專利名稱：以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法。
背景技術：
自然界中由碳氫兩種元素組成的物質稱為烴類，如石油、天然氣。源于石油開采和煉制生產(chǎn)的天然氣、液化石油氣、穩(wěn)定輕烴、汽油、柴油等也都是烴類物質。從整個石油組成來看，用于燃氣原料的輕烴是石油組成中的某一段餾程，從石油碳原子排列來看，第一段是天然氣，碳原子數(shù)為1或2，稱甲烷或乙烷。第二段是液化石油氣，碳原子數(shù)為C3、C4。這兩段被用于化工原料和優(yōu)質氣體燃料，均為氣態(tài)物質。若要使其液化則必須對其進行降溫或壓縮處理，即所謂液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)。碳原子排列的第四段即全球的重要原料——汽油，碳原子數(shù)從C7～C12。
液體輕烴屬碳原子排列的第三段即C5(戊烷)，常溫常壓下呈液態(tài)。它是石油開采和煉制及天然氣處理過程中的副產(chǎn)品，與液化石油氣一樣不含苯、甲醇、烯烴等成分，是優(yōu)質的潔凈燃料，來源十分廣泛。輕烴在油田、氣田等不同的場合叫法不一，如輕質油、凝析油、戊烷油、穩(wěn)定輕烴、拔頭油、石油醚、天然氣凈化廠“塔底油”等。輕烴屬飽和烴類，自燃點比液化石油氣要低，相同溫度下的飽和蒸氣壓也比液化石油氣低得多，其沸點溫度是36.4℃，與液化石油氣相比，由于不易氣化，泄漏后蔓延范圍小，較為安全，而其爆炸極限與液化石油氣基本相近，氣相熱值高于液化石油氣，液相熱值則與液化石油氣相同。
由于液體輕烴的蒸氣壓介于液體燃料和氣體燃料之間，作為氣體燃料，液體輕烴較難氣化，輸送壓力低且要求環(huán)境溫度高、管徑大，最棘手的是其極易再液化，輸送難度不小；而作為液體燃料，液體輕烴的蒸氣壓又偏高，運輸儲存設施均要符合壓力容器管理要求，投資大、運輸儲存成本高。因此，一直以來，人們對液體輕烴的開發(fā)利用不充分，用其作為城鎮(zhèn)管道煤氣制氣原料的研究更是空白。目前，液體輕烴除極少量用作爐窯燃料外，部分用于乙烯工程，不少液體輕烴被點“天燈”燒掉。
液體輕烴原料價格根據(jù)市場情況和產(chǎn)地的不同，一般比液化石油氣每噸低500～600元，比柴油每噸低800元左右。由于戊烷在常溫常壓下是液體，在利益驅動下，少數(shù)不法商人將其摻到液化氣罐或加油站內，導致液化罐殘液增加，加速對汽車機件的損壞和增加汽車尾氣污染物的排放。我國目前液體輕烴的產(chǎn)量較為豐富，且無較好的利用出路，每年500多萬噸價廉物美的液態(tài)輕烴未能得到科學合理的利用，造成了資源的極大浪費，不利于國家經(jīng)濟、能源、環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。
縱觀燃氣行業(yè)，目前，國內外燃氣生產(chǎn)企業(yè)大多以液化石油氣(LPG)為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣。作為一種清潔能源，液化石油氣有很多優(yōu)點，環(huán)保效益顯著，但也存在一定的局限性，如價格變化起伏大導致煤氣生產(chǎn)成本不穩(wěn)定且價格偏高等，而且國內液化石油氣市場需求缺口達700萬噸/年，完全依賴進口解決，風險大，特別是國內至今沒有一定規(guī)模的戰(zhàn)略儲備，很難規(guī)避國際投機資本或石油壟斷資本興風作浪的風險。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法。
本發(fā)明通過以下技術方案達到以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的發(fā)明目的，該方法包括以下步驟(A) 加熱燃燒改質爐，所述燃燒改質爐包括燃燒室、混合室及改質室；(B) 水蒸汽吹掃，即使水蒸汽充滿燃燒室、混合室及改質室，將室內原有的空氣和氧化物吹入煙囪排放；(C) 改質，即原料液體輕烴進入混合室，與蒸汽充分混合后，在改質室催化劑作用下，生成CO和H2；(D) 改質后的燃氣進入冷卻增熱塔調配燃氣的熱值與燃燒特性。
