CN216764335U - 一种新型甲醇制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种新型甲醇制氢装置，包含气化塔、甲醇重整反应器和PSA变压吸附装置，所述气化塔具有甲醇和脱盐水混合物入口和水与甲醇混合蒸汽出口，所述甲醇重整反应器的顶部设置有反应气入口，底部设置有合成气出口；所述气化塔的甲醇和脱盐水混合物入口与一甲醇和脱盐水混合物输送管线连接，所述气化塔的水与甲醇混合蒸汽出口通过一水与甲醇混合蒸汽输送管线与所述甲醇重整反应器顶部的反应气入口连接，所述甲醇重整反应器底部的第一合成气出口通过合成气输送管线与PSA变压吸附装置的进气侧连接，所述SA变压吸附装置的出气侧送出高纯氢。本实用新型制备的氢气纯度可达到99.999％，满足电子、新能源电池等新兴行业的需求。

Description

一种新型甲醇制氢装置

技术领域

本实用新型属于甲醇制氢、新能源技术领域，涉及一种采用PSA变压吸附技术并采用甲醇重整反应器的甲醇制氢装置，该新型甲醇制氢装置特别适合制造纯度达到99.999％的氢气、氢气产量较大且无废气废液排放场合。

背景技术

为解决经济发展与资源环境之间的矛盾，发展一种清洁、高效、可再生的新能源已成为一项十分紧迫的任务。与传统的化石能源相比，氢能在反应过程中的产物是水，具有清洁高效的特点，是未来最有潜力的能源载体之一。目前对氢能的应用研究主要集中在燃料电池或新能源汽车等方面。

传统制备氢气的方式主要是电解水制氢和矿物燃料制氢，电解水制氢不仅能耗大，而且成本高，标准状况下，制备每立方米氢气消耗的电能高达 5.5KW.h，制氢成本高。利用矿物燃料制氢需要外界提供很高的反应热，大量损失化学能的同时，也带来温室气体CO2的排放。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是针对传统制备氢气方式所存在的不足而提供一种PSA变压吸附技术并采用甲醇重整反应器的甲醇制氢装置。

为了实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种新型甲醇制氢装置，包含气化塔、甲醇重整反应器和PSA变压吸附装置，所述气化塔具有甲醇和脱盐水混合物入口和水与甲醇混合蒸汽出口，所述甲醇重整反应器的顶部设置有反应气入口，底部设置有第一合成气出口；所述气化塔的甲醇和脱盐水混合物入口与一甲醇和脱盐水混合物输送管线连接，所述气化塔的水与甲醇混合蒸汽出口通过一水与甲醇混合蒸汽输送管线与所述甲醇重整反应器顶部的反应气入口连接，所述甲醇重整反应器底部的第一合成气出口通过合成气输送管线与PSA变压吸附装置的进气侧连接，所述PSA变压吸附装置的出气侧送出高纯氢。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述PSA变压吸附装置由若干装有吸附剂的吸附塔和旋转阀组合而成。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一燃烧器，所述燃烧器上具有燃料入口、空气入口和第一热量介质出口，所述燃料入口和空气入口分别输入燃料和空气，所述第一热量介质出口输出热量介质；在所述甲醇重整反应器上设置有第一热量介质入口和第二热量介质出口，所述第一热量介质入口通过第一热量介质输送管线与所述第一热量介质出口连接，向甲醇重整反应器内的甲烷重整反应提供热量；所述第二热量介质出口通过第二热量介质输送管线与所述气化塔中的第二热量介质入口连接，为所述气化塔内的甲醇和脱盐水混合物汽化提供热量；在所述气化塔上还设置有第三热量介质出口，所述第三热量介质出口通过第三热量介质输送管线接入第一热量介质输送管线。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述燃烧器的燃料采用甲醇，所述燃料入口通过一燃料输送管线连接甲醇源。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述燃烧器采用电加热器取代。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一甲醇与脱盐水储罐，所述甲醇与脱盐水储罐上设置有甲醇入口、脱盐水入口和甲醇和脱盐水混合物出口，脱盐水混合物出口与所述甲醇和脱盐水混合物输送管线连接；所述甲醇与脱盐水储罐出口通过甲醇泵与甲醇和脱盐水混合物输送管线连接，用以输出甲醇与脱盐水混合物至汽化塔，该甲醇泵用以调节甲醇重整反应器的甲醇重整压力，所述脱盐水入口通过脱盐水输送管线连接脱盐水源。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一出口换热器，所述合成气输送管线输送的合成气和所述甲醇和脱盐水混合物输送管线输送的甲醇和脱盐水混合物通过所述出口换热器进行换热，其中所述甲醇和脱盐水混合物在所述出口换热器内预热，所述合成气在所述出口换热器内进行热量回收。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一水冷器，合成气输送管线输送的合成气通过所述水冷器，使得所述合成气通过所述水冷器进一步回收热量。

