CN110225879B - 通过预加热预重整的燃料气体使蒸汽甲烷重整器的燃烧效率最大化 - Google Patents

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Abstract

提供了一种改进的制氢系统及其使用方法。该系统包括被配置为去除硫的HDS单元，分别被配置为预重整工艺气体和燃料气体的第一预重整器和第二预重整器，分别被配置为干燥和加热该预重整的燃料气体的第一热交换器和第二热交换器，以及被配置为产生合成气和烟道气的重整器。该方法包括使用选自由空气、PSA出口气体、烃气体及其组合组成的组的工艺流来干燥该燃料气体并使用选自由该烟道气、该合成气及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的燃料气体。该第二预重整器是低压预重整器，使得通过该第二预重整器将该燃料气体中的重烃转化为CO和H2来增加该燃料气体的热含量。

Description

通过预加热预重整的燃料气体使蒸汽甲烷重整器的燃烧效率最大化
技术领域
披露了用于通过预加热脱硫的预重整的燃料气体使蒸汽甲烷重整器(SMR)中的燃烧效率最大化的系统和方法。特别地，将脱硫的燃料气体在比工艺气体更低的压力下预重整，并且将该脱硫的预重整的燃料气体冷却以去除水，并且然后在重整器的燃烧器中燃烧之前加热。
背景技术
在大型SMR中，大致50％的来自燃烧器的热能输入被转移到SMR重整管中以提供能量来驱动吸热蒸汽甲烷重整反应，
Figure GDA0003967147630000011
Figure GDA0003967147630000012
以产生合成气(CO+H2)。因为重整反应通常在高温(例如，750℃至950℃)下进行，所以来自燃烧器的烟道气的温度通常在此温度下或在高于此温度下。目前，高温烟道气的主要用途是通过废热锅炉或烟道气锅炉产生蒸汽和/或预加热燃烧空气。蒸汽可用作SMR的工艺蒸汽和/或向客户的输出蒸汽。蒸汽也可以用于驱动发电机，这取决于当地要求，这些要求可能从一个地点到另一个地点变化。SMR的优化设计和操作的挑战之一是氢气的需求可能与来自重整器的输出蒸汽的需求脱离。许多精制机很少或不使用氢气厂中产生的输出蒸汽，因此这被认为是低价值。在蒸汽值是非常低的并且天然气价格是相对高的情况下，令人希望的是利用烟道气流和合成气流中的过量能量用于除产生蒸汽之外的其他应用。
授予Grover等人的US 8,187,363披露了一种在引入到SMR炉燃烧系统中之前使用烟道气或合成气中的低水平废热预加热变压吸附器(PSA)尾气的方法。然而，Grover没有披露详细的实现方式并且没有披露燃料气体的预加热的方法。
发明内容
本发明涉及一种满足这些需求中的至少一项的系统及其使用方法。本发明涉及一种满足增加SMR的热效率的需求的系统和方法。本发明的某些实施例涉及使用低压预重整器将燃料气体中的重烃转化为CO和H2以便增加燃料气体的热含量。本发明的实施例允许SMR更有效地运行，因为燃料气流在低压下预重整，与在与工艺气体相同的压力下的预重整相比，这改进了燃料气体的热值。使用系统中可获得的加工流分别干燥和加热预重整的燃料气流。
在一个实施例中，该系统包括：加氢脱硫单元，该加氢脱硫单元被配置为使烃脱硫并产生工艺气流和脱硫的燃料气流；第一预重整器，该第一预重整器被配置为接收该工艺气流并将该工艺气流内的重烃转化为甲烷以产生预重整的工艺气体；第二预重整器，该第二预重整器被配置为接收该脱硫的燃料气流并将该脱硫的燃料气流内的重烃转化为一氧化碳和氢气以产生预重整的燃料气流；第一热交换器，该第一热交换器被配置为通过将该预重整的燃料气体冷却至低于水的露点的温度来干燥该预重整的燃料气流，产生干燥的燃料气流；第二热交换器，该第二热交换器加热该干燥的燃料气流，形成加热的干燥的燃料气流；具有燃烧区和反应区的重整器，其中该反应区与该第一预重整器处于流体连通并且被配置为接收源自该第一预重整器的该预重整的工艺气体，其中该燃烧区与该第二热交换器处于流体连通并且被配置为接收源自该第二热交换器的该加热的干燥的燃料气流，其中该重整器被配置为在燃烧氧化剂存在下在该反应区内产生合成气流并且在该燃烧区内产生烟道气；变压吸附(PSA)单元，该变压吸附单元被配置为接收该合成气流并产生产物氢气流和PSA出口气体流，其中该第一预重整器在第一压力下操作并且该第二预重整器在第二压力下操作，其中该第一压力大于该第二压力。
