CN1186769A - 采用天然气的氢气发生器 - Google Patents

Abstract

一种使用天然气和水的氢气发生器包括:脱硫反应器;烃水蒸汽转化器;变压吸附装置;连接该转化器与该反应器的第一管道;设在向该转化器供空气的第二管道上的第一阀门,以控制进该转化器的空气流量;进行第三、四管道间热交换的热交换器,第三管道的两端连接于第二管道,第一阀门位于其间,第四管道将来自该转化器的热产品气引到一氧化碳转化反应器和设置在第三管道上、用以控制供入第三管道的空气流量用的第二阀门。

Description

采用天然气的氢气发生器

本发明总地涉及一种氢气发生器，更具体说，涉及一种采用天然气的氢气发生器，它能通过天然气与水的反应而无需附加设备从天然气本身制取高纯度的氢气。

从天然气制取氢气通常有三种工艺方法，即蒸汽转化、部分氧化和自热转化。

其中，由于要供给另外的氧气的限制，部分氧化和自热转化工艺在经济上是不适宜的。于是广泛地采用蒸汽转化工艺。在此，下面将在蒸汽转化工艺的基础上进行描述。

一种典型的蒸汽转化工艺主要包括一转化步骤和一提纯回收步骤，前一步骤中烃(碳氢化合物)与热蒸汽发生反应以制取多种转化气体，后一步骤中从诸转化气体回收氢气。烃的实例包括天然气、丙烷、丁烷和石脑油等。

下面是对一种采用天然气作为原料的传统的蒸汽转化工艺的详细说明。天然气包括作为其主要组份的甲烷，该组份气体与蒸汽的反应如下：

    H＝206千焦/克分子  (I)

按照反应I从天然气和蒸汽制取氢气和一氧化碳通常是在有改性催化剂(如镍)的情况下进行的。如反应式所示，该反应是强烈吸热的，因此，需供给外部热量。为进行此反应，要在1至20个大气压的压力下保持500至1000℃的温度。为防止产生甲烷和在催化剂上产生焦炭的逆反应，需向反应系统中加入超量的蒸汽。就天然气而言，蒸汽对烃的分子比应保持在约3至3.5。

在一个大型制氢装置中，烃水蒸汽转化器包括一个大的反应炉，在其内有多根催化剂管子在900至1000℃的温度下工作。尽管有如此的高温，热效率却低至60-70％。

除了反应I外，还发生如下面反应式II表示的一氧化碳向氢气的转化反应：

    H＝-41千焦/克分子  (II)

称为水/煤气转移反应的反应II是放热反应，所以，反应温度越低，一氧化碳的转化率就越高。因此，在压力保持在1至2大气压的同时仅将反应加热到180至300℃。

在以高温工作的烃水蒸汽转化器的出口处一氧化碳浓度很高。为了降低气体的温度，在烃水蒸汽转化器的尾部设置有一热交换器，为了降低一氧化碳浓度和提高氢气产量，使气体通过一个转化反应器(在该反应器中填充有铜类催化剂)。

天然气含有微量的硫化合物，其用来通过其特殊气味发出天然气泄漏的警告。在反应过程中，这些硫化合物覆盖在烃水蒸汽转化器内的催化剂上，这样就变为不能再起作用了。因此应进行预先加热以脱硫。为此，在烃水蒸汽转化装置的头部设置一内部填充有加氢脱硫催化剂和H₂S(硫化氢)的吸收催化剂的脱硫反应器，并将其保持在150至350℃的一温度下。

在大多数情况下，整个系统的启动时间取决于脱硫反应器作好工作前的准备所需的时间长短。通常，该脱硫反应器由一电加热器加温或通过与氮气流过时产生的热量进行热交换而对其间接预热。此外，还设置一附加的锅炉以将水转化为蒸汽。

用于对传统的采用天然气的氢气发生器的脱硫反应器进行加热的这一电热器使反应器周围产生局部高温，这会使脱硫催化剂的作用降低。此外，电加热器在经济上也是不可取的，因为它要消耗大量的电能而维护费用高。由于电加热器难以在脱硫反应器中设置，其装配的生产率很低。

另外，需要有附加的锅炉来产生超过氢气发生器需要的蒸汽。还有，从烃水蒸汽转化器来的含氢气的产品气体不达到转化反应器而无法进行热量回收和再利用，因而，这种氢气发生器的总的热效率明显低下。