在本实用新型的一个优选实施例中，还包括一水洗塔，所述水洗塔具有一第一合成气入口、第二合成气出口、凝液出口和凝液循环入口，所述第一合成气入口与所述合成气输送管线连接，所述第二合成气出口与所述PSA变压吸附装置的进气侧连接，所述凝液出口与凝液泵的入口连接，所述凝液泵的出口一方面通过第一凝液输送管线与凝液循环入口连接，将凝液输入水洗塔循环使用；另一方面通过第二凝液输送管线与所述甲醇与脱盐水储罐上的脱盐水入口连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述PSA变压吸附装置还具有一PSA 解析气出口，在所述燃烧器上还设置有一PSA解析气入口；所述PSA解析气出口通过PSA解析气输送管线与所述燃烧器上PSA解析气入口连接，将PSA 解析气作为燃料送入燃烧器进行燃烧。

在本实用新型的一个优选实施例中，在所述PSA解析气输送管线上串联有一缓冲罐。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述甲醇重整反应器为列管式甲醇重整反应器或者换热板式甲醇重整反应器。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述列管式甲醇重整反应器为申请号为CN202121968689.9的“一种管壳式固定床等温反应器”。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述换热板式甲醇重整反应器包括反应器筒体和分别焊接在所述反应器筒体上下端的上封头、下封头；在所述上封头上设置有充当所述甲醇重整反应器上的反应气入口的反应气进口管、充当所述甲醇重整反应器上的第二热量介质出口的热量介质出口管，在所述反应气进口管的出气端设置有气体分布器，所述热量介质出口管与弹性盘管的一端连接；在所述反应器筒体内铺设有多个换热板板组组成的催化剂床层，所述催化剂床层由支撑件支撑在反应器壳体内；在所述催化剂床层的中心设置有一中心管，所述中心管的下端设置有金属丝网管并与所述合成气出口管连接；所述催化剂床层内经过反应后的合成气通过中心管下端的金属丝网管进入到所述中心管下段内；在所述催化剂床层的顶部设置有第四热量介质出口，所述第四热量介质出口与所述弹性盘管的另一端连接；在所述下封头上设置有充当所述甲醇重整反应器上的第一合成气出口的合成气出口管和充当所述甲醇重整反应器上的第一热量介质入口的热量介质进口管，在所述反应器筒体内设置有穿过所述催化剂床层的主管和与所述主管连接的若干支管，若干支管的末端汇总后与第四热量介质出口连接，所述主管的下端与下封头的内腔连通并通过下封头的内腔与所述热量介质进口管连接。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述新型甲醇制氢装置整体成撬。

在本实用新型的一个优选实施例中，所述甲醇为粗甲醇或者精甲醇。

本实用新型的工作原理如下：

本实用新型以来源方便的甲醇和脱盐水为原料，甲醇和脱盐水按一定比例混合后经出口换热器预热后送入汽化塔，汽化后的水、甲醇蒸汽进入甲醇重整反应器，在220～290℃下通过催化剂床层进行裂解和变换反应，反应生成含约74％氢气和24％二氧化碳的合成气，再经换热、冷却后进入水洗塔进行吸收，水洗塔塔釜收集未转化完的甲醇和水供循环使用，水洗塔塔顶送出经过吸收的合成气送PSA变压吸附装置提纯获得纯氢气，PSA变压吸附装置的 PSA解析气作为燃料送入燃烧器，燃烧器的另外部分燃料为甲醇。燃烧器为气化塔的甲醇水混合物汽化提供热量，也同时为甲醇重整反应器的甲醇重整反应提供热量。

甲醇重整反应器生成的合成气主要含氢和二氧化碳，其反应方程式如下：

主反应：CH₃0H＝CO+2H₂ +90.7KJ/mol；

CO+H₂O＝CO₂+H₂ +41.2KJ/mol；

总反应：CH₃OH+H₂O＝CO₂+3H₂ +49.5KJ/mol；

副反应：2CH30H＝CH3OCH3+H2O -24.9KJ/mol；

CO+3H₂＝CH₄+H₂O +206.3KJ/mol；

上述反应生成的合成气经冷却、冷凝后其组成为：

由于采用了如上的技术方案，本实用新型的新型甲醇制氢装置具有如下优点：

1.采用PSA变压吸附装置，产品H₂的纯度达到99.999％，满足电子、电池行业用氢要求。本实用新型所采用PSA变压吸附装置由若干装有吸附剂的吸附塔和旋转阀组合而成，其目前广泛用于由富氢气体提纯至纯氢、高纯氢、燃料电池用氢，在分布式氢气领域(中、小用户)处于世界领先地位，与传统的PSA相比较，具有结构紧凑、回收率高、能耗低等技术优势。

