CN218065425U - 基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及制氢技术领域，提供一种基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，包括天然气制氢装置、热泵循环装置、冷水源及闪蒸罐，热泵循环装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀；蒸发器的第一入口与转化炉的出口连接，压缩机的入口与蒸发器的第一出口连接，冷凝器的第一入口与压缩机的出口连接，膨胀阀的入口与冷凝器的第一出口连接，膨胀阀的出口与蒸发器的第二入口连接，以构建形成供制冷剂循环的热泵回路。冷水源与冷凝器连接，闪蒸罐与冷凝器连接，闪蒸罐的第一出口与转化炉的入口连接。本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，实现了天然气制氢烟气废热的高效利用，从而提高能源利用率。
Description
技术领域
本实用新型涉及制氢技术领域，尤其涉及一种基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统。
背景技术
随着能源紧缺和环境污染现象的加剧，清洁能源和可再生能源的利用已成为大势所趋，其中，氢能因其清洁高效、可储运、应用场景丰富等优势逐渐得到广泛关注。氢气的高效制取是氢能利用的前提，当前主要的制氢方式有化石能源制氢、天然气重整制氢、电解水制氢等。其中，天然气制氢因其成本较低、污染较小、尾气利用潜能大等优势应用广泛。
然而，天然气制氢过程中存在大量的热量损失，主要来自转化炉的高温烟气热，当前主要的热量回收方式为余热锅炉，其存在系统结构复杂、热量回收率不高、腐蚀等诸多缺点，造成氢气生产成本高、生产效率较低、能源资源利用不充分等问题。因此，现有的天然气制氢余热回收装置余热回收效率低，能源利用率低，制氢成本较高。
实用新型内容
本实用新型提供一种基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，用以解决现有技术中天然气制氢系统的余热回收效率低、能源利用率低的问题。
本实用新型提供一种基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，包括：天然气制氢装置、热泵循环装置、冷水源及闪蒸罐；
所述天然气制氢装置包括转化炉，所述转化炉用于将天然气和水转化为一氧化碳和氢气；
所述热泵循环装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀；所述蒸发器的第一入口与所述转化炉的第一出口连接，所述压缩机的入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述冷凝器的第一入口与所述压缩机的出口连接，所述膨胀阀的入口与所述冷凝器的第一出口连接，所述膨胀阀的出口与所述蒸发器的第二入口连接，以构建形成供制冷剂循环的热泵回路；
所述冷水源与所述冷凝器的第二入口连接，所述冷水源用于向所述冷凝器中供入冷水；所述闪蒸罐的入口与所述冷凝器的第二出口连接，所述闪蒸罐的第一出口与所述转化炉的入口连接。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括冷水泵；
所述冷水泵设于所述冷水源与所述冷凝器之间，所述冷水泵用于将所述冷水源中的冷水抽取至所述冷凝器中。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括储存罐；
所述储存罐连接于所述闪蒸罐的第二出口处，所述储存罐用于储存所述闪蒸罐释放的热水。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括尾气处理装置；
所述尾气处理装置连接于所述蒸发器的第二出口处，所述尾气处理装置用于处理经由所述蒸发器释放的气体。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述天然气制氢装置还包括一氧化碳变换装置；
所述一氧化碳变换装置的入口与所述转化炉的第二出口连接，所述一氧化碳变换装置用于将所述一氧化碳转化为二氧化碳。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述天然气制氢装置还包括一氧化碳变换装置；
所述一氧化碳变换装置的入口与所述转化炉的第二出口连接，所述一氧化碳变换装置用于将所述一氧化碳转化为二氧化碳。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述天然气制氢装置还包括氢气提纯装置；
