本发明专利技术涉及一种处理方法和设备，其提高了小规模氢生产的氢生成效率。根据一个方面，该处理方法提供与反应阶段热集成的热交换器，使得通过放热反应——燃烧和水气变换——生成的热量紧接着到达吸热反应，以使热损失最小化，热回收利用最大化，该吸热反应为蒸汽重整和热沉源，该热沉源为冷的天然气、水和空气。这种热集成处理方法可以有效地避免使用过多的管路，减少了最初的资本成本。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及氢生成的处理方法，以及一设备，该设备具有催化燃烧器、重整反应器和水气变换反应器(water gas shift reactor)，它们集成在一单独容器(vessel)装配组件中。
技术介绍
氢被认为是用于运输和发电的可选燃料。然而，由于氢具有较低的体密度，这使得它的存储和运输变得很困难而且成本较高。因而，工业上存在着对有效率、小规模的现场氢生成的需要。可以通过许多种方式生成氢。大精炼厂规模所选择的氢生成技术是甲烷(天然气)的蒸汽重整，随后进行水气变换反应。在蒸汽(steam)重整中，甲烷和氢起反应生成一重整物(reformate)，该重整物包括一氧化碳和氢。然后，在接下来的水气变换反应中，一氧化碳和水起反应生成二氧化碳和Μ,ο这是一种成熟的技术，并且是由天然气生成氢、用于实现小规模分布式的氢生产的较节省成本的方法之一。然而，当用于生成运输燃料时，与每加仑以美元计算的汽油相比，这种分布式的氢生产在价格上不具有竞争力。为了使通过蒸汽甲烷重整的这种分布式的氢生成技术更实用并且在价格上更有竞争力，必须提高氢的生成效率。小规模蒸汽甲烷重整的低效率的主要原因是热损失。当这种处理方法从大的精炼工厂的氢生产能力(> 100000千克/天)缩减到每天仅进行几百千克数量级或更少的生产规模时，热损失大大增加。这种小规模生产所增加的热损失直接导致生产效率降低，生产费用升高，并最终导致氢的价格更高。通过重新设计热交换器、修改催化剂配方设计和改进热量管理方式，生产效率问题已经在一定程度上得到了解决。例如，本领域所共知的在反应器容器(催化燃烧器、重整反应器和水气变换反应器)内嵌入冷却旋管和其它的热交换器，以便引导热量从反应器流出到外部的热交换器、反应器或温度控制系统。这种方法通常需要大量的管路、一独立的热交换流体以及主动流动控制。还已知的是通过燃烧或氧化来自净化阶段或在催化燃烧器中的燃料电池的废气(waste gas)，另外回收未使用的热量。然而，这些特征通常也要采用独立的反应器容器、大量的管路和控制。此外，由于复杂的主动控制系统导致的热损失和附加损失，这些系统的热回收和效率通常不能达到最大。此外，建造一小规模蒸汽甲烷重整装备的最初资本设备成本都投入到了不具有竞争力的处理方法中。而且，由于它们需要精密的平衡用于主动控制和过程参数监测的工厂组分件，这些设计通常不能以较低的成本制造。因而，这些改进还不足以先进到可以使该技术在商业上可用。
技术实现思路
本专利技术实现了提供一种提高氢生成效率的处理方法和设备的目的。根据本专利技术的一方面，该处理方法和设备使用热交换器，所述热交换器热集成到反应阶段，使得通过放热反应——例如为燃烧和水气变换——生成的热量被紧接着安排到吸热反应，以使热损失最小化，热回收利用最大化，其中，所述吸热反应例如为蒸汽重整 (steam reformation)和热沉源(heat sinks)，所述热沉源例如为冷的甲烷、水和空气。这种热集成可以有效地避免使用过多的管路，减少了最初的资本成本和生产费用，实现了嵌入式的主动温度控制，并提高了氢的生成效率。根据本专利技术的另一方面，该过程是热中性的，使得不再为了达到较高的重整效率和转换而需要补充燃料例如甲烷。这直接导致生产费用的降低。根据本专利技术的又一方面，热交换器的表面区域和流动结构设计为使得它们可以用作热回收/预热、和处理流(process streams)的被动温度控制的双重目的。例如，热交换器可以使用来自被加热的重整物的热量对用于重整反应器的蒸汽和天然气供给进行预热， 直到产生水气变换反应器最适宜的入口重整温度。