气态烃非催化部分氧化制合成气技术

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1、气态烃态烃 非催化部分氧化 制合成气技术术介绍内容一、技术背景二、技术创 新点三、工业应 用一、技术背景气态烃高效清洁利用是能源利用的核心技术气态烃（天然气、油田气、焦炉气、煤层气、页 岩气等）是重要的能源资源和化工原料。通过气 态烃的间接转化，将其转化为富含CO+H2的气体 ，用途广泛。气态烃高效清洁利用是能源利用的核心技术气态烃间 接转化制备合成气主要技术：1. 蒸汽转化: Kellogg等2. 自热转化: Topse等3. 非催化部分氧化: Shell, GE(Texaco)4. 催化部分氧化（研究阶段）5. CO2重整（研究阶段）SHELL PEARL GTL, QATAR (140,

2、000 bbl/d)气态烃高效清洁利用技术是企业核心竞争力非催化部分氧化技术上世纪90年代为国外技术垄断 美国GE公司（收购原德士古技术）6套 Shell公司2套 单套引进专利费及专有设备费约 1000万美元国内发展亟需相关技术 大型化肥企业原料路线调整“油改气” 大量煤层气、焦炉气需要利用 为页岩气利用提供技术基础 中国石化、中国石油海外油气资源开发 是“煤炭资源化利用发电技术协同创新中心” 重要的支撑方向序 号计划编号及计划名称计划类型资助金额 （万元）1中国石油兰州石化油改气工程 （20014012）中国石油800.02油改气联产 甲醇技改项目（气化 烧 嘴）（JF/0308-006-Z

3、S)中国海洋 石油40.03天然气非催化部分氧化新型烧嘴研 究开发（404045）中国石化200.04天然气制GTL合成气工艺包开发 （ 404088）中国石化150.05天然气制GTL合成气控制技术开 发制 （404089）中国石化7070.006富含甲烷气自热转 化制合成气转 化 炉(2006炉 (2006BAE02B02)A0202)国家支撑 计划70.0国家各类科技项目支持气态烃非催化部分氧化工艺流程SyngasHP SteamOxygenSteam/CO2 Washing gGaseous hydrocarbonwaterScrubbing towerWHBWaste waterRe

4、former废锅流程BFWOxygenSteam/CO2GaseousSyngasWashing waterScrubbingHydrocarbonReformertowerMixer激冷流程主要技术特点（1）用氧化反应内热进行烃类蒸汽转化反应，不需外部 加热，热效率高。（2）工艺流程和设备结 构简单，无需催化剂，不需在转 化前脱硫，不受催化剂温度和硫含量的限制。（3）合成气H2/CO约为2，适宜甲醇合成和FT合成油。（4）转化炉只需少量外加蒸汽保护烧嘴。（5）废锅方案热回收效率高，合成气侧热阻小，适宜于 不需变换的工况；激冷方案投资省，出界区合成气水蒸汽 含量高，适宜于需要变换的工况，如制氢

5、。（6）在处理能力、甲烷转化效率等方面具有很大的优势， 特别适合于大型化气化装置。二、技术创新点研究开发方法实验研究与建立数学模型和数值模拟相结合实验室研究与工业装置的运行分析相结合大型冷模实验 冷态流场 浓度分布 停留时间分布 数学模型1996年应用基础研究 2000年开始工程开发工程放大 工业装置从实验室结果一次成功 放大到大型工业装置热模实验 火焰结构 反应过程 总体研究思路气态烃非催化部分氧化平均温度1200以上，转化 过程属于快反应，传递过 程是其控制步骤，核心是 工艺烧嘴与炉体匹配形成的流场。创新点1创新点1：基于气化过程为传递 控制的原理，创新性 地提出了新型气态烃非催化部分氧化

