水煤气变换工艺及变换装置的制作方法

本发明涉及一种水煤气变换工艺，以及应用该工艺的水煤气变换装置，属于煤化工生产技术领域。

背景技术：

ge水煤浆加压气化技术是当今世界最成熟、应用最普遍的洁净煤技术之一，其工艺原理是：水煤浆和纯氧通过工艺烧嘴喷入气化炉，在气化炉的炉膛内发生部分氧化反应，生成粗水煤气，粗水煤气经洗涤塔洗涤去除颗粒物后送至下游co变换工序。co变换装置将水煤气在催化剂的作用下进行一氧化碳变换，转变为氢气和二氧化碳，之后进入下游工序进行脱硫脱碳处理。一氧化碳变换反应的特点是可逆、放热、反应前后的体积不变，只有在较高温度和催化剂作用下才具有较快的反应速度，但是反应温度越高，却越不利于反应平衡向产品方向移动，并且也会大大缩短催化剂的使用寿命。

现有的水煤气变换装置中，变换炉所排出的高温变换气与水煤气通过中温换热器进行换热，在提高水煤气温度的同时，降低排出气的温度，以回收热能，为保证变换炉内催化剂温度控制在正常指标范围内，变换单元设有用于调节变换炉进口温度的冷副线。对于调节变换炉进口温度的冷副线，其工作原理为：水煤气进入到中温换热器壳程中与管程中的高温变换气进行换热，以升高温度，通过调节冷副线上的温控阀的开度，来调节水煤气经过中温换热器的流量，从而调节水煤气进入到预变炉内时的温度。

虽然设置有调节水煤气经过中温换热器流量的冷副线，但是在实际运行过程中仍存在以下问题：(1)在系统开车初期，变换气通过温控阀和中温换热器的压降相差不大，大部分工艺气均通过中温换热器被加热，温控阀调节作用小，致使进入变换炉水煤气温度较高，即使温控阀全开，也无法有效控制进入变换炉的水煤气温度在催化剂低温活性范围之内，还会引起变换炉出口温度超温，大大缩短了变换炉内催化剂的使用寿命。(2)因工况所致，水煤气中夹带有大量的灰分、水分，冷副线易出现结垢堵塞、流通面积减小的问题，气流通过的压降升高，导致通过冷副线气体流量变得更少，冷副线几乎丧失了调节效果，变换炉进口水煤气温度无法控制在设定范围内，为控制变换炉的进口温度，在全开冷副线上温控阀的情况下，需要通过关小中温换热器主线上的阀门来逼迫水煤气进入冷副线通道。此操作虽然能在一定程度上控制住变换炉的进口温度，但更为严重的是调节中温换热器后的阀门会因此使压降上升明显，开车初期此处压降只有约0.1mpa，后期由于冷副线积灰较多，中温换热器后的阀门进一步节流，使压降超过0.35mpa，整个变换装置的压降大幅上升，造成装置的上游憋压，危及安全生产，只能降负荷生产，极大限制了水煤浆装置的运行负荷。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明首先提出了一种水煤气变换工艺，其包括如下步骤：

(1)水煤气分成两路进入到预变炉内进行过滤，然后从预变炉排出后形成为滤后煤气；其中第一路水煤气经中温换热器的冷媒通道后进入到预变炉内，第二路水煤气直接进入到预变炉内；

(2)滤后煤气进入到变换炉内进行变换反应，从变换炉排出后形成为变换气；

(3)变换气分成两路，分别为第一路变换气和第二路变换气，其中第一路变换气经上述中温变换器的热媒通道后进入到废热锅炉的管程内，第二路变换气直接进入到废热锅炉的管程内。

从废热锅炉的壳程排出饱和蒸汽，饱和蒸汽经过加热炉生产压力为3.6-4.0mpa，温度为244-251℃的过热蒸汽。

在该水煤气变换工艺中，水煤气被分成两路，其中第一路水煤气在经过中温换热器时与第一路变换气进行换热，并升温，由于变换气中，仅有第一路变换气与第一路水煤气进行换热，仅仅通过调节第一路变换气的流量，即可调节第一路水煤气的温度，从而调节水煤气进入到预变炉内时的温度，由于预变炉仅仅水煤气进行过滤，不消耗热能也不产生反应热，因此控制水煤气进入到预变炉内时的温度，即可控制水煤气在变换炉的入口温度。

