用于在生产合成气体的可加热重整反应器中生产工艺蒸气和锅炉给水水蒸气的方法和装置

摘要

本发明涉及一种用于在生产合成气体的可加热重整反应器中生产工艺蒸气和锅炉给水水蒸气的方法。通过根据本发明的方法，可以使用从烃类和水蒸气生产的合成气体的显热以便得到两种类型的蒸气，这两种蒸气相应地是在锅炉给水和工艺冷凝液的加热和蒸发过程中产生，并且其中该方法还包括所包含于该合成气体中的一氧化碳的转化，并且其中该方法包括使用来自该重整反应器的加热器的烟气来任选地加热该锅炉给水。通过该方法，可以更有效地使用该合成气体的和来源于该加热器的烟气的显热，其中由烟气管道中的波动的供热引起的、来自该烟气加热器的缺点得以避免。本发明进一步涉及一种装置，通过该装置可以施行所述方法。

说明书

本发明涉及一种用于在生产合成气体的可加热重整反应器中产生 工艺蒸气和锅炉给水水蒸气的方法。本发明方法用于利用从烃类和水蒸气 生产的合成气体的显热由此获得两种类型的蒸气，各自是当加热和蒸发锅 炉给水和工艺冷凝液时产生的，其中该方法还包括转化该合成气体中包含 的一氧化碳，并且其中该方法包括通过从加热该重整反应器获得的烟气任 选地加热该锅炉给水。该方法允许更有效地利用该合成气体的和来自加热 器的烟气的显热，同时避免由于烟气管道中可获得的热量的波动造成的烟 气加热的缺点。本发明还涉及一种用于进行这一方法的装置。

合成气体可以（例如）通过借助可加热的重整反应器中的水蒸气 催化转化气态或蒸发的烃类而产生，加热是通过用含氧气体燃烧燃料气体 来进行的。当产生时该合成气体具有大约800°C至大约900°C的温度。所 得到的合成气体的显热由此可以用于水蒸气产生。加热产生了一种烟气， 该烟气也带有显热并且可以同样用于水蒸气产生。反过来，该水蒸气可以 用于操作辅助单元或蒸气轮机。

对于水蒸气产生，该工艺冷凝液可以用作给水，该给水是当冷却 合成气体时形成的冷凝水。然而，这种工艺冷凝液涉及的缺点是它包含与 该合成气体中含有的相同杂质。这类杂质常常地具有不希望的腐蚀作用使 得蒸气不能无限制地适合用于所有应用。因此这种蒸气通常用作重整反应 中的起始蒸气。

此外，从该工艺冷凝液得到的蒸气的量通常不足以操作所有二级 单元，这些二级单元经常需要恒定量的蒸气。为了解决这一问题，可以从 洁净的锅炉给水产生另外的蒸气。这种蒸气不包含任何杂质以使得它满足 待由蒸气轮机的操作所提出的严格要求。因此得到了两种类型的蒸气。

两个蒸气系统的操作涉及很大优点。有可能使来自该工艺冷凝液 的蒸气与（例如）来自该锅炉水的蒸气混合以便确保可供使用的足够量的 蒸气用于合成气体生产或以便根据该方法或下游应用所要求的纯度影响 蒸气构成。

从该锅炉给水得到的蒸气不仅可以用于操作辅助单元或蒸气轮 机，而且还可以被输出或用作产生合成气体用的进料蒸气。来自该锅炉给 水的蒸气（例如）可以通过用工艺气体加热该锅炉给水来产生，该工艺气 体是新鲜生产的高温合成气体。类似地，来自该工艺冷凝液的蒸气可以通 过用合成气体加热该工艺冷凝液来产生，该蒸气是从该合成气体冷凝的 水。在此，典型的工序是在设计成热交换器的一个预热器中加热该锅炉给 水或该工艺冷凝液并且然后在一个蒸气发生器中蒸发被加热的水。该蒸气 发生器可以（例如）被设计成一种蒸气锅筒（Dampftrommel），该蒸气锅 筒经由流体输送型热交换器盘管通过合成气体加热。

