CN103420440B - 使用来自蒸汽-烃重整过程的能量的水纯化 - Google Patents

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Abstract

一种从联合的催化蒸汽-烃重整和热水纯化过程生产含H2产物气体和纯化水的方法。在多效蒸馏过程和多阶段闪蒸过程的一个之中，用来自催化蒸汽重整过程的重整产物通过间接热传递加热原水，例如盐水，以纯化原水。

Description

使用来自蒸汽-烃重整过程的能量的水纯化
相关申请的交叉引用
本专利申请请求2012年5月18日提交的题为“Salt WaterDesalination Using Energy from Steam-Hydrocarbon ReformingProcess(使用来自蒸汽-烃重整过程的能量的盐水脱盐)”的临时申请序列号61/648,662的优先权，其内容在此通过引用并入。
背景
水的纯化，例如使用多阶段闪蒸(MSF)或多效蒸馏(MED)使盐水热脱盐，是一种从低压、高品质的蒸汽能量源接收热量的过程。在该过程中，用普通锅炉技术产生低压蒸汽(参见，例如，美国专利号4,338,199和5,441,548)。
已知使用其它能量形式用于脱盐。例如，美国专利号5,421,962将太阳能利用于脱盐过程，U.S.2011/0162952利用来自气化过程的能量，而U.S.2011/0147195使用来自发电厂的废热用于脱盐过程。
工业界期望利用来自催化蒸汽-烃重整过程(catalyticsteam-hydrocarbon reforming process)的废热。催化蒸汽-烃重整过程在各种状况下释放大量废热。一种状况是当能量成本低且在热量回收上花费较少资本时。另一种状况是当所述过程由于缺乏输出蒸汽需求而不生产大量的高压输出蒸汽时。低的或零输出蒸汽产量减少了用于该过程的热沉(heat sink)，导致大量废热。
工业界期望在水源紧张的区域生产纯化水。这样的水可用作催化蒸汽-烃重整过程中的补充水，使所述过程对水自足。水还可作为产品销售用于工业和市政用途。
工业界期望降低或消除催化蒸汽-烃重整工厂中的水处理成本。目前，需要在催化蒸汽-烃重整工厂中处理补充水以使其符合用于锅炉进水的要求。这些处理包括过滤以去除颗粒、脱矿物质以去除矿物质和脱气以去除可溶气体例如O2和CO2。
工业界期望降低催化蒸汽-烃重整过程的资本和能量成本。催化蒸汽-烃重整过程的热效率取决于低水平热量的利用。当能量成本高时，为了更好的热效率或更低的能量成本，回收更多低水平热量。然而，回收更多热量意味着使用更多和/或更大的换热器，导致更高的资本成本。相反地，当能量成本低时，牺牲热效率或能量成本以使换热器的资本成本最小化。
概述
本发明涉及一种生产含H2产物和生产纯化水的方法。
本发明将催化蒸汽-烃重整过程与热水纯化过程联合。
这种联合提供低成本能量源用于热水纯化。这种联合还为催化蒸汽-烃重整过程提供新的热沉(即用于热水纯化的热量)和高纯度水源。本发明使用这种新的热沉和高纯度水源来重新配置合成气热量回收系统、简化水处理系统并再平衡催化蒸汽-烃重整过程的蒸汽和轴功生产，从而满足上述工业需要。
所述方法有若干方面，如下概述。
方面1.一种方法，其包含
(a)将重整器进料气体混合物引入重整器炉内的多个含催化剂的重整器管中，使所述重整器进料气体混合物在重整反应中在有效形成包含H2、CO、CH4和H2O的重整产物的反应条件下反应，并从所述多个含催化剂的重整器管中取出所述重整产物；
(b)在第一换热器中，用从所述多个含催化剂的重整器管中取出的所述重整产物通过间接热传递加热来自蒸汽鼓的饱和锅炉进水，由此形成压力为1.5-12.5MPa(绝对)的高压蒸汽，其中所述重整器进料气体混合物包含所述高压蒸汽；
(c)在第二换热器中，用来自所述第一换热器的重整产物通过间接热传递加热锅炉进水，并将所述加热的锅炉进水引入所述蒸汽鼓中；
(d)使来自所述第二换热器的重整产物在变换催化剂存在下在反应条件下反应，所述反应条件在所述重整产物中有效形成另外的氢；
(e)用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热原水，由此通过热水纯化过程加热所述原水用于其纯化以产生纯化水，并由此冷却所述重整产物流；