本水煤气变换工艺中，设置了两道调节措施，以控制水煤气在变换炉的入口温度，分别为通过调节第二路水煤气的流量，来调节第一路水煤气的流量，以及通过调节第二路变换气的流量，来调节第一路变换气的流量，以控制水煤气在变换炉的入口温度。

在生产初期，可通过调节第二路水煤气的流量，以调节进入到中温换热器内的第一路水煤气的流量，从而调节变换炉的进口温度，使水煤气保持在设定温度内，以充分发挥催化剂低温活性，同时第二路变换气所富余的热负荷直接进入废热锅炉内生产蒸汽。

随着生产的进行，当第二路水煤气所对应的管道由于积灰增多，调节效果变差时，可通过调节第二路变换气的流量，以调节经过中温换热器的第一路变换气的流量，保证水煤气在变换炉的入口温度。

在本水煤气变换工艺中，由于可以通过调节第二路变换气的流量，以控制对第一路水煤气的升温幅度，从而控制整个水煤气的温度，而无需再通过调节中温变换炉前后的阀门来控制经过中温换热器的第一路水煤气的流量，避免了水煤气管道压力由于超过设定范围，而降低了整个变换系统的生产能力，并使整个变换系统处于高危运行状态的弊端。

具体地，本申请适宜于ge水煤浆加压气化技术所生产的水煤气，水煤气的组分包括：h2为33-36％、co为42-47％、co2为18-22％，以上比例为干基体积比。

进一步，变换炉的进口温度为250℃-300℃。变换炉的出口温度为380-390℃。

由于本申请中，水煤气中的co的含量较低，co2的含量相对较高，在上述进口温度和出口温度的限制下，在保证co深度转换的情况下，并能够有效地延长催化剂的使用寿命。

在上述条件下，变换炉的出口气中，co2的体积比能够达到42％以上。

进一步，为控制变换炉内的反应温度，部分滤后煤气成为冷激气，该冷激气进入到变换炉的两个相邻的床层之间。

变换反应的特点是可逆、放热、反应前后体积不变，并且反应速率较慢，只有在催化剂的作用下才具有较快的反应速率，变换反应是放热反应，反应热随温度升高而有所减少，例如反应温度由300℃提至400℃，反应放热将由39.25kj/mol减少至38.32kj/mol，降低反应温度可提高可利用的变换反应热量；同时变换反应的平衡常数随温度的升高而降低，因而降低温度有利于变化反应向右进行，使变换气中残余co的含量降低。

其次，本申请还提出了一种水煤气变换装置，其包括预变炉、变换炉、废热锅炉和中温换热器，进气管经中温换热器的冷媒通道后连通预变炉的第一进气口，预变炉的第一排气口经中间管连通变换炉的第二进气口，变换炉的第二排气口连接有一变换气主管，该变换气主管依次经甲烷化加热器的热媒通道和中温换热器的热媒通道后连通废热锅炉第三进气口；一调节支管的两端跨越中温换热器连接到进气管上，在调节支管上安装有调控阀组，该调控阀组包括一调控阀；

在变换炉的第二排气口与废热锅炉的第三进气口之间连接有一旁路温控管，在该旁路温控管上设置有第一控制阀组；在中间管上连接有一冷激气管，该冷激气管连接到变换炉的两个相邻的床层之间；

在废热锅炉上设置有一蒸汽出口，该蒸汽出口连接到加热炉上。具体地，该温度探头为热电偶或热电阻。

在该水煤气变换装置运行时，水煤气分成两路，分别经进气管和调节支管进入到预变炉内进行过滤，其中经过进气支管的一路水煤气经过中温换热器时被加热。完成过滤的水煤气从第一排气口排出后，分成两路，分别经第二进气口和冷激气管进入到变换炉内进行反应，形成变换气，变换气分成两路，其中一路变换气经中温换热器的热媒通道后进入到废热锅炉的管程内，另一路变换气经旁路温控管直接进入到废热锅炉的管程内。从废热锅炉排出的变换气进入下道工序。