WO2010051900A1传授了用于通过蒸气利用含烃原料的蒸气重 整中的热量的一种方法和一种装置，其中一个蒸气重整装置被用于产生带 有一定量的热量的合成气体，该蒸气重整装置包括至少六个热交换器、一 个水处理单元、一个冷却段、一个高温转化单元、至少两个增压单元、至 少一个消耗装置、以及用于进一步处理所得到的合成气体的至少一个单 元，其中带有该第一量的热量的、所产生的合成气体通过该高温转化单元， 在这里它的大部分被转化成二氧化碳和氢气，并且所产生的载热合成气体 被送入一个第一热交换器用于进一步热传递，然后通过至少两个另外的热 交换器，这些热交换器被操作为锅炉给水预热器、产物冷凝液热交换器或 低压蒸发器并且以所希望的任何顺序串联连接，从该低压蒸发器产生的合 成气体首先被送入另一个锅炉给水预热器，在这里热能被传递至来自该水 处理单元的锅炉给水的部分流（Teilstrom），所产生的合成气体接着通过该 冷却段，在这里该合成气体被进一步冷却并且产生一个冷凝液流，并且所 产生的合成气体最终穿过至少一个用于进一步处理的单元。该方法没有传 授任何利用该高温转化单元上游的合成气体热量的可能性。

为了从该工艺冷凝液产生该蒸气，还可能使用该烟气的显热。US 2009242841A1传授了一种用于产生合成气体的方法，其中该合成气体是 通过一个重整反应器中的蒸气重整来产生的，该重整反应器具有一个燃烧 空气流、一个对流区以及一个烟气流；并且该方法包括以下处理步骤：燃 烧空气通过该对流区中的一个初步热交换器系统以便在与该烟气的间接 热交换中加热该燃烧空气，其中被预热的燃烧空气的温度处在大约93°C （200°F）与204°C（400°F）之间的范围。根据该方法的一个实施例，通 过使锅炉给水在待加热的燃烧空气之后或与其并行地通过合成气体冷却 段和燃烧空气对流区来加热锅炉给水，该对流区是通过烟气流来加热。

为了通过该烟气加热该锅炉给水或该工艺冷凝液，通常需要在部 分负荷情况下操作以便在工艺冷凝液或锅炉给水的恒定质量流量下适配 烟气管道中可供使用的热量，从而确保水的蒸发。这意味着要至少暂时地 通过辅助燃烧器（例如）提供另外量的热量。这涉及增加的操作成本。

然而，由于双蒸气系统涉及上述优点，探讨可能性以便实现进一 步改进。用于改进该双蒸气系统的效率的一个出发点是在烟气管道中没有 足够热量可供使用期间的一段时期内绕过该烟气管道中的热交换器。以此 方式，没有必要操作另外的燃烧器用于加热该烟气管道。

有可能通过该烟气管道的废热来加热该工艺冷凝液。然而，由于 该工艺冷凝液通常未冷却至冷锅炉给水的温度，它的温度高于该冷锅炉给 水的温度。由于与该烟气较低的温度差，根据牛顿冷却定律，在该烟气管 道中用于工艺冷凝液的热交换器因此要求更大的热交换表面。由于该工艺 冷凝液与该热合成气体之间的温度差较高，重整反应器下游的工艺气体管 线中要求比该烟气管道中显著更小的热交换表面。由于水-气变换反应另外 地在比合成气体产生低的多的温度下发生，该合成气体产生的热量可以更 有效的用于刚从该重整反应器排放的工艺冷凝液，在该重整反应器中温度 显著高于该转化单元的下游。更小尺寸的热交换表面进而将有助于该方法 的改进的成本效益。

因此目的是提供一种方法，该方法利用一氧化碳转化上游的合成 气体的热量来蒸发该工艺冷凝液。该方法的另一个目的是减少对该烟气管 道中可供使用的热量的波动的依赖性。这些措施用于连续使用该双蒸气系 统的优点并且改进重整反应器中蒸气产生的成本效益。

本发明通过一种方法实现这一目的，该方法使用该一氧化碳转化 单元的上游安装的一个另外的蒸气发生器用于从工艺冷凝液产生蒸气。由 于从该转化单元上游的锅炉给水产生蒸气已经是在工作中，它还适合于在 同一位置从工艺冷凝液产生蒸气。因此有可能以该烟气管道替代从工艺冷 凝液永久性产生蒸气。

