用于生产氢的设备和用于操作该设备的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及用于生产氢的设备，该设备包括：具有炉的蒸汽重整反应器，在该反应 器中水和至少一种碳能量载体反应以形成含氢粗合成气体；以及用于净化粗合成气体的至 少一个清洁装置，粗合成气体从蒸汽重整反应器经由至少一个供给管路供给到所述至少一 个清洁装置。本发明另外还包括用于操作该设备的方法。
【背景技术】
[0002] 所有能够用作合成反应的初始材料的含氢气体混合物原则上称为合成气体。合成 气体所用于的典型合成是甲醇和氨的合成。合成气体分解成单独组分C0、H 2、C02、H20和ch4 同样形成用于重整设备的广泛的应用领域。
[0003] 合成气体的生产原则上能够从固体、液体和气体初始材料进行。从气体反应物产 生合成气体的最重要方法（所谓的重整）通常利用天然气作为反应物。天然气基本上是气 态烃的混合物，其成分根据原始场所变化，其中主要组分始终是甲烷（ch 4)，且作为另外的 组分，例如，能够存在具有两个或更多个碳原子的较高的烃以及诸如硫的杂质。
[0004] 为了重整天然气以形成合成气体，主要使用所谓的蒸汽重整，其中存在的甲烷在 催化剂存在时主要根据以下反应方程式进行转化以形成氢（H 2)、一氧化碳（C0)和二氧化碳 (C〇2)：
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[0006] 和
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[0008] 当使用合适的催化剂时，且蒸汽被添加时，此外，根据所谓的富气体反应发生形成 甲烷的较高的烃的裂解：
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[0010] 利用水进行的甲烷转化以形成一氧化碳的较高吸热特性控制蒸汽重整的总焓。该 过程所需的能量输入（其因此是总体吸热的）通常经由外部加热器（所谓的炉）实现。为 此目的，碳能量载体的总蒸汽被分割且第一部分作为反应物引入蒸汽重整中，而第二部分 作为燃料气体供给到炉中。原则上，而且，不同的碳能量载体能够被供给到蒸汽重整和炉 中。
[0011] 甲烷转化能够通过增加蒸汽-碳比率，即通过超化学计量地添加蒸汽来产生。
[0012] 随后对合成气体的净化取决于合成气体的成分。如果合成气体包含在下游过程中 进一步使用的氢，则为了净化氢，压力摆动吸附（通常也为PSA)通常被执行。
[0013] 压力摆动吸附（PSA)是借助于吸附在压力下分离气体混合物的物理方法。专用多 孔材料（比如，例如，沸石或活性碳）此处用作吸附剂。气体在10到80巴的高压力下引 入填充有吸附剂的固定床反应器，并且因此气体流过固定床。混合物的一个或更多个组分 (所谓的重质组分）然后被吸附。在床的出口处，所谓的轻质组分（在该情形中氢）能够被 取出。在一定时间之后，吸附器床基本上饱和，且某些重质组分共存。此时，经由阀，该过程 以轻质组分的出口被关闭且重质组分的出口被打开这样的方式被切换。这伴随压力下降。 经由低的压力，然后，吸附的气体被再次解吸且能够在出口处被脱去。通常，两个交替地加 载的和排放的吸附器被连接，且因此连续的操作是可能的。
[0014] 如果合成气体还包含一氧化碳，净化通常还包括C02去除器、合成气体干燥单元和 低温合成气体分离设备或低温合成气体分离设备（C0冷箱）。
[0015] C02去除器通常是洗涤器，其中胺或碳酸盐被用作洗涤介质。在该情形中，在第一 步骤中，C02积聚在洗涤介质中并且然后与洗涤介质一起被转移到第二分离步骤。在第二步 骤中，洗涤介质和C0 2再次彼此分离，据此C0 2能够以浓缩形式被脱去。
