天然气制氢装置基础工艺核心技术专项规程.docx
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1、天然气制氢装置工艺技术规程1.1装置概况规模及任务 本制氢装置由脱硫造气工序、变换工序、PSA制氢工序组成 1.2工艺路线及产品规格 该制氢装置已天然气为原料,采取干法脱硫、3.8MPa压力下蒸汽转化,一氧化碳中温变换, PSA工艺制得产品氢气。 1.3消耗定额(1000Nm3氢气作为单位产品) 序号名称单位小时消耗量单位消耗备注1天然气Nm3389764532原料天然气Nm3358404173燃料天然气Nm3313636.54电KWh3584.0241.675脱盐水吨119.41.39 2.1工艺过程原料及工艺步骤 2.1.1工艺原理 1.天然气脱硫 本装置采取干法脱硫来处理该原料气中硫份。
2、为了脱除有机硫,采取铁锰系转化吸收型脱硫催化剂,并在原料气中加入约1-5%氢,在约400高温下发生下述反应: RSH+H2=H2S+RH H2S+MnO=MnS+H2O 经铁锰系脱硫剂初步转化吸收后,剩下硫化氢,再在采取氧化锌催化剂作用下发生下述脱硫反应而被吸收: H2S+ZnO=ZnO+H2O C2H5SH+ZnS+C2H5+H2O 氧化锌吸硫速度极快,所以脱硫沿气体流动方向逐层进行,最终硫被脱除至0.1ppm以下,以满足蒸汽转化催化剂对硫要求。 2.蒸汽转化和变换原理 原料天然气和蒸汽在转化炉管中高温催化剂上发生烃蒸汽转化反应,关键反应以下: CH4+H2O= CO+3H2-Q (1) 一
3、氧化碳产氢 CO+H2O=CO2+H2+Q (2) 前一反应需大量吸热,高温有利于反应进行;后一反应是微放热反应,高温不利于反应进行。所以在转化炉中反应是不完全。 在发生上述反应同时还伴有一系列复杂付反应。包含烃类热裂解,催化裂解,水合,蒸汽裂解,脱氢,加氢,积碳,氧化等。 在转化反应中,要使转换率高,残余甲烷少,氢纯度高,反应温度要高,但要考虑设备承受能力和能耗,所以炉温不宜太高。为缓解积碳,增加收率,要控制较大水碳比。 3.改变反应反应方程式以下: CO+H2O=CO2+H2+Q 这是一个可逆放热反应,降低温度和增加过量水蒸气,全部有利于变换反应向右侧进行,变换反应假如不借助于催化剂,其速
4、度是很慢,催化剂能大大加速其反应速度。使最终CO浓度降到低程度,且为生产过程中废热利用发明了良好条件 4.变压吸附原理变压吸附简称PSA,是对气体混合物进行提纯工艺过程。该工艺是以多孔性固体物质(吸附剂)内部表面对气体分子物理吸附为基础,在两种压力状态直接工作可逆物理吸附过程。它是依据混合气体中杂质组分在高压下含有较大吸附能力,在低压下又有较小吸附能力,而理想组分H2不管在高压下还是在低压下全部含有较小吸附能力原理。在高压下,增加杂质分压方便将其尽可能多吸附于吸附剂上,从而达成高产品纯度;吸附剂解析或再生在低压下进行,尽可能降低吸附剂上杂质残余量,方便在下个循环再次吸附杂质 2.1.2步骤简图
5、(附图) 2.1.3步骤简述 1.脱硫步骤和设备 天然气为原料,H2S只有几十ppm和少许有机硫(20-30ppm),所以采取步骤为:在一个钴钼加氢器后串两个氧化锌脱硫槽。加热关键是(原料天然气达成脱硫反应温度350-400)。设在一段炉对流段低温蒸汽过热蒸汽过热器以后一个原料预热盘管组,利用烟气余热进行加热。 来自界区天然气经进入原料气分离器(F1101)分离掉其中液体,分为两股,一股作为燃料气和来自PSA制氢工序尾气在燃料气分离器(F1102)混合后去对流段余热;一股作为原料天然气,配入来自中温变换后氢气,进入原料气压缩机J1101,压缩到22Kg/cm2左右,进入一段转化炉对流段余热盘管
