TW202317467A - 用於氫製造的裝置 - Google Patents

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艾瑪 帕洛
薩爾瓦托雷 羅馬努奧羅
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梅尼卡 安東內利
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Abstract

本發明係關於一種自烴原料製造氫的裝置，該裝置包含至少一個蒸汽重組器，該蒸汽重組器配備一電加熱的蒸汽重組爐，該電加熱的蒸汽重組爐包含複數個催化管，其中一或多個產熱電氣器件圍繞該等催化管中之各者的加熱區域配置。

Description

用於氫製造的裝置
本發明係關於一種用於氫製造的裝置，該裝置亦經組態以確保零輸出蒸汽。
眾所周知，氫之需求在2018年已達幾乎7500萬噸且大致每年提高約6%[ IEA. org/reports/the-future-of-hydrogen ， 2019 年 6 月]，其中用於如加氫處理及加氫裂化的精煉廠應用的氫超過50%且剩餘部分主要用於氨及甲醇製造。
蒸汽重組係當前製造氫氣之最具成本效益的技術，尤其是在以天然氣或廢氣作為原料的精煉廠中更為如此。作為相當高效的製程，天然氣及輕石油腦之蒸汽重組係用於此類製造之主要方法，其具有最高的H 2/CO比及最低的生產成本（Cost of Production；CoP）。
在蒸汽重組製程中，根據以下反應使含碳原料（亦即，天然氣）與蒸汽反應： 蒸汽重組反應 CH 4+ H 2O = CO + 3H 2及水煤氣變換反應 CO + H 2O = CO 2+ H 2以獲得合成氣之混合物。
反應在催化管（亦即安裝於爐中之管）中進行。
總體而言，反應強烈吸熱，且在重組爐的輻射部分中燃燒燃料提供熱負荷。
鑒於燃燒燃料以維持製程之吸熱度的必要性，有必要強調在CO 2排放方面的強烈環境影響，此特性化該製程。
詳言之，在蒸汽重組製程中，一部分CO 2（典型地係總量之約50%至60%）在蒸汽重組及水煤氣變換反應器下游階段中在處理合成氣內部產生，且另一部分（40%至50%）另外在蒸汽重組爐中產生，其中由外部燃料燃燒提供之熱量將必要熱輸入供應至吸熱反應[ G. Collodi, Chemical Engineering Transactions 19(2010) 37]。據估計，每Nm 3之H 2製成約0.9 kg CO 2。
貢獻固定CO 2排放之主要工業部門以發電廠及能量密集型產業為代表。詳言之，精煉部門約占固定CO 2總排放量的6%[ Jiri van Straelen, Frank Geuzebroek, Nicholas Goodchild, Georgios Protopapas, Liam Mahony, CO2 capture for refineries, a practical approach, Energy Procedia 1 (2009) 179-185]。蒸汽重組製程的排放量至少占精煉廠CO 2排放量的高達20% [ J. van Straelen, F. Geuzebroek, N. Goodchild, G. Protopapas, L. Mahony, International Journal of greenhouse control, 4 (2010) 316]。
根據IEA[ Jiri van Straelen, 引用 .]，現今大致8.3億噸之CO 2與每年氫的製造相關聯。此類碳流的重要性在於，在未來幾年中，與各單個化學製程相關聯的CO 2排放量將成為用於評估包括製備氫的技術選擇的第一及主要參數。
