CN112678770B - 一种采用psa尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，涉及水蒸气重整制氢设备技术领域，包括甲醇储槽、脱盐水槽、催化燃烧室和甲醇制氢系统，催化燃烧室包括壳体，壳体内设置有烟气循环室、转化器、汽化过热器、换热器和催化燃烧器，使尾气的循环流动，甲醇、水预热汽化，催化反应，转化反应，催化燃烧等均在壳体内完成，本发明具有一体化程度高、占地面积小、投资运行成本低、安全可靠和实用性强的特点，并且排放废气的有机废料的含量低，具有很高的经济价值。
Description
技术领域
本发明涉及水蒸气重整制氢设备技术领域，具体涉及一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置。
背景技术
甲醇与水蒸气在一定的温度、压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇水蒸气重整反应和一氧化碳的变换反应,生成氢和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，重整反应生成的H2和CO2，再经过变压吸附法(PSA)将H2和CO2分离，得到高纯氢气。剩余的尾气(主要含有氢气、二氧化碳、微量甲醇及少量一氧化碳)则通过大气排放，随着国家对尾气排放要求提高，国内大部分地区已无法接受该尾气直接对大气排放，需要将有机物、一氧化碳处理后才能排放。
现有的甲醇制氢技术，产氢气时反应所需的热量大多由装置外供应的燃料燃烧供热，每套甲醇制氢机都要配套导热油供热系统，再通过导热油给制氢原料汽化、反应提供热量。由于燃烧系统比较庞大复杂，属于明火设备，与制氢机的距离要求，且导热油系统占地和投资较大，燃烧形成的烟气里面含有氮氧化物。甲醇制氢PSA尾气则独立放空，因甲醇制氢PSA尾气中含有微量的甲醇(VOC)和一氧化碳，在国内许多环保要求高的地区(如长江保护区、京津唐等)，要求对尾气要求进行处理后排放。
公布的专利主要包括利用甲醇制氢PSA尾气催化氧化燃烧形成独立的燃烧系统，利用循环风机提高烟气的流动速度以提高换热效率，不另外采用导热油系统而直接采用烟气对原料汽化、反应供热；
其中，催化氧化主要方程式包括：
2CH3OH+3O2＝2CO2+4H2O；2CO+O2＝2CO2；2H2+O2＝2H2O；
催化燃烧起活温度80～120℃，PSA尾气与空气混合升温后进入催化反应器进行氧化反应，释放热量，尾气经过氧化反应后得到的二氧化碳、水，并升温至280～400℃，给甲醇、水蒸发和反应提供热量。(不够的热量依靠原料甲醇补充。)得到的氮气、二氧化碳、水混合气体则通过风机循环使用，燃烧系统维持压力在10-20kpa，在不断鼓风的同时，多余烟气则通过放空管排放。
发明内容
本发明提供一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，具有一体化程度高、占地面积小、投资运行成本低、安全可靠和实用性强的特点，并且排放废气的有机废料的含量低，具有很高的经济价值。
本发明采用的技术方案：
一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，包括甲醇储槽、脱盐水槽、催化燃烧室和甲醇制氢系统，甲醇制氢系统得到的含氢气、二氧化碳、一氧化碳、水和微量甲醇的尾气进入尾气缓冲罐中增压后进入催化燃烧室；催化燃烧室包括壳体，壳体内设置有烟气循环室、转化器、汽化过热器、换热器和催化燃烧器；
来自甲醇制氢系统中的尾气进入催化燃烧器中催化燃烧，得到温度为350～380℃的尾气，后进入汽化过热器的壳程入口；
来自催化燃烧器的尾气进入汽化过热器的壳程入口，壳程的出口连接转化器的壳程入口，汽化过热器的管程入口连接换热器的壳程出口，汽化过热器的管程出口连接转化器的管程入口；
来自汽化过热器的尾气进入转化器的壳程入口，壳程出口排放的尾气由循环风机泵入催化燃烧器，或者泵入烟气循环室，转化器的管程入口连接汽化过热器的管程出口，转化器的管程出口连接换热器的壳程入口；
来自甲醇储槽的甲醇气进入换热器的管程入口，管程出口连接汽化过热器的管程入口，换热器的壳程入口连接转化器的管程出口，换热器的壳程出口连接冷凝器；
经冷凝器冷凝后的气液混合物流入气液分离器，冷凝后的不凝气体直接排放，气液分离器中得到的气体为转化气进入甲醇制氢系统进一步回收有效组分，气液分离器中得到的重组分液体和脱盐水槽中的脱盐水加入到分水罐中；
烟气循环室旁设置有用于将空气泵入烟气循环室内的鼓风机，烟气循环室的出口连接催化燃烧器。
进一步的，壳体由钢结构、钢板、保温材料和隔热材料共同构成。
