一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及可回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，將可燃氣體混合緩沖區(qū)、解析氣回收轉化區(qū)、催化燃燒過渡區(qū)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)、重整原料混合區(qū)、天然氣重整制氫區(qū)和重整原料氣緩沖區(qū)等多個不同區(qū)域集成在一起；重整制氫需要的原料可在室溫下直接進入天然氣重整制氫裝置；天然氣重整制氫和變壓吸附解析氣的回收及轉化利用均在天然氣重整制氫裝置內(nèi)部完成。該制氫工藝強化了水路管理，可提供H2濃度達99.9%以上的產(chǎn)品氣；該制氫工藝可為燃料電池提供氫氣，同時和燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合為用戶供電、供熱；該制氫工藝的原料不僅可采用天然氣，還可采用甲醇、乙醇、等多種醇類及烴類含氫化合物。
【專利說明】—種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，尤其是涉及一種注重提升天然氣重整制氫裝置集成度、強化熱量管理和水路管理、提高全系統(tǒng)能量效率的可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫裝置。

【背景技術】
[0002]進入21世紀，能源安全和環(huán)境保護已成為全球化的問題，解決好我國的能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略問題，是實現(xiàn)我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。針對我國多煤少氣貧油的能源結構，我國未來的能源發(fā)展戰(zhàn)略要求提高能源效率，清潔使用化石能源，調整能源結構，增加替代能源，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展。氫能在利用時不產(chǎn)生任何污染排放，是未來清潔能源載體的理想選擇，將有可能在人類社會由化石能源順利過渡到最終不依賴化石能源的可持續(xù)循環(huán)進程中發(fā)揮主流作用。
[0003]氫是最豐富的元素，但自然氫存在極少，必須消耗大量的能量將含氫物質分解后才能得到氫氣，因此尋找一種低能耗、高效率制氫方法是大勢所趨。最豐富的含氫物質是水(H2O),其次就是各種礦物燃料(煤、石油、天然氣)及各種生物質等。氫氣的生產(chǎn)、凈化、輸運和儲存都需要有相應的基礎建設，需要大量的投資，涉及多個環(huán)節(jié)，并且各個環(huán)節(jié)涉及的技術難點、經(jīng)濟性和安全性等都存在一些瓶頸問題需要去完善解決。我國天然氣資源主要分布在西部、西北部等偏遠地區(qū)，導致其壓縮、運輸、儲存、利用等成本較高。目前，為了實現(xiàn)天然氣的經(jīng)濟利用，通常把天然氣作為初始原料進行加工，將天然氣轉化成CO和H2 (即合成氣)，這也是一條較為理想的制氫技術路線。
[0004]變壓吸附(Pressure Swing Adsorpt1n, PSA)氣體分離與提純技術是在上世紀六十年代迅速發(fā)展起來的，目前已成為化工工業(yè)的一種生產(chǎn)工藝和獨立的單元操作過程。由于變壓吸附氣體分離技術是依靠壓力的變化來實現(xiàn)吸附與再生的，因而再生速度快、能耗低，屬節(jié)能型氣體分離技術。并且，該工藝過程簡單、操作穩(wěn)定、對于含多種雜質的混合氣可將雜質一次脫除得到高純度產(chǎn)品，近年來發(fā)展非常迅速，而其中變壓吸附制取純氫技術的發(fā)展尤其令人矚目。
[0005]本實用新型就從制氫全系統(tǒng)考慮，以提高系統(tǒng)能量效率為目的，提供一種改進的制氫反應工藝，包括天然氣重整制氫裝置、分水器、變壓吸附裝置和變壓吸附解析氣回收轉化器等。采用催化燃燒技術將解析氣中的可燃氣體全部回收并轉化成有效熱量并提供給天然氣制氫反應，最終達到提高系統(tǒng)能量效率的目的。
[0006]分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)(Combined Heat and Power, CHP)具有能源梯級利用效率高、電能供應可靠、經(jīng)濟效益好、環(huán)境友好等優(yōu)點；作為傳統(tǒng)能源系統(tǒng)的有機補充，對緩解我國終端能源即電和熱的生產(chǎn)和供應面臨的嚴峻挑戰(zhàn)具有重要意義。隨著氫能及燃料電池技術的不斷進步，基于燃料電池技術的熱電聯(lián)供系統(tǒng)正逐漸成為分布式熱電聯(lián)供新的重要發(fā)展方向。
[0007]質子交換膜燃料電池(PEMFC)以氫為燃料，通過陽極的氫氣和陰極的氧氣之間的電極反應將化學能直接轉化為電能，具有能量轉換效率高、結構簡單、對環(huán)境污染小等優(yōu)點。采用化石原料重整制氫技術和質子交換膜燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合，在固定式或移動式燃料電池供電系統(tǒng)或燃料電池熱電聯(lián)供系統(tǒng)中得到了廣泛應用。然而化石原料重整制氫技術提供的富氫重整氣體中殘留的CO對PEMFC的陽極影響很大，通常要求CO濃度在30ppm以下。