将来自重整装置出口的工艺气体冷却至水-气变换反应的入口温度 到目前为止已经典型地导致锅炉给水的蒸发。其他实例显示热量的一部分 还用于原料的预热。因此天然气或原料气体混合物（例如）可以用于重整 反应。现在，根据本发明，工艺冷凝液在重整装置出口与水-气变换反应的 入口之间被另外地蒸发。因此有利地实现的是通过工艺气体蒸发工艺冷凝 液。以此方式，有可能完全或部分地停止该烟气管道中的工艺冷凝液的蒸 发。由于该工艺冷凝液与该CO转化单元上游的热合成气体之间的温度差 相对较高，所要求的热交换表面将具有比该烟气管道中显著更小的尺寸。 这将进而有助于该方法的改进的成本效益。

在该烟气管道中加热工艺冷凝液之前，加热该锅炉给水是有利的， 因为这是更冷的并且，由于更小的热交换面积，要求与腐蚀性合成气体更 少的接触表面。这还将有助于该方法的改进的成本效益。

取决于该装置的利用程度，该烟气管道可以用于从锅炉给水产生 蒸气。这样做时，该烟气的热传递可以被绕过。为此目的，通过该烟气管 道输送该锅炉给水的盘管在当该烟气管道中不足量的热量可供使用时的 时间内被绕过。以此方式有可能在该烟气管道中使用一个较低成本的热交 换器，因为当经济的加热由于该烟气管道中的温度差而不再可能时，要求 更小的热交换表面。以此方式还有可能在该烟气管道中加热一部分锅炉给 水或另外的锅炉给水。由于与该烟气的较高温度差，使用冷锅炉给水允许 更有效的热交换。

尤其要求的是一种用于在生产合成气体的可加热重整反应器中产 生工艺蒸气和锅炉给水蒸气的方法，其中

该方法通过从烃类和蒸气的蒸气重整来产生合成气体，该合成气体是 通过用含氧气体焚烧燃料气体来加热，并且所产生的合成气体通过一系列 的热交换器和一个冷却段被冷却并且然后被冷凝，以便得到一种干燥的合 成气体和一种工艺冷凝液，并且

该方法还包括用蒸气转化所得到的一氧化碳中的至少一部分以便形 成二氧化碳和氢气，并且

提供两种不同类型的蒸气，这些蒸气是从蒸发锅炉给水和蒸发工艺冷 凝液产生的，并且

该锅炉给水是通过按气体流动的方向在该转化单元的下游安装的一 个预热器来用该合成气体加热，并且该锅炉给水然后通过按该气体流动的 方向在该转化单元的上游安装的一个蒸气发生器来蒸发，并且

该工艺冷凝液是通过一个热交换器和一个预热器来加热，该热交换器 和该预热器都是按该气体流动方向被安装于该转化单元的下游，

并且该方法的特征在于：

通过在该转化单元的上游安装的一个另外的蒸气发生器来蒸发该工 艺冷凝液。

为了确保还可以利用该烟气用于加热该锅炉给水，用于液态锅炉 给水的管线可以被引导穿过该烟气管道，该锅炉给水是经由一个另外的热 交换器通过该烟气来永久或暂时地加热的。为此目的，转向阀被安装于用 于该烟气管道的这些热交换器中的锅炉给水的进给管线中。如果（例如） 该烟气管道中没有足够热量可供使用，这些转向阀允许绕过该热交换器。

由于该方法的成本效益主要取决于针对蒸气需求而对蒸气产量的 调整，有可能在该方法的一个有利的实施例中控制该系统中的所有蒸气发 生器的产量。可以（例如）通过经由用于锅炉给水的蒸气发生器的温度控 制来控制来自锅炉给水的蒸气产量来实现这点。然而，还可以通过用阀或 泵来控制该蒸气发生器中的热循环来实现这点。

