一种利用焦炉煤气生产燃料电池用氢气的系统和方法与流程

本发明涉及焦炉煤气利用，尤其是涉及一种利用焦炉煤气生产燃料电池用氢气的系统和方法。

背景技术：

1、氢能被视为21世纪最具潜力的清洁能源，具有来源广泛、清洁无碳、灵活高效、下游应用场景丰富的特点。通过“电-氢-电”的转化方式，形成长时间或季节储备电量的最优方案，是一种新型的储能方式，并实现发电、储电、用电全过程零碳排放。从安全高效角度，氢能可以促进可再生能源的发展，通过电氢耦合的形式缓解电源侧和负荷侧空间错配的问题，促进能源供应和消费区域之间的平衡，提升能源体系的安全性和运作效率。

2、煤制氢和天然气制氢属于化石能源制氢，是现阶段发展较为成熟、应用较为广泛的制氢方式。煤炭价格在450-950元/吨时，煤制氢价格介于9.73-13.70元/kg；天然气价格在1.67-2.74元/m3时，天然气制氢价格介于9.81-13.65元/kg。相比于化石燃料制氢，工业副产氢在一定程度上能够降低环境污染，提高资源利用效率和经济效益。现有工业副产氢产能规模大，工业副产氢的成本约为9.29-22.40元/kg，具有一定的成本优势和规模优势，有望成为氢产业绿色化可行的过渡方案。受限于电价水平和初始固定投资成本较高，现阶段电解水制氢的成本仍较高，工业用电价格为0.4元/kwh时，在现有条件下碱性电解水制氢成本为29.9元/kg，pem电解水制氢成本为39.87元/kg。

3、焦炉煤气作为钢厂尾气的一种在国内存量巨大，据不完全统计每年有超过2千亿立方米焦炉煤气产出。焦炉煤气成分中有54-60％为h2，19-25％为ch4，可利用价值较大。如此大量焦炉煤气超过70％都被用作发电、燃料和民用燃气，部分焦炉煤气被直接火炬放空燃烧，能源有效利用率很低。

4、专利申请cn 111320528 a《一种钢厂尾气综合利用制乙醇的方法及系统》利用转炉煤气和高炉煤气提取一氧化碳，利用焦炉煤气提取氢气，一氧化碳和氢气通过合成甲醇制二甲醚羰基化后加氢制取乙醇。该工艺只适合钢厂附近同时具备几种尾气的场所，并且同时对各种钢厂尾气提纯过程复杂，设备投资较大；乙醇生产过程复杂，各步催化反应过程控制要求较高。

5、专利申请cn 115888313 a《焦炉煤气制燃料电池级氢气和管道天然气的产能调节工艺》虽然可以在一定范围内根据氢气和天然气市场需求通过调节工艺来达到产品要求，但调节过程复杂，且产品天然气组成和热值不稳定，容易出现质量问题。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种利用焦炉煤气生产燃料电池用氢气的系统和方法。本发明通过焦炉煤气提取氢气及甲烷，甲烷可以作为天然气外供给市政管网，也可以通过甲烷水蒸气重整进一步制取氢气；所得氢气可以通过进一步二级psa深度提纯得到燃料电池级氢气；得到的燃料电池级氢气既可以经本系统加压后充装到长管拖车并外送至加氢站使用，也可以通过本系统加氢站直接给氢气燃料电池汽车加注氢气。该系统生产方式灵活多变，可以充分利用焦炉煤气资源，并且过程中副产气也可以作为系统燃料气使用，提高资源利用效率的同时也可以大大提高工厂的经济效益。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、本发明的第一个目的是提供一种利用焦炉煤气生产燃料电池用氢气的系统，该系统包括：

4、焦炉煤气提氢/提甲烷单元、甲烷水蒸气重整制氢单元、二级psa深度提纯氢气单元、长管拖车充装单元和氢气燃料电池汽车加注单元；

5、所述焦炉煤气提氢/提甲烷单元所得甲烷输送至甲烷水蒸气重整制氢单元，所述焦炉煤气提氢/提甲烷单元所得氢气和甲烷水蒸气重整制氢单元所得氢气输送至二级psa深度提纯氢气单元，所述二级psa深度提纯氢气单元所得燃料电池级氢气分别输送至长管拖车充装单元和氢气燃料电池汽车加注单元。

6、在本发明的一个实施方式中，所述焦炉煤气提氢/提甲烷单元包括脱焦油装置、增压装置、吸附净化装置、co变换装置、脱硫装置、脱碳装置、精脱硫装置和co/co2脱除装置。

7、在本发明的一个实施方式中，所述脱焦油装置为电捕焦油器；

8、所述增压装置选自离心压缩机、隔膜压缩机或往复压缩机中的一种；优选地，所述增压装置为往复压缩机；

9、所述吸附净化装置为tsa变温再生吸附设备(具体为变温吸附塔)，旨在脱除苯、萘；

10、所述co变换装置(制取氢气)选自低温变换炉、中温变换炉或高温变换炉中的一种；优选地，所述co变换装置为低温变换炉；

11、所述脱硫装置(脱除硫化氢)为脱硫塔；脱硫塔采用湿法脱硫或干法脱硫；其中，湿法脱硫选自栲胶法、低温甲醇洗法或nhd脱硫中的一种，干法脱硫选自氧化锌法或氧化铁法中的一种；优选的，脱硫塔采用栲胶法脱硫；