在一个实施例中，该方法包括：a)在加氢脱硫(HDS)单元中使烃脱硫以形成工艺气流和燃料气流；b)在有效形成预重整的工艺气流的条件下在蒸汽存在下在第一压力下在第一预重整器中预重整该工艺气流；c)在有效形成预重整的燃料气流的条件下在蒸汽存在下在第二压力下在第二预重整器中预重整该燃料气流，其中该第一压力大于该第二压力；d)通过将该燃料气流冷却至低于水的露点的温度来干燥该预重整的燃料气流，产生干燥的燃料气流；加热该干燥的燃料气流以形成加热的干燥的燃料气流；通过在燃烧氧化剂存在下在重整器的燃烧区中燃烧该加热的干燥的燃料气流将该工艺气流内的甲烷转化为一氧化碳和氢气，从而在该重整器的反应区中产生合成气流并且在该重整器的燃烧区中产生烟道气流，其中该燃烧室被配置为与该反应区交换热量；以及在有效产生产物氢气流和PSA出口气体流的条件下将该合成气流引入到变压吸附(PSA)单元中。
任选的实施例还包括：
-其中该第一热交换器使用选自由燃烧空气、该PSA出口气体、该烃气流及其组合组成的组的工艺流来冷却该燃料气流；
-其中该第二热交换器使用选自由该热烟道气、该合成气流及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用燃烧空气来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该热烟道气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用PSA出口气体来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该热烟道气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用该烃气流来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该热烟道气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用燃烧空气来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用PSA出口气体来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一热交换器使用该烃气流来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气气流来加热该干燥的燃料气流；
-其中该第一预重整器是绝热预重整器，其包括填充有预重整催化剂的绝热容器；
-其中该第二预重整器是非绝热预重整器；
-其中该第二预重整器是经加热的预重整器；
-其中该第二预重整器是准等温预重整器；
-其中该第二预重整器的压力范围是从1至5巴；
-其中该第二预重整器的压力范围是从1至3巴；
-其中在步骤d)中使用选自由燃烧空气、该PSA出口气体、该烃气流及其组合组成的组的工艺流来干燥该预重整的燃料气流；
-其中在加热该干燥的燃料气流以形成加热的干燥的燃料气流的步骤中使用选自由该热烟道气、该合成气流及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的预重整的燃料气流；
-其中该第二预压机是非绝热预重整器；
-其中该烃是天然气并且该燃烧氧化剂是空气；
-烃源包含天然气管道；
-其中该烃是天然气；和/或
-其中该燃烧氧化剂是空气。
附图说明
为了进一步理解本发明的本质和目的，应结合附图来参考以下详细说明，在附图中相似元件给予相同或类似的参考号，并且其中：
图1展示了本发明的SMR系统的实施例的方块流程图；
图2展示了本发明的SMR系统的第二实施例的方块流程图；
图3展示了本发明的SMR系统的第三实施例的方块流程图；
图4展示了本发明的SMR系统的第四实施例的方块流程图；
图5展示了本发明的SMR系统的第五实施例的方块流程图；
图6展示了本发明的SMR系统的第六实施例的方块流程图；
图7展示了根据本发明实施例的用于使SMR系统中的燃烧效率最大化的方法的流程图；
图8展示了本发明的具有涡轮膨胀机的SMR系统的实施例的方块流程图；并且
图9是在不同温度下针对90/10甲烷/乙烷与蒸汽(S/C＝2)计算的预重整器的热效率增加对压力的图。
具体实施方式
虽然本发明将结合若干实施例进行描述，但是应该理解的是，不旨在将本发明限制于那些实施例。相反，旨在覆盖可被包括在由所附权利要求书限定的本发明的精神和范围内的所有替代方案、修改和等效物。
