專(zhuān)利名稱(chēng)：容易啟動(dòng)、操作穩(wěn)定并且高效的氫發(fā)生器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及容易啟動(dòng)、操作穩(wěn)定并且熱效率高的氫發(fā)生器及其操作方法，更具體的說(shuō)，本發(fā)明涉及利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器及其操作方法，其中由于水以單相蒸汽的方式 被引入到所述氫發(fā)生器中，因此能夠穩(wěn)定地對(duì)所述氫發(fā)生器進(jìn)行操作，并且可以利用合適 的熱交換法使所述氫發(fā)生器實(shí)現(xiàn)高的熱效率。
背景技術(shù)：
在用于供應(yīng)精煉工藝(加氫脫硫工藝、重油提質(zhì)工藝等)所需的氫氣的大型制氫 裝置中，已經(jīng)額外地采用蒸汽鍋爐以穩(wěn)定地供應(yīng)氫氣。然而，在中型或小型(1 IOOONm3/ h)的制氫裝置(如用于汽車(chē)、家電、分布式發(fā)電等的燃料電池系統(tǒng))中，為了增加熱效率并 且降低其尺寸，需要通過(guò)自回收廢氣或轉(zhuǎn)化氣體的熱量來(lái)供應(yīng)蒸汽。在蒸汽轉(zhuǎn)化工藝中， 保持蒸汽與烴的比例恒定是非常重要的，并且在水未被不完全蒸發(fā)的狀態(tài)下產(chǎn)生兩相蒸汽 時(shí)，產(chǎn)物的流速和組成由于原料的波動(dòng)而發(fā)生變化，使得系統(tǒng)的操作變得非常不穩(wěn)定，從而 導(dǎo)致測(cè)量裝置的破壞。此外，當(dāng)蒸汽與烴(S/C)的比例瞬間改變時(shí)，催化劑的活性由于焦化 等而發(fā)生劣化，從而降低了裝置的耐久性。因此，必須設(shè)計(jì)并且操作能夠通過(guò)自回收熱量來(lái) 穩(wěn)定地供應(yīng)蒸汽的熱交換網(wǎng)絡(luò)或熱交換器。另外，在實(shí)現(xiàn)操作穩(wěn)定的同時(shí)，需要獲得高的熱效率，而不需要額外的裝置或成 本。特別是，在用于發(fā)電用燃料電池的氫發(fā)生器的情況下，可以通過(guò)利用熱水來(lái)回收額外的 熱量并且將所回收的熱量轉(zhuǎn)換為可用熱量以提高氫發(fā)生器的熱效率。此外，必須通過(guò)以下過(guò)程平穩(wěn)地對(duì)氫發(fā)生器進(jìn)行操作，而不會(huì)在采用常用的電熱 器對(duì)主裝置進(jìn)行預(yù)熱時(shí)發(fā)生額外的問(wèn)題(與氫氣相關(guān)的安全認(rèn)證、相關(guān)裝置的供應(yīng)和需 求、能耗等)、以及批準(zhǔn)或許可氫發(fā)生器所涉及的問(wèn)題，所述過(guò)程為將氮?dú)?N2)引入到供 料管路中，從而將主裝置(用于將轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳(CO)轉(zhuǎn)化為氫氣(H2)和二氧化 碳(CO2)的水氣變換器，如果需要的話，還包括脫硫反應(yīng)器)預(yù)熱到其反應(yīng)溫度并且通過(guò)將 水氣變換器的末端的反應(yīng)氣體回收利用。

發(fā)明內(nèi)容
[技術(shù)問(wèn)題]因此，為了克服以上的問(wèn)題，本發(fā)明人對(duì)熱交換方法進(jìn)行了研究，采用該方法，可 以通過(guò)穩(wěn)定地供應(yīng)不含兩相水蒸氣的蒸汽而穩(wěn)定地對(duì)熱交換器進(jìn)行操作，并且采用該方 法，可以通過(guò)附加的熱交換過(guò)程而提高熱交換器的熱效率。結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，用從轉(zhuǎn)化裝置 中排出的廢氣對(duì)供應(yīng)到所述轉(zhuǎn)化裝置中的水預(yù)先進(jìn)行熱交換，從而使水過(guò)熱，可以使得水 轉(zhuǎn)化為單相蒸汽，從而克服了供料蒸汽的波動(dòng)，并且在利用制氫工藝的各步驟的放熱和吸 熱特性而安裝熱交換器時(shí)，可以顯著地改善熱效率。