进一步的，甲醇制氢系统得到的含氢气、二氧化碳、一氧化碳、水和微量甲醇的尾气进入尾气缓冲罐中增压至0.02Mpa-0.04Mpa，后进入催化燃烧室。
进一步的，转化器的壳程出口排放的尾气的温度为280～320℃。
进一步的，转化器为方箱式、立式或卧式管式设备。
进一步的，转化器的壳程出口排放的尾气由循环风机泵入烟气循环室，尾气可以通过烟气循环室上设置的烟囱直接排放。
进一步的，循环风机的气流量是鼓风机气流量的20-30倍。
本发明的有益效果是：
1、本发明通过使用尾气燃烧得到热量对甲醇、水汽化、转化反应等供热，加热介质为高温的尾气，从而取代了传统甲醇制氢装置采用的导热油系统，减少了占地和投资，减少了运行成本费用。
2、本发明相对于使用导热油系统，避免了导热油系统中长距离输送热量损失大，能耗高的问题。
3、本发明减少了废气中有机废料的含量，排放气中有机物、氮氧化物、硫化物等其他有害物质的含量极少。
4、传统的转化器采用固定管板式换热器，管程走甲醇和水进行换热发生反应，壳程走导热油，本发明的转化器为方箱式、立式或卧式等管式设备，转化器的壳程内高温尾气供热，通过强制对流传热与转化器的管束进行换热，管程为甲醇水重整制氢催化剂，设备结构简单，造价低，换热效率高。
5、本发明的一体化程度高，便于设备集成化、撬装化。本发明可以结合自动化控制设备，可以根据氢气的生产负荷，自动控制燃料物料量及烟气的温度，实用性强。
6、本发明无明火设备，装置安全可靠，可减少与周边设备间距要求；传统的PSA尾气催化燃烧时，当氧气浓度达到15％以上时，燃烧温度可以达到500-850℃，这个温度会大大增加设备安全风险，为降低设备损坏、故障，本发明采用循环风机加大风量流通量，提高烟气循环倍数以降低催化燃烧后烟气的温度。
7、本发明利用尾气燃烧得到热量替代部分燃料，相比传统工艺减少30～35％燃料消耗，每方氢气成本可减少6～8％，具有经济价值。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为本发明实施例2流程示意图；
附图中标号说明：1-甲醇储槽，2-脱盐水槽，3-分水罐，4-鼓风机，5-循环风机，6-催化燃烧室，7-冷凝器，8-气液分离器，9-甲醇制氢系统，10-尾气缓冲罐，11-烟气循环室，12-转化器，13-汽化过热器，14-换热器，15-催化燃烧器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1和图2，一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，包括甲醇储槽1、脱盐水槽2、催化燃烧室6和甲醇制氢系统9，甲醇制氢系统9的主要工艺包括甲醇、水原料升压、预热、汽化，转化反应生成氢气、二氧化碳、水和一氧化碳等介质，经过PSA分离得到大部分纯度较高的产品氢气，以及含氢气、二氧化碳、一氧化碳、水和微量甲醇的尾气；尾气进入尾气缓冲罐10中增压至0.02Mpa-0.04Mpa，后进入催化燃烧室6，尾气缓冲罐10起到了对尾气缓冲的作用。
参见图1和图2，上述装置中，催化燃烧室6包括壳体，壳体优选由钢结构、钢板、保温材料和隔热材料共同构成，壳体内设置有烟气循环室11、转化器12、汽化过热器13、换热器14和催化燃烧器15，使尾气的循环流动，甲醇、水预热汽化，催化反应，转化反应，催化燃烧均在壳体内完成；来自甲醇制氢系统9中的尾气进入催化燃烧器15中催化燃烧，得到温度为350～380℃的尾气，后进入汽化过热器13的壳程入口。
参见图2，上述装置中，来自催化燃烧器15的尾气进入汽化过热器13的壳程入口，壳程的出口连接转化器12的壳程入口，汽化过热器13的管程入口连接换热器14的壳程出口，汽化过热器13的管程出口连接转化器12的管程入口，汽化过热器13实现对甲醇、水预热汽化，得到原料气。
参见图2，上述装置中，来自汽化过热器13的尾气进入转化器12的壳程入口，壳程出口排放的尾气由循环风机5泵入催化燃烧器15，或者泵入烟气循环室11，转化器12的管程入口连接汽化过热器13的管程出口，转化器12的管程出口连接换热器14的壳程入口，转化器12对过热后的原料气进行转化反应，得到反应气。
参见图1，上述装置中，汽化过热器13壳程出口排放的尾气由循环风机5泵入催化燃烧器15，或者泵入烟气循环室11，从而得到循环使用，烟气循环室11旁设置有用于将空气泵入烟气循环室11内的鼓风机4，烟气循环室11的出口连接催化燃烧器15，当催化燃烧器15中的尾气燃烧不充分(氧气不足)时，通过鼓风机4将空气泵入催化燃烧器15，转化器12的壳程出口排放的尾气由循环风机5泵入烟气循环室11，当尾气多余时，尾气也可以通过烟气循环室11上设置的烟囱直接排放，为了提高燃烧后的尾气的循环倍率，循环风机5的气流量是鼓风机4气流量的20-30倍，可以将尾气温度降低至350～380℃。