所述氢气提纯装置的入口与所述一氧化碳变换装置的出口连接，所述氢气提纯装置的第一出口与所述转化炉的第二入口连接。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述氢气提纯装置为PSA氢气提纯装置。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述天然气制氢装置还包括预处理装置，所述预处理装置与所述转化炉连接，所述预处理装置用于将待反应的天然气进行预处理，并将处理后的天然气输送至所述转化炉内。
根据本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，所述制冷剂为二氧化碳工质。
本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，包括：天然气制氢装置、热泵循环装置、冷水源和闪蒸罐，通过热泵循环装置将天然气制氢装置中的转化炉反应后的烟气中的余热提取出来，即余热经蒸发器、压缩机和冷凝器后与冷水源的冷水换热，吸热后的水进入闪蒸罐，实现高温热水和高温蒸汽的制备，高温蒸汽引入转化炉中用于补充转化需要的热量，热水用于其他工程，从而实现了转化炉余热的回收循环利用和再利用。因此，相较于现有技术，本实用新型提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，实现了天然气制氢烟气废热的高效利用，从而提高能源利用率，降低生产成本，有利于天然气制氢工艺的进一步推广。
除了上面所描述的本实用新型解决的技术问题、构成的技术方案的技术特征以及有这些技术方案的技术特征所带来的优点之外，本实用新型的其他技术特征及这些技术特征带来的优点，将结合附图作出进一步说明，或通过本实用新型的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的一些实施例，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是本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统的示意图；
附图标记：
1：天然气制氢装置；11：转化炉；12：一氧化碳变换装置；13：氢气提纯装置；14：预处理装置；2：热泵循环装置；21：蒸发器；22：压缩机；23：冷凝器；24：膨胀阀；3：冷水泵；4：闪蒸罐；5：储存罐；6：尾气处理装置。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不能用来限制本实用新型的范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型实施例中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统。
本实用新型实施例中的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，包括：天然气制氢装置1、热泵循环装置2、冷水源及闪蒸罐4。
天然气制氢装置1包括转化炉11，转化炉11用于将天然气和水转化为一氧化碳和氢气。
热泵循环装置2包括蒸发器21、压缩机22、冷凝器23及膨胀阀24；蒸发器21的第一入口与转化炉11的第一出口连接，压缩机22的入口与蒸发器21的第一出口连接，冷凝器23的第一入口与压缩机22的出口连接，膨胀阀24的入口与冷凝器23的第一出口连接，膨胀阀24的出口与蒸发器21的第二入口连接，以构建形成供制冷剂循环的热泵回路。
冷水源与冷凝器23的第二入口连接，冷水源用于向冷凝器23中供入冷水；闪蒸罐4的入口与冷凝器23的第二出口连接，闪蒸罐4的第一出口与转化炉11的入口连接。
具体地，如图1所示，热泵循环装置2由蒸发器21、压缩机22、冷凝器23和膨胀阀24依次首尾连接构建形成的回路，该回路中通过制冷剂实现制氢余热的换热，并与余热加以利用，在一些的实施例中，该制冷剂可以为二氧化碳工质。
天气然制氢的主要过程是在转化炉11中进行的，天然气中的甲烷和水在高温和催化剂的条件下能够生成一氧化碳和氢气，此处的催化剂可选择镍系催化剂，其反应式如下：
CH4+H2O→CO+H2
天然气制氢后的高温烟气进入蒸发器21中，蒸发器21中的制冷器吸热，进入压缩机22，进一步压缩升温后进入冷凝器23，在冷凝器23中与冷水源的冷水进行换热后，进入膨胀阀24，经由膨胀阀24转化为低温低压的制冷剂回流至蒸发器21中，以循环利用。
上述的冷水源的冷水在换热后进入闪蒸罐4，制备得到蒸汽，将蒸汽输入至转化炉11中，能够继续为制氢提供高温和水蒸汽的条件，其中，通过控制闪蒸罐4的压力来控制制取的蒸汽温度，能够满足生产需求，提高氢气生产效率。
