專利名稱:用于熱集成氫生成系統(tǒng)的處理方法和設備的制作方法
技術(shù)領域:
本發(fā)明涉及氫生成的處理方法,以及一設備,該設備具有催化燃燒器、重整反應器和水氣變換反應器(water gas shift reactor),它們集成在一單獨容器(vessel)裝配組件中。
背景技術(shù):
氫被認為是用于運輸和發(fā)電的可選燃料。然而,由于氫具有較低的體密度,這使得它的存儲和運輸變得很困難而且成本較高。因而,工業(yè)上存在著對有效率、小規(guī)模的現(xiàn)場氫生成的需要。可以通過許多種方式生成氫。大精煉廠規(guī)模所選擇的氫生成技術(shù)是甲烷(天然氣)的蒸汽重整,隨后進行水氣變換反應。在蒸汽(steam)重整中,甲烷和氫起反應生成一重整物(reformate),該重整物包括一氧化碳和氫。然后,在接下來的水氣變換反應中,一氧化碳和水起反應生成二氧化碳和
Μ,ο這是一種成熟的技術(shù),并且是由天然氣生成氫、用于實現(xiàn)小規(guī)模分布式的氫生產(chǎn)的較節(jié)省成本的方法之一。然而,當用于生成運輸燃料時,與每加侖以美元計算的汽油相比,這種分布式的氫生產(chǎn)在價格上不具有競爭力。為了使通過蒸汽甲烷重整的這種分布式的氫生成技術(shù)更實用并且在價格上更有競爭力,必須提高氫的生成效率。小規(guī)模蒸汽甲烷重整的低效率的主要原因是熱損失。當這種處理方法從大的精煉工廠的氫生產(chǎn)能力(> 100000千克/天)縮減到每天僅進行幾百千克數(shù)量級或更少的生產(chǎn)規(guī)模時,熱損失大大增加。這種小規(guī)模生產(chǎn)所增加的熱損失直接導致生產(chǎn)效率降低,生產(chǎn)費用升高,并最終導致氫的價格更高。通過重新設計熱交換器、修改催化劑配方設計和改進熱量管理方式,生產(chǎn)效率問題已經(jīng)在一定程度上得到了解決。例如,本領域所共知的在反應器容器(催化燃燒器、重整反應器和水氣變換反應器)內(nèi)嵌入冷卻旋管和其它的熱交換器,以便引導熱量從反應器流出到外部的熱交換器、反應器或溫度控制系統(tǒng)。這種方法通常需要大量的管路、一獨立的熱交換流體以及主動流動控制。還已知的是通過燃燒或氧化來自凈化階段或在催化燃燒器中的燃料電池的廢氣(waste gas),另外回收未使用的熱量。然而,這些特征通常也要采用獨立的反應器容器、大量的管路和控制。此外,由于復雜的主動控制系統(tǒng)導致的熱損失和附加損失,這些系統(tǒng)的熱回收和效率通常不能達到最大。此外,建造一小規(guī)模蒸汽甲烷重整裝備的最初資本設備成本都投入到了不具有競爭力的處理方法中。而且,由于它們需要精密的平衡用于主動控制和過程參數(shù)監(jiān)測的工廠組分件,這些設計通常不能以較低的成本制造。因而,這些改進還不足以先進到可以使該技術(shù)在商業(yè)上可用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明實現(xiàn)了提供一種提高氫生成效率的處理方法和設備的目的。根據(jù)本發(fā)明的一方面,該處理方法和設備使用熱交換器,所述熱交換器熱集成到反應階段,使得通過放熱反應——例如為燃燒和水氣變換——生成的熱量被緊接著安排到吸熱反應,以使熱損失最小化,熱回收利用最大化,其中,所述吸熱反應例如為蒸汽重整 (steam reformation)和熱沉源(heat sinks),所述熱沉源例如為冷的甲烷、水和空氣。這種熱集成可以有效地避免使用過多的管路,減少了最初的資本成本和生產(chǎn)費用,實現(xiàn)了嵌入式的主動溫度控制,并提高了氫的生成效率。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,該過程是熱中性的,使得不再為了達到較高的重整效率和轉(zhuǎn)換而需要補充燃料例如甲烷。這直接導致生產(chǎn)費用的降低。根據(jù)本發(fā)明的又一方面,熱交換器的表面區(qū)域和流動結(jié)構(gòu)設計為使得它們可以用作熱回收/預熱、和處理流(process streams)的被動溫度控制的雙重目的。