基于這些發(fā)現(xiàn)而完成本發(fā)明。因此，考慮到現(xiàn)有技術(shù)中發(fā)生的以上問(wèn)題而進(jìn)行本發(fā)明，并且本發(fā)明的一個(gè)目的 是提供一種利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器，其設(shè)置有其中水不發(fā)生相分離并且熱效率高的熱交換系統(tǒng)。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種操作所述氫發(fā)生器的方法。[技術(shù)方案]為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明的一方面提供一種利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器，該氫發(fā) 生器包括脫硫器，其用于對(duì)烴原料進(jìn)行脫硫；轉(zhuǎn)化器(reformer)，其用于通過(guò)將脫硫后的 烴原料與水原料混合、然后利用燃燒爐加熱該混合物來(lái)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而形成轉(zhuǎn)化 氣體(reformed gas)；水氣變換器(water gas converter)，其用于將由所述轉(zhuǎn)化器得到 的所述轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳(CO)變換為由氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)組成的變換氣體 (converted gas)；變壓吸附單元(pressure swing unit, PSA)，其用于從所述變換氣體中 分離氫氣(H2)；第一熱交換器，其用于在將所述水原料與脫硫后的烴混合之前，利用從所述 燃燒爐中排出的廢氣將所述水原料過(guò)熱到水的蒸發(fā)溫度；第二熱交換器，其利用從所述轉(zhuǎn) 化器中排出的所述轉(zhuǎn)化氣體對(duì)由脫硫后的烴原料和過(guò)熱的水形成的混合物進(jìn)行預(yù)熱；第三 熱交換器，其用于在將所述轉(zhuǎn)化氣體引入到水氣變換器之前，利用外部空氣來(lái)降低所述轉(zhuǎn) 化氣體的溫度；以及第四熱交換器，其用于在將所述變換氣體引入到PSA單元之前，利用自 來(lái)水來(lái)降低從所述水氣變換器中排出的氣體的溫度。本發(fā)明的另一方面提供一種操作權(quán)利要求1或2所述的蒸汽轉(zhuǎn)化氫發(fā)生器的方 法，該方法包括(a)重復(fù)預(yù)熱過(guò)程，直至預(yù)先引入到第一熱交換器中的水原料形成為蒸汽 時(shí)為止，所述預(yù)熱過(guò)程包括下列步驟向轉(zhuǎn)化器中填充氮?dú)?，使得轉(zhuǎn)化器的內(nèi)壓為6-8巴， 利用烴原料和外部空氣將轉(zhuǎn)化器加熱到700°C至800°C的溫度，以排出高溫氮?dú)猓又顾?排出的高溫氮?dú)庖来瓮ㄟ^(guò)第二熱交換器、第三交換器、水氣變換器和第四熱交換器，并且使 從第四熱交換器末端排出的氮?dú)庋h(huán)到脫硫器的末端；以及(b)當(dāng)在(a)中通過(guò)第一熱交 換器形成了蒸汽時(shí)，停止向所述轉(zhuǎn)化器中供應(yīng)氮?dú)?，并且將烴原料引入到所述轉(zhuǎn)化器中，使 得基于供入的純水而言，蒸汽與碳的比例(S/C比)為2. 5 3. 5。[有益效果]本發(fā)明的利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器的優(yōu)點(diǎn)在于由于除去了兩相水蒸氣從而能夠 穩(wěn)定地對(duì)所述氫發(fā)生器進(jìn)行操作，并且被蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)加熱后的所得產(chǎn)物可以用來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)化 反應(yīng)的原料進(jìn)行預(yù)熱，并且額外地安裝有熱交換器，重復(fù)利用了熱交換介質(zhì)，從而最大程度 地改善了氫發(fā)生器的熱效率。


