一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统的制作方法

本发明涉及一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统，属于能源化工和环保。

背景技术：

1、氢气是一种公认的清洁二次能源，其热值高且无污染，燃烧后仅生成水，加大氢能在能源结构中的占比是我国实现“双碳”目标的重要方式之一。目前世界上90％的氢气是以天然气为原料通过催化反应生成的。现有的制氢气方式之一：天然气与水蒸气在高温和催化剂作用下，在转化炉中反应生成co、h2和co2，之后co在变换炉中进一步被水蒸气氧化，提高氢气的产量。反应生成的混合气体经过变压吸附处理后，可分离出高纯度氢气产品，其它气体则回流至转化炉，与空气、天然气混合燃烧，以提供热量维持重整反应所需的温度。根据日产500kg的橇装天然气制氢装置测算，燃烧产生的烟气量为762标方每小时，其中co2含量为15.36％，每小时排放二氧化碳约230kg。目前国内运行的天然气制氢装置其产生的co2最后均经管道直接排放到空气中，对人体健康和环境造成污染。

2、为贯彻绿色低碳发展理念，橇装天然气制氢装置排放的烟气需要经过二氧化碳捕集处理。如何将橇装天然气制氢装置与二氧化碳捕集结合起来，目前还没有相关的报道。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统，该方法借助已开发的橇装湿重整制氢系统，耦合二氧化碳捕集设备和二氧化碳捕集后与天然气干重整反应的工艺，提出燃烧烟气热量利用的优化设计，以及干重整合成气在变换炉中进一步提高氢气产量的路线选择，最终达到碳减排和天然气二氧化碳协同利用制取“蓝氢”和合成气的目标。

2、为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

3、一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统，包括：

4、天然气水蒸气重整单元，包括蒸汽重整原料气预热器以及分别与所述蒸汽重整原料气预热器连接的蒸汽重整转化炉和变换炉，天然气和水蒸气经过所述蒸汽重整原料气预热器预热后进入所述蒸汽重整转化炉发生反应，反应生成气体经过所述蒸汽重整原料气预热器冷却后进入所述变换炉；

5、氢气变压吸附提纯单元，包括变压吸附器，所述变压吸附器与所述变换炉连接，经所述变换炉反应后的气体通过所述变压吸附器分离出一定纯度氢气，其余气体进入所述蒸汽重整转化炉内进行燃烧；

6、二氧化碳捕集单元，包括碳捕集器，所述碳捕集器与所述蒸汽重整转化炉、干重整转化炉连接，所述蒸汽重整转化炉和所述干重整转化炉的燃烧烟气流经所述碳捕集器，二氧化碳气体经过分离处理，形成一定纯度二氧化碳气体；

7、天然气二氧化碳干重整单元，包括相互连接的干重整原料气预热器和所述干重整转化炉，所述干重整原料气预热器与所述碳捕集器连接，所述干重整转化炉与所述蒸汽重整转化炉连接，天然气和所述碳捕集器捕集的部分一定纯度二氧化碳气体经过所述干重整原料气预热器预热后进入所述干重整转化炉，反应生成气体经过所述干重整原料气预热器冷却后，可储存合成气或进入所述变换炉，进一步制取氢气。

8、所述的耦合系统，优选地，所述耦合系统还包括蒸汽发生单元，所述蒸汽发生单元包括水蒸气发生器，所述水蒸气发生器分别与所述蒸汽重整原料气预热器、所述蒸汽重整转化炉、所述变换炉、所述干重整转化炉连接。

9、所述的耦合系统，优选地，所述耦合系统还包括给水加热器，所述给水加热器分别与所述水蒸气发生器、所述变换炉连接，水通过所述给水加热器预热后进入所述蒸汽发生器，然后被所述蒸汽重整转化炉和所述干重整转化炉反应生成的燃烧烟气加热成蒸气后，分别再次进入所述蒸汽重整转化炉和所述变换炉，以提供天然气水蒸气重整反应和一氧化碳水蒸气反应所需要的水蒸气。

10、所述的耦合系统，优选地，所述蒸汽发生器的水入口与所述给水加热器的预热水出口连接，所述蒸汽发生器的水蒸气出口分别通过调节阀与所述蒸汽重整原料气预热器、所述变换炉连接，所述蒸汽发生器的烟气入口分别与所述蒸汽重整转化炉的燃烧室出口、所述干重整转化炉的燃烧室出口连接，所述蒸汽发生器的烟气出口与所述碳捕集器的进气口连接。