6、,预热到427,并用未预热副线调整到350-400,再送入加氢转化器D 1101 原料天然气在加氢转化器内反应后,串联经过两个氧化锌脱硫槽D1103A、B中使天然气硫含量降低至0.1ppm以下。这两个槽任何一个全部能够作为第一个槽,也能够只使用一个槽,另一个更换脱硫剂,经过脱硫气体送入一段炉。 2.转化步骤 脱硫后天然气配入中压蒸汽,达成一定水碳比(3.5左右),进入一段炉对流段混合气预热盘管,加热到500,送到一段炉辐射段顶9根上集气管。每根上集气管又把气体分配到42根转化炉管中,共378根,内装催化剂。气体在管内边吸热边反应,到转换管底温度达成820。每一排横竖42根炉管气体汇合于一根水平
7、下集气管。下集气管也是9,各有一根上升管。反应后气体沿9根上升管上升,继续吸收部分热量。 在一段炉对流段分别设置: 混合器预热器 烟气废锅 蒸汽过热器 原料气预热器 锅炉给水预热器 燃料气预热器 助燃空气预热器 充足回收烟气热量提升一段炉总热效率。 一段炉出口转化气温度约为813,甲烷含量约9.7%(干基),经输气管(107-D)进入二段转化炉(103-D),二段转化炉仅作为通道使用,在二段炉水夹套作用下,一段转化气温度降低到约789,在第一废热锅炉(101-CA/B)和第二废热锅炉(102-C)中回收热量后,温度降低至约371去改变工序。 3.变换原理 转化气进入高变炉(D1102),高变炉
8、中装填了铁系高温变换触媒,在高温变换触媒中发生变换反应,大部分一氧化碳和蒸汽反应生成二氧化碳和氢气,离开高温变换炉工艺气中一氧化碳含量降低到约2.2%(干基)。为使变换反应更靠近平衡,高温变换炉出口气依次经过高变换废热锅炉(103-C)和高变气锅炉给水预热器(0108-CM)回收热量后,在约220-230进入装有铜触媒小低变(104-DB1)深入发生变换反应,从小低变出来变换气经过高变炉出气锅炉给水预热器(106-C)回收热量后,进入到低变炉(104-DB)深入发生变换反应,低低变换炉出口一氧化碳含量降低到0.24%(干基),送往脱碳工序。4.PSA 变压吸附技术是以吸附剂(多孔固体物质)内部
9、表面对气体分子物理吸附为基础,利用吸附剂在相同压力下易吸附高沸点组份、不易吸附低沸点组份和高压下吸附量增加(吸附组份)低压下吸附量减小(解吸组份)特征。将原料气在压力下经过吸附剂床层,相对于氢高沸点杂质组份被选择性吸附,低沸点组份氢不易吸附而经过吸附剂床层(作为产品输出),达成氢和杂质组份分离。然后在减压下解吸被吸附杂质组份使吸附剂取得再生,已利于下一次再次进行吸附分离杂质。这种压力下吸附杂质提纯氢气、减压下解吸杂质使吸附剂再生循环便是变压吸附过程。 多层变压吸附作用在于:确保在任何时刻全部有相同数量吸附床处于吸附状态,使产品能连续稳定地输出;确保合适均压次数,使产品有较高提取率。 在变压吸附
10、过程中,吸附床内吸附剂解吸时依靠降低杂质分压实现,本装置采取方法是:常压解吸、降低吸附床压力(泄压)、逆放解吸、冲洗解吸。图2-1示意说明吸附床吸附、解吸过程。其中P0 为真空,P1大气压。图2-1图2-1示意说明吸附床吸附、解吸过程 升压过程(A-B):经解吸再生后吸附床处于过程最低压力P1,床内杂质吸附量为Q1(A点)。在此条件下用产品组份升压到吸附压力P3,床内杂质吸附量Q1不变(B点)。 吸附过程(B-C):在恒定吸附压力下原料气不停进入吸附床,同时输出产品组份。吸附床内杂质组份吸附量逐步增加,当抵达要求吸附量Q3(C点)时停止进入原料气,吸附终止。此时吸附床内仍预留有一部分未吸附杂质
11、吸附剂(如吸附剂全部吸附杂质,吸附量可为Q4,C点)。顺放过程(C-D): 沿着进入原料输出产品方向降低压力,流出气体仍为产品组份用于别吸附床升压或冲洗。在此过程中,随床内压力不停下降,吸附剂上杂质被不停解吸,解吸杂质由继续被未充足吸附杂质吸附剂吸附,所以杂质并未离开吸附床,床内杂质吸附量Q3不变。当吸附床降压至D点时,床内吸附剂全部被杂质占用,压力为P2。 逆放过程(D-E): 开始逆着进入原料气输出产品方向降低压力,直到变压吸附过程最低压力P1(通常靠近大气压力),床内大部分吸附杂质随气流排出塔外,床内杂质吸附量为Q2。 冲洗过程(B-A):依据试验测定吸附等温线,在压力P1下吸附床仍有一