(f)在第三换热器中，用来自步骤(e)的重整产物通过间接热传递加热补充水，由此将所述重整产物冷却至25℃-65℃的温度；
(g)分离来自步骤(f)的重整产物以产生所述含H2产物和副产物气体；和
(h)在所述重整器炉内在所述多个含催化剂的重整器管的外部用氧化剂气体使燃料在一定条件下燃烧，所述条件有效使所述燃料燃烧以形成燃烧产物气体并产生热量，以提供用于使所述多个含催化剂的重整器管内的重整器进料气体混合物反应的能量，以及从所述重整器炉中取出燃烧产物气体。
方面2.方面1的方法，其中所述原水包含盐水，所述热水纯化过程为脱盐过程，且所述纯化水为脱盐水。
方面3.方面1或方面2的方法，其中所述原水包含来自蒸汽甲烷重整过程的过程冷凝物。
方面4.方面1-3中任一个的方法，其中所述原水包含以下的至少一种：河水、溪水、湖水、城市再循环水、工业再循环水和地下水。
方面5.方面1-4中任一个的方法，其中所述热水纯化过程是多效蒸馏过程或多阶段闪蒸过程。
方面6.方面1-5中任一个的方法，其中所述补充水包含所述纯化水。
方面7.方面6的方法，其中所述补充水包含所述纯化水，不通过过滤、脱矿物质或脱气来处理所述纯化水。
方面8.方面1-6中任一个的方法，其中所述补充水由所述纯化水组成。
方面9.方面8的方法，其中所述补充水由所述纯化水组成，不通过过滤、脱矿物质或脱气来处理所述纯化水。
方面10.方面1-9中任一个的方法，其中步骤(a)中有效形成的重整产物的所述反应条件包括500℃-1000℃的第一温度和203kPa-5,066kPa(绝对)的第一压力。
方面11.方面1-10中任一个的方法，其中步骤(d)中有效形成重整产物中另外的氢的所述反应条件包括190℃-500℃的第二温度和203kPa-5,066kPa(绝对)的第二压力。
方面12.方面1-11中任一个的方法，其中所述通过间接热传递加热原水的步骤不包括加热中间工作流体。
方面13.方面1-11中任一个的方法，其中所述通过间接热传递加热原水的步骤包含用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热工作流体，和用所述工作流体通过间接热传递加热所述原水。
方面14.方面13的方法，其中所述工作流体为水，其中所述工作流体水在被来自步骤(d)的重整产物加热时蒸发形成压力为15.2kPa-304kPa(绝对)的第一蒸汽流，且其中所述第一蒸汽流在加热所述原水时冷凝。
方面15.方面14的方法，其中所述第一蒸汽流的压力为20.3kPa-132kPa(绝对)。
方面16.方面14或方面15的方法，其中0.05＜X＜1.2，其中X为所述第一蒸汽流的质量流率与所述补充水的质量流率之比。
方面17.方面14-16中任一个的方法，其中：
所述水蒸发形成压力为280kPa-608kPa的第二蒸汽流；
来自步骤(d)的重整产物加热所述第二蒸汽流，然后加热所述第一蒸汽流；
所述第二蒸汽流在蒸汽涡轮内膨胀以产生轴功，然后加热所述原水；
所述第二蒸汽流在加热所述原水时冷凝。
方面18.方面17的方法，其中所述第二蒸汽流的压力为280kPa-405kPa。
方面19.方面1-18中任一个的方法，其中在步骤(g)中通过压力摇摆吸附来分离所述重整产物，以产生所述含H2产物和所述副产物气体。
方面20.方面1-19中任一个的方法，其中在步骤(h)中燃烧的燃料包含所述副产物气体。
方面21.方面1-19中任一个的方法，其还包含：
用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热锅炉进水，然后用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热所述原水，其中所述锅炉进水在步骤(c)中被加热之前被来自步骤(d)的重整产物加热；和
用来自步骤(e)的重整产物通过间接热传递加热烃原料，其中所述重整器进料气体混合物包含所述烃原料。
方面22.方面1-21中任一个的方法，其还包含：
使所述高压蒸汽的一部分在蒸汽涡轮内膨胀以产生轴功；
在所述热水纯化过程中，用来自所述蒸汽涡轮的膨胀蒸汽通过间接热传递加热所述原水，由此加热所述原水用于其纯化。
几个附图的简述