實際上，實現碳中性能量及製造系統中之關鍵挑戰係將當前很大程度上取決於化石燃料資源（諸如油及天然氣）之部門去碳化。化學工業中所用之最終能源及原料的未來去碳化最有前景的選項係將具有相對豐富潛力的以電力形式產生之風能及太陽能轉化為熱能、化學品及燃料。事實上，電氣化有可能在可持續性及減少化石能源及原料使用方面取得重大進展。習知的燃燒化學反應器之電氣化不僅有可能減少CO 2排放，且亦有可能為熱量產生提供更靈活且精簡的解決方案。
假設未來電能成本將下降，可再生電能將越來越多，則有必要用電氣器件取代目前在蒸汽重組器中供應反應熱量的燃燒步驟，並有可能消除爐燃燒器的CO 2排放。
另外，使熱交換效率最大化之可能性亦有助於減少原料消耗，進而亦限制來自製程之CO 2排放。
亦必須強調，蒸汽重組器之熱設計係相當複雜的任務且需要此類型之明火加熱器之專業知識。實際上，內部安裝有燃燒器之爐的存在使得蒸汽重組器組態相當複雜，且總體而言工廠之特徵在於其佔據面積相當大。
在此基礎下，需要對反應器幾何形狀進行重新組態，以滿足減少CO 2排放的需求，並具有更精簡的設計特徵，此在原則上可能使得出現CAPEX減少且更容易維護並且可能易於運輸。
根據先前技術且參看圖1，具有天然氣原料之蒸汽重組之習知氫製造單元（Hydrogen Production Unit；HPU）的製程架構包括以下習知製程步驟： （i）天然氣壓縮（圖中未示）及預熱， （ii）烯烴氫化且移除硫組分（在預處理單元1中）， （iii）蒸汽重組（在經燃燒加熱之蒸汽重組器2中）， （iv）藉由蒸汽產生及蒸汽過熱（圖中未示）而自製程流及煙道氣兩者進行熱回收， （v）藉由變換反應（在水煤氣變換反應器3中）轉化一氧化碳， （vi）藉由變壓吸附（在變壓吸附器或PSA 4中）純化氫。
視情況，在步驟（ii）與（iii）之間，視所使用之烴原料而添加預重組步驟。
參看圖1，展示習知天然氣氫產生單元之方塊圖，其中未示出輸出蒸汽，但仍存在輸出蒸汽且於下文中描述，且其中天然氣原料在壓力下經饋送至預處理單元1，以移除對於下游蒸汽重組催化劑有害之彼等化合物。預處理單元1執行第一氫化步驟及第二脫硫步驟，視情況在單個步驟中組合。第一步驟係在固定床催化反應器中使用CoMox或NiMox催化劑進行，以將有機硫氫化成H 2S且將有機氯組分氫化成氯化氫。存在於原料中之烯烴同樣在此步驟中氫化。
所需氫（約3 mol%，具有天然氣原料之典型值）自H 2產物流循環及/或獲自界區之可用氫來源。所產生之經氫化化合物隨後遞送至脫硫步驟，其中其典型地與用於H 2S吸附之氧化鋅反應，視情況配備用於氯化氫吸附之材料。
經處理原料隨後根據蒸汽/碳莫耳比（S/C=3 mol/mol，典型值）之選定值與受控量之蒸汽混合，且在重組爐2之對流部分中在550℃（典型值）下預熱。
製程之核心係甲烷與蒸汽在Ni催化劑上的吸熱反應（反應1）。 CH 4+ H 2O
Figure 02_image001
CO + 3H 2ΔH 0=+206 kJ/mol    （1）
反應在藉由爐之輻射部分中之外部燃料燃燒加熱之管狀催化反應器中進行。與主蒸汽重組反應並行地，水煤氣變換反應（反應2）將由第一反應產生之CO之部分轉化成額外H 2及CO 2。 CO + H 2O
Figure 02_image001
CO 2+ H 2ΔH 0= - 41 kJ/mol     （2）
添加至原料中之處理蒸汽超過化學計算量，以便改善烴轉化率且防止催化劑上之任何碳沉積。在高範圍（典型地，850÷920℃）中選擇重組溫度以便獲得氫高產率。明火加熱器內部之蒸汽重組反應的操作引起產生與輻射部分之低熱效率相關的餘熱。餘熱通常藉由高壓蒸汽產生在對流部分中回收。