本發(fā)明所采用的液體輕烴為拔頭油。
以液體輕烴為原料改質生產(chǎn)城鎮(zhèn)燃氣是一個吸熱的催化反應。加熱階段(A)液體輕烴與過量空氣燃燒生成CO2和H2O，燃燒熱用于加熱燃燒室格子磚和改質室的改質催化劑；蒸汽吹掃階段(B)的設置是為了改質過程的安全，避免烴與氧氣混合達到爆炸極限；在改質階段(C)，催化劑床層上，烴與過熱蒸汽發(fā)生下列反應
最終，產(chǎn)品燃氣以H2、CO、CO2、CH4、C2H4、N2為主要成份，進入冷卻增熱塔調配燃氣的熱值與燃燒特性，成為城鎮(zhèn)管道煤氣進入燃氣管網(wǎng)。
本發(fā)明以拔頭油或其它液體輕烴為原料，采用催化裂解法可制取符合國標(GB/T13911-92)城市燃氣分類中“人工燃氣5R-7R”和“天然氣6T-13T”及“液化石油氣19Y-22Y”范圍內燃氣，特別適合煤氣生產(chǎn)企業(yè)對原有系統(tǒng)進行節(jié)能、擴容技術改造，催化裂解裝置可在原制氣裝置的基礎上改造而成，所耗費用不高。
本發(fā)明項目技術水平處于國內領先行列，在能源及燃氣行業(yè)有良好的推廣應用前景，可以產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。用拔頭油替代LPG生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣，因其價格低于LPG，會較大幅度降低氣源生產(chǎn)成本。一般情況下，拔頭油單價較LPG低20％，可以降低氣源生產(chǎn)成本10％-15％。全國每年液態(tài)輕烴的產(chǎn)量達500萬噸，市場前景廣闊。本發(fā)明還具有較好的環(huán)保效益拔頭油含硫低，燃燒時SO2排放較少，無黑煙產(chǎn)生，基本上無污水排放，屬清潔原料生產(chǎn)?？蓪崿F(xiàn)清潔生產(chǎn)管理、監(jiān)督技術與資源運用最大化和排污最小化的目標。此外，本發(fā)明還具有明顯的社會效益將燃氣企業(yè)制氣裝置的原料供應路線，由單一原料調整為雙原料甚至多原料供應路線，使拔頭油(液體輕烴)產(chǎn)品得到合理利用，為該產(chǎn)品找到一條理想的出路，杜絕其流入一些不法商人手中；而作為彌補國內油氣戰(zhàn)略儲備缺乏的一種手段，規(guī)避國際風險更是有其深遠的政治、經(jīng)濟及社會意義。


圖1為本發(fā)明催化裂解法制氣工藝流程2為本發(fā)明改質氣冷卻、增熱系統(tǒng)工藝流程圖具體實施方式
如圖1所示為本發(fā)明的生產(chǎn)工藝流程圖。
在原料罐區(qū)內的拔頭油經(jīng)烴泵加壓后由拔頭油管道送至制氣裝置區(qū)的分配管，再由分配管送至改質噴槍、加熱噴槍、點火噴槍、增熱噴槍。過量的拔頭油經(jīng)壓力控制閥減壓后回流到拔頭油儲罐，以確保制氣裝置區(qū)拔頭油總管壓力恒定。
一套制氣裝置采用兩系生產(chǎn)線。每一系生產(chǎn)線每個循環(huán)過程的循環(huán)時間為120秒，主要分為加熱和改質階段。各階段間需用蒸汽和空氣吹掃反應器以確保安全和提高熱效率，兩系生產(chǎn)線的加熱階段和改質階段交替進行，即第一系生產(chǎn)線處于加熱階段時，第二系生產(chǎn)線處于改質階段，以保證整個系統(tǒng)物料平衡。制氣循環(huán)過程共包括8個步驟，如下表1表1

注“開”指通往煙囪的主閥打開，沒有氣體進入煤氣儲氣柜8。
“關”指通往煙囪的主閥關閉，氣體進入煤氣儲氣柜8。
制氣步驟說明步驟1——空氣吹掃(關)空氣鼓風機1供給直立燃燒室較正常負荷少的風量。空氣通過燃燒器對燃燒室進行吹掃。系統(tǒng)內殘存的改質氣和蒸汽被吹掃，通過水封進入煤氣儲柜8，燃燒室內的可燃物質被除去。