圖1為示出本發(fā)明的利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器的示意性流程圖。〈附圖中的部件說(shuō)明〉1 脫硫器2:轉(zhuǎn)化器3:水氣變換器4:PSA 單元5 燃燒爐6:旁通管路10 第一熱交換器
20 第二熱交換器30 第三熱交換器40:第四熱交換器最佳實(shí)施方式以下將參照附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。如上所述，本發(fā)明提供一種利用蒸汽轉(zhuǎn)化并且具有熱交換網(wǎng)絡(luò)的氫發(fā)生器，其中通過(guò)高溫廢氣或轉(zhuǎn)化氣體的熱交換來(lái)獲得轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量，并且單相水被引入到轉(zhuǎn)化 反應(yīng)器內(nèi)，并且其中，在水氣變換反應(yīng)和PSA反應(yīng)(它們的反應(yīng)溫度低于轉(zhuǎn)化反應(yīng))中，通 過(guò)低溫空氣或水進(jìn)行熱交換，并且熱交換后的空氣以及PSA反應(yīng)中的殘余氣體與烴燃料一 起被用作轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的供熱源，從而最大程度地降低了氫發(fā)生器的熱損耗。圖1為示出本發(fā)明的利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器的示意性流程圖。所述氫發(fā)生器包 括脫硫器1，其用于對(duì)烴原料進(jìn)行脫硫；轉(zhuǎn)化器2，其用于通過(guò)將脫硫后的烴原料與過(guò)熱水 混合、然后利用燃燒爐5加熱該混合物來(lái)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而形成轉(zhuǎn)化氣體；水氣變換 器3，其用于將由轉(zhuǎn)化器2得到的轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳(CO)變換為由氫氣(H2)和二氧 化碳(CO2)組成的變換氣體；變壓吸附(PSA)單元4，其用于分離氫氣(H2)；第一熱交換器 10，其用于在將水原料與脫硫后的烴混合之前，利用從燃燒爐5中排出的廢氣將水原料過(guò) 熱；第二熱交換器20，其用于通過(guò)從轉(zhuǎn)化器2中排出的轉(zhuǎn)化氣體對(duì)由脫硫后的烴和過(guò)熱的 水形成的混合物進(jìn)行預(yù)熱；第三熱交換器30，其用于在將所述轉(zhuǎn)化氣體引入到水氣變換器 3之前，利用外部空氣來(lái)降低所述轉(zhuǎn)化氣體的溫度；以及第四熱交換器40，其用于在將所述 變換氣體引入到PSA單元4之前，利用自來(lái)水來(lái)額外地降低從水氣變換器3中排出的氣體 的溫度。具體而言，一部分烴被引入到脫硫器1中，而另一部分烴、通過(guò)在第三熱交換器中 的所述轉(zhuǎn)化氣體與空氣之間進(jìn)行的熱交換而被加熱后的空氣、以及流經(jīng)PSA單元4的殘余 氣體可被用作燃燒爐5的燃料。更具體而言，例如，將LNG(液化天然氣)用作供應(yīng)烴的原料。此外，可以將氣態(tài)或 液態(tài)烴用作原料，其中所述氣態(tài)或液態(tài)烴包括LNG、LPG (液化石油氣)、石腦油、汽油、煤油 等?？蓪NG分為原料和燃料，并且將原料引入到脫硫器1中，而將燃料引入到燃燒爐5中。在本發(fā)明中，可以將對(duì)含硫化合物進(jìn)行加氫脫硫的方法或直接將含硫化合物吸附 到催化劑上的方法用作對(duì)烴進(jìn)行脫硫的方法。在這種情況中，可以將諸如鈷(Co)、鋅(Zn)、 銅(Cu)等金屬及其氧化物或硫化物，沸石，活性炭等用作所述催化劑。