[发明专利]用于生产氢的设备和用于操作该设备的方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于生产氢的设备，该设备包括：具有炉的蒸汽重整 反应器，在该反应器中水和至少一种碳能量载体反应以形成含氢粗合 成气体；以及用于净化粗合成气体的至少一个清洁装置，粗合成气体 从蒸汽重整反应器经由至少一个供给管路供给到所述至少一个清洁装 置。本发明另外还包括用于操作该设备的方法。

背景技术

所有能够用作合成反应的初始材料的含氢气体混合物原则上称为 合成气体。合成气体所用于的典型合成是甲醇和氨的合成。合成气体 分解成单独组分CO、H₂、CO₂、H₂O和CH₄同样形成用于重整设备的 广泛的应用领域。

合成气体的生产原则上能够从固体、液体和气体初始材料进行。 从气体反应物产生合成气体的最重要方法(所谓的重整)通常利用天然 气作为反应物。天然气基本上是气态烃的混合物，其成分根据原始场 所变化，其中主要组分始终是甲烷(CH₄)，且作为另外的组分，例如， 能够存在具有两个或更多个碳原子的较高的烃以及诸如硫的杂质。

为了重整天然气以形成合成气体，主要使用所谓的蒸汽重整，其 中存在的甲烷在催化剂存在时主要根据以下反应方程式进行转化以形 成氢(H₂₎、一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO₂₎：

和

当使用合适的催化剂时，且蒸汽被添加时，此外，根据所谓的富 气体反应发生形成甲烷的较高的烃的裂解：

利用水进行的甲烷转化以形成一氧化碳的较高吸热特性控制蒸汽 重整的总焓。该过程所需的能量输入(其因此是总体吸热的)通常经由外 部加热器(所谓的炉)实现。为此目的，碳能量载体的总蒸汽被分割且第 一部分作为反应物引入蒸汽重整中，而第二部分作为燃料气体供给到 炉中。原则上，而且，不同的碳能量载体能够被供给到蒸汽重整和炉 中。

甲烷转化能够通过增加蒸汽-碳比率，即通过超化学计量地添加蒸 汽来产生。

随后对合成气体的净化取决于合成气体的成分。如果合成气体包 含在下游过程中进一步使用的氢，则为了净化氢，压力摆动吸附(通常 也为PSA)通常被执行。

压力摆动吸附(PSA)是借助于吸附在压力下分离气体混合物的物 理方法。专用多孔材料(比如，例如，沸石或活性碳)此处用作吸附剂。 气体在10到80巴的高压力下引入填充有吸附剂的固定床反应器，并 且因此气体流过固定床。混合物的一个或更多个组分(所谓的重质组分) 然后被吸附。在床的出口处，所谓的轻质组分(在该情形中氢)能够被取 出。在一定时间之后，吸附器床基本上饱和，且某些重质组分共存。 此时，经由阀，该过程以轻质组分的出口被关闭且重质组分的出口被 打开这样的方式被切换。这伴随压力下降。经由低的压力，然后，吸 附的气体被再次解吸且能够在出口处被脱去。通常，两个交替地加载 的和排放的吸附器被连接，且因此连续的操作是可能的。

如果合成气体还包含一氧化碳，净化通常还包括CO₂去除器、合 成气体干燥单元和低温合成气体分离设备或低温合成气体分离设备 (CO冷箱)。

CO₂去除器通常是洗涤器，其中胺或碳酸盐被用作洗涤介质。在 该情形中，在第一步骤中，CO₂积聚在洗涤介质中并且然后与洗涤介质 一起被转移到第二分离步骤。在第二步骤中，洗涤介质和CO₂再次彼 此分离，据此CO₂能够以浓缩形式被脱去。

在干燥中，仍源自蒸汽重整的水从合成气体去除。干燥单元通常 是温度摆动吸附单元(TSA)。

在低温分离设备中，CO气体从仍存在于合成气体中的其它组分分 离。

除CO气体之外，在低温分离设备中，富含氢的流和一种或更多 种残留气体流产生。为了净化富含氢的流，通常使用压力摆动吸附， 其将氢从所谓的PSA残留气体分离出来。

根据单独净化阶段的可能连接变量，残留气体包含未反应的甲烷、 较高值的烃、CO₂、H₂O、惰性气体(比如氮和氩)以及还有未分离的氢。