CN101323431A - 利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法及装置系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法，用高温烟气加热传热空气流；调整其温度使其到达转化装置时保持在265℃；将甲醇预热、汽化输入温度245℃－250℃转化装置内反应生成燃料氢气，将其贮存；贮存氢气达到使用压力输入炉窑点火燃烧，燃烧稳定停止烟气加热转化装置；输送传热空气流用炉窑余热将其加热，调温后用其加热转化装置；输送甲醇到转化装置内维持甲醇转氢反应；将生成的氢气引出、贮存，供炉窑连续燃烧使用。本发明用传热空气系统代替导热油系统实现甲醇制氢，使甲醇转化制氢设备大为简化，设备与运营成本大为降低，节能减排和保护环境、大大缓解国内石油燃料供应紧张的压力，便于推广应用。

Description

利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法及装置系统
技术领域
本发明属于工业炉窑余热在能源领域中的应用，确切地说是涉及利用工业炉窑余热，将甲醇转化为炉窑氢燃料的方法及所用装置系统。
背景技术
甲醇是传统的化工原料，由于其燃烧时热值低、具有腐蚀性、大气排放物污染严重，一直未作工业燃料使用。氢气是公认的零排放清洁燃料，目前主要是高纯度使用，将其作为一般工业炉窑的燃料鲜有报道。而甲醇是已知含氢最丰富的物质，利用甲醇转化制氢是当前应用最广泛的制氢工艺技术之一。目前这种制氢工艺，一般是用电加热的导热油作为甲醇转化成氢反应的热介质。使用这种工艺及设备存在的问题是：导热油循环加热系统与制氢系统相配套的压力容器制造和运行维护成本较高，经营中电耗成本较大，加之导热油使用寿命有限需要专业人员定期进行更换，所以这项制氢工艺仅在专业的纯氢生产部门中应用。
发明内容
本发明的目的是：针对目前利用甲醇转化制氢工艺及装备存在的上述问题，为用户提供一种简化现有甲醇转化制氢工艺、节能减排减少废热污染、有效降低制氢成本，利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法及装置系统。
本发明的目的是通过实施下述技术方案实现的：
一种利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法，其步骤是：
(一)启动炉窑燃烧：
A、用催化剂活化及保护系统，实现对转化装置中的催化剂进行活化；
B、取用燃烧的高温烟气，对作为传热媒质的流动空气进行加热；
C、降低与调整加热后的高温传热空气流的温度，使其到达转化装置时保持在250℃-265℃；
D、输送经过计量的液态甲醇，经预热、汽化后将其输入到装有催化剂、室温达到240℃-250℃的转化装置内；
E、转化装置内的汽态甲醇在催化剂作用下，发生转化反应生成燃料氢气，并将其贮存；
F、当贮存的燃料氢气达到使用压力时，将其输入炉窑进行点火燃烧，实现炉窑的启动燃烧；
(二)利用炉窑燃烧的余热加热所用传热空气流，保障甲醇在转化装置中的反应温度，为稳定生产氢气提供保障条件：
a、当炉窑燃烧稳定后，停止使用烟气为转化装置供热；
b、输送传热空气流，用炉窑中氢气燃烧的余热将该传热空气流加热；
c、将输送的高温传热空气流调温，保障其在到达转化装置时保持在250℃-265℃；
d、输送经过计量的液态甲醇，经预热、汽化后将其输入到转化装置内维持甲醇的转氢反应；
e、将反应生成的氢气引出、贮存，供炉窑连续燃烧使用。
所述输送经过计量的液态甲醇在到达转化装置前，需经过预热、汽化的步骤是指：液态甲醇在输送到达转化装置前，需要用受热的传热空气流对其分段加热：首先预热到60℃，接着加热到210℃使其汽化，再使汽态甲醇过热到230℃-240℃；最后将汽态甲醇送到240℃-250℃的转化装置中进行反应。
