[发明专利]用于在基于氧输送膜的反应器中的温度控制的系统和方法

说明书

提供了一种系统及方法，其用于基于氧输送膜的反应器中的温度控制。该系统和方法涉及：将特定量的冷却空气或调节空气引入多级基于氧输送膜的反应器或熔炉中的级之间，以保持氧输送膜元件和相关联的反应器的大体上一致的表面温度。各个级包括操作地连接到冷却空气分送歧管(312)、冷却空气分送管(313)上的冷却空气入口回路。还公开了包括布置为邻近熔炉区段(304)的后窗或远端的空气扩散器筛(325)。相关联的反应器可包括重整反应器、锅炉或过程气体加热器。

政府权利声明

本发明是在由美国能源部授予的合作协议号DE-FC26-07NT43088的美国政府资助下做出的。美国政府在本发明中具有某些权利。

技术领域

本发明提供了一种系统及方法，其用于构造成由含碳氢化合物的气态进料来生产合成气体的基于氧输送膜的重整反应器(reforming reactor)中的温度控制。更具体而言，本发明提供了一种方法及设备，其通过在多级基于氧输送膜的重整反应器或熔炉中的级之间引入特定量的冷却空气或调节空气(trim air)来保持氧输送膜元件和相关联的重整反应器的大体上一致的表面温度。

背景技术

含有氢和一氧化碳的合成气体生产来用于多种工业应用，例如，氢、化学和合成燃料制品的生产。常规地，合成气体在点火的重整器中生产，其中，在高温(例如900到1000℃)和中压(例如16到20巴)下，天然气和蒸汽在含镍催化剂的重整器管中重整以产生合成气体。在重整器管内发生蒸汽甲烷重整反应的吸热要求由向熔炉中焚烧的焚烧器提供，焚烧器由部分天然气来供燃料。为了增加由蒸汽甲烷重整(SMR)过程产生的合成气体的氢含量，合成气体可经历水-气体转变反应，以使合成气体中的剩余蒸汽与一氧化碳反应。

蒸汽甲烷重整的良好地建立的备选方案是部分氧化过程(POx)，由此允许有限量的氧与天然气进料一起燃烧，以在高温下产生蒸汽和二氧化碳，且高温蒸汽和二氧化碳经历随后的重整反应。SMR和POx两种过程的关键缺点在于大量碳作为低压烟道气体中的二氧化碳气体来散发到大气。此外，由常规SMR或Pox过程产生合成气体被认为是相对昂贵的过程。

用于产生合成气体的有吸引力的备选过程为燃烧氧的自热重整器(ATR)过程，其使用氧来在反应器内部部分地氧化天然气，反应器将几乎所有碳保持在高压合成气体中，因此便于除去二氧化碳来用于捕集碳。然而，ATR过程需要单独的空气分离单元(ASU)来产生高纯度、高压力的氧，这对整个过程增加了复杂性以及资本和操作成本。

如可认识到那样，生产合成气体的常规方法(如SMR、POx或ATR系统)是昂贵的，且需要复杂的设施。为了克服此类设施的复杂性和花费，已提出的是：在反应器内生成合成气体，该反应器利用氧输送膜来供应氧，且因此生成支持蒸汽甲烷重整反应的吸热要求所需的热。典型的氧输送膜具有致密层，其尽管不可透过空气或其它含氧气体，但将在经历升高的操作温度和跨过膜的氧局部压差时输送氧离子。