CN1211534A - 气体发生装置及用它产生气体的方法 - Google Patents

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Abstract

具有根据部分氧化反应使原料烃和氧于高温下反应,产生由一氧化碳和氢构成的混合气的部分氧化器3,和利用该燃烧器3产生的混合气进行驱动的汽轮机5,将上述汽轮机5产生的动力用作有效输出功率。本发明,可使设备小型化,同时基本建设费用廉价,而且易于移设和将来增大气体发生量。

Description

气体发生装置及用它产生气体的方法
本发明是关于根据部分氧化法，由碳化氢和氧产生氢和一氧化碳混合气的气体发生装置，以及用它产生气体的方法。
过去作为制氢方法，惯用电解水法和部分氧化法，利用水蒸汽改质法进行制造氢。水蒸汽改质法是将天然气、LPG、粗汽油等烃类和水蒸汽作原料进行水蒸汽改质反应。然而，上述水蒸汽改质法必须将使用的催化剂加热到900℃，而且，原料和水蒸汽反应后产生的煤灰堆积在催化剂表面上，使催化剂失效。而且由于是吸热反应，必须不断地由外部进行加热。为此，一般将反应管取为4英寸管，就有几十个，甚至几百个。因此，反应装置造得非常大，并成为建设费用居高的原因。原料必须以气态供入反应管内，其问题是只能使用粗汽油以上的轻质油。
作为可使用以廉价重质油为原料的方法，是根据部分氧化法进行制造氢气的方法。部分氧化反应是用相当于原料中的烃完全燃烧所需氧量的30～40％的氧量使原料燃烧，按下式(1)反应，生成主要由H2和CO形成的混合气体。利用CO转化器使这种混合气进行CO转化后，吸收去除CO2，及利用PSA法，经过除杂的各种精制工艺制造氢气。
...(1)
利用上述部分氧化法制造氢气等的气体发生装置，如图12所示，备有燃烧器40、CO转化器41和高压锅炉42。这样，从输送管道43将原料烃、蒸汽、氧送入燃烧器40内，以1100～1300℃的高温，燃烧、反应，产生的混合气体在高压锅炉42内冷却后，送入CO转化器41内，在此处进行CO转化。通过管线45将水送入高压锅炉42内，利用燃烧器40产生的热，由高压锅炉42制造高压蒸汽，由蒸汽轮机44转换成电力，将上述热量以动力形式进行回收。图中46是将高压蒸汽送入蒸汽轮机44的输送管线。
然而，上述气体发生装置，由于是利用燃烧器40产生的热量获得动力(即、由燃烧器40产生的高温混合气和水在高压锅炉42内进行热交换产生高压蒸汽，再将该高压蒸汽送往蒸汽轮机44，以驱动它，将它的轴功率作为动力输出)，所以需要大规模的高压锅炉42、大容量蒸汽轮机44、管线45、46等。一般当计划产生数万m3/h的氢气时，该高压锅炉42的规格，直径为4-5m、高为20-30m。因此，装置本身就非常之大，从而大大提高了设备费用和建设费用等基本建设费用，而且事故频率也增加。带来的问题是对于设备的转移和将来增大气体发生量等，都不可能容易进行。
本发明的目的是
Figure A9810294800041
于以上情况，提供一种气体发生装置，使设备小形化、同时基本建设费用低，而且易于转移和将来增大气体发生量，以及使用该装置产生气体的方法。
为了达到上述目的，本发明的第一要点是，气体发生装置包括：利用部分氧化反应，在高温下使原料烃和氧反应，产生由一氧化碳和氢构成的混合气的燃烧器，用该燃烧器产生的混合气体进行驱动的汽轮机，并把该汽轮机产生的动力作出有效输出功率。本发明的第二要点是气体发生方法，即，将原料烃和氧送入燃烧器内，通过该燃烧器内的部分氧化反应，高温下使原料烃和氧反应，产生主要由一氧化碳和氢形成的混合气体，由该燃哓器产生的混合气体驱动汽轮机，将该汽轮机产生的动力作为有效输出功率加以利用。