本发明利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的装置系统，包括有：炉窑、贮氢罐及往炉窑输送氢气带有贮氢罐出口阀的管路、助燃空气鼓风机及往炉窑输送空气的管路、甲醇燃料箱及带有开关阀和计量泵的甲醇输送管路、启动用燃烧器与启动用燃烧室，其特征在于：还有热媒空气鼓风机及与其连接的输送传热空气流的管路，该管路分为首尾依次连接的三段，前段管路与热媒空气鼓风机连接，第二段管路为设置在炉窑余热区、吸收余热、加热由热媒空气鼓风机输送的传热空气流的受热段，第三段为与受热段连接设置在炉窑外、通过热媒空气隔断阀与热媒调整室连接的管路；通过减温器开关阀与热媒调整室连接的减温器；通过热媒空气调节阀与热媒调整室连接的加热室；依次设置在加热室中的转化装置、过热装置和汽化装置，其中转化装置的顶部通过过热装置开关阀与过热装置顶部连接，转化装置的底部通过管路与贮氢罐连接；过热装置的顶部与汽化装置顶部连接，汽化装置的底部与甲醇输送管路连接；加热室的尾部通过引风机与烟囱连接；启动用燃烧室通过带有隔断阀的管路与热媒调整室连接；转化装置的顶部通过催化剂活化及保护系统接入阀与催化剂活化及保护系统连接；并分别在热媒调整室、加热室、转化装置、过热装置、汽化装置和贮氢罐上安装温度、压力测量仪表。
其附加技术特征是：
①、所述依次设置在加热室中的转化装置、过热装置和汽化装置，是指在每一段加热室内只设置一个装置，即是在第一段加热室内设置转化装置，在第二段加热室内设置过热装置，在第三段加热室内设置汽化装置，这三段加热室依序通过管路连接而构成一体。
②、在与助燃空气鼓风机连接往炉窑输送助燃空气的管路上，设置助燃空气预热器，热媒空气鼓风机输送传热空气流的所述第三段管路，作为助燃空气的预热段通过本助燃空气预热器。
③、在往汽化装置输送甲醇液体的管路上设置甲醇燃料预热器，热媒空气鼓风机输送的传热空气流穿过助燃空气预热器后的第三段管路，作为甲醇燃料的预热段通过本燃料预热器。
④、在与助燃空气鼓风机连接往炉窑输送助燃空气的管路，及贮氢罐往炉窑输送氢气燃料的管路的两个终端上，设置与炉窑配合的氢气燃烧器。
⑤、在助燃空气预热器与氢气燃烧器连接的管路上，设置助燃空气减压器。
⑥、在贮氢罐与氢气燃烧器连接的管路上，依次设置贮氢罐出口阀、氢气减压器及阻火器。
本发明所述装置系统的工作原理如下：
一、启动炉窑燃烧：
(1)、在炉窑未生火前，打开催化剂活化及保护系统接入阀与催化剂活化及保护系统连接，实现转化装置中催化剂的活化；
(2)，开启隔断阀、热媒空气隔断阀、热媒空气调节阀；启动热媒空气鼓风机，通过与其连接的输送传热空气流的管路，往热媒调整室及加热室输送传热空气流；
(3)、点燃启动用燃烧器，火焰在启动用燃烧室内燃烧，经过管道的高热烟气进入热媒调整室与输送来的传热空气流混合，调温后进入加热室；
(4)、开启甲醇燃料箱开关阀，甲醇燃料箱中的甲醇液体经计量泵计量后，通过输送管路进入汽化装置进行汽化，当汽化装置的温度达到210℃时，过热装置达到230℃-240℃，转化装置中温度达到240℃-250℃，进入转化装置中的汽态甲醇，在催化剂作用下发生转化反应生成燃料氢气；
(5)、生成的燃料氢气由管路输送到贮氢罐中贮存；
(6)、当贮氢罐中的燃料氢气达到使用压力时，启动助燃空气鼓风机，开启贮氢罐出口阀、燃料氢气通过氢气减压器、在氢气燃烧器中点燃，炉窑开始燃烧；
二、利用炉窑燃烧的余热加热所用传热空气流，保障甲醇在转化装置中的反应温度，为稳定生产氢气提供保障条件：
(7)、当炉窑燃烧稳定后，关闭隔断阀停止使用启动用燃烧器；
(8)、热媒空气鼓风机通过管路输送的传热空气流，在炉窑中的第二段管路(受热段管路)内吸收炉窑余热，然后由第三段管路带出，这段管路依次穿过助燃空气预热器、甲醇燃料预热器，先后将助燃空气和甲醇燃料预热，接着这段管路中的传热空气流进入热媒调整室，启动减温器开关阀，通过减温器调整热媒调整室中的传热空气流的温度，使进入加热室的传热空气流的温度保持在250℃-265℃；以保障甲醇在转化装置中的反应温度，为稳定生产氢气提供保障条件。
本发明的优点在于：
利用工业炉窑的余热，将甲醇转化为炉窑燃烧的氧气燃料；也可利用石油化工的反应热，将甲醇转化为氢气作为生产纯氢的原料。因而，本发明具有广阔的应用前景。
