CN114906807A - 一种氢气生产系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种氢气生产系统，包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置。本发明能够回收并充分利用低值低品位、组分及资源量变化幅度大、且含有各种非可燃组分和杂质的生物质气与富含甲烷气，达到对生物质气、富含甲烷气物尽其用、价值最大化目标，解决资源浪费与排放污染问题。本发明还公开一种氢气生产方法。

Description

一种氢气生产系统及方法
技术领域
本发明涉及气体的分离和提纯，尤其涉及一种氢气生产系统及方法。
背景技术
生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气等，是由各种生物质经过发酵或裂解气化等过程后产生的气体；富含甲烷气包括炼厂尾气及其它甲烷组分含量较高的工业余气；富含氢气包括含有一定氢气组分的丙烷脱氢装置尾气、化肥生产驰放气等。
上述气体均为混合气体，主要组分是甲烷(CH4)、氢气(H2)、二氧化碳(CO2) 及其它组分与杂质，其来源十分广泛，国内外资源均相当丰富。
现实情况是：因为这些气体或热值偏低，或组分与流量不稳定，或杂质含量较高，或难以与燃烧装置较好匹配，或燃烧利用价值有限等原因，因而应用领域窄、利用率较低，即便是有限的利用案例也仅限于当作燃料燃烧，因而这些原料价格低廉。此外，因为资源分布不太集中、与应用端设备设施不兼容不配套、客户需求少且不匹配等多重因素影响，导致相当数量的上述气体被白白排空掉。
而另一方面，氢燃料电池汽车领域正在或将即将迎来大发展时期，高纯度氢气需求量急剧增加，氢气市场前景十分广阔。但氢源价格过高的问题却制约了燃料电池产业的发展，成为亟待解决的重大问题之一。
如何基于上述背景和现实情况，充分利用价格低廉的生物质气、富含甲烷气、富含氢气来获取低成本氢源，这个是本发明所要解决的技术问题。
从氢源生产端看：电解水制氢技术存在的最大问题是经济性问题，电价高、峰谷电价差异大导致装置不能连续稳定生产，装置投入大，这些都直接制约了电解水制氢产业路径的发展。
而作为天然气或甲醇等原料制氢，一方面是价格因素影响，另一方面，从能源利用角度看，尽管天然气或甲醇作为原料进行裂解反应是制取氢燃料电池汽车氢气的现实选择，技术装备成熟，也是有效途径。但是，天然气是一种品位较高的能源资源，价格较为昂贵，而制氢裂解反应是吸热过程，需要使用一部分能源用于加热升温，用价格较高、品位价值较高的天然气等能源来承担低端的加热任务，从能源利用角度看显然不合理，也势必增大氢源生产成本，不利于氢能产业气源的竞争力提升，影响市场化进程。因此，天然气或甲醇等原料制氢同样也存在制氢成本制约的问题。
综上所述，需要寻求一种低成本制氢的方法与相应的生产系统，有效解决上述技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氢气生产系统及方法，其能够有效解决现有技术中所存在的上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明的一实施例提供了一种氢气生产系统，包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置；
所述生物质气供应装置用于提供以甲烷及二氧化碳为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体；
所述富含甲烷气体供应装置用于提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
Figure BDA0003684232640000021
碳氢化合物；
所述预处理装置分别与所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置连接，用于对所述生物质气供应装置提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体，所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分；
所述第一组分分离装置的入口与所述预处理装置的出口连接，用于将所述预处理装置输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体汇入到所述燃料气总管中，而所述第一组分分离装置的出口输出为粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体；
所述第二组分分离装置的入口与所述第一组分分离装置的出口连接，用于对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体汇入到所述燃料气总管中，而所述第二组分分离装置的出口输出为细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体；
所述催化裂解及变换装置的原料气体入口与所述第二组分分离装置的出口连接，第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体进入所述催化裂解及变换装置中，在高温条件下与水蒸气进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品；
所述第三组分分离装置的入口与所述催化裂解及变换装置的出口连接，用于将其输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品，而分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述第四组分分离装置的入口与所述第三组分分离装置的出口连接，用于对其输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为 99.9％～99.999％的高纯度氢气产品，而分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述燃料气总管的输出端与所述催化裂解及变换装置连接，汇入到所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置的加热燃料；所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置的出口、所述第二组分分离装置的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门，所述第二补充管道上设置第二阀门，所述控制装置分别连接所述催化裂解及变换装置、第一阀门和第二阀门，所述控制装置根据所述催化裂解及变换装置中的原料气体所对应的加热燃料需求控制所述第一阀门和第二阀门的开或关，包括：
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求时，控制所述第一阀门和第二阀门关闭；
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第一阀门打开以将所述预处理装置的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中。
较佳地，所述氢气生产系统还包括干冰生产装置和化学水供应装置；
所述干冰生产装置的入口与所述催化裂解及变换装置的烟气出口连接，用于将所述催化裂解及变换装置排出的主要成分为CO2和H2O的烟气进行处理，制作成干冰产品；
所述化学水供应装置通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置连接以作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水，所述干冰生产装置将制作过程中烟气中的冷凝水收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水；
所述氢气生产系统还包括发电装置和/或站外加热装置，所述发电装置和/或站外加热装置与所述燃料气总管的输出端连接，当所述燃料气总管中的燃料气体大于所述加热燃料需求时，将多余的燃料气体输出给所述发电装置发电和/或站外加热装置作为燃料利用。
较佳地，所述氢气生产系统还包括富含氢气的驰放气供应装置、第一净化处理装置和第五组分分离装置；
所述富含氢气的驰放气供应装置用于提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气；
第一净化处理装置与所述富含氢气的驰放气供应装置连接，用于对所述富含氢气的驰放气供应装置提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分；