即，本发明的气体发生装置包括根据部分氧化反应，在高温下使原料烃和氧反应而产生主要由一氧化碳和氢形成混合气体的燃烧器，和由该燃烧器产生的混合气进行驱动的汽轮机。这样，本发明的这种气体发生装置，由于利用燃烧器产生的混合气气流驱动汽轮机，所以不需要过去为冷却燃烧器产生的混合气所必需的大型高压锅炉42，汽轮机自身也没有必要使用大容量的蒸汽轮机44。因此，使设备小型化，不仅获得基本建设费用的降低，而且设备转移和增设等容易进行。而且，根据本发明的气体发生方法，利用具有上述优良效果的气体发生装置，由燃烧器产生主要由一氧化碳和氢形成的混合气体，并能利用这种混合气体驱动汽轮机。另外，本发明中供给部分氧化反应的氧，可以提供纯氧，也可以供给空气和空气中的氧进行反应。
本发明中，将燃烧器和汽轮机连接没置时，由燃烧器出来的混合气气流可直接旋转汽轮机，几乎没有气流损失，效率很好。解决了设备小型化，而且转移和增设都很容易。
本发明中，将压缩机和汽轮机形成一个整体，利用汽轮机的动力驱动压缩机，将上述汽轮机产生的动力和上述汽轮机驱动压缩机的动力之差作为有效输出功率加以利用时，可以将汽轮机产生的动力用作压缩机的动力，从而降低电力费等运行费用。
本发明中，设有将经过汽轮机的混合气中的一氧化碳和水蒸汽反应转化成氢和二氧化碳的转化器时，燃烧器中产生的混合气可由转化器进行转化，从而可制得高浓度的氢。
以下根据附图说明本发明的实施形态。
图1是本发明一实施形态的气体发生装置结构示意图。图中，3是燃烧器、通过由制氧装置1供氧管线12，接收供给的由上述制氧装置1制造的O2气，同时接收通过燃料供应管线14由燃料箱8供给的原料烃。该燃烧器3包括喷射原料烃和O2气进行燃烧的燃烧部2，和将在该燃烧部2产生的高温高压气体进行整流的整流部7，与该整流部7连接设置由燃烧器3排出气流进行驱动的汽轮机5。
上述整流部7设有导入水或水蒸汽的导入管15。该导入管15可分成数根，每根的端部设有数个喷咀9、10。第1喷咀9设置在上述整流部7的燃烧部2一侧，根据需要，通过由上述第1喷咀9注入水或水蒸汽，可将燃烧温度控制在适当的温度范围内。
在上述整流部7的汽轮机5一侧设有第2喷咀10，通过由第2喷咀10注入水或水蒸汽，根据需要控制汽轮机5入口处气流的温度，同时进行汽轮机5内(主要是叶片)的洗涤。这样，在燃烧器3内使原料烃和O2气在高温下进行部分氧化反应，根据上式(1)的反应，生成主要由CO和H2构成的混合气。上述第1和第2喷咀9、10，可以根据需要设置，并不是特别需要。13a是将汽轮机5排出的混合气体和水蒸汽同时排出的气体排出管路。
上述汽轮机5与通过汽轮机5旋转驱动的发电机6连接，将由汽轮机5产生的动力转化成电力，作为有效输出功率加以利用。
上述气体发生装置，例如，可按如下方式使用。
首先，将由制氧装置1制造的O2气以规定的压力供入燃烧器3的燃烧部2内，同时，将来自燃料箱8的原料烃供入上述燃烧部2内。在该燃烧器3内，原料烃和O2进行上述式(1)的反应，生成主要由CO和H2构成的混合气。这时，由第1喷咀9注入的水或水蒸汽将燃烧器3的整流部7内冷却到某种程度，调节到适宜部分氧化反应的温度范围，同时，水蒸汽和轻反应，提供增产CO和H2的作用。
将上述燃烧器3产生的混合气及水蒸汽送入汽轮机5内，驱动汽轮机5。通过该汽轮机5的旋转驱动发电机6，汽轮机5的有效输出功率作为电力输出利用。这时，通过由第2喷咀10注入的水或水蒸汽，降低由燃烧器3排出气流的温度，从而提高了汽轮机5的寿命。由于汽轮机5与燃烧器3连接设置，所以几乎没有气流损失，效率很好。
根据上述气体发生装置，由于不需要大型的高压锅炉等，并能将由汽轮机5得到的有效输出功率作为电力输出。
图2是本发明第2实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置包括将由汽轮机5排出的混合气和水蒸汽进行CO转化的CO转化器4。在该CO转化器4中，设有供蒸汽管线11、可根据需要导入蒸汽。同样，在该CO转化器4内，由汽轮机5排出的气流和填充的催化剂接触，上述气流中的CO和H2O按下式(2)反应，生成CO2和H2。13是排出CO转化的富氢气体的排出管线。另外，该装置中，由导入管15导入燃烧器3内的水或水蒸汽，与输送高温气体配管中(例如，气体排出管线13、13a、汽轮机5的出口配管13b等)进行热交换，也可供给加热(参照图7)。除此之外其它部分，和图1所示装置相同，相同部分付与相同的符号。