[0008]針對富氫重整氣中殘留的CO，傳統(tǒng)的方法是采用化學反應法，最終可控制CO濃度在3-30ppm，但此種技術路線會給整個系統(tǒng)物料管理和能量管理帶來技術上的難點，包括反應器設計、換熱器設計和熱量管理等技術等，同時對CO選擇性氧化催化劑性能要求很高，尤其是對催化劑在CO和H2之間的競爭反應選擇性要求很高，同時也要嚴格要求催化劑的長期穩(wěn)定性(3000-10000h)，另外Pt、Pd等貴金屬作為催化劑活性組分較為有效，但是存在經(jīng)濟成本方面的問題。
[0009]專利文獻(CN101054160A，US6793698BI, EP1094031 Al)公開了一種重整制氫反應器，但結構簡單，能源利用率低，解析氣體的剩余氣體無法充分利用，重整制氫效率不高。另外，平衡燃燒反應速率和重整制氫反應速率的存在差異，該重整制氫反應器不能實現(xiàn)兩種不同化學反應的穩(wěn)定進行。
[0010]本實用新型提供的天然氣制氫裝置及工藝采用變壓吸附裝置替代CO變換反應器和CO凈化反應器，直接對富氫重整尾氣進行分離提純，相對于采用化學反應法消除CO，采用變壓吸附裝置工藝直接提純H2,具有能耗低、流程簡單、H2純度高、裝置操作彈性大、以及環(huán)境效益好等優(yōu)點?？蔀槿剂想姵叵到y(tǒng)提供高品質的H2原料，與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合組成分布式熱電聯(lián)供系統(tǒng)，同時將變壓吸附裝置解析氣和燃料電池陽極尾氣中的H2加以回收利用，提高整個系統(tǒng)的H2回收率，進而降低系統(tǒng)的能耗，提高系統(tǒng)的能量效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本實用新型提供一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置及工藝，尤其回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫裝置及工藝，首先通過重整制氫裝置，將碳氫化合物(烴類、醇類化合物，特別是天然氣等)轉化為富氫氣體，之后采用變壓吸附裝置分離提純得到高品質的氫氣。產(chǎn)生的高品質氫氣可以儲存或供給用戶使用，也可以供給燃料電池系統(tǒng)發(fā)電；同時回收變壓吸附裝置解析氣中的氫氣，將其轉化為有效能量作用于制氫系統(tǒng)中，進而提聞系統(tǒng)的能量效率。
[0012]一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，所述裝置的中心區(qū)域依次包括可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)、解析氣回收轉化區(qū)(B)、催化燃燒過渡區(qū)(C);所述裝置的中心區(qū)域的外部依次為重整制氫第一區(qū)(F)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)(D)、重整原料混合區(qū)(E)、重整制氫第二區(qū)(G);所述裝置的底部設置有制氫原料緩沖區(qū)(H);其中所述可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)設有可燃氣體入口(a)和空氣入口(b)，可燃氣體和空氣混合后依次通過可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)、解析氣回收轉化區(qū)(B)、催化燃燒過渡區(qū)(C)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)(D)，反應后的燃燒尾氣由燃燒尾氣出口(c)排出；制氫原料緩沖區(qū)(H)設有制氫原料入口(f)及制氫原料導流腔(107)，其中制氫原料導流腔(107)伸入重整原料混合區(qū)(E)內(nèi)，制氫原料經(jīng)制氫原料緩沖區(qū)(H)后通過制氫原料導流腔(107)在重整原料混合區(qū)(E)和原料水入口(d)進入的原料水混合，再依次進入重整制氫第一區(qū)(F)和重整制氫第二區(qū)(G )，經(jīng)換熱器換熱后，由產(chǎn)品氣出口( e )排出；產(chǎn)品氣出口( e )與變壓吸附裝置連接；變壓吸附裝置通過解析氣回收管道連接可燃氣體入口(a);所述解析氣回收轉化區(qū)(B)、可燃氣體的第二反應區(qū)(D)內(nèi)裝填燃燒催化劑；所述催化燃燒過渡區(qū)(C)裝填大熱容的蓄熱材料。
[0013]重整原料為天然氣，也可以為甲醇或乙醇，重整原料為醇類或烴類的含氫化合物或混合物都能實現(xiàn)本實用新型。所述重整制氫第二區(qū)(G)通過設置于制氫原料緩沖區(qū)(H)內(nèi)的換熱器(106)與產(chǎn)品氣出口(e)連接。所述設置于制氫原料緩沖區(qū)(H)內(nèi)的管道為S形或螺旋狀。所述制氫原料導流腔(107)設有呈倒“凸”狀制氫原料排放端，該制氫原料排放端的底面和周面區(qū)域設有制氫原料排放孔。所述燃燒催化劑為鈀系、鉬系或它們的合金催化劑。可燃氣體入口和空氣入口處均設置有氣體分布器。可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)內(nèi)設置有可燃氣體再分布器(105)。產(chǎn)品氣出口(e)與變壓吸附裝置之間設置分水器。