6、工艺烧嘴。工程问题：烧嘴与耐火砖寿命短、甲烷转化率和有效气成分低理论基础：高温高压、湍流流动与复杂化学反应的相互作用，流动过程密切相关的传递（混合）过程是控制步骤技术关键：基于工艺烧嘴与炉体匹配的技术理念，优化气态 烃非催化部分氧化工艺烧嘴结构设计与流场调控。（专利：ZL 02151238.8，ZL02151143.8，ZL 200410025865.X；ZL 200420041534.0，ZL 200420041457.9，ZL 200920078278.5）创新点1提出了转化炉区域模型2 1回流区：既有二次反应，又因氧 气的湍流扩散，也会有燃烧反应 发生， 称为一、二次反应共存区。射流区：

7、以燃烧为主，为一次反 应区（燃烧区）。3 管流区：以二次反应为主，称为 二次反应区。1向速度u/m?s 轴焰长度/(mm) 火创新点1进行了系统的冷模实验、热模实验与数值模拟激流量计模型 气 化模型 喷嘴光 发 生 器分光器信号检测器镜头一镜头二处理器罗茨鼓风机水泵炉信号冷模实验 装置与流程沿轴向最大速度分布转化炉内速度等高线图 （喷嘴角度70度）热模实验 装置与流程氧气流量=1.00Nm3/h 氧气流量=0.75Nm3/h 氧气流量=0.50Nm3/h012010080604020012 345 轴向位置x/m020406080100035030025020015010050COG射流速度/

8、(m/s)冷态速度分布脱火高度与射流速度关系曲线转化炉温度分布等高线图创新点1气态烃 工艺烧 嘴形成了工艺烧嘴设计关键技术流道设置：使火焰形状收敛而不发散。结构设计：特殊材料及密 封结构使工艺烧嘴有足够 的高压、高温强度。冷却方式：特殊的喷嘴头 部冷却型式使工艺烧嘴满 足长周期稳定操作的要求。创新点2创新点2：基于工艺烧嘴与转化炉匹配的思想，优化了 炉内顶部空间流场，开发了新的拱顶隔热衬里型式。工程问题：转化炉拱顶超温，装置不能安稳长满优 运行理论基础：复杂射流流动及其对拱顶对流与辐射传热的影响技术关键：以“原料-喷嘴-炉体”合理匹配原理为基础，采用 新的砖结构型式，弱化了转化炉拱顶区域的热传

9、 导，达到降低转化炉顶部区域温度的效果。（专利：ZL 03262693.2）创新点2国外专利拱顶隔热衬里结构水冷夹套加厚拱 顶Shell转化炉拱顶采用 拱顶外加水冷夹套GE转化炉采用 加厚转化炉拱顶缺点：结构复杂、工程效果差创新点2 采用见火面刚玉砖和背层 砖凹凸错砌结构型式；本技术拱顶隔热衬里结构 有效地弱化了转化炉拱顶 区域的热传导 ，降低转化 炉颈部区域温度； 使转化炉温度的操作弹性 增大了 了100 00以上。创新点3创新点3：形成了具有自主知识产权 的气态烃非催化 部分氧化制合成气成套工艺技术工程难点：系统安全、稳定、长周期、满负荷、高效运行理论基础：单元操作、工艺过程模拟、复杂系统

10、控制技术关键：工艺过程优化、关键设备 工程放大、先进过程控制、 系统集成。（专利：ZL 03115819.6）关键设备 （烧嘴、转 化炉、火管锅炉）系统集成优化工艺成套技术先进控制创新点3创新点3工艺条件对气化过程影响100.0095.0090.0085.00转化炉出口温度80.0075.0070.00700800900100011001200130014000.1 0.5 2.0 6.0MPa MPa MPa MPa不同压力下CH4转化率随温度的变化转化炉出口温度随氧气天然气比的变化T/创新点3火管式废热锅 炉传热规 律研究单根火管各管段的性能参数vi/(m.s-1)To/Kpo/barag