上述装置，例如可按如下方式使用。即，将含有汽轮机5排出的混合气和水蒸汽的气流导入CO转化器4内，和催化剂接触。这样，上述气流中的CO和水蒸汽按照上述式(2)的反应生成CO2和H2。此处，混合气中的CO浓度转化到数％。同样，由气体排出管线13排出的富氢气体，根据需要，通过CO2吸附工序和PSA法去除杂物，送到甲烷化等精制工序中。
根据上述装置，由于将由第1和第2喷咀9、10供入燃烧器3内的水或水蒸汽供入到CO转化中，所以增大了上述产生的动力，产生了提高部分氧化反应效率和汽轮机5寿命的效果。通过由第1和第2喷咀9、10向燃烧器3内注入水或水蒸汽，当汽轮机5出口处的气流含有饱和水蒸汽时，用于CO转化的水蒸汽可使用燃烧器3排出气流中的水蒸汽。除此之外，产生了和图1所示装置相同作用的效果。
图3是本发明第3实施形态气体发生装置的结构示意图。该装置包括冷却由汽轮机5排出气流的冷却器20、压缩由冷却器20冷却气流的压缩机21、和由压缩机21压缩气流的热与导入冷却器20内气流进行热交换的热交换器22，将由汽轮机5排出的气流升压到规定的压力后导入CO转化器4内。图中11a是向CO转化器4导入蒸汽的蒸汽供给管线，设置在气体排出管线13中的热交换器23加热蒸汽后导入。除此之外其它部分和图2所示装置相同，相同部分付与相同的符号。
根据该装置，由气体排出管线13b可排出升到规定压力的气体。由汽轮机5排出的气流，由于在导入CO转化器4之前进行升压、要比在CO转化器4出口处进行升压时启动压缩机的动力小。这是因为CO转化大幅度增加了混合气体的量。这时气流中的水蒸汽受冷却而缩聚，由于CO转化所需水蒸汽不足，所以要供给CO转化用蒸汽。除此之外其它部分都起到了和图2所示装置相同作用的效果。
图4是本发明第4种实施形态的气体发生装置的结构示意图。该装置在分别将水或水蒸汽导入第1喷咀9和第2喷咀10中的第1和第2导入管15a、15b上，设有各自的调节阀16a、16b。在燃烧器3的整流部7中设有检测整流部7内反应温度的第1温度检测器17a和检测汽轮机5入口处气流温度的第2温度检测器17b。这样，由上述第1温度检测器17a检测部分氧化反应温度，由该检测信号调节调节阀16a，通过调节由第1喷咀9注入的水或水蒸汽的量，以控制整流部7内的部分氧化反应温度。由上述第2温度检测器17b检测汽轮机5入口处气流的温度，由该检测信号调节调节阀16b，通过调节由第2喷咀10注入的水或水蒸汽的量，以控制汽轮机5入口处气流的温度。除此之外其它部分与图2所示装置相同，相同的部分付与相同的符号。起到了和图2所示装置相同的作用效果。
图5是本发明第5个实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置在将水或水蒸汽导入第2喷咀10中的第2导入管线15b处设有调节阀16b。同时，在气体排出管线13处设有检测CO转化器4排出气流成份的气体成份检测器18。这样，由上述气体成份检测器18检测CO转化器4排出气流的成份，由该检测信号调节调节阀16b，以调节由第2喷咀10注入的水或水蒸汽的量。据此控制向燃烧器3内产生的CO转化供应水蒸汽的量。除此之外其它部分与图2所示装置相同，相同部分付与相同的符号，起到了与图2所示装置相同的作用效果。
