[发明专利]一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法

权利要求书

1.一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，其特征在于：所述的中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，包括集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体和外围辅助系统；

所述的集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体由原料水蒸发器、天然气预热器、燃烧腔、重整腔、重整气冷却器、燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器、燃料燃烧器八个主要部件构成；其主体为两段式的三层套筒结构，两段之间由横向的中间筛板隔开；

在两段式集成反应器的下半段，最内层中心腔体的内部装有顶端固定在中间筛板上的刺刀式反应列管，即重整腔；刺刀式反应列管内部中心位置装有重整产品气收集管；在刺刀式反应列管与中心收集管之间的环隙装有颗粒状的甲烷水蒸汽重整制氢催化剂，在收集管内部装有甲烷水蒸汽重整催化剂；

两段式集成反应器的上半段最内层中心腔体为管壳式的重整气冷却器；

在集成式重整反应器的上、下两段中心腔体内部壳程均装有一组或多组折流板；

集成式重整反应器的上、下两段中间层，包括燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器；最外层，包括原料水蒸发器、天然气预热器；均为耦合性匹配结构，中间由导热性的隔板隔开，其耦合形式是板翅式结构、套筒翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式中的一种或几种的组合体。

2.按照权利要求1所述的中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，其特征在于：在集成式重整反应器的中心腔体底部即燃烧腔，装有燃料燃烧器，燃料燃烧器为甲烷燃料燃烧器、氢气燃料燃烧器或甲烷和氢气共用的燃料燃烧器。

3.按照权利要求1所述的中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，其特征在于：外围辅助系统由重整气余热蒸发器、返氢气冷却器、水汽分离器的换热单元或/和CO纯化单元构成；外围辅助系统中的重整气余热蒸发器、返氢气冷却器及水汽分离器均能采用常规的板式换热器、列管换热器、板翅式换热器的气液换热器及常规水汽分离器。

4.一种采用权利要求3所述的中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统的制氢方法，其特征在于：原料天然气和水经过多级预热后进入集成反应器内部的重整腔进行水蒸汽重整反应，反应所需热量由系统内部多种燃料或含氢尾气通过明火燃烧的方式提供，重整反应得到的富氢重整产品气经换热后能直接供给SOFC作为氢源使用，也能经CO纯化单元处理得到CO含量小于10ppm的富氢重整气或纯氢气，供给PEMFC或加氢站使用；

外围辅助系统中的CO纯化单元采用化学净化的方式，即CO水汽变换反应和CO选择性氧化反应，使重整产品气中的CO含量降至10ppm以下以满足PEMFC的使用要求；或采用物理的方式：如变压吸附PSA或Pd膜分离氢气的方式得到氢含量99.9％以上的纯净氢气，满足加氢站的使用要求；

原料水分为三路，分别与重整气余热蒸发器冷端水进口、集成式重整反应器下半段最外层的原料水蒸发器水进口、集成式重整反应器上半段最外层的水蒸发器水进口相连；经多级预热蒸发、汇集后与原料甲烷混合进入重整原料气进口；

原料甲烷分为3路，第1路与集成式重整反应器下半段最外层的天然气预热器进口相连，第2路直接与预热蒸发后的水蒸汽混合，第3路与燃烧空气混合后进入集成式重整反应器底部的燃料燃烧器；第1路经天然气预热器预热与预热蒸发后的水蒸汽混合汇集进入重整原料气进口；

重整产品气经与原料水换热后由重整气余热蒸发器热端气出口流出，该产品气含有干基体积分数为70-75％的H₂，10-15％的CO，余量为CO₂和微量的烷烃杂质，能直接供给SOFC使用；

流出重整气余热蒸发器的重整产品气进入由CO水汽变换和CO选择性氧化反应器组成的CO纯化单元，将其中的CO含量降低至10ppm以下供给PEMFC使用；

流出重整气余热蒸发器的重整产品气进入变压吸附PSA装置或Pd膜分离器，用以制备纯度大于99.9％的纯净氢气供PEMFC或加氢站使用；

重整反应以及原料水、甲烷预热所需热量分别由燃烧腔中的高温烟气、高温的重整产品气通过间壁换热供给；

燃料燃烧器在系统启动时以甲烷作为燃料，系统启动后达到正常运行前由含有未完全转化的甲烷的重整气作为燃料，正常运行时以SOFC、PEMFC的阳极含氢尾气，或PSA、Pd膜分离器的含氢渗余气作为燃料。