图1是联合的蒸汽-烃重整过程和多阶段闪蒸过程的过程流程图，其中用重整产物通过间接热传递加热原水，不使用工作流体。
图2是联合的蒸汽-烃重整过程和多效蒸馏过程的过程流程图，在其中用重整产物通过间接热传递加热原水，不使用工作流体。
图3是联合的蒸汽-烃重整过程和多阶段闪蒸过程的过程流程图，其中用重整产物通过间接热传递加热原水，使用工作流体。
图4是联合的蒸汽-烃重整过程和多效蒸馏过程的过程流程图，在其中用重整产物通过间接热传递加热原水，使用工作流体。
详述
当应用于说明书和权利要求中描述的本发明的实施方案中的任何特征时，本文所用的冠词“一个”指一个或多个。“一个”的使用不将含义限制在单个特征，除非具体声明了这种限制。单数或复数的名词或名词短语前面的冠词“该”表示特定的具体特征，而且取决于使用“该”的上下文，其可具有单数或复数内涵。形容词“任何”无区别地表示任意量中的一个、一些或全部。在第一实体和第二实体之间放置的术语“和/或”指以下之一：(1)第一实体、(2)第二实体和(3)第一实体和第二实体。在3个或更多个实体的序列的最后两个实体之间放置的术语“和/或”指序列中的实体的至少一个。
短语“至少一部分”指“一部分或全部”。流的至少一部分可具有与其源自的流相同的组成。流的至少一部分可包括其源自的流的特定组分。
本文所用的“第一”、“第二”、“第三”等用来在多个特征和/或步骤当中区分，而不表示在时间或空间中的相对位置。
本文所用的术语“催化剂”指载体、催化材料和可存在于载体上的任何其它添加剂。
如本文所用，流的“分开的部分”是具有与其取自的流相同的化学组成的部分。
术语“贫化”是指比形成它的初始的流具有较小的指示组分摩尔％浓度。“贫化”不是指所述流完全缺乏指示组分。
本文所用的“热量”和“加热”包括显热和潜热两者以及加热。
本文所用的“原水”为任何不纯的水，例如以下的一种或多种：盐水(大洋水、海水、微咸水)、地表水(例如溪、河或湖)、地下水、城市/工业再用或再循环水或者来自工业过程的废水(例如来自蒸汽甲烷重整过程的废弃水，例如过程冷凝物)。过程冷凝物为从SMR过程的合成气流中冷凝的水。原水通常比常规工业供水(例如饮用水)更不纯。
本文所用的“纯化水”是指来自热水纯化过程的任何蒸馏水(即蒸馏物或冷凝水)。
本发明涉及一种生产含H2产物和生产纯化水的方法。所述含H2产物可以是纯化的H2产物气体或具有期望的H2∶CO摩尔比的合成气体。纯化水可以是脱盐水，即来自盐水的纯化水。出于本公开内容的目的，“脱盐水”指其中初始存在的盐的99-100重量％已被去除的水。
本发明涉及催化蒸汽-烃重整过程和热水纯化之间的热量联合。催化蒸汽-烃重整过程使用大量水用于反应(例如CH4+H2O→4H2+CO2)并产生作为共产物的高压蒸汽。该过程还产生大量的低水平热量。热水纯化从原水产生纯化水，而它的能量源是低水平热量。这两个过程彼此补充，因为催化蒸汽-烃重整消耗水并产生低水平热量，而热水纯化消耗低水平热量并产生水。本发明利用这种良好的匹配并实现该联合过程的总资本和能量成本的降低。
本文所用的热纯化过程为使用热源以蒸发原水并将蒸发的水蒸汽冷凝为冷凝物或蒸馏物(即纯化水)的任何过程。热水纯化过程可以是例如已知的商业化热脱盐过程，例如多阶段闪蒸(MSF)或多效蒸馏(MED)。
虽然催化蒸汽-烃重整产生大量的低水平热量，但是至今未将催化蒸汽-烃重整与热水纯化联合。目前为止没有具体的联合方案被公开过。
现参考附图，其中遍及这几个视图，相同的附图标记指代相同要素，图1和3显示用于生产含H2产物200和纯化水42的与多阶段闪蒸(MSF)热水纯化过程联合的蒸汽-烃重整过程的不同实施方案的过程流程图。图2和4显示用于生产含H2产物200和纯化水42的与多效蒸馏(MED)热水纯化过程联合的蒸汽-烃重整过程的不同实施方案的过程流程图。
本方法利用催化蒸汽-烃重整。催化蒸汽-烃重整，又称为蒸汽甲烷重整(SMR)、催化蒸汽重整或蒸汽重整，定义为用于使重整器原料通过与蒸汽经催化剂反应而转化为合成气体的任何过程。合成气体，通常称为合成气，是包含氢和一氧化碳的任何混合物。重整反应是吸热反应，而且一般可描述为CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2。氢在合成气产生时产生。