步驟2——加熱開始(關)裝在燃燒室頂部的主燒嘴被長明的點火燒嘴點燃，主燃燒器低負荷運行，火焰安全保證裝置和火焰監(jiān)視開始工作。如果主燒嘴沒有被點燃，火焰監(jiān)視不到火焰，則原料拔頭油閥門自動關閉，各閥門回到安全位置，并且進行安全吹掃，防止沒點燃的拔頭油與空氣在爐內發(fā)生爆炸。
步驟3——加熱階段(開)加熱階段，液相拔頭油霧化后與過量空氣混合，在燃燒室內燃燒，生成H2O和CO2，其反應式為燃燒火焰的輻射熱和燃燒廢氣的對流熱加熱燃燒室內的格子磚；然后熱過程氣通過改質室催化劑，催化劑所吸收的熱量一部分來自Ni與O2的反應熱，一部分來自過程氣的顯熱。
加熱階段的高溫可將改質階段沉積在催化床上的碳燒掉，并使硫化鎳分解，產(chǎn)生CO2和SO2，隨煙氣帶走，有利于保持催化劑的活性。加熱階段提供了足夠的熱量，用以平衡改質反應所需的熱量和熱輻射損失的熱量，而且裂解產(chǎn)物和催化劑上沉積的硫經(jīng)過氧化反應后都被除去。
經(jīng)過反應器出口的煙氣穿過1.6MPa的廢熱鍋爐和節(jié)能器后從煙囪排出。因為有嚴密的水封，煙氣不會進入煤氣系統(tǒng)。
步驟4——空氣吹掃(開)加熱階段后進行空氣吹掃(短時)，加熱噴槍調節(jié)閥保持小火開度，把燃燒室和改質室中剩余氧化產(chǎn)物吹入煙囪。
步驟5——蒸汽吹掃(開)改質蒸汽閥打開，蒸汽吹入燃燒室流過改質室，吹掃物經(jīng)廢熱鍋爐從煙囪排空。
步驟6——蒸汽吹掃(關)
延續(xù)上一階段繼續(xù)通入蒸汽，煙囪閥關閉，吹掃物進入燃氣冷卻塔，這一步使改質爐中充滿了蒸汽并準備生產(chǎn)城鎮(zhèn)燃氣。
步驟7——改質階段(關)關閉煙囪閥，改質制氣正式開始，蒸汽分離冷凝水后，從已在加熱階段被加熱的格子磚和正上方吹入，并被過熱到900以上，然后經(jīng)過水平混合室與氣相拔頭油充分混合再進入催化劑床層，發(fā)生改質反應。此階段還發(fā)生還原反應，NiO被還原成Ni，同時有機成份被氧化成二氧化碳和水。還原反應結束后，實際的改質反應開始。
改質階段，這一步的時間持續(xù)較長，這個階段拔頭油氣化后與被加熱的過熱水蒸汽在混合室內充分混合后，在改質催化劑作用下，生成CO和H2，反應為通向煙囪的閥門是關閉的。這時另一線正處于加熱階段。
改質氣經(jīng)過1.6MPa的廢熱鍋爐回收熱量再進入后續(xù)系統(tǒng)——冷卻增熱塔。
步驟8——蒸汽吹掃(關)經(jīng)過改質階段后，進行一次蒸汽吹掃，將改質室內殘留可燃氣體吹出，為下一循環(huán)做準備。至此，一個完整的循環(huán)過程結束。
為提高制氣裝置的熱效率，在反應器后設置了廢熱鍋爐用于回收制氣、加熱兩階段煙氣和改質氣的顯熱，產(chǎn)生的1.6MPa蒸汽大部分送至蒸汽透平空氣鼓風機做為動力，部分經(jīng)過調壓，進入蒸汽緩沖罐作為生產(chǎn)過程蒸汽使用。采用蒸汽透平空氣鼓風機(帶變頻裝置)的目的是出于節(jié)能和制氣區(qū)內蒸汽平衡的考慮。
改質氣出廢鍋后經(jīng)急冷煤氣水封去煤氣冷卻塔由冷卻水噴淋降溫，液相拔頭油在冷卻塔噴入后利用改質氣顯熱氣化，同時達到改質氣降溫、熱值提高和調配燃燒特性的目的。
產(chǎn)品燃氣的燃燒特性可通過拔頭油增熱和調整操作條件來進行調節(jié)。
本發(fā)明的工藝對原料的質量指標要求如下表2表2

本發(fā)明中工藝選用的催化劑為15～20mm球形的鎳系活性金屬催化劑，型號為Ni-0901S3/4″型。它是一種以Al、Si為載體，以Ni為主催化劑，F(xiàn)e、Mg、Mn為助催化劑的復合性催化劑，Ni含量依據(jù)改質氣的熱值要求而定。通過調節(jié)加熱拔頭油流量和改質拔頭油流量，來實現(xiàn)操作溫度在600～900℃的范圍內可調，但要注意催化劑床層溫度不能高于900℃。鉛、堿金屬可使催化劑中毒，所以要限制原料中的鉛、堿金屬含量。催化劑物化性質如下表3表3


