CN116768157B - 天然气重整制氢系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种天然气重整制氢系统及方法，属于能源低碳利用技术领域。该系统包括：燃烧室、重整器和水气变换反应单元。燃烧室适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气；重整器适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体；水气变换反应单元适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将驰放气输入至燃烧室中；其中，驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。本发明的天然气制氢系统通过能量互补的方式为天然气重整过程提供反应热，使用了物理能和化学能的梯级利用，从而降低了反应过程的损失。

Description

天然气重整制氢系统及方法
技术领域
本发明涉及能源低碳利用领域，尤其涉及一种天然气重整制氢系统及方法。
背景技术
氢广泛应用于能源、电力、化工、交通、冶金以及建筑等领域。目前制氢的方法有很多，相对来说天然气与水蒸汽重整制氢(SMR)比较成熟。但是该方法重整反应温度多在850-1000℃，温度相对较高，气体在进入重整室前需要补燃，导致不可逆损失较大；SMR系统制备的产物包含H2和CO2，对两种气体分离功耗消耗较大，进一步加重了制氢系统的能耗。
因此，需要寻找一种工艺简单且制备得到的产物便于分离的制氢系统来解决上述问题。
发明内容
针对上述技术问题中的至少之一或一部分，本发明提供了一种天然气重整制氢系统及方法，可实现能的梯级利用、制备得到的气体易于分离并且降低了反应过程的损失。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种电解水和天然气重整耦合制氢系统，包括：燃烧室、重整器、水气变换反应单元；
其中，燃烧室适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气；
重整器适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体；
水气变换反应单元适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将驰放气输入至燃烧室中，驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。
在其中的一个实施例中，还包括电解水装置，电解水装置为燃烧室提供氧气。
在其中的一个实施例中，重整器和水气变换反应单元之间设置有换热处理单元，适用于使重整气体与来自于水气变换反应单元的低温驰放气进行换热，使得换热后被加热的驰放气输入到燃烧室。
在其中的一个实施例中，水气变换反应单元包括：水气变换反应器，适用于使来自于换热处理单元的重整气体的一氧化碳与水蒸汽发生反应，得到包括氢气的混合气；以及变压吸附制氢装置，适用于使来自于水气变换反应器的包括氢气的混合气进行分离，收集部分氢气并得到驰放气，并将驰放气输入到换热处理单元。
在其中的一个实施例中，水气变换反应单元还包括冷凝器，适用于利用反应水对来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气进行降温，以排出分离后的水和二氧化碳，反应水被加热之后成为水蒸汽，并输入至水气变换反应器。
在其中的一个实施例中，来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气经过换热处理单元之后进入冷凝器。
作为本发明的另一个方面，提供了一种制氢方法，采用如上所述的制氢系统，该方法包括：
将驰放气和氧气通入至燃烧室内，进行燃烧并产生高温烟气；