[0014]該重整制氫裝置還包括水循環(huán)系統(tǒng)，所述水循環(huán)系統(tǒng)依次包括多個分水器、水處理器、循環(huán)水箱，循環(huán)水箱連接重整原料水入口(d)。所述燃燒尾氣出口(C)與換熱器連接，換熱器連接分水器?？諝膺M入空氣入口(b)前經(jīng)換熱器預熱。所述可燃氣體為天然氣、煤氣，或天然氣或煤氣和回收的變壓吸附解析氣的混合氣。天然氣原料儲罐管道連接天然氣經(jīng)脫硫裝置，然后管道分為兩路，其中一路連接可燃氣體入口(a);另一路天然氣直接連接制氫原料入口(f)。變壓吸附裝置連接燃料電池系統(tǒng)，燃料電池陽極產(chǎn)生的尾氣經(jīng)管道輸送連接可燃氣體入口(a)。連接可燃氣體入口(a)的管道上均設有溫控調節(jié)閥和阻火器；通過溫度反饋控制調節(jié)器調節(jié)溫控調節(jié)閥。
[0015]一種權利要求1所述重整制氫裝置的制氫工藝，可燃氣體經(jīng)可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)混合后，在解析氣回收轉化區(qū)(B)、催化燃燒過渡區(qū)(C)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)(D)內(nèi)與空氣發(fā)生催化燃燒反應，并為重整制氫反應提供熱量，燃燒尾氣經(jīng)燃燒尾氣出口(c)排出；制氫原料經(jīng)制氫原料入口(f)進入制氫原料緩沖區(qū)(H)，換熱后進入制氫原料導流腔(107)，在重整原料混合區(qū)(E)和原料水入口(d)進入的原料水混合，經(jīng)過換熱、預熱后,在重整制氫第一區(qū)(F)、重整制氫第二區(qū)(G)進行重整反應生成富氫重整產(chǎn)品氣，重整產(chǎn)品氣進入變壓吸附裝置，對氫氣進行分離提純；變壓吸附裝置分離提純后剩余的解析氣通過解析氣回收管道回收，并作為可燃氣輸入可燃氣體入口。
[0016]在重整制氫運行初期時，可燃氣體為天然氣；當重整制氫穩(wěn)定運行后，變壓吸附裝置分離提純后剩余的解析氣通過物解析氣回收管道回收，并作為可燃氣輸入可燃氣體入口(a)。天然氣原料儲罐提供天然氣，經(jīng)脫硫裝置脫硫后，分為兩路，其中一路天然氣進入可燃氣體入口(a)，另一路天然氣直接連接原料氣入口(f)。分離出來的高純度氫氣提供給燃料電池系統(tǒng)，燃料電池陽極產(chǎn)生的尾氣返回可燃氣體入口(a)作為可燃氣體利用。連接可燃氣體入口(a)的管道上均設有溫控調節(jié)閥和阻火器；通過溫度反饋控制調節(jié)器調節(jié)溫控調節(jié)閥，實現(xiàn)天然氣、解析氣和燃料電池陽極尾氣進料流量的實時匹配，保證重整制氫反應的穩(wěn)定運行。
[0017]制備的重整產(chǎn)品氣通過產(chǎn)品氣出口( e )排出，進入產(chǎn)品氣出口( e )與變壓吸附裝置連接的產(chǎn)品氣分水器，在產(chǎn)品氣分水器內(nèi)得到的水經(jīng)水處理器凈化處理后輸送至循環(huán)水箱作為原料水。燃燒尾氣出口(C)的燃燒尾氣經(jīng)換熱器后進入分水器分水，燃燒過程中產(chǎn)生的水由分水器底部排出，進入水處理器處理后直接循環(huán)回水箱；燃料電池陰極尾氣進入陰極尾氣分水器中分水經(jīng)水處理器進行凈化處理后輸送至循環(huán)水箱作為原料水?？扇細怏w與混合后的重整原料逆向流動，保證了熱量的利用率。
[0018]本實用新型提供一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置及工藝，既解決了制氫過程中變壓吸附解析氣的排放問題，又可以回收利用變壓吸附解析氣，將其用于重整制氫過程；部分重整制氫原料水和變壓吸附解析氣回收利用過程中生成的水都可以循環(huán)再利用，有效地節(jié)約了水資源；在該重整制氫裝置內(nèi)部即可回收利用變壓吸附解析氣，簡化了制氫流程、提高了制氫效率。
[0019]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置及工藝，在回收利用變壓吸附解析氣時采用催化燃燒技術，與直接燃燒相比，催化燃燒溫度較低，燃燒比較完全，對環(huán)境極其友好。
[0020]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，為了提高制氫效率，在該重整制氫裝置內(nèi)部集成了可燃氣體混合緩沖區(qū)A、解析氣回收轉化區(qū)B、催化燃燒過渡區(qū)C、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D、重整原料混合區(qū)域E、重整制氫第一區(qū)F、重整制氫第二區(qū)G和重整原料氣緩沖區(qū)H等多個主要區(qū)域，通過相鄰區(qū)域內(nèi)的冷熱流體的合理分配，同時通過相鄰區(qū)域之間的間壁換熱，減小吸熱過程和放熱過程的傳熱阻力，提高了重整制氫裝置的緊湊性。
