JM纯氧转化炉(ATR)在蓝星的应用.pdf
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1、ATR 工艺在天然气转化制甲醇合成 气中的工业应用 final.doc 1 ATRATRATRATR 技术在天然气转化技术在天然气转化技术在天然气转化技术在天然气转化 制取甲醇合成气工艺中的工业应用制取甲醇合成气工艺中的工业应用制取甲醇合成气工艺中的工业应用制取甲醇合成气工艺中的工业应用 吴越峰 韩 谛 (东华工程科技股份有限公司 安徽合肥 230024) 摘 要:本文阐述了 ATR 工艺流程、 ATR 烧嘴特点、ATR 相关的先进控制系统、ATR 炉 子设计;并通过对 ATR 与国内同类型技术进行比较,突出了 ATR 的优势;同时举 例说明了将 ATR 技术成功应用在天然气催化氧化制甲醇合成
2、气工艺中,节能环保 效果非常明显。 关键词:ATR、合成气、工业应用 1 1 1 1 前言前言前言前言 2008 年 09 月 28 日由东华工程科技股份有限公司(ECEC)采用 EPC 总承包模式承建 的兰州蓝星化工有限公司 20 万吨/年天然气制甲醇项目一次投料试车成功, 生产的甲醇产品 质量不仅符合 GB338-2004 标准优等品指标,而且符合工业甲醇美国联邦标准(O-M-232G) “AA”级指标。截止 2008 年 11 月 03 日,经 1 个月的连续试运转装置生产负荷达到设计负 荷的 90%,每吨精甲醇仅消耗天然气 900 Nm3,全装置综合能耗约为 34.0 GJ/吨精甲醇,
3、在 国内同行业中处于领先水平。 本项目为老厂改扩建项目,原兰州煤气厂现有 365 tons/hr 燃煤锅炉、26000 Nm3/hr 空分制氧装置、 规划整齐的场地和道路等公用工程设施可以改造利用, 中石油天然气公司在 距离厂区附近 500m 左右位置已设有涩宁兰天然气管线的一座大型分输站。 甲醇主装置主要由以下 6 个单元组成: ? 天然气压缩:采用全凝式蒸汽透平驱动离心式压缩机组; ? 天然气脱硫:采用加氢转化串联氧化锌脱硫,脱硫剂选用 T201 型加氢催化剂和 T305 氧化锌脱硫剂; ? 天然气转化:一段蒸汽转化(催化剂采用 Z412Q/Z413Q)串联二段 ATR 转化(纯 氧烧嘴以
4、及催化剂 28-4Q(由英国 JMC 提供) ; ? 合成气压缩: 采用全凝式蒸汽透平驱动离心式压缩机, 新鲜气压缩和循环气压缩为 一个联合机组) ? 甲醇合成:合成塔为列管式绝热等温合成塔技术,催化剂采用英国 JMC 的 51-7; ? 甲醇精馏:预塔(脱除轻组分)+加压塔 +常压塔 +甲醇回收塔,常压塔、回收塔 为填料加塔盘,其余各塔采用高效规整填料; 该工艺流程具有如下特点: 采用 ATR 工艺流程,使得: ? 甲醇合成气组分中(H2-CO2)/ (CO+CO2)更趋合理,比值在 2.012.10 之间,有 ATR 工艺在天然气转化制甲醇合成 气中的工业应用 final.doc 2 利于
5、甲醇合成; ? 新鲜甲醇合成气中 CH4含量低于 0.3%,降低了惰性组分含量,提高了合成回 路单程转化率、减少驰放气量、减少回路循环气量,从而不仅减少原料天然气 消耗,而且大大节省了循环气压缩机的功耗; ? ATR 出口温度接近 1000,用废热锅炉副产更多的中压蒸汽,充分回收高位 热能; ? 降低了一段蒸汽转化的水蒸汽/碳摩尔比,降低了蒸汽消耗; ? 降低了一段蒸汽转化的操作温度, 大量减少了燃料天然气的消耗, 减少了烟气 排放,有利于节能、环保。 甲醇合成塔采用先进可靠的等温合成塔技术,甲醇合成塔床层温度分布均匀,接近 最佳合成温度,合成反应热可以副产中压蒸汽; 甲醇精馏塔采用高效规整填
