[发明专利]用于制备氢气和分离二氧化碳的方法和设备

说明书

本发明涉及一种用于通过用蒸汽重整碳氢化合物来制备氢气、以及分离二氧化碳的方法。该方法包括一个吸热重整步骤和一个自热重整步骤，用于产生合成气体流，其中，该自热重整步骤中产生的热用于在吸热重整步骤中进行加热。该方法进一步包括转化所获得的合成气体流以富集氢气的步骤、通过变压吸附来分离如此制备的氢气的步骤、和从该变压吸附中获得的残余气体中分离二氧化碳的步骤。用于吸热重整步骤和自热重整步骤的这些重整单元彼此平行布置或者串联布置。

技术领域

本发明涉及一种用于通过用蒸汽重整碳氢化合物来制备氢气、以及分离二氧化碳的方法。本发明进一步涉及一种用于通过用蒸汽重整碳氢化合物来制备氢气、以及分离二氧化碳的设备。

背景技术

目前估计全球氢气产量为70Mt/a，其中通过在镍基重整催化剂上用蒸汽进行天然气的吸热重整所产生的氢气占了最大比例。在这一被称为蒸汽甲烷重整(SMR)的方法中，主要是甲烷和蒸汽的反应产生一种主要包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的混合物。该蒸汽重整方法产生了大量的二氧化碳，因为每产生一吨氢气就会排放约9吨二氧化碳。根据计算，仅天然气的蒸汽重整就占全球二氧化碳排放量的1.5％(Wisman等人，Science[科学]364，756-759，2019)。

天然气的自热重整(ATR)也可以产生氢气。自热重整区别于蒸汽重整之处在于在吸热重整步骤之前有放热的部分氧化步骤，其提供了下游的吸热催化步骤所需的反应热。一般来说，例如来自空气分馏设备的空气或氧气被用作部分氧化的氧化介质。此外，ATR需要燃烧器，其借助于燃料气体来提供部分氧化所需的活化能。甲烷的部分氧化和随后的中间产物与蒸汽的吸热催化重整这两个反应步骤的结果同样地是主要包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的合成气体。

为了使上述方法更加环保，之前已经开发了一些方法来从作为初级产品产生的合成气体混合物中分离SMR或ATR中产生的二氧化碳，作为最高纯度的二氧化碳产品。出于这一目的，可采用基于在例如甲醇或胺类等吸收剂中的物理或化学吸收的气体洗涤方法，以及通过压缩、冷凝和蒸馏对二氧化碳进行低温液体分离和纯化。然而，二氧化碳大量吸收至吸附剂中然后再次解吸或在低温下通过冷凝分离出来，而时常不能进行任何可行的进一步工业使用。因此，剩下的唯一选择是频繁地长期储存不能使用的二氧化碳以防止它进入大气。分离(通过气体洗涤或冷凝)和储存二氧化碳的结合也被称为隔离或CCS(碳捕获和储存)。

因此有必要以一种方式改进已知的生产氢气的方法，以使得从一开始每产生一吨氢气所生成的二氧化碳量更少。

US 2015/0321914 A1披露了一种方法，其中，将通过蒸汽重整或自热重整产生的作为初级产品的合成气体转化为二氧化碳和氢气，这是通过作为初级产品产生的合成气体中存在的一氧化碳与蒸汽的转化(水煤气变换反应)。随后，在变压吸附单元的帮助下从富含二氧化碳和氢气的转化的合成气体中分离氢气。耗尽了氢气但仍然富含二氧化碳的残余气体随后在被称为低温纯化装置(CPU)的设备中处理，以将二氧化碳从残余气体中分离出来并将其以最高纯度的形式液化。液化的二氧化碳随后可以被送走储存或用于工业或消耗的目的。

发明内容

本发明的总体目的是克服现有技术的上述缺点。

更特别地，本发明的一个目的是改造已知方法以减少产生每单位重量氢气所形成的二氧化碳的量。

更特别地，本发明的一个目的是减少将甲烷的自热重整和低温二氧化碳分离相结合的方法中的二氧化碳排放。

独立权利要求为上述至少一个目的的至少部分实现做出了贡献。从属权利要求提供了优选实施例，其有助于至少部分地实现上述目的中的至少一个。根据本发明的一个类别的成分的优选实施例在相关的情况下对于根据本发明的相应的另一类别的相同命名的或对应的成分同样是优选的。

术语“具有”、“包含”或“包含”等不排除另外的要素、成分等的可能存在。不定冠词“一”不排除复数的可能存在。