一种精确控制蒸汽流量的天然气水蒸气制氢系统的制作方法

本发明涉及一种天然气水蒸气制氢系统，尤其是涉及一种精确控制蒸汽流量的天然气水蒸气制氢系统。

背景技术：

天然气水蒸气制氢工艺(SMR)发展已经较为成熟，现有的SMR工艺主要流程为天然气经加氢脱硫后与第一股水蒸气混合进入预转化炉，多碳烷烃经过预转化生成氢气和一氧化碳，然后再与第二股蒸汽混合进入转化炉，生成含有氢气、二氧化碳、一氧化碳等组份的合成气，合成气再进入高变反应器将一氧化碳转化为二氧化碳、氢气，合成气再回收热量后，通过PSA提纯得到氢气，PSA尾气返回转化炉燃烧回收热量。

天然气水蒸气重整反应为强吸热可逆反应，反应时体系温度为720℃～870℃，并且使用耐高温的镍基催化剂催化，通过燃烧天然气来提供能量。在整个反应过程中，水蒸气量的控制及其重要：1、水蒸气量的多少直接影响到反应平衡，水蒸气少则甲烷等不利于反应；2、多余的水蒸气在系统中循环不发生反应，并需要大量热能加热，影响装置的热效率；3、在装置负荷低时，引入适量的水蒸气来带走多余的热量，保护炉管和催化剂。

查阅有关文献也发现一些工艺需要根据天然气的量来控制蒸汽流量，只是按固定比例来控制蒸汽流量。然而天然气的组分是会波动的，水蒸气量不能随天然气组分变化而变化，从而不能实现精确控制，即不利于企业节约成本，也不符合节能减排的目标。尤其当遇到天然气中重组分较多时，则会出现水蒸气量不够的情况，从而影响反应效率，影响催化剂的寿命。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种精确控制蒸 汽流量的天然气水蒸气制氢系统，利用天然气在线分析仪得出天然气各个组分的组成，在根据各组成需要的水蒸气量来控制总的蒸汽用量。这样做即有效的节约燃料用量，做到了节能减排，又保证了反应的需要，保护炉管和催化剂。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种精确控制蒸汽流量的天然气水蒸气制氢系统，包括依次连接的预转化炉、转化炉、高变反应器、变压吸附制氢装置(PSA)，天然气进料管与预转化炉的入口相连，所述的天然气进料管上设置有天然气分析仪。

所述的天然气分析仪为色谱分析仪，设置在进料管的口部，分析进料的天然气的组成成分。

所述的色谱分析仪为市售的型号为NG8200的天然气色谱分析仪。

所述的天然气进料管上还设有天然气进料流量计。

所述的预转化炉的进气口及出气口分别设有蒸汽输入管道。

所述的蒸汽输入管道上设有蒸汽流量计和蒸汽调节阀。

所述的蒸汽流量计和蒸汽调节阀与天然气进料管上设置的天然气进料流量计联动使用，调节天然气和蒸汽的输入量。

设置在预转化炉进气口的蒸汽输入管道输入蒸汽保证系统所需蒸汽的最低流量。

设置在预转化炉出气口的蒸汽输入管道输入蒸汽保证系统所需的最低热值。

由于使用的天然气来自外部，天然气平均组分92％CH₄、4％C₂H₆、3％C₃H₈、1％C₄H₁₀、小于1％的C₅H₁₂、少量的S和N₂。甲烷含量会在88％至94％之间波动，其他组分也随之波动，导致反应过程中所需要的水蒸气一直在变化。

反应方程式：CH₄+H2O→3H2+CO-Q

C₂H₆+2H₂O→5H₂+2CO-Q

C₃H₈+3H₂O→3H₂+7CO-Q

C₄H₁₀+4H₂O→4H₂+9CO-Q

C₅H₁₂+5H₂O→5H₂+11CO-Q

CO+H₂O→H₂+CO₂+Q

从以上方程式可以看出，每种烷烃分子需要的水分子是不一样的，而每个碳原子在反应中只需要一个水分子参与反应，所以只要得出天然气中的总的碳原子量即可知道需要多少的水蒸气。另外再配合两股蒸汽流量，第一股蒸汽流量需要保证所 有炉管所需的最低流量，第二股蒸汽流量需保证炉子所需的最低热值，即可实现精确控制。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本方法能够实现水蒸气量的精确控制，减少燃料消耗，节约成本。

2、本方法能够保护炉管，有效的带走热量，防止炉管弯曲。

3、本方法能够保护催化剂，防止水蒸气过少，影响催化剂性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图中，1-预转化炉、2-转化炉、3-高变反应器、4-变压吸附制氢装置、5-天然气进料流量计、6-第一蒸汽流量计、7-第二蒸汽流量计、8-第一蒸汽调节阀、9-第二蒸汽调节阀、10-天然气分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种精确控制蒸汽流量的天然气水蒸气制氢系统，其结构如图1所示，包括依次连接的预转化炉1、转化炉2、高变反应器3、变压吸附制氢装置4，天然气进料管与预转化炉1的入口相连，在天然气进料管上设置有天然气分析仪10，在本实施例中，使用的是型号为NG8200的色谱分析仪，设置在进料管的口部，分析进料的天然气的组成成分，天然气进料管上还设有天然气进料流量计5。

在预转化炉1的进气口及出气口分别设有蒸汽输入管道。在进气口上设置的蒸汽输入管道上设有第一蒸汽流量计6和第一蒸汽调节阀8，出气口上设置的蒸汽输入管道上设有第二蒸汽流量计7和第二蒸汽调节阀9。可以与天然气进料管上设置的天然气进料流量计5联动使用，调节天然气和蒸汽的输入量。

由于使用的天然气来自外部，天然气平均组分92％CH₄、4％C₂H₆、3％C₃H₈、1％C₄H₁₀、小于1％的C₅H₁₂、少量的S和N₂。甲烷含量会在88％至94％之间波动，其他组分也随之波动，导致反应过程中所需要的水蒸气一直在变化。

反应方程式：CH₄+H2O→3H2+CO-Q

C₂H₆+2H₂O→5H₂+2CO-Q

C₃H₈+3H₂O→3H₂+7CO-Q

C₄H₁₀+4H₂O→4H₂+9CO-Q

C₅H₁₂+5H₂O→5H₂+11CO-Q

CO+H₂O→H₂+CO₂+Q

从以上方程式可以看出，每种烷烃分子需要的水分子是不一样的，而每个碳原子在反应中只需要一个水分子参与反应，所以只要得出天然气中的总的碳原子量即可知道需要多少的水蒸气。另外再配合两股蒸汽流量，预转化炉开1进气口处的第一股蒸汽流量需要保证所有炉管所需的最低流量，出口处的第二股蒸汽流量需保证炉子所需的最低热值，即可实现精确控制。

本发明利用天然气在线分析仪得出天然气各个组分的组成，在根据各组成需要的水蒸气量来控制总的蒸汽用量。这样做即有效的节约燃料用量，做到了节能减排，又保证了反应的需要，保护炉管和催化剂。