制氢系统和方法技术方案

本发明专利技术披露一种系统，该系统包括接收第一燃料蒸汽混合物和氧化剂的混合重整区，以提供包含氢气的第一重整产物流。该系统还包括接收第一重整产物流、第一部分蒸汽和第二燃料的至少一个蒸汽重整区，以产生包含氢气的第二重整产物流。第一重整产物流在进入蒸汽重整区之前与第一部分蒸汽和第二燃料混合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】制氬系统和方法
技术介绍
本专利技术涉及从不同的烃类燃料例如天然气、汽油、柴油和醇类(例如曱 醇和乙醇)制造氢气。目前，最具成本效益的制氢方法为燃料例如天然气的集中蒸汽重整(centralized steam reforming of fuels)。能源价格的上涨和对环境的担忧促使 对氢气作为能源的关注日益增加。已提出将氢气作为未来具有多种应用(包 括车辆和固定电源(stationary power)(电力))的清洁燃料。在合成氨厂、精炼和曱醇生产中消耗的商品氢气量最大。目前仅有一 小部分氢气用于能量用途。然而，氢气在能量市场中的份额正在随着燃料 电池的实用化和对低排放或无排放燃料需求的增长而增加。对于从天然气(NG)分散制氬(distributed hydrogen production)用于燃料 电池应用，研究了蒸汽曱烷重整(SMR)、自动热重整(ATR)(autothermal reforming)和催化部分氧化(CPO)( catalytic partial oxidation)。 SMR利用重整 催化剂例如Ni对NG进行转化并利用蒸汽合成气体(合成气)。常规ATR通 常包括催化剂以加速SMR和CPO反应。这些催化剂对于所述两种不同类 型的反应通常不是最佳的，因而没有达到最大效率。由于需要大的热交换 表面面积以向吸热的蒸汽曱烷重整反应提供热量，所以常规的SMR系统并不是紧凑型的。CPO(没有SMR催化剂)为紧凑型系统。然而，CPO产生的合成气具有 相对较低的氢气(H2)/—氧化碳(CO)比(约为2)，因而更适于费-托或曱醇合成 而不是制造纯氲。因此，需要通过有效集热而具有成本效益的紧凑型制氢系统。
技术实现思路
一方面，系统包括混合重整区，接收第一燃料蒸汽混合物和氧化剂， 以产生包含氢气的第 一 重整产物流(refomate stream)。该系统还包括至少一 个接收第一重整产物流、第一部分蒸汽和第二燃料的蒸汽重整区，以产生包含氢气的第二重整产物流。第一重整产物流在进入蒸汽重整区之前与第 一部分蒸汽和第二燃料混合。另一方面，含氢气流的制造方法包括在催化部分氧化区或ATR区部分氧化第一燃料和氧化剂，以产生包含氢气的第一重整产物流。该方法还包 括使第 一重整产物流与第二燃料和蒸汽混合以产生混合流，并在蒸汽重整 装置中对所述混合流进行蒸汽重整以产生包含氢气的第二重整产物流。另一方面，系统包括接收第一燃料与蒸汽和氧化剂的混合重整区， 以产生第一重整产物流；接收第一部分蒸汽和第二燃料的预重整装置，以 产生包含氢气的预重整流。该系统还包括第一重整区，以接收预重整蒸 汽并产生包含氢气的排放重整流；接收第一重整产物流和排放重整产物流 的第二重整区，以产生包含氢气的第二重整产物流。第一重整产物流在进 入第二蒸汽重整区之前与排放重整产物流混合。附图说明参考附图阅读下述详细说明时，将更好地理解本专利技术的这些和其它特 征、方面和优势，其中相同的标记始终表示相同的部分，其中图1示例示范性制氢系统；图2示例示范性紧凑型制氢系统；图3示例在反应器中逆向流动的另一示范性紧凑型制氢系统；图4示例在反应器中逆向流动的另一示范性紧凑型制氢系统；和图5示例具有预重整装置的另一示范性紧凑型制氢系统。具体实施例方式图1表示包括混合重整区16和至少一个蒸汽重整区18的示范性制氢 系统10。设置混合重整区16来接收第一燃料12和氧化剂34，以产生第一 重整产物流20。设置蒸汽重整区18来接收第一重整产物流20、第一部分 蒸汽46和第二燃料14,以产生富含氢气的第二重整产物流22。在一种实 施方案中，第一重整产物流20和蒸汽46混合形成混合流，将所述混合流 引入蒸汽重整区18。混合重整区16包括加速催化部分氧化反应的催化剂。 