低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统论文和设计-王煊

全文摘要

本实用新型公开了一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，包括依次设置的矿炉尾气预处理系统、净化系统、脱氧系统、变换及加氢系统、脱硫脱碳系统和CO\/H2分离提纯系统。通过本实用新型系统，能够对低H2低S高CO矿炉尾气的有效组分进行充分利用，实现节能减排的目的，尤其是大规模(≥20000Nm3\/h)低H2低S高CO矿炉尾气分离应用。净化后的CO和H2可以满足下游单元对原料气的要求，具有较高的经济附加值。

主设计要求

1.一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，包括依次设置的矿炉尾气预处理系统、净化系统、脱氧系统、变换及加氢系统、脱硫脱碳系统(14)和CO\/H2分离提纯系统；所述预处理系统包括第一原料气压缩机(1)和预处理单元(2)；净化系统包括第二原料气压缩机(3)和净化塔(4)；脱氧系统包括脱氧炉(5)；变换及加氢系统包括依次相连的控温变换炉(6)、加氢反应器(7)、变换气冷却单元(8)；所述CO\/H2分离提纯系统包括依次相连的甲醇变温吸附塔(9)、H2变压吸附塔(10)、富CO压缩机(11)、CO变压吸附塔(12)、CO压缩机(13)；其中第一原料气压缩机(1)、预处理单元(2)、第二原料气压缩机(3)、净化塔(4)、脱氧炉(5)、控温变换炉(6)、加氢反应器(7)、变换气冷却单元(8)、脱硫脱碳系统(14)、甲醇变温吸附塔(9)、H2变压吸附塔(10)、富CO压缩机(11)、CO变压吸附塔(12)、CO压缩机(13)依次连接；其中甲醇变温吸附塔(9)与脱硫脱碳系统(14)连接，H2变压吸附塔(10)与H2存储设备连接，CO压缩机(13)与CO存储设备连接。

设计方案

1.一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，包括依次设置的矿炉尾气预处理系统、净化系统、脱氧系统、变换及加氢系统、脱硫脱碳系统(14)和CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统；}

所述预处理系统包括第一原料气压缩机(1)和预处理单元(2)；

净化系统包括第二原料气压缩机(3)和净化塔(4)；

脱氧系统包括脱氧炉(5)；

变换及加氢系统包括依次相连的控温变换炉(6)、加氢反应器(7)、变换气冷却单元(8)；

所述CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统包括依次相连的甲醇变温吸附塔(9)、H_{2<\/sub>变压吸附塔(10)、富CO压缩机(11)、CO变压吸附塔(12)、CO压缩机(13)；}}

其中第一原料气压缩机(1)、预处理单元(2)、第二原料气压缩机(3)、净化塔(4)、脱氧炉(5)、控温变换炉(6)、加氢反应器(7)、变换气冷却单元(8)、脱硫脱碳系统(14)、甲醇变温吸附塔(9)、H_{2<\/sub>变压吸附塔(10)、富CO压缩机(11)、CO变压吸附塔(12)、CO压缩机(13)依次连接；}

其中甲醇变温吸附塔(9)与脱硫脱碳系统(14)连接，H_{2<\/sub>变压吸附塔(10)与H_{2<\/sub>存储设备连接，CO压缩机(13)与CO存储设备连接。}}

2.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述H_{2<\/sub>变压吸附塔(10)还与第二原料气压缩机(3)连接。}

3.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述CO变压吸附塔(12)还与第一原料气压缩机(1)连接。

4.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述控温变换炉(6)装填变换催化剂，加氢反应器(7)装有加氢催化剂。

5.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述控温变换炉(6)包含移热段和绝热段，移热段设有移热管和外置汽包。

6.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述脱硫脱碳系统(14)与硫回收单元(15)连接，用于回收富H_{2<\/sub>S酸性气。}

7.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述脱硫脱碳系统(14)与第一原料气压缩机(1)连接，用于将脱硫脱碳系统(14)得到的富H_{2<\/sub>S酸性气部分补回系统。}

8.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述脱硫脱碳系统(14)包括依次连接的吸收单元、降压单元、氮气气提单元、热再生解吸单元。

9.根据权利要求1所述的一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于，所述预处理单元(2)包括依次相连的脱焦油塔、脱萘塔、脱苯塔。

设计说明书

技术领域

本实用新型属于工业尾气分离技术领域，涉及一种低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气分离提纯CO与H_{2<\/sub>的系统。}}