2.本实用新型甲醇重整反应会产生的工艺冷凝液，其主要成分为水，还含有少量的甲醇，该工艺冷凝液用凝液泵打回甲醇重整反应器内循环使用，从源头上小消除废液，无废液排放。

3.本实用新型PSA变压吸附装置的PSA解析气送入燃烧器进行燃烧放热或者催化反应放热，作为热量介质输入甲醇重整反应器内，以供甲醇重整反应使用，提高能量利用率，从而消除废气排放。

4.本实用新型甲醇重整反应可以使用甲醇可以选用精甲醇或者粗甲醇，选用未经甲醇精馏的粗甲醇生产氢气，可以达到降低投资，降低运行成本的目的。

5.本实用新型的甲醇重整反应器采用列管式甲醇重整反应器或者换热板式甲醇重整反应器，其中单台列管式甲醇重整反应器最大装约50m³催化剂，最大产氢约为50000Nm³/h；单台换热板式甲醇重整反应器最大装约100m³催化剂，最大产氢约为100000Nm³/h。

6.本实用新型的甲醇重整反应器采用列管式甲醇重整反应器，其通过将下固定管板与壳体固定连接，上浮动管板与上管箱固定连接，上管箱浮动设置在壳体内并通过柔性反应气输送管与上封头连接，壳体、上浮动管板、下固定管板、上管箱及换热管束组成传热的基本元件，相比较传统的固定管板管壳式反应器，其首先解决了传统的固定管板管壳式反应器管壳程温差热应力问题。相比较传统的固定管板反应器温差应力和变形得以释放，避免换热管管接头、管板焊缝等失效问题，增强设备的可靠性。其次解决了传统固定管板管壳式反应器为减小换热管与壳体热膨胀差，通常采用双相钢材料同时反应温度控制于300℃以下的问题。采用本发明可降低选材，只依据反应气腐蚀特性选材即可，同时可接受温差更大的化学反应。另外，通过在每一换热管位于下固定管板中的这一段内设置压缩金属丝网并配合设置在下固定管板底部的V型网催化剂支承结构，对催化剂可起到良好的支撑作用，同时不影响气体流通，避免传统反应器采用大量堆积氧化铝球对催化剂进行支撑，既大量减轻反应器操作重量又避免卸载催化剂时氧化铝球难以分拣等问题。进一步采用的V型网强度高、开孔率可控、可分块安装。

7.本实用新型的甲醇重整反应器采用换热板式甲醇重整反应器，其催化剂装换热板外，热量介质从换热板内，在相同设备直径条件下，这种结构可以大幅增加催化剂的装填量，增加单套装置氢气产量；相比普通列管式固定管板反应器，换热板式甲醇重整反应器没有固定管板，且换热板组上方的第四热量介质出口通过弹性盘管与上封头上的热量介质出口管连接，有效解决了热应力问题。相比列管式甲醇重整反应器，换热板式甲醇重整反应器在装卸催化剂的时候，更容易操作，催化剂更不容易搭桥。

8.本实用新型设置甲醇泵，可根据产品氢气要求调整重整压力，无需设置氢气压缩机，降低投资，减少动力消耗。

9.燃烧器可选用不同燃烧介质，包括PAS解析气或者电加热炉，电加热炉结构简单，控制安全方便，无明火，减少装置占地。

10.对于小型化的本实用新型，可以设置成整体成撬，安装简单快速。

综上，本实用新型与传统的制氢方法相比，甲醇重整制氢具有以下三个优点：一是制氢原料来源广泛且价格低廉，甲醇作为一种常见的化工原料，既可从化石资源中制得，又可从生物质(一切直接或间接利用绿色植物光合作用形成的有机物质)中制得；二是氢元素利用率高，甲醇分子式为CH3OH，含氢量高，能量密度高，氢气的产率高；三是制氢装置简单，甲醇便于储存和运输，可以做成组装式或可移动式的甲醇制氢装置。近年来以甲醇为原料制氢显示出广泛的应用前景。

本实用新型归纳起来，具有以下特点：第一是提高了甲醇制氢的纯度，氢气纯度可达到99.999％，满足电子、新能源电池等新兴行业的需求。第二是通过新型换热板式甲醇重整反应器，增加了催化剂装填量，从而提高了甲醇制氢的产量。第三是可以利用精甲醇和粗甲醇进行制氢，扩大了甲醇制氢的原料来源，降低了投资。第四是无废气废液排放，本实用新型所涉及的装置回路中的工艺凝液可循环利用，产生的解析气可燃烧放热或催化反应放热，为甲醇重整反应器提供热源，不对外排放。