12、部分杂质吸附量,为使这部分杂质尽可能解吸,要求床内压力深入降低。在此利用顺放气冲洗床层不停降低杂质分压使杂质解吸。经一定程度冲洗后,床内杂质吸附量降低到过程最低量Q1时,再生终止。至此,吸附床完成一次吸附-解吸过程,再次升压进行下一次循环。 经过冷却、分水后中变气进入装有吸附剂吸附器,吸附除去氢气以外其它杂质(H2OCOCO2CH4),使气体得以净化。 净化后工业氢纯度大于99.9%(V/V),以恒定流量和压力经过氢气压缩机(110-J)外送。供直接液化装置。 吸附剂再生得到尾气,经脱附气缓冲罐F7003,稳定后经过PIC7007多出部分由PIC7005放空进火炬后,进入螺杆压缩机0115-J
13、/JT送转化做燃料6工艺冷凝液回收变换气分离罐中分离下来工艺冷凝液经工艺冷凝液泵(109-J/JA)加压,和汽提后工艺冷凝液在工艺汽提冷凝液换热器(130-CA/CB)中换热后进入工艺冷凝液汽提塔(103-E)顶部。汽提蒸汽自工艺冷凝液汽提塔底部进入,将工艺冷凝液中溶解微量氨、二氧化碳和醇汽提出来,用作工艺蒸汽。汽提后工艺冷凝液经过汽提冷凝液锅炉给水换热器(131-C)深入回收热量,并经工艺冷凝液水冷器(0105-CM)冷却后送出界区,开车或操作不正常时电导率超标工艺冷凝液去污水处理。 7、脱盐水系统 温度40压力0.6MPa脱盐水从界区来,经贫液锅炉给水换热器1107-C温度升至72,大约4
14、0%经汽提冷凝液锅炉给水换热器131-C换热至105,和剩下脱盐水混合后经净化器水冷器换热至94进入除氧器101-UM,经过注联胺和热力除氧去除夹带氧离子温度升至115,经过注氨水调整PH值后进入汽包给水泵0104-J/JA送入汽包。 8、蒸汽系统 锅炉水经过101-CA/CB,102-C及烟气废热锅炉生产高压蒸汽(温度313.8,压力10.3MPa),高压蒸汽经一段炉对流段蒸汽过热盘管,温度过热至420,再经脱氧水减温减压后温度降至350压力降至3.8MPa供工业蒸汽及各蒸汽透平用。部分中压蒸汽经再次减温减压,压力降至0.35MPa温度200用作除氧用蒸汽。在开工阶段,启用透平及表面冷凝器则
15、需引用外来中压及低压蒸汽。 2.1.4装置辅助系统 2.1.4.1仪表风系统 界区来仪表空气经流量计FRQ5060进入仪表风罐0107-FM缓冲后送到装置各用户。当仪表风压力PAL5061压力低时PSLL报警后连锁停车。 2.1.4.2循环水系统 循环水自界区来,温度28度压力0.5MPa分别进入各冷却点冷却设备用量T/H0102-J2690105-CM2250104-CM341109-C,1110-C0116-CM680106-CM152101-JCM22400110-J/JA134.20115-J102PSA装置1.6油系统及其它150返回温度升至38,压力降至0.3MPa2.1.4.3火
16、炬系统 原有放空燃气及放空气进入火炬罐0119FM稳压后进入火炬管烧掉。 2.1.4.4氮气系统 从界区来氮气有两种,一个是5.2MPa中压N2,用于高压系统吹扫和气密。另一个是0.8MPa低压氮气用于平时吹扫。 2.2装置控制指标 2.2.1原料质量指标 1.原料天然气组成体积%CH496.30%C2H60.787C3H80.114C4H100.033C5H120.008N20.559He0.024CO22.17总硫 2.89mg/m3压力正常值1.45MPa2.2.2燃料指标 2.2.2.1燃料天然气 同原料天然气 2.2.2.2燃料尾气出口温度 120尾气流量 11300.65kg/h组
17、成 (MOL%)H238.89CO1.37CO2 0.48CH4 49.96H2O 9.42N2 0.881002.2.3产品质量指标2.2.3.1二段炉转化气指标2.2.3.3高变气指标2.2.3.4低变气指标2.2.3.5脱碳气指标2.2.3.6PSA产品气指标2.2.3.7外输蒸汽指标 本装置生产10P3.9MPa T 350 2.2.4三剂及化学药品物化性质及控制指标 2.2.4.1磷酸三钠 2.2.4.2氨 含量10-35% 密度0.91 2.2.4.3联胺 密度1.01 闪点38 爆炸极限2.9-98.0 2.2.4.4五氧化二钒 密度3.35 能助燃 2.2.4.5二乙醇胺 密度