背景技术

矿石冶炼一般是以矿石为原料，采用焦炭等作为碳还原剂和燃料，在高温矿热炉内进行反应，制得满足需求的产品，同时副产矿炉尾气。矿石冶炼过程中所副产的矿炉尾气大多数为还原性气体，主要成分为一氧化碳、氢气、二氧化碳、氧气、氮气等，其中一氧化碳含量为60.0～92.0mol％，氢气含量为1.0～15.0mol％，二氧化碳含量为2.0～15.0mol％，氧气含量一般在0.1～1.0mol％，其余为氮气等。典型的矿炉尾气代表有电石矿炉尾气、硅铁矿炉尾气、硅钙矿炉尾气、镍铁矿炉尾气、硅锰矿炉尾气、铬铁矿炉尾气等。

根据矿炉尾气的组成，矿炉尾气经过分离提纯后可得到产品CO和H_{2<\/sub>，CO和H_{2<\/sub>主要应用领域包括：羰基合成(如甲醇合成、二甲醚合成、乙二醇合成)、制氢(如合成氨等)、煤制油等领域。由于矿炉尾气含有大量的杂质，如多形态硫(包括硫化氢、羰基硫、硫醇、硫醚、噻吩等)、灰尘+焦油、苯、萘、氨、氯、磷、汞、砷等，这些杂质的存在影响了矿炉尾气的进一步利用。目前工业上针对矿炉尾气的利用一般有以下两种途径：一种是矿炉尾气直接排至火炬，经燃烧处理后排往大气，既造成矿炉尾气资源的浪费，又造成环境污染；另一种是矿炉尾气送至燃料气发电系统，用于燃料气发电，由于矿炉尾气富含CO，直接燃烧降低了其利用价值。}}

目前国内针对矿炉尾气工业化应用的研究，研究相对较多的是电石矿炉尾气。专利CN103072945给出了典型的电石矿炉尾气组成，其中一氧化碳范围为65-85％，氢气范围为7～15％，二氧化碳范围为2-5％，氮气+氧气范围是5-12％，甲烷含量≤0.3％等，除了上述主要组成，电石矿炉尾气还含有其他杂质，主要包括无机硫、有机硫、磷化物、砷化物、焦油+尘等等。很显然，电石矿炉尾气只是众多矿炉尾气中的一种，本专利所涉及的低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气不仅仅包含电石矿炉尾气，也包含其他类型的矿炉尾气，本专利所指的矿炉尾气中H_{2<\/sub>含量最低可达到1.0mol％，CO含量最高可达到92.0mol％。}}

综上所述，研究开发经济合理、工艺技术可行的用于低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气的分离提纯CO与H_{2<\/sub>的系统迫在眉睫。}}

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，用于将含有各种杂质的低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气制成高纯CO和H_{2<\/sub>，使其适用于下游羰基合成化工产品和发展加氢下游产品。}}

本实用新型所采用的技术方案是，一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，其特征在于包括依次设置的矿炉尾气预处理系统、净化系统、脱氧系统、变换及加氢系统、脱硫脱碳系统和CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统；}

所述预处理系统包括第一原料气压缩机和预处理单元；

净化系统包括第二原料气压缩机和净化塔；

脱氧系统包括脱氧炉；

变换及加氢系统包括依次相连的控温变换炉、加氢反应器、变换气冷却单元；

所述CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统包括依次相连的甲醇变温吸附塔、H_{2<\/sub>变压吸附塔、富CO压缩机、CO变压吸附塔、CO压缩机；}}

其中第一原料气压缩机、预处理单元、第二原料气压缩机、净化塔、脱氧炉、控温变换炉、加氢反应器、变换气冷却单元、脱硫脱碳系统、甲醇变温吸附塔、H_{2<\/sub>变压吸附塔、富CO压缩机、CO变压吸附塔、CO压缩机依次连接；}

