉煤 气化装置或流化床气化装置。
[0022] 本发明技术方案中：将C0变换反应热用于发电、制冷和采暖;其中，第一反应炉的 高溫反应热驱动第一循环工质发电装置实现电能输出；第二、第Ξ反应炉的高溫反应热共 同驱动第二循环工质发电装置实现电能输出；第Ξ反应炉出来的变换气先经过第二循环工 质发电装置和气液分离器后去驱动吸收式制冷装置实现冷量输出，再经过气液分离器分离 冷凝液后去采暖加热器加热供暖水，为用户提供采暖热水。
[0023] 本发明技术方案中：所述第二循环工质发电机组采用的第二余热锅炉为双热源组 合式换热器。
[0024] 本发明技术方案中：，第一反应炉、第二反应炉和第Ξ反应炉为轴径向反应器，采 用绝热固定床结构。
[00巧]本发明的有益效果：
[0026] 按照国家节能减排的发展和相关政策要求，根据"溫度对口、梯级利用"等总能系 统理论原则，优化和搭建煤化工生产工艺流程，引入冷热电多联产设计思路，提出在一氧化 碳变换工艺中串联两套循环工质发电机组、一套吸收式制冷机组和采暖加热器，有效回收 利用C0变换反应热，可W同时实现发电、制冷和供暖多联产，并具有能量集成效果好、节能 降耗显著、余热利用效率高等特点。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的工艺流程示意图。
[00%]图中：1-第一气液分离器，2-粗合成气加热器，3-第一反应炉，4-第一余热锅炉，5- 第二反应炉，6-第Ξ反应炉，7-第二余热锅炉，8-第二气液分离器，9-发生器，10-第Ξ气液 分离器，11-采暖加热器，12-第四气液分离器，13-变换气终冷器，14-第五气液分离器，15- 第一循环工质发电机组，16-第二循环工质发电机组，17-吸收式制冷循环装置。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
[0030] -种煤制氨C0变换多联产装置，该装置包括第一反应炉（3 )、第二反应炉（5)和第 Ξ反应炉(6);
[0031] 粗合成气的输出管道与第一气液分离器（1)相连，所述第一气液分离器（1)的输出 端通过粗合成气加热器(2)与第一反应炉(3)的输入端相连，所述第一反应炉(3)的输出端 依次通过粗合成气加热器(2)、第一余热锅炉(4)和第二反应炉(5)的输入端相连。
[0032] 所述第二反应炉(5)的输出端通过第二余热锅炉(7)与第Ξ反应炉(6)的输入端相 连，所述第Ξ反应炉(6)的输出端通过第二余热锅炉(7)与第二气液分离器(8)相连，所述第 二气液分离器(8)顶部的输出端通过发生器(9)与第Ξ气液分离器（10)相连，所述第Ξ气液 分离器(10)顶部的输出端通过采暖加热器(11)与第四气液分离器(12)相连，所述第四气液 分离器(12)顶部的输出端通过变换气终冷器(13)与第五气液分离器（14)相连，所述第五气 液分离器(14)顶部的输出端与脱酸单元相连。
[0033] 所述的第一余热锅炉(4)与第一循环工质发电机组（15)匹配相连;所述的第二余 热锅炉(7)与第二循环工质发电机组（16)匹配相连;所述的发生器(9)与吸收式制冷循环装 置(17)匹配相连。
[0034] 所述的第一、第二循环工质发电机组为卡琳娜循环化alina Cycle)、朗肯循环 (Rankine切cle)W及它们的改进型式;所述的吸收式制冷装置为热驱动制冷循环和热/功 复合驱动制冷循环及其改进型式。
[0035] 所述的吸收式制冷装置采用的循环工质为漠化裡-水、氨水、R134a-DMF、离子液 体-水及其改进型式。
[0036] 实例1:在水煤浆气化制氨装置中的应用
[0037] 来自上游水煤浆煤气化装置的318340NmVh粗合成气（216°C，3.89M化，水气比为 1.4)，其中C0含量为44% (干基，V)，进入第一气液分离器（1)气液分离后，经过粗合成气加 热器(2)升溫至280°C后进入第一反应炉（3)进行绝热变换反应后，得到439°C的高溫变换气 经过粗合成气加热器(2)降溫至377°C后，进入第一循环工质发电机组（15)的第一余热锅炉 (4)驱动发电，第一余热锅炉循环工质出口的操作溫度为350°C;变换气降溫至235°C后的变 换气进入第二反应炉（5)进行反应，出口变换气溫度为254Γ，进入第二循环工质发电机组 (16)的第二余热锅炉(7);降溫至22(TC后的变换气进入第Ξ反应炉(6)进行反应，反应后的 变换气溫度为22rC，进入第二循环工质发电机组（16)的第二余热锅炉(7)，第二余热锅炉 循环工质出口的操作溫度为200°C;变换气降溫至168°C后进入第二气液分离器(8)，气相去 吸收式制冷装置（17)的发生器(9)驱动制冷，液相送出界外;从吸收式制冷装置(17)出来的 变换气冷却至ll〇°C后经第Ξ气液分离器(10)分离凝液后，进入采暖加热器(11)，变换气被 降溫至60°C后，经过第四气液分离器（12)，变换气终冷器（13)和第五气液分离器（14)后送 去下游酸性气体脱出单元。所得110°C，96.4tA高溫冷凝液返回上游装置回用，7.03t/h低 溫冷凝液送去下游酸水汽提装置