例如,熱交換器可以使用來自被加熱的重整物的熱量對用于重整反應器的蒸汽和天然氣供給進行預熱, 直到產(chǎn)生水氣變換反應器最適宜的入口重整溫度。而且,熱交換器能夠?qū)⒅卣锢鋮s到一預期的壓力擺動吸附單元(pressure swing adsorption unit)的運行溫度,并且使用該熱量將水轉(zhuǎn)化成飽和水蒸汽和/或預熱燃燒反應物(combustion reactant)例如空氣。這種熱回收/被動溫度控制技術(shù)不僅簡化和增加了處理方法控制的穩(wěn)妥性,而且還省略了控制閥和遍及整個設備的各種其它活動件,同時還不需要外部冷卻。因而,根據(jù)本發(fā)明的一方面,處理方法唯一的主動控制參數(shù)是設定和調(diào)節(jié)到達燃燒器的空氣流(air flow)和到達重整反應器的天然氣和水流。這種獨特的處理方法流程設計明顯降低了系統(tǒng)的資本成本。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,在一單獨的容器中采用環(huán)形設計使得燃燒器和重整反應器可以在兩種不同的壓力狀態(tài)下運行,同時不會增加熱損失。在本發(fā)明的又一方面中,通過將熱生成的燃燒反應與吸熱蒸汽重整反應直接耦合,兩種反應之間的熱傳遞得以平衡,熱回收利用最大化,簡化了蒸汽重整溫度的控制,而且設備具有更少的部件和連接管路。根據(jù)本發(fā)明的另一方面,在該處理方法和設備中至少使用三步熱傳遞。首先是為了用來自轉(zhuǎn)化后的重整物的熱量對空氣和/或燃燒原料氣進行預熱的第一熱傳遞。第二熱傳遞是用來自從燃燒器排出的排出物(exhaust)和未轉(zhuǎn)化的重整物的熱量直接對水和任選地含甲烷的氣體加熱。第三熱傳遞通過將熱量傳遞到一重整反應物來產(chǎn)生一冷卻的未轉(zhuǎn)化的重整物。用于在燃料處理器裝配組件中制備氫的處理方法,包括(a)用一轉(zhuǎn)化的重整物對空氣進行預熱,以形成預熱的空氣和冷卻的轉(zhuǎn)化重整物;(b)在催化燃燒器中燃燒所述預熱的空氣和一燃燒原料氣,以形成廢氣;(c)用催化燃燒器的排出物對水加熱,以形成加熱的水;(d)用一未轉(zhuǎn)化的重整物對一含甲烷的氣體和所述加熱的水進行加熱,以形成蒸汽、一加熱的含甲烷的氣體和一冷卻的未轉(zhuǎn)化重整物;(e)在一重整反應器中對所述蒸汽和所述加熱的含甲烷氣體進行重整,以形成所述未轉(zhuǎn)化的重整物;(f)根據(jù)水氣轉(zhuǎn)化反應使所述冷卻的未轉(zhuǎn)化重整物在一水氣轉(zhuǎn)化反應器中起反應,以形成所述轉(zhuǎn)化的重整物。用于生成氫的設備,其包括環(huán)形配置,該環(huán)形配置包括一環(huán)狀件,其包括一燃燒器;一中間環(huán)狀件,其包括一重整反應器;和一水氣變換反應器,其從該中間環(huán)狀件徑向向內(nèi)布置。
圖1是本發(fā)明一實施例的示意性處理方法流程圖;圖2是本發(fā)明一實施例的環(huán)形設計的二維示意圖;圖3是根據(jù)本發(fā)明一實施例的一容器設計的示意性視圖;圖4是根據(jù)本發(fā)明一實施例的一容器設計的示意性視圖;圖5是根據(jù)本發(fā)明一實施例設計的容器的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明的實施例提供了一種通過甲烷的蒸汽重整以生成氫的處理方法和設備。該重整反應與一催化燃燒和水氣變換反應是熱集成的,從而提高熱效率和氫的生成。在本發(fā)明的氫生成處理方法中,甲烷被轉(zhuǎn)換成氫。該處理方法包括兩個主要的反應,蒸汽重整和水氣變換,以由甲烷和水生成氫。此處所使用的術(shù)語“水”通常包括液態(tài)水、液態(tài)水和蒸汽的組合、以及蒸汽。蒸汽甲烷重整(“SMR”)包括一需要57kW熱量的吸熱反應,并且根據(jù)下面的方程式進行處理CH4+H20 — C0+3H2SMR產(chǎn)品的水氣變換反應包括一產(chǎn)生熱量的放熱反應,并且根據(jù)下面的方程式繼續(xù)CCHH2O — C02+H2一旦在蒸汽重整和水氣變換階段中對氫進行轉(zhuǎn)換后,可以將該處理氣體傳送到任意合適的氫凈化單元。