已经存在许多努力来改进标准SMR的热效率。夹点(pinch)分析示出，标准SMR已经充分地热优化，并且因此，与热交换器设计相关的进一步改进不太可能产生大量改进。然而，本发明的实施例可以有利地通过更有效地回收废热而不试图通过克服温度夹点来重新优化工艺来改进迄今已知的方法。
所披露的实施例提供了一种直接方法，在于使用低温流来冷却脱硫的预重整的燃料气体以去除其中的水以形成干燥的预重整的燃料气体，并且使用高温流来加热干燥的预重整的燃料气体以形成进料到重整器的加热的干燥预重整的燃料气体以便使SMR中的燃烧效率最大化。所披露的实施例各自包括两个预重整器。一个是低压预重整器并且用于预重整燃料气体。另一个是绝热预重整器或通常用于SMR中的其他类型的高压预重整器并且用于预重整工艺气体。通过使用低压预重整器用于燃料气体，与常规SMR相比，本发明所披露的系统、工艺和方法可以将燃烧效率增加最高达13％，因为它对于预重整器更有效将在燃料气体中存在的烃在低压范围(优选为1至3巴)内转化为CO和H2，从而增加燃料气体的能量含量或生热热量。
在某些实施例中，低温流可以是具有在环境温度或大约环境温度下的温度的工艺流。在另一个实施例中，低温流可包括由SMR产生的PSA出口气体、在环境温度下的冷燃烧空气、用作工艺气体和燃料气体的烃(例如，在环境温度下用作工艺气体和燃料气体的天然气(NG))或其组合。
在某些实施例中，高温流可以是在SMR中具有在大约重整反应温度或产物温度(例如，750℃至950℃)下的温度的工艺流。在另一个实施例中，高温流可包括由重整器产生的烟道气流和/或合成气流，其具有大约重整反应温度或产物温度或更高温度的温度。在某些实施例中，工艺气体和燃料气体两者都被脱硫和预重整。
图1展示了使用PSA出口气体流作为低温流并使用合成气流作为高温流的本发明的SMR系统的实施例的方块流程图。如展示的，用作工艺气体和燃料气体的烃气体(如天然气)被预加热(未示出)并被送到加氢脱硫单元(HDS)102，在那里去除天然气中存在的任何硫。在此，本领域普通技术人员将认识到，进料到HDS 102的天然气从具有范围是从数十巴至100巴的压力的天然气管道递送。
除硫后，将天然气与蒸汽或水蒸气混合，并且然后分成两个流。第一流用作工艺气流。第二流用作燃料气流。可替代地，可以首先将天然气分成两个流，并且然后将这两个流各自与蒸汽或水蒸气混合以分别形成工艺气流和燃料气流。将工艺气流进料到预重整器104，以将天然气中的长链烃分解成轻烃(例如，在此为甲烷)，以产生预重整的工艺气体，从而增加工艺气体内的甲烷量，并且避免重整器112中的碳沉积。
在一个实施例中，重整器112可包括反应区和燃烧区，其中反应区含有多个重整管，其中燃烧区可包括多个燃烧器和燃烧室，其中在燃烧室中在燃烧空气存在下燃烧器燃烧燃料气体以为在反应区中进行的吸热重整反应提供热量，并且燃烧室被配置为与反应区交换热量。
预重整器104可以是绝热预重整器，该预重整器具有接近重整器112的压力的压力，范围是从30至40巴、优选大约35巴。然后将预重整的工艺气流引入到重整器112的反应区，在有效将预重整的工艺气体内的甲烷转化为一氧化碳(CO)和氢气(H2)的重整条件下在蒸汽存在下通过吸热反应，从而产生合成气流。
平行地，在将湿燃料气流引入到低压预重整器106之前通过膨胀装置(未示出)膨胀该湿燃料气流，其中燃料气体中的长链烃被分解成CO和H2，从而增加燃料气体的热值或能量含量(例如，较低的热值(LHV))，避免裂解燃料气体中的天然气或甲烷。
取决于湿燃料气流的体积流量，本领域普通技术人员将认识到，膨胀装置可包括阀或涡轮。在一个实施例中，涡轮可以为发电机提供动力，以便为系统提供动力或将能量送回电网。
例如，如果燃料气体中存在C2H6，那么可以通过在低压预重整器106中进行的以下放热反应将C2H6分解为CO和H2：
Figure GDA0003967147630000062
Figure GDA0003967147630000063
由于通过低压预重整器的燃料转化，燃料气体的能量含量可以增加，如表1中示出的。如展示的，在预重整C2H6后，放热反应产生更多的生热热量或能量，从而通过重整器112中的燃料气体的完全燃烧产生更多的热量。
表1.通过重整C2H6的能量含量
Figure GDA0003967147630000061