其中甲醇变温吸附塔与脱硫脱碳系统连接，H_{2<\/sub>变压吸附塔与H_{2<\/sub>存储设备连接，CO压缩机与CO存储设备连接。}}

优选地，所述H_{2<\/sub>变压吸附塔还与第二原料气压缩机连接。}

优选地，所述CO变压吸附塔还与第一原料气压缩机连接。

优选地，所述控温变换炉装填变换催化剂，加氢反应器装有加氢催化剂。

优选地，所述控温变换炉包含移热段和绝热段，移热段设有移热管和外置汽包。

优选地，所述脱硫脱碳系统与硫回收单元连接，用于回收富H_{2<\/sub>S酸性气。}

优选地，所述脱硫脱碳系统与第一原料气压缩机连接，用于将脱硫脱碳系统得到的富H_{2<\/sub>S酸性气部分补回系统。}

优选地，所述脱硫脱碳系统包括依次连接的吸收单元、降压单元、氮气气提单元、热再生解吸单元。

优选地，所述预处理单元包括依次相连的脱焦油塔、脱萘塔、脱苯塔。

本实用新型的有益效果是，

(1)针对矿炉尾气低H_{2<\/sub>低S高CO的特点，设置了多种补氢方式，可以满足脱氧单元所需的最低H_{2<\/sub>\/O_2<\/sub>。}}

(2)脱硫脱碳采用的是低温甲醇洗技术，工艺能耗低，尤其适合大规模矿炉尾气的工业化应用，CO_{2<\/sub>尾气可进行进一步回收利用，富H_{2<\/sub>S酸性气中H_{2<\/sub>S含量高，可返回系统补硫，防止变换催化剂和脱氧催化剂反硫化。}}}

(3)经过矿炉尾气预处理、净化、脱氧、变换及加氢、脱硫脱碳等多种处理方式，保证出脱硫脱碳系统气体中杂质满足下游要求。

(4)变换采用控温变换炉的方式，变换催化剂为高压Co-Mo催化剂，载体为镁铝尖晶石，既解决了高压力下变换问题，又解决了高浓度CO变换超温情况，同时还可以满足下游变换深度要求。

通过本实用新型系统，能够对低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气的有效组分进行充分利用，实现节能减排的目的，尤其是大规模(≥20000Nm^{3<\/sup>\/h)低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气分离应用。净化后的CO和H_{2<\/sub>可以满足下游单元对原料气的要求，具有较高的经济附加值。}}}}

附图说明

图1是本实用新型一种低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气分离提纯CO与H_{2<\/sub>系统的结构示意图。}}

图2是预处理单元的结构示意图。

图3是脱硫脱碳系统的结构示意图。

图4是控温变换炉的结构示意图。

图中，第一原料气压缩机1，预处理单元2，第二原料气压缩机3，净化塔4，脱氧炉5，控温变换炉6，加氢反应器7，变换气冷却单元8，甲醇变温吸附塔9，H_{2<\/sub>变压吸附塔10，富CO压缩机11，CO变压吸附塔12，CO压缩机13，脱硫脱碳系统14，硫回收单元15。}

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

本实用新型一种低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统，如图1所示，包括依次设置的矿炉尾气预处理系统、净化系统、脱氧系统、变换及加氢系统、脱硫脱碳系统和CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统；}

预处理系统包括第一原料气压缩机1和预处理单元2，预处理单元2包括依次相连的脱焦油塔、脱萘塔、脱苯塔，如图2所示。预处理系统用于脱除矿炉尾气中含有的少量焦油、萘、苯；

净化系统包括第二原料气压缩机3和净化塔4；净化系统用于脱除矿炉尾气中的氯、氟；

脱氧系统为脱氧炉5；脱氧系统用于脱除矿炉尾气中的氧；

变换及加氢系统包括依次相连的控温变换炉6、加氢反应器7、变换气冷却单元8；变换及加氢系统用于将矿炉尾气中的部分CO与水蒸气反应变换生产H_{2<\/sub>和CO_{2<\/sub>，并将矿炉尾气中的有机硫转化为硫化氢，以及将不饱和烯烃转化为饱和烃；不同于现有的控温变换炉只设有移热段，控温变换炉6同时包含了移热段和绝热段，移热段设有移热管和外置汽包，绝热段没有设置移热管和外置汽包，如图4所示。}}

脱硫脱碳系统14包括依次连接的吸收单元、降压单元、氮气气提单元、热再生解吸单元，如图3所示。脱硫脱碳系统14用于脱除经变换后矿炉尾气中的二氧化碳、硫化氢、羰基硫。

第一原料气压缩机1、脱焦油塔、脱萘塔、脱苯塔、第二原料气压缩机3和净化塔4、脱氧炉5、控温变换炉6、加氢反应器7、变换气冷却单元8、脱硫脱碳系统14、CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统依次连接。}

CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统为变压吸附单元，包括依次相连的甲醇变温吸附塔9、H_{2<\/sub>变压吸附塔10、富CO压缩机11、CO变压吸附塔12、CO压缩机13，甲醇变温吸附塔9与脱硫脱碳系统14连接，H_{2<\/sub>变压吸附塔10与H_{2<\/sub>存储设备连接，CO压缩机13与CO存储设备连接。}}}}

H_{2<\/sub>变压吸附塔10还与第二原料气压缩机3连接。}

CO变压吸附塔12还与第一原料气压缩机1连接。

脱硫脱碳系统14与硫回收单元15连接，用于回收富H_{2<\/sub>S酸性气。}

脱硫脱碳系统14与第一原料气压缩机1连接，用于将脱硫脱碳系统14得到的富H_{2<\/sub>S酸性气部分补回系统。}

采用上述系统进行低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气分离提纯CO与H_{2<\/sub>的工艺具体为：}}