設置在燃料處理器下游的一凈化單元接收一重整物流,并通過除去其中的雜質(zhì)生成富含氫的重整物流。使用多種技術(shù)可以將重整物中的氫與雜質(zhì)分離。例如, 通過使含有氫的流在壓力下通過一吸附材料的塔或床進行可選擇的吸收,許多凈化處理方法可將氫與雜質(zhì)分離。選擇性的吸收能利用吸收氫并允許貧氫的流(hydrogen-cbpleted stream)通過的吸收性的材料實現(xiàn),或者利用吸收雜質(zhì)并允許富含氫的流通過的材料實現(xiàn)。 無論在那種情況中,特別優(yōu)選地,該吸附材料能夠通過技術(shù)例如壓力擺動(swing)、溫度擺動和類似的方式而再生。在一些實施例中,凈化在一壓力擺動吸收(“PSA”)單元中進行,該單元具有吸收性材料,可選擇地吸收雜質(zhì)并允許一富含氫的重整物通過。在PSA單元中,處理氣體 (process gas)中的副產(chǎn)品(CO和CO2)和未轉(zhuǎn)換的CH4被選擇性地吸收,同時允許氫通過。 當PSA單元已達到對副產(chǎn)品的飽和時,可在一壓力下使用技術(shù)和少量的氫實現(xiàn)它的再生。 在再生循環(huán)期間離開PSA單元中的C0、C02、CH4和氫的混合物通常稱為尾氣(off-gas)??蓪ξ矚庵械娜剂线M行燃燒以生成熱量,可使用該熱量對用于蒸汽重整反應的反應物流進行預熱。
合適的PSA單元包括那些本領域已知的用于將氫從處理流中分離的裝置,例如在 Perry于1980年12月9日公開的美國專利No. 4238204中;Doshi于1987年9月1日公開的美國專利No. 4690695中;Kai等人于1993年10月沈日公開的美國專利No. 5256174 中;Anand等人于1995年7月25日公開的美國專利No. 5435836中;Couche于1997年9 月23日公開的美國專利No. 5669960中;Sircar等人于1998年5月19日公開的美國專利No. 5753010中;以及Hill于2002年10月四日公開的美國專利No. 6471744中說明的裝置,這些說明包含在此作為參考。在一些實施例中,凈化單元將包括緊湊型PSA。合適的緊湊型PSA可包括一旋轉(zhuǎn)式PSA,例如在Keefer等人于2000年5月16日公開的美國專利 No. 6063161中和Connor等人于2002年6月18日公開的美國專利No. 6406523中說明的, 這些說明書包含在此作為參考。具有旋轉(zhuǎn)元件的緊湊型PSA可從加拿大伯納比的Questair 科技有限公司購買。本發(fā)明的一實施例是一種用于在燃料處理器裝配組件中制備氫的處理方法,該燃料處理器裝配組件包括一重整反應器、一水氣變換反應器、一催化燃燒器和用于熱回收的相關(guān)熱交換器。這種集成處理方法適合與一壓力擺動吸收單元連接。該處理方法流程在圖 1中示出。如圖1中所示,空氣1通過吹風機6供給到催化燃燒器20。使用離開一水氣變換反應器22中的轉(zhuǎn)化的重整物5在熱交換器13中對該空氣進行預熱。優(yōu)選地,起初在環(huán)境條件下的空氣1通過熱交換器13預熱到大約300°C,并通過吹風機6以一至少大約1磅/平方英寸的壓力供給。特別優(yōu)選地,空氣1在大約3磅/平方英寸的壓力下預熱到大約350°C。在本發(fā)明的一實施例中,吹風機6可包括任意合適的吹風機,但是優(yōu)選能夠在至少1磅/平方英寸的壓力下供給大約1800千克/天的空氣的吹風機。在本發(fā)明的一實施例中,合適的熱交換器可包括但不局限于螺管式、翼片式、殼管式、板環(huán)型的熱交換器。一合適的環(huán)形熱交換器的具體說明可參考Debellis等人于2003 年3月6日公開的US2003/0044331A1,其說明書包含在此作為參考。預熱的空氣和燃燒原料氣4被傳送到催化燃燒器20,并且可在傳送到催化燃燒器 20之前混合。該燃燒原料氣4可包括任何合適的燃燒反應物,包括氫凈化處理方法的副產(chǎn)品。例如包括薄膜分離的滲透物或非滲透物或一來自PSA單元的尾氣。