當蒸汽不足，低溫操作或步驟間蒸汽吹掃不足的情況下會產(chǎn)生大量的積碳，這些碳可以氧化燒掉，但要注意催化劑床層溫度不能高于900℃。
拔頭油改質氣的組分會隨著原料組成、催化劑性能及反應溫度的變化而變化，如下參數(shù)表是某一操作條件下的改質氣組分及燃燒特性參數(shù)(見表4)表4

調整催化裂解裝置的工藝參數(shù)和催化劑型號，改變操作條件，上述改質氣組分可在一定范圍內變化。根據(jù)不同城鎮(zhèn)燃氣燃燒特性的需要，調整催化裂解裝置或后續(xù)增熱系統(tǒng)的操作條件，可以滿足其相應要求，生產(chǎn)出合格的城鎮(zhèn)管道煤氣。
一套催化裂解制氣系統(tǒng)(2系生產(chǎn)線)消耗指標如下表5表5

本發(fā)明的工藝污水和煙氣及噪音均能滿足環(huán)保部門規(guī)定的指標要求。實測的煙氣成分如下表6表6

本發(fā)明的工藝流程主要設備有燃燒改質爐2包括燃燒室21、水平混合室22和改質室23，三室相連呈U型結構。
燃燒室21主要作用是使拔頭油充分霧化并與過量的空氣在此混合燃燒，生成H2O和CO2，并放出大量的熱量用于加熱格子磚、催化劑，為改制階段的吸熱反應提供熱量。它為立式的鋼制外殼，內側襯有三層不同材質的耐火磚，其頂部安裝燃燒器，燃燒器的火焰是向下燃燒的。燃燒室中間砌有拱橋和格子磚，作為熱交換器，加熱階段格子磚被加熱到1000～1100℃，改質階段的蒸汽從格子磚頂部進入燃燒室，被加熱到約900℃。
改質室內填裝有Ni催化球，拔頭油與水蒸汽的混合物在此處發(fā)生改質反應生成CO和H2，混合室、改質室內有和燃燒室相同的耐火內襯，改質室內有催化劑支撐結構，上有3.2噸催化球，催化床中有四只熱電偶，格子磚底、混合室、催化床出口也各有一支熱電偶。
燃燒室上裝有一個視鏡觀察燃燒器噴嘴和火焰；格子磚下邊安裝兩個視鏡對著拔頭油噴嘴的方向觀察，就可以對拔頭油的噴霧方式可視化控制；改質室上部有一個視鏡可以觀察催化床積炭及其損壞情況。
廢熱鍋爐3主要包括蒸汽發(fā)生器、汽包兩部分。蒸汽發(fā)生器為臥式管板列管換熱器，筒體為Φ2900*30，共有Φ57*3L(L＝5006mm)換熱管408根。汽包本體為Φ1224*12、L＝1.996的臥式容器，安裝在廢熱鍋爐上部。汽包頂部有蒸汽出口安全閥和放散管。蒸發(fā)管上部和汽包連成一體，汽包相當于緩沖罐作用，蒸氣發(fā)生器上方有進水口，下面有二個放空口。另外，側面有液位計。
節(jié)能器4節(jié)能器4是一節(jié)換熱管的方型體，常壓設備，主要將煙氣冷卻到約120℃，改質氣冷卻到120℃，并將鍋爐給水從20℃預熱到約105℃。預熱后的鍋爐給水流進鍋爐給水槽的除氧器再進入廢熱鍋爐。
急冷器5與水封槽6急冷器5的作用是將改質氣冷卻到飽和溫度約60～70℃，所謂急冷就是急冷水被汽化到煤氣的水露點，由于水蒸汽的汽化熱使煤氣急速冷卻到飽和溫度。急冷器由一個垂直管道和兩個小噴嘴構成。
水封槽6是一個重要的安全設備，它只允許改質氣流向煤氣儲氣柜8方向，而氣柜內的煤氣不會倒流。水封槽由盛水的鋼制容器組成。在容器內，急冷器管道的底部浸入水面下。
改質氣冷卻、增熱塔7如圖2所示，煤氣冷卻增熱塔7是把出急冷器的改質氣進一步降溫到36℃的塔式容器，同時，透過它將改質氣增熱至所需的熱值指標要求。煤氣冷卻塔是一個垂直的塔體，Φ2400、H15000，內有6層冷卻水噴嘴，改質氣從底部進塔，自下而上和冷卻水逆向相遇后被冷卻，冷卻水集中底部通過塔內虹吸系統(tǒng)流出冷卻塔，流向地下水池。冷卻塔裝有4層，每層6個拔頭油噴咀，增熱部分的拔頭油從此處噴入，利用改質氣的顯熱氣化并與改質煤氣充分混合后送入氣柜。在此塔內可以部分調節(jié)混合煤氣的燃燒特性。
液壓系統(tǒng)兩臺液壓油泵有開停狀態(tài)顯示、設備狀況顯示、出口壓力報警顯示，并有開關面板控制泵的開停和運行模式；液壓油冷卻泵有開停狀態(tài)顯示、設備狀況顯示并有開關面板控制泵的開停和運行模式。每系生產(chǎn)線各有三個液壓閥，分別為煙囪閥、主風閥和副風閥。每個閥有開停狀態(tài)顯示。