附图说明

图1为本实用新型新型甲醇制氢装置的示意图。

图2为本发明等温轴向管壳式反应器的结构示意图。

图3为图2的I处放大示意图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为本发明等温轴向管壳式反应器的换热管内的催化剂被压缩金属丝网和V型网催化剂支承结构支撑的示意图。

图7为本发明等温轴向管壳式反应器的V型网催化剂支承结构的立体示意图。

图8为本发明等温轴向管壳式反应器的V型网催化剂支承结构的正视图。

图9为本发明等温轴向管壳式反应器的V型网催化剂支承结构的俯视图。

图10为本发明的换热板式甲醇重整反应器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式来进一步描述本实用新型。

参见图1，图中所示的一种新型甲醇制氢装置，包括甲醇泵100、甲醇与脱盐水储罐200、气化塔300、燃烧器400、甲醇重整反应器500、出口换热器600、水冷器700、凝液泵800、水洗塔900、缓冲罐1000和PSA变压吸附装置1100。

上述甲醇泵100、甲醇与脱盐水储罐200、气化塔300、燃烧器400、甲醇重整反应器500、出口换热器600、水冷器700、凝液泵800、水洗塔900、缓冲罐1000和PSA变压吸附装置1100可以设置成整体成撬，安装简单快速。

甲醇与脱盐水储罐200上设置有甲醇入口210、脱盐水入口220和甲醇和脱盐水混合物出口230，甲醇入口210连接甲醇源。

脱盐水入口220通过脱盐水输送管线221连接脱盐水源。甲醇和脱盐水按一定比例在甲醇与脱盐水储罐200内混合，形成甲醇和脱盐水混合物。甲醇可以选用精甲醇或者粗甲醇，选用未经甲醇精馏的粗甲醇生产氢气，可以达到降低投资，降低运行成本的目的。

甲醇和脱盐水混合物出口230通过甲醇泵100与甲醇和脱盐水混合物输送管线231连接，采用甲醇泵100，可根据产品氢气要求调整甲醇重整反应器 500的甲醇重整压力，无需设置氢气压缩机，降低投资，减少动力消耗。

燃烧器400上具有燃料入口410、空气入口420、PSA解析气入口430和第一热量介质出口440，燃料入口410和空气入口420分别输入燃料和空气。

该燃烧器400可选用不同燃烧介质，包括PAS解析气。如果燃烧器400 采用的燃料为甲醇的话，则燃料入口410通过一燃料输送管线411和甲醇泵 100连接甲醇源。燃烧器400的第一热量介质出口440输出热量介质。该燃烧器可以电加热器取代，电加热炉，电加热炉结构简单，控制安全方便，无明火，减少装置占地

在甲醇重整反应器500上设置有热量介质入口510(为前述的第一热量介质入口)和热量介质出口520(为前述的第二热量介质入口)，热量介质入口 510通过热量介质输送管线511(为前述的第一热量介质输送管线)与燃烧器 400的热量介质出口440(为前述的第一热量介质出口)连接，向甲醇重整反应器500内的甲烷重整反应提供热量。

气化塔300具有甲醇和脱盐水混合物入口310、水与甲醇混合蒸汽出口 320、热量介质入口330(为前述的第二热量介质入口)和热量介质出口340 (为前述的第三热量介质出口)。

热量介质出口520通过热量介质输送管线521(为前述的第二热量介质输送管线)与气化塔300中的热量介质入口330连接，为气化塔300内的甲醇和脱盐水混合物汽化提供热量；气化塔300的热量介质出口340通过热量介质输送管线341(为前述的第三热量介质输送管线)接入热量介质输送管线 511。

在甲醇重整反应器500的顶部设置有反应气入口530，底部设置有合成气出口540(为前述的第一合成气出口)；气化塔300的甲醇和脱盐水混合物入口310与甲醇和脱盐水混合物输送管线641的一端连接，气化塔300的水与甲醇混合蒸汽出口320通过水与甲醇混合蒸汽输送管线321与甲醇重整反应器500顶部的反应气入口530连接。

甲醇重整反应器500底部的合成气出口540通过合成气输送管线541与出口换热器600的合成气入口610连接，出口换热器600的合成气出口620 通过合成气输送管线621与水冷器700的合成气入口710连接，通过合成气输送管线621输送的合成气通过水冷器700进一步回收热量。

甲醇和脱盐水混合物输送管线231的另一端与出口换热器600的甲醇和脱盐水混合物入口630连接，出口换热器600的甲醇和脱盐水混合物出口640 通过甲醇和脱盐水混合物输送管线641与气化塔300的甲醇和脱盐水混合物入口310连接。合成气输送管线541输送的合成气和甲醇和脱盐水混合物输送管线231输送的甲醇和脱盐水混合物通过出口换热器600进行换热，其中甲醇和脱盐水混合物在出口换热器600内预热，合成气在出口换热器600内进行热量回收。