優(yōu)選地,燃燒原料氣4是來自一 PSA單元的尾氣。通常來自PSA單元的尾氣含有處于大約1-2磅/平方英寸的壓力范圍、50-75 0C的溫度范圍的CH4、H2、⑶成分。在催化燃燒器20中,預熱空氣和燃燒原料氣4通過氧化物催化劑進行燃燒以形成排出氣體(exhaust gas) 9。優(yōu)選地,排出氣體9的溫度為至少大約760°C,更優(yōu)選地,該溫度至少約為800°C。合適的催化燃燒器可包括但不局限于涂覆催化劑的金屬燃燒器,涂覆催化劑的陶瓷燃燒器,和填充床成顆粒狀的燃燒器。水2通過泵7供給到重整反應器21。使用從熱交換器13中出來的轉(zhuǎn)化的重整物 5在熱交換器14中對水進行預熱。優(yōu)選地,最初水2處于環(huán)境條件下,通過熱交換器14預熱到大約85°C并通過泵7以大約120磅/平方英寸的壓力供給。更優(yōu)選地,水2通過熱交換器14進行預熱,使得水2在大約120磅/平方英寸的壓力下變成飽和蒸汽。泵7可包括任何合適的泵,特別是能夠在至少100磅/平方英寸的壓力下供給大約520千克/天的水。優(yōu)選地,熱交換器14的尺寸被設置為使得從所述設備中出來的轉(zhuǎn)化的重整物處于PSA單元或其它合適的凈化單元所適宜的溫度。然后優(yōu)選地以飽和蒸汽的形式從熱交換器14中出來的預熱的水通過熱交換器 10。在熱交換器10中,通過從催化燃燒器20中排出的燃燒排出物9對該預熱的水進行加熱。離開熱交換器10中的預熱的水在大約120磅/平方英寸(psig)的壓力下處于過熱蒸汽的形式。含甲烷的氣體3通過壓縮機8供給到重整反應器21。該含有甲烷的氣體在熱交換器11中通過從熱交換器10中出來的排出物9預熱。最初含有甲烷的氣體3處于環(huán)境條件下,然后在壓縮機8中壓縮到大約120磅/平方英寸。通過對其的壓縮,該含甲烷的氣體被稍稍加熱,之后在熱交換器U中加熱到至少大約200°C。優(yōu)選地,以任何合適的天然氣的形式提供該含甲烷的氣體3。壓縮機8可以是任意合適的壓縮機,優(yōu)選地是能夠在大約120磅/平方英寸的壓力下供給到150千克/天的甲烷的壓縮機。接下來,將優(yōu)選地處于過熱蒸汽形式的加熱的水和預熱的含甲烷的氣體混合,以形成一重整反應器的原料氣。該重整反應器原料氣在熱交換器12中通過從重整反應器21 中出來的未轉(zhuǎn)化的重整物預熱。優(yōu)選地,該重整反應器的原料氣處于至少大約700°C的期望蒸汽重整溫度和大約120磅/平方英寸的壓力狀態(tài)下。特別優(yōu)選地,重整反應器的原料氣處于至少大約740°C和更優(yōu)選地大約770°C的溫度。熱交換器12的體積和結(jié)構(gòu)設置為可提供一預期的蒸汽重整原料氣的溫度,同時冷卻所述來自重整反應器21的未轉(zhuǎn)化的重整物,使其達到一適合于反應器22內(nèi)水氣變換催化劑的溫度。然后重整反應器原料氣經(jīng)歷根據(jù)下列方程式的一蒸汽重整反應CH4+H20 — C0+3H2在本發(fā)明的一實施例中,合適的重整反應器可包括任何適合的具有一蒸汽重整催化劑的反應器容器。在一些實施例中,重整反應器包括一環(huán)形形狀的反應器,其從催化燃燒器20相鄰地徑向向內(nèi)布置。在這樣的一實施例中,來自催化燃燒器的熱量可用于加熱該重整反應器。來自重整反應器21的未轉(zhuǎn)化的重整物通過熱交換器12,以便為重整反應器原料氣提供熱量,并冷卻所述未轉(zhuǎn)化的重整物,使其達到一適合于在水氣變換反應器22中進行水氣變換反應的溫度。然后該未轉(zhuǎn)化的重整物經(jīng)歷根據(jù)下列的方程式的一水氣變換反應CCHH2O — C02+H2合適的水氣變換反應器可包括但不局限于涂覆催化劑的金屬反應器、涂覆催化劑的陶瓷反應器和填充床成顆粒狀的反應器。如前所述,離開水氣變換反應器22中的轉(zhuǎn)化的重整物通過熱交換器13,以便對空氣1預熱。然后轉(zhuǎn)換的重整物離開熱交換器13中,并在熱交換器14中對水2預熱。優(yōu)選地,離開熱交換器14中的轉(zhuǎn)化的重整物處在這樣的溫度,該溫度適合于作為設置在熱交換器14下游的PSA或另一合適的凈化單元的供給物使用。