本方法包含将重整器进料气体混合物15引入重整器炉100内的多个含催化剂的重整器管20中，使所述重整器进料气体混合物15在重整反应中在有效形成包含H2、CO、CH4和H2O的重整产物60的反应条件下反应，并从所述多个含催化剂的重整器管20中取出所述重整产物60。
重整器进料气体混合物15包含烃原料和蒸汽，或预重整的烃原料和蒸汽的混合物。原料可以是天然气、甲烷、石脑油、丙烷、精炼厂燃料气、精炼厂尾气或本领域已知的其它合适的重整器原料。
重整反应在重整器炉100内的多个含催化剂的重整器管中发生。重整器炉，又称为催化蒸气重整器、蒸汽甲烷重整器和蒸汽-烃重整器，在本文定义为用于以下的任何加热炉：使含有元素氢和碳的原料通过用燃料燃烧提供的热量与蒸汽经催化剂反应而转化为合成气体。
具有多个含催化剂的重整器管(即管形重整器)的重整器炉为本领域熟知。可使用任何合适数量的含催化剂的重整器管。已知合适的构造材料和方法。含催化剂的重整器管中的催化剂可以是本领域已知的任何合适的催化剂，例如包含镍的担载催化剂。
步骤(a)中有效形成重整产物60的反应条件包括500℃-1000℃的第一温度和203kPa-5,066kPa(绝对)的第一压力。
本文所用的重整产物流是包含由烃和蒸汽的重整反应形成的氢和一氧化碳的任何流。
本方法包含在第一换热器110中用从多个含催化剂的重整器管20中取出的重整产物60通过间接热传递加热来自蒸汽鼓160的饱和锅炉进水106，由此形成压力为1.5-12.5MPa(绝对)的高压蒸汽165。重整器进料气体混合物15包含高压蒸汽165。
如图所示，将饱和锅炉进水106从蒸汽鼓160取出并送往换热器110，其中在换热器110中用重整产物60通过间接热交换加热饱和锅炉进水106。加热的锅炉进水返回到在其中分离蒸汽和水的蒸汽鼓160。从蒸汽鼓取出蒸汽165，并将饱和锅炉进水送往各个换热器以被加热。
本文所用的“间接热传递”是从一个流到另一个流的热传递，其中这些流不混合在一起。间接热传递包括，例如，在换热器中从第一流体到第二流体的热传递，其中这些流体被板或管分隔。间接热传递包括从第一流体到第二流体的热传递，其中使用中间工作流体以将热量从第一流体传送到第二流体。第一流体可在蒸发器中使工作流体蒸发(例如蒸汽)，工作流体通往另一个换热器或冷凝器，其中工作流体将热量传递到第二流体。使用工作流体从第一流体到第二流体的间接热传递可适于使用热管、热虹吸器等。
本文所用的“直接热传递”为从一个流到另一个流的热传递，其中这些流紧密混合在一起。直接热传递包括例如增湿，其中将水直接喷淋到热空气流中，而来自空气的热量使水蒸发。
本方法包含在第二换热器170内用来自第一换热器110的重整产物60通过间接热传递加热锅炉进水105。如图所示，锅炉进水105在在第二换热器170内被加热，然后在第一换热器110内被加热。
锅炉进水是符合特定纯度要求供锅炉和蒸汽鼓所用的水。
如图所示，重整产物60从第二换热器170通往变换反应器70。本方法包含使来自第二换热器170的重整产物60在变换催化剂75存在下在反应条件下反应，该反应条件在重整产物60中有效形成另外的氢。可通过一氧化碳和蒸汽的催化反应获得另外的氢气。该反应是放热的，而且通常称为水-气变换反应或变换反应：CO+H2O→CO2+H2。该反应受一氧化碳和水经过合适催化剂的床所影响。在重整产物60中有效形成另外的氢的反应条件包括190℃-500℃的第二温度和203kPa-5,066kPa(绝对)的第二压力。
可使用任何合适的变换催化剂。变换反应器可以是所谓高温变换(HTS)、低温变换(LTS)、中温变换(MTS)或组合。由于冠词“一个”表示“一个或多个”，可在本方法中使用一个或多个变换反应器。
对于高温变换，310℃-370℃的入口温度和400℃-500℃的出口温度为典型。通常，铁氧化物/氧化铬催化剂用于高温变换。
对于低温变换，190℃-230℃的入口温度和220℃-250℃的出口温度为典型。通常，包含金属铜、氧化锌以及一种或多种其它难以还原的氧化物(例如氧化铝或氧化铬)的催化剂用于低温变换。
对于中温变换，190℃-230℃的入口温度和最多350℃的出口温度为典型。合适配制的担载型铜催化剂可用于中温变换。对于本发明的方法可优选中温变换。