6、料,甲醇产品质量高,蒸汽消耗低;同时设甲醇回收塔 不仅提高甲醇收率, 而且使废水达标直接排放; 将加压塔塔顶蒸汽作为常压塔塔釜再 沸器热源,节能效果十分明显; 一段转化炉采用热管式空气预热器,不仅可以降低烟气排放温度,而且可以提高燃 烧空气入口温度,提高燃烧效率,有利于热能综合利用,节省燃料消耗; 甲醇装置自控系统采用DCS集散控制系统 (两台离心压缩机组采用独立的ITCC控制) , 使得全厂操作控制稳定、便利迅捷;同时采用一套安全仪表系统(SIS),为全装置 关键的设备和系统提供安全保证; 整个甲醇装置正常生产过程中,无有毒、有害的废水及废气排放,能做到清洁生产。 2 2 2 2 ATR A
7、TR ATR ATR 技术特点技术特点技术特点技术特点 2.1 ATR2.1 ATR2.1 ATR2.1 ATR 简介简介简介简介 ATR 是自热式转化炉(Autothermal Reformer)的英文缩写,近年来 ATR 技术在国外被 广泛应用于大型及超大型甲醇工业装置和合成氨工业装置, 是目前国际上最先进的甲醇合成 气或氨合成气制取技术之一。 氧气从 ATR 炉顶部烧嘴进入炉膛,一段转化气(或焦炉气等其它有效气体)从炉体颈 部侧面进入, 经专门设计的气体分布器均匀分散后与氧气混合并燃烧, 然后自上而下通过催 化剂床层,ATR 出口温度接近 1000,首先经废热锅炉换热副产中压蒸汽,然后经
8、一系列 热回收并冷却到 40后气体被增压送往甲醇合成回路。ATR 工艺流程如图一所示,ATR 炉 子结构如图二所示。 2.22.22.22.2 催化氧化和非催化部分氧化的比较催化氧化和非催化部分氧化的比较催化氧化和非催化部分氧化的比较催化氧化和非催化部分氧化的比较 目前,工业上普遍采用的甲烷深度转化方法主要有催化部分氧化法和非催化部分氧化 法,ATR 转化属于催化部分氧化法。 原料组分中的甲烷在 ATR 炉中的主要反应有: CH4 + CO2 = 2CO +2H2-Q ATR 工艺在天然气转化制甲醇合成 气中的工业应用 final.doc 3 CH4+H2O= CO +3H2-Q CH4+2O
9、2 = CO2+2H2O+Q 进 ATR 内的其他组分也会参与反应,但最终的气体组成受控于反应平衡: CO +H2O = CO2 +H2+Q ATR 出口温度控制在 1000左右,炉出口 CH4含量(干基)0.3; 非催化部分氧化不需要催化剂,进料气和纯氧在较高的温度条件下进行部分氧化反应, 其主要反应为: CH4 + O2 = CO + H2O+H2+Q 2CH4+O2 = 2CO +4H2+Q CH4+2O2 = CO2+2H2O+Q 非催化氧化的转化气出口温度通常在 1200左右, 残余甲烷指标同样也可以控制在 0.3 (干基) 。 ATR 转化与非催化部分氧化的比较见表一: 表一 AT