在本發(fā)明的另一實施例中,提供了一種用于實踐本發(fā)明處理方法的實施例的元件的特殊設計。該設計將一催化燃燒器、一重整反應器和一水氣變換反應器集成在一環(huán)形配置中,優(yōu)選地在一圓柱形容器中。這種設備設計的二維剖視圖在圖2中示出。參照圖2,該設計包括絕熱層201,202。外絕熱層201可應用到容器壁的外部或內(nèi)部。該絕熱層覆蓋了容納一催化燃燒器的外環(huán)狀區(qū)域203。優(yōu)選地,燃燒器包括熱交換器形式的、涂有燃燒催化劑的翼片。合適的氧化物催化劑包括在氧化鋁涂層(alumina wash) 上的貴重金屬,該貴重金屬例如鉬、鈀、銠和/或釕,所述氧化鋁涂層承載在整塊石料、壓出型材、芯塊或其它載體上。也可使用非貴重金屬例如鎳或鈷。其它涂層例如氧化鈦、氧化鋯、硅石和氧化鎂也已在參照文獻中列出。許多另外的材料例如鑭、鈰和鉀已經(jīng)在參照文獻中列出作為提高氧化物催化劑性能的“助催化劑”。在一實施例中,碳氫化合物燃料是天然氣,合適的催化劑包括鈀氧化物,所述鈀氧化物分散地涂在一載體材料上,所述載體材料包括相對惰性的耐火(refractory)無機氧化物,例如氧化鋁,其可選地浸漬有穩(wěn)定劑、助催化劑(promoter)或其它添加劑。移到中間,下一環(huán)狀區(qū)域204容納一包括蒸汽重整催化劑的重整反應器。優(yōu)選地, 重整反應器包含涂有該蒸汽重整催化劑的翼片。重整催化劑可是任意的形式,包括顆粒狀、 球狀、擠出型體、整塊料以及普通的微粒和團聚物。傳統(tǒng)的蒸汽重整催化劑是本領域所共知的,可包括具有一定量鈷或一貴重金屬的鎳,所述貴重金屬例如為鉬、鈀、銠、釕和/或銥。 催化劑可以被支承在例如單獨的氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁酸鎂上、或其組合上??蛇x地,蒸汽重整催化劑可以包括鎳,其優(yōu)選地支承在單獨的氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁酸鎂上、或其組合上,通過一種堿金屬例如鉀起助催化的作用。此處的重整反應優(yōu)選為蒸汽重整反應,重整催化劑優(yōu)選包括在氧化鋁載體上的銠。合適的重整催化劑可從例如 Cabot Superior Micropowders LLC (Albuquerque,新墨西哥)公司禾口 Engelhard 公司(伊澤林,新澤西)購買。部區(qū)205容納一水氣變換反應器,所述水氣變換反應器包括水氣變換催化劑。優(yōu)選地,該水氣變換反應器是按一水氣變換催化劑的形式位于一整體結(jié)構(gòu)上,該整體結(jié)構(gòu)通過一絕熱層201從重整反應器的環(huán)狀區(qū)域204絕熱開。水氣變換催化劑可以設置在該催化劑床內(nèi),以將蒸汽和一氧化碳轉(zhuǎn)化成氫和二氧化碳。如上所述,由于一氧化碳除了對人類有很強的毒性外,還對許多燃料電池催化劑有毒性作用,所以在催化劑床內(nèi)提供水氣變換反應器是很有益的。在富含氫的重整物中一氧化碳的最大量應當是燃料電池可以承受的量, 通常低于大約百萬分之五十。此外,對于更高純度的重整物流具有更高的要求,其一氧化碳濃度低于大約百萬分之二十五,優(yōu)選低于大約百萬分之十五,更優(yōu)選低于百萬分之十,進一步更優(yōu)選低于大約百萬分之五。在一優(yōu)選實施例中,允許未轉(zhuǎn)化的重整物在部區(qū)205之內(nèi)隔熱地起反應,無需任何外部冷卻。此處使用的“外部冷卻,,是指用于將熱量從設備內(nèi)的一種成分或反應器傳遞到設備外的某一位置的冷卻裝置。根據(jù)所使用的催化劑,水氣變換反應通常在從大約150°C到大約600°C的溫度發(fā)生。低溫轉(zhuǎn)化催化劑在從大約150°C到大約300°C的范圍內(nèi)起作用,并且該低溫轉(zhuǎn)化催化劑例如包括氧化銅;或支承在其它過渡金屬氧化物例如氧化鋯上的銅;支承在過渡金屬氧化物或耐火載體例如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等上的鋅;或一種貴重金屬例如鉬、錸、鈀、 銠;或支承在一合適的載體例如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯和類似物上的金。高溫轉(zhuǎn)化催化CN 102408097 A