[0021]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，通過在重整制氫裝置內(nèi)設置可燃氣體混合緩沖區(qū)A，可以避免由于重整制氫裝置的供熱入口 a和空氣入口 b處氣體壓力的波動而對整個制氫系統(tǒng)的壓力產(chǎn)生影響，從而保證裝置的穩(wěn)定運行。在可燃氣體混合后，設置可燃氣體再分布器105，可以保證可燃氣體與空氣充分混合并均勻進入解析氣回收轉化區(qū)B，很好地避免燃燒熱點的出現(xiàn)。由于解析氣回收轉化區(qū)B內(nèi)的燃燒反應速率和相鄰天然氣重整制氫第一區(qū)F內(nèi)的重整制氫反應速率相差較大，因此在催化燃燒過渡區(qū)C，設置大量熱容較大的蓄熱材料，用以平衡燃燒反應速率和重整制氫反應速率的差異，從而保證兩種不同化學反應的穩(wěn)定進行。
[0022]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫工藝，通過變壓吸附裝置對重整產(chǎn)品氣進行分離提純，可以為用戶提供純度99.9%以上的氫氣，同時可以將變壓吸附裝置解析氣全部回收并轉化為有效能量作用于重整制氫裝置，大大提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0023]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫工藝，可以與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合發(fā)電，并提供熱量。燃料電池陽極尾氣中的氫氣可以完全回收，并轉化為有效能量作用于天然氣重整制氫裝置，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0024]本實用新型提供的可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫工藝，不僅可以采用天然氣為制氫原料，還可廣泛采用甲醇、乙醇、城市煤氣、液化氣等多種醇類及烴類的含氫化合物作為制氫原料。
[0025]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫裝置及內(nèi)部實驗流程圖；
[0027]圖2是可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫裝置的內(nèi)部結構圖；
[0028]圖3是可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫工藝的流程圖；
[0029]圖4是與燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合的可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫工藝的流程圖。

【具體實施方式】
[0030]以天然氣為制氫原料，對本實用新型予以進一步的說明。
[0031]天然氣重整制氫裝置(圖1)，主要包括了可燃氣體混合緩沖區(qū)A、解析氣回收轉化區(qū)B、催化燃燒過渡區(qū)C、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D、重整原料混合區(qū)E、天然氣重整制氫第一區(qū)F、天然氣重整制氫第二區(qū)G和重整原料氣緩沖區(qū)H等多個主要功能區(qū)域。首先由天然氣重整制氫裝置的供熱入口 a和空氣入口 b分別通入一定量的需回收處理的變壓吸附解析氣和空氣，兩者混合后依次通過可燃氣體混合緩沖區(qū)A、解析氣回收轉化區(qū)B、催化燃燒過渡區(qū)C、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D，燃燒尾氣由燃燒尾氣出口 c排出系統(tǒng)。天然氣重整制氫所需原料氣由天然氣重整制氫裝置的原料氣入口 f進入，經(jīng)重整原料氣緩沖區(qū)H后在重整原料混合區(qū)E和由天然氣重整制氫裝置的原料水入口 d進入的天然氣重整制氫所需原料水混合，再依次進入天然氣重整制氫第一區(qū)F和天然氣重整制氫第二區(qū)G，通過天然氣重整制氫的化學反應過程產(chǎn)生重整產(chǎn)品氣，最終由天然氣重整制氫裝置的產(chǎn)品氣出口e排出系統(tǒng)。
[0032]本實用新型的天然氣重整制氫裝置在穩(wěn)定運行時采用了如下描述的流程(圖2)，首先由天然氣重整制氫裝置的供熱入口 a通入一定量的回收的變壓吸附解析氣，變壓吸附解析氣經(jīng)可燃氣體緩沖區(qū)101進入可燃氣體分布器104，均勻進入空氣和可燃氣體的混合區(qū)A，同時空氣由天然氣重整制氫裝置的空氣入口 b進入空氣緩沖區(qū)102，再由空氣分布器103進入空氣和可燃氣體的混合區(qū)A，在空氣和可燃氣體的混合區(qū)A內(nèi)，空氣和可燃氣體充分混合，并經(jīng)過可燃氣體再分布器105進入空氣和可燃氣體的反應區(qū)域，在此反應區(qū)域的上半部分為解析氣回收轉化區(qū)B，在解析氣回收轉化區(qū)B內(nèi)裝填有對空氣與可燃氣體發(fā)生化學反應有催化作用的催化劑，催化劑為鈀系、鉬系或它們的合金催化劑，使得空氣和可燃氣體在催化劑的作用下，不需外加熱、加壓條件下進行催化燃燒反應，同時放出大量的熱。反應后的高溫氣體直接進入空氣和可燃氣體的反應區(qū)域的下半部分即催化燃燒過渡區(qū)C，在此位置裝填熱容較大的蓄熱材料。反應后的高溫氣體在經(jīng)過蓄熱材料層后，溫度小幅下降并進入空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D，在此區(qū)域內(nèi)裝有燃燒催化劑，其和解析氣回收轉化區(qū)B內(nèi)的催化劑相同，保證空氣和可燃氣體通過空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D后，可燃氣體全部轉化為二氧化碳和水，并由燃燒尾氣出口 c排出系統(tǒng)。