所以，本发明的一个目的是克服现有技术中存在的问题，并提供一紧凑的采用天然气的氢气发生器，它能明显减少设备部件的数量，从而减小安装该发生器所需的空间。

本发明的另一目的是提供一采用天然气的氢气发生器，其制造和安装成本都很低廉。

本发明的再一目的是提供一包括一个不需要电加热器的脱硫反应器的采用天然气的氢气发生器，因而其装配生产率、必需的启动时间和热效率明显改善。

按照本发明，为实现上述目的而提出的一种采用天然气的氢气发生器包括一脱硫反应器、一烃水蒸汽转化器和一变压吸附装置(P.S.A)，其中，所述采用天然气的氢气发生器还包括一第一管道，用来将所述烃水蒸汽转化器与脱硫反应器连接起来，以将从烃水蒸汽转化装置来的热燃烧气体提供给脱硫反应器，并预热脱硫反应器；一第一阀门装置，它用于控制供给烃水蒸汽转化器的空气流，该装置是设置在用于将空气供给烃水蒸汽转化器的一第二管道上；一热交换器，其用于进行一第三管道与一第四管道之间的热交换，以冷却产品气体，其中的第三管道的两端连接于所述第二管道，并以第一阀门装置位于其间，而第四管道上将来自烃水蒸汽转化器的热的产品气体引导到一氧化碳转化反应器；以及，一第二阀门装置，其用于控制供给第三管道的空气流，它设置在第三管道的一所需位置上。

本发明的其他目的和内容将从下面参阅附图对诸实施例的描述显现出来。其中：

图1表示本发明的一氢气发生器的工艺流程；

图2是一示意剖视图，表示按照本发明的一实施例的烃水蒸汽转化器；

图3是一示意剖视图，表示按照本发明的另一实施例的烃水蒸汽转化器；以及

图4是一示意剖视图，表示按照本发明的一脱硫反应器。

参阅诸附图可最好地理解本发明的最佳实施例的应用，其中，相同的标号分别用于同一和相应的部分。

参阅图1，它给出了按照本发明的采用天然气的氢气发生器的工艺流程。如图1所示，本发明的采用天然气的氢气发生器包括一烃水蒸汽转化器100、一脱硫反应器200、一热交换器300、一变压吸附装置14、诸管道23，25和26以及一对阀门装置301和302。

按照该工艺流程，一供水罐1借助一管道3通过一热交换器4连接于烃水蒸汽转化器100的一水入口105a。储存在供水罐1中的水由一泵2泵送并通过管道3送到烃水蒸汽转化器100。

在该烃水蒸汽转化器100内产生的热的产品气体从其产品气体出口101C排出，并流经一第四管道5通过热交换器300输送至一氧化碳转化反应器6的入口。一氧化碳转化反应器6的出口借助一管道7通过一热交换器8连接于一分离器9。

在热交换器8中，来自一氧化碳转化反应器6的产品气体由借助一管道10供给的冷却水冷却，如此，具有通常温度的产品气体被送到分离器9。

在分离器9中，产品气体与伴随的水分离开，随后水被排出。几乎全部产品气体通过一管道13供至一变压吸附装置14，在该装置中粗制氢气得以净化到一定的高纯度。为了将氢气提供给一脱硫反应，将一微量的产品气体通过一管道11送到一压缩机12。

该变压吸附装置14内填充着分子筛，用于吸收CO，CO₂，CH₄，H₂O等非H₂气体后再予以除去。当按照这些吸附剂床交替地进行三个大气压的工作和抽真空时，就可制取出高纯度的氢气。在抽真空时抽出的废气沿着管道15前进并借助一真空泵16储存在一罐内。这可用作烃水蒸汽转化器100的燃料源。另一方面，一压缩机18将高纯度氢气高压压缩并沿着一管道17送到一产品气体储罐19中。

天然气由一压缩机12加压并沿着一管道20送到一天然气储罐21中，该罐由一管道22连接于脱硫反应器200。

进入烃水蒸汽转化器100的空气由一加热器24预热，并被导向转化器100的一空气入口101d。一天然气燃料管108从管道22分出并连接于该空气入口101d，以便将混有空气的燃料提供给烃水蒸汽转化器100。

在第二管道23的所希望的一位置上设置有一第一阀门装置302，以便控制送向加热器24的空气。在第一阀门装置302和加热器24之间的分支出一适当位置第二管道23。用标号“25”标注的分支出的第三管道直接通向热交换器300，然后返回到第二管道23的另一适当位置。在第二管道23的返回点与热交换器300之间设置有一第二阀门装置301，以控制与从烃水蒸汽转化器100经管道5来的热产品气体进行热交换的空气的流量。