此外，基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统中的各部件之间均可通过管道实现连接，为了更好的控制管道的流通情况，还可在个管道上根据需要设置阀门，对于阀门的设置，根据需要进行设置即可，此处不作具体限定。
本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，包括：天然气制氢装置1、热泵循环装置2、冷水源和闪蒸罐4，通过热泵循环装置2将天然气制氢装置1中的转化炉11反应后的烟气中的余热提取出来，即余热经蒸发器21、压缩机22和冷凝器23后与冷水源的冷水换热，吸热后的水进入闪蒸罐4，实现高温热水和高温蒸汽的制备，高温蒸汽引入转化炉11中用于补充转化需要的热量，热水用于其他工程，从而实现了转化炉11余热的回收循环利用和再利用。
因此，相较于现有技术，本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，实现了天然气制氢烟气废热的高效利用，从而提高能源利用率，降低生产成本，有利于天然气制氢工艺的进一步推广。
进一步地，为了方便冷水源中的水进入冷凝器23，基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括冷水泵3。
冷水泵3设于冷水源与冷凝器23之间，冷水泵3用于将冷水源中的冷水抽取至冷凝器23中。
在可选的实施例中，基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括储存罐5。
储存罐5连接于闪蒸罐4的第二出口处，储存罐5用于储存闪蒸罐4释放的热水。
具体地，如图1所示，储存罐5与闪蒸罐4连接，储存罐5用于接收闪蒸罐4中加热后的热水，并对其进行保温储存，可用于其他需要热水的工程使用，提高了能源的利用效率，避免能源浪费。
在可选的实施例中，基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括尾气处理装置6。
尾气处理装置6连接于蒸发器21的第二出口处，尾气处理装置6用于处理经由蒸发器21释放的气体。
具体地，如图1所示，在蒸发器21的出口处连接有尾气处理装置6，通过该尾气处理装置6对降温后的烟气进行处理，在处理后再将废气排放至空气中，以免对空气造成影响，该尾气处理装置6的功能包括但不限于为过滤有害气体、过滤气体中的粉尘。
在可选的实施例中，天然气制氢装置1还包括一氧化碳变换装置。
一氧化碳变换装置的入口与转化炉11的第二出口连接，一氧化碳变换装置用于将一氧化碳转化为二氧化碳。
进一步地，然气制氢装置还包括氢气提纯装置13。
氢气提纯装置13的入口与一氧化碳变换装置的出口连接，氢气提纯装置13的第一出口与转化炉11的第二入口连接。
其中，氢气提纯装置13为PSA(变压吸附法)氢气提纯装置13。
具体地，如图1所示，在转化炉11后依次连接有一氧化碳变换装置和PSA氢气提纯装置13，关于PSA氢气提纯装置13，由于现有技术中对其已有成熟的相关介绍，本领域技术人员能够根据需要获取并得知，因此，此处不作赘述。
在转化炉11中将甲烷和水蒸汽转化为一氧化碳和氢气后，一氧化碳和氢气接着进入一氧化碳转化装置中，在一氧化碳转化装置设有催化剂，在催化剂存在的条件下，控制反应温度，转化气中的一氧化碳和水反应，生成氢气和二氧化碳，其反应式如下：
CO+H2O→CO2+H2
随后，一氧化碳转化装置中的气体进入PSA氢气提纯装置13进行氢气提纯，得到满足目标纯度的氢气产品经过氢气提纯装置13的第二出口排出进行收集，部分解析气经过氢气提纯装置13的第一出口回流到转化炉11中进一步利用。
在可选的实施例中，天然气制氢装置1还包括预处理装置14，预处理装置14与转化炉11连接，预处理装置14用于将待反应的天然气进行预处理，并将处理后的天然气输送至转化炉11内。
具体地，在利用天然气制取氢气的过程中，天然气进入转化炉11之前，需要对天然气进行预处理，如图1所示，在转化炉11的入口处连接有预处理装置14，天然气先进入预处理装置14中进行预处理操作。
此处的预处理主要指的是原料气的脱硫，在预处理装置14中加入脱硫剂，以将天然气中的有机硫转化为无机硫再进行去除。
本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，通过热泵循环装置2将天然气制氢装置1中的转化炉11反应后的烟气中的余热提取出来，即余热经蒸发器21、压缩机22和冷凝器23后与冷水源的冷水换热，吸热后的水进入闪蒸罐4，实现高温热水和高温蒸汽的制备，高温蒸汽引入转化炉11中用于补充转化需要的热量，热水用于其他工程，从而实现了转化炉11余热的回收循环利用和再利用，同时，高温烟气经过蒸发器21降温后进入尾气处理装置6进一步处理后排放。