所述第五组分分离装置的入口与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第五组分分离装置的出口与所述第三组分分离装置的入口连接，用于将第一净化处理装置输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体并输送到所述第三组分分离装置中以进行后续处理，而分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述燃料气总管的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门，所述控制装置还连接所述第三阀门；所述控制装置进一步用于：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第三阀门打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求时再控制打开所述第二阀门。
较佳地，所述氢气生产系统还包括甲醇供应装置和第二净化处理装置；
所述甲醇供应装置用于提供甲醇原料；
所述第二净化处理装置连接于所述甲醇供应装置的出口和所述催化裂解及变换装置的原料气体入口之间，用于将甲醇供应装置提供的甲醇原料进行净化处理后，输出到所述催化裂解及变换装置中进行催化裂解及变换反应。
较佳地，所述氢气生产系统还包括天然气管网和脱硫及净化装置；
所述天然气管网的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门，所述控制装置连接所述第四阀门，所述控制装置进一步用于：当所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求时，控制所述第四阀门打开以将多余的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体输送到所述天然气管网供天然气产品用户使用；
所述脱硫及净化装置的入口与所述天然气管网的出口连接，所述脱硫及净化装置的出口与所述催化裂解及变换装置的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后输入到所述催化裂解及变换装置中进行后续反应；
所述控制装置还连接所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网连接，所述控制装置进一步用于：
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，控制所述富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网的出口关闭以阻断原料供应；
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料不满足所述氢气产品需求时，首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置的出口打开以补充生产原料，若仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网的出口打开以补充生产原料。
本发明另一实施例对应提供一种氢气生产方法，其特征在于，适用于包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置的氢气生产系统中，所述氢气生产方法包括；
通过生物质气供应装置提供以甲烷及二氧化碳为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体；
通过富含甲烷气体供应装置提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
Figure BDA0003684232640000061
以上碳氢化合物；
通过预处理装置对所述生物质气供应装置提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体，所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分；
通过第一组分分离装置将所述预处理装置输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，得到粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
通过所述第二组分分离装置对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，得到细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
将所述第二组分分离装置输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体通过所述催化裂解及变换装置的原料气体入口输入催化裂解及变换装置中，在高温条件下与水蒸气进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品；
通过第三组分分离装置将催化裂解及变换装置输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品，并将分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
通过第四组分分离装置将第三组分分离装置输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为99.9％～99.999％的高纯度氢气产品，并将分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输出端与所述催化裂解及变换装置连接，汇入到所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置的加热燃料；所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置的出口、所述第二组分分离装置的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门，所述第二补充管道上设置第二阀门，所述控制装置分别连接所述催化裂解及变换装置、第一阀门和第二阀门；所述氢气生产方法还包括：
所述控制装置根据所述催化裂解及变换装置中的原料气体所对应的加热燃料需求控制所述第一阀门和第二阀门的开或关，包括：
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求时，控制所述第一阀门和第二阀门关闭；
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第一阀门打开以将所述预处理装置的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中。
较佳地，所述氢气生产系统还包括干冰生产装置和化学水供应装置；所述氢气生产方法还包括：
将干冰生产装置的入口与所述催化裂解及变换装置的烟气出口连接，通过干冰生产装置将所述催化裂解及变换装置排出的主要成分为CO2和H2O的烟气进行处理，制作成干冰产品；
将所述化学水供应装置通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置连接以作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水，并将所述干冰生产装置将制作过程中烟气中的冷凝水收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水；
所述氢气生产系统还包括发电装置和/或站外加热装置，所述发电装置和/或站外加热装置与所述燃料气总管的输出端连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述燃料气总管中的燃料气体大于所述加热燃料需求时，将多余的燃料气体输出给所述发电装置发电和/或站外加热装置作为燃料利用。
较佳地，所述氢气生产系统还包括富含氢气的驰放气供应装置、第一净化处理装置和第五组分分离装置；所述氢气生产方法还包括：
通过富含氢气的驰放气供应装置提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气；
通过第一净化处理装置对所述富含氢气的驰放气供应装置提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分；
通过第五组分分离装置将第一净化处理装置输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体并输送到所述第三组分分离装置中以进行后续处理，并将分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门，所述控制装置还连接所述第三阀门；所述氢气生产方法还包括：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，通过所述控制装置首先控制所述第三阀门打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求时再控制打开所述第二阀门。
