一种部分氧化制取合适氢碳比合成气的装置的制作方法

本实用新型涉及以天然气，焦炉气，炼厂气、气化炉煤气，工艺尾气或者其他富含甲烷、乙烷等烃类的气体为原料，制取氢气和一氧化碳的混合气体，生产聚氨酯(TDI,MDI,PC,PE等)、合成油、乙二醇、甲醇和合成氨等化工领域, 特别涉及一种以气态烃为原料，以空气、富氧空气、纯氧为氧化剂，以蒸汽为气化剂，采用非催化部分氧化(POX)制取合适氢碳比合成气或氢气的装置。

背景技术：

合成气(CO+H2)作为重要的化工原料，在化学工业领域中，主要用来制备聚氨酯(TDI,MDI,PC,PE等)、油、乙二醇、合成氨、液体燃料、甲醇、醚类和化肥等一系列重要的化学产品，因此对合成气有大量的需求，这也导致对更大产能转化炉的工业需求。

在气态烃转化制备合成气的工艺中，非催化部分氧化技术(POX)作为其中一种，在国内合成气转化领域将越来越重要。传统的非催化部分氧化技术已有多个工业装置可靠运行，但还存在一定的不足：

1.转化炉出口工艺气温度高达1200-1500℃，合成气出口管道和直连的废锅运行条件苛刻，导致设备结构非常复杂。

2.为了防止碳累积在换热管壁，作为热回收关键设备的废热锅炉必须采用立式盘管废锅，其结构复杂，尺寸庞大，价格昂贵，还需要循环水泵来冷却其小管板，大大增加了操作的复杂性和生产费用。

3.因为立式盘管废热锅炉本身的结构限制，其工艺气出口温度无法灵活调节控制，因此传统的非催化部分氧化技术只能副产饱和蒸汽，无法进行过热作为动力蒸汽使用。

4.因非催化部分氧化工艺在生产过程中可能生成少量炭黑，因此装置在低负荷运行时，操作困难，装置的运行弹性较差。

5.对以天然气为原料的传统非催化部分氧化产品气氢碳比在1.7～1.8左右，无法灵活调节。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对现有传统的非催化部分氧化技术在气态烃转化制备合成气工艺所存在的上述技术问题而提供一种以气态烃为原料，以空气、富氧空气、纯氧为氧化剂，以蒸汽为气化剂，采用非催化部分氧化(POX)制取合适氢碳比合成气的装置。

本实用新型所要解决的技术问题可以通过以下技术方案来实现：

一种部分氧化制取合适氢碳比合成气的装置，包括：

一非催化部分氧化炉，所述非催化部分氧化炉上具有一烧嘴、一第一产品合成气出口、循环产品合成气入口，所述第一产品合成气出口与所述循环产品合成气入口连通，所述烧嘴一方面与一第一氧化剂输送管线的一端连接，所述第一氧化剂输送管线的另一端与一氧化剂预热器上的氧化出口连接，所述氧化剂预热器上的氧化剂入口通过第二氧化剂输送管线连接氧化剂源；所述烧嘴另一方面与一第一气态烃输送管线的一端连接；

一废热锅炉和一第一废热锅炉用水预热器，所述废热锅炉上设置有第一过热蒸汽出口、第一废热锅炉用水入口、第一产品合成气入口、第二产品合成气出口；所述第一废热锅炉用水预热器上设置有第一过热蒸汽入口、第二过热蒸汽出口、第一废热锅炉用水出口、第二废热锅炉用水入口，所述第一过热蒸汽出口与所述第一过热蒸汽入口连通，所述第一废热锅炉用水入口与所述第一废热锅炉用水出口连通，所述第一产品合成气入口与所述第一产品合成气出口连通；

一蒸汽过热器，所述蒸汽过热器上设置有第二产品合成气入口、第三产品合成气出口、第二过热蒸汽入口和第三过热蒸汽出口，所述第二产品合成气入口与所述第二产品合成气出口连通，所述第二过热蒸汽入口与所述第二过热蒸汽出口通过第一过热蒸汽输送管线连通，所述第三过热蒸汽出口与一第二过热蒸汽输送管线连通，所述第三过热蒸汽出口出来的过热蒸汽通过所述第二过热蒸汽输送管线送出界区；

一气态烃预热器，所述气态烃预热器上设置有气态烃入口、气态烃出口、第三产品合成气入口和第四产品合成气出口，所述气态烃入口通过第二气态烃输送管线连接气态烃源，所述气态烃出口与第一气态烃输送管线的另一端连接；所述第三产品合成气入口与所述第三产品合成气出口之间通过第一产品合成气输送管线连通；