烃水蒸汽转化器100处产生的热燃烧热量通过第一管道26传送给脱硫反应器200，以预热该反应器。

其一端连接于脱硫反应器200的第一管道26延伸到烃水蒸汽转化器100的燃烧气体出口101b。在这一延伸中，管道3通过热交换器4，在此沿管道3输送的水被热燃烧产生的热量预热。

由脱硫反应器200除去了硫的燃料通过一管道27送给烃水蒸汽转化器100。即，管道27是从脱硫反应器200的出口走向烃水蒸汽转化器100的天然气供入口101a。

参阅图2，它表示了按照本发明的第一实施例的烃水蒸汽转化器100的结构。如图所示，烃水蒸汽转化器100主要设置有一壳体101、一转化管102、一用于转化管102的分离器板103、一燃烧室104和一用于产生蒸汽的螺线管105。

壳体101是中空的，它有所需的直径和长度。该壳体由一绝缘材料层101f予以热屏蔽，并具有在其上表面、侧表面和下表面的一天然气供入口101a、一燃烧气体出口101b、一产品气体出口101c以及一空气入口101d。具体地说，天然气供入口101a在壳体的顶表面的中心处直接连接于壳体的中空内腔，并垂直向上延伸。燃烧气体出口101b和产品气体出口101c都在壳体101的外圆周的一所需位置直接连接于内部的空腔并朝外延伸。同样，空气入口101d位于底表面的中心并向下延伸。

在壳体101的空腔中，转化管102、用于转化管102的分离器板103、燃烧室104和产生蒸汽用的螺线管105均被固定安装。

燃烧室104是一种具有一所需直径和一所需长度的圆筒，其下表面紧密粘接于壳体101的空腔的底部。燃烧室104直接连接于壳体101的空气入口101d，它在其上和下部具有燃烧催化剂系统106和107。燃烧催化剂系统106和107都是圆筒结构的，它们的起催化作用的活性组份是用钯和其他贵金属制备的。

在壳体101的空气入口101d的一所需位置上设置有一天然气燃料管108，该管在一所需位置分支出一根燃料喷射管109。该燃料喷射管109固定成它垂向地穿越壳体101的底表面后，穿入到燃烧室104的内部中央一所需距离处。在该燃料喷射管109的上部的外圆周面上成形有多个喷孔109a，而在其下端则设置有一阀门109b。

关于转化管102，其截面是一个倒放的帽子形。在该转化管102的一向下突出部位上设有一具有一所需直径和一所需长度的向上弯曲的拱部102a，该拱部与燃烧室104之间有一空间。转化管102的上端沿着壳体101的内腔的上内圆周与壳体101密封连结，将壳体101的内腔分隔开，而转化管102的下表面与壳体101的内腔的底部有一所需的间距，以形成一燃烧气体通道。

用于转化管102的分离器板103从总体上看是一具有一所需直径和一所需长度的圆筒。其上部是一个以一定角度向外扩张的漏斗状部分，并密封地连结于壳体101的内腔的上内圆周。另一方面，其下表面至转化管102的底部有一所需的间距，而将转化管102的内腔分隔开。

产生蒸汽用的螺线管105具有所需的直径，它以螺旋线形式紧贴地盘绕在转化管102的外圆周面上。其两端分别朝外延伸通过壳体101上的对应位置，一端用作一进水口105a，另一端用作一蒸汽出口105b。蒸汽出口105b连接于壳体101的天然气供入口101a。

在转化管102与用于转化管102的分离器板103之间的内部空间中，填充有含有镍类金属的烃水蒸汽转化器催化剂110。

现在，参阅图3，其表示了按照本发明之第二实施例的一烃水蒸汽转化器结构。该转化器基本上类似于第一实施例的转化器，只是设在燃烧室104中的燃烧催化剂系统150有所不同，以及按照燃烧催化剂系统150的特点而未设图2所示的燃料喷管109。

燃烧催化剂系统150包括多片涂复有钯的圆形丝网150a和一涂复有钯的圆柱形金属结构物，并固定设置在燃烧室104的下面。当燃料和空气的混合物流经圆柱形金属结构物150b和燃烧室104的窄小空间时，产生初步的燃烧，烧掉混合物的40％。而剩余的混合物在通过多片圆形丝网150a时完全燃烧掉。