除此之外，額外蒸汽係藉由用於在蒸汽重組器之出口處冷卻處理合成氣的處理氣體汽鍋產生。所產生之總蒸汽超過製程自身所需，因此可在界區處將一定量的輸出蒸汽用作副產品。隨後在約320℃之入口溫度下將經冷卻處理氣體饋送至高溫變換轉化級（high temperature shift conversion stage；HTS）。
HTS變換反應器3係使用氧化鐵/氧化鉻/氧化銅催化劑之固定床絕熱反應器，該催化劑根據水煤氣變換反應（反應2）將合成氣中存在之一氧化碳及蒸汽轉化為額外氫及二氧化碳。在一些情況下，在下游安裝，且操作額外的低溫變換轉化級（shift conversion at lower temperature；LTS）。
在變換轉化級之出口處之處理合成氣藉由熱回收部分及最終冷卻器冷卻至約40℃。在下游，安裝用於水冷凝液移除之設備，將合成氣自其遞送至PSA單元4以執行原始氫純化。
PSA單元4藉由對選定的吸附材料進行的且並在不同的時間段在平行容器中操作的短的吸附/解吸附循環而操作。
氫在設定壓力（典型地約20 barg，例如，對於精煉廠應用）下自PSA單元4釋放。PSA之氫回收因子可達至多90%之值，而氫平衡連同原始氫流中存在之雜質在吹掃氣流（廢氣或循環流）中釋放，且以低壓（約0.3 barg）離開PSA單元4。PSA單元4可達至多99, 9999% vol之氫純度。精煉廠中之典型氫純度規格＞99.9%。
使來自PSA之在接近大氣壓力下回收且含有所產生之CO 2及殘餘氫（此流之例示性組成物係CH 418%mol、CO 10.24%mol、CO 245.10%mol、H 226%mol、H 2O 0.55%mol）之廢氣循環回（循環流）至重組爐2，其中殘餘氫及CO藉由補充燃料燃燒且所產生之煙道氣被遞送至煙囪。
特定參看蒸汽重組爐6（圖2），在習知的燃燒加熱重組器中，不同配置可供用於爐內部之燃燒器。參看圖2a至圖2d，燃燒器7可定位於側壁之兩側上（燃燒側）（圖2a）；在輻射部分8a之頂部上（燃燒頂部）（圖2b）；但其他組態可在市場上獲得，諸如底部燃燒設計（圖2c）或擋土牆配置（圖2d）。
更詳細而言，圖3展示根據先前技術之頂部燃燒之蒸汽重組爐6的示意性表示，該頂部燃燒之蒸汽重組爐包含：輻射部分8a，其具有含有催化劑之重組管9（且因此在本文下文中亦稱為催化管9）及在頂部之燃燒器7；及對流部分8b，其中藉由對製程流預熱、產生蒸汽且視情況預熱燃燒空氣流而冷卻來自輻射部分8a之煙道氣。
煙道氣藉由抽風機及煙囪（圖中未示）排出至大氣中。
在僅傳送反應負荷時，爐輻射部分8a之熱效率判定在自輻射部分8a之出口處的煙道氣流之溫度，該溫度係所謂的「火牆溫度」或T bw。其值與藉由總體熱平衡得出之煙道氣流速一起判定可供用於對流部分8b中之下游對流熱回收的熱量。
燃燒器7通被供給燃料及由下游PSA 4回收的廢氣。
各催化管9基本上係固定床反應器，其中原料藉由稱為尾纖（圖中未示）的弧形連接件在重組器輻射部分8a之頂部處進入且在底部處離開，該等尾纖准許足夠的移動以容納管之熱膨脹。
為了耐受製程條件，催化管9由能夠耐受高達1000℃之金屬溫度的特殊材料（諸如HP 25/35NiCr合金）製成。因存在來自燃燒器7之火焰，因此必須很好地確保火焰沿著催化管9之總長度適當地發展。
出於此原因，典型地，催化管9之長度在10至13公尺範圍內，且內部直徑在7.6至12.7 cm範圍內。厚度通常基於蠕變強度資料計算，最大金屬溫度下的目標壽命係100000h。此係強制性的，因為在輻射部分8a中之金屬催化管9附近存在火焰。
計算輻射部分8a中之催化管9之數量的關鍵資訊係藉由重組器周圍之熱量及材料餘量而計算的熱負荷。各單個催化管9之平均熱流通量及表面一經固定，即可判定催化管9之數量。