[0038] 表1CO变换装置冷热电输出量
[0039]
[0040] 实例2:在粉煤气化制氨装置中的应用
[0041 ]来自上游粉煤气化装置的529121NmVh粗合成气（206°C，3.94M化水气比为0.92) 其中C0含量为69.8% (干基，V)，进入第一气液分离器(1)气液分离后，经过粗合成气加热器 (2)升溫至210°C后进入第一反应炉(3)进行绝热变换反应后，得到486°C的高溫变换气经过 粗合成气加热器(2)降溫至482°C后，进入第一循环工质发电机组（15)的第一余热锅炉(4) 驱动发电，第一余热锅炉循环工质出口的操作溫度为350°C ;变换气降溫至215°C后的变换 气进入第二反应炉（5)进行反应，出口变换气溫度为289°C，进入第二循环工质发电机组 (16)的第二余热锅炉(7);降溫至22(TC后的变换气进入第Ξ反应炉(6)进行反应，反应后的 变换气溫度为234Γ，进入第二循环工质发电机组（16)的第二余热锅炉(7)，第二余热锅炉 循环工质出口的操作溫度为200°C;变换气降溫至168°C后进入第二气液分离器(8)，气相去 吸收式制冷装置（17)的发生器(9)驱动制冷，液相送出界外;从吸收式制冷装置(17)出来的 变换气冷却至l〇6°C后经第Ξ气液分离器(10)分离凝液后，进入采暖加热器(11)，变换气被 降溫至60°C后，经过第四气液分离器（12)，变换气终冷器（13)和第五气液分离器（14)后送 去下游酸性气体脱出单元。所得l〇6°C，40.26t/h高溫冷凝液返回上游装置回用，14.64t/h 低溫冷凝液送去下游酸水汽提装置。
[0042] 表2C0变换装置冷热电输出量
[0043]
[0044] 实例3:在流化床煤气化制氨装置中的应用
[0045] 来自上游流化床煤气化装置的444254伽^村且合成气（177°C，2.85Mpa，水气比为 0.48)，其中C0含量为38.3% (干基，V)，进入第一气液分离器(1)气液分离后，经过粗合成气 加热器(2)升溫至220°C后进入第一反应炉(3)进行绝热变换反应后，得到404°C的高溫变换 气经过粗合成气加热器(2)降溫至364°C后，进入第一循环工质发电机组（15)的第一余热锅 炉(4)驱动发电，第一余热锅炉循环工质出口的操作溫度为350°C;变换气降溫至230°C后的 变换气进入第二反应炉（5)进行反应，出口变换气溫度为279°C，进入第二循环工质发电机 组（16)的第二余热锅炉(7);降溫至22(TC后的变换气进入第Ξ反应炉(6)进行反应，反应后 的变换气溫度为234Γ，进入第二循环工质发电机组（16)的第二余热锅炉(7)，第二余热锅 炉循环工质出口的操作溫度为200°C;变换气降溫至168°C后进入第二气液分离器(8)，气相 去吸收式制冷装置(17)的发生器(9巧区动制冷，液相送出界外;从吸收式制冷装置(17)出来 的变换气冷却至ll〇°C后经第Ξ气液分离器(10)分离凝液后，进入采暖加热器(11)，变换气 被降溫至60°C后，经过第四气液分离器（12)，变换气终冷器（13)和第五气液分离器（14)后 送去下游酸性气体脱出单元。所得ll〇°C，14.45t/h高溫冷凝液返回上游装置回用，15.27V h低溫冷凝液送去下游酸水汽提装置。
[0046] 表3C0变换装置冷热电多联产输出
[0047]
[0048] 将Ξ个实例中不同煤气化制氨方式冷热电的输出量做了比较，如表4所示。可W根 据用户对冷热电输出量的不同需求，选择相应的煤气化工艺，作为C0变换工艺的粗合成气 来源。
[0049] 表4Ξ种不同煤气化制氨多联产输出比较(基于lOOONmVh粗合成气）
[(K)加]
[0051] 本发明设计的一氧化碳变换多联产工艺及装置在保证C0高效转换率，满足生产工 艺要求的同时，可W实现发电、制冷、供热输出供应，系统能效高，节能效果显著。