說明書
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劑優(yōu)選在從大約300°C到大約600°C的溫度范圍內(nèi)起作用,并可包括過渡金屬氧化物例如三氧化二鐵或三氧化二鉻,并且可任選地包括一種助催化劑例如銅或鐵硅化合物。合適的高溫轉(zhuǎn)化催化劑還包括被支承的貴重金屬例如被支承的鉬、鈀和/或其它鉬族金屬。合適的水氣變換催化劑可從例如(3abot Superior Micropowders LLC (Albuquerque,新墨西哥) 公司和Engelhard公司(伊澤林,新澤西)購買。如在圖2中示意性示出的那樣,環(huán)形容器的一優(yōu)選處理方法流程是使得重整反應器的處理方法流程與燃燒器處理方法流程相反。在一些實施例中,水氣變換處理方法流程也與燃燒器處理方法流程相反。還可包括實現(xiàn)未轉(zhuǎn)化重整物回流到水氣變換反應器(圖中未示)入口的環(huán)狀件。在一些實施例中,優(yōu)選地,燃燒在小于大約5磅/平方英寸、優(yōu)選1-2磅/平方英寸的壓力下發(fā)生。當空氣和燃燒燃料的混合物引入時,燃燒在燃燒器的翼片表面發(fā)生。該環(huán)形設計可以使由這種高放熱反應生成的熱量通過分離燃燒器翼片和重整反應器翼片的壁被直接傳遞。所傳遞的熱能持續(xù)地從入口到出口為吸熱蒸汽重整反應提供必須的熱量。通過直接將熱生成的燃燒反應與吸熱的蒸汽重整反應相耦合,兩種反應之間所傳遞的熱量得以平衡,熱回收利用實現(xiàn)了最大化,蒸汽重整溫度的控制得到了簡化,所述裝配組件具有更少的部件和連接管路。從重整反應器中出來的未轉(zhuǎn)化的重整物通過與重整反應物的熱傳遞而冷卻,然后穿行通過水氣變換單塊體(water gas shift monolith),此處另外生成了氫, 并且大多數(shù)的一氧化碳被轉(zhuǎn)化成二氧化碳。在重整反應器翼片部區(qū)中的穩(wěn)定溫度通過控制燃燒器一側(cè)上的燃燒速度保持。優(yōu)選地,燃燒率通過控制到達燃燒器的空氣流量保持。各種供給流、空氣、含甲烷的氣體和燃燒原料氣的流量(flow rate)通過這樣的裝置來控制, 所述裝置例如為改變吹風機、泵和壓縮機流動的裝置,自動或手動控制閥,自動控制燃燒器空氣和到重整反應器的燃料和水的流量的系統(tǒng)控制器,以及其它類似的控制器。其它控制裝置對于本領域的技術(shù)人員來說是很明顯的,并且包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。環(huán)形容器用于與一 PSA單元或其它凈化單元連接。PSA單元通常在100到200磅/ 平方英寸的壓力下工作。優(yōu)選地,蒸汽重整翼片部區(qū)在這個較高的壓力范圍內(nèi)工作,以便相對于在重整反應器處于較低壓力下工作的情況下壓縮所述重整物流所需的壓縮能量而言, 利用為壓縮所述蒸汽重整供給流、甲烷和水所需的較低的壓縮能量的優(yōu)勢。因而,單一容器中的環(huán)形設計實現(xiàn)了燃燒器和重整反應器在兩種不同的壓力狀態(tài)下工作,而且沒有明顯的熱損失。該環(huán)形容器還優(yōu)選包括熱交換器,以使熱回收利用最大化。在一公共殼體或容器內(nèi)包括有必須的反應器和熱交換器的一實施例在圖3中示意性示出。參照圖3,空氣和燃燒原料氣,優(yōu)選來自一 PSA單元的尾氣可通過入口 320傳送到容器300中。還設有一水入口 321和含甲烷的氣體入口 322。在圖3所示的實施例中,熱交換器301,303,304,305設置在容器中。熱交換器301適于通過來自離開水氣變換反應器 310中的重整物的熱量對空氣/燃燒原料氣混合物預熱。