(1)预处理：将低H_{2<\/sub>低S高CO矿炉尾气经第一原料气压缩机1压缩至一定的压力，然后经过预处理单元2脱除矿炉尾气中含有的少量焦油、萘、苯等杂质；}

(2)净化：将预处理后的矿炉尾气经第二原料气压缩机3再次压缩至一定的压力，然后经过净化塔4脱除矿炉尾气中氯、氟等微量杂质。

(3)脱氧：将净化后矿炉尾气送入脱氧炉5脱除矿炉尾气中的氧，为保证脱氧净化程度，矿炉尾气中H_{2<\/sub>\/O_{2<\/sub>需要达到一定的比例，进脱氧炉的H_{2<\/sub>\/O_{2<\/sub>摩尔比>2。考虑到矿炉尾气中氢气含量较低，故设置了补氢措施，补氢气源来自步骤(6)中H_{2<\/sub>产品气和置换尾气。}}}}}

(4)变换及加氢：将脱氧后的矿炉尾气送入加氢反应器7及变换气冷却单元8，变换催化剂采用宽温耐硫变换催化剂(高压Co-Mo系宽温耐硫变换催化剂)，将部分CO与水蒸气反应变换生产H_{2<\/sub>和CO_{2<\/sub>，为避免宽温耐硫变换催化剂反硫化，需要设置补硫措施，补硫气源来自步骤(6)中富H_{2<\/sub>S酸性气；为避免高CO变换超温，变换采用控温变换炉6；加氢主要是将矿炉尾气中的有机硫转化为硫化氢，以及将不饱和烯烃转化为饱和烃。}}}

(5)脱硫脱碳：主要脱除变换矿炉尾气中的二氧化碳、硫化氢、羰基硫，其中脱除后的CO_{2<\/sub>尾气排至大气，富H_{2<\/sub>S酸性气一部分送至硫回收单元15，一部分返回至步骤(1)为步骤(4)补硫。}}

具体工艺过程为：来自变换及加氢系统的变换矿炉尾气，经过降温后进入吸收单元，根据低温时H_{2<\/sub>S和CO_{2<\/sub>在甲醇中的溶解度不同，依次吸收变换气中的硫和CO_{2<\/sub>，得到净化矿炉尾气，含硫富甲醇和无硫富甲醇经过降压单元、氮气气提单元、热再生解吸单元，最终得到闪蒸气、CO_{2<\/sub>尾气、富H_{2<\/sub>S酸性气，其中CO_{2<\/sub>尾气排至大气，富H_{2<\/sub>S酸性气一部分返回系统，一部分送至硫回收单元15，得到产品硫磺。}}}}}}}

(6)CO\/H_{2<\/sub>分离提纯：将脱硫脱碳后的矿炉尾气送入CO\/H_{2<\/sub>分离提纯系统，实现CO、H_{2<\/sub>和其他组成的分离，其中H_{2<\/sub>产品气一部分作为H_{2<\/sub>产品气送至界外，一部分为送至步骤(2)为步骤(3)补氢，置换尾气送至步骤(1)为步骤(3)补氢。}}}}}

具体工艺工程为：脱硫脱碳后的矿炉尾气经过甲醇变温吸附塔脱9除气体中所含的微量甲醇后进入H_{2<\/sub>变压吸附塔10，其中H_{2<\/sub>为非吸附相，其他气体为吸附相，未被吸附的H_{2<\/sub>一部分作为H_{2<\/sub>产品气送至界外，一部分返回步骤(2)第二原料气压缩机3入口为步骤(3)补氢，满足进脱氧炉5的H_{2<\/sub>\/O_{2<\/sub>；富含CO的吸附相经过解吸后送至富CO压缩机11，富CO气体经过富CO压缩机11压缩至一定的压力后进入CO变压吸附塔12，其中CO为吸附相，其他气体为非吸附相，CO变压吸附塔12内合格的CO通过抽真空方式排出CO变压吸附塔12，一部分CO作为CO产品气经CO压缩机13压缩后送入后工序，一部分CO用于置换CO变压吸附塔12内残存的杂质组分后作为置换尾气返回至步骤(1)第一原料气压缩机1入口为步骤(3)补氢；非吸附相则作为燃料气送出界外。}}}}}}

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

设计图

低氢气低硫高一氧化碳矿炉尾气分离提纯一氧化碳与氢气的系统论文和设计

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主设计要求

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