基於上述內容，設計根據先前技術之燃燒加熱之蒸汽重組器2，以便保證所需熱交換表面超過所需催化體積。管材料界限及對應熱傳遞係設計中之限制步驟。因此，與在出口重組溫度下達到熱力學平衡的實際反應需求相比，安裝的催化劑體積通常被過度設計。
一旦界定重組爐6之主要幾何參數，就將有可能模擬輻射部分8a在製程及煙道氣側面上之行為，從而計算沿著輻射部分8a及在催化管9上之溫度分佈。沿著催化管9之金屬溫度分佈為用於計算催化管9之厚度的起點。
在燃燒加熱之蒸汽重組爐6之習知設計中，應注意沿催化床之熱量分佈，以便最小化發生積炭之區（主要由於原料裂解或CO歧化）。為了使積炭可能性降至最低，添加大量額外蒸汽以確保反應器2遠遠超出用於積炭之熱力學區。
在過去幾年中電氣蒸汽重組已受大量研究。在此背景下，最近，Haldor Topsoe已公開了與丹麥技術大學（Technical University of Denmark）合作進行的一項聯合研究工作的結果，該研究工作基於將電力應用於蒸汽重組反應的內部催化塗層管[S.T. Wismann, J.S. Engbaek, S.B. Vendelbo, F.B. Bendixen, W.L. Eriksen, K. Aasberg-Petersen, C. Frandsen, I. Chorkendorff, P.M. Mortensen, Electrified methane reforming: A compact approach to greener industrial hydrogen production, Science, 2019, 364, 756-759]。根據此發表，實驗及模型調查正在進行中以檢查所提議解決方案之表現。仍根據此發表，第一批結果顯示，電熱源與反應部位之間的緊密接觸可驅使反應物接近熱平衡，提高催化劑利用率且限制不合需要之副產物形成。
在由Haldor Topsoe報導之論文中，銅插口安裝在反應器催化管之外表面的相對端處，且藉由沿管施加AC電流以實現電阻加熱，進而電阻加熱（歐姆加熱）向施加於管之內側上的催化洗塗層直接供熱。此論文中強調之正面特徵係，由於對製程之均一供熱，接近恆定之現有熱流通量確保氣體混合物在整個催化長度中保持接近平衡。然而，所提議解決方案據報導適用於具有小直徑之催化管，該等催化管在催化管壁上經洗塗有催化劑，特別考慮到此類製備在金屬表面上進行，此技術需要由在製備洗塗催化劑方面具有很強專業知識之個體實施。另外，此技術比使用粒狀催化劑更耗時且更昂貴。
最後，根據WO2019228798，揭示藉由電阻加熱而加熱的吸熱反應，且尤其揭示一種用於進行包含烴的原料氣體之蒸汽重組的反應器系統及製程，其中吸熱反應的熱量係由電阻加熱提供。根據WO2019228798，該反應器系統包含： -經配置以催化該原料氣體之該吸熱反應的結構化催化劑，該結構化催化劑包含導電材料之宏觀結構，該宏觀結構支撐陶瓷塗層，其中該陶瓷塗層支撐催化活性材料； -容納該結構化催化劑之壓力殼體； -該結構化催化劑與該壓力殼體之間的絕熱層；及 -至少兩個導體，其電連接至該結構化催化劑且電連接至置放於該壓力殼體外部之電力供應器，其中該電力供應器之尺寸經設定以藉由使電流通過該導電材料而將該結構化催化劑之至少部分加熱至至少200℃之溫度。
鑒於所有以上內容，由於使用包含導電材料的宏觀結構的結構化催化劑，藉由使電流通過該導電材料來提供熱量，因此系統的複雜性顯而易見。
實際上，在導電材料之宏觀結構或絕緣層受到損壞之情況下，需要更換整個反應器。
