一种基于甲烷干重整的制氢系统

1.本发明涉及制氢系统技术领域，具体涉及一种基于甲烷干重整的制氢系统。


背景技术：

2.化石燃料的利用伴随着二氧化碳的排放，二氧化碳作为一种典型的温室气体，其导致的温室效受到全世界的关注。而氢能是一种理想的能源载体，氢的燃烧热值是除核燃料外所有传统化石燃料和生物质燃料中最高的，高位热值达143kj/kg。但是，氢气作为一种二次能源，地球几乎不存在以氢气为形态的天然单质氢，氢气必须从其他燃料或能源转换获得。传统的化石燃料制氢如甲烷重整制氢存在着二氧化碳排放量大，制氢效率低，而可再生能源制氢如风能制氢二氧化碳排放量低、制氢效率高，但成本较高且难以满足高产量的需求。所有在今后的相当长的一段时间内，化石燃料重整依然是制备氢气的主要途径。因此探寻一种二氧化碳排放量少、制氢效率高、综合考虑系统经济性的化石燃料制备氢气的手段成为了当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于甲烷干重整的制氢系统，其主要解决的是现有技术的制氢系统的二氧化碳排放高、制氢效率低的技术问题。
4.为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于甲烷干重整的制氢系统，包括第一分流器、第一混合器、第一预热器、热化学反应器、绝热水汽变换反应器、恒温水汽变换反应器、变压吸附器、二氧化碳分离设备和第二混合器，其中，第一预热器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，甲烷从第一分流器的输入口输入，第一分流器的第一输出口通过管路与第一混合器的甲烷输入口连接，第一混合器的输出口通过管路与第一预热器的冷流股入口连接，第一预热器的冷流股出口通过管路与热化学反应器的反应物入口连接，热化学反应器的合成气出口通过管路与第一预热器的热流股入口连接，第一预热器的热流股出口通过管路与绝热水汽变换反应器的入口连接，水蒸汽从绝热水汽变换反应器的水蒸汽入口输入，绝热水汽变换反应器的出口通过管路与恒温水汽变换反应器的入口连接，恒温水汽变换反应器的出口通过管路与变压吸附器的入口连接，变压吸附器的氢气出口输出氢气，变压吸附器的二氧化碳混合气出口通过管路与二氧化碳分离设备的入口连接，二氧化碳分离设备排出的二氧化碳气体部分地通过回注管路从第一混合器的二氧化碳回注口处回注到第一混合器中与甲烷混合，二氧化碳分离设备的阀气出口通过管路与第二混合器的阀气入口连接，第一分流器第二输出口通过管路与第二混合器的甲烷入口连接，第二混合器的出口通过管路与热化学反应器的燃料入口连接，空气从热化学反应器的空气入口输入，热化学反应器的烟气出口排出高温烟气。
5.进一步，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第二预热器，第二预热器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，空气从第二预热器的冷流股入口输
入，第二预热器的冷流股出口通过管路与热化学反应器的空气入口连接，热化学反应器的烟气出口通过管路与第二预热器的热流股入口连接，低温烟气从第二预热器的热流股出口向外界排出。
6.进一步，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第三预热器，第三预热器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，水从第三预热器的冷流股入口输入，第三预热器的冷流股出口通过管路与绝热水汽变换反应器的水蒸汽入口连接，第三预热器的热流股入口通过管路与绝热水汽变换反应器的出口连接，第三预热器的热流股出口通过管路与恒温水汽变换反应器的入口连接。
7.进一步，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第四预热器，第四预热器具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，第四预热器的冷流股入口外接水源，第四预热器的冷流股出口通过管路与第三预热器的冷流股入口连接，第四预热器的热流股入口通过管路与恒温水汽变换反应器的出口连接，第四预热器的热流股出口通过管路与变压吸附器的入口连接。
8.进一步，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第一压缩机和第二分流器，二氧化碳分离设备的二氧化碳出口通过管路与第一压缩机的入口连接，第一压缩机的出口通过管路与第二分流器的入口连接，第二分流器的第一输出口通过管路与第一混合器的二氧化碳回注口连接，第二分流器的第二输出口排出的剩余二氧化碳进行碳封存处理。
9.进一步，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第二压缩机，第二压缩机的入口通过管路与第二分流器的第二输出口连接，使通过第二压缩机对第二分流器的第二输出口排出的剩余二氧化碳进行加压以进行碳封存。