12、所述脱碳装置(脱除二氧化碳)为脱碳塔，所述脱碳塔采用物理吸收法、化学吸收法、分子筛吸收法等，优选地，选用碳酸丙烯酯物理吸收法；

13、所述精脱硫装置(脱除有机硫)为脱硫反应塔和脱硫塔，采用两级加氢及氧化锌把关的方式；

14、所述co/co2脱除装置为精制反应器，所述精制反应器采用气体精制方式(脱除微量一氧化碳和二氧化碳)；

15、所述psa提甲烷/提氢装置为变压吸附塔，通过psa变压吸附制备得到氢气和甲烷，通过分子筛吸附剂将氢气与甲烷分离。

16、在本发明的一个实施方式中，所述甲烷水蒸气重整制氢单元包括原料气脱硫装置(通过物理脱硫和/或化学脱硫将h2s含量降低至＜0.01ppm)、甲烷转化装置(甲烷气和水蒸气在转化炉内反应转化成h2和co)、co变换装置(co和h2o通过中变反应转化成co2和h2)和变压吸附提氢装置(脱除杂质)。

17、在本发明的一个实施方式中，所述原料气脱硫装置为脱硫塔，甲烷转化装置为转化炉，co变换装置为co变换反应器，变压吸附提氢装置为变压吸附塔。

18、在本发明的一个实施方式中，二级psa深度提纯氢气单元包括脱氧塔(脱除氧气)、吸附塔(psa吸附塔：脱除杂质)、解吸气罐(储存解放气)、顺放气罐(储存顺放气)和氢气罐。

19、在本发明的一个实施方式中，长管拖车充装单元包括加压装置(压缩机)和装车装置(充装柱)。装车装置控制方式采用独有的程序控制方式节约了现场场地，提高空间利用率和充装效率。

20、在本发明的一个实施方式中，所述加压装置为隔膜压缩机(加压至20mpa)。

21、在本发明的一个实施方式中，氢气燃料电池汽车加注单元包括卸车装置(卸气柱)、压缩装置(压缩机)、储存装置(储存罐)、加注装置(充装柱)和控制装置(控制阀)。

22、本发明的第二个目的是提供一种利用焦炉煤气生产燃料电池用氢气的方法，使用上述系统，具体包括以下步骤：

23、(s1)焦炉煤气输送至焦炉煤气提氢/提甲烷单元，处理得到氢气、甲烷和解吸气(h2纯度＞99.99％，制得甲烷气中ch4含量＞81，h2含量＜8.5％，n2含量＜0.5，烷烃cnhm＜11％，甲烷热值≥8200kcal/m3)；

24、(s2)步骤(s1)得到的甲烷和解吸气输送至甲烷水蒸气重整制氢单元，处理得到氢气和副产物；

25、(s3)步骤(s1)得到的氢气和步骤(s2)得到的氢气输送至二级psa深度提纯氢气单元，处理得到燃料电池级氢气(h2纯度＞99.99％)和解吸气；

26、步骤(s2)得到的副产物重新输送至甲烷水蒸气重整制氢单元；

27、(s4)步骤(s3)得到的燃料电池级氢气一部分通过长管拖车充装外送(加压后的燃料电池级氢气通过系统管线及独有控制系统输送到充装站、充装站给长管拖车充装外送，外送至需求方)，另一部分直接给氢气燃料电池汽车加注(直接输送至加氢站，给氢气燃料电池汽车加注)；

28、步骤(s3)得到的解吸气输送至焦炉煤气提氢/提甲烷单元。

29、在本发明的一个实施方式中，步骤(s1)得到的甲烷也可以直接外送至天然气管网。

30、本发明的方法中，采用以焦炉煤气为主，甲烷为辅的原料构成方式，其中焦炉煤气可以提取甲烷和氢气，甲烷可以进一步重整制取氢气，系统产生氢气可以通过进一步psa深度提纯制取燃料电池级氢气，燃料电池级氢气根据系统生产需求可以通过长管拖车充装外送，还可以直接通过加氢站给氢气燃料电池汽车辆加注，实现了增强产品的灵活调配和提高原料利用效率的目的。

31、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

32、(1)本发明中原料-焦炉煤气经过净化提纯制取的氢气经过二级psa深度分离提纯制取燃料电池级氢气，燃料电池级氢气可根据需求通过长管拖车充装外送，或者通过厂内加氢站给氢气燃料电池汽车加注，该模式调节灵活可以改变现有加氢站运行过程压力波动，压缩机频繁启停的情况。

33、(2)本发明中原料-焦炉煤气中提取的甲烷气可以根据厂内氢气需求量多少进行甲烷水蒸气重整制氢或者通过管道外送至天然气管网；当燃料电池级氢气供应量不足时，焦炉煤气中提取的甲烷进行重整进一步制取更多氢气以满足生产需求，生产方式更加多样。

34、(3)本发明中焦炉煤气提氢/提甲烷单元产生的解吸气用作甲烷水蒸气重整制氢单元转化炉燃料气；本发明中甲烷水蒸气重整制氢单元产生的副产气用作甲烷水蒸气重整制氢单元燃料气；本发明中二级psa深度提纯氢气单元产生的解吸气返回至焦炉煤气提氢/提甲烷单元进行再回收利用；避免出现副产气直接排放的情况，能源利用率得到了提高。

35、(4)本发明可以广泛应用于焦化厂和钢厂等焦炉煤气富集区域，可有效提高焦炉煤气综合利用效率，同时减少排放，制备绿色清洁能源。