一脱硫装置，所述脱硫装置上设置有第四产品合成气入口和第五产品合成气出口，所述第四产品合成气入口通过第二产品合成气输送管线与所述第四产品合成气出口连通；

一非耐硫变换调节装置，所述非耐硫变换调节装置上设置有第五产品合成气入口和第六产品合成气出口，所述第五产品合成气入口通过第三产品合成气输送管线与第五产品合成气出口连通；所述第三产品合成气输送管线还通过第三过热蒸汽输送管线与第二过热蒸汽出口连通；

一第二废热锅炉用水预热器，所述第二废热锅炉用水预热器上设置有第六产品合成气入口、第七产品合成气出口、第二废热锅炉用水出口、第三废热锅炉用水入口，所述第六产品合成气入口一方面通过第四产品合成气输送管线与所述第五产品合成气出口连通，另一方面通过第五产品合成气输送管线与所述第六产品合成气出口连通；所述第二废热锅炉用水出口通过第一废热锅炉用水输送管线与所述第二废热锅炉用水入口连通，所述第三废热锅炉用水入口通过第二废热锅炉用水输送管线连接废热锅炉给水水源连接；

一产品合成气提压装置，所述产品合成气提压装置上设置有循环产品气出口和第七产品合成气入口，所述第七产品合成气入口通过一第六产品合成气输送管线与所述第七产品合成气出口连通；所述循环产品气出口通过循环产品气输送管线与所述循环产品气入口连通；

一产品合成气热回收装置，所述产品合成气热回收装置上具有一冷却水入口、冷却水出口、第八产品合成气入口、第八产品合成气出口，所述冷却水入口和冷却水出口分别通过第一冷却水循环管线和第二冷却水循环管线与冷却水源连接；所述第八产品合成气入口通过第七产品合成气输送管线与所述第七产品合成气出口连通；

一洗涤塔，所述洗涤塔的顶部设置有最终产品合成气出口，上部设置有洗涤水入口，下部设置有第九产品合成气入口，底部设置有洗涤后水出口，所述最终产品合成气出口与一最终产品合成气输送管线连通，由所述最终产品合成气出口出来的最终产品合成气通过最终产品合成气输送管线送出界区；所述第九产品合成气入口通过第七产品合成气输送管线与所述第八产品合成气出口连通；所述洗涤水入口通过洗涤水输送管线连接洗涤水源；洗涤后水由与所述洗涤后水出口连接的洗涤后水排放管线排出界区。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述非催化部分氧化炉为纯氧非催化部分氧化炉或富氧非催化部分氧化炉。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述废热锅炉为卧式薄管板紧凑型废热锅炉。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述废热锅炉采用一段或分段结构。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述脱硫装置为氧化铁吸收反应器、氧化锌吸收反应器中的一种或两者的组合。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述产品合成气提压装置为循环气压缩机或喷射泵。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一冷凝器和一洗涤后水循环泵，所述冷凝器串联在洗涤后水排放管线上，所述洗涤后水循环泵的入口通过第一洗涤后水循环管线与所述洗涤后水排放管线连通，所述洗涤后水循环泵的出口通过第二洗涤后水循环管线与所述第一冷却水循环管线连通。

由于采用了如上的技术方案，本实用新型是采用将部分温度合适的产品合成气经循环机提压后送回非催化部分氧化炉POX出口的办法，来大幅度的降低非催化部分氧化炉POX出口温度，缓和非催化部分氧化炉POX出口直连废热锅炉两个关键设备的运行条件，大幅度提高装置运行的可靠性。在采用产品合成气循环工艺后，废热锅炉可以采用卧式薄管板紧凑型废锅，其设备结构紧凑，取消了锅炉给水循环泵，水循环运行更加可靠，且废热锅炉出口温度可以灵活调节控制。因此可设置蒸汽过热器将饱和蒸气过热到380-480℃后直接作为动力蒸汽供驱动透平用，从而有效的提高了装置的节能效果和经济性能。

本实用新型采用的循环气压缩机或喷射泵，已在甲烷化和粉煤气化装置有多个可靠运行业绩，其压比低，功率小，设备的投资费用和操作费用都很低。因采用气态烃为原料，本工艺中循环气压缩机的运行条件远好于其在粉煤气化和甲烷化等应用，可预计其在本工艺中的性能将更好，运行也更加可靠。