在此情形下，提出根據本發明之解決方案，其目的在於提供一種自烴原料（例如天然氣或生質氣或其他原始烴原料）製造氫之裝置，該裝置包含電加熱之蒸汽重組器，其中經由容易安裝或置換且管理簡單之電氣器件提供熱量。
詳言之，根據本發明之用於氫製造的裝置涉及使用較短催化管，因此獲得更緊湊的系統的可能性。
因此，本發明之目標係提供一種用於氫製造的裝置，該裝置考慮到克服根據先前技術的解決方案之限制並實現前述技術結果。
本發明之另一目標係，與使用根據先前技術之結構化催化劑之反應器相比，該用於氫製造之裝置可以非常有限的成本實施。
本發明之並非最後一個目標係提出一種用於氫製造的裝置，該裝置實質上簡單、可靠且在與根據先前技術的系統之燃燒相關的爆炸方面風險較小。
因此，本發明之特定目標係提供一種如請求項1中所界定之用於氫製造的裝置。
根據本發明之用於氫製造的裝置之額外特徵於以下附屬申請專利範圍中指定。
詳言之，根據本發明之用於氫製造的裝置係基於爐中不存在燃燒器且採用可安裝於催化管外部的呈電阻形式之複數個電氣器件，以便藉由高效且易於管理的解決方案來維持反應的熱負荷，無論是在操作管理方面，抑或在維護方面，甚至在因損壞而更換方面均如此。
考慮到不存在燃燒器，所以無需燃燒化石燃料以產生熱量，因此當為加熱元件供電之電力來自可再生能源時，CO 2排放不與重組器之熱負荷相關聯。
另外，鑒於無需確保火焰之發展，所以不對催化管之設計強加約束，尤其與其長度相關的約束。相較於根據先前技術之解決方案，使用允許更精確目標溫度分佈之加熱元件導致管的總長度顯著降低，從而產生更緊湊的系統。
然而，由於不論如何有必要保證催化劑之最小體積在催化管出口處達到所需熱力學平衡，因此歸因於更精確的目標溫度分佈，已實現13 m或更短的等效長度，將管分成串聯的若干較短的催化部分，進而在總體上實現更緊湊的系統。另外，此佈局允許使用不同厚度之催化管，此係因為各管達成不同最高溫度。
對於處理氣體向上流動的管，為避免催化床之流體化，可提供浮動於催化劑床之頂部的重型器件或可實施類似解決方案。
參看圖4a，催化部分之系統（各催化子部分由數字10指示）表示可複製一定次數之基本單元11，此視工廠的總體定址產能力而定。
參看加熱器件，根據本發明之用於氫製造的裝置係基於在圖4b中用數字12指示的電阻之使用，該等電阻可嵌入或安裝於圍繞催化部分10配置之半圓柱體13之表面上。半圓柱體13之外部部分由絕緣材料製成。
作為替代方案，電阻12可直接配置於催化床內部，亦即配置在核心中。
基本單元11藉由串聯配置之複數個催化部分10以一定方式實現，使得催化部分10之總長度將導致習知管之相同轉化。根據一較佳具體實例，參看圖4a及圖5a所展示，四個催化部分10分組在一起以產生整體的催化等效管，各催化部分10之特徵在於其具有3.5 m至4 m之長度。參看圖5b，各催化部分10具有複數個加熱器件，各器件包含沿著管之長度分佈的電阻12，以便判定最佳溫度分佈且以此判定管之長度內的最佳熱流通量，其目的在於最佳化轉化。參看圖4b，各電阻12定位於半圓柱體13之內部（圖4b），半圓柱體之外部部分由絕緣材料製成。纏繞於催化部分10周圍之電阻12因此與催化部分緊密接觸。
在一替代具體實例中，各催化部分僅具有一個加熱元件，該加熱元件直接配置於催化床內部或包含兩個半圓柱體，該兩個半圓柱體圍繞催化部分之整個長度而配置。
在另一替代具體實例中，氣流自各催化子部分中之頂部導向至底部，進而避免流體化問題。
在另一替代具體實例中，可水平地配置催化子部分，由此產生顯著較低結構，從而更容易維護。
在另一替代具體實例中，卡口管可用於確保氣流自頂側、自底側或水平地流動。此解決方案亦能夠使用整個圓柱體作為電氣器件。
