一种便于橇装的高效天然气转化制氢系统的制作方法

本实用新型属于天然气制氢技术领域，具体为一种便于橇装的高效天然气转化制氢系统。

背景技术：

用天然气(包括井采天然气、油田伴生气、页岩气等)生产氢气，首先需要将天然气转化为富含h2的转化气，再用气体分离方法，如变压吸附分离法和冷冻分离法等，以达到生产氢气的目的。

现行普遍采用的天然气转化制氢一般采用一段蒸汽转化法生产转化气，转化气再经变换即将转化气中的绝大部分co与转化气中残留的h2o反应变换为h2和co2，最后用气体分离方法分离出变换气中的氢气产品。

转化炉采用的是排管式燃烧辐射传热转化炉，根据炉体外形分为方箱炉、圆筒炉、梯台炉等，排管由一系列独立的转化管并联组成，在炉体内一般按立式有序排列，内装填转化催化剂，转化原料混合气(天然气+水蒸汽)从头到尾通过转化管内的催化剂床层发生烃类物质的转化反应，炉体为钢结构+耐火绝热材料。由于天然气的水蒸汽转化反应为强吸热反应，转化管内的转化反应所需热量通过炉体内转化管排管之间的燃料燃烧以辐射传热方式提供，为了防止火焰直接烧到转化管导致转化管破坏，要求燃烧器与炉管间必须保持一定的水平距离，这就造成转化炉体积非常庞大，即便是加氢站内现场制氢使用的小型制氢装置也非常不便于橇装。

转化管出口转化气温度一般为800～900℃，变换炉出口变换气温度一般为350～420℃，直接通过副产蒸汽、加热废锅给水等方式尽量回收，然后采用介质(空气或冷却水)冷却到40℃以下，分离冷凝的水分后即得到提取氢气用变换气。转化炉燃料主要为提取氢气后的尾气，但满足不了转化炉热量需求，不足的燃料气用少量天然气补充，即氢气生产过程的天然气总消耗由原料天然气和燃料天然气组成。转化制氢装置利用高温余热副产的水蒸汽，除满足本装置使用外，还有大量的水蒸汽剩余，普遍存在的天然气消耗高、副产的蒸汽需要外送消化的缺点，尤其是加氢站内使用的制氢装置，剩余的蒸汽根本就找不到消化的渠道。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种便于橇装的高效天然气转化制氢系统，本实用新型系统可大规模减小转化炉尺寸，减少转化所需燃料消耗，无需外送副产蒸汽，达到制氢系统便于橇装并提高天然气制氢效率的目的。

本实用新型目的通过以下技术方案来实现：

一种便于橇装的高效天然气转化制氢系统，包括依次连通的原料气加热器，混合气加热器以及刺刀式对流传热转化炉；

所述刺刀式对流传热转化炉还连通有烟气废锅；

所述刺刀式对流传热转化炉包括炉体，炉体内顶部设置有原料气集气室，中部设置有底部封闭的转化管，底部设置有燃烧室；所述转化管内设置有催化剂床层以及贯穿催化剂床层的刺刀式中心管，刺刀式中心管的底部伸入催化剂床层底部与转化管底部形成的空间内；

所述刺刀式中心管与混合气加热器，原料气加热器，变换单元，热回收单元，冷却分离单元以及氢气提取单元依次连通。

进一步，所述原料气加热器与混合气加热器之间还连接有原料气精脱硫单元。

进一步，所述氢气提取单元还与刺刀式对流传热转化炉的燃烧室连通。

进一步，所述燃烧室与鼓风机和天然气供应系统连通。

进一步，所述转化管和刺刀式中心管为多个。

进一步，所述烟气锅炉与锅炉给水系统连通。

本实用新型所述刺刀式对流传热转化炉为立式管壳式，燃料气燃烧生成的高温烟气c通过转化炉壳程，以对流方式向转化炉管内的转化反应提供热量，并通过刺刀式中心管回收转化气体b的部分高温热量。