在该方法的一个有利的实施例中还可以控制来自工艺冷凝液的蒸 气产量。可以同样通过经由用于工艺冷凝液的蒸气发生器的温度控制来控 制来自工艺冷凝液的蒸气产量来实现这点。然而，还可以通过用阀或泵来 控制该蒸气发生器中的热循环来实现这点。然而，由于可供使用的量的工 艺冷凝液与合成气体的生产相联系，对来自工艺冷凝液的蒸气产量的控制 更难实施。

在本发明方法的另一个实施例中，还有可能经由这些蒸气发生器 的温度控制来控制来自锅炉给水的蒸气产量和来自工艺冷凝液的蒸气产 量。不言而喻，根据要求两种蒸气类型可以相互混合或掺合。

按该合成气体的流动方向在该重整反应器的下游的、用于该锅炉 给水和该工艺冷凝液的两个蒸气发生器可以配备旁路管道线，从而允许经 由这些蒸气发生器控制合成气体流量。还有可能在该CO转化单元的上游 或直接下游提供另外的热交换器用于待加热以用于该重整反应器的含烃 起始混合物。

该方法的配置可以进一步包括提供一个釜式再沸器作为在该CO 转化单元上游的用于工艺冷凝液的一个蒸气发生器。该配置可以进一步包 括：在该水-气变换反应下游用于工艺冷凝液的热交换器是一个釜式再沸 器。这是用于控制该合成气体的温度的一种装置。还有可能使该CO转化 单元的上游和下游的该合成气体流通过具有整体盘管的一个单个釜式再 沸器。以此方式，可以在最小空间要求下实现该工艺冷凝液蒸发安排。这 些单独釜式再沸器的使用和相关操作期的确定由本领域的专业人士自行 决定。以此方式有可能对于合成气体流实施温度控制，这与该烟气和合成 气体的生产无关。不言而喻，取决于CO转化的程度，合成气体还可以包 括具有高氢含量的一种气体。

还提出权利要求的是一种装置，该装置用于运行所描述的方法。 尤其提出权利要求的是一种用于在生产合成气体的可加热重整反应器中 产生工艺蒸气和锅炉给水蒸气的装置，该装置包括

用于从烃类和蒸气生产合成气体的一个可加热的重整反应器，

用于用蒸气将一氧化碳转化成二氧化碳的一个转化单元，

用于冷凝工艺水的一个冷却段，

用于用合成气体加热该锅炉给水和该工艺冷凝液的两个预热器，

用于用合成气体加热该工艺冷凝液的一个另外的热交换器，按该合成 气体流动的方向，该热交换器被安装于该转化单元的直接下游，

按该合成气体流动的方向，安装于该转化单元的上游的一个蒸气发生 器，这个发生器是用于从锅炉给水产生蒸气，

并且该装置的特征在于：

该装置包括按该合成气体流动的方向安装于该转化单元的上游的一 个蒸气发生器，这个发生器是用于从工艺冷凝液产生蒸气。

该装置可以配备一个另外的热交换器用于在烟气管道中加热锅炉 给水。通过这种方式，该烟气管道还可以用于加热锅炉给水。根据本发明 的一个实施例，可以关闭这一管道以使得该锅炉给水可以直接流入指定的 蒸气发生器而不流经该烟气管道。以此方式有可能绕过该烟气管道中的热 交换器并且阻止该流通过该管道。该锅炉给水然后将直接流入指定的蒸气 发生器。

这些蒸气发生器可以具有根据现有技术水平常用的一种设计。在 一个示例性实施例中，它们可以被设计成经由热交换器盘管用气体加热的 一个蒸气锅筒。该蒸气发生器可以被设计成具有自然循环或配备有对流单 元、泵或再沸器的标准蒸气锅炉。

在本发明的一个实施例中，合成气体管线配备有一种管道线，该 管道线可以被关闭并且允许可控地绕过，按该气体流动的方向，在该CO 转化单元上游的用于锅炉给水的蒸气发生器（旁通管道线）。因此有可能 控制引入用于该锅炉给水的热交换器的合成气体的比例。在本发明的另一 个实施例中，该合成气体管线配备有一种管道线，该管道线可以被关闭并 且允许可控地绕过，按该气体流动的方向，在该CO转化单元上游的用于 工艺冷凝液的蒸气发生器。因此有可能控制引入用于该工艺冷凝液的热交 换器的合成气体的比例。还有可能同时安装和使用这两种旁通管线。