10.上述技术方案具有如下优点或有益效果：
11.本发明所述的基于甲烷干重整的制氢系统中，甲烷先在第一分流器中分成两股输出，其中一股甲烷通入到第一混合器中并与回注到第一混合器内的二氧化碳混合形成混合气，接着混合气通入到第一预热器中吸收由热化学反应器输出的高温合成气的余热，预热后的甲烷与二氧化碳后续进入到热化学反应器的反应区域并发生甲烷干重整反应，生产热值更高的合成气，并且，由于系统后段的二氧化碳分离设备分离出来的二氧化碳被部分地回注到第一混合器内并与甲烷混合，因此，后续通入到热化学反应器中的混合气中，二氧化碳的摩尔数可呈数倍高于甲烷的摩尔数，从而最大程度地提高甲烷的转化率以提高制氢效率。并且，由于在热化学反应器回注有过量的二氧化碳气体，过量的二氧化碳气体与甲烷气体良好混合，改善了甲烷发生高温裂解形成积炭的问题以及制氢系统中碳排放问题，且二氧化碳还可直接与已生成的积炭发生反应生成一氧化碳，从而延长了热化学反应器和内部催化剂的使用寿命。后续高温合成气和水蒸气先后通入到绝热水汽变换反应器和恒温水汽变换反应器中发生水汽变换反应，进而生产氢含量更高的合成气，而后合成气通入到变压吸附器中将氢气与二氧化碳等其他气体分离进而制得纯净氢气，并且被变压吸附器分离出来的二氧化碳等其他气体接着通入到二氧化碳分离设备中将二氧化碳与阀气进行分离，分离出的二氧化碳部分地回注到制氢系统与甲烷混合形成混合气并进入到热化学反应器的反应区域中进行甲烷干重整反应生成合成气，而由二氧化碳分离设备分离出的阀气又在第二混合器中与甲烷混合作为燃料通入到热化学反应器进行燃烧，从而为甲烷干重整反应提供热源。
附图说明
12.图1是本发明实施例的制氢系统流程示意图。
13.标号说明：
14.1、第一分流器，2、第一混合器，3、第一预热器，4、热化学反应器，5、绝热水汽变换反应器，6、恒温水汽变换反应器，7、变压吸附器，8、二氧化碳分离设备，9、第二混合器，10、第二预热器，11、第三预热器，12、第四预热器，13、第一压缩机，14、第二分流器，15、第二压缩机。
具体实施方式
15.下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述。
16.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
17.请参照附图1，本发明的一种实施例提供一种基于甲烷干重整的制氢系统，包括第一分流器1、第一混合器2、第一预热器3、热化学反应器4、绝热水汽变换反应器5、恒温水汽变换反应器6、变压吸附器7、二氧化碳分离设备8和第二混合器9，其中，第一预热器3具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，甲烷从第一分流器1的输入口输入，第一分流器1的第一输出口通过管路与第一混合器2的甲烷输入口连接，第一混合器2的输出口通过管路与第一预热器3的冷流股入口连接，第一预热器3的冷流股出口通过管路与热化学反应器4的反应物入口连接，热化学反应器4的合成气出口通过管路与第一预热器3的热流股入口连接，第一预热器3的热流股出口通过管路与绝热水汽变换反应器5的入口连接，水蒸汽从绝热水汽变换反应器5的水蒸汽入口输入，绝热水汽变换反应器5的出口通过管路与恒温水汽变换反应器6的入口连接，恒温水汽变换反应器6的出口通过管路与变压吸附器7的入口连接，变压吸附器7的氢气出口输出氢气，变压吸附器7的二氧化碳混合气出口通过管路与二氧化碳分离设备8的入口连接，二氧化碳分离设备8排出的二氧化碳气体部分地通过回注管路从第一混合器2的二氧化碳回注口处回注到第一混合器2中与甲烷混合，二氧化碳分离设备8的阀气出口通过管路与第二混合器9的阀气入口连接，第一分流器1第二输出口通过管路与第二混合器9的甲烷入口连接，第二混合器9的出口通过管路与热化学反应器4的燃料入口连接，空气从热化学反应器4的空气入口输入，热化学反应器4的烟气出口排出高温烟气。
18.其中，分流器是气体分流装置，用于将一股气体物流按照一定比例分离成两股气体物流。混合器是气体混合装置，用于将两股气体物流按照一定比例混合成一股气体物流。预热器为换热器结构，一股热流体与一股冷流体在该设备内部交换热量。热化学反应器4一侧用于发生甲烷与二氧化碳的干重整反应以产生高温合成气，另一侧用于发生甲烷和阀气的燃烧反应，以为甲烷干重整等反应提供热源。绝热水汽变换反应器5、恒温水汽变换反应器6内部发生水与二氧化碳的水汽变换反应以及其它可能发生的所有反应。变压吸附器7为在高压调节下利用氢气、二氧化碳等气体吸附性不一致的性质，将氢气与二氧化碳等气体分离的设备。二氧化碳分离设备8为利用化学溶剂吸附方法将二氧化碳与阀气进行分离的
设备，该装置也可以被固体吸附、膜吸附、低温吸附等气体可将二氧化碳和阀气进行分离的设备替代。