本实用新型使采用非催化部分氧化(POX)造气技术制取氢气和一氧化碳合成气或氢气用于聚氨酯、天然气制油、乙二醇等装置的工艺过程更经济合理，充分利用其高温反应的特点副产高经济价值的过热蒸汽，同时又克服高温操作带来的设备条件苛刻，设备投资昂贵，操作复杂等问题。

采用本实用新型具有如下优点：

(1)缓和运行条件，简化设备结构

为了保证原料气中甲烷的完全转化，传统的非催化部分氧化工艺出口要求反应平衡温度高达1200～1500℃，对管道和设备的要求非常苛刻。废热锅炉需要采用双管板设计，且还需要采用锅炉水泵强制循环以降低小管板的温度，其设备设计困难，结构复杂，强制循环泵还可能发生故障导致装置停车检修。采用本工艺后，因为有部分温度适宜的产品合成气循环回非催化部分氧化炉POX 出口，其混合后温度可以根据需要降低到700～900℃，采用常规的高温设备结构即可满足需求，不再需要锅炉水泵进行强制循环，设备的结构得到了简化，设备建造费用可以大幅度降低。

(2)提高经济效益

(2.1)传统的非催化部分氧化工艺采用立式盘管废锅，其结构复杂，尺寸庞大。且因采用螺旋盘管设计，其单系列放大困难，稍大规模的装置就需要两台或者多台废锅并联才能提供足够的换热面积保证热量回收。而采用本实用新型的工艺方法，废热锅炉可以采用普通的为卧式薄管板紧凑型废热锅炉结构，其设备结构简单紧凑，有很多大规模运行的业绩，非常简单可靠。设备建造费用降低，附属的结构平台等都获得简化，可以明显降低装置的固定投资。

(2.3)更为显著的经济效果还体现在本技术可以根据需要副产高压或中压过热蒸汽。本实用新型采用为卧式薄管板紧凑型废热锅炉产生蒸汽，可灵活调节控制合成气出为卧式薄管板紧凑型废热锅炉的温度，因此蒸汽过热器进口有足够的热量将蒸汽加热至所需的温度。克服了传统工艺只能副产低价值饱和蒸汽，而无法产生高价值过热蒸汽的缺点，显著的提高了装置的经济性能。

(3)更为灵活的操作弹性和调节方式

(3.1)传统的非催化部分氧化工艺，因低负荷气速较低容易在废热锅炉等设备中积碳，所以难以长期在低负荷下运转，而本工艺设置循环气压缩机后，通过废锅等设备的气量气速可调，操作弹性可以大大提高。

(3.2)本实用新型在蒸汽过热器至水洗塔之间温度合适的位置设置了小变换反应器，采用全部或部分非耐硫变换工艺可以灵活调节产品合成气的氢碳比以适应下游工段的需求。

(4)更为环保的工艺流程设置

产品原料气中经常含有一定量的硫，且以难以脱除的有机硫占比重较大。传统催化部分氧化ATR工艺通常采用前脱硫技术，原料气进入ATR转化炉前需经原料气预热，钴钼加氢，氧化铁/氧化锌吸收装置脱硫后才能进行蒸汽转化，其流程配置复杂，投资较高。非催化部分氧化POX工艺若采用前脱硫工艺也存在类似的弊病。而如采用MDEA后脱硫工艺，则存在酸性气处理的环保问题，经济性能也较差。同时，因合成气含少量硫，变换选择困难，非耐硫变化催化剂因易中毒无法处理含硫气体，而耐硫变换对硫含量又有一定的要求，硫含量过低的话，耐硫变换也将无法正常操作。在本流程中，因经非催化部分氧化炉 POX转化后，原料气中有机硫已经转化为无机硫，故只需在非催化部分氧化炉 POX出口温度合适的位置设置一台氧化铁/氧化锌吸收反应器即可保证硫含量达标，从而可直接采用价格低廉的非耐硫变换来调节合成气的氢碳比。

本实用新型应受保护的技术创新点：

(1)实用新型内容和技术特征中描述的整个工艺过程、设备和流程的配置。

(2)自蒸汽过热器和水洗塔之间合适的温度位置抽出部分产品合成气经循环机提压返回非催化部分氧化炉(POX)出口进行冷激的配置方式。

(3)直接在纯氧或富氧非催化部分氧化炉(POX)出口加设卧式紧凑型废锅的配置方式。

(4)废热锅炉采用一段或者分段设计的配置方式。

(5)蒸汽过热器设置在废锅出口过热饱和蒸汽的流程配置方式。

(6)在蒸汽过热器后转化产品气适宜的温度位置设置氧化铁/氧化锌反应器进行脱硫的流程配置方式。

(7)部分脱硫后合成气采用非耐硫变换调节产品合成气的氢碳比的流程配置方式。

(8)设置水洗塔以脱除合成气中微量的氨和炭黑的配置方式。

采用本实用新型制取含氢和一氧化碳的合成气，整个流程更为优化，操作条件更为缓和，设备可靠性获得进一步提高，装置可副产高价值的过热蒸汽，提高了全流程的节能效果和经济性能：