较佳地，所述氢气生产系统还包括甲醇供应装置和第二净化处理装置；所述氢气生产方法还包括：
通过甲醇供应装置用于提供甲醇原料；
通过第二净化处理装置将甲醇供应装置提供的甲醇原料进行净化处理后输出到所述催化裂解及变换装置中进行催化裂解及变换反应。
较佳地，所述氢气生产系统还包括天然气管网和脱硫及净化装置，所述天然气管网的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门，所述控制装置连接所述第四阀门；所述氢气生产方法还包括：
当所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求时，通过所述控制装置控制所述第四阀门打开以将多余的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体输送到所述天然气管网供天然气产品用户使用；
另外，所述脱硫及净化装置的入口与所述天然气管网的出口连接，所述脱硫及净化装置的出口与所述催化裂解及变换装置的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后输入到所述催化裂解及变换装置中进行后续反应；
所述控制装置还连接所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，通过控制装置控制所述富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网的出口关闭以阻断原料供应；
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料不满足所述氢气产品需求时，通过控制装置首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置的出口打开以补充生产原料，若仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网的出口打开以补充生产原料。
本发明实施例提供的氢气生产系统及方法，旨在回收并充分利用低值低品位、组分及资源量变化幅度大、且含有各种非可燃组分和杂质的生物质气、富含甲烷气、富含氢气尾气，将原本独立、各自为政的独立生产模块或装置进行统筹、有机组合、集成优化，依据资源气体产地条件(生物质气、富含甲烷气、富含氢气尾气产量、组分及价格)及氢气产品的实际需求，结合甲醇原料、天然气管网情况，通过本发明提供的氢气生产系统及方法实现多品类能源生产实时平衡与智能控制，实时变换相应的生产方案及操作系统组合，即优选生产系统运行方案，采取灵活可靠的模式组织生产，实时平衡、安全运营、效能最优、连续稳定，杜绝能源资源浪费，在满足产品(H2等) 数量和质量及安全要求前提下，实现氢源生产成本最低化及整个生产系统科学性、经济性与合理性目标。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种氢气生产系统及方法，具有如下技术效果：
1、回收并充分利用低值低品位、组分及资源量变化幅度大、且含有各种非可燃组分和杂质的生物质气与富含甲烷气，达到对生物质气、富含甲烷气物尽其用、价值最大化目标，解决资源浪费与排放污染问题。
2、设置的多品类能源生产实时平衡与智能控制系统负责对各生产装置进行统筹，包括优化生产运行方案以实现整个生产系统的生产过程实时平衡，通过整体融合实现生产成本最低化、能源利用合理化、整体效能最高化目标。
3、依据多种原料气禀赋情况以及实时成本价格，自动优选生产装置组合，实现生产运行方案科学化、经济化、合理化、实时平衡。
4、依据催化裂解及变换装置的加热燃料需求，对送入燃料气总管的各燃料量进行统筹和控制，结合价格、价值以及热值等具体情况，实现燃料系统实时平衡成本最低。
5、最大限度回收干冰生产过程中从烟气分离出来的冷凝水送入化学水供应管道生产水蒸气进行循环使用，实现裂解所需水蒸气与化学水之间的动态平衡和成本最优。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例1提供的一种氢气生产系统的结构示意图；
图2是本发明实施例2提供的一种氢气生产系统结构示意图；
图3是本发明实施例3提供的一种氢气生产系统结构示意图；
图4是本发明实施例4提供的一种氢气生产系统的结构示意图。
图5是本发明实施例5提供的一种氢气生产方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
考虑到许多生物质气体包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气等以及石化、炼化、化工企业富含甲烷及富含氢的尾气资源没能较好利用甚至排空浪费，而氢燃料电池产业氢源成本又过高甚至资源短缺的现实情况，再结合天然气裂解制氢过程中使用高品位天然气作为加热燃料的工艺技术缺陷，加上天然气制氢装置或甲醇制氢装置因为客户端氢气需求量不确定导致装置不能连续平稳运行、可能会出现安全隐患的弊端，开发出将生物质气、富含甲烷气、富含氢气尾气系统与天然气管网系统及氢气生产系统融为一体的多品类能源互补生产系统，通过工艺创新、系统集成、技术优化，使该生产系统能够灵活依据生物质气、富含甲烷气及富含氢气尾气资源产地资源量及客户端产品(H2)实际需求，灵活匹配相应的生产方案及操作系统组合来组织生产，在满足产品(H2等)数量、质量及安全要求前提下实现生产装置自动匹配终端客户端产品需求，通过灵活切换、实时平衡、效能最优及连续稳定运行，达到对生物质气、富含甲烷气及富含氢气尾气物尽其用、价值最大化目标，解决资源浪费与排放污染问题。
系统可分别以生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体，或富含甲烷组分的炼厂尾气等工业余气，或富含氢气的丙烷脱氢装置尾气、化肥生产驰放气等作为生产原料，或以上述混合资源作为原料，并依托于天然气管网天然气作为原料补充，既可生产纯度可调的氢气产品，又可以以生物质气、富含甲烷气作为原料，生产氢气产品或返输天然气管网的天然气产品，或同时生产氢气和天然气产品。而当甲醇原料具有价格优势时，该系统也可以用甲醇作为原料生产氢气产品。
对于催化裂解生产过程中需要的加热燃料，本发明本着首选低成本原料，最大限度降低生产成本，按照“低值低用、成本最低化”原则，优先使用组分分离过程中的品位较低的低热值混合气体，比如变压吸附装置解吸气等作为加热燃料，不足部分品位稍高的分离气作为补充，杜绝或最大限度减少高品位天然气作为燃料的使用量。
本系统外设置的发电装置和/或站外加热装置用来平衡品位较低的燃料气富余量，当组分分离过程中的低热值混合气体量大于催化裂解及变换装置加热需求量时，富余部分送去该发电装置和/或站外加热装置发电或燃烧加热，以此物尽其用、提高经济效益，避免利用高质天然气作为燃料造成浪费。
本系统对催化裂解及变换装置加热后的烟气进行了回收利用，本发明设置有干冰生产装置，烟气中富含二氧化碳(CO2)组分，通过与其他组分分离等处理环节后CO2被制成干冰产品外售，既提高经济效益，又杜绝碳排放，实现清洁化生产，提高附加值。
因为生产装置多、能源品类与来源广泛，为协调平衡生产过程确保运行安全，须有智能控制系统对各生产装置进行统筹，优化生产运行方案实现整个生产系统实时平衡，通过各能源特征互补整体融合，实现生产成本最优化、能源利用合理化、整体效能最高化目标。
以上本发明的技术方案基本思路。
下面将通过多个具体实施例详细说明本发明的实现方案。
参考图1，本发明实施例1提供了一种氢气生产系统的结构示意图，该实施例提供的氢气生产系统利用生物质气及富含甲烷气生产氢气产品及干冰产品。如图1所示，该实施例提供的氢气生产系统包括生物质气供应装置101、富含甲烷气体供应装置102、预处理装置103、第一组分分离装置104、第二组分分离装置105、催化裂解及变换装置106、第三组分分离装置107、第四组分分离装置108、燃料气总管109、控制装置 110、干冰生产装置111、化学水供应装置112、发电装置和/或站外加热装置113、氢气产品处理装置114和干冰产品处理装置115。
所述生物质气供应装置101用于提供以甲烷(体积分数60％左右)及二氧化碳(体积分数40％左右)为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体。
所述富含甲烷气体供应装置102用于提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
Figure BDA0003684232640000131
以上碳氢化合物。
所述预处理装置103分别与所述生物质气供应装置101、富含甲烷气体供应装置102连接，用于对所述生物质气供应装置101提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置102提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体(脱除H2S等杂质的混合气体)，所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分。
