[發明專利]一種中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統及方法

有效

• 申請號: 201410740063.0
• 申請日: 2014-12-03
• 公開（公告）號: CN105680072B
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 蘇宏久;袁中山;王樹東;李德意;倪長軍;李德伏
• 申請（專利權）人: 中國科學院大連化學物理研究所
• 主分類號: H01M8/0606
• 分類號: H01M8/0606
• 代理公司: 沈陽晨創科技專利代理有限責任公司 21001
• 代理人: 張晨

1.一種中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統，其特征在于：所述的中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統，包括集成式天然氣水蒸汽重整制氫反應器主體和外圍輔助系統；

所述的集成式天然氣水蒸汽重整制氫反應器主體由原料水蒸發器、天然氣預熱器、燃燒腔、重整腔、重整氣冷卻器、燃燒煙氣余熱冷卻器、重整氣余熱冷卻器、燃料燃燒器八個主要部件構成；其主體為兩段式的三層套筒結構，兩段之間由橫向的中間篩板隔開；

在兩段式集成反應器的下半段，最內層中心腔體的內部裝有頂端固定在中間篩板上的刺刀式反應列管，即重整腔；刺刀式反應列管內部中心位置裝有重整產品氣收集管；在刺刀式反應列管與中心收集管之間的環隙裝有顆粒狀的甲烷水蒸汽重整制氫催化劑，在收集管內部裝有甲烷水蒸汽重整催化劑；

兩段式集成反應器的上半段最內層中心腔體為管殼式的重整氣冷卻器；

在集成式重整反應器的上、下兩段中心腔體內部殼程均裝有一組或多組折流板；

集成式重整反應器的上、下兩段中間層，包括燃燒煙氣余熱冷卻器、重整氣余熱冷卻器；最外層，包括原料水蒸發器、天然氣預熱器；均為耦合性匹配結構，中間由導熱性的隔板隔開，其耦合形式是板翅式結構、套筒翅片式、金屬蜂窩以及列管換熱器式中的一種或幾種的組合體。

2.按照權利要求1所述的中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統，其特征在于：在集成式重整反應器的中心腔體底部即燃燒腔，裝有燃料燃燒器，燃料燃燒器為甲烷燃料燃燒器、氫氣燃料燃燒器或甲烷和氫氣共用的燃料燃燒器。

3.按照權利要求1所述的中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統，其特征在于：外圍輔助系統由重整氣余熱蒸發器、返氫氣冷卻器、水汽分離器的換熱單元或/和CO純化單元構成；外圍輔助系統中的重整氣余熱蒸發器、返氫氣冷卻器及水汽分離器均能采用常規的板式換熱器、列管換熱器、板翅式換熱器的氣液換熱器及常規水汽分離器。

4.一種采用權利要求3所述的中小規模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統的制氫方法，其特征在于：原料天然氣和水經過多級預熱后進入集成反應器內部的重整腔進行水蒸汽重整反應，反應所需熱量由系統內部多種燃料或含氫尾氣通過明火燃燒的方式提供，重整反應得到的富氫重整產品氣經換熱后能直接供給SOFC作為氫源使用，也能經CO純化單元處理得到CO含量小于10ppm的富氫重整氣或純氫氣，供給PEMFC或加氫站使用；

外圍輔助系統中的CO純化單元采用化學凈化的方式，即CO水汽變換反應和CO選擇性氧化反應，使重整產品氣中的CO含量降至10ppm以下以滿足PEMFC的使用要求；或采用物理的方式：如變壓吸附PSA或Pd膜分離氫氣的方式得到氫含量99.9％以上的純凈氫氣，滿足加氫站的使用要求；

原料水分為三路，分別與重整氣余熱蒸發器冷端水進口、集成式重整反應器下半段最外層的原料水蒸發器水進口、集成式重整反應器上半段最外層的水蒸發器水進口相連；經多級預熱蒸發、匯集后與原料甲烷混合進入重整原料氣進口；

原料甲烷分為3路，第1路與集成式重整反應器下半段最外層的天然氣預熱器進口相連，第2路直接與預熱蒸發后的水蒸汽混合，第3路與燃燒空氣混合后進入集成式重整反應器底部的燃料燃燒器；第1路經天然氣預熱器預熱與預熱蒸發后的水蒸汽混合匯集進入重整原料氣進口；

重整產品氣經與原料水換熱后由重整氣余熱蒸發器熱端氣出口流出，該產品氣含有干基體積分數為70-75％的H₂，10-15％的CO，余量為CO₂和微量的烷烴雜質，能直接供給SOFC使用；

流出重整氣余熱蒸發器的重整產品氣進入由CO水汽變換和CO選擇性氧化反應器組成的CO純化單元，將其中的CO含量降低至10ppm以下供給PEMFC使用；

流出重整氣余熱蒸發器的重整產品氣進入變壓吸附PSA裝置或Pd膜分離器，用以制備純度大于99.9％的純凈氫氣供PEMFC或加氫站使用；

重整反應以及原料水、甲烷預熱所需熱量分別由燃燒腔中的高溫煙氣、高溫的重整產品氣通過間壁換熱供給；

燃料燃燒器在系統啟動時以甲烷作為燃料，系統啟動后達到正常運行前由含有未完全轉化的甲烷的重整氣作為燃料，正常運行時以SOFC、PEMFC的陽極含氫尾氣，或PSA、Pd膜分離器的含氫滲余氣作為燃料。