现在看图4，它表示了按照本发明的一脱硫反应器。这一脱硫反应器200主要由一壳体201及多根翅片管202组成。

壳体201的形状是一个内部有空腔的管体，其相对的顶部与底部都呈拱形。顶表面上有一穿通到空腔中的天然气入口201a，而在底部表面上有一通入空腔的天然气出口201b。一燃烧气体出口201c和一燃烧气体入口201d与空腔直接相连通，它们各自在壳体外周面上的一所需位置与壳体201连接成一体。壳体201空腔中，沿垂直方向固定安装了多根，最好至少3根翅片管202。

在翅片管202的下部内填充有一个硫化氢(H₂S)吸收催化剂层204，其上又铺有一个加氢脱硫催化剂层203。

天然气入口201a通过管道22延伸到天然气贮缸21，以向脱硫反应器200供给天然气。

经过脱硫处理后的天然气通过天然气出口201b流出，并经过管道27送到天然气供入口101a进入烃水蒸汽转化器100。

燃烧气体入口201d通过第一管道26直接连接于烃水蒸汽转化器100的燃烧气体出口101b，所以受到来自烃水蒸汽转化器100的热燃烧气体的预热，进入空腔的燃烧气体通过燃烧气体出口201c放出。

因此，按照本发明的采用天然气的氢气发生器包括：第一阀门装置302，用以控制供给设置在第二管道23上的加热器的空气流量；第三管道25，其两端均连接于第二管道23；第二阀门装置301，它位于第三管道25上的一所希望的位置，用以控制空气；热交换器300，它用于第三管道25与第四管道5之间的热交换，以冷却从烃水蒸汽转化器来的热的产品气体；以及，第一管道26，它把烃水蒸汽转化器100的燃烧气体出口101b与脱硫反应器200的燃烧气体入口201d连接起来。其中，所述的脱硫反应器200由来自烃水蒸汽转化器100的热的燃烧气体直接而均匀地预热，无需任何附加的锅炉和电加热系统，从而能减少总的启动时间，能减少为初始运行作好准备所需的时间，并能明显改善最佳温度状态和热效率。

如上所述，这种采用天然气的氢气发生器的特点在于，一个烃水蒸汽转化器100与一个脱硫反应器200互相连接，使得在烃水蒸汽转化器100一开始工作时产生的热的燃烧气体就能提供给并直接预热脱硫反应器200，从而可减少所述氢气发生器的总的启动时间。另外，还提供有：第一阀门装置302，以控制提供给设置在第二管道23上的加热器24的空气流量；第三管道25；第二阀门装置301，它设在第三管道25上以控制空气流；以及，热交换器300，在其中进行着第三管道25与第四管道5之间的热交换，以冷却来自烃水蒸汽转化器100的热的产品气体，从而可明显减少为该氢气发生器的初始运行作好准备所需的时间，并能改善其最佳温度状态和热效率。而且，按照本发明的这样一种结构能使该氢气发生器很好地工作而无需为脱硫反应器附加任何预热器，如此，整个设备就能做得小些。此外，经济上的优点，即安装费和维护费用较低。

以上已对本发明以图示说明方式作了描述，但是，应该理解，所用的技术术语只是为了说明，而并不构成限制。

按照以上的讲授还能对本发明作出许多修改和变化。所以，应该认识到，在所附的权利要求书的范围内，本发明可以不完全按照以上具体描述去实施。

Claims (15)

1.一种采用天然气的氢气发生器包括一脱硫反应器、一烃水蒸汽转化器、一CO转化反应器和一变压吸附装置，还包括：

一第一管道，用于把所述烃水蒸汽转化器连接于所述脱硫反应器，以将来自所述烃炎蒸汽转化器的热的燃烧气体提供给所述脱硫反应器并预热所述脱硫反应器；

一第一阀门装置，它设置在用于向烃水蒸汽转化器供给空气的一第二管道上，用于控制送向所述烃水蒸汽转化器的空气流量；

一热交换器，用于在一第三管道与一第四管道之间进行热交换，第三管道的两端都连接于所述第二管道，并以第一阀门装置位于其间，而第四管道将来自所述烃水蒸汽转化器的热的产品气体供给所述CO转化反应器，以冷却所述产品气体；以及

