用于通过催化蒸汽重整含烃进料气体生产氢气的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于由含烃进料气体和蒸汽生产氢气的方法，该方法包括以下工艺步骤：

-通过蒸汽重整将含烃进料气体转化为合成气体，该合成气体主要由氢气和一氧化碳组成，其中工艺蒸汽用于该蒸汽重整并且其中该重整在重整炉中进行，该重整炉配备有填充有催化剂的重整炉管和加热这些重整炉管的燃烧器，这些燃烧器用工艺内产生的燃料气体和/或含烃进料气体以及含氧进料气体运行，其中产生烟道气，

-将该产生的合成气体冷却至适合于处理该合成气体以便通过psa(变压吸附)工艺分离氢气的温度，其中冷却该合成气体包括将其用作传热介质通过在该合成气体中形成含水冷凝物而用于生成输出蒸汽和/或工艺蒸汽和/或用于锅炉给水的热脱气，其中该输出蒸汽和/或工艺蒸汽的生成和/或该锅炉给水的热脱气是在容器中进行，从这些容器中排放出排气流和淘析流，

-通过使用该psa工艺将该氢气从该冷却的合成气体中分离，其中获得了清洁氢气和psa残余气体，将该清洁氢气作为工艺产物排放，将该psa残余气体作为燃料气体再循环用于运行该重整炉的这些燃烧器。

本发明进一步涉及一种用于进行该方法的设备。

背景技术

此类方法和设备本身是已知的。用于催化蒸汽重整含烃进料气体的基础方法例如描述于ullmannsencyclopediaindustrialchemistry[乌尔曼工业化学百科全书]，第六版，第15卷，gasproduction[气体生产]，第2章。在升高的压力(例如在20至35巴下)和高温(例如800℃至950℃)下使进料气体即含烃气体(诸如例如天然气和蒸汽)穿过填充有催化剂的外部加热的反应器管。这些进料气体被转化为富含氢气和一氧化碳的合成气体。当使用天然气作为进料气体时，这种管式反应器常常被称为smr，并且该工艺被称为smr工艺(蒸汽甲烷重整装置(steam-methane-reformer)的缩写)。为了将该氢气级分从该合成气体中分离，常常采用变压吸附(psa)工艺，该工艺描述于相同的乌尔曼卷的第5.5.3章中。

对于该工艺的经济性，尽可能地使用加热这些进料气体和进行全部的吸热重整反应所耗费的热能用于蒸汽生成是重要的。与该含烃进料气体一起使用的蒸汽被称为工艺蒸汽。该工艺蒸汽通过再蒸发冷凝物(所谓的工艺冷凝物)获得，该冷凝物是在冷却合成气体时从该合成气体形成并沉积的。然而，该合成气体和烟道气的热含量超过生成该工艺蒸汽所需的热量。为了充分利用该过剩热，将其用于生成所谓的输出蒸汽，该输出蒸汽主要用于smr工艺之外。为了不使该输出蒸汽负载有来自该smr工艺的杂质，将新鲜的锅炉给水用于输出蒸汽的生成。利用该输出蒸汽的一部分来补偿在该工艺蒸汽生成过程中的淘析损失。

用于优化热回收的方法和设备例如描述于以下申请和专利说明书中：

de102004030246a1描述了用于通过蒸汽重整获得氢气的方法和装置，其中供应至脱气锅炉的锅炉给水流借助于热交换器通过从该锅炉中排放出的流来加热。

de102010020406a1描述了用于生产合成气体的方法，其中示出了通过与进料气体、天然气和空气热交换，以及通过蒸汽生成进行的从smr重整装置的产生的烟道气中的热回收。

de102010044939b3描述了用于在生产合成气体的重整反应器中生成工艺蒸汽和锅炉给水蒸汽的方法。示出了通过工艺产物流合成气体和烟道气与离析物流之间的热交换进行的热回收。

在其蒸发之前，使用于生成输出蒸汽的锅炉给水脱除其中含有的气体。这通过热脱气来完成。出于此目的，使该锅炉给水在轻微超压下在锅炉中沸腾。通常将排出的气体排放到大气中。排放到大气中的替代方案呈现于文献us2011/0239864a1中。在该文献中，提出将这些气体混合到热烟道气中，以便从而破坏该气体的有害成分。本发明的次要方面是提供其替代方案。

本发明的另一个次要方面是增加该蒸汽重整工艺所耗费的热能的利用率。将一小部分水从这些蒸汽锅炉中连续淘析，以避免杂质的积累。将这些淘析水通过压力释放从这些锅炉中排放出。在现有技术的方法和设备中，将减压过程中获得的蒸气排放到大气中。