因此，相较于现有技术，本实用新型实施例提供的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，实现了天然气制氢烟气废热的高效利用，不仅提高能源利用率，降低生产成本，还减少了环境污染，有利于天然气制氢工艺的进一步推广。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，包括：天然气制氢装置、热泵循环装置、冷水源及闪蒸罐；
所述天然气制氢装置包括转化炉，所述转化炉用于将天然气和水转化为一氧化碳和氢气；
所述热泵循环装置包括蒸发器、压缩机、冷凝器及膨胀阀；所述蒸发器的第一入口与所述转化炉的第一出口连接，所述压缩机的入口与所述蒸发器的第一出口连接，所述冷凝器的第一入口与所述压缩机的出口连接，所述膨胀阀的入口与所述冷凝器的第一出口连接，所述膨胀阀的出口与所述蒸发器的第二入口连接，以构建形成供制冷剂循环的热泵回路；
所述冷水源与所述冷凝器的第二入口连接，所述冷水源用于向所述冷凝器中供入冷水；所述闪蒸罐的入口与所述冷凝器的第二出口连接，所述闪蒸罐的第一出口与所述转化炉的入口连接。
2.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括冷水泵；
所述冷水泵设于所述冷水源与所述冷凝器之间，所述冷水泵用于将所述冷水源中的冷水抽取至所述冷凝器中。
3.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括储存罐；
所述储存罐连接于所述闪蒸罐的第二出口处，所述储存罐用于储存所述闪蒸罐释放的热水。
4.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统还包括尾气处理装置；
所述尾气处理装置连接于所述蒸发器的第二出口处，所述尾气处理装置用于处理经由所述蒸发器释放的气体。
5.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述天然气制氢装置还包括一氧化碳变换装置；
所述一氧化碳变换装置的入口与所述转化炉的第二出口连接，所述一氧化碳变换装置用于将所述一氧化碳转化为二氧化碳。
6.根据权利要求5所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述天然气制氢装置还包括一氧化碳变换装置；
所述一氧化碳变换装置的入口与所述转化炉的第二出口连接，所述一氧化碳变换装置用于将所述一氧化碳转化为二氧化碳。
7.根据权利要求6所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述天然气制氢装置还包括氢气提纯装置；
所述氢气提纯装置的入口与所述一氧化碳变换装置的出口连接，所述氢气提纯装置的第一出口与所述转化炉的第二入口连接。
8.根据权利要求7所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述氢气提纯装置为PSA氢气提纯装置。
9.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述天然气制氢装置还包括预处理装置，所述预处理装置与所述转化炉连接，所述预处理装置用于将待反应的天然气进行预处理，并将处理后的天然气输送至所述转化炉内。
10.根据权利要求1所述的基于热泵技术的天然气制氢余热回收利用系统，其特征在于，所述制冷剂为二氧化碳工质。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116161620A (zh) * | 2023-01-11 | 2023-05-26 | 西安交通大学 | 一种天然气制氢的碳减排装置 |
| CN117108381A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-11-24 | 北京市煤气热力工程设计院有限公司 | 一种耦合压力能回收的天然气压差发电和制氢系统 |
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2022
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116161620A (zh) * | 2023-01-11 | 2023-05-26 | 西安交通大学 | 一种天然气制氢的碳减排装置 |
| CN117108381A (zh) * | 2023-07-21 | 2023-11-24 | 北京市煤气热力工程设计院有限公司 | 一种耦合压力能回收的天然气压差发电和制氢系统 |
| CN117108381B (zh) * | 2023-07-21 | 2024-07-19 | 北京市煤气热力工程设计院有限公司 | 一种耦合压力能回收的天然气压差发电和制氢系统 |
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