[0033]天然氣重整制氫所需的水由天然氣重整制氫裝置的原料水入口 d進入，原料水首先由液體分配器108均勻分配后進入重整原料混合區(qū)E，同時天然氣重整制氫所需的天然氣由天然氣重整制氫裝置的原料氣入口 f進入重整原料氣緩沖區(qū)H，在此和流經(jīng)天然氣重整制氫裝置內(nèi)部換熱器106的重整制氫產(chǎn)品氣進行換熱，預熱后的天然氣由原料氣導流管107均勻噴射進入重整原料混合區(qū)E，在重整原料混合區(qū)E內(nèi)的原料氣導流管107出口附近，天然氣和水能夠劇烈混合，混合后的天然氣和水從重整原料混合區(qū)E的中部向下部流動，并最終進入天然氣重整制氫第一區(qū)F，在此區(qū)域裝填有天然氣重整制氫催化劑，在催化劑的催化作用下，天然氣和水通過反應生成富氫產(chǎn)品氣，富氫產(chǎn)品氣進入天然氣重整制氫第二區(qū)G，在此區(qū)域，重整原料可以完全轉化為富氫混合氣體，并通過天然氣重整制氫裝置內(nèi)部換熱器106和原料氣進行換熱后由天然氣重整制氫裝置的產(chǎn)品氣出口 e流出。
[0034]本實用新型的天然氣重整制氫裝置在穩(wěn)定運行時，內(nèi)部不同物流之間很好地實現(xiàn)了能量的合理匹配。由天然氣重整制氫裝置的原料氣入口 f進入的重整原料氣首先在重整原料氣緩沖區(qū)H內(nèi)通過天然氣重整制氫裝置內(nèi)部換熱器106和重整制氫的產(chǎn)品氣進行換熱，通過調節(jié)操作參數(shù)，能保證重整制氫的產(chǎn)品氣的溫度降低并滿足下一工序的需求，與此同時，原料氣可以預熱到較高的溫度，并在原料氣導流管107出口附近和原料水混合，直接將部分熱量高效地傳遞給原料水。原料氣和原料水混合進入天然氣重整制氫第一區(qū)F后，在此區(qū)域原料氣和原料水在催化劑的作用下進行天然氣重整制氫反應，由于此反應需要吸取大量的熱，此部分熱量全部來自于相鄰區(qū)域內(nèi)空氣與可燃氣體的催化燃燒反應。為了保證吸熱反應和放熱反應之間的高效換熱，天然氣重整制氫第一區(qū)F內(nèi)的物料和相鄰的解析氣回收轉化區(qū)B及催化燃燒過渡區(qū)C的物料采用逆流流動方式，保證最快的傳熱速率，避免了催化燃燒過程中反應熱點的產(chǎn)生。天然氣重整制氫所需的水由天然氣重整制氫裝置的原料水入口 d進入，較低溫度的原料水在重整原料混合區(qū)E與空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)D內(nèi)較高溫度的催化燃燒尾氣同樣采用逆流流動方式，原料水和催化燃燒尾氣間充分的換熱也使得催化燃燒反應后的燃燒尾氣的溫度大幅度下降，基本達到了排放所要求的溫度。
[0035]本實用新型的可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫工藝的流程如圖3所示，主要包括天然氣燃燒放熱反應物流支路、天然氣重整制氫反應物流支路、變壓吸附裝置解析氣回收物流支路、溫度反饋控制調節(jié)器支路、水回收物流支路和供用戶熱水支路。
[0036]天然氣燃燒放熱反應物流支路:天然氣原料儲罐301提供天然氣，經(jīng)脫硫罐302脫硫后，分為兩路，其中一路天然氣經(jīng)過溫控調節(jié)閥303和阻火器304進入天然氣重整制氫裝置309中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，同時原料空氣儲罐306中的空氣進入換熱器307進行預熱，之后經(jīng)過阻火器308進入天然氣重整制氫裝置309中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，與天然氣進行氧化反應，放出的熱量供給天然氣重整制氫裝置309中的天然氣重整反應。天然氣重整制氫裝置309內(nèi)燃燒尾氣進入換熱器307與原料空氣進行換熱，之后進入換熱器310，與水箱313提供的冷水進行二次換熱，使得燃燒尾氣溫度降至500C以下，之后進入分水器311分水后排空。在燃燒反應原料管路中設置天然氣阻火器304和空氣阻火器308，防止燃燒混合氣回火，以保障系統(tǒng)的安全。
[0037]天然氣重整制氫反應物流支路:天然氣原料儲罐301提供天然氣，經(jīng)脫硫罐302脫硫后，分為兩路，其中一路天然氣直接進入天然氣重整制氫裝置309中重整原料氣緩沖區(qū)H內(nèi)，同時由水箱313提供的原料水直接進入天然氣重整制氫裝置309中重整原料混合區(qū)E內(nèi)，在天然氣重整制氫裝置309內(nèi)部經(jīng)過換熱、預熱后，與天然氣進行重整反應生成富氫重整氣。重整尾氣經(jīng)天然氣重整制氫裝置309內(nèi)部的換熱器與原料氣換熱后進入分水器314，經(jīng)分水后的重整氣進入變壓吸附裝置315，對氫氣進行分離提純，分離出來的高純度氫氣儲存起來或供給終端用戶316使用。