技术实现要素：

该目的基本上通过根据权利要求1所述的方法并且通过根据本发明的具有如权利要求7所述的特征的设备得以解决。

根据本发明的方法：

一种用于由含烃进料气体和蒸汽生产氢气的方法，包括以下工艺步骤：

a)通过蒸汽重整将含烃进料气体转化为合成气体，该合成气体主要由氢气和一氧化碳组成，其中工艺蒸汽用于该蒸汽重整并且其中该重整在重整炉中进行，该重整炉配备有填充有催化剂的重整炉管和加热这些重整炉管的燃烧器，这些燃烧器用工艺内产生的燃料气体和/或含烃进料气体以及含氧进料气体运行，其中产生烟道气，

b)将a)部分中产生的该合成气体冷却至适合于处理该合成气体以便根据psa(变压吸附)工艺分离氢气的温度，其中冷却该合成气体包括将其用作传热介质通过在该合成气体中形成含水冷凝物而用于生成输出蒸汽和/或工艺蒸汽和/或用于锅炉给水的热脱气，其中该输出蒸汽和/或工艺蒸汽的生成和/或该锅炉给水的热脱气是在容器中进行，从这些容器中排放出排气流和淘析流，

c)通过使用该psa工艺将该氢气从根据步骤b)冷却的该合成气体中分离，其中获得了清洁氢气和psa残余气体，将该清洁氢气作为工艺产物排放，将该psa残余气体作为燃料气体再循环至步骤a)，

其特征在于

在步骤c)中，该psa残余气体通过与这些淘析流和/或排气流中的一种或多种间接热交换来加热。

根据本发明的设备：

一种用于由含烃进料气体和蒸汽生产氢气的设备，包括：

-重整炉，该重整炉配备有填充有催化剂的重整炉管和加热这些重整炉管的燃烧器，其中这些燃烧器适合于用工艺内产生的燃料气体和/或含烃进料气体以及含氧进料气体运行，

-用于该重整炉中产生的合成气体和烟道气的排放导管，

-至少一个用于冷却该重整炉中产生的该合成气体的冷却装置，其中该冷却装置与至少一个用于该输出蒸汽和/或工艺蒸汽的生成和/或该锅炉给水的热脱气的容器呈热交换关系，其中该至少一个容器包括用于排气流和/或淘析流的排放导管，

-psa设备，该psa设备包括用于冷却的合成气体的进料导管和用于清洁氢气和psa残余气体的排放导管，以及用于将该psa残余气体再循环至这些燃烧器的返回导管，

其特征在于

-通过与至少一种淘析流和/或排气流间接热交换来加热该psa残余气体的加热装置。

由于根据本发明的热交换，可以将该残余气体(在很多情况下以约30℃离开该psa设备)加热至大约80℃并且因此作为燃料气体供应至该smr重整装置的这些燃烧器。

本发明的优选方面

根据本发明的方法的优选方面是冷却该合成气体还包括与环境空气和/或冷却水的热交换。以此方式可以进行冷却，部分地独立于蒸汽生成的要求。

根据本发明的方法的另一个优选方面是根据权利要求1的步骤a)产生的该烟道气由于其在该输出蒸汽和/或工艺蒸汽的生成中用作传热介质而也被冷却。以此方式，该烟道气中存在的热能也得以利用。

根据本发明的方法的另一个优选方面是将该合成气体中形成的该冷凝物机械分离并且用作用于生成该工艺蒸汽的进料。该冷凝物的机械分离已充分建立已久并且不带来太高的能量和投资成本。

根据本发明的方法的另一个优选方面是对这些淘析流进行减压，将所得的减压气体和减压蒸气分离并且通过间接热交换用于加热该残余气体。因为该减压步骤无论如何是必需的，以便将这些淘析流从该工艺中排放出，所以未引起附加费用。将这些减压气体和蒸气运输至用于加热该残余气体的热交换器仅仅需要管道而不需要泵，而在许多情况下泵是运输液体淘析流所必需的。

根据本发明的方法的另一个优选方面是在与该psa残余气体热交换之后，将这些减压气体和减压蒸气以及这些排气流混合到用于运行这些燃烧器的该含氧进料气体中。将有害于健康和环境的成分通过燃烧破坏，即主要转化为二氧化碳和蒸汽，可以将它们与该烟道气一起输出到环境中。

根据本发明的设备的优选方面是该设备包括至少一个用于通过与环境空气和/或冷却水的热交换来冷却该合成气体的热交换器。通过这种技术装备，可以以更加独立于蒸汽生成的要求的方式进行冷却。

根据本发明的设备的另一个优选方面是该设备包括用于冷却该烟道气的热交换器，其中用于冷却该烟道气的该热交换器与至少一个用于该输出蒸汽和/或工艺蒸汽的生成和/或该锅炉给水的热脱气的容器呈热交换关系。当该热交换器突出到用于将该烟道气从该重整装置中排放出的通道中时是有利的，使得烟道气直接在热交换面周围流动。

根据本发明的设备的另一个优选方面是该设备包括用于分离该合成气体中形成的该冷凝物的机械分离装置，以及用于将该冷凝物从该分离装置中排放出的导管和用于将该冷凝物进料到用于该工艺蒸汽生成的容器的导管。机械液滴分离是有利的，因为它已充分建立已久并且不带来太高的能量和投资成本。

