天然气重整制氢系统及方法

本发明涉及能源低碳利用领域，尤其涉及一种天然气重整制氢系统及方法。

背景技术：

1、氢广泛应用于能源、电力、化工、交通、冶金以及建筑等领域。目前制氢的方法有很多，相对来说天然气与水蒸汽重整制氢(smr)比较成熟。但是该方法重整反应温度多在850-1000℃，温度相对较高，气体在进入重整室前需要补燃，导致不可逆损失较大；smr系统制备的产物包含h2和co2，对两种气体分离功耗消耗较大，进一步加重了制氢系统的能耗。

2、因此，需要寻找一种工艺简单且制备得到的产物便于分离的制氢系统来解决上述问题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题中的至少之一或一部分，本发明提供了一种天然气重整制氢系统及方法，可实现能的梯级利用、制备得到的气体易于分离并且降低了反应过程的损失。

2、为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种电解水和天然气重整耦合制氢系统，包括：燃烧室、重整器、水气变换反应单元；

3、其中，燃烧室适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气；

4、重整器适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体；

5、水气变换反应单元适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将驰放气输入至燃烧室中，驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。

6、在其中的一个实施例中，还包括电解水装置，电解水装置为燃烧室提供氧气。

7、在其中的一个实施例中，重整器和水气变换反应单元之间设置有换热处理单元，适用于使重整气体与来自于水气变换反应单元的低温驰放气进行换热，使得换热后被加热的驰放气输入到燃烧室。

8、在其中的一个实施例中，水气变换反应单元包括：水气变换反应器，适用于使来自于换热处理单元的重整气体的一氧化碳与水蒸汽发生反应，得到包括氢气的混合气；以及变压吸附制氢装置，适用于使来自于水气变换反应器的包括氢气的混合气进行分离，收集部分氢气并得到驰放气，并将驰放气输入到换热处理单元。

9、在其中的一个实施例中，水气变换反应单元还包括冷凝器，适用于利用反应水对来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气进行降温，以排出分离后的水和二氧化碳，反应水被加热之后成为水蒸汽，并输入至水气变换反应器。

10、在其中的一个实施例中，来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气经过换热处理单元之后进入冷凝器。

11、作为本发明的另一个方面，提供了一种制氢方法，采用如上所述的制氢系统，该方法包括：

12、将驰放气和氧气通入至燃烧室内，进行燃烧并产生高温烟气；

13、将天然气通入至重整室内，与来自于燃烧室的一部分高温烟气在重整室内混合，并利用高温烟气的热量进行重整反应，得到重整气体；

14、将来自于重整室的重整气体，先经过换热处理单元进行降温处理，再将降温后的重整气体输入至水气变换反应器与水蒸汽混合反应并得到包括氢气的混合气；

15、包括氢气的混合气经过变压吸附制氢装置进行分离，收集部分氢气并得到低温驰放气，再将低温驰放气经换热处理单元升温后输入至燃烧室中。

16、在其中的一个实施例中，重整气体包括氢气、天然气和一氧化碳；高温烟气包括水蒸汽和二氧化碳。

17、在其中的一个实施例中，重整气体的温度为750-1000℃，高温烟气的温度高于重整气体温度20-100℃。

18、在其中的一个实施例中，还包括将燃烧室产生的另一部分高温烟气经过换热处理单元进行降温处理后，再利用通入的反应水在冷凝器中进行冷凝处理，得到分离后的水和二氧化碳，反应水被加热得到水蒸汽；将经过冷凝器后被加热的水蒸汽，通入至水气变换反应器中与降温后的重整气体混合反应，得到包括氢气的混合气；其中，降温后的重整气体的温度为200-400℃，重整气体在换热处理单元与来自于变压吸附制氢装置的驰放气进行换热。

19、基于本发明上述实施例的天然气重整制氢系统及方法，利用氧气和水气变换反应单元得到的驰放气在燃烧室进行混合并燃烧放出热量，产生高温烟气。高温烟气的一部分通入至重整器中与通入的天然气混合，发生重整反应并产生重整气体，其中，燃烧放出的热量提供给重整器中的重整反应。重整气体通入至水气变换反应单元，重整气体中的一氧化碳与通入的反应水进行反应，生成包括氢气的混合气，再进一步收集氢气并得到驰放气，将得到的驰放气通入至燃烧室中，进行利用，并且燃烧得到的高温烟气中只有水蒸汽和二氧化碳，较容易进行分离。使用本发明的制氢系统，通过将燃烧反应与重整反应的耦合，使得燃烧室产生的部分高温烟气作为反应物进入重整器，本发明实施例在能够合理利用高温烟气的热量和成分的同时，减少了水蒸汽的使用量，减少了预设预燃室等资源的浪费。本发明实施例采用了化学能的梯级利用的方法，从而降低反应过程的损失。

技术特征：

1.一种制氢系统，包括：

2.根据权利要求1所述的制氢系统，还包括电解水装置，所述电解水装置为所述燃烧室提供氧气。

3.根据权利要求1所述的制氢系统，其中，

4.根据权利要求3所述的制氢系统，其中，所述水气变换反应单元包括：

5.根据权利要求4所述的制氢系统，其中，所述水气变换反应单元还包括：

6.根据权利要求5所述的制氢系统，其中，来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气经过所述换热处理单元之后进入所述冷凝器。

7.一种制氢的方法，采用如权利要求1-6中任一项所述的制氢系统，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

9.根据权利要求7或8所述的方法，其中，所述重整气体的温度为750-1000℃，所述高温烟气的温度高于所述重整气体温度20-100℃。

10.根据权利要求7所述的方法，所述方法还包括：

技术总结
本发明提供了一种天然气重整制氢系统及方法，属于能源低碳利用技术领域。该系统包括：燃烧室、重整器和水气变换反应单元。燃烧室适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气；重整器适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体；水气变换反应单元适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将驰放气输入至燃烧室中；其中，驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。本发明的天然气制氢系统通过能量互补的方式为天然气重整过程提供反应热，使用了物理能和化学能的梯级利用，从而降低了反应过程的损失。

技术研发人员：韩巍,金红光,刘启斌,马文静
受保护的技术使用者：中国科学院工程热物理研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15