根據(jù)原料的條件，可 以通過(guò)在室溫下使用沸石或活性炭來(lái)吸附含硫化合物或者通過(guò)在300°C 400°C的溫度下 對(duì)烴進(jìn)行加氫脫硫，從而從烴中除去含硫化合物。將脫硫后的烴(原料)與水混合，然后引入到轉(zhuǎn)化器2中。在這種情況下，首先 通過(guò)第一熱交換器10(廢氣(a)從該第一熱交換器中通過(guò))將與脫硫烴混合的水過(guò)熱至 180°C 220°C的溫度，然后將其與脫硫后的烴混合，從而形成混合物。隨后，通過(guò)第二熱交 換器20 (從轉(zhuǎn)化器2中排出的轉(zhuǎn)化氣體(b)從該第二熱交換器中通過(guò))將由脫硫后的烴和 過(guò)熱的水形成的混合物預(yù)熱到450°C 500°C的溫度，然后將其引入到轉(zhuǎn)化器2中。如上所 述，原料中所包含的水不是以分離為液相和氣相這兩相的狀態(tài)被引入到轉(zhuǎn)化器中，而是以 充分蒸發(fā)、從而保持為單一蒸汽相的狀態(tài)被引入到轉(zhuǎn)化器中，這是因?yàn)樗臏囟扔捎跓峤粨Q而升高。在考慮到被引入到第一熱交換器中的水的壓力以及在該壓力下的蒸發(fā)溫度的條 件下，通過(guò)適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)熱交換器，從而使水形成并保持為單一蒸汽相狀態(tài)。即，在提供熱交 換器并且供應(yīng)適量的廢氣時(shí)，可以連續(xù)地保持單一蒸汽相狀態(tài)，其中通過(guò)所述熱交換器，用 于將水的溫度升至高于在所施加給水的壓力下的蒸發(fā)點(diǎn)所需的熱量可以從廢氣轉(zhuǎn)移到水 中。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，在通過(guò)第一熱交換器10將廢氣由660°C或更高冷卻 到60°C或更低時(shí)，廢氣的熱量被施加到蒸餾水(其被加壓至Satm或更高，并且由供料泵 (圖中未示出)提供)上，從而使得蒸汽的溫度為180°C或更高并且壓力為8. 5atm。在這種情況中，由于蒸汽在8. 5atm的壓力下的冷凝溫度為175°C，因此可以穩(wěn)定地提供單一相的
蒸汽。 此外，優(yōu)選的是，將引入到轉(zhuǎn)化器中的烴原料與蒸汽混合，使得蒸汽與碳的比例 (S/C比)為2. 5 3. 5。此處，當(dāng)S/C比低于2. 5時(shí)，存在著由于蒸汽不足而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化催化 劑被碳毒化，從而使得轉(zhuǎn)化器的性能劣化的問(wèn)題，在S/C比高于3. 5時(shí)，存在著由于引入過(guò) 量的蒸汽而導(dǎo)致轉(zhuǎn)化器的熱效率劣化的問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明中所用的熱交換器可包括(但是并不限于)翅片管型熱交換器和 殼-管型熱交換器。優(yōu)選的是，本發(fā)明中所用的熱交換器可以包括設(shè)置有真逆流熱交換器 的翅片管熱交換器和設(shè)置有扭曲帶渦流(twisted tape vortex)產(chǎn)生器的多管回彎管殼型 熱交換器。轉(zhuǎn)化器2用于使混合物與轉(zhuǎn)化催化劑接觸，并且對(duì)混合物進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化，以制備 含有高濃度氫的氣體。轉(zhuǎn)化器2在其下部設(shè)置有用于加熱轉(zhuǎn)化器2的燃燒爐。作為轉(zhuǎn)化 催化劑，可以使用這樣的催化劑，在該催化劑中，諸如氧化鋁、二氧化硅等載體負(fù)載有釕、鎳 等。在轉(zhuǎn)化器2中，脫硫烴的蒸汽轉(zhuǎn)化通過(guò)下列反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行CmHn+mH20 — mCO+ (m+n/2) H2
CO + 3H2 — CH4 + H2O