在装置开车初期，可通过调节调控阀的开度，来调节进入到预变炉内的水煤气的温度，从而调节变换炉的进口温度，以充分发挥催化剂低温活性，同时变换气所富余的热负荷直接进入废热锅炉生产饱和中压蒸汽。

随着生产的进行，当调节支管内的积灰增多，调节效果变差时，可通过第一控制阀组来控制变换气经过中温换热器的比例，来调节水煤气的温度。通过调节变换气经过中温换热器的比例来控制水煤气进入到预变炉的温度，从而保证变换炉的入口温度。

具体地，该第一控制阀组包括安装在旁路温控管上的第一控制阀，在该第一控制阀的两侧各安装有一切断阀，旁通管的两端跨越第一控制阀和切断阀后连接到旁路温控管上；在变换炉的第二进气口安装有温度探头，该温度探头电连接到一中央控制器上，该中央控制器与第一控制阀电连接。

第一控制阀组的组成能够保证对于第一控制阀的检修需要。在设置温度探头后，可以根据变换炉的入口温度来调节第一控制阀的开度，以调节变换气经过中温换热器的比例，保证变换炉的入口温度处于设定范围内。

进一步，为便于调节，旁路温控管的内径为变换气主管的内径的30-40％。旁路温控管与变换气主管的管径比例在上述范围内，在保证变换气经过到中温换热器的比例的同时，还可降低管道的制备费用，在上述范围内管径比例，已能够保证对于变换气的调控，以达到对变换炉进口温度的控制。

进一步，为便于调节冷激气的比例，达到对变换炉内温度的控制，在冷激管上安装有第二控制阀。

进一步，为配合调控阀组的工作，同时也为了便于对经过中温换热器的水煤气的比例进行调节，在中温换热器与预变炉的第一进气口之间的进气管上安装有一调节阀，该调节阀位于中温换热器与调节支管在进气管上的连接点之间。

总体而言，本申请具有以下优点：

(1)本申请的设计简单，通过在变换炉和废热锅炉之间增加一条旁路温控管，既可加大变换炉进口温度的可调程度，保证变换炉的进口温度得到有效控制，又利用变换气富余的热负荷生产饱和中压蒸汽，有效回收变换气的热能。

(2)利用本申请，即使调节支管完全结垢堵塞，也能够通过第一控制阀组来实现对变换炉进口温度的调节，无需通过调节阀来调节水煤气的温度，中温换热器处的压降不会出现明显变化，对装置上游的压力无影响，避免影响上游的水煤浆装置气化单元的正常运行。

(3)旁路温控管位于预变炉之后，水煤气经预变炉去除微小颗粒物后，变换气中的灰分含量大幅度降低，旁路温控管不会发生积灰堵塞的问题，能一直保持较好的调控能力。

(4)利用本申请，可以在对现有装备改造较少的情况下，解决对水煤气温度控制的问题。

附图说明

图1是本发明的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

以下首先对水煤气变换装置进行说明。

参阅图1，该水煤气变换装置具体包括预变炉3、变换炉4、废热锅炉5和中温换热器1，进气管101经中温换热器1的冷媒通道后连通预变炉3的第一进气口31，预变炉3的第一排气口32经中间管33连通变换炉4的第二进气口41，变换炉4的第二排气口42连接有一变换气主管43，该变换气主管43依次经甲烷化加热器2的热媒通道和中温换热器1的热媒通道后连通废热锅炉5第三进气口51。一调节支管102的两端跨越中温换热器连接到进气管101上。在调节支管102上设置有调控阀组，该调控阀组包括安装在调节支管上的调控阀103。