因此，基於前述內容，可簡化爐之整體結構，此係因為其消除對燃燒器、收集煙道氣之對流部分、用於收集煙道氣之煙囪的需求。另外，與空氣、煙道氣及吹掃氣饋送相關的所有輔助設備，包括自煙道氣中捕獲CO 2所需的輔助設備，在某些情況下可更小或甚至被移除。
另外，由於電氣器件可沿著各催化部分10以最佳化配置安裝，因此有可能確保沿著催化劑長度之經最佳化熱流通量，該熱流通量隨管之長度所需的熱負荷而變化。另外，由於電氣器件圍繞管均勻地分佈，通常存在於習知重組器中之周向不良分佈極其有限。亦可控制電阻之電壓以便最佳化其壽命，從而達成製程要求。
參看圖6a及圖6b，展示根據本發明之用於氫製造的裝置之電爐20的細節，對於為5,000 Nm 3/h氫的具有代表性的工廠產能，總共存在48個催化部分10，各部分10配備對應的加熱器件。
檢查觀察門14允許偵測熱點，且可藉由調變由對應的加熱元件提供之電力來局部減輕熱量。
根據本發明之一例示性具體實例，在蒸汽重組器上不存在人員的情況下，遠端控制電氣元件。
根據本發明之一例示性具體實例，由於因為使用電加熱元件而最佳化熱量分佈而有可能在比先前技術低的溫度下操作，所以爐可配備直接在催化管內部的用於氫分離的系統。
將參考某一特定實施來進一步解釋本發明，如以下實施例中所報告。
實施例1 根據本發明之用於氫製造的裝置用於藉由表1中所示之組成物處理天然氣原料： 表1
總莫耳組分 % vol
戊烷 0
丁烷 0
異丁烷 0
丙烷 0.5
乙烷 2
己烷 0
甲烷 95.5
CO 0
CO 2 0
H 2 0
H 2O 0
N 2 2
O 2 0
Ar 0
H 2S 0
SO 2 0
異戊烷 0
相較於傳統的燃燒加熱之蒸汽重組器，對藉由根據本發明之用於氫製造的裝置達成的主要技術結果進行評估，且於表2中進行報告。 表2
參數 燃燒加熱的蒸汽重組器 本發明之電蒸汽重組器
工廠產能（Nm 3/h） 5000 5000
莫耳蒸汽與碳比率 3.0 @ SR 2.8
T inletSR（℃） 620 550
T outletSR（℃） 860 870
氫壓B.L.（barg） 30 21.6
氫溫度B.L.（℃） 42 40
功率消耗（kWh/Nm 3H 2） 0.06 （ * ） 1.20 (*)
燃燒燃料以維持反應熱負荷所產生之CO 2（kgCO 2/Nm 3H 2） 0.408 0.00
SR表示蒸汽重組器 B.L.表示界區 （ *）僅與蒸汽重組反應器相關，不包括用於下游分離設備之任何消耗
氫之效率計算為原料（LHV）+燃料（LHV）/氫製造（Nm 3），LHV表示較低加熱值。
表3中列出與前述圖4a及圖5a中所提及之四個子部分系統相關的主要技術特徵及對應熱負荷/熱流通量。 表3
管部分    1 2 3 4
管的總數量    1 1 1 1
處理管ID mm 114 114 114 114
處理管OD mm 126 126 126 131
處理管長度 mm 3600 3600 3600 3600
處理管外表面 m² 1.42 1.42 1.42 1.48
製程入口溫度 ℃ 550 684 756 815
製程出口溫度 ℃ 684 756 815 870
吸附負荷 kW 117.5 105.5 92.2 78.8
平均熱流通量（1） kW/m² 82.5 74.1 64.7 53.1
管的最大金屬溫度 ℃ （起初1/3至最後1/3） 741至771 780至816 825至858 875至908
管的平均金屬溫度 ℃ （起初1/3至最後1/3） 702至755 767至805 815至849 865至899
圖7a展示沿著根據本發明之電重組器中之催化管的溫度分佈，且圖7b展示沿著習知氣體燃燒加熱重組器中之催化管的溫度分佈。圖7a及圖7b明顯顯示習知燃燒加熱重組器與電重組器之間的主要差異係針對各應用之藉由催化管達成的管金屬溫度之差異。