所述第一组分分离装置104的入口与所述预处理装置103的出口连接，用于将所述预处理装置103输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体(如图中标记②所示) 汇入到所述燃料气总管109中，而所述第一组分分离装置104的出口输出为粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体(包括CH4、CO2、H2等)。
所述第二组分分离装置105的入口与所述第一组分分离装置104的出口连接，用于对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体(如图中标记③所示)汇入到所述燃料气总管109中，而所述第二组分分离装置105的出口输出为细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体(以CH4为主)。
所述催化裂解及变换装置106的原料气体入口与所述第二组分分离装置105的出口连接，第二组分分离装置105的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体(如图中标记Y1所示)进入所述催化裂解及变换装置106中，在高温 (820℃)条件下与水蒸气在镍作催化剂条件下进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品(如图中标记A 所示)。
所述第三组分分离装置107的入口与所述催化裂解及变换装置10的出口连接，用于将其输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品(如图中标记A1所示)，而分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体(如图中标记⑤所示)汇入到所述燃料气总管109中。可以理解的，经过第三组分分离装置107提纯后的中低纯度氢气产品(如图中标记A1 所示)可以接输出到氢气产品处理装置114中进行使用或外销，也可以根据需求直经过第四组分分离装置108进行再次提纯以得到纯度更高(99.9％～99.999％)的高纯度氢气产品。
所述第四组分分离装置108的入口与所述第三组分分离装置107的出口连接，用于对其输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为99.9％～99.999％的高纯度氢气产品(如图中标记A2所示)，而分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体(如图中标记④所示)汇入到所述燃料气总管 109中。
其中，所述燃料气总管109的输出端与所述催化裂解及变换装置106连接，汇入到所述燃料气总管109中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置106的加热燃料。所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置103的出口、所述第二组分分离装置105的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门P1，所述第二补充管道上设置第二阀门P2，所述控制装置110分别连接所述催化裂解及变换装置106、第一阀门P1和第二阀门P2，所述控制装置110根据所述催化裂解及变换装置106中的原料气体需求(如图中标记Y所示)所对应的加热燃料需求(如图中标记X所示)控制所述第一阀门P1和第二阀门P2的开或关，包括：
当所述燃料气总管109中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求(即②+③+④+⑤≥X)时，控制所述第一阀门P1 和第二阀门P2关闭；
当所述燃料气总管109中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求(即②+③+④+⑤＜X)时，首先控制所述第一阀门P1打开以将所述预处理装置103的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体(如图中标记①所示)汇入到所述燃料气总管109中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管109中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求(即②+③+④+⑤+①＜X)时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置105的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体(如图中标记⑥所示)汇入到所述燃料气总管109中。
可以理解的，汇入到所述燃料气总管109中的第一补充燃料气体(如图中标记①所示)和第二补充燃料气体(如图中标记⑥所示)均可作为所述催化裂解及变换装置 106的加热燃料。
进一步，作为所述催化裂解及变换装置106的加热燃料中除了可燃组分之外，还富含CO2组分，在催化裂解及变换装置106中燃烧后的烟气包括CO2、H2O，本实施例通过设置干冰生产装置111、将其加工成干冰产品通过干冰产品处理装置115进行利用或外销。
如图1所示，所述干冰生产装置111的入口与所述催化裂解及变换装置106的烟气出口连接，用于将所述催化裂解及变换装置106排出的主要成分为CO2和H2O的烟气(如图中标记B所示)进行处理，制作成干冰产品，制作成的干冰产品输出至所述干冰产品处理装置115以进行使用或外销。
所述化学水供应装置112通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置106连接以作为所述催化裂解与变换装置106中裂解反应的水蒸气补水，所述干冰生产装置 111将制作过程中烟气中的冷凝水(如图中标记C所示)收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置106中裂解反应的水蒸气补水。
进一步的，所述发电装置和/或站外加热装置113与所述燃料气总管109的输出端连接，当所述燃料气总管109中的燃料气体大于所述加热燃料需求(即②+③+④+⑤＞X)时，将燃料气总管109中多余的燃料气体(即②+③+④+⑤-X)输出给所述发电装置和 /或站外加热装置113作为发电或燃料利用。
进一步的，本发明实施例提供的控制装置110还分别对应与所述生物质气供应装置101、富含甲烷气体供应装置102、干冰生产装置111、化学水供应装置112、发电装置和/或站外加热装置113、氢气产品处理装置114和干冰产品处理装置115连接以控制工作，例如，用于控制所述生物质气供应装置101、富含甲烷气体供应装置102作为生产原料的气体供应，根据所述氢气产品处理装置114的氢气产品需求(包括中低纯度氢气产品A1和/或高纯度氢气产品A2的需求)来计算/统计催化裂解及变换装置 106中的原料气体需求(如图中标记Y所示)及对应的加热燃料需求(如图中标记X所示)的量，从而计算并控制系统中其他装置的工作，使整个氢气生产系统处于一个平衡合理的工作状态。
参考图2，是本发明实施例2提供了一种氢气生产系统的结构示意图，该实施例提供的氢气生产系统利用生物质气及富含甲烷气生产氢气产品、天然气产品及干冰产品。如图2所示，本实施例提供的氢气生产系统在图1所示的实施例1的基础上，还增加天然气管网201和脱硫及净化装置202。
所述天然气管网201的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置105的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门P4，所述控制装置110连接所述第四阀门P4，所述控制装置110进一步用于：当所述第二组分分离装置105的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求(即Y1＞Y) 时，控制所述第四阀门P4打开以将多余的(即Y1-Y)甲烷组分体积含量高于92％的混合气体(如图中标记⑦所示)输送到所述天然气管网201供天然气产品用户使用。
所述脱硫及净化装置202的入口与所述天然气管网201的出口连接，所述脱硫及净化装置202的出口与所述催化裂解及变换装置106的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网201的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后得到净化后的天然气(如图中标记Y2所示)输入到所述催化裂解及变换装置106中进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应以及后续处理，关于催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应以及后续处理可以参考实施例1，在此不再描述。