水洗塔900具有合成气入口910(为前述的第一合成气入口)、合成气出口920(为前述的第二合成气出口)、凝液出口930和凝液循环入口940，合成气入口910通过合成气输送管线911与水冷器700的合成气出口720连接，合成气出口920与PSA变压吸附装置1100的进气侧连接，凝液出口930与凝液泵800的入口连接，凝液泵800的出口一方面通过第一凝液输送管线810 与凝液循环入口940连接，将凝液输入水洗塔900循环使用；另一方面通过第二凝液输送管线820与甲醇与脱盐水储罐200上的脱盐水入口220连接。这样工艺冷凝液用凝液泵800打回甲醇重整反应器500内循环使用，从源头上小消除废液，无废液排放。

PSA变压吸附装置1100由若干装有吸附剂1110的吸附塔1120和旋转阀 (图中未示出)组合而成，PSA变压吸附装置1100的出气侧送出高纯氢。该 PSA变压吸附装置1100目前广泛用于由富氢气体提纯至纯氢、高纯氢、燃料电池用氢，在分布式氢气领域(中、小用户)处于世界领先地位，与传统的 PSA相比较，具有结构紧凑、回收率高、能耗低等技术优势，其产品H₂的纯度达到99.999％，满足电子、电池行业用氢要求。

该PSA变压吸附装置1100还具有一PSA解析气出口1130，该PSA解析气出口1130通过PSA解析气输送管线1131与缓冲罐1000的PSA解析气入口 1010连接，缓冲罐1000的PSA解析气出口1020通过PSA解析气输送管线1021 与燃烧器400上的PSA解析气入口430连接，将PSA解析气作为燃料送入燃烧器400进行燃烧放热或者催化反应放热，作为热量介质输入甲醇重整反应器内，以供甲醇重整反应使用，提高能量利用率，从而消除废气排放。

本实用新型的甲醇重整反应器500为列管式甲醇重整反应器或者换热板式甲醇重整反应器。其中单台列管式甲醇重整反应器最大装约50m³催化剂，最大产氢约为50000Nm³/h；单台换热板式甲醇重整反应器最大装约100m³催化剂，最大产氢约为100000Nm³/h。

本实用新型的列管式甲醇重整反应器结构与本申请人2011年8月20日申请的申请号为CN202121968689.9的“一种管壳式固定床等温反应器”结构完全相同。

参见图2，图中所示的一种等温轴向管壳式反应器，包含壳体10、上封头30、兼做下管箱的下封头40、换热管束50和下固定管板60，上封头30 和兼做下管箱的下封头40分别采用焊接方式固定在壳体10轴线方向的上下两端；下固定管板60固定壳体10轴线方向的下端与兼做下管箱的下封头40 之间，在上封头30上设置有操作人孔31和若干饱和水气出口32。

该等温轴向管壳式反应器相比较传统的固定管板管壳式反应器的特点在于：

还包括一上管箱20和若干柔性反应气输送管80以及上浮动管板70，上管箱 20和上浮动管板70浮动位于壳体10中上部内，该上管箱20呈一半球壳，上浮动管板70与上管箱20(或者称为内管箱)的底部(也就是半球壳的底部) 采用焊接方式固定连接，使得上管箱20与上浮动管板70围成一承压腔体。该承压腔体应考虑足够的空间并于上管箱20顶部设置操作人孔21，方便催化剂装填和设备检修。

换热管束50的上下端分别与上浮动管板70和下固定管板60采用焊接方式固定连接并平行于壳体10的轴线；由于上管箱20和上浮动管板70也采用浮动方式位于壳体10中上部内，这样可以吸收换热管束50与壳体10之间的热膨胀差，其解决了传统的固定管板管壳式反应器管壳程温差热应力问题。相比较传统的固定管板反应器温差应力和变形得以释放，避免换热管管接头、管板焊缝等失效问题，增强设备的可靠性。另外由于解决了传统固定管板管壳式反应器为减小换热管与壳体热膨胀差，通常采用双相钢材料同时反应温度控制于300℃以下的问题。因此，该等温轴向管壳式反应器各种零部件可降低选材，只依据反应气腐蚀特性选材即可，同时可接受温差更大的化学反应。

另外在上浮动管板70与壳体10的内部之间留有环隙A，这样便于完成换热后水汽经过环隙向上流动。

为了能使上管箱20与上浮动管板70围成的承压腔体上下浮动，该等温轴向管壳式反应器采用若干柔性反应气输送管80向上管箱20与上浮动管板 70围成的承压腔体内部输入反应气。

作为本发明的一个优选方案，柔性反应气输送管80为四根(当然也不局限于四根也可以为一根、二根、三个或者多于四根，但应按照工艺要求匹配柔性反应气输送管80的数量，但必须具备足够的强度并且吸收热膨胀)。在配置柔性反应气输送管80时，应考虑吸收换热管束50与壳体10之间的热膨胀差，尤其要考虑开停车等特殊工况。