将天然气通入至重整室内，与来自于燃烧室的一部分高温烟气在重整室内混合，并利用高温烟气的热量进行重整反应，得到重整气体；
将来自于重整室的重整气体，先经过换热处理单元进行降温处理，再将降温后的重整气体输入至水气变换反应器与水蒸汽混合反应并得到包括氢气的混合气；
包括氢气的混合气经过变压吸附制氢装置进行分离，收集部分氢气并得到低温驰放气，再将低温驰放气经换热处理单元升温后输入至燃烧室中。
在其中的一个实施例中，重整气体包括氢气、天然气和一氧化碳；高温烟气包括水蒸汽和二氧化碳。
在其中的一个实施例中，重整气体的温度为750-1000℃，高温烟气的温度高于重整气体温度20-100℃。
在其中的一个实施例中，还包括将燃烧室产生的另一部分高温烟气经过换热处理单元进行降温处理后，再利用通入的反应水在冷凝器中进行冷凝处理，得到分离后的水和二氧化碳，反应水被加热得到水蒸汽；将经过冷凝器后被加热的水蒸汽，通入至水气变换反应器中与降温后的重整气体混合反应，得到包括氢气的混合气；其中，降温后的重整气体的温度为200-400℃，重整气体在换热处理单元与来自于变压吸附制氢装置的驰放气进行换热。
基于本发明上述实施例的天然气重整制氢系统及方法，利用氧气和水气变换反应单元得到的驰放气在燃烧室进行混合并燃烧放出热量，产生高温烟气。高温烟气的一部分通入至重整器中与通入的天然气混合，发生重整反应并产生重整气体，其中，燃烧放出的热量提供给重整器中的重整反应。重整气体通入至水气变换反应单元，重整气体中的一氧化碳与通入的反应水进行反应，生成包括氢气的混合气，再进一步收集氢气并得到驰放气，将得到的驰放气通入至燃烧室中，进行利用，并且燃烧得到的高温烟气中只有水蒸汽和二氧化碳，较容易进行分离。使用本发明的制氢系统，通过将燃烧反应与重整反应的耦合，使得燃烧室产生的部分高温烟气作为反应物进入重整器，本发明实施例在能够合理利用高温烟气的热量和成分的同时，减少了水蒸汽的使用量，减少了预设预燃室等资源的浪费。本发明实施例采用了化学能的梯级利用的方法，从而降低反应过程的损失。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1示出了本发明一实施例中天然气重整制氢系统的框图；
图2示出了本发明另一实施例中天然气重整制氢系统的框图；以及
图3示出了本发明一实施例中天然气重整制氢的方法流程图。
【附图标记说明】
1-燃烧室，2-重整器，3-水气变换反应单元，4-电解水装置，5-换热处理单元，31-水气变换反应器，32-变压吸附制氢装置，33-冷凝器，51-第一换热器，52-第二换热器，A-天然气，B-部分高温烟气，C驰放气，D-氧气，E-氢气，F-重整气体，G-反应水，H-另一部分高温烟气。
具体实施方式
相关技术中，多采用SMR系统来进行制氢，该方法的重整温度较高，通入的气体需要进行预热，系统多通过加设预燃室来完成预热过程。在实现本发明的过程中发现，通过将燃烧反应与重整反应的耦合，减少预设预燃室等资源的浪费，能够减少不可逆的损失。
为此，本发明的实施例提供了一种天然气重整制氢系统及方法，能够利用燃烧室出来的高温烟气直接通入至重整室中，节约了预热程序，将燃烧反应与重整反应耦合，合理地利用了高温烟气的能量和成分，降低了反应过程的损失。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
具体地，作为本发明的一个方面，提供了一种制氢系统，包括：燃烧室、重整器和水气变换反应单元。燃烧室适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气。重整器适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体。水气变换反应单元适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将驰放气输入至燃烧室中。驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。