组合可包括高温变换、通过间接换热冷却和低温变换的序列。若期望，可用间隔的冷却来细分任一变换阶段。
如图所示，本方法还可包含在任选的换热器180中用来自变换反应器70的重整产物60通过间接热传递加热锅炉进水105，然后用来自变换反应器70的重整产物60通过间接热传递加热原水53，其中锅炉进水105被来自变换反应器70的重整产物加热，然后在换热器170中被加热。
在各种实施方案中，不通过离开变换反应器的重整产物60在重整产物用于加热原水53之前加热锅炉进水105。在常规催化烃重整过程中，省略换热器180将导致增加低水平热量到环境的损失(废热)和差的系统能量效率。在本发明的情况下，省略换热器180导致更多低水平热量通过换热器190从重整产物60传递到原水53，而不导致增加的废热损失。因此，离开热量回收系统(例如换热器90)的重整产物60的温度为约25℃-65℃，其类似于离开包括换热器180的常规催化蒸汽-烃重整过程中的深度热量回收系统的温度。当水的价值远大于能量的价值时，和/或当高压输出蒸汽需求低或为零时，该实施方案有利。
本方法包含用重整产物60在经历变换反应之后通过间接热传递加热原水53，由此在多阶段闪蒸过程2(如图1和3所示)或多效蒸馏过程16(如图2和4所示)中加热原水53用于纯化原水，以产生纯化水42。当重整产物流将热量交给原水时，重整产物流被冷却。从重整产物60传递到原水53的热量的量为115-2784kJ/kg补充水95。
本方法还包含在换热器90中用重整产物通过间接热传递加热补充水95，然后分离重整产物。离开换热器90的重整产物的温度为约25℃-约65℃或约35℃-约55℃。
“补充水”是作为原料流引入催化蒸汽-烃重整过程中的水。补充水可为锅炉进水品质，或可能需要经进一步处理以变成锅炉进水品质。添加到系统的补充水的量为催化蒸汽-烃重整过程中的反应所需的量加上输出蒸汽生产所需的量。若不将重整产物中的在分离鼓220中冷凝为过程冷凝物224的过量蒸汽再循环到该过程，则所需的补充水的量由过程冷凝物的量增加。
补充水95可包含纯化水42。补充水95可由纯化水42组成。产生的纯化水42的一部分或全部可用作补充水用于重整过程。
来自热水纯化过程的纯化水可为锅炉进水品质。直接使用纯化水将节省催化蒸汽-烃重整工厂中的水处理成本。若纯化水的总成本小于原水成本加上催化蒸汽-烃重整工厂中水处理和脱气的资本和操作成本的总和，则使用纯化水42作为锅炉进水可偿付其自身。
若纯化水42不是锅炉进水品质，则纯化水42可通过用于常规的补充水处理的方法来处理。
图1显示重整产物60通往代表性的多阶段闪蒸过程2的加热室10。重整产物60经过布置于加热室10内部的金属传热旋管21，原水53流经加热室10并被加热，随后进入第一阶段闪蒸罐12。
原水53进入闪蒸罐室28的传热旋管14。随着水蒸汽在传热旋管14上冷凝，旋管14内的原水通过热传递被加热。任选地，为了在较低温度下发生蒸馏，将真空泵或蒸汽喷射器130连接到闪蒸罐12、24、26或28中的任何或全部，将内部罐压降低到低于大气压。在从闪蒸罐12直到闪蒸罐28的每个阶段相继降低压力。
通过该冷凝过程产生的纯化水冷凝物在闪蒸罐28的收集器18中被收集并作为纯化水流42退出该罐。
当进入的原水经过闪蒸罐28、26、24然后12的传热旋管14时，其被进一步加热。加热的原水退出闪蒸罐12并进入加热室10的传热旋管21。重整产物进入加热室10并接触传热旋管21以实现热传递，以进一步加热经过传热旋管21内部的原水。由于这种热传递而产生的冷却的重整产物退出加热室10。
在与旋管14接触时冷凝的水蒸汽形成纯化水冷凝物16，冷凝物16从旋管14滴到每个闪蒸罐的容器18并收集为纯化水42。蒸发原水致使闪蒸罐底部内的低品质废弃水22变得杂质越来越浓缩。在盐水脱盐的情况下，低品质废弃水22是浓盐水，而且闪蒸罐底部内的所述浓盐水变得盐越来越浓缩。低品质废弃水22分别通往闪蒸罐24、26和28，其中热水纯化过程在渐次降低的压力下重复。杂质浓缩的低品质废弃水退出闪蒸罐28并一般被排出。
或者(图中未显示)，将一部分低品质废弃物取出并加入到原水53作为热水纯化过程进水的一部分。这种低品质废弃水的再循环增加原水变为纯化水(也称作原水回收)的转化率。再循环的低品质废弃水的量越大，热水纯化过程进水中的杂质度越高。再循环的低品质废弃水的量取决于热水纯化过程进水的允许杂质水平。