本发明与现有技术的显著区别在于：现有技术是用导热油完成甲醇转化制氢反应工艺的，具有设备系统结构复杂，使用导热油及压力容器成本高，特别是压力容器还具有制造难度大、条件要求高、不便于普及应用的缺点。
本发明的突出特点是：
(1)用传热空气流代替导热油完成甲醇转化制氢反应工艺，是用传热空气作为甲醇汽化、转化反应的热介质，而不用导热油，因而取消了传统的导热油循环加热系统，使甲醇转化制氢设备系统大为简化。
(2)由于本发明设备系统中的主要装置：转化装置、过热装置和汽化装置，都是非压力容器，为利用余热大规模地实现甲醇转化制氢创造了条件。
(3)采用炉窑余热受热的传热空气流，先后对炉窑燃烧的助燃空气预热、对甲醇燃料进行汽化前的预热，大大提高了炉窑余热的利用效率。
(4)本发明是将转化产生的富氢燃料(H2含量不少于70％)直接用作工业炉窑或电厂锅炉生产的燃料，这种即产即用的工艺流程，解决了H2使用中运输和贮存的难题，也节约了运营成本。
(5)本发明把甲醇转化制氢工艺，用于工业燃料的生产与使用过程，使H2这种以往可望不可及的高能清洁能源成为一种新的工业替代能源，具有广阔的应用前景。
综上所述，本发明比现有技术具有设备系统简化、技术条件要求低、设备成本及运营成本大为降低、提高能源利用的热效率、节能减排和保护环境、大大缓解国内石油燃料供应紧张的压力，便于推广应用和普及等突出优点。
附图说明
图1为本发明装置系统的结构示意图
图2为本发明一种加热室、转化装置、过热装置和汽化装置的结构示意图
图中标记：1为启动用燃烧器，2为启动用燃烧室，3为隔断阀，4为热媒调整室，5为减温器开关阀，6为减温器，7为热媒调整室温度计，8为加热室，9为加热室前端温度计，10为转化装置温度计，11为转化装置，12为催化剂活化及保护系统接入阀，13为过热装置，14为过热装置温度计，15为汽化装置，16为汽化装置温度计，17为加热室后端温度计，18为引风机，19为烟囱，20为甲醇燃料箱，21为甲醇燃料箱开关阀，22为计量泵，23为甲醇燃料预热器，24为热媒空气温度计，25为热媒空气隔断阀，26为热媒空气调节阀，27为氢储存罐压力表，28为助燃空气鼓风机，29为助燃空气预热器，30为助燃空气减压器，31为阻火器，32为氢气减压器，33为贮氢罐出口阀，34为贮氢罐，35为热媒空气鼓风机的传热空气流管路在炉窑余热区中的受热段，36为热媒空气鼓风机，37为炉窑的氢气燃烧器，38为工业炉窑，39为过热装置开关阀。
具体实施方式
现以陶瓷行业中的辊道窑为例，对本发明进行描述：
利用辊道窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法，其步骤是：
1、启动辊道窑燃烧：
A、用催化剂活化及保护系统实现对转化装置中的催化剂进行活化；
B、取用燃烧的高温烟气，对作为传热媒质的空气流进行加热；
C、调整加热后的高温传热空气流的温度，使其到达转化装置时保持在265℃；
D、输送经过计量的液态甲醇，经预热、汽化后将其输入到装有催化剂、室温达到245℃的转化装置内；
E、转化装置内的汽态甲醇在催化剂作用下，发生转化反应生成燃料氢气，并将其贮存；
F、当贮存的燃料氢气达到使用压力时，将其输入辊道窑进行点火燃烧，实现辊道窑的启动燃烧；
2、利用辊道窑的余热加热传热空气流，保障甲醇在转化装置中的反应温度，为稳定生产燃料氢气提供保障条件：
a、当辊道窑燃烧稳定后，停止使用烟气为转化装置供热；
b、输送传热空气媒质，用辊道窑中氢气燃烧的余热将该传热空气媒质加热成传热空气流；
c、将输送的高温传热空气流调温，保障其在到达转化装置时保持在265℃；
d、输送经过计量的液态甲醇，通过传热空气流先将其预热到60℃、接着加热到210℃使其汽化、然后再过热到240℃、最后送到245℃的转化装置中进行转氢反应；
e、将反应生成的燃料氢气引出、贮存，供辊道窑连续燃烧使用。