图1示出了本发明一实施例中天然气重整制氢系统的框图。
以下结合图1对本发明实施例中的一种天然气重整制氢系统进行详细说明。
具体地，如图1所示，本发明的实施例提供的天然气重整制氢系统，包括燃烧室1、重整器2和水气变换反应单元3。
燃烧室1由耐高温合金材料制备而成的封闭结构单元。可根据需要使用气体混合器(图中未示出)。具体而言，可根据需要选择单管燃烧室、联管燃烧室、环形燃烧室，该燃烧室1用于为氧气D和驰放气C的混合燃烧提供场所，并产生高温烟气。
重整器2可根据需要使用混合室、反应器和催化剂再生装置，图中均未示出。其中反应器由内壁和外壁组成，其内壁由催化剂包裹的金属制管子组成，如钛、钼、钨、钽、铌等金属制管道，使用的催化剂例如可以是氧化铜；外壁为不锈钢或耐较高温度的金属组成，如：钛、钼、钨、钽、铌等组成，重整器2的内外壁之间可进行高温高压反应。在重整器2外部设置有天然气输送管道，用于为该重整器2提供反应原料天然气A。该重整器2用于使来自于燃烧室1的部分高温烟气B和通过管道输送进来的天然气A在混合室进行充分混合，然后在反应釜内进行重整反应。
水气变换反应单元3可根据包括反应装置和储罐，图中均未示出，在水气变换反应单元3设置有水输送管道，用于为该水气变换反应单元3输送反应水G。其中反应装置为密闭容器，内壁覆盖有耐酸碱的防腐材料，储罐通过管路与反应装置相连。该水气变换反应单元3用于使重整气体F中的一氧化碳与通过输送管道输入的反应水G反应，使用储罐收集制备得到的氢气E，水气变换反应单元3通过管路与燃烧室1相连，并通过管路向燃烧室1输入制备得到的驰放气C，其中，驰放气C包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳。
更具体地，氧气D通过输送管道输送进入燃烧室1，驰放气C通过另一管道输送进入燃烧室1，氧气D与驰放气C在燃烧室1中的气体混合器中进行充分混合后，在燃烧室1内进行较为充分地燃烧，燃烧得到的部分高温烟气B通过管道输送至重整器2，使得部分高温烟气B通入至重整器2时就已经达到预热温度，因此不需要进一步预热就可以直接与天然气A混合进行重整反应，减少了能源的消耗。天然气A与部分高温烟气B中的水蒸汽和二氧化碳进行重整反应，制备得到的一氧化碳、氢气和未充分反应的天然气A一起组成了重整气体F，通过输送管道将重整气体F输送至水气变换反应单元3内，重整气体F中的一氧化碳与外部通入的反应水G进行水气变换反应，制备得到氢气和二氧化碳，利用储罐收集制备得到的氢气E，制备的二氧化碳与未充分反应的一氧化碳、剩余的氢气、未充分反应的天然气和未充分反应的反应水G组成了驰放气C。将得到的驰放气C通过管路输送至燃烧室1中。燃烧放出的热量被高温烟气B携带并提供给重整器2中的重整反应，本发明的实施例使得能够合理利用高温烟气B的热量和成分的同时，减少了水蒸汽的使用量，从而减少了反应水G的投加量。燃烧室1产生的部分高温烟气B作为反应物通入到重整器2，使重整器2减少了反应物质需要的预热量，实现了能的梯级利用，从而降低反应过程的能量损失。并且实现了驰放气的循环净化过程，使得本发明系统的制氢能耗降低，并且提高了制氢的效率。
在本发明的实施例中，该制氢系统还包括电解水装置4。电解水装置4通过电解水制备得到氢气E和氧气D，将制备得到的氢气H通过支路管道进行收集储存，并将制备得到的另一产物氧气D通过另一支路管道通入至燃烧室1中，氧气D为燃烧室1提供了燃烧的助燃剂。电解水装置4可根据需要采用不锈钢、钛合金等防腐材料构成，内部包括有电解质填充物，用来加强电解效果，该电解水装置还可以包括电极，电极由较高纯度的金属板材制成，表面例如可涂覆有特殊的电解涂层，来进一步提高电解效率。电解水装置4还可根据需要设置有电源供应装置或清洗装置，并不以此为限。