18、1.09 可燃 闪点137 爆炸极限1.6-9.8%2.2.4.6碳酸钾 密度2.432.2.5关键工艺操作条件2.2.6公用工程及界区条件2.2.6.12.2.6.2氮气条件2.2.6.3工艺用脱盐水2.2.6.4仪表及工厂空气仪表空气压力MPa 温度机械设计值 1.0 60最大操作值 0.8 40 正常操作值 0.7 40最小操作值 0.55 40 露点温度 冬季:-40 夏季:-20 含油 10mg/m3(0.01ppm) 含尘 1 mg/m3工厂空气压力MPa 温度设计值 1.0 60 最大操作值 0.8 40 正常操作值 0.6 40 最小操作值 0.4 50Kg。三个细帆布装料袋。
19、 (3)桶子,每个10升,三个。 (4)装料漏斗二个,漏斗直径最大处为20mm,漏斗嘴内径50mm,外径60mm (5)真空卸触媒设备 (6)振荡器、压力表及专用测压装置 (7)带有刻度测深尺或尺杆,长度最短为12米。 (8)空气源,压力为0.7MPa左右,5.5m3/min (9)空气压差测试装置 (10)有铁丝网保护罩吊灯或防爆型吊灯及电线 (11)检验催化剂用筛网 (12)8倍左右望远镜 b、为确保无杂物遗留在管内或催化剂托盘上,可采取真空卸触媒装置吸净异物,卸触媒软管(65mm)放入每根炉管底部,同时使用真空装置,就能确保把掉在里面松散东西吸出。然后把吊灯放到每根转化管中去,提议使用8
20、倍左右望远镜来帮助检验。 c、检验催化剂 用一个孔眼为3mm筛网过滤催化剂,除去触媒碎片并检验有没有异物。 d、炉管测量 用测深游标尺进行测量,装填前先测定总装填高度,确定每次装填高度,每装填一次后要测定剩下高度,经振荡后再测量,做好统计,并作为永久性统计保留,对于同一转化管分装两种催化剂时应先测量并记下底层触媒要求深度。 e、装催化剂 每根转化炉管催化剂装填量是按装满计量桶来计算,每一次装填桶数应做好统计。 用漏斗将催化剂倒入帆布筒内,再将帆布筒伸入到转化管内使其底部靠近装填起始位置,布袋操作关键是将布袋下端折叠200mm,只要把伸入到炉管布袋轻轻一提,触媒就落入管内,每次达成预期装填高度后
21、,做好统计,当全部转化管全部达成装填高度时再振荡,每根管振荡时间长短和振荡频率要一致,再用测深尺进行测量,每根转化管内催化剂床层高度误差为65mm,不然应再次振荡以消除架桥现象,此时若有部分转化管内催化剂床层高度仍超出65mm,则必需用真空卸触媒装置吸卸出触媒,重新按上述程序装填,要求全部转化管内催化剂装到正常高度并将装填重量记在催化剂装填统计上。 f、空气吹净 装完催化剂后,用0.3-0.5MPa左右压缩空气吹扫5分钟左右,保持转化管入口压力0.3MPa左右。 g、压力降测定空气吹净后,采取专用测压装置,维持转化管入口压力0.25-0.3MPa,并使之恒定在某一值,尽可能提供足够空气源,产生
22、和生产条件近似压力降,每一个转化管在测阻力降时必需维持同一压力。以固定气流经过每一根转化管,并将压力降统计下来,若全部读数不在平均值5%以内,则应将催化剂卸出,重装并再次测试。转化催化剂卸出 触媒装填不合格或经过长久使用大修时需卸出,或因结碳严重或炉管需要局部更换均需卸出。卸触媒关键设备是真空卸触媒装置一套。 生产时催化剂是含有活性金属镍,为预防它和空气中氧反应放热烧坏催化剂和设备,卸出前要进行钝化处理,也就是用缓慢氧化措施预先对触媒表面进行氧化处理。通常多用蒸汽钝化,此法反应缓解,温升小,简便安全。具体钝化说明见相关催化剂说明书。2.6.3变换催化剂装填及使用 变换催化剂装填 催化剂装填,请
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