根据本发明的设备的另一个优选方面是该设备包括用于将该至少一种淘析流减压的减压装置、用于将在该至少一种淘析流的减压过程中产生的这些减压气体和减压蒸气分离的分离装置、以及用于进行这些减压气体和减压蒸气与该psa残余气体之间的间接热交换的热交换器。该方面是有利的，因为无论如何需要对这些淘析流减压以将这些淘析流从该工艺中排放出并且该减压装置并未引起附加费用。此外，有利的是，将这些减压气体和蒸气运输至用于加热该残余气体的热交换器仅仅需要管道而不需要泵，而在许多情况下泵是运输液体淘析流所必需的。

根据本发明的设备的另一个优选方面是该设备包括用于在与该psa残余气体进行该热交换之后的这些减压气体和/或减压蒸气和/或排气流的排放导管和用于将这些气体和/或蒸气混合到用于运行这些燃烧器的该含氧进料气体中的混合装置。有利的是，这种排放导管提供了通过燃烧破坏有害于健康和环境的成分，其中这些成分主要转化为二氧化碳和蒸汽，可以将它们与该烟道气一起输出到环境中。

具体实施方式

从以下示例性实施例和数值实例以及附图的描述也能够获取本发明的另外的特征、优点和可能的应用。描述的和/或说明的所有特征本身或以任何组合形成本发明的主题，独立于它们包含在权利要求或其反向引用。

根据本发明的方法将在下文参考附图中的图1进行解释，在附图中：

图1示出了根据本发明的设备的示例性实施例的流程图。

图1中表示的流程图示出了根据本发明的用于由含烃进料气体(诸如例如天然气和蒸汽)生产氢气的设备1的示例性实施例。仅示出了该设备或该方法的理解本发明所必要的部分。

在设计为管式炉的smr重整装置2中，将由天然气3和工艺蒸汽4组成的进料气体转化为合成气体5，该合成气体主要由一氧化碳和氢气组成。smr重整装置2通过燃烧器6加热，在此仅示出了其中的一个燃烧器，这些燃烧器用空气7和燃料气体8运行，其中产生烟道气9。为了利用合成气体5中和烟道气9中的包含的热量，将它们用作传热介质通过热交换器10a和10b用于加热蒸汽锅炉10，并且此外，合成气体5还通过热交换器11a用于加热脱气锅炉11。在脱气锅炉11中，将锅炉给水12热脱气并且经由导管13进料到蒸汽锅炉10中，在该蒸汽锅炉中使该锅炉给水蒸发为输出蒸汽14。烟道气9随后从该工艺中排放出以用于进一步处理。在冷凝物分离器15中，将该合成气体中形成的含水冷凝物16分离并且引入到蒸汽锅炉17中。在那里该含水冷凝物通过热交换器17a蒸发为工艺蒸汽4，其中将输出蒸汽14a的部分流用作传热介质并随后引入到脱气锅炉11中。在该冷凝物分离后，将合成气体5在psa设备18中处理，其中将氢气级分19从该合成气体中分离并且从该设备或该工艺中作为产物排放出以用于进一步处理。将该氢气分离后剩余的残余气体8在热交换器20中加热并且作为燃料气体供应至smr重整装置2的燃烧器6。

将淘析水21和22从蒸汽锅炉10和17引入到液体-气体分离器25中。将这些淘析水分别在阀23和24中减压。由于减压，一部分水蒸发。在分离器25中，使液体相和蒸气相分离。该蒸气相经由导管26进入冷凝物分离器28中。将水相从分离器25中排放出并且作为流27供应用于进一步处理。同样将从锅炉给水12中分离的气体和蒸气作为流29引入到冷凝物分离器28中。在冷凝物分离器28中，将气体和蒸气流26和29混合，将冷凝物分离并作为流30供应用于进一步处理。将气体-蒸气相31引入到热交换器20中，在其中它加热残余或燃料气体流8。将由此形成的冷凝物与热交换器20中的相31分离并且作为流32再循环至冷凝物分离器28中。在离开热交换器20之后，将流31的剩余气体部分引入到空气流7中并且随其供应用于燃烧。

工业实用性

通过本发明，在该已经商业上确立的用于生成氢气的方法中增加了工艺内重复利用的热能的量。因此，本发明是工业上实用的。

附图标记清单

1根据本发明的设备：

2smr重整装置

3天然气流

4工艺蒸汽

5合成气体

6燃烧器

7用于燃烧的空气

8残余气体/燃料气体

9烟道气

10用于输出蒸汽的蒸汽锅炉，具有热交换器10a、b

11具有热交换器11a的脱气锅炉

12锅炉给水，新鲜的

13锅炉给水，脱气的

14输出蒸汽，部分流输出蒸汽14a

15冷凝物分离器

16冷凝物

17用于工艺蒸汽的蒸汽锅炉，具有热交换器17a

18残余气体/燃料气体

19氢气

20热交换器

21淘析水

22淘析水

23阀

24阀

25液体-气体分离器

26蒸气相

27水相

28冷凝物分离器

29分离的气体

30冷凝物

31气体-蒸气相

32冷凝物