在本发明的实施例中，重整器2和水气变换反应单元3之间设置有换热处理单元5，适用于使重整气体F与来自于水气变换反应单元3的低温驰放气C进行换热，使得换热后被加热升温的驰放气C输入到燃烧室1。换热处理单元5主要用于传递热量。在本发明实施例中，换热处理单元5包括圆形和/或方形的管子和板片组成，由并列排列的平行管道构成，管道之间可根据需要通过焊接和/或螺栓紧固。传热时，流过管道的温度较高的重整气体F被冷却，然后将其热量转移给另一个管道内的低温弛放气C，用于为低温驰放气C在通入燃烧室前进行预热。需要说明的是，这些不同的气体始终保持在不同的通道中，从而防止其混合。可根据需要设置调整流速的阀门和/或自动调节器来控制热量的传递，从而实现控制温度来加热和冷却的目的。
在本发明的实施例中，水气变换反应单元3包括：水气变换反应器31和变压吸附制氢装置32。
水气变换反应器31适用于使来自于换热处理单元5的重整气体F中的一氧化碳与水蒸汽发生反应，得到包括氢气E的混合气。
变压吸附制氢装置32适用于使来自于水气变换反应器31的包括氢气E的混合气进行分离，收集部分氢气E并得到驰放气C，并将驰放气C输入到换热处理单元5。
具体地，继续如图1所示，水气变换反应器31设置有第一入口、第二入口，重整气体F经换热处理单元5降温后，由第一入口通入至水气变换反应器31中，反应水G经由管道经过第二入口通入至水气变换反应器31。在其中的一个实施方式中，水气变换反应器31例如可根据需要设置有反应器、催化剂床层、分布式注气系统、分布式排气系统、补给气系统及校准点检测系统。其反应器本体可根据需要选用高温合金钢，目的在于提供较高的耐腐蚀性以及较好的防爆性能。分布式注气系统和分布式排气系统主要用于进一步调控反应器中气体的流量、压力及温度等参数，从而保证催化剂的稳定性和反应的可持续性。水气变换反应器31主要作用是将重整气体F的一氧化碳与经过升温后的反应水G进行反应，得到包括氢气E的混合气，并将包括氢气E的混合气通入至变压吸附制氢装置32。
进一步地，变压吸附制氢装置32主要用于将来自于水气变换反应器31的包括氢气E的混合气进行分离以得到部分氢气E和驰放气C，并对氢气E进行收集。在其中的一个实施方式中，变压吸附制氢装置32例如可根据需要设置有电加热循环改进式吸附器、制氢催化剂层、承压式变压器及输送系统。可根据需要选择，该吸附方式操作较简便、效率较高、成本相对较低，并且提高了氢气E的回收利用率，减少环境污染。
在本发明的实施例中，水气变换反应单元3还包括冷凝器33，适用于利用反应水G对来自于燃烧室1产生的另一部分高温烟气H进行降温，以排出分离后的水和二氧化碳，反应水G被加热之后成为水蒸汽输入至水气变换反应器31。具体而言，冷凝器33也是换热器的一种，通过该冷凝器33，实现对另一部分高温烟气H的降温，使得高温烟气H中的水蒸汽通过降温变成液态水，从而更方便与二氧化碳分离，不再需要较高能耗的二氧化碳捕集装置。通过另一部分高温烟气H的降温释放出来的热量来为反应水G预热，从而进一步减少了反应水G变成水蒸汽的预热量和使用量，进一步降低了反应过程的损失，实现了化学能的梯级利用。
在本发明的实施例中，来自于燃烧室1产生的另一部分高温烟气H经过换热处理单元5之后进入冷凝器33。具体地，另一部分高温烟气H先经过换热处理单元5进行传热，该通过管道的另一部分高温烟气H被冷却，并将其热量转移给另一个管道内的低温弛放气C，进一步为低温驰放气C提供进入燃烧室1前的预热。
需要说明的是，相关技术中使用电解水装置4制氢时，其主要产物为氢气E，副产物为氧气D。通常将副产物氧气D排放到大气中，造成资源的浪费。本发明的实施例将天然气重整制氢过程与电解水制氢过程进行耦合，在不补燃的情况下采用电解水制氢的副产物氧气D与预热后的驰放气C进行充分混合燃烧，为天然气重整过程提供反应热量和烟气，并且燃烧产物只有水和CO2，冷凝后可直接分离CO2，从而避免使用较高能耗的CO2分离装置，实现了天然气较为清洁、CO2直接分离回收，基本可以实现CO2接近于零排放入空气中，从而减少温室效应，保护环境。