另外，在本实施例中，所述控制装置110还与所述天然气管网201连接以控制其出口的开/关，从而控制天然气的输出。具体的，所述控制装置110执行如下操作以控制整个系统中的作为生产原料的供应：
当所述生物质气供应装置101和富含甲烷气体供应装置102供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求(对应为Y1≥Y，其中Y为满足氢气产品需求的原料气体需求) 时，控制所述天然气管网的出口关闭以阻断天然气作为生产原料供应；
当所述生物质气供应装置101和富含甲烷气体供应装置102供应的气体作为生产原料不满足氢气产品需求(对应为Y1＜Y)时，控制所述天然气管网的出口打开以输出天然气作为补充的生产原料(优选控制使Y1+Y2＝Y)。
可以理解的，本实施例提供的氢气生产系统的其他装置的结构和功能与实施例1提供的对应装置的结构和功能基本一致，在此不再赘述。
参考图3，是本发明实施例3提供了一种氢气生产系统的结构示意图，该实施例提供的氢气生产系统利用生物质气、富含甲烷气以及炼化、石化、化工、氯碱企业富含氢气的尾气生产氢气产品及干冰产品。本发明实施例3提供的氢气生产系统在实施例1 或实施例2的基础上，进一步增加设置富含氢气的驰放气供应装置301、第一净化处理装置302和第五组分分离装置303，其中，图3所示在实施例1的基础上增加这些装置，但可以理解的，本实施例也可以在实施例2的基础上增加这些装置。所述富含氢气的驰放气供应装置301用于提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气。
第一净化处理装置302与所述富含氢气的驰放气供应装置301连接，用于对所述富含氢气的驰放气供应装置301提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分。
所述第五组分分离装置303的入口与所述第一净化处理装置302的出口连接，所述第五组分分离装置303的出口与所述第三组分分离装置107的入口连接，用于将第一净化处理装置302输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体(如图中标记A’所示)并输送到所述第三组分分离装置 107中以进行后续处理，而分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体(如图中标记⑧所示)汇入到所述燃料气总管109中。
所述燃料气总管109的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置302的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门P3，所述控制装置110还连接所述第三阀门P3；所述控制装置110进一步用于：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求(即②+③+④+⑤+①＜X)时，首先控制所述第三阀门P3打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体 (如图中标记⑨所示)汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求(即② +③+④+⑤+①+⑨＜X)时再控制打开所述第二阀门P2以将所述第二组分分离装置105 的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体(如图中标记⑥所示)汇入到所述燃料气总管109中。
另外，在本实施例中，所述控制装置110还与所述富含氢气的驰放气供应装置301连接以控制其出口的开/关，从而控制驰放气的输出。具体的，所述控制装置110执行如下操作以控制整个系统中的作为生产原料的供应：
当满足以下两个条件的至少一个时：(1)当所述生物质气供应装置101和富含甲烷气体供应装置102供应的气体作为生产原料不满足氢气产品需求(对应为Y1＜Y)， (2)所述富含氢气的驰放气供应装置301中的驰放气存量大于预设阈值且市场价格低于预设价格，控制所述富含氢气的驰放气供应装置301的出口打开以输出驰放气作为补充的生产原料，优选控制使A+A’的量能够制成满足氢气产品需求；否则控制所述富含氢气的驰放气供应装置301的出口关闭以阻断驰放气作为生产原料供应。
可以理解的，本实施例提供的氢气生产系统的其他装置的结构和功能与实施例1或实施例2提供的对应装置的结构和功能基本一致，在此不再赘述。
参考图4，是本发明实施例4提供了一种氢气生产系统的结构示意图，该实施例提供的氢气生产系统利用生物质气、富含甲烷气、炼化、石化、化工、氯碱企业富含氢气的尾气或甲醇原料作为生产原料生产氢气产品及干冰产品。本发明实施例4提供的氢气生产系统在实施例1或实施例2或实施例3的基础上，进一步增加设置甲醇供应装置401和第二净化处理装置402。
所述甲醇供应装置401用于提供甲醇原料；
所述第二净化处理装置402连接于所述甲醇供应装置401的出口和所述催化裂解及变换装置106的原料气体入口之间，用于将甲醇供应装置401提供的甲醇原料进行净化处理后，得到纯净的甲醇作为原料输入到所述催化裂解及变换装置106中进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应以及后续处理，关于催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应以及后续处理可以参考实施例1，在此不再描述。
所述控制装置110还连接所述甲醇供应装置401以控制其出口的开/关，从而控制甲醇的输出。具体的，所述控制装置110执行如下操作以控制整个系统中的作为生产原料的供应：
当所述生物质气供应装置101和富含甲烷气体供应装置102供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，控制所述富含氢气的驰放气供应装置301(除非满足下述两个条件的至少一个时)、甲醇供应装置401和天然气管网201的出口关闭以阻断原料供应；
当满足以下两个条件的至少一个时：(1)当所述生物质气供应装置101和富含甲烷气体供应装置102供应的气体作为生产原料不满足氢气产品需求(对应为Y1＜Y)， (2)所述富含氢气的驰放气供应装置301中的驰放气存量大于预设阈值且市场价格低于预设价格，首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置301的出口打开以输出驰放气作为补充的生产原料，优选控制使A+A’的量能够制成满足氢气产品需求；若此时仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置401的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网201的出口打开以补充生产原料。
可以理解的，本实施例提供的氢气生产系统的其他装置的结构和功能与实施例1或实施例2或实施例3提供的对应装置的结构和功能基本一致，在此不再赘述。
可以理解的，在本发明提供的上述任一实施例中，通过设置燃料气总管109以实现：
1、本发明生产系统设置有燃料气总管，目的在于统筹各类含有可燃组分的燃料气，做到统一调配、物尽其用，不浪费能源。
2、燃料气总管输入与输出原则：1)输入与输出实时平衡；2)优先输入低品位、低值气体，少输入相对高品位气体，不使用天然气，即⑥尽可能为0；3)燃料气优先供应催化裂解及变换装置106作为升温燃料使用，富余部分供发电装置和/或站外加热装置113使用。
3、燃料气使用原则：1)优先使用第一组分分离装置104、第二组分分离装置105、第三组分分离装置107、第四组分分离装置108、第五组分分离装置303分离出来的低值气体②、③、④、⑤、⑧；2)优先用于催化裂解及变换装置106升温燃料；3)用于催化裂解及变换装置106升温燃料之后剩余的燃料气则送往发电装置发电和站外加热装置集中加热；4)用于催化裂解及变换装置106升温燃料不足部分，则通过控制阀门由预处理装置103的出口、第一净化处理装置302的出口及第二组分分离装置105的出口所输出的气体作为调节补充，按照低值优先原则，不足部分补充顺序为“预处理装置103的出口输出的气体→第一净化处理装置302的出口所输出的气体→第二组分分离装置105的出口所输出的气体”。
参考图5，本发明实施例提供一种氢气生产方法的流程示意图，适用于包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置的氢气生产系统中，所述氢气生产方法包括；
S501、通过生物质气供应装置提供以甲烷及二氧化碳为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固度生物质气体；