[0038]變壓吸附裝置解析氣回收物流支路:變壓吸附裝置的解析氣先后經(jīng)過溫控調節(jié)閥318和阻火器319進入天然氣重整制氫裝置309中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)與空氣進行反應，放出的熱量供給天然氣重整制氫裝置309中的重整制氫吸熱反應。在制氫系統(tǒng)運行初期時，燃燒反應的燃料以天然氣為主，當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，天然氣重整制氫裝置309中重整制氫反應生成的重整氣經(jīng)變壓吸附裝置315分離提純后，剩余的解析氣返回可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，將變壓吸附裝置解析氣全部回收。在保障重整制氫反應順利進行的同時，通過溫度反饋控制調節(jié)器305監(jiān)測溫度并根據(jù)實時溫度調節(jié)天然氣溫控調節(jié)閥303和變壓吸附裝置解析氣溫控調節(jié)閥318控制天然氣和解析氣的進料流量分配。在天然氣重整制氫裝置309內(nèi)將變壓吸附裝置解析氣轉化成有效能量并用于重整制氫反應，充分利用了變壓吸附裝置解析氣的能量，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。在解析氣回收物流管路上設置解析氣阻火器319，防止燃燒混合氣回火，以保障系統(tǒng)的安全。
[0039]溫度反饋控制調節(jié)器支路:當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，在保障天然氣重整制氫裝置309內(nèi)重整反應順利進行的前提下，通過溫度反饋控制調節(jié)器305監(jiān)測溫度并根據(jù)實時溫度調節(jié)天然氣溫控調節(jié)閥303和變壓吸附裝置解析氣溫控調節(jié)閥318，控制天然氣和解析氣的進料流量分配，將變壓吸附裝置315解析氣充分利用。隨著天然氣重整制氫裝置309負荷的加大，氫氣產(chǎn)量逐漸升高，變壓吸附裝置解析氣的流量逐漸加大，進而調控燃燒原料天然氣的進料量持續(xù)降低，即系統(tǒng)總體能量的輸入量降低，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0040]水回收物流支路:天然氣重整制氫裝置309中燃燒反應尾氣經(jīng)換熱器307和換熱器310換熱后進入分水器311進行分水，之后排空。分水器311中分離得到的冷水進入水處理器317進行凈化處理，得到的水可以循環(huán)回水箱313中，提高了系統(tǒng)內(nèi)水的利用效率。同時天然氣重整制氫裝置309中重整制氫反應尾氣在分水器314中經(jīng)分水后得到的冷水同樣進入水處理器317進行凈化處理，得到的水可以循環(huán)回水箱313中，進一步提高系統(tǒng)內(nèi)水的利用效率。
[0041]供用戶熱水支路:水箱313提供一路冷水經(jīng)過換熱器310與天然氣重整制氫裝置309中燃燒反應尾氣充分換熱后，得到的熱水進入熱水儲罐312中儲存，可以為用戶提供生活熱水。
[0042]本實用新型的可以回收利用變壓吸附解析氣的天然氣重整制氫裝置及工藝可以和燃料電池系統(tǒng)聯(lián)合運行，提供電能和熱能，工藝流程如圖4所示，主要包括天然氣燃燒放熱反應物流支路、天然氣重整制氫反應物流支路、變壓吸附裝置解析氣回收物流支路、燃料電池陽極尾氣回收物流支路、溫度反饋控制調節(jié)器支路、水回收物流支路和供用戶熱水支路。
[0043]天然氣燃燒放熱反應物流支路:天然氣原料儲罐401提供天然氣，經(jīng)脫硫罐402脫硫后，分為兩路，其中一路天然氣經(jīng)過溫控調節(jié)閥403和阻火器404進入天然氣重整制氫裝置409中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，同時原料空氣儲罐406中的空氣進入換熱器407進行預熱，之后經(jīng)過阻火器408進入天然氣重整制氫裝置409中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，與天然氣進行氧化反應，放出的熱量供給天然氣重整制氫裝置309中的天然氣重整反應。天然氣重整制氫裝置409內(nèi)燃燒尾氣進入換熱器407與原料空氣進行換熱，之后進入換熱器410，與水箱413提供的冷水進行二次換熱，使得燃燒尾氣溫度降至50oC以下，之后進入分水器411分水后排空。在燃燒反應原料管路中設置天然氣阻火器404和空氣阻火器408，防止燃燒混合氣回火，以保障系統(tǒng)的安全。
[0044]天然氣重整制氫反應物流支路:天然氣原料儲罐401中提供天然氣，經(jīng)脫硫罐402脫硫后，分為兩路，其中一路天然氣直接進入天然氣重整制氫裝置409中重整原料氣緩沖區(qū)H內(nèi)，同時由水箱413提供的原料水直接進入天然氣重整制氫裝置409中重整原料混合區(qū)E內(nèi)，在天然氣重整制氫裝置409內(nèi)部經(jīng)過換熱、預熱后，與天然氣進行重整反應生成富氫重整氣。重整尾氣經(jīng)天然氣重整制氫裝置409內(nèi)部的換熱器與原料水換熱后進入分水器414，經(jīng)分水后的重整氣進入變壓吸附裝置415，對氫氣進行分離提純，分離出來的高純度氫氣提供給燃料電池系統(tǒng)416，由燃料電池發(fā)電并提供給用戶使用。