冷却的重整产物可任选通过流经任选的换热器80以加热烃原料85而进一步冷却。本方法可包含在换热器80中用重整产物60通过间接热传递加热烃进料85。在各种实施方案中，烃原料85不通过与来自变换反应器70的重整产物换热而被加热或在重整产物加热原水53后通过与重整产物换热而被加热。在常规催化蒸汽-烃重整过程中，省略换热器80导致增加低水平热量到环境的损失(废热)和差的能量效率。在本发明的情况下，省略换热器80导致更多低水平热量从重整产物60传递到原水53，而不导致增加的废热。即使省略换热器80，离开换热器90的重整产物60的温度为25℃-65℃，类似于具有通常含换热器80的深度热量回收系统的常规催化蒸汽-烃重整过程的温度。
如图1所示，从多阶段闪蒸过程2返回的重整产物通过流经换热器90(其中补充水95被加热)而进一步冷却。补充水在换热器90中被加热，然后在任选换热器180或换热器170的任一个中被加热。
图2说明利用代表性的多效蒸馏过程16的方法的实施方案。图2显示重整产物60通往蒸发器50的传热旋管59。由于与原水53(其与旋管59的外部接触)热传递，重整产物60在传热旋管59中被冷却，一般通过经由喷淋杆55喷淋原水。将冷却的重整产物从旋管59中取出并可任选通过流经任选换热器80以加热烃原料85而进一步冷却。
如图2所示，从多效蒸馏过程16返回的重整产物通过流经换热器90(其中锅炉进水105被加热)而进一步冷却。锅炉进水在换热器90中被加热，然后在任选换热器180或换热器170的任一个中被加热。
本方法还包含在换热器90中用重整产物通过间接热传递加热锅炉进水，然后分离重整产物，其中锅炉进水被来自变换反应器的重整产物加热，然后在换热器170中被加热。离开换热器90的重整产物的温度为约25℃-约65℃或约35℃-约55℃。
由于在旋管59(通过流经其内部的重整产物加热)之间的热传递，经由喷淋杆55喷淋到蒸发器50的旋管59外部上的原水经历蒸发形成水蒸汽。将如此产生的水蒸汽从蒸发器50送入布置于第二蒸发器54内部的传热旋管57中。将原水53经由喷淋杆102喷淋到传热旋管57的外部上，而旋管57内的水蒸汽在传热旋管57内冷凝，退出第二蒸发器54并收集为水冷凝物42。由蒸发器54中的热传递产生的水蒸汽通往蒸发器56内，在其中重复该过程，对于系统中存在的所有蒸发器都是如此。退出该序列中最后的蒸发器(图2中的56)的水蒸汽在冷凝器134中通过与冷原水进料流经的传热旋管136接触而冷凝。将如此产生的纯化水冷凝物与之前的蒸发器中产生的冷凝物组合并收集。在第一蒸发器50底部收集的低品质废弃水22与来自其它蒸发器54和56的低品质废弃水22组合，其中热水纯化过程任选在渐次降低的压力操作条件下持续，随后排出。
在换热器90中冷却后，重整产物通往分离鼓220以去除由蒸汽冷凝形成的水(一般称为过程冷凝物)。过程冷凝物224可经纯化和再使用，或者从所述过程排出。可将纯化的过程冷凝物与补充水95组合并在换热器90、任选换热器180和/或换热器170中加热。
本方法可包含将过程冷凝物224连同原水53进料到热水纯化单元以纯化过程冷凝物用于再使用。
本方法包含在重整产物加热原水53后分离重整产物60以产生含H2产物200和副产物气体250。可通过用于分离重整产物的任何已知设备分离重整产物。如图所示，可在压力摇摆吸附器210中通过压力摇摆吸附分离重整产物60，以产生含H2产物200和副产物气体250。来自压力摇摆吸附器的副产物气体250通常称为尾气。或者，可在冷箱(未显示)中将重整产物60低温分离为合成气体产物。
本方法包含在重整器炉100中在多个含催化剂的重整器管20外部用氧化剂气体120使燃料35在一定条件下燃烧，该条件有效使燃料35燃烧以形成燃烧产物气体40并产生热量，以提供用于使多个含催化剂的重整器管20内的重整器进料气体混合物15反应的能量，以及从重整器炉100取出燃烧产物气体40。有效使燃料燃烧的条件可包括600℃-1500℃的温度和99kPa-101.3kPa(绝对)的压力。
燃料35可包含来自用于分离重整产物60的设备(即压力摇摆吸附器210)的副产物气体250。燃料35可包含补充燃料150。补充燃料通常称为调整燃料。补充燃料可为天然气或其它合适的燃料。