[0052] 上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明创造的原理，并不因此而限定本发 明的保护范围，在不脱离本发明创造精神和范围的前提下，本技术发明还会有各种变化和 改进，运些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明未设及部分均与现有技术 相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:该装置包括第一反应炉（3)、第二反应 炉(5)和第三反应炉(6); 粗合成气的输出管道与第一气液分离器（1)相连，所述第一气液分离器（1)的气相出口 通过粗合成气加热器(2)与第一反应炉（3)的输入端相连，所述第一反应炉(3)的输出端依 次通过粗合成气加热器(2)、第一余热锅炉(4)和第二反应炉(5)的输入端相连； 所述第二反应炉（5)的输出端通过第二余热锅炉（7)与第三反应炉(6)的输入端相连， 所述第三反应炉(6)的输出端与第二气液分离器(8)相连，所述第二气液分离器(8)顶部的 输出端通过发生器(9)与第三气液分离器（10)相连，所述第三气液分离器（10)顶部的输出 端通过采暖加热器(11)与第四气液分离器(12)相连，所述第四气液分离器(12)顶部的输出 端通过变换气终冷器(13)与第五气液分离器(14)相连，所述第五气液分离器(14)顶部气相 输出端与脱酸单元相连。2. 根据权利要求1所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:所述的第一余热锅炉 (4)与第一循环工质发电机组（15)匹配相连;所述的第二余热锅炉(7)与第二循环工质发电 机组（16)匹配相连;所述的发生器(9)与吸收式制冷循环装置(17)匹配相连。3. 根据权利要求2所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:所述的第一循环工质 发电机组、第二循环工质发电机组为卡琳娜循环（Kalina Cycle)、朗肯循环（Rankine Cycle)或它们的改进型式;所述的吸收式制冷装置为热驱动制冷循环、热/功复合驱动制冷 循环或其改进型式。4. 根据权利要求2或3所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:所述的吸收式制 冷装置采用的循环工质为溴化锂-水、氨水、R134a-DMF、离子液体-水及其改进型式。5. 根据权利要求1所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:所述第三反应炉（6) 的输出端通过第二余热锅炉(7)与第二气液分离器(8)相连。6. 根据权利要求1所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:所述第二循环工质发 电机组采用的第二余热锅炉为双热源组合式换热器。7. 根据权利要求1所述的煤制氢CO变换多联产装置，其特征在于:第一反应炉(3)、第二 反应炉(5)和第三反应炉(6)为轴径向反应器，采用绝热固定床结构。8. -种利用权利要求1所述的装置实现煤制氢CO变换多联产的方法，其特征在于:该方 法包括以下步骤： 1) 粗合成气进入第一气液分离器气液分离后，经过粗合成气加热器加热升温后进入第 一反应炉进行绝热变换反应，所得的高温变换气经粗合成气加热器进入第一余热锅炉驱动 发电； 2) 步骤1)驱动发电后降温的变换气进入第二反应炉进行反应，反应后的气体输送至第 二循环工质发电机组的第二余热锅炉驱动发电； 3) 步骤2)驱动发电后降温的变换气进入第三反应炉进行反应，反应后的气体再次输送 至第二循环工质发电机组的第二余热锅炉驱动发电； 4) 步骤3)驱动发电降温后气体先进入第二气液分离器，经分离后得到的气相去吸收式 制冷装置的发生器，从发生器出来的变换气进入第三气液分离器，经分离后得到的气体输 送至采暖加热器，降温后的气体输送至第四气液分离器，从第四气液分离装置出来的气体 依次输送至变换气终冷器和第五气液分离器，从第五气液分离器出来的气体送至下游酸性 气体脱出单元。9. 根据权利要求8所述的实现煤制氢CO变换多联产的方法，其特征在于：第一反应炉、 第二反应炉、第三反应炉的入口温度控制在200~300°C之间，第一反应炉出口温度控制在 350~500°C，第二反应炉出口温度控制在250~400°C，第三反应炉出口温度控制在200~ 300。。。10. 根据权利要求8所述的实现煤制氢CO变换多联产的方法，其特征在于:所述第一循 环工质发电机组的第一余热锅炉的操作温度为300~500°C;第二循环工质发电机组的第二 余热锅炉的操作温度为200~300°C ;吸收式制冷装置发生器的操作温度为100~200°C ;采 暖加热器可以提供的热水温度为50~100°C。
【文档编号】C01B3/48GK105905869SQ201610231578
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】兰荣亮, 王靓, 汪根宝, 马炯, 谢东升, 李蒙, 龚建华
【申请人】中石化南京工程有限公司, 中石化炼化工程（集团）股份有限公司