S502、通过富含甲烷气体供应装置提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
Figure BDA0003684232640000211
以上碳氢化合物；
S503、通过预处理装置对所述生物质气供应装置提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体，所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分；
S504、通过第一组分分离装置将所述预处理装置输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，得到粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
S505、通过所述第二组分分离装置对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，得到细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
S506、将所述第二组分分离装置输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体通过所述催化裂解及变换装置的原料气体入口输入催化裂解及变换装置中，在高温条件下与水蒸气进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品；
S507、通过第三组分分离装置将催化裂解及变换装置输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品，并将分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
S508、通过第四组分分离装置将第三组分分离装置输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为99.9％～99.999％的高纯度氢气产品，并将分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输出端与所述催化裂解及变换装置连接，汇入到所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置的加热燃料；所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置的出口、所述第二组分分离装置的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门，所述第二补充管道上设置第二阀门，所述控制装置分别连接所述催化裂解及变换装置、第一阀门和第二阀门；所述氢气生产方法还包括：
通过所述控制装置根据所述催化裂解及变换装置中的原料气体所对应的加热燃料需求控制所述第一阀门和第二阀门的开或关，包括：
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求时，控制所述第一阀门和第二阀门关闭；
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第一阀门打开以将所述预处理装置的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中。
作为本实施例的改进方案，所述氢气生产系统还包括干冰生产装置和化学水供应装置；所述氢气生产方法还包括步骤：
将干冰生产装置的入口与所述催化裂解及变换装置的烟气出口连接，通过干冰生产装置将所述催化裂解及变换装置排出的主要成分为CO2和H2O的烟气进行处理，制作成干冰产品；
将所述化学水供应装置通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置连接以作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水，并将所述干冰生产装置将制作过程中烟气中的冷凝水收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水；
所述氢气生产系统还包括发电装置和/或站外加热装置，所述发电装置和/或站外加热装置与所述燃料气总管的输出端连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述燃料气总管中的燃料气体大于所述加热燃料需求时，将多余的燃料气体输出给所述发电装置发电和/或站外加热装置作为燃料利用。
作为本实施例的改进方案，所述氢气生产系统还包括富含氢气的驰放气供应装置、第一净化处理装置和第五组分分离装置；所述氢气生产方法还包括步骤：
通过富含氢气的驰放气供应装置提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气；
通过第一净化处理装置对所述富含氢气的驰放气供应装置提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分；
通过第五组分分离装置将第一净化处理装置输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体并输送到所述第三组分分离装置中以进行后续处理，并将分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门，所述控制装置还连接所述第三阀门；所述氢气生产方法还包括：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，通过所述控制装置首先控制所述第三阀门打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求时再控制打开所述第二阀门。
作为本实施例的改进方案，所述氢气生产系统还包括甲醇供应装置和第二净化处理装置；所述氢气生产方法还包括步骤：
通过甲醇供应装置用于提供甲醇原料；
通过第二净化处理装置将甲醇供应装置提供的甲醇原料进行净化处理后，得到纯净的甲醇作为原料输入到所述催化裂解及变换装置中进行催化裂解及变换反应。
作为本实施例的改进方案，所述氢气生产系统还包括天然气管网和脱硫及净化装置，所述天然气管网的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门，所述控制装置连接所述第四阀门；所述氢气生产方法还包括步骤：
当所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求时，通过所述控制装置控制所述第四阀门打开以将多余的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体输送到所述天然气管网供天然气产品用户使用；
另外，所述脱硫及净化装置的入口与所述天然气管网的出口连接，所述脱硫及净化装置的出口与所述催化裂解及变换装置的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后输入到所述催化裂解及变换装置中进行后续反应；
所述控制装置还连接所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，通过控制装置控制所述富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网的出口关闭以阻断原料供应；
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料不满足所述氢气产品需求时，通过控制装置首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置的出口打开以补充生产原料，若仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网的出口打开以补充生产原料。
以上所揭露的仅为本发明一些较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种氢气生产系统，其特征在于，包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置；
所述生物质气供应装置用于提供以甲烷及二氧化碳为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体；
所述富含甲烷气体供应装置用于提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
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碳氢化合物；
所述预处理装置分别与所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置连接，用于对所述生物质气供应装置提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体；所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分；