燃料35和氧化剂气体120在重整器炉100中的多个含催化剂的重整器管20的外部，在燃烧区30(也称为发热区)内燃烧。燃烧产物气体40由燃烧区30通往重整器炉100的对流区50。在重整器炉100的对流区50中，通过燃烧产物气体40加热不同的流。将燃烧产物气体40从对流区经由排气扇140取出。
如图所示，将燃烧空气120在压缩器135中压缩并可在引入用于燃烧前在对流区50中的换热器内加热。可将锅炉进水从蒸汽鼓160取出，在重整器炉100的对流区50中的换热器内加热，并传送回到蒸汽鼓160以制造蒸汽。在引入用于燃烧前，压力摇摆吸附器尾气可在对流区50中的换热器(未显示)内被加热。
可在重整器炉100的对流区50中的换热器内使来自蒸汽鼓160的蒸汽165过热。将至少一部分过热蒸汽(通常称为过程蒸汽)与烃原料85共混，以形成重整器进料气体混合物15。过热蒸汽的一部分可输出为输出蒸汽230。
在通往多个含催化剂的重整器管20之前，还可在重整器炉100的对流区50中的换热器内进一步加热重整器进料气体混合物15。
可将过热蒸汽与烃进料共混、加热并通往预重整器，以重整一部分共混物。预重整器可以是绝热预重整器。在作为重整器进料气体混合物15通往多个含催化剂的重整器管之前，来自预重整器的混合物可在重整器炉100的对流区50内被加热。
图1和2说明其中加热原水的步骤不包括加热中间工作流体的方法。其中没有使用中间工作流体的实施方案提供不需要低压蒸汽锅炉和/或中压蒸汽锅炉的优势。消除重整产物和原水之间的一个热交换阶段还增加了其余换热器中的热交换温差，从而提供资本成本和提高的热效率的优势。
图3是图1的替代实施方案，其中相同数字指代相同组分。图3是其中加热原水的步骤包括加热中间工作流体的实施方案。图3所示的实施方案和图1所示的实施方案类似地操作。下文描述差异。
图4是图2的替代实施方案，其中相同数字指代相同组分。图4是其中加热原水的步骤包括加热中间工作流体的实施方案。图4所示的实施方案和图2所示的实施方案类似地操作。下文描述差异。
如图3和4所示，通过间接热传递加热原水53的步骤可包含在换热器190中用重整产物60通过间接热传递加热工作流体185，和用工作流体185通过间接热传递加热原水53。工作流体可以是水。当在换热器190中被重整产物加热时，水可蒸发形成压力为15.2kPa-304kPa(绝对)或20.3kPa-132kPa的第一蒸汽流196。第一蒸汽流在加热原水时冷凝形成冷凝物23，并返回到换热器190再蒸发。
第一蒸汽流196的质量流率与补充水95的质量流率之比可为大于0.05且小于1.2。这是常规蒸汽甲烷重整器未曾使用也不会使用的新操作条件。
如图3和4所示，本方法可任选包含产生蒸汽和使蒸汽在蒸汽涡轮内膨胀以产生轴功。在一个可选方案中，工作流体水蒸发形成压力为280kPa-608kPa或为304kPa-405kPa的第二蒸汽流197。来自变换反应器70的重整产物加热第二蒸汽流197，然后加热第一蒸汽流196。第二蒸汽流197在蒸汽涡轮205内膨胀产生轴功，然后加热原水53。轴功可用于重整过程和热水纯化过程的任一个或两者。当加热原水53时，膨胀蒸汽冷凝形成冷凝物23。在该可选方案中，第一蒸汽流196和第二蒸汽流197的质量流率之和与补充水95的质量流率的比率可为大于0.05且小于1.2。当水的价值远大于能量的价值时，和/或当高压输出蒸汽需求低或为零时，这些实施方案有利。
如图3和4所示，用于产生轴功的另一个可选方案包含使高压蒸汽165的一部分膨胀，以在蒸汽涡轮215内产生轴功。轴功可用于重整过程，以泵送和压缩和/或产生电力。在多效蒸馏过程16或多阶段闪蒸过程2中，可用膨胀蒸汽通过间接热传递加热原水，由此加热原水用于其纯化。由高压蒸汽产生轴功在常规的催化蒸汽-烃重整过程中通常不实施，因为通常没有对膨胀蒸汽的终端用途。获取膨胀蒸汽的价值需要使用冷凝涡轮，代价是大的资本费用。在联合过程中，获取膨胀蒸汽的价值作为能量源用于热水纯化，而不导致另外的资本支出。这种联合协同使得当电的价值高时，在催化蒸汽-烃重整过程中产生电力是一种有吸引力的实践。

Claims (17)

1.一种生产含H2产物气体和生产纯化水的方法，该方法包含：