[0045]變壓吸附裝置解析氣回收物流支路:變壓吸附裝置的解析氣先后經(jīng)過溫控調節(jié)閥419和阻火器420進入天然氣重整制氫裝置409中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)與空氣進行反應，放出的熱量供給天然氣重整制氫裝置409中發(fā)生的重整制氫吸熱反應。在制氫系統(tǒng)運行初期時，燃燒反應的燃料以天然氣為主，當系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，天然氣重整制氫裝置409中重整制氫反應產(chǎn)生的重整氣經(jīng)變壓吸附裝置415分離提純后，剩余的解析氣返回可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)，將變壓吸附裝置解析氣全部回收。在保障重整制氫反應順利進行的同時，通過溫度反饋控制調節(jié)器405監(jiān)測溫度并根據(jù)實時溫度調節(jié)天然氣溫控調節(jié)閥403和變壓吸附裝置解析氣溫控調節(jié)閥419控制天然氣和解析氣的進料流量分配。在天然氣重整制氫裝置409內(nèi)將變壓吸附裝置解析氣轉化成有效能量并用于重整制氫反應，充分利用了變壓吸附裝置解析氣的能量，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。在解析氣回收物流管路上設置解析氣阻火器420，防止燃燒混合氣回火，以保障系統(tǒng)的安全。
[0046]燃料電池陽極尾氣回收物流支路:燃料電池陽極尾氣中氫含量約為20%以上(取決于燃料電池燃料利用率)，將這部分氫氣回收利用有利于提高整個系統(tǒng)的能量效率。燃料電池陽極尾氣先后經(jīng)過溫控調節(jié)閥421和阻火器422進入天然氣重整制氫裝置409中可燃氣體混合緩沖區(qū)A內(nèi)與空氣進行反應，放出的熱量供給天然氣重整制氫裝置409中發(fā)生的重整制氫吸熱反應。在保障天然氣重整制氫裝置409內(nèi)重整反應順利進行的同時，通過溫度反饋控制調節(jié)器405監(jiān)測溫度并根據(jù)實時溫度調節(jié)天然氣溫控調節(jié)閥403和燃料電池陽極尾氣溫控調節(jié)閥421控制天然氣和燃料電池陽極尾氣的進料流量分配。隨著天然氣重整制氫裝置409負荷的加大，氫氣產(chǎn)量逐漸升高，供給燃料電池的氫氣量逐漸增加，燃料電池陽極尾氣流量逐漸加大，進而調控燃燒原料天然氣的進料量持續(xù)降低。在天然氣重整制氫裝置內(nèi)409將燃料電池陽極尾氣轉化成有效能量并用于重整制氫反應，充分利用了燃料電池陽極尾氣的能量，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。在燃料電池陽極尾氣回收物流管路上設置陽極尾氣阻火器422，防止燃燒混合氣回火，以保障系統(tǒng)的安全。
[0047]溫度反饋控制調節(jié)器支路:當系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，在保障天然氣重整制氫裝置409內(nèi)重整反應順利進行的前提下，通過溫度反饋控制調節(jié)器405監(jiān)測溫度并根據(jù)實時溫度調節(jié)天然氣溫控調節(jié)閥403、變壓吸附裝置解析氣溫控調節(jié)閥419和燃料電池陽極尾氣溫控調節(jié)閥421，控制天然氣、解析氣和陽極尾氣的進料流量分配，將變壓吸附裝置解析氣和陽極尾氣充分利用。隨著天然氣重整制氫裝置409負荷的加大，氫氣產(chǎn)量逐漸升高，變壓吸附裝置解析氣的流量逐漸加大，燃料電池陽極尾氣氫含量逐漸升高，調控燃燒原料天然氣的進料量持續(xù)降低，即系統(tǒng)總體能量的輸入量降低，進而提高了系統(tǒng)的能量效率。
[0048]水回收物流支路:天然氣重整制氫裝置409中燃燒反應尾氣經(jīng)換熱器407和換熱器410換熱后進入分水器411進行分水，之后排空。分水器411中分離得到的冷水進入水處理器418進行凈化處理，得到的水可以循環(huán)回水箱413中，提高了系統(tǒng)內(nèi)水的利用效率。天然氣重整制氫裝置409中重整制氫反應尾氣經(jīng)過分水器414，分水后得到的冷水進入水處理器418進行凈化處理，得到的水可以循環(huán)回水箱413中，提高了系統(tǒng)內(nèi)水的利用效率。燃料電池陰極尾氣進入分水器417中經(jīng)分水后得到的冷水同樣進入水處理器418進行凈化處理，得到的水可以循環(huán)回水箱413中，進一步提高系統(tǒng)內(nèi)水的利用效率。同時燃料電池陰極尾氣中的空氣可以進行回收壓縮補充到原料空氣儲罐406中。
[0049]供用戶熱水支路:水箱413提供一路冷水經(jīng)過換熱器410與天然氣重整制氫裝置409中燃燒反應尾氣充分換熱后，得到的熱水進入熱水儲罐412中儲存，可以為用戶提供生活熱水。