所述第一组分分离装置的入口与所述预处理装置的出口连接，用于将所述预处理装置输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体汇入到所述燃料气总管中，而所述第一组分分离装置的出口输出为粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体；
所述第二组分分离装置的入口与所述第一组分分离装置的出口连接，用于对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，分离出主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体汇入到所述燃料气总管中，而所述第二组分分离装置的出口输出为细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体；
所述催化裂解及变换装置的原料气体入口与所述第二组分分离装置的出口连接，第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体进入所述催化裂解及变换装置中，在高温条件下与水蒸气进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品；
所述第三组分分离装置的入口与所述催化裂解及变换装置的出口连接，用于将其输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品，而分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述第四组分分离装置的入口与所述第三组分分离装置的出口连接，用于对其输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为99.9％～99.999％的高纯度氢气产品，而分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述燃料气总管的输出端与所述催化裂解及变换装置连接，汇入到所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置的加热燃料；所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置的出口、所述第二组分分离装置的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门，所述第二补充管道上设置第二阀门，所述控制装置分别连接所述催化裂解及变换装置、第一阀门和第二阀门，所述控制装置根据所述催化裂解及变换装置中的原料气体所对应的加热燃料需求控制所述第一阀门和第二阀门的开或关，包括：
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求时，控制所述第一阀门和第二阀门关闭；
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第一阀门打开以将所述预处理装置的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中。
2.根据权利要求1所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括干冰生产装置和化学水供应装置；
所述干冰生产装置的入口与所述催化裂解及变换装置的烟气出口连接，用于将所述催化裂解及变换装置排出的主要成分为CO2和H2O的烟气进行处理，制作成干冰产品；
所述化学水供应装置通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置连接以作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水，所述干冰生产装置将制作过程中烟气中的冷凝水收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水；
所述氢气生产系统还包括发电装置和/或站外加热装置，所述发电装置和/或站外加热装置与所述燃料气总管的输出端连接，当所述燃料气总管中的燃料气体大于所述加热燃料需求时，将多余的燃料气体输出给所述发电装置发电和/或站外加热装置作为燃料利用。
3.根据权利要求1所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括富含氢气的驰放气供应装置、第一净化处理装置和第五组分分离装置；
所述富含氢气的驰放气供应装置用于提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气；
第一净化处理装置与所述富含氢气的驰放气供应装置连接，用于对所述富含氢气的驰放气供应装置提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分；
所述第五组分分离装置的入口与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第五组分分离装置的出口与所述第三组分分离装置的入口连接，用于将第一净化处理装置输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体并输送到所述第三组分分离装置中以进行后续处理，而分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
所述燃料气总管的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门，所述控制装置还连接所述第三阀门；所述控制装置进一步用于：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第三阀门打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求时再控制打开所述第二阀门。
4.根据权利要求3所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括甲醇供应装置和第二净化处理装置；
所述甲醇供应装置用于提供甲醇原料；
所述第二净化处理装置连接于所述甲醇供应装置的出口和所述催化裂解及变换装置的原料气体入口之间，用于将甲醇供应装置提供的甲醇原料进行净化处理后，输出到所述催化裂解及变换装置中进行催化裂解及变换反应。
5.根据权利要求4所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括天然气管网和脱硫及净化装置；
所述天然气管网的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门，所述控制装置连接所述第四阀门，所述控制装置进一步用于：当所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求时，控制所述第四阀门打开以将多余的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体输送到所述天然气管网供天然气产品用户使用；
所述脱硫及净化装置的入口与所述天然气管网的出口连接，所述脱硫及净化装置的出口与所述催化裂解及变换装置的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后输入到所述催化裂解及变换装置中进行后续反应；
所述控制装置还连接所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网连接，所述控制装置进一步用于：
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，控制所述富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网的出口关闭以阻断原料供应；
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料不满足所述氢气产品需求时，首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置的出口打开以补充生产原料，若仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网的出口打开以补充生产原料。
6.一种氢气生产方法，其特征在于，适用于包括生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、预处理装置、第一组分分离装置、第二组分分离装置、催化裂解及变换装置、第三组分分离装置、第四组分分离装置、燃料气总管和控制装置的氢气生产系统中，所述氢气生产方法包括；