图2示出了本发明另一实施例中天然气重整制氢系统的框图。
如图2所示，该天然气重整制氢系统包括燃烧室1、重整器2、水气变换反应单元3、电解水装置4、第一换热器51和第二换热器52。图2中示出的各部分结构与图1结构、功能基本相同，并使用相同的附图标记指代相同的具体结构及功能，在此不作赘述。以下仅针对不同之处进行介绍。
其中，图2与图1所示装置的不同之处在于布置有多个换热处理单元5，具体如图2所示，包括第一换热器51和第二换热器52，根据需要可使用一个或者多个热交换器，多个换热处理单元5中的热交换器的种类和/或尺寸相同或不相同。通过第一换热器51实现重整气体F与低温驰放气C之间的换热，从而使得低温弛放气C先进行部分预热升温；再通过第二换热器52实现另一部分高温烟气H与低温驰放气C的换热，进行低温驰放气C的第二次预热升温，从而帮助低温驰放气C在进入燃烧室前进行充分升温，实现了低温驰放气C的预热补燃。
图3示出了本发明一实施例中天然气重整制氢的方法流程图，如图3所示，天然气重整制氢的方法包括S301-S304。
在操作S301，将驰放气C和氧气D通入至燃烧室1内，进行燃烧并产生高温烟气。
在操作S302，将天然气A通入至重整室2内，与来自于燃烧室1的一部分高温烟气B在重整室2内混合，并利用高温烟气B的热量进行重整反应，得到重整气体F。
在操作S303，将来自于重整室2的重整气体F，先经过换热处理单元5进行降温处理，再将降温后的重整气体F输入至水气变换反应器31与水蒸汽混合反应并得到包括氢气的混合气。
在操作S304，包括氢气的混合气经过变压吸附制氢装置32进行分离，收集部分氢气H并得到低温驰放气C，再将低温驰放气C经换热处理单元5升温后输入至燃烧室1中。
根据本发明的实施例，将操作S301中得到的高温烟气进行充分利用，将其中的一部分高温烟气B通入至重整室2中，利用了燃烧室放出的热量，使得部分高温烟气B中的水蒸汽和二氧化碳进行较充分地预热，能够直接通入至重整室2中与天然气A进行重整反应，减少了反应中不可逆的损失。
进一步地，在操作S303中，重整反应得到的重整气体F先经过换热处理单元5，使得重整气体F将热量传递给驰放气C以后，再通入至水气变换反应器31，通过将热量的综合利用，使得从换热处理单元5出来的重整气体温度适配与重整反应需求的温度，因此既能够保证重整反应的进行，也避免了热量的浪费。需要说明的是，反应水G在通入至水气变换反应器31前先进行升温处理，得到水蒸汽后，再将水蒸汽通入至水气变换反应器31中，使得水蒸汽能够与重整气体F中的一氧化碳充分接触，使反应更为完全。
在本发明的实施例中，上述方法还包括：将燃烧室1产生的另一部分高温烟气H经过换热处理单元5进行降温处理后，再利用通入的反应水G在冷凝器33中进行冷凝处理，得到分离后的水和二氧化碳，反应水G被加热得到水蒸汽；以及
将经过冷凝器33后被加热的水蒸汽，通入至水气变换反应器31中与降温后的重整气体F混合反应，得到包括氢气E的混合气；
其中，降温后的重整气体F的温度为200-400℃，重整气体F在换热处理单元5与来自于变压吸附制氢装置32的驰放气C进行换热。
在本发明的实施例中，重整气体F的温度为750-1000℃，高温烟气的温度高于重整气体F温度20-100℃。具体而言，从重整器2经过重整反应得到的重整气体F温度为750-1000℃，经过换热处理单元5后，该重整气体F的温度在进入水气变换反应单元3时的温度为200-400℃；燃烧室1中制备得到的另一部分高温烟气H的温度为800-1100℃，经过换热处理单元5后，该另一部分高温烟气H在进入水气变换反应单元3的温度为200-400℃。两者放出的热量用于提供给来自于水气变换反应单元3的驰放气C的升温预热，使得水气变换反应单元3得到的低温驰放气C经过换热处理单元5后，能够达到450-550℃再通入至燃烧室1中，从而将重整反应和燃烧反应放出的热量进行梯级利用，进一步增加燃烧室的放热量，不需要额外进行补燃，进一步降低了反应过程的损失。