設有一轉(zhuǎn)化的重整物出口 324,可使用一可選的位于容器300外的熱交換器(圖中未示)經(jīng)過出口 3M通過來自從容器300 中出來的重整物的熱量對水預熱。熱交換器303適于接收來自水入口 321的水,并通過從燃燒反應器311中排出的排出物的熱量對水預熱。熱交換器304適于通過來自燃燒排出物的熱量對含甲烷的氣體預熱。應當注意地是熱交換器304和305可以合并成一公共或集成熱交換器,用于生成蒸汽和/或?qū)τ糜谥卣暮淄榈臍怏w預熱。設有一燃燒排出物排出口 323。熱交換器305適于通過來自離開一重整反應器313中的未轉(zhuǎn)化重整物的熱量進一步將重整反應器原料氣加熱到預期的重整反應溫度,并將該未轉(zhuǎn)化重整物冷卻到適合水氣變換反應在反應器310中發(fā)生的溫度。絕熱層312適于覆蓋水氣變換反應器并使其絕熱。 優(yōu)選地,容器300的方向是垂直的,使得頂端是燃燒排出物排出口 323。圖4示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的一容器400的實施例的實例。如圖所示,容器400 具有一外徑大約為6. 81英寸的下方外殼似6和一外徑大約為7. 75英寸的上方外殼427。 容器400還具有一外徑大約為6英寸、長度大約為37. 3英寸的內(nèi)壓力容器425。熱交換器 405適于對一重整反應器原料氣預熱并優(yōu)選具有大約6. 8英寸的長度。熱交換器401適于通過離開一水氣變換反應器中的重整物對一空氣/燃燒原料氣混合物預熱,其優(yōu)選具有大約6. 8英寸的長度。預熱的空氣/燃燒原料氣混合物在燃燒反應器411中燃燒,從燃燒反應中排出的排出物流過熱交換器403和熱交換器404。熱交換器403適于通過燃燒排出物的熱量對水預熱。熱交換器404適于通過燃燒排出物對所傳送的含甲烷的氣體預熱。熱交換器403和熱交換器404聚在一起,氣體在進入壓力容器上方之前在一內(nèi)嵌的靜止混合器中混合。熱交換器403和404的組合螺管優(yōu)選具有大約18. 9英寸的長度。圖5示意性示出了根據(jù)本發(fā)明的一容器500的實施例的處理方法流程。圖3、圖4和圖5的容器示出了實施例,其中熱交換器用于使放熱反應階段例如燃燒和水氣變換反應與吸熱反應階段和那些需要冷卻處理流的處理方法階段熱集成在一起。 熱交換元件在本發(fā)明的處理方法和設備內(nèi)進行選擇、確定尺寸和結(jié)構(gòu),以便使熱損失最小化,熱回收利用最大化。例如一熱集成容器的實施例有效地減少了過多的貫穿系統(tǒng)的管路并減少了最初資本成本。而且,熱損失的減少等效于更高的氫生成率和更低的生產(chǎn)費用。此外,例如一熱集成容器的實施例可以是熱中性的,這使得為了實現(xiàn)較高的重整效率和轉(zhuǎn)化不再需要補充燃料例如甲烷。這直接轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)費用的降低。在本發(fā)明的處理方法和設備的實施例中,熱交換器的表面區(qū)域和流動結(jié)構(gòu)(flow configuration)設計為使得它們可以用作熱回收/預熱和處理流的被動溫度控制的雙重目的。這種熱回收/被動溫度控制技術(shù)不僅簡化和增加了處理方法控制的堅固性,而且還消除了控制閥和遍及整個處理方法的各種其它活動件。因而,處理方法唯一需要的主動控制參數(shù)是到達燃燒器的空氣流和到達重整反應器的天然氣和水流。而且,不需要例如通過監(jiān)測溫度和調(diào)節(jié)一冷卻劑和/或加熱流體的流動的方式來對處理流主動冷卻,以將指定的反應或處理步驟保持在預期溫度范圍之內(nèi)。這種獨特的處理方法和設備設計明顯降低了系統(tǒng)的資本成本。盡管這里僅對優(yōu)選實施例進行了具體的示例和說明,應當理解的是,在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下,根據(jù)上述宗旨并在附屬權(quán)利要求的范圍內(nèi)對本發(fā)明進行許多修改和變是可能的。
權(quán)利要求