圖7a及圖7b展示，在給定相同平均整體溫度（在催化床內）的情況下，利用電加熱，可將管的較低部分保持在最高溫度，從而限制其上的應力且總體上儘可能地維持催化管的壽命。
最後，就總體尺寸而言，根據本發明之用於氫製造的反應器小於根據先前技術之燃燒加熱反應器。詳言之，構造之高度較小，且意味著更容易維護、土木建築成本較低且監管約束風險較低。
另外，不同催化部分10可經配置於易於運輸之模組中，該等模組隨後可易於實地安裝而不需要架設支撐結構。
另外，習知設計需要較大且複雜的結構來安裝管及燃燒器，且亦需要進入該設備以進行維護所需的結構。
在下文中強調根據本發明之用於氫製造的裝置之主要益處。
首先，根據本發明之用於氫製造的裝置不僅允許避免任何火焰衝擊，且亦允許產生沿著催化部分之較均勻的熱流通量，從而產生較小催化劑體積。
實際上，雖然在習知蒸汽重組器中，催化管藉由長頂部火焰（頂部加熱蒸汽重組器）、幾列側面火焰（側面燃燒蒸汽重組器）或兩個水平面之豎直側面火焰（階地蒸汽重組器）加熱，但藉由使用位於催化部分之加熱區域周圍的電元件進行加熱允許各單個催化劑部分周圍之熱量之較均勻分佈及較低的最高溫度，有益於延長催化部分使用壽命。
根據本發明之用於氫製造的裝置亦允許避免其他加熱不良分佈影響根據先前技術之用於氫製造的裝置，諸如吹掃氣組成物之改變、補充燃料氣組成物之改變、不均勻空氣分佈。
另一方面，在較低溫下操作之可能性亦維持催化管之使用壽命。
較小催化劑體積以及使用較短催化部分10代替習知催化管能夠實現更緊湊的系統，其具有較小總佔據面積、更顯著地節約地基面積且具有一般而言較小尺寸之蒸汽重組反應器。
相比於重組爐之習知設計，額外優點包含模組化組態及維護更容易、對於重組爐而言設計複雜性較低，尤其係因為不需要對流部分且不需要風扇。將催化管分成催化部分，按分區分組，可對該分區的具體位置進行最佳設計。此特徵可延長各分區之使用壽命且提高分區之間之使用壽命的均一性。另外，若單個分區例如由於催化劑劣化而發生故障，而其他串聯配置之分區狀況良好，則替換僅限於發生故障之分區，從而減少影響。此外，在替換損壞分區之前，模組化加熱系統將允許藉由改變沿著管之溫度分佈而繼續運行，藉此最佳化輸出。此可能性向根據本發明之系統添加相對於習知燃燒重組器之額外優點。
底部入口端允許避免使入口管道系統自地面升高至高處。入口管道迴路較短，有利於壓降及熱損耗。此外，減少了裝置承重結構。另外，底部處之入口位置允許避免頂部處之長入口尾纖，減少管理此等尾纖之熱膨脹與管膨脹的相對風險。入口端及出口端靠近系統之固定點。除催化部分頂部凸緣之保護外，不需要頂部結構。沒有燃料管道、燃燒空氣管道、吹掃氣管道、入口管道系統使得頂部區域更安全，不需要日常維護。
沿著催化部分10之熱量分佈之最佳化亦引起與經氣體加熱之蒸汽重組器相比可能減小S/C比率及CO 2排放，且更一般而言減少原料消耗、不消耗燃料且視情況無輸出蒸汽。此最佳化意味著約40%較高效率（LHV基礎）。
因不消耗燃料，所以沒有燃燒所致的污染且沒有輻射區域內未燃燒的氣體所致爆炸的風險。
沒有燃燒所致的雜訊，有限的雜訊係因流體動力所致，亦即因管道中之處理氣體流所致。
額外優點係減少裝置之起動時間。實際上，所有分區可同時起動以避免起動時間期間之不均勻的不良分佈（對於氣體燃燒蒸汽重組器為典型的）。
與習知蒸汽重組器相比，在蒸汽重組器上不存在人員的情況下，電元件之遠端控制使得出現更安全的模式。
相較於習知的蒸汽重組器，可能藉由調變由對應的加熱元件提供之電力來局部減輕熱量係另一個優點。