图6是本发明第6实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置在将水或水蒸汽导入第2喷咀10中的第2导入管15b处设有调节阀16b，同时，在汽轮机5的出口部分设有检测汽轮机5出口处气流温度的第3温度检测器19。这样，由上述第3温度检测器19检测汽轮机5出口处气流的温度，由该检测信号调节调节阀16b，通过调节由第2喷咀10注入的水或水蒸汽的量来控制汽轮机5出口处气流的温度。通过这样的控制可适当地控制汽轮机5内的温度，减少浪费在汽轮机5中的热负荷，从而提高汽轮机5的寿命。另外，为了控制汽轮机5出口处的气流温度，可将从汽轮机5排出气流的温度控制在以后进行的CO转化适宜温度范围内。除此之外其它部分与图2所示装置相同，相同部分付与相同符号，起到与图2所示装置相同的作用效果。
图7是本发明第7个实施形态的气体发生装置结构示意图。图中，24是压缩O2气的压缩机，25是导入控制燃烧器3反应温度的水蒸汽导入管线、26是导入冷却汽轮机5用水蒸汽的导入管线、27是将转化用蒸汽导入CO转化器4中的蒸汽管线。燃烧器3和汽轮机5可单独制作。除此之外的其余部分与图2所示装置相同，相同部分付与相同符号。使用该装置也发挥与图2所示装置相同的作用效果。
图8是本发明第8个实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置，如图7所示的装置中，没有压缩氧气的压缩机24，而利用泵28将液体氧升到规定的压力后供入燃烧器3内。也可以用热交换器将上述液体氧气化后再供入燃烧器3内(参见图10)。除此之外的其余部分与图7所示装置相同，相同部分付与相同的符号。该装置也能发挥与图7所示装置相同的作用效果。
图9是本发明第9实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置，如图7所示装置中，取代导入管线25、26、设有向燃烧器3导入蒸汽的蒸汽管线29。除此之外的其余部分与图7所示装置相同，相同部分付与相同的符号。该装置也能发挥与图7所示装置相同的作用效果。
图10是本发明第10个实施形态的气体发生装置结构示意图。该装置，在如图9所示装置中，没有压缩氧的压缩机24，用热交换器30将泵31供给的液体氧气化后，再将规定压力的氧气供入燃烧器3中。除此之外的其余部分与图9所示装置相同，相同部分付与相同的符号。该装置也能发挥与图9所示装置相同的作用效果。
图11是本发明第11个实施形态的气体发生装置结构示意图。这种实施形态是利用了气体气轮机，在燃烧器3中进行部分氧化反应，将燃烧气体作为制品气体，燃料的100％都可以有效利用。当更具体说明时，3是燃烧器，通过与制氧装置1连接的供氧管线12，接收由上述制氧装置1制造并供给的O2气，同时也接收通过燃料供给管线由燃料箱8供给的原料烃。上述O2气，由压缩机33压缩到规定的压力后送入燃烧器3中。在该燃烧器3中设有蒸汽导入管37以用于调节燃烧器3内的温度。这样，在该燃烧器内，原料烃和O2于高温下燃烧，根据上述式(1)的反应，生成主要由CO和H2形成的混合气体。
34是和上述压缩机33形成一个整体的汽轮机，由燃烧器3中产生的混合气进行驱动。这样，由上述汽轮机34产生的动力驱动压缩机33。同时，由汽轮机34产生的动力与压缩机33的驱动动力之间的动力差(有效输出功率)，驱动发电机36。即，气体汽轮机35是由上述燃烧器3、压缩机33和汽轮机34所构成，将该气体汽轮机35的有效输出功率作为电力输出，并利用。上述压缩机33，作为汽轮机34的输出功率降低时的安全对策，是通过由外部供给的电力进行驱动。这时，发电机36起到电动机的作用，所以可稳定地进行作业。
4是CO转化器，导入汽轮机34排出的混合气体。在该CO转化器4中设有蒸汽导入管线38。这样，导入该CO转化器4内的混合气体，与蒸汽混合后，和填充的催化剂接触，混合气中的CO和H2O按照上式(2)的反应生成CO2和H2。另外，由混合气中排出CO时，可从CO排出管线39排出。
在过去的气体汽轮机内，燃烧器内空气完全燃烧，对于该燃烧气作为排气排放，根据上述气体发生装置，在燃烧器3内进行部分氧化反应，通过燃烧气作为制品排出气体，燃料可100％地得到有效利用。而且，由于氧通过压缩机33送入燃烧器3内，所以不必预先升到炉内压力，可在大气压下供入燃烧器3内。由于压缩机33和汽轮机34形成一个整体，所以使设备可进一步小型化。
