[發(fā)明專(zhuān)利]用于重整天然氣的殼管式反應(yīng)器和使用其制備合成氣或氫氣的方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201580057361.2
• 申請(qǐng)日: 2015-09-01
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN107073427B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-07-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李信根;韓在潤(rùn);徐龍錫;李定賢
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 韓國(guó)能量技術(shù)研究院
• 主分類(lèi)號(hào): B01J8/06
• 分類(lèi)號(hào): B01J8/06;B01J19/24;C01B3/38
• 代理公司: 北京市中倫律師事務(wù)所 11410
• 代理人: 石寶忠

本發(fā)明涉及用于重整天然氣的殼管式反應(yīng)器和使用其制備合成氣或氫氣的方法，更具體地，本發(fā)明涉及這樣的用于重整天然氣的殼管式反應(yīng)器和使用其制備合成氣或氫氣的方法：所述殼管式反應(yīng)器包括：至少一個(gè)管，其用于分離氫氣；以及用于放熱反應(yīng)的管或用于加熱的熱交換器，其設(shè)置在所述反應(yīng)器的中心；其中，用于重整天然氣的反應(yīng)催化劑填充在反應(yīng)器殼體內(nèi)，從而具有優(yōu)異的操作效率，能夠在反應(yīng)的同時(shí)產(chǎn)生高純度氫氣和收集二氧化碳。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及用于重整天然氣的殼管式反應(yīng)器和使用其制備合成氣或氫氣的方法。

背景技術(shù)

天然氣、煤炭和生物質(zhì)通過(guò)重整反應(yīng)產(chǎn)生合成氣，并且所產(chǎn)生的合成氣通過(guò)經(jīng)由各種下游工藝而用于化合物合成原料、燃料和工業(yè)工藝。

此外，所產(chǎn)生的合成氣含有大量的氫氣，并且氫氣經(jīng)過(guò)凈化處理后用于氨合成、煉油工藝、冶煉工藝、多晶硅制造工藝、半導(dǎo)體制造工藝、LED制造工藝等，并因此成為現(xiàn)代工業(yè)的必要物質(zhì)。最近，即使在鋼鐵行業(yè)，冶煉工藝中使用氫的研究正在進(jìn)行中，以達(dá)到減少二氧化碳的目的。

特別地，當(dāng)與燃料電池結(jié)合使用時(shí)，氫氣作為具有高效率和無(wú)排放污染物的清潔能源的價(jià)值不斷增長(zhǎng)。

然而，在利用天然氣、煤炭、生物質(zhì)制備氫氣并利用該氫氣的一系列工藝中合成氣制備工藝占總工藝成本的60％～70％，因此，需要開(kāi)發(fā)具有極佳效率的合成氣制備工藝。

同時(shí)，正在積極開(kāi)發(fā)在現(xiàn)場(chǎng)供應(yīng)氫氣的氣體流量為50Nm³/h至5000Nm³/h的中小規(guī)模氫氣生產(chǎn)廠，以擺脫用于各種工業(yè)設(shè)備例如氨合成、煉油工藝、半導(dǎo)體制造工藝、LED制造工藝、多晶硅制造工藝、鋼鐵工業(yè)等的現(xiàn)有的運(yùn)輸供應(yīng)方式。

與基于大規(guī)模生產(chǎn)的運(yùn)輸方式相比，中小型氫氣生產(chǎn)廠的精髓在于它們必須經(jīng)濟(jì)，并且必須根據(jù)消費(fèi)者的情況靈活運(yùn)作。

氣體流量為50Nm³/h至5000Nm³/h的中小規(guī)模氫氣生產(chǎn)廠是可與液氫輸送和水電解競(jìng)爭(zhēng)的技術(shù)，并且絕對(duì)需要開(kāi)發(fā)具有極佳效率的工藝以求重整天然氣的方式來(lái)確保經(jīng)濟(jì)可行性。

此外，雖然天然氣是化石燃料，但為了利用天然氣作為清潔能源，作為全球變暖的主要原因的二氧化碳排放問(wèn)題必須首先得到解決。使用天然氣的清潔能源生產(chǎn)技術(shù)可以通過(guò)與氫氣生產(chǎn)同時(shí)在二氧化碳釋放到大氣中之前將其收集(燃燒前碳捕獲和儲(chǔ)存(CCS))來(lái)完成。

從天然氣制備合成氣的方法主要分為蒸汽甲烷重整(SMR)、使用氧氣的甲烷部分氧化(POX)、甲烷二氧化碳重整(CDR)、組合蒸汽重整反應(yīng)和二氧化碳重整的甲烷蒸汽二氧化碳重整(SCR)。由每個(gè)重整反應(yīng)產(chǎn)生的一氧化碳和氫氣(H₂/CO)的比例可以不同，因此可以根據(jù)隨后過(guò)程中最佳需求的比例使用各種重整反應(yīng)。

同時(shí)，通過(guò)天然氣的常規(guī)重整反應(yīng)的氫氣生產(chǎn)工藝由SMR(700℃至900℃)-HTS(300℃至450℃)-LTS(200℃至250℃)-PSA組成，如圖1a所示。用于氫氣生產(chǎn)工藝的常規(guī)方法中的重整器需要在700℃至900℃范圍內(nèi)的高工作溫度，因此具有低運(yùn)行效率，且由于需要由高溫材料構(gòu)成因此經(jīng)濟(jì)可行性低。此外，常規(guī)的氫氣生產(chǎn)工藝在單獨(dú)的反應(yīng)器中進(jìn)行，因此難以設(shè)計(jì)緊湊的工藝。

蒸汽甲烷重整(SMR)是在水蒸氣的存在下使用催化劑重整天然氣，然后將其化學(xué)轉(zhuǎn)化為合成氣(CO+H₂的混合氣體)的反應(yīng)，如下面的反應(yīng)式1所示。

[反應(yīng)式1]

CH₄+H₂O→CO+3H₂ΔH＝206.28kJ/mol

所產(chǎn)生的氣體中的CO/H₂比為0.25，與使用碳?xì)浠衔镒鳛樵系牟糠盅趸啾龋哂挟a(chǎn)生較低比例的二氧化碳并能夠從一定量的碳?xì)浠衔铽@得更大量的氫氣的優(yōu)點(diǎn)。