在本发明的实施例中，重整气体F包括氢气、天然气和一氧化碳；高温烟气包括水蒸汽和二氧化碳，其中，部分高温烟气B通入至重整室2与天然气A进行重整反应，另一部分高温烟气H经过冷凝器33降温，使水蒸汽液化排出，从而回收分离后的水和二氧化碳。
具体地，电解水装置4产生的氧气D进入燃烧室1与变压吸附制氢装置32排放的低温驰放气C混合燃烧放热，燃烧室1出口的一部分高温烟气B作为反应物和天然气A进入重整器2进行重整反应得到重整气体F，重整气体F在换热处理单元5中把热量传递给低温驰放气C，放热后的重整气体F与经冷凝器33预热后的反应水G(即水蒸汽)混合进入水气变换反应器31，得到包括氢气E的混合气，该混合气进入变压吸附制氢装置32将氢气E进行收集并得到低温驰放气C，低温驰放气C进入换热处理单元5吸热，吸热升温后通入至燃烧室1与来自于电解水装置4的氧气D进行混合燃烧，燃烧得到的部分高温烟气B通入至重整器2内进行循环利用，另一部分高温烟气H经过换热处理单元5进行降温放热后，再经过冷凝器33进行冷凝，使得水蒸汽冷凝成液态水，最终得到分离后的水和二氧化碳。
向本发明实施例使用的天然气重整制氢系统中通入天然气A为1.16mol，该1.16mol的天然气A在重整器2中与3.48mol的高温烟气发生重整反应，其中，重整反应的条件为在750℃的温度下，0.5MPa的压强下进行的。得到的重整气体F的温度为750℃，经过换热处理单元5进行降温换热后，得到降温至330℃的重整气体F，降温后的重整气体F再进入水气变换反应器31与1.7mol的升温后的反应水G(即水蒸汽)发生反应，得到包含氢气E的混合气，得到的混合气通入至变压吸附制氢装置32并回收部分氢气E，收集了3.13mol的氢气，并得到驰放气C。相对于参比系统的(2.91mol)的产氢率得到了进一步的提高。
剩余的25℃的驰放气C经换热处理单元5升温至550℃后，再通入至燃烧室1中进行燃烧，得到的高温气体中只有水蒸汽和二氧化碳，其温度为800℃，压强为0.5MPa。从燃烧室1出来的一部分高温烟气B通入至重整器2进行重整反应，另一部分高温烟气H经过换热降温、以及降温冷凝后，其温度为25℃，压强为0.1MPa，另一部分高温烟气H中的水蒸汽直接降温得到液态水，无需再消耗额外功率便可直接进行水和二氧化碳的分离，最终得到1.16mol的CO2，根据得到的数据比对，相比于参比系统节省了106.49kW的能量。
对本发明实施例提出的天然气重整制氢系统进行模拟计算，与常规天然气水蒸汽重整制氢系统和电解水制氢进行对比，系统各参数见表1。
表1两种天然气重整制氢系统的能量平衡表
从表1中可以看出，当使用本发明实施例的天然气重整制氢系统和常规天然气水蒸汽重整制氢和电解水制氢系统的能量输入均为1642.84kW时，使用本发明系统的制氢量为1333.95kW，比常规天然气水蒸汽重整制氢和电解水制氢系统的制氢量(1211.82kW)提升了7.43％。主要是因为常规天然气蒸汽重整制氢系统没有利用电解水装置电解水的副产品氧气，燃烧室的助燃剂为空气，导致驰放气燃烧的放热量不够重整过程的吸热量，需要补燃；此外由于燃烧的空气导致燃烧室出来的烟气中CO2浓度低，并且高能耗的CO2捕集装置必不可少，导致了较大的能量消耗。本发明实施例中天然气制氢系统采用了化学回热的方法，除了利用燃烧室一部分高温烟气B的高温热量，也利用这部分高温烟气B作为反应物，减少了预热水蒸汽的热量；并且利用了电解水装置电解水的副产品氧气，使燃烧室出口的高温烟气的成分只有水和CO2，直接冷凝分离进行CO2捕集，避免了使用较高能耗的CO2捕集装置，较大简化系统的同时产生了更多的氢气，节省了更多的电能。最终，本发明实施例的天然气制氢系统的能量效率达到了81.20％，相比常规天然气水蒸汽重整制氢和电解水装置电解水制氢系统(73.76％)提升了7.43个百分点。