11、所述的耦合系统，优选地，所述蒸汽重整原料气预热器的冷源入口与天然气原料气管、所述蒸汽发生器的水蒸气出口连接，所述蒸汽重整原料气预热器的冷源出口与所述蒸汽重整转化炉的催化反应进气口连接，所述蒸汽重整原料气预热器的热源入口与所述蒸汽重整转化炉的催化反应出气口连接，所述蒸汽重整原料气预热器的热源出口与所述变换炉的进气口连接。

12、所述的耦合系统，优选地，所述蒸汽重整转化炉的燃烧室进气口与天然气原料气管、空气管、所述变压吸附器分离出一定纯度氢气后的剩余气体管道连接。

13、所述的耦合系统，优选地，所述变换炉的进气口与所述蒸汽重整原料气预热器的热源出口、所述蒸汽发生器的水蒸气出口以及所述干重整原料气预热器的部分冷却反应气体出口连接，所述变换炉的出气口与所述给水加热器的热源入口连接。

14、所述的耦合系统，优选地，所述给水加热器的热源出口与所述变压吸附器的入口连接，所述给水加热器的冷源入口与常温水连接，所述碳捕集器的二氧化碳气体出口与二氧化碳储存利用端以及所述干重整原料气预热器的冷源入口连接，其余气体通过放空口排空。

15、所述的耦合系统，优选地，所述变压吸附器的氢气出口与氢气储存端连接，用于氢气的加压液化储存或直接气态利用，其余气体通过管道与所述蒸汽重整转化炉的燃烧室进气口连接。

16、所述的耦合系统，优选地，所述干重整转化炉的反应进气口与所述干重整原料气预热器的冷源出口连接，所述干重整转化炉的反应出气口与所述干重整原料气预热器的热源进口连接，所述干重整转化炉的燃烧室进气口与燃烧用空气和天然气燃料管道连接，所述干重整转化炉的燃烧室出口分别与所述蒸汽重整转化炉的燃烧室进气口、所述水蒸气发生器的烟气入口连接，所述干重整原料气预热器的冷源入口与干重整反应原料天然气管道和所述碳捕集器的二氧化碳气体出口连接，所述干重整原料气预热器的热源出口与所述变换炉的进气口、合成气输出端连接。

17、本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

18、1、本发明在整个制氢装置的烟气出口增加了碳捕集系统，大大降低了碳排放，且实现了“蓝氢”生产。

19、2、本发明在蒸汽重整前端增加二氧化碳干重整系统，反应温度比蒸汽重整高，烟气可实现多级利用；并且捕集的二氧化碳气体可直接消纳，与天然气协同利用完成制合成气。

20、3、增加的天然气二氧化碳干重整系统生成的合成气，可选择进一步制取氢气，合成气中的一氧化碳在变换炉中与水蒸气反应，提高氢气产量。

21、4、蒸汽重整和二氧化碳干重整共用一个变换炉和一个氢气变压吸附提纯系统，降低了整个系统的建造成本，节约了橇装设备的占地面积。

技术特征：

1.一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统还包括蒸汽发生单元，所述蒸汽发生单元包括水蒸气发生器(1)，所述水蒸气发生器(1)分别与所述蒸汽重整原料气预热器(2)、所述蒸汽重整转化炉(3)、所述变换炉(4)、所述干重整转化炉(8)连接。

3.根据权利要求2所述的耦合系统，其特征在于，所述耦合系统还包括给水加热器(5)，所述给水加热器(5)分别与所述水蒸气发生器(1)、所述变换炉(4)连接，水通过所述给水加热器(5)预热后进入所述蒸汽发生器(1)，然后被所述蒸汽重整转化炉(3)和所述干重整转化炉(8)反应生成的燃烧烟气加热成蒸气后，分别再次进入所述蒸汽重整转化炉(3)和所述变换炉(4)，以提供天然气水蒸气重整反应和一氧化碳水蒸气反应所需要的水蒸气。