用于锅炉给水和工艺冷凝液的蒸气发生器可以是可互换的，虽然 一个优选的实施例提出，用于锅炉给水的蒸气发生器安装于重整反应器的 直接下游。

根据本发明的一个实施例，在该CO转化单元的上游的合成气体管 线中的蒸气发生器是一个釜式再沸器。根据另一个实施例，在该CO转化 单元的下游的合成气体管线中的热交换器是一个釜式再沸器。然而，还有 可能在该CO转化单元的上游和下游提供具有多个釜式再沸器的合成气体 管线。还有可能使用具有热交换器盘管的一个釜式再沸器，这些盘管按气 体流动的方向在该CO转化单元的上游和下游提供合成气体的一个通道。 在这种釜式再沸器中，在该CO转化单元的上游和下游同时加热该合成气 体。在这种情况下，可以在一个示例性方式中省略用于工艺冷凝液的蒸气 锅筒。还有可能在上述安排中提供多个釜式再沸器。这个/这些釜式再沸器 或这个/这些再沸器可以被提供为单个或多个单元。釜式再沸器是根据现有 技术水平已知的并且已经成为常用的锅炉或再沸器形式。

根据本发明的一个进一步的可能实施例，可以在温度方面控制用 于从锅炉给水和工艺冷凝液产生蒸气的两种蒸气发生器。这可以通过任选 的装置来实施。该设备典型地还包括用于该锅炉给水和该工艺冷凝液的预 热器。这些被典型地设计成热交换器并且还可以按任选的数量和顺序提 供。

根据一个进一步的实施例，通过水-气变换反应用于低温CO转化 的一个单元被安装在用合成气体用于该锅炉给水和该工艺冷凝液的预热 器之间以便另外地利用这种CO转化的反应热。

此外，本发明的装置可以包括处于任何位置上的、蒸气重整反应 器的正常操作所要求的组件。这些是（例如）加热器、恒温器、冷却器、 压缩机、减压器、释压装置或泵。这些设备组件对于这种设备的制造领域 中的专业人士是已知的。

本发明涉及以下优点，即还可以在用于蒸气重整反应器的一氧化 碳的高温转化单元的上游利用合成气体的显热。本发明涉及另外优点，即 在保持双蒸气系统的同时，可以提供来自锅炉给水的蒸气，该蒸气通过来 自该加热器和来自工艺冷凝液的合成气体和烟气被加热，而不需要调节该 烟气管道中热量的量。在消耗的蒸气的量方面，由此更独立于蒸气的消耗 装置。

通过三个附图说明本发明。图1示出具有现有技术水平工艺流程 的一个设备。图2示出具有一种工艺流程的一个本发明设备，该工艺流程 仅代表一个示例性实施方式，本发明并不限于该示例性实施方式。图3示 出同一个实施方式，其中用于工艺冷凝液的蒸气发生器和热交换器已经被 釜式再沸器取代。

图1示出根据现有技术水平的一个装置，该装置包括用于烃类的 蒸气重整的一个重整反应器（1）。用烃（2）和蒸气（3）操作该反应器用 于重整。用燃料气体（4）和含氧气体（5）进行加热。所得到的合成气体 （6）具有大约800°C至大约900°C的温度并且出于冷却目的被通过一个 热交换器（7），该热交换器加热用于锅炉给水（8）的一个蒸气发生器（7a）。 在这个实施例中，用于锅炉给水（8）的蒸气发生器（7）被设计成一个蒸 气锅筒（7b）。合成气体（6）随后流入进一个高温转化单元（9），在其中 添加水蒸气（H₂O，9a）以便将含有的一氧化碳（CO）转化成二氧化碳（CO₂） 和氢气。经转化的合成气体（6）然后流入进另一个热交换器（10）从而 加热用于工艺冷凝液（11）的一个蒸气发生器（10a）。在这个实施例中， 该蒸气发生器也被设计成一个蒸气锅筒（10b）。从用于合成气体（6a）的 冷却段（12）得到工艺冷凝液（11）。已经冷却的合成气体（6a）在流经用 于这些蒸气发生器的热交换器（7,10）时通过两个另外的热交换器，这两 个热交换器用作用于预热锅炉给水（8）和工艺冷凝液（11）的预热器 （13,14）。离开这些热交换器（13,14），合成气体（6）到达一个冷却段（12）， 在该冷却段中合成气体（6a）冷却或被冷却以便允许冷凝所包含的水（11a）。 经冷凝的水（11a）进一步用作工艺冷凝液（11）。在出口，得到经冷却的 干燥的合成气体（6b）。工艺冷凝液（11）经由一个热交换器（15）被引 入烟气管道（16）以便进一步加热该冷凝液。还经由一个热交换器（18） 通过烟气（17）加热用于工艺冷凝液（11）的蒸气锅筒（10b）。从锅炉给 水（8）和工艺冷凝液（11）得到蒸气（8a,11b）。