采用本实用新型，原操作苛刻、结构复杂、尺寸庞大的废热锅炉可以改为卧式紧凑型设备，设备结构简单，运行可靠，固定投资降低。

采用本实用新型，装置可产生直接驱动透平用的高价值过热蒸汽，合理回收了高温位热能，提升了流程的经济性能。

采用本实用新型，只需增设一台非耐硫变换反应器，即可灵活调节产品合成气的氢碳比，不再需要单独设置变换工段和附属的换热设备，整个流程获得了大幅度的简化。

采用本实用新型，可以利用循环气压缩机来调节合成气通过废热锅炉等设备的流量流速，保证设备不会发生积碳，显著提升了流程的操作弹性。

采用本实用新型，脱硫操作获得了简化，传统方法的钴钼加氢工段和MDEA 脱硫工段可以取消，装置更加环保，解决了酸性气处理问题。

附图说明

图1为以气态烃为原料，以空气、富氧空气、纯氧为氧化剂，以蒸汽为气化剂，采用非催化部分氧化(POX)制取合适氢碳比合成气的装置的原理示意图。

具体实施方式

参见图1，图中所示的以气态烃为原料，以空气、富氧空气、纯氧或蒸汽为气化、氧化剂，采用非催化部分氧化(POX)制取合适氢碳比合成气或氢气的装置，包括非催化部分氧化炉R101、废热锅炉E101、废热锅炉用水预热器V102、蒸汽过热器E102、气态烃预热器E013、氧化剂预热器E107、脱硫装置R101A/B、非耐硫变换调节装置R103、废热锅炉用水预热器E104、产品合成气提压装置 C101、产品合成气热回收装置E105、洗涤塔T101、冷凝器E106和洗涤后水循环泵P101A/B。

非催化部分氧化炉R101为为纯氧非催化部分氧化炉或富氧非催化部分氧化炉。非催化部分氧化炉R101上具有一烧嘴X101、产品合成气出口1、循环产品合成气入口2，产品合成气出口1与循环产品合成气入口2连通，烧嘴X101 一方面与一氧化剂输送管线3的一端连接，氧化剂输送管线3的另一端与氧化剂预热器E102上的氧化剂出口4连接，氧化剂预热器E102上的氧化剂入口5 通过氧化剂输送管线6连接氧化剂源；烧嘴X101另一方面与一气态烃输送管线7的一端连接；

废热锅炉E101为卧式薄管板紧凑型废热锅炉,采用一段或分段结构。废热锅炉E101上设置有过热蒸汽出口8、废热锅炉用水入口9、产品合成气入口10、产品合成气出口11。产品合成气入口10与产品合成气出口1连通。

废热锅炉用水预热器V102上设置有过热蒸汽入口12、过热蒸汽出口13、废热锅炉用水出口14、废热锅炉用水入口15。

过热蒸汽出口8与过热蒸汽入口12连通，废热锅炉用水入口9与废热锅炉用水出口14连通。

蒸汽过热器E102上设置有产品合成气入口16、产品合成气出口17、过热蒸汽入口18和过热蒸汽出口19，产品合成气入口16与产品合成气出口11连通，过热蒸汽入口18与过热蒸汽出口13通过过热蒸汽输送管线20连通，过热蒸汽出口19与过热蒸汽输送管线21连通，过热蒸汽出口19出来的过热蒸汽通过过热蒸汽输送管线21送出界区。

气态烃预热器E103上设置有气态烃入口22、气态烃出口23、产品合成气入口24和产品合成气出口25，气态烃入口22通过气态烃输送管线26连接气态烃源，气态烃出口23与气态烃输送管线7的另一端连通；产品合成气入口 24与产品合成气出口17之间通过产品合成气输送管线27连通。

脱硫装置R101A/B为氧化铁吸收反应器、氧化锌吸收反应器中的一种或两者的组合。脱硫装置R101A/B上设置有产品合成气入口28和产品合成气出口 29，产品合成气入口28通过产品合成气输送管线30与产品合成气出口25连通。

