[发明专利]一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的装置及方法

说明书

本发明公开了一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的装置及方法，该装置包括焦油转换器、余热锅炉、喷淋塔、阵列式自热重整膜反应器、水汽转化器和变压吸附塔，焦油转换器包括一级空气喷嘴组、二级空气喷嘴组、反应腔和保温层，阵列式自热重整膜反应器包括燃烧加热室、烟气加热室、固定重整床、钯合金膜管、烟气导流管、连接盘管和集气联箱；本发明的装置能充分利用高温焦炉煤气携带的显热和富含的焦油，以较低的能耗高效制备高纯度H₂，能耗低、效率高，在实现高纯氢的制取的同时又有利于CO₂纯态分离，为焦炉煤气的零排放提供了一种解决有效途径。

技术领域

本发明属于焦炉荒煤气净化和余热回收技术领域，具体涉及一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的装置及方法。

背景技术

焦炉荒煤气（RCOG）是煤炼焦产生的高温气体副产物，主要成分为H₂ （50%）、CH₄（24~28%）、CO （1~3%）和部分轻质烃类化合物，还含有质量30%、浓度约为100 g/m³的焦油蒸汽。实际生产中，焦炉上升管入口处的焦炉荒煤气携带了占焦炉热量30-40%的显热，温度达到750-850 ^oC。2016年中国的焦炭产量为4.49亿吨，按每生产1吨焦炭将产生约430 Nm³焦炉煤气计算，焦炉煤气年产量超过了1800 亿Nm³。由于缺乏高效利用途径，每年有近300亿Nm³焦炉煤气被直接燃烧掉或排入大气。

焦炉荒煤气富含氢气，含能组分质量浓度高，且携带大量显热，是一种优质的大规模制氢原料。制得的氢气可以作为燃料电池燃料，也广泛应用于石油化工、金属冶炼、化肥生产、电子工业等行业。常规的焦炉煤气制氢方法是先将焦炉荒煤气冷却至80 ^oC，经除尘和脱硫后分离回收大部分焦油，得到的焦炉净煤气（COG）再通过变压吸附（PSA）分离获得氢气。冷洗浪费了焦炉荒煤气的大部分显热，回收的焦油中甲苯不溶物含量也容易超标，而且PSA分离法的氢气实际回收率一般不到理论值的80%。此外，富含CH₄、CO和残余H₂的PSA解吸气一般被直接燃烧或者排空，造成了能量浪费和环境污染。

发明内容

本发明的目的是提供一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的装置，能够实现能量平衡利用。

本发明的另一目的是提供一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种直接利用高温焦炉荒煤气制取高纯氢的装置，包括焦油转换器、余热锅炉、喷淋塔、阵列式自热重整膜反应器、水汽转化器和变压吸附塔；

所述的焦油转换器包括一级空气喷嘴组、二级空气喷嘴组、反应腔和保温层；所述一级空气喷嘴组、二级空气喷嘴组均有至少三个周向等角度安装在所述反应腔壁上的空气喷嘴，空气喷嘴一端置于反应腔内部、其上设置有多孔陶瓷曝气口，另一端与喷射空气管路连通，一级空气喷嘴组和二级空气喷嘴组轴向间隔距离为反应腔长度的1/10~1/5，所述保温层包裹在反应腔的外表面上；

所述的阵列式自热重整膜反应器包括固定重整床和钯合金膜管，所述的固定重整床为圆环柱形结构、与反应器壁同轴设置，固定重整床内圆面形成的圆柱腔为燃烧加热室，固定重整床外圆面与反应器壁之间形成的环形腔为烟气加热室，燃烧加热室的入口端设有连接法兰、尾端封闭，燃烧加热室靠近尾端处通过若干烟气导流管与所述烟气加热室连通；固定重整床内加载有催化剂床层，固定重整床的尾端通过法兰与尾气通道连通，若干个所述钯合金膜管以固定重整床轴线为中心阵列式浸埋在催化剂床层内、其尾端通过连接盘管与集气联箱连通；烟气加热室径向布置有若干连通大气的排烟通道，固定重整床的进气端盖设置有若干进气通道，进气通道上设有连接法兰，所述的集气联箱设置有连通氢气收集装置的联箱出口；