4.根据权利要求3所述的耦合系统，其特征在于，所述蒸汽发生器(1)的水入口与所述给水加热器(5)的预热水出口连接，所述蒸汽发生器(1)的水蒸气出口分别通过调节阀与所述蒸汽重整原料气预热器(2)、所述变换炉(4)连接，所述蒸汽发生器(1)的烟气入口分别与所述蒸汽重整转化炉(3)的燃烧室出口、所述干重整转化炉(8)的燃烧室出口连接，所述蒸汽发生器(1)的烟气出口与所述碳捕集器(6)的进气口连接。

5.根据权利要求4所述的耦合系统，其特征在于，所述蒸汽重整原料气预热器(2)的冷源入口与天然气原料气管、所述蒸汽发生器(1)的水蒸气出口连接，所述蒸汽重整原料气预热器(2)的冷源出口与所述蒸汽重整转化炉(3)的催化反应进气口连接，所述蒸汽重整原料气预热器(2)的热源入口与所述蒸汽重整转化炉(3)的催化反应出气口连接，所述蒸汽重整原料气预热器(2)的热源出口与所述变换炉(4)的进气口连接。

6.根据权利要求5所述的耦合系统，其特征在于，所述蒸汽重整转化炉(3)的燃烧室进气口与天然气原料气管、空气管、所述变压吸附器(7)分离出一定纯度氢气后的剩余气体管道连接。

7.根据权利要求6所述的耦合系统，其特征在于，所述变换炉(4)的进气口与所述蒸汽重整原料气预热器(2)的热源出口、所述蒸汽发生器(1)的水蒸气出口以及所述干重整原料气预热器(9)的部分冷却反应气体出口连接，所述变换炉(4)的出气口与所述给水加热器(5)的热源入口连接。

8.根据权利要求7所述的耦合系统，其特征在于，所述给水加热器(5)的热源出口与所述变压吸附器(7)的入口连接，所述给水加热器(5)的冷源入口与常温水连接，所述碳捕集器(6)的二氧化碳气体出口与二氧化碳储存利用端以及所述干重整原料气预热器(9)的冷源入口连接，其余气体通过放空口排空。

9.根据权利要求8所述的耦合系统，其特征在于，所述变压吸附器(7)的氢气出口与氢气储存端连接，用于氢气的加压液化储存或直接气态利用，其余气体通过管道与所述蒸汽重整转化炉(3)的燃烧室进气口连接。

10.根据权利要求9所述的耦合系统，其特征在于，所述干重整转化炉(8)的反应进气口与所述干重整原料气预热器(9)的冷源出口连接，所述干重整转化炉(8)的反应出气口与所述干重整原料气预热器(9)的热源进口连接，所述干重整转化炉(8)的燃烧室进气口与燃烧用空气和天然气燃料管道连接，所述干重整转化炉(8)的燃烧室出口分别与所述蒸汽重整转化炉(3)的燃烧室进气口、所述水蒸气发生器(1)的烟气入口连接，所述干重整原料气预热器(9)的冷源入口与干重整反应原料天然气管道和所述碳捕集器(6)的二氧化碳气体出口连接，所述干重整原料气预热器(9)的热源出口与所述变换炉(4)的进气口、合成气输出端连接。

技术总结
本发明涉及一种天然气干湿重整制氢及碳捕集的耦合系统，包括：天然气水蒸气重整单元，天然气和水蒸气经过蒸汽重整原料气预热器预热后进入蒸汽重整转化炉发生反应，反应生成气体经过蒸汽重整原料气预热器冷却后进入变换炉；氢气变压吸附提纯单元，经变换炉反应后的气体通过变压吸附器分离出氢气，其余气体进入蒸汽重整转化炉内进行燃烧；二氧化碳捕集单元，蒸汽重整转化炉和干重整转化炉的燃烧烟气流经碳捕集器，二氧化碳气体经过分离处理；天然气二氧化碳干重整单元，天然气和碳捕集器捕集的部分二氧化碳气体经过干重整原料气预热器预热后进入干重整转化炉，反应生成气体经过干重整原料气预热器冷却后，储存或进入变换炉。

技术研发人员：张超,张帆,秦锋,明红芳,郝思佳,胡苏阳,邱灶杨,李欣欣,李鑫,张晴
受保护的技术使用者：中海石油气电集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17