(a)将重整器进料气体混合物引入重整器炉内的多个含催化剂的重整器管中，使所述重整器进料气体混合物在重整反应中在有效形成包含H2、CO、CH4和H2O的重整产物的反应条件下反应，并从所述多个含催化剂的重整器管中取出所述重整产物；
(b)在第一换热器中，用从所述多个含催化剂的重整器管中取出的所述重整产物通过间接热传递加热来自蒸汽鼓的饱和锅炉进水，由此形成绝对压力为1.5-12.5MPa的高压蒸汽，其中所述重整器进料气体混合物包含所述高压蒸汽；
(c)在第二换热器中，用来自所述第一换热器的重整产物通过间接热传递加热锅炉进水，并将所述加热的锅炉进水引入所述蒸汽鼓中；
(d)使来自所述第二换热器的重整产物在变换催化剂存在下在反应条件下反应，所述反应条件在所述重整产物中有效形成另外的氢；
(e)用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热原水，由此通过热水纯化过程加热所述原水用于其纯化以产生纯化水，并由此冷却所述重整产物流；
(f)在第三换热器中，用来自步骤(e)的重整产物通过间接热传递加热补充水，由此将所述重整产物冷却至25℃-65℃的温度；
(g)分离来自步骤(f)的重整产物以产生所述含H2产物和副产物气体；和
(h)在所述重整器炉内在所述多个含催化剂的重整器管的外部用氧化剂气体使燃料在一定条件下燃烧，所述条件有效使所述燃料燃烧以形成燃烧产物气体并产生热量，以提供用于使所述多个含催化剂的重整器管内的重整器进料气体混合物反应的能量，以及从所述重整器炉中取出燃烧产物气体。
2.权利要求1的方法，其中所述原水包含盐水，所述热水纯化过程为脱盐过程，且所述纯化水为脱盐水。
3.权利要求1的方法，其中所述热水纯化过程是多效蒸馏过程和多阶段闪蒸过程中的一个。
4.权利要求1的方法，其中所述补充水包含所述纯化水。
5.权利要求1的方法，其中所述补充水由所述纯化水组成。
6.权利要求5的方法，其中所述补充水由没有通过过滤、脱矿物质或脱气处理的纯化水组成。
7.权利要求1的方法，其中所述通过间接热传递加热原水的步骤包含：
用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热工作流体，和用所述工作流体通过间接热传递加热所述原水。
8.权利要求7的方法，其中所述工作流体为水，其中所述工作流体水在被来自步骤(d)的重整产物加热时蒸发形成绝对压力为15.2kPa-304kPa的第一蒸汽流，且其中所述第一蒸汽流在加热所述原水时冷凝。
9.权利要求8的方法，其中0.05＜X＜1.2，其中X为所述第一蒸汽流的质量流率与所述补充水的质量流率之比。
10.权利要求8的方法，其中：
所述水蒸发形成压力为280kPa-608kPa的第二蒸汽流；
来自步骤(d)的重整产物加热所述第二蒸汽流，然后加热所述第一蒸汽流；
所述第二蒸汽流在蒸汽涡轮内膨胀以产生轴功，然后加热所述原水；且
所述第二蒸汽流在加热所述原水时冷凝。
11.权利要求1的方法，其中所述加热原水的步骤不包括加热中间工作流体。
12.权利要求1的方法，其中在步骤(g)中通过压力摇摆吸附来分离所述重整产物，以产生所述含H2产物和所述副产物气体。
13.权利要求1的方法，其中在步骤(h)中燃烧的燃料包含所述副产物气体。
14.权利要求1的方法，其还包含：
用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热所述锅炉进水，然后用来自步骤(d)的重整产物通过间接热传递加热所述原水，其中所述锅炉进水在步骤(c)中被加热之前被来自步骤(d)的重整产物加热；和
用来自步骤(e)的重整产物通过间接热传递加热烃原料，其中所述重整器进料气体混合物包含所述烃原料。
15.权利要求1的方法，其还包含：
使所述高压蒸汽的一部分在蒸汽涡轮内膨胀以产生轴功；
在所述热水纯化过程中，用来自所述蒸汽涡轮的膨胀蒸汽通过间接热传递加热所述原水，由此加热所述原水用于其纯化。
16.权利要求1的方法，其中所述原水包含来自蒸汽甲烷重整过程的过程冷凝物。
17.权利要求1的方法，其中所述原水包含以下的至少一种：河水、溪水、湖水、城市再循环水、工业再循环水和地下水。
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