此外，在基於鈀之膜用於各催化部分內部之情況下，獲得以下益處：（i）重組反應可在低於650℃之溫度下進行，從而降低能量消耗且能夠使用用於重組管之較便宜的材料；（ii）亦可在低於650℃之溫度下實現高達90%之CH 4轉化率；（iii）可移除下游水煤氣變換反應器，因為此類反應可在重組自身中進行。
根據本發明之用於氫製造的裝置亦允許用於其他吸熱反應的靈活性配置。原則上，解決方案亦可應用於諸如用以製造丙烯之丙烷脫氫及用以製造氫之氨裂解的反應。實際上，因使用將熱量提供至系統之電氣器件所產生之靈活性允許簡單地重新組態電氣熱源，以適應於不同實施。
根據本發明之一較佳具體實例，出於說明性而非限制性目的揭示本發明，但必須理解，所屬技術領域中具有通常知識者可作出任何變化及/或修改，且不會因此脫離如隨附申請專利範圍中所界定之相對保護範圍。
1:預處理單元 2:重組爐 3:HTS變換反應器 4:PSA單元 6:蒸汽重組爐 7:燃燒器 8a:輻射部分 8b:對流部分 9:重組管 10:催化部分 11:基本單元 12:電阻 13:半圓柱體 14:檢查觀察門 20:電爐
根據較佳具體實例，出於說明性但非限制性目的，將在下文中特別參看隨附圖式之諸圖來揭示本發明，其中： -[圖1]展示根據先前技術之天然氣氫製造單元之方塊圖， -[圖2a]至[圖2d]展示根據先前技術之不同蒸汽重組爐之示意性表示； -[圖3]展示根據先前技術之頂部燃燒之蒸汽重組爐的示意性表示； -[圖4a]展示根據本發明之用於氫製造的裝置之基本單元的示意性表示； -[圖4b]展示根據本發明之用於氫製造的裝置之電加熱元件的示意性圖示； -[圖5a]展示根據本發明之一例示性具體實例的用於氫製造的裝置的等效催化管配置的基本單元之子部分系統中之路徑流的指示之示意性圖示； -[圖5b]展示根據本發明之用於氫製造的裝置之各催化管部分之電加熱的示意性表示； -[圖6a]展示根據本發明之用於氫製造的裝置之橫截面； -[圖6b]展示[圖6a]之用於氫製造的裝置之前端部分； -[圖7a]展示沿著根據本發明之電重組器中之催化管的溫度分佈；且 -[圖7b]展示沿著習知燃燒加熱重組器中之催化管的溫度分佈。
1:預處理單元
2:重組爐
3:HTS變換反應器
4:PSA單元

Claims (11)

  1. 一種用於自烴原料製造氫之裝置，該裝置包含至少一個蒸汽重組器，該蒸汽重組器配備包含複數個催化管之電加熱的蒸汽重組爐，該複數個催化管分成串聯配置之催化管之群組，該等群組並聯配置，該裝置之特徵在於一或多個產熱電氣器件存在於該等催化管中之各者的加熱區域中。
  2. 如請求項1之用於製造氫的裝置，其特徵在於該加熱區域圍繞該等催化管配置。
  3. 如請求項1之用於製造氫的裝置，其特徵在於該加熱區域配置於該等催化管內部。
  4. 如請求項1或2之用於製造氫的裝置，其特徵在於該等產熱電氣器件具有半圓柱體形狀。
  5. 如請求項4之用於製造氫的裝置，其特徵在於該等產熱電氣器件包含配置於支撐元件上之電阻。
  6. 如請求項5之用於製造氫的裝置，其特徵在於該支撐元件由絕緣材料製成，且該等電阻配置於該支撐元件之面向該催化管的一側上。
  7. 如前述請求項中任一項之用於製造氫的裝置，其特徵在於該產熱電氣器件中之至少一些彼此獨立地運行。
  8. 如請求項1至7中任一項之用於製造氫的裝置，其特徵在於包含配置於串聯配置之該等催化管之間的用於氫分離之系統。
  9. 如請求項1至7中任一項之用於製造氫的裝置，其特徵在於該等催化管配備直接配置於該等催化管內部之用於氫分離之系統。
  10. 如請求項8或9之用於製造氫的裝置，其特徵在於該用於氫分離之系統包含膜。
  11. 如請求項10之用於製造氫的裝置，其特徵在於該膜係基於Pd之膜。
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