在优选的实施例中，预重整器催化剂被专门设计用于去除重烃或高级烃。例如，预重整器催化剂具有相对较高的表面积并且具有大约25-50wt％的Ni含量。因此，只有长链烃可以转化为CO+H2。在优选的实施例中，在预重整器的上游使用HDS(在此为HDS 102)以便去除硫。结果是，可以消除在烟道气通道的低温部分中通过硫和硫酸/硫酸盐冷凝的预重整器催化剂毒物。
在优选的实施例中，重整器112的燃烧器和燃烧室内的压力为大约大气压。低压预重整器106可以在接近大气压或几巴或若干巴的压力下操作，例如1-5巴、优选1-3巴，其接近但略高于重整器112的燃烧器和燃烧室内的压力，从而使燃料气体有效地流动。
由于预重整器104的压力高于低压预重整器106的压力，因此可以在HDS 102之后安装气体耦合装置。气体耦合装置可具有与HDS 102处于流体连通的一个输入以及分别与预重整器104和低压预重整器106处于流体连通的两个输出。气体耦合装置可以是单向气体耦合装置，其不仅防止脱硫的天然气从输出回流到输入，而且还防止脱硫的天然气从连接到预重整器104的输出回流到连接到低压预重整器106的输出(由于预重整器104与低压预重整器106之间的压力差)。本领域普通技术人员将认识到，气体耦合装置可以是回流限制器。在某些实施例中，预重整器104的相对小的侧流可以用回流限制器进料到低压预重整器106，其将低压预重整器106维持在优选的低压范围下。
与预重整器104相比，通过在较低压力下预重整燃料气体，可以实现燃料气体的改进的热值。这是因为具有适当蒸汽/碳比(S/C)的低压(例如，约1至5巴)提供了比在较高压力(即，高于5巴的任何值)下预重整的燃料的低热值好得多的预重整的燃料的低热值。
在较低的压力或略高于环境压力的压力下，高级烃在预重整器中裂解成甲烷，并且甲烷可进一步转化为CO和H2，导致燃料气体的能量含量或生热热量的增加，从而增加热效率。图9是在不同温度下针对90/10甲烷/乙烷与蒸汽(S/C＝2)计算的预重整器的效率增加对压力的图。如示出的，低压有利于效率，即，更多的甲烷可以进一步转化为CO和H2，导致增加的LHV。图9还示出，增加温度有利于效率。因此，在此应用低压预重整器来预重整燃料气体。在某些实施例中，低压预重整器仅可用于燃料气流中，因为燃料气体在环境压力下在燃烧室中燃烧，而工艺气体在较高压力(例如，30至40巴)下被送至重整器管。
低压预重整器106可以是非绝热预重整器，如经加热的预重整器或准等温预重整器，其在接近或略高于环境压力的压力(优选地，1至3巴)下操作。在实践中，准等温预重整器可以由多级绝热预压机构成或使用多个管式反应器，其中反应物在一级或一个管式反应器之后使用废能再加热，然后移动到下一阶段或下一个管式反应器来模拟等温操作。
在低压预重整器106之后，预重整的燃料气体仍然是湿的。虽然水的存在对于预重整的工艺气体是优选的(因为重整反应使用水)，但是不希望燃料气体中的水蒸气，因为水蒸气不提供任何燃烧任务，并且因此，只会吸收燃烧期间的燃烧热，从而降低燃烧效率。因此，在本发明的实施例中，预重整的燃料气体被干燥，在某些实施例中，这可以通过在低温热交换器(HX)108中将预重整的燃料气体冷却至低于水的露点的温度来实现。在干燥之后，干燥的燃料气流优选在较高温度HX 110中加热，然后送至燃烧器以便改进燃烧效率。各种图提供了其中工艺流可以提供低温冷却(HX108)或更高温度加热(HX 110)的各种实例。
现在转回到图1，在预重整之后，通过在HX 108中冷却预重整的燃料气流来去除燃料气流内所含的水来干燥低压预重整器106中的燃料气体。更确切地说，离开低压预重整器106的燃料气体在HX 108中通过与来自PSA单元116的PSA出口气体热交换冷却到低于水的露点的温度，从而产生干燥的燃料气流。通过从燃料气体中去除水，燃料气体中的天然气含量相对增加，与常规SMR相比，从而提供了显著的燃料成本降低和更高的系统燃烧效率的可能性。附加地，通过冷却预重整的燃料气体，PSA出口气体被预加热，并且然后将预加热的PSA出口气体进料到重整器112的燃烧器以用作燃料。
随后通过与离开重整器112的合成气流热交换，在HX 110中加热干燥的燃料气流，从而形成加热的干燥的燃料气流。然后将加热的干燥的燃料气流进料到重整器112的燃烧器，在那里在燃烧室中在从空气预加热器(APH)118中引入的燃烧空气存在下燃烧器燃烧加热的干燥的燃料气体和预加热的PSA出口气体，从而为在重整管中进行的吸热反应提供热量以形成合成气并从中产生烟道气。