利用本实用新型便于橇装的高效天然气转化制氢系统进进行天然气转化制氢的方法，包括以下步骤：

1)燃料气在刺刀式对流传热转化炉底部的燃烧室燃烧生成高温烟气c；

2)高温烟气c向上对转化管传热，使转化管内催化剂床层温度升高，为管内催化转化反应提供热量，降低温度后进入烟气废锅；

3)天然气经加热、精脱硫后与烟气废锅出来的水蒸汽混合，混合原料气a经预热后进入刺刀式对流传热转化炉顶部的原料气集气室，然后再进入装有催化剂床层的转化管内进行转化反应，得气体b；

4)出催化剂床层的气体b随即从底部进入刺刀式中心管，由下往上在刺刀式中心管内流动，并同时向刺刀式中心管外催化剂床层传递气体b的高温热量后出刺刀式对流传热转化炉；

5)出刺刀式中心管的气体b为混合原料气a和天然气的预热提供热量后依次经变换，废热回收，冷却分离，氢气提取得到氢气产品。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型针对现行普遍采用的天然气转化制氢装置存在的燃烧辐射传热转化炉体积庞大不便于橇装、天然气制氢效率较低、副产的蒸汽需外送消化的缺点，采用以刺刀式对流传热转化炉为核心而组织的制氢方法，利用燃料气燃烧后形成的高温烟气以对流传热方式向转化管内的催化转化反应提供热量，并通过转化管内的刺刀式中心管回收高温转化气高品位热能为转化反应提供部分热量，可大规模减小转化炉尺寸，减少转化所需燃料消耗，无需外送副产蒸汽，达到制氢装置便于橇装并提高天然气制氢效率的目的。

本实用新型系统用于天然气转化制氢时，系统的占地面积可比现行普遍采用的辐射传热转化炉减小占地面积约80～90％，节省天然气消耗5～10％，便于橇装，天然气制氢效率明显提高，非常适合于汽车加氢站等场地受限、不便于现场动火施工的制氢场合。

附图说明

图1为本实用新型便于橇装的高效天然气转化制氢系统的连通示意图；

图2为本实用新型刺刀式对流传热转化炉的结构示意图；

附图标记：1-刺刀式对流传热转化炉，101-炉体，102-原料气集气室，103-转化管，104-燃烧室，105-催化剂床层，106-刺刀式中心管。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型便于橇装的高效天然气转化制氢系统如图1所示，包括依次连通的原料气加热器，混合气加热器以及刺刀式对流传热转化炉1；

所述刺刀式对流传热转化炉1还连通有烟气废锅；

所述刺刀式对流传热转化炉1如图2所示，包括炉体101，炉体101内顶部设置有原料气集气室102，中部设置有底部封闭的转化管103，底部设置有燃烧室104；所述转化管103内设置有催化剂床层105以及贯穿催化剂床层的刺刀式中心管106，刺刀式中心管106的底部伸入催化剂床层105底部与转化管103底部形成的空间内；

所述刺刀式中心管106与混合气加热器，原料气加热器，变换单元，热回收单元，冷却分离单元以及氢气提取单元依次连通。

所述原料气加热器和混合气加热器之间还连通有原料气精脱硫单元。

所述氢气提取单元还与刺刀式对流传热转化炉1的燃烧室104连通。

所述燃烧室104与鼓风机和天然气供应系统连通。

所述转化管和刺刀式中心管为多个。

所述烟气锅炉与锅炉给水系统连通。

本实用新型便于橇装的高效天然气转化制氢系统中，原料气加热器将原料气预热到精脱硫需要的温度，混合气加热器负责将混合水蒸汽后的混合原料气加热到入转化炉需要的温度，刺刀式对流传热转化炉1负责使天然气与水蒸汽反应从而转化为富含氢气的转化气，变换单元负责使转化气中的co与水蒸汽反应变换为h2和co2，废热回收单元负责回收利用变换气的高温热量，冷却分离单元负责将热回收后的变换气进一步用水冷却到40℃以下并使变换气和冷凝水分离从而得到提取氢气所需的合格变换气，氢气提取单元负责从变换气中分离提取所需的氢气产品，烟气废锅负责利用高温烟气c的高温余热生产转化反应所需的水蒸汽。