11、/(W.K.m-2)K/(W.K.m-2)Dc/(kg.h-1)ABCDEFG32.2829.1625.0432.5930.5829.5727.601373.61026.2915.9712.7688.5640.7638.358.97858.92858.88958.67958.61658.44558.3971774163418502379264129842227506.4492.2508.9571.3577.6593.2543.51214.82028.2688.931236.8144.9284.314.1表明：垢阻在传热过 程中是主要热阻。当管径减小时， 管内的流速增加，管内气侧传热 系数增加。

12、三、工业应用应用情况已运行装置 中石油兰州石化30万吨合成氨装置“油改气”工程 中海油内蒙天野30万吨合成氨装置“油改气”工程在建装置 宁夏宝丰能源有限公司75000Nm3/h焦炉气转化项目应用证明 天然气非催化部分氧化制合成气装置 实现了装置的“安稳长满优 ”运行。 装置 年运转率在8000小时以上。 装置的性能与技术指标达到国际领先 水平。项目考核指标考核值33 天然气耗量（Nm/kNm(CO+H2)）400.0394.133 O2耗量（Nm/kNm(CO+H2)）264.2254.83 蒸汽耗量（kg/kNm(CO+H2)）35.032.0合成气有效气成分（(CO+H2)/vol%）95

13、95.77779595.919 13 吨氨原料天然气消耗（Nm/tNH3）818.0810.2合成氨日产量（t/天）10001019.4兰州石化天然气非催化转化装置技术性能指标2009年8月24日-27日，中国石油主要工艺指标和化学工业协会组织考核专家组对中国 石油兰州石化分公司天然气非催化部分 氧化制合成气装置进行现场72小时连 续运行考核。项目寿命烧嘴设计寿命3个月，实际使用寿 命 一般45个月，最长8个月。耐火砖 拱顶砖设计寿命8000小时，实际使 用 寿命超过35000小时。直段与下部砖设计寿命8000小时，实际使 用 寿命超过56000小时。兰州石化天然气非催化转化装置技术性能指标主

14、要设备寿命（中石油兰州石化装置）主要技术 性能与指标本技术美国 GE(Texaco)英荷壳牌 Shell喷嘴寿命（平均）5个月 （最长8个月）3个月3个月转化炉拱顶耐火砖使用寿命长拱顶经常超温结构复杂、造价高有效气成分（%）95.9192.8095.303 1000Nm有效气 天然气耗量 33 (Nm/Nm)394.1413.7428.03 1000Nm有效气 33 O2耗量(Nm/Nm)254.8277.8256.0天然气非催化转化技术与国内外同类技术比较对30万吨/年合成氨装置，与GE技术相比节约用.天然气1200万Nm3/年、氧气1400万Nm3/年。GE(Texaco) 数据来源于天然

15、气部分氧化制合成气的工业应 用 石油与天然气化工（2002， 31：114115） Shell数据来自于Shell Gasification Process（Uhde）总体技术水平评价项目鉴定意见转化炉烧嘴、拱顶隔热衬里 结构、流程集成与控制等方 面具有创新性，形成了具有 自主知识产权 的成套技术。 该技术可用于天然气、焦炉 气、煤层气、炼厂气等气态 烃制合成气。 该技术具有创新性，技术经 济指标国际领先。项目成果具有国内外新颖性科技查新结论工艺指标数值3 焦炉气Nm/h7.5万转化炉温度()1300转化炉压力(MPaG)3.60CO+H2(v%,干基)93.833 Nm焦炉气 3 /1kN/1kNm(CO( CO+HH2)8133 NmO2 3 /1kNm(CO+H2)187宁夏宝丰能源有限公司焦炉气转化项目2011年9月，华东理工大学与宁夏宝丰能源集团有限公司签订焦 炉气非催化部分氧化装置工艺包设计合同。目前软件包已编制完 成，长周期设备已完成招标。装置将于2013年建成投产。谢谢！