特别参见图3至图5，四根柔性反应气输送管80的第一端采用均布方式连接在上管箱90上以便向上管箱20与上浮动管板70围成的承压腔体内送入反应气，每两根柔性反应气输送管80的第二端并接后与一反应气管接头81 连接，两个反应气管接头81采用均布方式连接在上封头30上并延伸至外界 (当然也可以采用均布方式连接在壳体10上并延伸至外界)，以便外界的反应气进入每一柔性反应气输送管80。这两根反应气输送管80相当于前述的甲醇重整反应器500顶部的反应气入口530。

四根柔性反应气输送管80的第一端均设置有反应气进口分布器82，反应气通过这些反应气进口分布器82均匀分配进入到上管箱20与上浮动管板70 围成的承压腔体内。

四根柔性反应气输送管80沿着上封头30的内部和壳体10的内部弯曲盘旋至上管箱20，留出中间通道空间，以方便催化剂装填和设备检修。

继续参见图2，在上浮动管板70与下固定管板60之间的壳体10内、沿壳体10轴线方向间隔设置有若干换热管支撑板，每一换热管支撑板100上开设有数量与换热管束50中的换热管51数量相同的换热管孔(图中未示出)，每一换热管支撑板100的外周缘与壳体10采用焊接方式固定连接，换热管束 50中的每一换热管51穿所述换热管支撑板100上对应的换热管孔，每一换热管51的外径与对应的换热管孔的内径之间滑动配合。另外在每一换热管支撑板100上开设有通水孔(图中未示出)。进一步，若干换热管支撑板100之间可以采用拉杆(图中未示出)连接。

本发明还包括一下降管组件90，为了使壳侧水汽分布均匀，该下降管组件90具有若干给水进口(图中未示出)，这些给水进口均布在壳体10上并与壳体10内部连通。

在兼做下管箱的下封头40上设置有气体出口收集器41和操作人孔，气体出口收集器41的气体入口与兼做下管箱的下封头40的内部连通，以收集反应后的反应气，气体出口收集器41的气体出口与外界连通，以送出反应器进入下一道工序。

结合参见图6至图9，为了使进入换热管51内的反应气充分进行催化反应，在每一换热管51内填充有催化剂52。

为了对每一换热管51内的催化剂52起到良好的支撑作用，同时不影响气体流通在每一换热管51位于下固定管板60中的这一段内设置有压缩金属丝网53，同时在下固定管板60的底部设置有催化剂支撑结构54，压缩金属丝网53用以支撑每一换热管51内的催化剂52，压缩金属丝网51的下端支撑在催化剂支撑结构54上。压缩金属丝网51的高度按下固定管板60的上表面至催化剂支撑结构54的上边表面距离确定。

催化剂支撑结构54为V型网催化剂支承结构；该V型网催化剂支承结构包括若干V型网54a、若干支撑板54b，在每一支撑板54b上开设有若干V 型槽54ba，所有的支撑板54b固定在兼做下管箱的下封头40的内壁上，每一 V型网54a卡入所有的支撑板54b对应的V型槽54ba内。相邻V型网54a之间留有一能够使空气流动又不至于使催化剂掉落的V型网缝隙54ab。

所有的V型网54a与所有的支撑板54b之间可以采用分拆式结构组合起来，也可以采用固定形成一个整体。

采用上述压缩金属丝网53与催化剂支撑结构54结合的方式对催化剂可起到良好的支撑作用，同时不影响气体流通，避免传统反应器采用大量堆积氧化铝球对催化剂进行支撑，既大量减轻反应器操作重量又避免卸载催化剂时氧化铝球难以分拣等问题。

上述等温轴向管壳式反应器的催化剂52的装填与传统管式反应器相同，卸载则考虑采用顶部真空抽吸的方法，效率高，同时避免粉尘污染。

在催化剂50装填在换热管51内，为使反应热迅速的被换热管52外的水汽带走，催化剂50装填至上浮动管板70处，考虑催化剂收缩率装填高度高出上浮动管板70，并保证收缩后催化剂进入到上浮动管板70下方。

本发明的等温轴向管壳式反应器工作原理如下：

反应气从设置在上封头30上的两个反应气管接头110进入到四根柔性反应气输送管80内，通过四根柔性反应气输送管80和反应气进口分布器120 均匀分配进入到上管箱20与上浮动管板70围成的承压腔体内。进入到上管箱20与上浮动管板70围成的承压腔体内的反应气进入装有催化剂52的换热管51内进行催化反应。催化反应所产生的反应热由换热管51外的饱和水汽及时移走。