将烟道气流和合成气流从重整器112中去除，其中，合成气流用于在如以上描述的HX 110中通过热交换加热干燥的燃料气体(即，更高的温度热回收)，而烟道气用于通过各种热交换过程回收热量，例如，产生蒸汽，加热燃烧空气(未示出)。在加热干燥的燃料气流之后，将合成气通过变换112通过水煤气变换反应
Figure GDA0003967147630000081
转化为二氧化碳(CO2)和氢气(H2)以产生附加的H2，从而形成变换的气体。将变换的气体进一步冷却至低于水露点或环境温度的温度，以在进入PSA单元116之前排出蒸汽或水蒸气。因此产物H2流和PSA出口气体流由PSA单元116产生。PSA出口气体包括CO、CO2、H2和CH4。
在图1中示出的实施例中，在环境温度(例如，15℃)下的冷燃烧空气在APH 118中被加热以形成燃烧空气。然后将燃烧空气连同加热的干燥的燃料气体和PSA出口气体进料到重整器112的燃烧器以在重整器112的燃烧区中燃烧。
图2展示了使用冷燃烧空气流作为低温流并使用合成气流作为高温流的本发明的SMR系统的第二实施例的方块流程图。图2与图1中展示的实施例之间的差别是在环境温度下的冷燃烧空气用于图2中的热交换器HX 108中，以冷却脱硫的预重整的燃料气流以去除其中的水。在该实施例中，PSA单元116中产生的PSA出口气体在此直接送回到重整器112，没有预加热。可替代地，PSA单元116中产生的PSA出口气体可以通过与废流(如烟道气(未示出))热交换而被送回到由热交换器预加热的重整器112。通过在环境温度下与冷燃烧空气热交换，在热交换器HX 108中冷却低压预重整器106下游的燃料气体至低于水露点的温度，产生干燥的燃料气流。通过冷却预重整的燃料气体，冷燃烧空气被加热，并且加热的燃烧空气被APH 118进一步加热。之后，将进一步加热的燃烧空气进料到重整器112的燃烧器以用作燃烧空气。
图3展示了使用环境温度下的烃气体(例如，天然气)作为低温流并使用合成气流作为高温流的本发明的SMR系统的第三实施例的方块流程图。图3与图2中展示的实施例之间的差别是在环境温度下的烃气体用于图3的HX 108中，以冷却燃料气流以去除燃料气体中的水，而不是使用冷燃烧空气。
在该实施例中，用作工艺气体和燃料气体的天然气通过在HX 108中与预重整的燃料气体热交换被预加热。在预加热之后，将天然气运送到HDS 102，在那里去除天然气中的硫。低压预重整器106下游的燃料气体在HX 108中通过与天然气热交换冷却至低于水的露点的温度以去除水，产生干燥的燃料气流。如以上描述的，通过冷却预重整的燃料气体，天然气被加热。在此，在环境温度下的冷燃烧空气在APH 118中预加热以形成预加热的燃烧空气。
图4展示了使用PSA出口气体流作为低温流并使用烟道气流作为高温流的本发明的SMR系统的第四实施例的方块流程图。图4与图1中展示的实施例之间的差别是烟道气流在图4的HX 110中用作高温流以加热干燥的燃料气体并且合成气直接送至变换114。
图5展示了使用冷燃烧空气作为低温流并使用烟道气流作为高温流的本发明的SMR系统的第五实施例的方块流程图。图5与图2中展示的实施例之间的差别是烟道气流在图5的HX 110中用作高温流以加热干燥的燃料气体并且合成气直接送至变换114。
图6展示了使用环境温度下的烃气体作为低温流并使用烟道气流作为高温流的本发明的SMR系统的第六实施例的方块流程图。图6与图3中展示的实施例之间的差别是烟道气流在图6的HX 110中用作高温流以加热干燥的燃料气体并且合成气直接送至变换114。
图7展示了本发明的用于使SMR系统中的燃烧效率最大化的方法的流程图。在步骤702中，将环境温度下用作工艺气体和燃料气体的烃气体预加热，并且然后在HDS单元中脱硫以去除天然气中的硫。在步骤704中，将脱硫的天然气流分成两个流，一个流用作工艺气体，并且另一个流用作燃料气体。在步骤706中，在蒸汽存在下，在预重整器中对工艺气体进行预重整，以将存在于脱硫的天然气中的长链烃分解成轻烃(例如甲烷)，从而增加脱硫的天然气中的甲烷量并且避免碳沉积。在步骤708中，可以将预重整的工艺气体进料到重整器，其中在反应区中产生合成气流，并且在燃烧区中产生烟道气流。在某些实施例中，反应区可包括多个重整管，并且燃烧区还可含有多个燃烧器，其中燃烧区被配置为与反应区交换热量。