CO + H2O — CO2 + H2轉(zhuǎn)化器2被燃燒爐5加熱，并且其工作溫度保持為500°C 800°C，以便供應(yīng)催化 反應(yīng)所對(duì)應(yīng)的反應(yīng)熱，并且提高氫氣的形成率。將已經(jīng)加熱過(guò)轉(zhuǎn)化器2的650°C 700°C的 廢氣引入到第一熱交換器10中，并且將由蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所形成的550°C 600°C的轉(zhuǎn)化氣 體(C0、C02、CH4、H2)引入到第二熱交換器20中。將轉(zhuǎn)化氣體引入到第二熱交換器20中，然后通過(guò)將熱量轉(zhuǎn)移到已流入到轉(zhuǎn)化器2 中的脫硫后的烴和過(guò)熱的蒸汽上使轉(zhuǎn)化氣體冷卻。為了在將轉(zhuǎn)化氣體引入到水氣變換器3 之前，進(jìn)一步降低已被第二熱交換器20冷卻的轉(zhuǎn)化氣體的溫度，采用鼓風(fēng)機(jī)(圖中未示出) 將外部空氣引入到第三熱交換器30內(nèi)，使得外部空氣與轉(zhuǎn)化氣體發(fā)生熱交換，從而在轉(zhuǎn)化 氣體到達(dá)水氣變換器3的入口之前將轉(zhuǎn)化氣體冷卻至約180°C 200°C的溫度?？梢酝ㄟ^(guò)空氣旁通管路6來(lái)精密地控制引入到水氣變換器3中的轉(zhuǎn)化氣體的溫 度。當(dāng)轉(zhuǎn)化氣體的溫度低于180°C時(shí)，引入到第三熱交換器30中的外部空氣迂回通過(guò)空氣 旁通管路6，使得與轉(zhuǎn)化氣體進(jìn)行熱交換的外部空氣的量降低，從而升高了引入到水氣變換器3中的轉(zhuǎn)化氣體的溫度。與此形成對(duì)比的是，當(dāng)轉(zhuǎn)化氣體的溫度高于200°C時(shí)，可以通過(guò)增加引入到第三熱交換器3中的外部空氣的量來(lái)降低引入到水氣變換器3中的轉(zhuǎn)化氣體的溫度。水氣變換器3及其中所進(jìn)行的水氣變換反應(yīng)對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言是熟知的， 并且水氣變換器3填充有用于將轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳(CO)變換為二氧化碳(CO2)和 氫氣(H2)的水氣變換催化劑。作為水氣變換催化劑，可以使用鐵-鉻系催化劑(例如， Fe2O3-Cr2O3催化劑)或銅系催化劑(其為銅-鋅的氧化物)。在Fe2O3-Cr2O3催化劑的情 況下，優(yōu)選在300°C 450°C的溫度下進(jìn)行水氣變換反應(yīng)，而在銅系催化劑的情況下，優(yōu)選 在200°C 250°C的溫度下進(jìn)行水氣變換反應(yīng)。在這種情況下，水氣變換反應(yīng)由下式表示 C0+H20^~^C02+H2o通過(guò)第四熱交換器40(其中，氣體與自來(lái)水進(jìn)行熱交換)將由水氣變換器3排出 的氣體冷卻到30°C 40°C的溫度(即PSA單元4的入口的溫度)，然后將其引入到PSA單 元4中。在這種情況下，用于冷卻從水氣變換器3中排出的氣體的自來(lái)水以約60°C或更高 的熱水的形式被回收，因此其可以在個(gè)人住房、公寓或集體居住設(shè)施的發(fā)電系統(tǒng)中用作沐 浴用的熱水或者加熱地板用的熱水。PSA(變壓吸附)通常被本領(lǐng)域的技術(shù)人員用來(lái)分離氫氣，并且PSA是一種通過(guò)從 含有高濃度氫的氣體中吸附并除去雜質(zhì)而制備高純度氫氣的方法?？梢愿鶕?jù)需要來(lái)適當(dāng)?shù)厥褂糜蒔SA單元4所獲得的高純度氫氣，并將從PSA單元 中所獲得的殘余氣體(廢氣)回收，然后將該廢氣用作加熱轉(zhuǎn)化器2用的燃燒爐5的燃料。將諸如LNG等烴燃料、通過(guò)第三熱交換器預(yù)熱后的空氣、以及從PSA單元排出的殘 余氣體(廢氣)用作加熱轉(zhuǎn)化器用的燃燒爐的燃料。將為蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的吸熱反應(yīng)提 供燃燒熱的廢氣引入到第一熱交換器10內(nèi)，從而用于將水過(guò)熱。[本發(fā)明的具體實(shí)施方式