在变换炉4的第二排气口42与废热锅炉5的第三进气口51之间连接有一旁路温控管9，在该旁路温控管9上设置有第一控制阀组8。旁路温控管9的内径为变换气主管43的内径的33％。

该第一控制阀组8包括安装在旁路温控管9上的第一控制阀81，在该第一控制阀81的两侧各安装有一切断阀82，一旁通管83的两端跨越第一控制阀和两个切断阀后连接到旁路温控管9上，在旁通管83上安装有旁通阀84。

在变换炉4的第二进气口41安装有温度探头10，该温度探头10电连接到一中央控制器15上，该中央控制器15与第一控制阀81电连接。本实施例中，该温度探头采用热电偶，可以理解，在另一实施例中，该温度探头还可以采用热电阻。中央控制器15采用32位plc可编程控制器。

在中间管33上连接有一冷激气管34，该冷激气管34连接到变换炉的第一床层44和第二床层45之间。在冷激管上安装有第二控制阀组，该第二控制阀组35的结构与第一控制阀组的组成相同，不再赘述。

在废热锅炉5的顶部设置有一蒸汽出口53，该蒸汽出口53连接到加热炉6上。

在中温换热器1与预变炉3的第一进气口之间的进气管上安装有一调节阀7，该调节阀7位于中温换热器与调节支管在进气管上的连接点之间。

以下对水煤气变换工艺进行说明。

该水煤气变换工艺在上述的水煤气变换装置中进行，在本实施例运行时，水煤气100分成两路进入到预变炉内3进行过滤，其中第一路水煤气经进气管101和中温换热器1的冷媒通道后进入到预变炉3内，第二路水煤气经调节支管102直接进入到预变炉内。水煤气从预变炉3的第一排气口32排出后形成为滤后煤气。

滤后煤气分成两路，其中第一路滤后煤气经中间管33和第二进气口41进入到变换炉4内进行反应。第二路滤后煤气作为冷激气，经冷激气管34进入到第一床层44和第二床层45之间，在降低变换炉反应温度的同时，调节变换炉内的气体组分并参与反应。

从变换炉4排出的气体成为变换气200，变换气200分成两路，其中第一路变换气依次经甲烷化加热器2的热媒通道和中温换热器1的热媒通道后进入到废热锅炉5的管程内，第二路变换气经旁路温控管9直接进入到废热锅炉5的管程内。变换气与废热锅炉内的除盐水换热后经废热锅炉的第三排气口52排出，进入下道工序。

废热锅炉5的壳程内的除盐水与变换气换热后，温度升高，部分除盐水汽化形成4.0mpa饱和蒸汽，并由蒸汽出口53排出，从蒸汽出口53排出的饱和蒸汽在经过加热炉6加热后，形成过热蒸汽300，作为热源进入到其他工序内。在本实施例中，过热蒸汽300的压力为4.0mpa，温度为250℃。

在装置开车初期，可通过调节调控阀103的开度，来调节流经调节支管102的第二路水煤气的流量，以调节流经进气管101的第一路水煤气的流量，从而调节水煤气进入到预变炉3内的温度，由此调节水煤气在变换炉4的进口温度，以充分发挥催化剂低温活性，同时第二路变换气作为富余热负荷直接进入废热锅炉增产饱和中压蒸汽。

随着生产的进行，当调节支管102内的积灰增多，调节效果变差时，可通过调节第一控制阀81的开度，来调节第一路变换气与第二路变换气的比例，以调节经过中温换热器的第一路变换气的流量，以此来调节水煤气的温度，而无需单纯采用降低调节阀7的开度，来降低第一路水煤气经过中温换热器的比例。通过调节第一路变换气经过中温换热器的比例来控制水煤气进入到预变炉的温度，从而保证变换炉的入口温度。

具体在本实施例中，水煤气的组分包括：h2为35％、co为45％、co2为19％，以上比例为干基体积比。从变换炉排出的变换气的组分为co4.37％、co242.38％、h252.57％。从上述变换气的数据可以看出，co的变换具有较深的深度，且能够副产大量的过热蒸汽。