反应气经换热管51完成反应后进入到兼做下管箱的下封头40内，经过气体出口收集器41收集后从气体出口收集器41的气体出口送出进入下一道工序。

同时，锅炉给水和汽包下降管给水从设置于壳体10下部的下降管组件90 的若干给水进口均布的进入到壳体10内，水汽吸收换热管51内的反应热，通过每一换热管支撑板200上的通水孔由下向上流动，完成换热后水汽经过上浮动管板70与壳体10的内部之间的环隙继续向上进入上封头30内，最终通过设置于上封头30上的若干饱和水气出口32送出，进入汽水分离(汽包) 设备。

参见图10，图中所述的换热板式甲醇重整反应器包括反应器筒体501和分别焊接在反应器筒体上下端的上封头502、下封头503；在上封头502上设置有充当甲醇重整反应器500上的反应气入口530的反应气进口管504、充当所述甲醇重整反应器500上的热量介质出口520的热量介质出口管505，在反应气进口管504的出气端设置有气体分布器506，热量介质出口管505与弹性盘管507的一端连接。

在反应器筒体501内铺设有多个换热板板组组成的催化剂床层508，催化剂床层508由支撑件(图中未示出)支撑在反应器壳体501内；在催化剂床层508的中心设置有一中心管509，中心管509的下端设置有金属丝网管509a；催化剂床层508内经过反应后的合成气通过中心管509下端的金属丝网管 509a进入到中心管509下段内；在催化剂床层508的顶部设置有热量介质出口，该热量介质出口与弹性盘管508a的另一端连接；在下封头503上设置有充当甲醇重整反应器500上的合成气出口540的合成气出口管503a和充当甲醇重整反应器500上的热量介质入口330的热量介质进口管503b，中心管509 的下段与合成气出口管503a连接。

在反应器筒体501内设置有穿过催化剂床层508的主管(图中未示出) 和与主管连接的若干支管(图中未示出)，若干支管的末端汇总后与催化剂床层508上的热量介质出口连接，主管的下端与下封头503的内腔连通并通过下封头503的内腔与热量介质进口管503b连接。

反应气从位于上封头502上的反应气进口管504和气体分布器506均布的进入反应器筒体501内，然后进入到由多个换热板板组组成的催化剂床层 508。

经过催化剂床层508反应后的合成气，通过金属丝网进入中心管509内，然后从下封头503上的合成气出口管503a流出换热板式甲醇重整反应器。

作为换热板式甲醇重整反应器热量介质的导热油从热量介质进口管504b 将进入换热板式甲醇重整反应器，通过主管(图中未示出)和与主管连接的若干支管最终进入由多个换热板板组组成的催化剂床层508内，从催化剂床层508顶部上的热量介质出口流出，从催化剂床层508顶部上的热量介质出口流出的导热油通过弹性盘管508a和上封头502上的热量介质出口管505流出。

上述换热板式甲醇重整反应器中的催化剂装在换热板外，导热油走换热板内。在相同设备直径条件下，这种结构可以大幅增大催化剂的装填量，增加单套装置氢气产量。

上述换热板式甲醇重整反应器相比普通列管式固定管板反应器，没有固定管板，且催化剂床层508的上方设计有柔性的弹性盘管508a，有效地解决了热应力问题。

相比列管式重整反应器，上述换热板式甲醇重整反应器在装卸催化剂的时候，更容易操作，催化剂更不易搭桥。

本实用新型甲醇制氢装置的规模：600标方/小时，氢气要求：1.5～ 2.5MPa，温度40℃，氢气纯度99.99％，杂质要求：CO+CO₂≤20ppm，CO≤10ppm，硫/氯<1ppm，年操作时间：8000小时，操作负荷范围：50-110％。

原料规格：甲醇规格：温度：40℃，压力：0.5MPaG，甲醇满足《GB338-2011 工业用甲醇》优级品要求。

本实用新型甲醇制氢装置运行稳定，达到设计要求。

Claims (15)

1.一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，包含气化塔、甲醇重整反应器和PSA变压吸附装置，所述气化塔具有甲醇和脱盐水混合物入口和水与甲醇混合蒸汽出口，所述甲醇重整反应器的顶部设置有反应气入口，底部设置有第一合成气出口；所述气化塔的甲醇和脱盐水混合物入口与一甲醇和脱盐水混合物输送管线连接，所述气化塔的水与甲醇混合蒸汽出口通过一水与甲醇混合蒸汽输送管线与所述甲醇重整反应器顶部的反应气入口连接，所述甲醇重整反应器底部的第一合成气出口通过合成气输送管线与PSA变压吸附装置的进气侧连接，所述PSA变压吸附装置的出气侧送出高纯氢。

2.根据权利要求1所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述PSA变压吸附装置由若干装有吸附剂的吸附塔和旋转阀组合而成。