刺刀式对流传热转化炉1的炉体101为整个转化炉提供支撑、实现与外界环境密封及隔热，原料气集气室102负责将入炉混合原料气a分配到转化管103中，转化管103通过装填的催化剂床层105作用完成天然气与水蒸汽的转化反应，刺刀式中心管106负责将生成的转化气体b导出转化炉并将转化气体b的高温热量传递给转化管103内的转化反应，燃烧室104为燃料与空气混合燃烧的区域，燃烧室104燃烧产生的高温烟气c对转化管103进行加热，使转化管103内催化剂床层105温度升高，为管内催化转化反应提供热量，降低温度后进入烟气废锅。

下述实施例1和实施例2采用上述便于橇装的高效天然气转化制氢系统实现。

实施例1

本实施例天然气转化制氢具体工艺过程如下：

1、燃料气在刺刀式对流传热转化炉的燃烧室燃烧生成1000～1300℃高温烟气c；

2、高温烟气c向上以对流方式向转化管传热，为管内催化转化反应提供热量，降低至500～700℃进入烟气废锅；

3、天然气经原料气加热器加热到380℃进入原料气精脱硫单元，经催化加氢精脱硫后与烟气废锅副产出来的水蒸汽混合进入混合气加热器，混合原料气a经预热到500℃进入刺刀式对流传热转化炉顶部的原料气集气室，然后再进入装有催化剂床层(装填有镍系催化剂)的转化管内进行转化反应，生成气体b，温度为900℃；

4、出催化剂床层的气体b随即从底部进入刺刀式中心管，由下往上在刺刀式中心管内流动，并同时向刺刀式中心管外催化剂床层传递气体b的高温热量后温度降至600℃出转化炉(刺刀式中心管)，出转化炉(刺刀式中心管)的气体b进入混合气加热器，为混合原料气a提供热量；

5、出混合气加热器的气体b进入原料气加热器，为原料天然气的预热提供热量，然后依次经变换单元，废热回收单元，冷却分离单元，氢气提取单元得到氢气产品，氢气提取单元产生的提氢尾气进入燃烧室燃烧。

实施例2

本实施例天然气转化制氢具体工艺过程如下：

1、燃料气在刺刀式对流传热转化炉的燃烧室燃烧生成1100℃高温烟气c；

2、高温烟气c向上以对流方式向转化管传热，为管内催化转化反应提供热量，降低至600℃进入烟气废锅；

3、天然气经原料气加热器加热到350℃后进入原料气精脱硫单元，经催化加氢精脱硫后与烟气废锅副产出来的水蒸汽一起进入混合气加热器，混合原料气a经预热到450℃进入刺刀式对流传热转化炉转化炉顶部的原料气集气室，然后再进入装有催化剂床层(装填有镍系催化剂)的转化管内进行转化反应，生成气体b，温度为800℃；

4、出催化剂床层的气体b随即从底部进入刺刀式中心管，由下往上在刺刀式中心管内流动，并同时向刺刀式中心管外催化剂床层传递气体b的高温热量后温度降至600℃出转化炉(刺刀式中心管)，出刺刀式中心管的气体b进入混合气加热器，为混合原料气a提供热量；

5、出混合气加热器的气体b进入原料气加热器，为原料天然气的预热提供热量，然后依次经变换单元，热回收单元，冷却分离单元，氢气提取单元得到氢气产品，氢气提取单元产生的提氢尾气进入燃烧室燃烧。

当符合燃料电池质量要求的氢气产量为250nm³/h时，本发明便于橇装的高效天然气转化制氢方法系统的外形尺寸l×w×h＝20m×2.4m×2.9m(含橇体架)，占地面积约48m²，便于整体运输和安装，天然气消耗量约99nm³/h，折合每1000nm³氢气消耗天然气约396nm³，比相同制氢规模采用现行燃烧辐射传热转化炉的天然气转化制氢方法系统节省占地约82％，节省天然气消耗约8％，且副产的蒸汽全部内部平衡，不需要外送消化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。