参见图1和图2，上述装置中，来自甲醇储槽1的甲醇气进入换热器14的管程入口，管程出口连接汽化过热器13的管程入口，换热器14的壳程入口连接转化器12的管程出口，换热器14的壳程出口连接冷凝器7，换热器14实现反应气和甲醇、水的换热。
参见图1，上述装置中，经冷凝器7冷凝后的气液混合物流入气液分离器8，冷凝后的不凝气体直接排放，气液分离器8中得到的气体为转化气(主要含氢气、二氧化碳、少量一氧化碳和微量甲醇)进入甲醇制氢系统9进一步回收有效组分，气液分离器8中得到的重组分液体和脱盐水槽2中的脱盐水加入到分水罐3中；
参见图1和图2，上述装置中，转化器12为方箱式、立式或卧式等管式设备，转化器12的壳程内高温尾气供热，通过强制对流传热与转化器的管束进行换热，管程为甲醇水重整制氢催化剂，设备结构简单，造价低，换热效率高。
显而易见的，上面所述的实施例仅仅是本发明实施例中的一部分，而不是全部。基于本发明记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，或在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，包括甲醇储槽(1)、脱盐水槽(2)、催化燃烧室(6)和甲醇制氢系统(9)，所述甲醇制氢系统(9)得到的含氢气、二氧化碳、一氧化碳、水和微量甲醇的尾气进入尾气缓冲罐(10)中增压后进入催化燃烧室(6)；所述催化燃烧室(6)包括壳体，壳体内设置有烟气循环室(11)、转化器(12)、汽化过热器(13)、换热器(14)和催化燃烧器(15)；
来自甲醇制氢系统(9)中的尾气进入催化燃烧器(15)中催化燃烧，得到温度为350～380℃的尾气，后进入汽化过热器(13)的壳程入口；
来自催化燃烧器(15)的尾气进入汽化过热器(13)的壳程入口，壳程的出口连接转化器(12)的壳程入口，汽化过热器(13)的管程入口连接换热器(14)的壳程出口，汽化过热器(13)的管程出口连接转化器(12)的管程入口；
来自汽化过热器(13)的尾气进入转化器(12)的壳程入口，壳程出口排放的尾气由循环风机(5)泵入催化燃烧器(15)，或者泵入烟气循环室(11)，转化器(12)的管程入口连接汽化过热器(13)的管程出口，转化器(12)的管程出口连接换热器(14)的壳程入口；
来自甲醇储槽(1)的甲醇气进入换热器(14)的管程入口，管程出口连接汽化过热器(13)的管程入口，换热器(14)的壳程入口连接转化器(12)的管程出口，换热器(14)的壳程出口连接冷凝器(7)；
经冷凝器(7)冷凝后的气液混合物流入气液分离器(8)，冷凝后的不凝气体直接排放，气液分离器(8)中得到的气体为转化气进入甲醇制氢系统(9)进一步回收有效组分，气液分离器(8)中得到的重组分液体和脱盐水槽(2)中的脱盐水加入到分水罐(3)中；
烟气循环室(11)旁设置有用于将空气泵入烟气循环室(11)内的鼓风机(4)，烟气循环室(11)的出口连接催化燃烧器(15)。
2.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，所述壳体由钢结构、钢板、保温材料和隔热材料共同构成。
3.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，甲醇制氢系统(9)得到的含氢气、二氧化碳、一氧化碳、水和微量甲醇的尾气进入尾气缓冲罐(10)中增压至0.02Mpa-0.04Mpa，后进入催化燃烧室(6)。
4.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，所述转化器(12)的壳程出口排放的尾气的温度为280～320℃。
5.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，所述转化器(12)为方箱式、立式、卧式或管式设备。
6.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，所述转化器(12)的壳程出口排放的尾气由循环风机(5)泵入烟气循环室(11)，尾气可以通过烟气循环室(11)上设置的烟囱直接排放。
7.根据权利要求1所述的一种采用PSA尾气催化燃烧供热的甲醇、水制氢装置，其特征在于，所述循环风机(5)的气流量是鼓风机(4)气流量的20-30倍。
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