在某些实施例中，与工艺蒸汽混合的预重整的工艺气体在重整器的反应区中的重整管中反应，从而产生合成气流。重整器的多个燃烧器在重整器的燃烧区中在氧化剂(例如，燃烧空气)存在下燃烧燃料气体和PSA出口气体，用于为吸热重整反应提供热量以由此产生烟道气。如在此使用的，燃烧空气还可包括富氧气流。
在某些实施例中，在工艺气流进入预重整器(104)之前，可以将工艺蒸汽添加到工艺气流中。在预重整的工艺气体进入重整器之前，也可以将工艺蒸汽添加到预重整的工艺气体中。在步骤710中，合成气流中的CO可以在变换转化器中在工艺蒸汽存在下转化为二氧化碳和氢气以产生更多的氢气。转化的合成气流可以在合成气干燥器中干燥，并且然后引入到PSA单元中以产生氢气流产物和PSA出口气体流。PSA出口气体包括CO、CO2、H2和CH4，并且在步骤712中将其送回到重整器用作燃料。
在步骤714中，与在步骤706中的预重整工艺气体平行，在蒸汽存在下，在低压预重整器中对燃料气体进行预重整以将可能存在于燃料气体中的长链烃分解成CO和H2，从而增加燃料气体的能量含量或生热热量。
如先前陈述的，预重整器可以在低压范围内(例如1至5巴、更优选1至3巴)更有效地将烃转化为CO和H2。低压预重整器可以是非绝热预重整器，例如，经加热的预重整器或准等温预重整器。在本发明的实施例中，优选仅在低压下操作燃料气体预重整器，因为在较高压力下需要用于产生合成气的工艺气体。低压预重整器可以在接近或略高于环境压力(几巴、优选1至5巴、更优选1至3巴)或略高于重整器的燃烧室内的压力的压力下操作，这使燃料气体有效流动。
尽管上述，在一个实施例中，较高压工艺天然气可以在工艺气体涡轮上膨胀，使得其可以在低压(即，小于5巴)下在预重整器104中预重整。在预重整之后，然后可以在由工艺气体涡轮和/或燃料气体涡轮膨胀机驱动的压缩机中压缩工艺气体。这有利地提供了改进的低压下的预重整和在较高压力下的重整，具有最小的操作费用。
如图8中示出的，燃料气体涡轮膨胀机120可安装在低压预重整器106的上游，以将燃料气体膨胀至低压，以用于低压预重整器106。涡轮膨胀机120可以是膨胀涡轮，其是离心或轴流式涡轮，通过其高压气体被膨胀以产生可用于驱动压缩机(未示出)和/或电动涡轮(未示出)的功。附加地，燃料气体的膨胀产生附加的制冷，这可用于本领域已知的任何目的。优选将离开涡轮膨胀机120的燃料气体维持为气态，并且因此，优选避免液化。
在步骤716中，通过与低温工艺流热交换，通过将预重整的燃料气体冷却至低于水的露点的温度将其干燥，形成干燥的燃料气流。低温工艺流可选自下组，该组由以下各项组成：由重整器产生的PSA出口气体、环境温度下的冷燃烧空气、在环境温度下用作工艺气体和燃料气体的烃、以及其组合。
如先前注意的，在冷却预重整的燃料气体的同时，低温工艺流有利地被预加热，这提供了附加的协同作用(例如，PSA出口气体在送回到重整器之前被预加热，或者冷燃烧空气在进料到重整器之前被预加热以燃烧燃料气体和PSA出口气体，和/或用作工艺气体和燃料气体的天然气在进料到HDS单元以去除硫之前被预加热)。结果是，湿预重整的燃料气体可以经由热交换进行干燥，而不会浪费来自预重整的燃料气体的热量。
在步骤718中，通过与高温工艺流热交换来加热干燥的燃料气流，形成加热的干燥的燃料气流。高温工艺流可选自下组，该组由以下各项组成：合成气流、由重整器产生的烟道气流、以及其组合。
在步骤720中，将加热的干燥的燃料气流进料到重整器的燃烧器以用作燃料。最后，在步骤722中，在重整器的燃烧室中在从空气预加热器中引入的预加热的燃烧空气存在下燃烧器燃烧加热的干燥的燃料气体和PSA出口气体以产生烟道气。在步骤708中产生的合成气和在该步骤中产生的烟道气可以在步骤718中用作在此加热干燥的燃料气体的高温工艺流。
所披露的实施例具有优于常规SMR的若干优点。首先，通过用低压预重整器预重整燃料气体，燃料气流中的较长链烃如乙烷被分解成CO和H2，这增加了燃料气体的能量含量或热值，与常规SMR相比，它提供了显著燃料成本降低和更高的系统燃烧效率的可能性。
第二，通过从预重整的脱硫的燃料气体中去除水，燃料气体中的天然气或甲烷含量相对增加，与常规SMR相比，从而进一步提供了显著的燃料成本降低和更高的系统燃烧效率的可能性。此外，通过将预重整的脱硫的燃料气体冷却至低于水的露点的温度以去除水，相对低温流(如PSA出口气体、冷燃烧空气、环境温度下用作工艺气体和燃料气体的天然气、或其组合)可以被预加热，从而从预重整的脱硫的燃料气体中回收热量。