非耐硫变换调节装置R103上设置有产品合成气入口31和产品合成气出口 32，产品合成气入口31通过产品合成气输送管线33与产品合成气出口29连通；产品合成气输送管线33还通过过热蒸汽输送管线34与过热蒸汽出口13 连通。

废热锅炉用水预热器E104上设置有产品合成气入口35、第七产品合成气出口36、废热锅炉用水出口37、废热锅炉用水入口38，产品合成气入口35 一方面通过产品合成气输送管线39与产品合成气出口32连通，另一方面通过产品合成气输送管线40与产品合成气出口29连通。废热锅炉用水出口37通过废热锅炉用水输送管线41与废热锅炉用水入口12连通，废热锅炉用水入口 38通过废热锅炉用水输送管线42连接废热锅炉给水水源连接；

产品合成气提压装置C101为循环气压缩机或喷射泵。产品合成气提压装置C101上设置有循环产品气出口44和产品合成气入口43，产品合成气入口 43通过产品合成气输送管线45与产品合成气出口36连通；循环产品气出口 44通过循环产品气输送管线46与循环产品气入口2连通。

产品合成气热回收装置E105上具有一冷却水入口47、冷却水出口48、产品合成气入口49、产品合成气出口50，冷却水入口47和冷却水出口48分别通过冷却水循环管线51和冷却水循环管线52与冷却水源连接；冷却水源为界区外的脱盐水源。

产品合成气入口49通过产品合成气输送管线53与产品合成气出口36连通。

洗涤塔T101的顶部设置有最终产品合成气出口54，上部设置有洗涤水入口55，下部设置有产品合成气入口56，底部设置有洗涤后水出口57，最终产品合成气出口54与一最终产品合成气输送管线58连通，由最终产品合成气出口54出来的最终产品合成气通过最终产品合成气输送管线58送出界区；产品合成气入口56通过产品合成气输送管线59与产品合成气出口50连通；洗涤水入口55通过洗涤水输送管线60连接洗涤水源；洗涤水源也为界区外的脱盐水源。洗涤后水由与洗涤后水出口57连接的洗涤后水排放管线61排出界区。

冷凝器E106串联在洗涤后水排放管线61上，洗涤后水循环泵P101A/B的入口通过洗涤后水循环管线62与洗涤后水排放管线32连通，洗涤后水循环泵 P101A/B的出口通过洗涤后水循环管线63与冷却水循环管线60连通。

下面以天然气制油即GTL为目的的装置来说明本实用新型的工作过程：

非催化部分氧化炉R101、废热锅炉E101、废热锅炉用水预热器V102、蒸汽过热器E102、气态烃预热器E013、氧化剂预热器E107、脱硫装置R101A/B、非耐硫变换调节装置R103、废热锅炉用水预热器E104、产品合成气提压装置 C101、产品合成气热回收装置E105、洗涤塔T101、冷凝器E106和洗涤后水循环泵P101A/B。

采用含硫量20mg/Nm3的天然气为原料，以氧气作为氧化剂。来自界外的天然气和氧气分别经气态烃预热器E013、氧化剂预热器E107预热后送入非催化部分氧化炉R101的烧嘴X101并在高达1200～1500℃的高温下反应，并被来自产品合成气提压装置C101(循环气压缩机)的循环产品气激冷到700～900 ℃，后送出非催化部分氧化炉进行热量回收。

出部分氧化炉的产品合成气依次进入废热锅炉E101和蒸汽过热器E102副产中压过热蒸汽。出蒸汽过热器E102的产品合成气先预热天然气后被冷却至约250～350℃，然后送入脱硫装置R101A/B脱硫，然后全部/部分合成气进入非耐硫变换调节装置R103调节至所需氢碳比。

满足氢碳比要求的合成气经废热锅炉用水预热器E104进一步回收热量冷却至约150～200℃后，一部分经产品合成气提压装置C101(循环气压缩机) 提压作为循环产品气返回非催化部分氧化炉R101,另一部分进入产品合成气热回收装置E105进一步回收热量后经水洗塔T101洗涤脱氨脱碳后作为产品转化气送出界区。T101采用来自界外的脱盐水来洗涤合成气中的微量氨或者炭黑。

经本实用新型处理后的最终产品转化气的组成如下表1：

表1

经本实用新型所阐述的流程处理后，产品合成气不含硫，氢碳比直接达到规定的1.7-2.1之间，不需另外设置变换或补碳装置调节氢碳比；本流程还副产了40Barg-100barg,380℃-450℃的过热蒸汽以驱动蒸汽透平用。