[0050]以上顯示和描述了本實用新型的基本原理和主要特征和本實用新型的優(yōu)點。本行業(yè)的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和范圍的前提下，本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型范圍內(nèi)。本實用新型要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種可以回收利用變壓吸附解析氣的重整制氫裝置，所述裝置的中心區(qū)域依次包括可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)、解析氣回收轉化區(qū)(B)、催化燃燒過渡區(qū)(C);所述裝置的中心區(qū)域的外部依次為重整制氫第一區(qū)(F)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)(D)、重整原料混合區(qū)(E)、重整制氫第二區(qū)(G);所述裝置的底部設置有制氫原料緩沖區(qū)(H);其中所述可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)設有可燃氣體入口(a)和空氣入口(b)，可燃氣體和空氣混合后依次通過可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)、解析氣回收轉化區(qū)(B)、催化燃燒過渡區(qū)(C)、空氣和可燃氣體的第二反應區(qū)(D)，反應后的燃燒尾氣由燃燒尾氣出口(c)排出；制氫原料緩沖區(qū)(H)設有制氫原料入口(f)及制氫原料導流腔(107)，其中制氫原料導流腔(107)伸入重整原料混合區(qū)(E)內(nèi)，制氫原料經(jīng)制氫原料緩沖區(qū)(H)后通過制氫原料導流腔(107)在重整原料混合區(qū)(E)和原料水入口(d)進入的原料水混合，再依次進入重整制氫第一區(qū)(F)和重整制氫第二區(qū)(G)，經(jīng)換熱器(106 )換熱后，由產(chǎn)品氣出口( e )排出；產(chǎn)品氣出口( e )與變壓吸附裝置連接；變壓吸附裝置通過解析氣回收管道連接可燃氣體入口(a);所述解析氣回收轉化區(qū)(B)、可燃氣體的第二反應區(qū)(D)內(nèi)裝填燃燒催化劑；所述催化燃燒過渡區(qū)(C)裝填大熱容的蓄熱材料。
2.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述重整制氫第二區(qū)(G)通過設置于制氫原料緩沖區(qū)(H)內(nèi)的換熱器(106)與產(chǎn)品氣出口(e)連接。
3.根據(jù)權利要求2所述的裝置，其特征在于，所述設置于制氫原料緩沖區(qū)(H)內(nèi)的換熱器(106)為S形或螺旋狀的管道。
4.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述制氫原料導流腔(107)設有呈倒“凸”狀制氫原料排放端，該制氫原料排放端的底面和周面區(qū)域設有制氫原料排放孔。
5.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，可燃氣體入口和空氣入口處均設置有氣體分布器。
6.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，可燃氣體混合緩沖區(qū)(A)內(nèi)設置有可燃氣體再分布器(105)。
7.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，產(chǎn)品氣出口(e)與變壓吸附裝置之間設置分水器。
8.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括水循環(huán)系統(tǒng)，所述水循環(huán)系統(tǒng)依次包括分水器、水處理器、循環(huán)水箱，循環(huán)水箱連接原料水入口(d)。
9.根據(jù)權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述燃燒尾氣出口(c)與換熱器連接，換熱器連接分水器。
10.根據(jù)權利要求9所述的裝置，其特征在于，空氣進入空氣入口(b)前經(jīng)換熱器預熱。
11.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，天然氣原料儲罐管道連接天然氣經(jīng)脫硫裝置，然后管道分為兩路，其中一路連接可燃氣體入口(a);另一路天然氣直接連接制氫原料入口⑴。
12.根據(jù)權利要求1所述的裝置，其特征在于，變壓吸附裝置連接燃料電池系統(tǒng)，燃料電池陽極產(chǎn)生的尾氣經(jīng)管道輸送連接可燃氣體入口(a)。
13.根據(jù)權利要求1或11或12所述的裝置，其特征在于，連接可燃氣體入口(a)的管道上均設有溫控調節(jié)閥和阻火器；通過溫度反饋控制調節(jié)器調節(jié)溫控調節(jié)閥。
【文檔編號】H01M8/04GK203983407SQ201420411783
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月24日 優(yōu)先權日:2014年7月24日
【發(fā)明者】潘立衛(wèi) 申請人:北京正拓氣體科技有限公司