通过生物质气供应装置提供以甲烷及二氧化碳为主要组分的生物质气，所述生物质气包括沼气、垃圾填埋气、生物质气化气及固废生物质气体；
通过富含甲烷气体供应装置提供富含甲烷的各类工业尾气，所述富含甲烷气体中还包括
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碳氢化合物；
通过预处理装置对所述生物质气供应装置提供的生物质气和/或所述富含甲烷气体供应装置提供的富含甲烷气体进行预处理，从而除去包括H2S、H2O和粉尘的有害物质和杂质，得到预处理后的混合气体，所述预处理后的混合气体包括含有大量的甲烷和其他碳氢化合物的可燃组分及含有大量二氧化碳的非可燃组分；
通过第一组分分离装置将所述预处理装置输出的预处理后的混合气体进行组分粗分离，得到粗分后的甲烷组分体积含量高于75％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第一燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
通过所述第二组分分离装置对所述甲烷组分体积含量高于75％的混合气体进行组分细分离，得到细分后的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体，并将分离出的主要由大部分非可燃组分和小部分可燃组分组成的混合气体作为第二燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
将所述第二组分分离装置输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为原料气体通过所述催化裂解及变换装置的原料气体入口输入催化裂解及变换装置中，在高温条件下与水蒸气进行催化裂解反应、甲烷化及相应的变换反应，得到以H2、CO2为主要组分且氢气含量高于90％的氢气产品；
通过第三组分分离装置将催化裂解及变换装置输出的氢气含量高于90％的氢气产品进行浅度分离，得到纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品，并将分离出来的含有大量CO2和少量H2组分的混合气体作为第三燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
通过第四组分分离装置将第三组分分离装置输出的纯度为95.0％～99.0％的中低纯度氢气产品进行深度分离，得到纯度为99.9％～99.999％的高纯度氢气产品，并将分离出来的含有CO2和少量H2组分的混合气体作为第四燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输出端与所述催化裂解及变换装置连接，汇入到所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体作为所述催化裂解及变换装置的加热燃料；所述燃料气总管的输入端还分别通过第一补充管道、第二补充管道对应与所述预处理装置的出口、所述第二组分分离装置的出口连接，所述第一补充管道上设置第一阀门，所述第二补充管道上设置第二阀门，所述控制装置分别连接所述催化裂解及变换装置、第一阀门和第二阀门；所述氢气生产方法还包括：
通过所述控制装置根据所述催化裂解及变换装置中的原料气体所对应的加热燃料需求控制所述第一阀门和第二阀门的开或关，包括：
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量满足所述加热燃料需求时，控制所述第一阀门和第二阀门关闭；
当所述燃料气总管中的第一燃料气体、第二燃料气体、第三燃料气体、第四燃料气体的量不满足所述加热燃料需求时，首先控制所述第一阀门打开以将所述预处理装置的出口输出的预处理后的混合气体作为第一补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，再控制所述第二阀门打开以将所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体作为第二补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中。
7.根据权利要求6所述的氢气生产方法，其特征在于，所述氢气生产系统还包括干冰生产装置和化学水供应装置；所述氢气生产方法还包括：
将干冰生产装置的入口与所述催化裂解及变换装置的烟气出口连接，通过干冰生产装置将所述催化裂解及变换装置排出的主要成分为CO2和H2O的烟气进行处理，制作成干冰产品；
将所述化学水供应装置通过化学水系统管线与所述催化裂解及变换装置连接以作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水，并将所述干冰生产装置将制作过程中烟气中的冷凝水收集送入到所述化学水系统管线中作为所述催化裂解与变换装置中裂解反应的水蒸气补水；
所述氢气生产系统还包括发电装置和/或站外加热装置，所述发电装置和/或站外加热装置与所述燃料气总管的输出端连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述燃料气总管中的燃料气体大于所述加热燃料需求时，将多余的燃料气体输出给所述发电装置发电和/或站外加热装置作为燃料利用。
8.根据权利要求7所述的氢气生产系统，其特征在于，所述氢气生产系统还包括富含氢气的驰放气供应装置、第一净化处理装置和第五组分分离装置；所述氢气生产方法还包括：
通过富含氢气的驰放气供应装置提供富含氢气的驰放气，所述富含氢气的驰放气包括炼化、石化、化工、氯碱企业的尾气；
通过第一净化处理装置对所述富含氢气的驰放气供应装置提供的富含氢气的驰放气进行包括脱除硫化氢的净化处理，得到净化后的主要成分为氢气的混合气体，所述净化后的主要成分为氢气的混合气体还包括含有甲烷的可燃组分及含有二氧化碳的非可燃组分；
通过第五组分分离装置将第一净化处理装置输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体进行组分分离，得到氢气含量大于90％的混合气体并输送到所述第三组分分离装置中以进行后续处理，并将分离出的含有甲烷的可燃组分及小部分非可燃组分的混合气体作为第五燃料气体汇入到所述燃料气总管中；
其中，所述燃料气总管的输入端还通过第三补充管道与所述第一净化处理装置的出口连接，所述第三补充管道上设置第三阀门，所述控制装置还连接所述第三阀门；所述氢气生产方法还包括：
当汇入所述第一补充燃料气体的燃料气总管中的燃料气体的量仍不满足所述加热燃料需求时，通过所述控制装置首先控制所述第三阀门打开以将所述第一净化处理装置的出口输出的净化后的主要成分为氢气的混合气体作为第三补充燃料气体汇入到所述燃料气总管中，若仍不满足所述加热燃料需求时再控制打开所述第二阀门。
9.根据权利要求8所述的氢气生产方法，其特征在于，所述氢气生产系统还包括甲醇供应装置和第二净化处理装置；所述氢气生产方法还包括：
通过甲醇供应装置用于提供甲醇原料；
通过第二净化处理装置将甲醇供应装置提供的甲醇原料进行净化处理后，输出到所述催化裂解及变换装置中进行催化裂解及变换反应。
10.根据权利要求9所述的氢气生产方法，其特征在于，所述氢气生产系统还包括天然气管网和脱硫及净化装置，所述天然气管网的入口通过引流管道与所述第二组分分离装置的出口连接，所述引流管道上设置第四阀门，所述控制装置连接所述第四阀门；所述氢气生产方法还包括：
当所述第二组分分离装置的出口输出的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体的量大于所述催化裂解及变换装置的原料气体需求时，通过所述控制装置控制所述第四阀门打开以将多余的甲烷组分体积含量高于92％的混合气体输送到所述天然气管网供天然气产品用户使用；
另外，所述脱硫及净化装置的入口与所述天然气管网的出口连接，所述脱硫及净化装置的出口与所述催化裂解及变换装置的原料气体入口连接，用于对所述天然气管网的出口提供的天然气进行包括脱硫的净化处理后输入到所述催化裂解及变换装置中进行后续反应；
所述控制装置还连接所述生物质气供应装置、富含甲烷气体供应装置、富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网连接，所述氢气生产方法还包括：
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料满足氢气产品需求时，通过控制装置控制所述富含氢气的驰放气供应装置、甲醇供应装置和天然气管网的出口关闭以阻断原料供应；
当所述生物质气供应装置和富含甲烷气体供应装置供应的气体作为生产原料不满足所述氢气产品需求时，通过控制装置首先控制所述富含氢气的驰放气供应装置的出口打开以补充生产原料，若仍不满足所述氢气产品需求时，则判断甲醇原料的当前市价是否少于阈值，若是，则控制所述甲醇供应装置的出口打开以补充生产原料，否则控制所述天然气管网的出口打开以补充生产原料。
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