实施例1：利用辊道窑余热将甲醇转化为辊道窑氢燃料的装置系统装置系统包括有：辊道窑38、贮氢罐34及往辊道窑38输送氢气带有贮氢罐出口阀33的管路、助燃空气鼓风机28及往辊道窑输送助燃空气的管路、甲醇燃料箱20及带有其开关阀21和计量泵22的甲醇输送管路、启动用燃烧器1与启动用燃烧室2，其特征在于：还有热媒空气鼓风机36及与其连接的输送传热空气流的管路，该管路分为首尾依次连接的三段，前段管路与热媒空气鼓风机36连接，第二段管路为设置在辊道窑余热区、吸收余热、加热由热媒空气鼓风机36输送的传热空气流的受热段35，第三段为与受热段35连接设置在辊道窑外、通过热媒空气隔断阀25与热媒调整室4连接的管路；通过减温器开关阀5与热媒调整室4连接的减温器6；通过热媒空气调节阀26与热媒调整室4连接的加热室8；依次装置在加热室8中的转化装置11、过热装置13和汽化装置15，其中转化装置11的顶部通过过热装置开关阀39与过热装置13顶部连接，转化装置11的底部通过管路与贮氢罐34连接；过热装置13的顶部与汽化装置15顶部连接，汽化装置15的底部与甲醇输送管路连接；加热室8的尾部通过引风机18与烟囱19连接；启动用燃烧室2通过带有隔断阀3的管路与热媒调整室4连接；转化装置11的顶部通过催化剂活化及保护系统接入阀12与催化剂活化及保护系统连接；并分别在热媒调整室4、加热室8的前后端、转化装置11、过热装置13、汽化装置15上安装温度计，在贮氢罐34上安装压力表27；此外，在与助燃空气鼓风机28连接往辊道窑38输送助燃空气的管路上，设置助燃空气预热器29，热媒空气鼓风机36输送传热空气流的所述第三段管路，作为助燃空气的预热段通过本助燃空气预热器29；在往汽化装置15输送甲醇液体的管路上，设置甲醇燃料预热器23，热媒空气鼓风机36输送的传热空气流穿过助燃空气预热器23后的第三段管路，作为甲醇燃料的预热段通过本甲醇燃料预热器23；所述与助燃空气鼓风机28连接往辊道窑38输送助燃空气的管路，及与贮氢罐34连接往辊道窑38输送氢气燃料的管路，在这两条管路的终端，设置与辊道窑38配合的氢气燃烧器37；在所述助燃空气预热器29与氢气燃烧器37连接的管路上，设置助燃空气减压器30；在所述贮氢罐34与氢气燃烧器37连接的管路上，依次设置贮氢罐出口阀33、氢气减压器32和阻火器31。
实施例2：利用火电站锅炉余热将甲醇转化为电站锅炉氢燃料的装置系统本实施例的结构与实施例1基本相同，其区别仅在于：所述依次设置在加热室中的转化装置、过热装置和汽化装置，是指在每一段加热室内只设置一个装置，即是在第一段加热室内设置转化装置，在第二段加热室内设置过热装置，在第三段加热室内设置汽化装置，这三段加热室依序通过管路连接而构成一体。
本发明的方法和装置系统，同样可以推广到利用石油化工反应热将甲醇转化为氢气的工艺中，并将该工艺生产出的氢气作为生产纯氢的原料。

Claims (9)

1、一种利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的方法，其步骤是：
(一)启动炉窑燃烧：
A、用催化剂活化及保护系统，实现对转化装置中的催化剂进行活化；
B、取用燃烧的高温烟气，对作为传热媒质的流动空气进行加热；
C、降低与调整加热后的高温传热空气流的温度，使其到达转化装置时保持在250℃-265℃；
D、输送经过计量的液态甲醇，经预热、汽化后将其输入到装有催化剂、室温达到240℃-250℃的转化装置内；
E、转化装置内的汽态甲醇在催化剂作用下，发生转化反应生成燃料氢气，并将其贮存；
F、当贮存的燃料氢气达到使用压力时，将其输入炉窑进行点火燃烧，实现炉窑的启动燃烧；
(二)利用炉窑燃烧的余热加热所用传热空气流，保障甲醇在转化装置中的反应温度，为稳定生产氢气提供保障条件：
a、当炉窑燃烧稳定后，停止使用烟气为转化装置供热；
b、输送传热空气流，用炉窑中氢气燃烧的余热将该传热空气流加热；
c、将输送的高温传热空气流调温，保障其在到达转化装置时保持在250℃-265℃；
d、输送经过计量的液态甲醇，经预热、汽化后将其输入到转化装置内维持甲醇的转氢反应；
e、将反应生成的氢气引出、贮存，供炉窑连续燃烧使用。
2、按照权利要求1所述的甲醇转化为炉窑氢燃料的方法，其特征在于：所述输送经过计量的液态甲醇在到达转化装置前，需经过预热、汽化的步骤是指：液态甲醇在输送到达转化装置前，需要用受热的传热空气流对其分段加热：首先预热到60℃，接着加热到210℃使其汽化，再使汽态甲醇过热到230℃-240℃；最后将汽态甲醇送到240℃-250℃的转化装置中进行反应。