]以下，將詳細(xì)描述設(shè)置有熱交換網(wǎng)絡(luò)的氫發(fā)生器在啟動(dòng)過(guò)程中的操作方法。通過(guò)供料管路將預(yù)定量的氮?dú)?N2)引入到轉(zhuǎn)化器中，以將熱量從轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)移到水 氣變換器中，從而對(duì)水氣變換器預(yù)熱，然后將水氣變換器末端的氮?dú)庋h(huán)利用，從而能夠使 氫發(fā)生器容易地啟動(dòng)，而無(wú)需額外地消耗氮?dú)狻＞唧w而言，將烴燃料和空氣引入到燃燒爐內(nèi)以開(kāi)動(dòng)燃燒爐，并且將氮?dú)?N2)引入 到轉(zhuǎn)化器內(nèi)，以將轉(zhuǎn)化器的內(nèi)壓增加到6 8巴，然后加熱到700 800°C的溫度，隨后將加 熱后的氮?dú)饬鹘?jīng)第二和第三熱交換器以及水氣變換器，以對(duì)它們進(jìn)行預(yù)熱，從而能夠在引 入烴燃料和空氣后立即在水氣變換器內(nèi)進(jìn)行水氣變換反應(yīng)。在氮?dú)饬鹘?jīng)第二和第三熱交換器以及水氣變換器的同時(shí)，氮?dú)獾臏囟戎饾u降低， 并且在氮?dú)饬鹘?jīng)第四熱交換器時(shí)，氮?dú)獾臏囟仍诘谒臒峤粨Q器的末端進(jìn)一步降低。然后，通 過(guò)C管路使溫度已降低的氮?dú)庋h(huán)到脫硫器的末端，但是循環(huán)的氮?dú)獾臏囟入S著轉(zhuǎn)化器溫 度的升高(這是由于用燃燒爐加熱轉(zhuǎn)化器而導(dǎo)致的)而逐漸升高。連續(xù)地進(jìn)行預(yù)熱氮?dú)獾倪^(guò)程，直至通過(guò)引入相當(dāng)于正常操作時(shí)所用水的約25% 35 %的水，然后使水與第一熱交換器中的高溫廢氣進(jìn)行熱交換，從而使水形成為蒸汽時(shí)為 止。當(dāng)確認(rèn)已經(jīng)形成蒸汽時(shí)，停止氮?dú)獾难h(huán)，根據(jù)水的含量引入烴原料，從而自發(fā)地純化 存在于反應(yīng)器中的氮?dú)?。此后，將水的含量逐漸升至100%，然后通過(guò)PSA單元制得純度為99. 99%或更高的氫氣，而將殘余氣體(廢氣)轉(zhuǎn)移到用于加熱轉(zhuǎn)化器的燃燒爐內(nèi)，然后回收并用作燃料。 在本發(fā)明的設(shè)置有熱交換網(wǎng)絡(luò)的氫發(fā)生器中，多個(gè)熱交換器彼此有序地組合，并 且由PSA單元排出的殘余氣體(廢氣)被再用作原料，從而使得熱效率比利用蒸汽轉(zhuǎn)化的 常規(guī)氫發(fā)生器的熱效率高70%。
權(quán)利要求
一種利用蒸汽轉(zhuǎn)化的氫發(fā)生器，具有脫硫器，其用于對(duì)烴原料進(jìn)行脫硫；轉(zhuǎn)化器，其用于通過(guò)將脫硫后的烴原料與水原料混合、然后利用燃燒爐加熱該混合物來(lái)進(jìn)行蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)，從而形成轉(zhuǎn)化氣體；水氣變換器，其用于將由所述轉(zhuǎn)化器得到的所述轉(zhuǎn)化氣體中的一氧化碳(CO)變換為由氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)組成的變換氣體；以及變壓吸附單元(PSA)，其用于從所述變換氣體中分離氫氣(H2)；所述氫發(fā)生器的特征在于，該氫發(fā)生器包括第一熱交換器，其用于在將所述水原料與所述脫硫后的烴混合之前，利用從所述燃燒爐中排出的廢氣將所述水原料過(guò)熱到水的蒸發(fā)溫度；第二熱交換器，其通過(guò)利用從所述轉(zhuǎn)化器中排出的所述轉(zhuǎn)化氣體對(duì)由脫硫后的烴原料和過(guò)熱的水組成的混合物進(jìn)行預(yù)熱；第三熱交換器，其用于在將所述轉(zhuǎn)化氣體引入到所述水氣變換器之前，利用外部空氣來(lái)降低所述轉(zhuǎn)化氣體的溫度；以及第四熱交換器，其用于在將所述變換氣體引入到PSA單元之前，利用自來(lái)水額外地降低從所述水氣變換器中排出的氣體的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中，所述烴原料、通過(guò)在所述第三熱交換器中進(jìn) 行的所述轉(zhuǎn)化氣體與空氣之間的熱交換而被加熱的空氣、以及流經(jīng)所述PSA單元4后的殘 余氣體被用作所述燃燒爐的燃料。