第三，在所披露的实施例中，用作燃料气体和工艺气体的天然气被脱硫。这意指可以利用低于硫酸露点的烟道气或合成气的能量，使得可以消除系统中的硫酸或硫酸盐冷凝。换句话说，由于去除了燃料气流中的硫，因此，烟道气的温度可以降低到低于硫酸的露点而在SMR系统中没有硫酸冷凝，这有助于消除在低温范围内操作的设备的腐蚀。在某些实施例中，这有利地允许使用碳钢代替不锈钢。
虽然已经结合其具体实施例描述了本发明，明显的是鉴于前述说明许多替代方案、修改、和变化对于本领域技术人员将是清楚的。因此，旨在包含如落入所附权利要求的精神和宽范围内的所有此类替代方案、修改、和变化。本发明可以适当地包含所披露的要素、由所披露的要素组成或基本上由所披露的要素组成，并且可以在不存在未披露的要素下实践。此外，如果存在提及顺序的语言，例如第一和第二，它应在示例性意义上并且不在限制性意义上进行理解。例如，本领域技术人员可以认识到可以将某些步骤组合成单一步骤中。
注意，在此，术语“重烃(heavy hydrocarbon)”、“重烃(heavier hydrocarbon)”、“高级烃”和“长链烃”是指C2和C2+烃，并且可互换地使用。
单数形式“一个/种(a/an)”和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另外清楚地指出。
“约”或“大约”或“大致”在本文或权利要求中意指所述值的±10％。
权利要求中的“包含(comprising)”是开放式过渡术语，其意指随后确定的权利要求要素是无排他性的清单，即，其他任何事物可以附加地被包括并且保持在“包含”的范围内。“包含”在此被定义为必要地涵盖更受限制的过渡术语“基本上由……组成”和“由……组成”；因此“包含”可以被“基本上由……组成”或“由……组成”代替并且保持在“包含”的清楚地限定的范围内。
权利要求中的“提供(providing)”被定义为意指供给、供应、使可获得、或制备某物。步骤可以通过任何行动者在不存在相反的所述权利要求中的表达语言下进行。
任选的或任选地意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生。本说明包括其中所述事件或情况发生的实例以及其中所述事件或情况不发生的实例。
在此范围可以表述为从约一个具体值，和/或到约另一个具体值。当表述此种范围时，应理解的是另一个实施例是从该一个具体值和/或到该另一个具体值，连同在所述范围内的所有组合。
在此确定的所有参考文献各自特此通过引用以其全文结合到本申请中，并且是为了具体的信息，各个参考文献被引用就是为了该具体信息。

Claims (21)

1.一种改进的制氢系统，该系统包括：
加氢脱硫单元，该加氢脱硫单元被配置为使烃脱硫并产生工艺气流和脱硫的燃料气流；
第一预重整器，该第一预重整器被配置为接收该工艺气流并将该工艺气流内的重烃转化为甲烷以产生预重整的工艺气体；
第二预重整器，该第二预重整器被配置为接收该脱硫的燃料气流并将该脱硫的燃料气流内的重烃转化为一氧化碳和氢气以产生预重整的燃料气流；
第一热交换器，该第一热交换器被配置为通过将该预重整的燃料气体冷却至低于水的露点的温度来干燥该预重整的燃料气流，产生干燥的燃料气流；
第二热交换器，该第二热交换器加热该干燥的燃料气流，形成加热的干燥的燃料气流；
具有燃烧区和反应区的重整器，其中该反应区与该第一预重整器处于流体连通并且被配置为接收源自该第一预重整器的该预重整的工艺气体，其中该燃烧区与该第二热交换器处于流体连通并且被配置为接收源自该第二热交换器的该加热的干燥的燃料气流，其中该重整器被配置为在燃烧氧化剂存在下在该反应区内产生合成气流并且在该燃烧区内产生烟道气；以及
变压吸附(PSA)单元，该变压吸附单元被配置为接收该合成气流并产生产物氢气流和PSA出口气体流，
其中该第一预重整器在第一压力下操作并且该第二预重整器在第二压力下操作，其中该第一压力大于该第二压力。
2.如权利要求1所述的系统，其中，该第一热交换器使用选自由燃烧空气、该PSA出口气体、烃气流及其组合组成的组的工艺流来冷却该燃料气流。
3.如权利要求1所述的系统，其中，该第二热交换器使用选自由热的所述烟道气、该合成气流及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的燃料气流。
4.如权利要求2所述的系统，其中，该第二热交换器使用选自由热的所述烟道气、该合成气流及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的燃料气流。