另外，在上述各实施形态中，对于向燃烧器3内供给的O2气，也可供给液体氧。在上述各实施形态中，虽然将汽轮机5、34的有效输出功率作为电力利用，但并不仅限于此，也可以以轴旋转和喷流一类的运动能量等形式加以利用。对于将部分氧化得到的H2和CO混合气，通过CO转化制成富氢气体，并没有仅限于此，也可以将上述混合气分离成H2和CO，也可以作为混合气排出利用。进而，作为上述燃烧器3，并没有特殊限定，可以使用各种形式的燃烧器，例如，也可以使用喷气式发动机或火箭用燃烧器。上述燃烧器3，在由火箭用燃烧器构成时，由于火箭用燃烧器以相当高的排出速度喷射气流，驱动汽轮机5,34，由汽轮机5,34产生的动力大大增加。产生的动力很大，相比之下设备极为小型，所以更容易移动和增设。
如上所述，根据本发明的气体发生装置，由于利用燃烧器产生的混合气流驱动汽轮机，所以不像过去那样，为冷却燃烧器产生的混合气而必须使用大型高压锅炉42，汽轮机本身也没有必要使用大容量的蒸汽汽轮机44。因此，设备小型化，不仅仅能降低基本建设费用，而且，也容易移动和增设。根据本发明的气体发生方法，使用具有上述优良效果的气体发生装置，由燃烧器产生主要由一氧化碳和氢构成的混合气体，利用这种混合气体可以驱动汽轮机。
本发明中，将燃烧器和汽轮机连接设置时，可直接由燃烧器排出的混合气流旋转汽轮机，几乎没有气流损失，效率很高。不仅设备小型化，而且易于移动和增设。
本发明中，将压缩机和汽轮机形成一个整体，利用汽轮机的动力驱动压缩机、当上述汽轮机产生动力时，上述汽轮机把和驱动压缩机的动力之差作为有效输出功率进行利用时，可以将汽轮机产生的动力用于压缩机的动力，从而降低了电费等基本建设费用。
另外，在本发明中，备有将经过汽轮机的混合气中的一氧化碳与水蒸汽反应转化成氢和二氧化碳的转化器时，燃烧器产生的混合气可通过转化器进行转化，制得高浓度的氢。
图1是本发明第一实施形态的气体发生装置示意图。
图2是本发明第2实施形态的气体发生装置结构示意图。
图3是本发明第3实施形态的气体发生装置结构示意图。
图4是本发明第4实施形态的气体发生装置结构示意图。
图5是本发明第5实施形态的气体发生装置结构示意图。
图6是本发明第6实施形态的气体发生装置结构示意图。
图7是本发明第7实施形态的气体发生装置结构示意图。
图8是本发明第8实施形态的气体发生装置结构示意图。
图9是本发明第9实施形态的气体发生装置结构示意图。
图10是本发明第10实施形态的气体发生装置结构示意图。
图11是本发明第11实施形态的气体发生装置结构示意图。
图12是过去实施例示意图。
2，压缩机，
3，燃烧器
5，汽轮机

Claims (5)

1、一种气体发生装置，其特征是具有根据部分氧化反应，高温下使原料烃和氧反应，产生主要由一氧化碳和氢形成的混合气的燃烧器，和利用该燃烧器产生的混合气进行驱动的汽轮机，将上述汽轮机产生的动力作为有效输出功率加以利用。
2、根据权利要求1记载的气体发生装置，其特征是将燃烧器和汽轮机连接设置。
3、根据权利要求1记载的气体发生装置，其特征是将压缩机和汽轮机形成一个整体，利用汽轮机的动力驱动压缩机，当上述汽轮机产生动力时，上述汽轮机将和驱动压缩机的动力之差作为有效输出功率加以利用。
4、根据权利要求1～3中任一项记载的气体发生装置，其特征是具有将经过汽轮机的混合气中的一氧化碳和水蒸汽反应，转化成氢和二氧化碳的转化器。
5、一种气体发生方法，其特征是将原料烃和氧供人燃烧器内，在该燃烧器内，根据部分氧化反应，使原料烃和氧于高温下反应，产生主要由一氧化碳和氢形成的混合气，利用该燃烧器产生的混合气体驱动汽轮机，将由该汽轮机产生的动力作为有效输出功率加以利用。
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