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氫發(fā)生器，其中，所述的第一熱交換器、第二熱交換器、第三 熱交換器和第四熱交換器中的每一個(gè)均為翅片管型熱交換器或者殼-管型熱交換器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氫發(fā)生器，其還包括旁通管路，其用于控制引入到所述第三熱交換器中的空氣的量，從而將在所述水氣變 換器入口處的所述轉(zhuǎn)化氣體的溫度控制為180°C 200°C。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的氫發(fā)生器，其中，所述烴原料包括氣態(tài)或液態(tài)的烴，該氣 態(tài)或液態(tài)的烴包括LNG、LPG、石腦油、汽油、煤油等。
6 一種操作權(quán)利要求1或2的蒸汽轉(zhuǎn)化氫發(fā)生器的方法，該方法包括(a)重復(fù)預(yù)熱過(guò)程，直至預(yù)先被引入到第一熱交換器中的水原料形成為蒸汽時(shí)為止，所 述預(yù)熱過(guò)程包括下列步驟向轉(zhuǎn)化器中填充氮?dú)馐沟棉D(zhuǎn)化器的內(nèi)壓為6-8巴；利用烴原料 和外部空氣將轉(zhuǎn)化器加熱到700°C至800°C的溫度，以排出高溫氮?dú)?；使所排出的高溫氮?dú)?依次流經(jīng)第二熱交換器、第三交換器、水氣變換器和第四熱交換器；并且使從第四熱交換器 末端排出的氮?dú)庋h(huán)到脫硫器的末端；以及(b)當(dāng)在(a)中通過(guò)第一熱交換器形成了蒸汽時(shí)，停止向轉(zhuǎn)化器中供應(yīng)氮?dú)?，并且?烴原料引入到轉(zhuǎn)化器中，使得基于所供入的純水而言，蒸汽與碳的比例(S/C比)為2. 5 3 · 5 ο
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的操作氫發(fā)生器的方法，其中，在(a)中所引入的水原料相當(dāng)于 在正常操作時(shí)所用的水原料的約25% 35%。
全文摘要
本發(fā)明提供一種利用烴作為原料、通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝來(lái)產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生器及其操作方法，更具體的說(shuō)，本發(fā)明提供一種通過(guò)蒸汽轉(zhuǎn)化工藝來(lái)產(chǎn)生氫氣的氫發(fā)生器及其操作方法，其中由于水以單相蒸汽的方式被引入到所述氫發(fā)生器中，因此可穩(wěn)定地對(duì)該氫發(fā)生器進(jìn)行操作，并且可以利用適當(dāng)?shù)臒峤粨Q法使所述氫發(fā)生器實(shí)現(xiàn)高的熱效率。根據(jù)本發(fā)明，提供一種熱交換網(wǎng)絡(luò)，其中通過(guò)高溫廢氣或轉(zhuǎn)化氣體的熱交換來(lái)獲得轉(zhuǎn)化反應(yīng)所需的熱量，并且，在水氣變換反應(yīng)和PSA反應(yīng)(它們的反應(yīng)溫度低于轉(zhuǎn)化反應(yīng)的溫度)中，通過(guò)低溫空氣或水進(jìn)行熱交換，并且熱交換后的空氣以及PSA反應(yīng)中的殘余氣體與烴燃料一起被用作轉(zhuǎn)化反應(yīng)器的供熱源，從而最大程度地降低了氫發(fā)生器的熱損耗。
文檔編號(hào)C01B3/24GK101842314SQ200880114275
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月1日
發(fā)明者金一洙, 金明俊, 金榮大 申請(qǐng)人:Sk能源株式會(huì)社