5.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用燃烧空气来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用热的所述烟道气的流来加热该干燥的燃料气流。
6.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用该PSA出口气体来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用热的所述烟道气的流来加热该干燥的燃料气流。
7.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用烃气流来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用热的所述烟道气的流来加热该干燥的燃料气流。
8.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用燃烧空气来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气流来加热该干燥的燃料气流。
9.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用该PSA出口气体来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气流来加热该干燥的燃料气流。
10.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一热交换器使用烃气流来干燥该燃料气流，并且该第二热交换器使用该合成气流来加热该干燥的燃料气流。
11.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第一预重整器是绝热预重整器。
12.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第二预重整器是非绝热预重整器。
13.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第二预重整器是经加热的预重整器。
14.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第二预重整器是准等温预重整器。
15.如权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，该第二预重整器的压力范围是从1巴至3巴。
16.一种用于改进制氢系统中的热力学效率的方法，该方法包括以下步骤：
a)在加氢脱硫(HDS)单元中使烃脱硫以形成工艺气流和燃料气流；
b)在有效形成预重整的工艺气流的条件下在蒸汽存在下在第一压力下在第一预重整器中预重整该工艺气流；
c)在有效形成预重整的燃料气流的条件下在蒸汽存在下在第二压力下在第二预重整器中预重整该燃料气流，其中该第一压力大于该第二压力；
d)通过将该燃料气流冷却至低于水的露点的温度来干燥该预重整的燃料气流，产生干燥的燃料气流；
e)加热该干燥的燃料气流以形成加热的干燥的燃料气流；以及
f)通过在燃烧氧化剂存在下在重整器的燃烧区中燃烧该加热的干燥的燃料气流将该工艺气流内的甲烷转化为一氧化碳和氢气，从而在该重整器的反应区中产生合成气流并且在该重整器的燃烧区中产生烟道气流，其中该燃烧区被配置为与该反应区交换热量；以及
g)在有效产生产物氢气流和PSA出口气体流的条件下将该合成气流引入到变压吸附(PSA)单元中。
17.如权利要求16所述的方法，其中，在步骤d)中使用选自由燃烧空气、该PSA出口气体、烃气流及其组合组成的组的工艺流来干燥该预重整的燃料气流。
18.如权利要求16或17所述的方法，其中，在步骤e)中使用选自由热的所述烟道气、该合成气流及其组合组成的组的工艺流来加热该干燥的预重整的燃料气流。
19.如权利要求16或17所述的方法，其中，该第二预重整器是非绝热预重整器。
20.如权利要求16或17所述的方法，其中，该第二预重整器的压力范围是从1巴至3巴。
21.如权利要求16或17所述的方法，其中，该烃是天然气并且该燃烧氧化剂是空气。
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