而且，热交换器能够将重整物冷却到一预期的压力摆动吸附单元(pressure swing adsorption unit)的运行温度，并且使用该热量将水转化成饱和水蒸汽和/或预热燃烧反应物(combustion reactant)例如空气。这种热回收/被动温度控制技术不仅简化和增加了处理方法控制的稳妥性，而且还省略了控制阀和遍及整个设备的各种其它活动件，同时还不需要外部冷却。因而，根据本专利技术的一方面，处理方法唯一的主动控制参数是设定和调节到达燃烧器的空气流(air flow)和到达重整反应器的天然气和水流。这种独特的处理方法流程设计明显降低了系统的资本成本。根据本专利技术的另一方面，在一单独的容器中采用环形设计使得燃烧器和重整反应器可以在两种不同的压力状态下运行，同时不会增加热损失。在本专利技术的又一方面中，通过将热生成的燃烧反应与吸热蒸汽重整反应直接耦合，两种反应之间的热传递得以平衡，热回收利用最大化，简化了蒸汽重整温度的控制，而且设备具有更少的部件和连接管路。根据本专利技术的另一方面，在该处理方法和设备中至少使用三步热传递。首先是为了用来自转化后的重整物的热量对空气和/或燃烧原料气进行预热的第一热传递。第二热传递是用来自从燃烧器排出的排出物(exhaust)和未转化的重整物的热量直接对水和任选地含甲烷的气体加热。第三热传递通过将热量传递到一重整反应物来产生一冷却的未转化的重整物。用于在燃料处理器装配组件中制备氢的处理方法，包括(a)用一转化的重整物对空气进行预热，以形成预热的空气和冷却的转化重整物；(b)在催化燃烧器中燃烧所述预热的空气和一燃烧原料气，以形成废气；(c)用催化燃烧器的排出物对水加热，以形成加热的水；(d)用一未转化的重整物对一含甲烷的气体和所述加热的水进行加热，以形成蒸汽、一加热的含甲烷的气体和一冷却的未转化重整物；(e)在一重整反应器中对所述蒸汽和所述加热的含甲烷气体进行重整，以形成所述未转化的重整物；(f)根据水气转化反应使所述冷却的未转化重整物在一水气转化反应器中起反应，以形成所述转化的重整物。用于生成氢的设备，其包括环形配置，该环形配置包括一环状件，其包括一燃烧器；一中间环状件，其包括一重整反应器；和一水气变换反应器，其从该中间环状件径向向内布置。附图说明图1是本专利技术一实施例的示意性处理方法流程图；图2是本专利技术一实施例的环形设计的二维示意图；图3是根据本专利技术一实施例的一容器设计的示意性视图；图4是根据本专利技术一实施例的一容器设计的示意性视图；图5是根据本专利技术一实施例设计的容器的示意图。具体实施例方式本专利技术的实施例提供了一种通过甲烷的蒸汽重整以生成氢的处理方法和设备。该重整反应与一催化燃烧和水气变换反应是热集成的，从而提高热效率和氢的生成。在本专利技术的氢生成处理方法中，甲烷被转换成氢。该处理方法包括两个主要的反应，蒸汽重整和水气变换，以由甲烷和水生成氢。此处所使用的术语“水”通常包括液态水、液态水和蒸汽的组合、以及蒸汽。蒸汽甲烷重整(“SMR”)包括一需要57kW热量的吸热反应，并且根据下面的方程式进行处理CH4+H20 — C0+3H2SMR产品的水气变换反应包括一产生热量的放热反应，并且根据下面的方程式继续CCHH2O — C02+H2一旦在蒸汽重整和水气变换阶段中对氢进行转换后，可以将该处理气体传送到任意合适的氢净化单元。设置在燃料处理器下游的一净化单元接收一重整物流，并通过除去其中的杂质生成富含氢的重整物流。使用多种技术可以将重整物中的氢与杂质分离。例如， 通过使含有氢的流在压力下通过一吸附材料的塔或床进行可选择的吸收，许多净化处本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：柯蒂斯·L·克劳斯，K·H·源，B·巴拉苏布拉马尼安，刘运权，J·瓦伦萨，M·J·赖因克，M·G·沃斯，T·M·班德豪尔，
申请(专利权)人：德士古发展公司，穆丹制造公司，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。