一第二阀门装置，它设置在所述第三管道的一所需位置上，用于控制供给所述第三管道的空气流。

2.如权利要求1所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述烃水蒸汽转化器包括：

一具有一中空内腔的圆筒形壳体；

一燃烧室，它具有一所需的直径和一所需的长度，并且是沿中空内腔的纵向安装；

一转化管，它沿垂直方向固定在所述中空内腔的内部，以一距离围绕着所述燃烧室；

一分离器板，用于将所述转化管的内部分隔开，它沿垂直方向固定并与所述转化管的底部间隔一所需的距离；

一用于产生蒸汽的螺线管，它盘绕在转化管的外周面上，其相对的两端穿过所述壳体延伸至其外；

一天然气供入口，它在所述壳体的顶表面的中心处直接连接于所述中空内腔，其一端延伸到所述螺线管的一端；

一烃水蒸汽转化器催化剂系统，它设置在所述转化管的内壁与所述板的内侧之间的空间内；

一燃烧催化剂系统，它在燃烧室内固定于上和下部的诸所需位置；

一空气入口，它在所述壳体的底表面的中心处直接连接于所述中空内腔，其一端向下延伸到一加热器；

一天然气燃料管，它从所述的空气入口的一所需位置分支出来；

一燃烧气体出口，它在所述壳体的一所需位置直接连接于所述转化管的外侧与所述壳体的内侧之间的空间；以及

一产品气体出口，它直接连接于由所述转化管在所述壳体内限定的一内部空间。

3.如权利要求1所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述脱硫反应器包括：

一壳体，它有一中空内腔，分别在其顶表面和底表面上设有连通于所述中空内腔的一天然气入口和一天然气出口，以及在其外周面上在两个所需位置分别是设有连通于所述中空内腔的一燃烧气体入口和一燃烧气体出口；以及

多根翅片管，它们固定安装在所述壳体的所述中空内腔中，在其内从上向下填充有一加氢脱硫催化剂层和一硫化氢吸收催化剂层。

4.如权利要求1所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述第一管道以这样的方式将所述脱硫反应器连接于所述烃水蒸汽转化器，即所述第一管道的一端连接于所述脱硫反应器的所述燃烧气体入口，而所述第一管道的另一端连接于所述烃水蒸汽转化器的所述燃烧气体出口。

5.如权利要求2所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述第一管道以这样的方式将所述脱硫反应器连接于所述烃水蒸汽转化器，即所述第一管道的一端连接于所述脱硫反应器的所述燃烧气体入口，而所述第一管道的另一端连接于所述烃水蒸汽转化器的所述燃烧气体出口。

6.如权利要求3所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述第一管道以这样的方式将所述脱硫反应器连接于所述烃水蒸汽转化器，即所述第一管道的一端连接于所述脱硫反应器的所述燃烧气体入口，而所述第一管道的另一端连接于所述烃水蒸汽转化器的所述燃烧气体出口。

7.如权利要求2所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述燃烧催化剂系统包括两个催化剂单元，每个呈一具有一所需直径和一所需长度的圆柱形，它们设置在所述燃烧室的上部和下部并且是添加了钯和贵金属而制成的。

8.如权利要求2所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述燃烧催化剂系统包括两个催化剂单元，一个呈具有一所需直径和一所需长度的圆柱体，其上涂复有钯类金属并固定设置在所述燃烧室的下部，另一个是多片圆形钢丝网，其上涂复有钯并固定设置在燃烧室的上部。

9.如权利要求2所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，用于产生蒸汽的所述螺线管是一具有相对两端的管道，两端分别向外延伸穿过所述壳体上的相应所需位置而伸到所述壳体之外，一端用作一进水口，另一端用作一蒸汽出口。

10.如权利要求9所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述蒸汽出口连接于所述天然气供入口。

11.如权利要求3所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述多个翅片管至少为3个。

12.如权利要求2所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述天然气燃料管在一所需位置分支到一燃料喷射管中，该燃料喷射管沿垂直方向穿过所述壳体的底表面而伸入所述燃烧室的中央内部一所需的距离，它用来向所述燃烧催化剂系统喷射燃料，在其上部的外周面上具有多个喷射孔。

13.如权利要求12所述的使用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述天然气燃料管在一所需位置分支出一燃料喷射管，该燃料喷射管沿垂直方向穿过所述壳体的底表面而伸入所述燃烧室的内部中央一所需的距离，它在其上部的外周面上具有多个喷射孔，用来向所述燃烧催化剂系统喷射燃料。

14.如权利要求12所述的采用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述燃料喷射管设置有一阀门装置，用来监测燃料供给并控制燃料流量。

15.按照权利要求13的使用天然气的氢气发生器，其特征在于，所述燃料喷射管设置有一阀门装置，用来监测燃料供给并控制燃料流量。

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