图2示出一个本发明装置，该装置也包括一个重整反应器（1）， 该重整反应器生产合成气体（6）并且将它输送至一个高温转化单元（9）。 在此所生产的合成气体（6）的热量同样由高温转化单元（9）利用以用于 经由用于锅炉给水（8）的一个热交换器（7）加热一个蒸气发生器（7a）。 根据本发明，在高温转化单元（9）的上游的合成气体（6）的热量额外地 用于通过一个蒸气发生器（10a）的热交换器（19）来加热工艺冷凝液（11）。 在离开高温转化单元（9）之后，该合成气体被输送通过用于加热用于工 艺冷凝液（11）的蒸气发生器的一个另外热交换器（10）和用于预热锅炉 给水（11）和工艺冷凝液（8）的两个另外预热器（13,14）。工艺冷凝液（8） 可以用于在烟气管道（16）中经由一个另外的热交换器（20）通过烟气（17） 来加热锅炉给水（1）。这一热交换器（20）可以通过阀（21a,21b）被关闭 并且通过一个旁通阀（22）被绕过，以使得可以如由所生产的蒸气的需求 和重整反应器（1）的利用率所要求地来使用热交换器（20）。用于加热和 蒸发工艺冷凝液（10,19）的这些热交换器可以被设计成釜式再沸器。合成 气体（6a）还可以按相反顺序流经预热器（13）和（14）。

图3示出同一个实施例，其中用于工艺冷凝液（11）的蒸气发生 器（19）和具有蒸气锅筒（10b）的热交换器（10）已经被一个釜式再沸 器（23）取代。离开用于锅炉给水（8）的蒸气发生器（7）的合成气体（6） 被传递至釜式再沸器（23），在该釜式再沸器中它被加热并且经由一个入 口管线（24）被引入CO转化单元（9）之中。从那里它经由一个出口管线 （25）通过同一釜式再沸器（23），以使得它的温度将然后与CO转化单元 （9）的上游相同。

参考标号清单

1        重整反应器

2        烃

3        水蒸气

4        燃料气体

5        含氧气体

6        合成气体

6a       冷却的合成气体

6b       冷却的且干燥的合成气体

7        用于锅炉给水的蒸气发生器的热交换器

7a       用于锅炉给水的蒸气发生器

7b       蒸气锅筒

8        锅炉给水

8a       来自锅炉给水的蒸气

9        高温转化单元

9a       用于CO转化的水蒸气

10       用于工艺冷凝液的蒸气发生器的热交换器

10a      用于工艺冷凝液的蒸气发生器

10b      蒸气锅筒

11       工艺冷凝液

11a      来自合成气体的冷凝水

11b      来自工艺冷凝液的蒸气

12       冷却段

13       用于预热锅炉给水的预热器

14       用于预热工艺冷凝液的预热器

15       用于在烟气管道中加热工艺冷凝液的热交换器

16       烟气管道

17       烟气

18       用于加热工艺冷凝液的水蒸气发生器的热交换器

19       用于在高温转化单元的上游加热工艺冷凝液的热交换器

20       用于加热锅炉给水的烟气管道中的热交换器

21a,     用于关闭烟气管道中的热交换器的阀

21b

22       用于烟气管道中的热交换器的旁通阀

23       釜式再沸器

24       CO转化入口管线

25       CO转化出口管线