10、R 转化与非催化部分氧化比较表 ATR 转化 非催化部分氧化 反应温度 相对温和 高,对耐火材料要求高 出口气体温度 1000 1200 出口气体组成 CH4(干基)0.3% CH4(干基)0.3% ATR 工艺在天然气转化制甲醇合成 气中的工业应用 final.doc 4 原料气消耗 低 高 氧气消耗 低 高 转化系统流程 复杂 简单 下游热回收系统流程及设备 简单 复杂(特别是废热锅炉结构复杂,加 工难度很大) 使用业绩/经验 有业绩、有成熟经验可参考 无成熟经验可参考 生产操作 简单/易于控制 复杂 炉子结构 复杂 简单 对进料气脱硫净化系统要求 高 /进料气总硫含量0.1ppm 低/有
11、机硫在转化炉内转化为 H2S 下游脱硫系统 不需要 需设置湿法脱硫工序,流程也较长 转化催化剂 需要 不需要 是否析碳 不析碳 存在析碳问题 是否有氨和 HCN 生成 无 有,下游必须增设除氨系统 从以上比较内容可以看出,在由天然气(或焦炉气等有效气体)制取合成气工艺中,目 前采用 ATR 工艺具有生产操作易于控制、不析碳、氧气和原料气消耗低等显著优点,总体 优于非催化部分氧化法。 2.32.32.32.3 先进的先进的先进的先进的 ATRATRATRATR 烧嘴特点烧嘴特点烧嘴特点烧嘴特点 目前先进的 ATR 烧嘴与普通纯氧转化炉烧嘴比较见表二: 表二 先进的 ATR 烧嘴与普通纯氧转化炉烧
12、嘴比较表(数据以 20 万吨/年甲醇装置为例) 先进的 ATR 烧嘴 普通纯氧转化炉烧嘴 烧嘴分布器 氧气与工艺气混合均匀,燃烧效率高 氧气与工艺气混合不均匀,燃烧效率 低,安全性差 要求氧气预热温度 170 350,不安全 烧嘴保护蒸汽 正常运行不需要保护蒸汽 仅投氧前和停氧后需要(300 kg/hr) 正常运行烧嘴连续需要保护蒸汽, 500 kg/hr 氧气进料前配蒸汽 不需要 (充分考虑了氧气在 ATR 上部燃 烧产生蒸汽量) 连续需要 2500 kg/hr 纯氧转化炉进原料气温度 低(450) 高(通常要求 650,上游加热炉的要求 提高,且增加了燃料消耗和生产成本) 烧嘴夹套冷却水
13、不需要 需要, 大大降低系统安全可靠性, 在冷 却水系统中还需要设置高位水箱、 高压 保护氮气等措施,操作十分复杂。 催化剂入口处工况 温度和组成均匀,使得: 平衡温距 05 催化剂损坏少,寿命延长 温度和组成不均匀,导致: 平衡温距 1015 催化剂损坏严重,寿命短 动力学和热力学分析 有,可指导转化炉体及耐火衬里设计 定性分析,无动态定量分析 ATR 工艺在天然气转化制甲醇合成 气中的工业应用 final.doc 5 燃烧区温度场分布研究 (CFD Study) 有,可指导转化炉体及耐火衬里设计 定性分析,无动态定量分析 纯氧转化炉催化剂装填量 10 m3 15 m325m3 不等 催化剂
14、床层阻力降 低(0.01MPa) 高 烧嘴使用安全性和稳定性 高 低 火焰形状 长且细,降低了烧嘴附近炉墙热强度 / 烧嘴头操作温度 400,是延长烧嘴使用寿命的关键 / 烧嘴连续运转周期 保证值 5 年(有使用 10 年的记录) 保证值 1 年 从上表可以看出先进的 ATR 烧嘴与普通烧嘴有明显的比较优势。 2.4 2.4 2.4 2.4 与与与与 ATRATRATRATR 相关的先进控制系统相关的先进控制系统相关的先进控制系统相关的先进控制系统 ATR 工艺流程中(如图一)对相关的控制系统作了如下优化考虑: 氧气快速隔离氧气快速隔离氧气快速隔离氧气快速隔离: 在冷氧管线上设计一只快速切断阀
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