19.可以理解的是，本实施例中，甲烷先在第一分流器1中分成两股输出，其中一股甲烷通入到第一混合器2中并与回注到第一混合器2内的二氧化碳混合形成混合气，接着混合气通入到第一预热器3中吸收由热化学反应器4输出的高温合成气的余热，预热后的甲烷与二氧化碳后续进入到热化学反应器4的反应区域并发生甲烷干重整反应，生产热值更高的合成气，并且，由于系统后段的二氧化碳分离设备8分离出来的二氧化碳被部分地回注到第一混合器2内并与甲烷混合，因此，后续通入到热化学反应器4中的混合气中，二氧化碳的摩尔数可呈数倍高于甲烷的摩尔数，从而最大程度地提高甲烷的转化率以提高制氢效率。并且，由于在热化学反应器4回注有过量的二氧化碳气体，过量的二氧化碳气体与甲烷气体良好混合，改善了甲烷发生高温裂解形成积炭的问题以及制氢系统中碳排放问题，且二氧化碳还可直接与已生成的积炭发生反应生成一氧化碳，从而延长了热化学反应器4和内部催化剂的使用寿命。后续高温合成气和水蒸气先后通入到绝热水汽变换反应器5和恒温水汽变换反应器6中发生水汽变换反应，进而生产氢含量更高的合成气，而后合成气通入到变压吸附器7中将氢气与二氧化碳等其他气体分离进而制得纯净氢气，并且被变压吸附器7分离出来的二氧化碳等其他气体接着通入到二氧化碳分离设备8中将二氧化碳与阀气进行分离(阀气主要由系统内产生的一氧化碳与系统中未反应的甲烷气体组成)，分离出的二氧化碳部分地回注到制氢系统与甲烷混合形成混合气并进入到热化学反应器4的反应区域中进行甲烷干重整反应生成合成气，而由二氧化碳分离设备8分离出的阀气又在第二混合器9中与甲烷混合作为燃料通入到热化学反应器4的燃烧区域中进行燃烧，从而为甲烷干重整反应提供热源。
20.请参照附图1，其中一种较优实施例中，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第二预热器10，第二预热器10具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，空气从第二预热器10的冷流股入口输入，第二预热器10的冷流股出口通过管路与热化学反应器4的空气入口连接，热化学反应器4的烟气出口通过管路与第二预热器10的热流股入口连接，低温烟气从第二预热器10的热流股出口向外界排出。可以理解的是，本实施例中，通过第二预热器10可将由热化学反应器4排出的高温烟气的余热回收用于预热输入热化学反应器4内的空气，有利提高了能量利用率。
21.请参照附图1，其中一种较优实施例中，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第三预热器11，第三预热器11具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，水从第三预热器11的冷流股入口输入，第三预热器11的冷流股出口通过管路与绝热水汽变换反应器5的水蒸汽入口连接，第三预热器11的热流股入口通过管路与绝热水汽变换反应器5的出口连接，第三预热器11的热流股出口通过管路与恒温水汽变换反应器6的入口连接。优选地，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第四预热器12，第四预热器12具有冷流股入口、冷流股出口、热流股入口和热流股出口，第四预热器12的冷流股入口外接水源，第四预热器12的冷流股出口通过管路与第三预热器的冷流股入口连接，第四预热器12的热流股入口通过管路与恒温水汽变换反应器6的出口连接，第四预热器12的热流股出口通过管路与变压吸附器7的入口连接。可以理解的是，本实施例中，水先后经过第三预热器11和第四预热器12中吸收高温合成气中的余热变成水蒸气再输入到绝热水汽变换反应器5中，一方
面通过高温合成气中的余热可以给水除氧，另一方面，对高温合成气的余热回收也实现了制氢系统中的能量梯级利用。
22.请参照附图1，其中一种较优实施例中，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第一压缩机13和第二分流器14，二氧化碳分离设备8的二氧化碳出口通过管路与第一压缩机13的入口连接，第一压缩机13的出口通过管路与第二分流器14的入口连接，第二分流器14的第一输出口通过管路与第一混合器2的二氧化碳回注口连接，第二分流器14的第二输出口排出的剩余二氧化碳进行碳封存处理。可以理解的是，通过二氧化碳的部分回注以及碳封存处理可以极大改善制氢系统碳排放问题，甚至可以达二氧化碳零排放，对环境友好。
23.请参照附图1，其中一种较优实施例中，所述的基于甲烷干重整的制氢系统还包括第二压缩机15，第二压缩机15的入口通过管路与第二分流器14的第二输出口连接，使通过第二压缩机15对第二分流器14的第二输出口排出的剩余二氧化碳进行加压以进行碳封存。
24.以上所述，实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中的部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，因此本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。