自控系統(tǒng)本發(fā)明采用的生產(chǎn)過程自動控制系統(tǒng)可根據(jù)工藝要求，運用目前先進的冗余分層網(wǎng)絡控制方式，實現(xiàn)現(xiàn)場的溫度、壓力、流量、液位、閥位實時顯示；閥門的開關、閥位的調節(jié)、主要轉動設備(電動風機、透平風機、液壓油泵、鍋爐給水泵、烴泵)的開停等可由自控系統(tǒng)控制；鍋爐水位的控制、風量的控制、風壓的控制、拔頭油流量的控制、拔頭油總管壓力的控制、長明燈和主火焰的點火的控制、啟動生產(chǎn)循環(huán)的控制、主要設備參數(shù)的聲光報警控制、重要生產(chǎn)指標的歷史記錄、故障分類(正常停車、安全停車、緊急停車)處理的控制等生產(chǎn)過程也由自控系統(tǒng)完成。
權利要求
1.一種以液體輕烴為原料生產(chǎn)管道煤氣的方法，依次包括以下步驟(A)加熱燃燒改質爐(2)，所述燃燒改質爐(2)包括燃燒室(21)、混合室(22)及改質室(23)；(B)水蒸汽吹掃，即通入水蒸汽，使燃燒室(21)、混合室(22)及改質室(23)內充滿水蒸汽，將室內原有的空氣和氧化物吹入煙囪排放。(C)改質，即原料液體輕烴進入混合室(22)，與蒸汽充分混合后，在改質室(23)催化劑作用下，生成CO和H2；(D)改質后的燃氣進入冷卻增熱塔調配燃氣的熱值與燃燒特性。
2.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于步驟A為原料液體輕烴霧化后與過量空氣混合，在燃燒室(21)中燃燒放出熱量，加熱燃燒改質爐(2)。
3.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于步驟B所述催化劑為鎳系活性催化劑，催化劑操作溫度為600～900℃。
4.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于混合室(22)兩端分別與燃燒室(21)及改質室(23)相連通成為U形結構的燃燒改質爐(2)。
5.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于一套制氣裝置有兩條生產(chǎn)線，兩條生產(chǎn)線的加熱階段和改質階段交替進行。
6.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于從燃燒改質爐(2)出來的改質氣經(jīng)廢熱鍋爐(3)回收熱量。
7.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于步驟A進行前還包括以下準備步驟(a1)原料儲罐區(qū)(10)的液體輕烴由烴泵(9)加壓后送至制氣區(qū)，計算機自控制系統(tǒng)確保其壓力恒定；(a2)由鼓風機(1)輸出空氣進入燃燒室進行吹掃；經(jīng)步驟A加熱后，由鼓風機輸出空氣對燃燒改質爐(2)進行空氣吹掃。
8.根據(jù)權利要求1所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于步驟C改質后，對改質室(23)進行水蒸汽吹掃。
9.根據(jù)權利要求1至8任一權利要求所述的以液體輕烴為原料生產(chǎn)城鎮(zhèn)管道煤氣的方法，其特征在于所述液體輕烴為拔頭油。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種以液體輕烴為原料生產(chǎn)管道煤氣的方法，依次包括以下步驟(A)加熱燃燒改質爐；(B)水蒸汽吹掃，即在燃燒改質爐內通入水蒸汽；(C)改質，即原料液體輕烴進入混合室與蒸汽充分混合后，在改質室催化劑作用下，生成CO和H
文檔編號C10L3/00GK1519300SQ0314034
公開日2004年8月11日 申請日期2003年9月1日 優(yōu)先權日2003年9月1日
發(fā)明者羅東曉 申請人:廣州市煤氣公司