[发明专利]制氢系统和方法

说明书

发明背景

本发明涉及从不同的烃类燃料例如天然气、汽油、柴油和醇类(例如甲醇和乙醇)制造氢气。

目前，最具成本效益的制氢方法为燃料例如天然气的集中蒸汽重整(centralized steam reforming of fuels)。能源价格的上涨和对环境的担忧促使对氢气作为能源的关注日益增加。已提出将氢气作为未来具有多种应用(包括车辆和固定电源(stationary power)(电力))的清洁燃料。

在合成氨厂、精炼和甲醇生产中消耗的商品氢气量最大。目前仅有一小部分氢气用于能量用途。然而，氢气在能量市场中的份额正在随着燃料电池的实用化和对低排放或无排放燃料需求的增长而增加。

对于从天然气(NG)分散制氢(distributed hydrogen production)用于燃料电池应用，研究了蒸汽甲烷重整(SMR)、自动热重整(ATR)(autothermalreforming)和催化部分氧化(CPO)(catalytic partial oxidation)。SMR利用重整催化剂例如Ni对NG进行转化并利用蒸汽合成气体(合成气)。常规ATR通常包括催化剂以加速SMR和CPO反应。这些催化剂对于所述两种不同类型的反应通常不是最佳的，因而没有达到最大效率。由于需要大的热交换表面面积以向吸热的蒸汽甲烷重整反应提供热量，所以常规的SMR系统并不是紧凑型的。

CPO(没有SMR催化剂)为紧凑型系统。然而，CPO产生的合成气具有相对较低的氢气(H₂)/一氧化碳(CO)比(约为2)，因而更适于费-托或甲醇合成而不是制造纯氢。

因此，需要通过有效集热而具有成本效益的紧凑型制氢系统。

发明内容

一方面，系统包括混合重整区，接收第一燃料蒸汽混合物和氧化剂，以产生包含氢气的第一重整产物流(refomate stream)。该系统还包括至少一个接收第一重整产物流、第一部分蒸汽和第二燃料的蒸汽重整区，以产生包含氢气的第二重整产物流。第一重整产物流在进入蒸汽重整区之前与第一部分蒸汽和第二燃料混合。

另一方面，含氢气流的制造方法包括在催化部分氧化区或ATR区部分氧化第一燃料和氧化剂，以产生包含氢气的第一重整产物流。该方法还包括使第一重整产物流与第二燃料和蒸汽混合以产生混合流，并在蒸汽重整装置中对所述混合流进行蒸汽重整以产生包含氢气的第二重整产物流。

另一方面，系统包括：接收第一燃料与蒸汽和氧化剂的混合重整区，以产生第一重整产物流；接收第一部分蒸汽和第二燃料的预重整装置，以产生包含氢气的预重整流。该系统还包括：第一重整区，以接收预重整蒸汽并产生包含氢气的排放重整流；接收第一重整产物流和排放重整产物流的第二重整区，以产生包含氢气的第二重整产物流。第一重整产物流在进入第二蒸汽重整区之前与排放重整产物流混合。

附图说明

参考附图阅读下述详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优势，其中相同的标记始终表示相同的部分，其中：

图1示例示范性制氢系统；

图2示例示范性紧凑型制氢系统；

图3示例在反应器中逆向流动的另一示范性紧凑型制氢系统；

图4示例在反应器中逆向流动的另一示范性紧凑型制氢系统；和

图5示例具有预重整装置的另一示范性紧凑型制氢系统。

具体实施方式