在一种实施方案中，混合重整区16同时加速催化部分氧化(CPO)和蒸汽重 整反应。设置混合重整区16来接收第二部分蒸汽48,以产生包含氢气的第一重整产物气流20。在一种实施方案中，第二部分蒸汽48与氧化剂34混 合形成混合流38，将所述混合流38引入混合重整区16。在一些实施方案 中，所述系统10还包括热交换区28。设置热交换区28,来接收第二重整 产物流22、氧化剂24和燃料26并加热氧化剂24和燃津牛26,以产生经加 热氧化剂流34和经加热燃料流36。在此过程中，冷却第二重整产物流22 以产生包含氢气的冷却重整产物流58。在一些实施方案中，热交换区28包 括燃料热交换器30和氧化剂热交换器32。设置燃料热交换器32来接收燃 料26并输出经加热燃料36。将经加热燃料36的第一部分12引入混合重整 区16并将经加热燃料36的第二部分14引入蒸汽重整区18。在另一些实施 方案中，在将经加热燃料36引入混合重整区16和蒸汽重整区18之前在压 缩器68中对其进行压缩。所述示范性系统IO还可包括变换反应区54。将来自热交换区28的冷 却第二重整产物流58送至变换反应区54,在此，在变换催化剂存在的条件 下将流58中的一氧化碳转化为二氧化碳和氢气，并产生富含氢气的第三重 整产物流60。变换催化剂可包括高温变换催化剂(HTS)或低温变换催化剂 (LTS)或HTS和LTS催化剂的组合。在净化系统62中对富含氢气的第三重 整产物气流60进行进一步处理，以产生富氢成品流64和废气66。在一种 实施方案中，将包括未转化的燃料、 一氧化碳、氢气和二氧化碳的废气66 送进蒸汽发生器40,所述蒸汽发生器40利用废气流66的热含量由水42生 成蒸汽44。经过适当的处理后将冷却废气70排放到大气中，或者使冷却废 气70燃烧，从而产生热量来满足任何其它过程的需要。在一些实施方案中， 蒸汽重整区18包括燃烧器(未在图1中示出)，所述燃烧器使来自氢气净化 装置62的废气66与氧化剂一起燃烧，来为蒸汽重整区18中的重整反应提 供热量。应当注意的是，在燃烧器中还可使用任何其它燃料，来为蒸汽重 整区18中的重整反应提供热量。运行中，图1所示示范性制氢系统IO采用以下构思利用催化部分氧 化产生的热量来增进蒸汽重整反应，该反应是吸热的并且需要外部热量输 入。使用于本申请混合重整区的催化剂应对极高的气时空速(GHSV)，例如 约72,000hr" 约7,200,000 hr人在一种实施方案中，CPO催化剂中的GHSV 为约250，000hr" 约3,000,000 hr-1。CPO催化剂上发生的主要反应如以下反应1-3所示CH4+l/202 = CO + 2H2(l) CH4 + 3/202 = CO + 2H20 (2) CH4 + 202 = C02 + 2H20 (3)混合重整区、蒸汽重整区和变换区中的催化剂的这种组合和最佳集成 显著降低了重整装置的大小和成本。回到图1,在混合重整区16中，使经加热氧化剂34与第一燃料12和 蒸汽48混合并在CPO催化剂上对所述混合流38进行处理。进行CPO反应 直到将混合蒸汽38中的氧气含量基本耗尽，并且通过放热CPO反应(l-3) 使温度升高。随后，利用放热CPO反应产生的热量，在混合重整区16中， 起动蒸汽重整反应。使混合重整区16在约700℃C 约1400℃运行，以实现 高的燃料转化并使H2产量最大化。常规的蒸汽重整过程需要本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种系统，其包括：混合重整区，其接收第一燃料蒸汽混合物和氧化剂，以产生包含氢气的第一重整产物流；和至少一个蒸汽重整区，其接收所述第一重整产物流、第一部分蒸汽和第二燃料，以产生包含氢气的第二重整产物流；其中在所述第一重整产物流进入所述至少一个蒸汽重整区之前使其与所述第一部分蒸汽和第二燃料混合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘科，帕拉格P库尔卡尼，格雷格A德卢加，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]