[0016] 在干燥中，仍源自蒸汽重整的水从合成气体去除。干燥单元通常是温度摆动吸附 单元（TSA)。
[0017] 在低温分离设备中，C0气体从仍存在于合成气体中的其它组分分离。
[0018] 除C0气体之外，在低温分离设备中，富含氢的流和一种或更多种残留气体流产 生。为了净化富含氢的流，通常使用压力摆动吸附，其将氢从所谓的PSA残留气体分离出 来。
[0019] 根据单独净化阶段的可能连接变量，残留气体包含未反应的甲烷、较高值的烃、 C02、H20、惰性气体（比如氮和氩）以及还有未分离的氢。
[0020] 残留气体再循环到吸热蒸汽重整炉。所需的另外燃料气体的量因此能够减少，因 为残留气体通常具备重要的热值。此外，以该方式，残留气体不需要进一步增加或在火焰中 燃烧。
[0021] US 2, 667, 410描述了用于控制从蒸汽重整过程产生的合成气体的质量的方法，集 中于在净化中形成的残留气体。在该情形中，通过测量未反应的甲烷和反应温度，以形成的 合成气体总是具有下游氨合成所需的相同成分这样的方式调节供应的甲烷的量。
[0022] US 2010/0255432 A1公开了用于启动蒸汽重整反应器的方法，其中燃料气体和惰 性气体的混合物被产生，其具有一种成分，使得加热输出对应于在利用残留气体的再循环 的稳态操作中的加热输出的25%。蒸汽重整器的炉子在启动期间使用该混合物操作。
[0023] 残留气体再循环的问题是利用清洁装置可能总是出现故障。然而，蒸汽重整反应 器对在炉室中的压力波动非常敏感。控制范围通常略低于在-1至-l〇mm水的压力。在气 体清洁过程中的一个故障的情况下，故障的清洁阶段且也可能所有随后的清洁阶段必须立 即关闭。通常，然后，粗合成气体简单地在火焰中燃烧。由于残留气体的损失，当一个或更 多个清洁阶段被切断时，引入炉中的燃料气体的总量下降，该气体在标准操作期间由燃料 气体和再循环残留气体组成。这导致燃烧室中的压力下降，作为压力下降的结果，整个重整 器设备的紧急关停可能发生。
[0024] 此处的问题是假如整个蒸汽重整出故障，则出现24小时和更多的闲置时间。这远 远超过对于清洁阶段的重新启动所需要的闲置时间（例如，低温合成气体分离设备4至8 小时，OV冼涤1-3小时，压力摆动吸附1至3小时）。因此，避免由于来自一个清洁设备的 一个再循环流的损失造成的整个过程被切断是绝对必要的。
[0025] 在源自净化的残留气体的损失的情况下的压力突然下降的问题现今实际上已经 通常被解决，因为在蒸汽重整器炉上打开错误的气瓣，借此，错误的空气被抽入炉中。
[0026] 然而，该程序的缺点是通过抽入冷环境空气，炉室和燃料气体废热系统中的温度 极大地下降。因此，在重整器炉的炉侧和过程侧上可能发生相当大的温度波动，由于该原 因，然后无论如何最终必须切断重整过程。
【发明内容】
[0027] 因此，本发明的目的是提供一种设备，利用该设备，甚至在连接在蒸汽重整反应器 下游的清洁装置出故障的情形下，蒸汽重整反应器的操作也能够继续维持。
[0028] 该目的通过一种用于生产氢的设备实现：该种类型的设备具有蒸汽重整反应器， 在该蒸汽重整反应器中，水和至少一种碳能量载体（优选地由按重量计至少80%的甲烷组 成的气体）反应以形成含氢的粗合成气体。该反应吸热地进行，由于该原因，蒸汽重整反应 器配备有炉，至少一种加热剂（优选地可燃烧气体（也称为燃料气体））被引入炉中并在其 中燃烧。产生的热提供蒸汽重整反应所需的热。此外，该设备包括至少一个清洁装置，在粗 合成气体中存在的至少一种组分（例如氢）在所述至少一个清洁装置中净化，所述粗合成 气体从所述蒸汽重整反应器经由至少一个供给管路被供给到所述清洁装置。最后，在所述 至少一个清洁装置中的一个清洁装置的上游，至少一个返回管路从所述至少一个供给管路 分