1.用于生成氫的設備,其包括環(huán)形配置,該環(huán)形配置包括一環(huán)狀件,其包括一燃燒器;一中間環(huán)狀件,其包括一重整反應器;和一水氣變換反應器,其從該中間環(huán)狀件徑向向內(nèi)布置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其還包括一位于所述中間環(huán)狀件和所述水氣變換反應器之間的絕熱層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于所述水氣變換反應器能夠在不需要外部冷卻的情況下使一未轉(zhuǎn)化的重整物起反應。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于由在包括所述燃燒器的環(huán)狀件中的燃燒反應生成的熱量能夠通過至少一個壁傳遞到所述重整反應器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于來自從所述水氣變換反應器中出來的一轉(zhuǎn)化重整物的熱量能夠通過至少一個壁傳遞到至少一個燃燒反應物。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于來自從所述中間環(huán)狀件出來的一重整物的熱量能夠通過至少一個壁傳遞到一重整反應物。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其還包括用于調(diào)節(jié)到達所述燃燒器的空氣流、到達所述重整反應器的甲烷流和到達所述重整反應器的水流的流動控制裝置。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其還包括至少一個用于調(diào)節(jié)到達所述燃燒器的空氣流、到達所述重整反應器的甲烷流和到達所述重整反應器的水流的控制器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于至少三個熱交換器包括一第一熱交換器,其適于通過離開所述水氣變換反應器中的一重整物對一空氣/燃燒原料氣混合物預熱;一第二熱交換器,其適于通過來自所述燃燒器的排出物對水進行加熱;和一第三熱交換器,其適于通過離開所述重整反應器中的重整物對一重整反應器原料氣進行預熱。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設備,其特征在于所述燃燒器、所述重整反應器、所述水氣變換反應器和所述的至少三個熱交換器設置在單一容器中。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設備,其特征在于所述中間環(huán)狀件和所述的包括一燃燒器的環(huán)狀件能夠在不同的壓力下工作。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設備,其特征在于所述中間環(huán)狀件和所述水氣變換反應器能夠在一壓力下工作,以生成一轉(zhuǎn)化重整物,該轉(zhuǎn)化重整物適于用作為一壓力擺動吸收單元的供給物。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種處理方法和設備,其提高了小規(guī)模氫生產(chǎn)的氫生成效率。根據(jù)一個方面,該處理方法提供與反應階段熱集成的熱交換器,使得通過放熱反應——燃燒和水氣變換——生成的熱量緊接著到達吸熱反應,以使熱損失最小化,熱回收利用最大化,該吸熱反應為蒸汽重整和熱沉源,該熱沉源為冷的天然氣、水和空氣。這種熱集成處理方法可以有效地避免使用過多的管路,減少了最初的資本成本。
文檔編號C01B3/38GK102408097SQ20111023036
公開日2012年4月11日 申請日期2006年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月29日
發(fā)明者B·巴拉蘇布拉馬尼安, J·瓦倫薩, K·H·源, M·G·沃斯, M·J·賴因克, T·M·班德豪爾, 劉運權(quán), 柯蒂斯·L·克勞斯 申請人:德士古發(fā)展公司, 穆丹制造公司