3.根据权利要求1所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，还包括一燃烧器，所述燃烧器上具有燃料入口、空气入口和第一热量介质出口，所述燃料入口和空气入口分别输入燃料和空气，所述第一热量介质出口输出热量介质；在所述甲醇重整反应器上设置有第一热量介质入口和第二热量介质出口，所述第一热量介质入口通过第一热量介质输送管线与所述第一热量介质出口连接，向甲醇重整反应器内的甲烷重整反应提供热量；所述第二热量介质出口通过第二热量介质输送管线与所述气化塔中的第二热量介质入口连接，为所述气化塔内的甲醇和脱盐水混合物汽化提供热量；在所述气化塔上还设置有第三热量介质出口，所述第三热量介质出口通过第三热量介质输送管线接入第一热量介质输送管线。

4.根据权利要求3所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述燃烧器的燃料采用甲醇，所述燃料入口通过一燃料输送管线连接甲醇源。

5.根据权利要求4所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述燃烧器采用电加热器取代。

6.根据权利要求4所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，还包括一甲醇与脱盐水储罐，所述甲醇与脱盐水储罐上设置有甲醇入口、脱盐水入口和甲醇和脱盐水混合物出口，脱盐水混合物出口与所述甲醇和脱盐水混合物输送管线连接；所述甲醇与脱盐水储罐出口通过甲醇泵与甲醇和脱盐水混合物输送管线连接，用以输出甲醇与脱盐水混合物，该甲醇泵用以调节甲醇重整反应器的甲醇重整压力；所述脱盐水入口通过脱盐水输送管线连接脱盐水源。

7.根据权利要求6所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，还包括一出口换热器，所述合成气输送管线输送的合成气和所述甲醇和脱盐水混合物输送管线输送的甲醇和脱盐水混合物通过所述出口换热器进行换热，其中所述甲醇和脱盐水混合物在所述出口换热器内预热，所述合成气在所述出口换热器内进行热量回收。

8.根据权利要求7所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，还包括一水冷器，所述合成气输送管线输送的合成气通过所述水冷器，使得所述合成气通过所述水冷器进一步回收热量。

9.根据权利要求8所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，还包括一水洗塔，所述水洗塔具有一第一合成气入口、第二合成气出口、凝液出口和凝液循环入口，所述第一合成气入口与所述合成气输送管线连接，所述第二合成气出口与所述PSA变压吸附装置的进气侧连接，所述凝液出口与凝液泵的入口连接，所述凝液泵的出口一方面通过第一凝液输送管线与凝液循环入口连接，将凝液输入水洗塔循环使用；另一方面通过第二凝液输送管线与所述甲醇与脱盐水储罐上的脱盐水入口连接。

10.根据权利要求9所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述PSA变压吸附装置还具有一PSA解析气出口，在所述燃烧器上还设置有一PSA解析气入口；所述PSA解析气出口通过PSA解析气输送管线与所述燃烧器上PSA解析气入口连接，将PSA解析气作为燃料送入燃烧器进行燃烧。

11.根据权利要求10所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，在所述PSA解析气输送管线上串联有一缓冲罐。

12.根据权利要求11所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述甲醇重整反应器为列管式甲醇重整反应器或者换热板式甲醇重整反应器。

13.根据权利要求12所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述换热板式甲醇重整反应器包括反应器筒体和分别焊接在所述反应器筒体上下端的上封头、下封头；在所述上封头上设置有充当所述甲醇重整反应器上的反应气入口的反应气进口管、充当所述甲醇重整反应器上的第二热量介质出口的热量介质出口管，在所述反应气进口管的出气端设置有气体分布器，所述热量介质出口管与弹性盘管的一端连接；在所述反应器筒体内铺设有多个换热板板组组成的催化剂床层，所述催化剂床层由支撑件支撑在反应器壳体内；在所述催化剂床层的中心设置有一中心管，所述中心管的下端设置有金属丝网管并与所述合成气出口管连接；所述催化剂床层内经过反应后的合成气通过中心管下端的金属丝网管进入到所述中心管下段内；在所述催化剂床层的顶部设置有第四热量介质出口，所述第四热量介质出口与所述弹性盘管的另一端连接；在所述下封头上设置有充当所述甲醇重整反应器上的第一合成气出口的合成气出口管和充当所述甲醇重整反应器上的第一热量介质入口的热量介质进口管，在所述反应器筒体内设置有穿过所述催化剂床层的主管和与所述主管连接的若干支管，若干支管的末端汇总后与第四热量介质出口连接，所述主管的下端与下封头的内腔连通并通过下封头的内腔与所述热量介质进口管连接。

14.根据权利要求1所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述新型甲醇制氢装置整体成撬。

15.根据权利要求1所述的一种新型甲醇制氢装置，其特征在于，所述甲醇为粗甲醇或者精甲醇。

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