3、利用工业炉窑余热将甲醇转化为氢燃料的装置系统，包括有：炉窑(38)、贮氢罐(34)及往炉窑(38)输送氢气带有贮氢罐出口阀(33)的管路、助燃空气鼓风机(28)及往炉窑(38)输送空气的管路、甲醇燃料箱(20)及带有开关阀(21)和计量泵(22)的甲醇输送管路、启动用燃烧器(1)与启动用燃烧室(2)，其特征在于：还有热媒空气鼓风机(36)及与其连接的输送传热空气流的管路，该管路分为首尾依次连接的三段，前段管路与热媒空气鼓风机(36)连接，第二段管路为设置在炉窑(38)的余热区、吸收余热、加热由热媒空气鼓风机(36)输送的传热空气流的受热段(35)，第三段为与受热段(35)连接设置在炉窑(38)外、通过热媒空气隔断阀(25)与热媒调整室(4)连接的管路；通过减温器开关阀(5)与热媒调整室(4)连接的减温器(6)；通过热媒空气调节阀(26)与热媒调整室(4)连接的加热室(8)；依次设置在加热室(8)中的转化装置(11)、过热装置(13)和汽化装置(15)，其中转化装置(11)的顶部通过过热装置开关阀(39)与过热装置(13)顶部连接，转化装置(11)的底部通过管路与贮氢罐(34)连接；过热装置(13)的顶部与汽化装置(15)顶部连接，汽化装置(15)的底部与甲醇输送管路连接；加热室(8)的尾部通过引风机(18)与烟囱(19)连接；启动用燃烧室(2)通过带有隔断阀(3)的管路与热媒调整室(4)连接；转化装置(11)的顶部通过催化剂活化及保护系统接入阀(12)与催化剂活化及保护系统连接；并分别在热媒调整室(4)、加热室(8)、转化装置(11)、过热装置(13)、汽化装置(15)和贮氢罐(34)上安装温度、压力测量仪表。
4、按照权利要求3所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：所述依次设置在加热室(8)中的转化装置(11)、过热装置(13)和汽化装置(15)，是指在每一段加热室内只设置一个装置，即是在第一段加热室内设置转化装置(11)，在第二段加热室内设置过热装置(13)，在第三段加热室内设置汽化装置(15)，这三段加热室依序通过管路连接而构成一体。
5、按照权利要求3或4所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：在与助燃空气鼓风机(28)连接往炉窑(38)输送助燃空气的管路上，设置助燃空气预热器(29)，热媒空气鼓风机(36)输送传热空气流的所述第三段管路，作为助燃空气的预热段通过本助燃空气预热器(29)。
6、按照权利要求3或4所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：在往汽化装置(15)输送甲醇液体的管路上设置甲醇燃料预热器(23)，热媒空气鼓风机(36)输送的传热空气流穿过助燃空气预热器(29)后的第三段管路，作为甲醇燃料的预热段通过本燃料预热器(23)。
7、按照权利要求3或4所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：在与助燃空气鼓风机(28)连接往炉窑(38)输送助燃空气的管路，及贮氢罐(34)往炉窑(38)输送氢气燃料的管路的两个终端上，设置与炉窑(38)配合的氢气燃烧器(37)。
8、按照权利要求3或4所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：在助燃空气预热器(29)与氢气燃烧器(37)连接的管路上，设置助燃空气减压器(30)。
9、按照权利要求3或4所述的将甲醇转化为氢燃料的装置系统，其特征在于：在贮氢罐(34)与氢气燃烧器(37)连接的管路上，依次设置贮氢罐出口阀(33)、氢气减压器(32)和阻火器(31)。
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