本发明实施例的天然气重整制氢系统及方法利用电解水装置4电解水的副产物氧气D作为助燃剂，使驰放气C燃烧放出更多热量的同时使燃烧室1出口的高温烟气中只有水和CO2，高温烟气通过降温和冷凝后就可以通过气液分离把CO2分离，避免了使用高能耗的CO2分离装置；燃烧室1产生的一部分高温烟气B作为反应物进入重整器2，使重整器2所需热量减少的同时降低了重整反应中反应物的预热量，本发明的实施例采用了能的梯级利用方法，实现了天然气的高效、清洁转化与利用，进一步提高了制氢效率和制氢率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种制氢系统，包括：
燃烧室，适用于使氧气和驰放气混合燃烧并产生高温烟气；
重整器，适用于使来自于燃烧室的一部分高温烟气与通入的天然气进行重整反应，并得到重整气体；以及
水气变换反应单元，适用于使重整气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成包括氢气的混合气，收集部分氢气并得到驰放气，再将所述驰放气输入至燃烧室中；
其中，所述驰放气包括氢气、一氧化碳、天然气、水蒸汽和二氧化碳；
所述重整器和所述水气变换反应单元之间设置有换热处理单元，适用于使所述重整气体与来自于所述水气变换反应单元的低温驰放气进行换热，使得换热后被加热的驰放气输入到所述燃烧室。
2.根据权利要求1所述的制氢系统，还包括电解水装置，所述电解水装置为所述燃烧室提供氧气。
3.根据权利要求1所述的制氢系统，其中，所述水气变换反应单元包括：
水气变换反应器，适用于使来自于所述换热处理单元的所述重整气体的一氧化碳与水蒸汽发生反应，得到包括氢气的混合气；以及
变压吸附制氢装置，适用于使来自于所述水气变换反应器的包括氢气的混合气进行分离，收集部分氢气并得到驰放气，并将所述驰放气输入到所述换热处理单元。
4.根据权利要求3所述的制氢系统，其中，所述水气变换反应单元还包括：
冷凝器，适用于利用反应水对来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气进行降温，以排出分离后的水和二氧化碳，所述反应水被加热之后成为水蒸汽，并输入至所述水气变换反应器。
5.根据权利要求4所述的制氢系统，其中，来自于燃烧室产生的另一部分高温烟气经过所述换热处理单元之后进入所述冷凝器。
6.一种制氢的方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的制氢系统，所述方法包括：
将驰放气和氧气通入至燃烧室内，进行燃烧并产生高温烟气；
将天然气通入至重整室内，与来自于燃烧室的一部分高温烟气在重整室内混合，并利用高温烟气的热量进行重整反应，得到重整气体；
将来自于所述重整室的重整气体，先经过换热处理单元进行降温处理，再将降温后的重整气体输入至水气变换反应器与水蒸汽混合反应并得到包括氢气的混合气；以及
所述包括氢气的混合气经过变压吸附制氢装置进行分离，收集部分氢气并得到低温驰放气，再将所述低温驰放气经换热处理单元升温后输入至燃烧室中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，
所述重整气体包括氢气、天然气和一氧化碳；
所述高温烟气包括水蒸汽和二氧化碳。
8.根据权利要求6或7所述的方法，其中，所述重整气体的温度为750-1000℃，所述高温烟气的温度高于所述重整气体温度20-100℃。
9.根据权利要求6所述的方法，所述方法还包括：
将所述燃烧室产生的另一部分高温烟气经过换热处理单元进行降温处理后，再利用通入的反应水在冷凝器中进行冷凝处理，得到分离后的水和二氧化碳，反应水被加热得到水蒸汽；
将经过冷凝器后被加热的水蒸汽，通入至水气变换反应器中与降温后的重整气体混合反应，得到包括氢气的混合气；
其中，所述降温后的重整气体的温度为200-400℃，重整气体在换热处理单元与来自于所述变压吸附制氢装置的驰放气进行换热。
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