[发明专利]基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢的装置及方法

权利要求书

1.一种基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢的装置，其特征在于：包括保温渣罐（1），所述保温渣罐（1）通过水口（2）连接粒化装置（3），所述粒化装置（3）连通转化炉（7），所述转化炉（7）炉底设置有供气装置（8）和排渣装置（9），所述转化炉（7）顶部连通催化反应器（12），所述催化反应器（12）顶部一侧通过水平气道连通转化气余热锅炉（13），所述转化气余热锅炉（13）的转化气出口依次连通中温变换反应器（15）、变压吸附装置（16），所述变压吸附装置（16）的脱附尾气出口通过管道连通粒化装置（3）， 所述粒化装置（3）由拉瓦尔结构的气体喷嘴和扩张通道组成，水口（2）的连通口位于气体喷嘴与扩张通道之间，粒化装置（3）通过扩张通道布置在转化炉（7）的侧面上部炉壁上， 所述扩张通道为夹层结构，夹层内壁设有通风喷孔，天然气和适量氧气进入粒化装置（3）的气体喷嘴内，天然气和氧气混合气体通过气体喷嘴拉瓦尔喉部加速形成超音速气流，超音速气流喷出喷嘴横向冲击水口（2）流出的渣液，克服渣液的表面张力和粘度约束，使液态冶金渣破碎成微液液滴；分散在混合气中形成气液流，期间天然气、氧气发生弱氧化反应放热，使气液流温度不低于冶金渣熔化温度，渣液不凝固黏结，并在扩张通道壁喷射脱附尾气形成气膜，气液混合流通过扩张通道喷入转化炉（7）炉腔，渣中含有具有较高催化活性的金属氧化物。

2.根据权利要求1所述的一种基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢的装置，其特征在于：所述转化气余热锅炉（13）和转化炉（7）均与汽包（14）连通，产生的饱和蒸汽送入转化炉（7）底部的供气装置（8），富余的蒸汽外送。

3.根据权利要求1所述的一种基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢的装置，其特征在于：所述水平气道内设置气固分离装置。

4.根据权利要求1所述的一种基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢的装置，其特征在于：所述供气装置（8）与开工蒸汽管道连通。

5.一种基于液态冶金渣显热的天然气水蒸气重整制氢方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1-4任一项所述的装置，制氢方法的步骤为：

S1，系统启用前，先对保温渣罐（1）、水口（2）和粒化装置（3）进行烘干和预加热处理，待预热温度达到1000℃时，将液态冶金渣引流到保温渣罐（1）内，保持渣液流动度，流动度高的渣液通过水口（2）流入粒化装置（3）的气体喷嘴与扩张通道之间；

S2，天然气和适量氧气进入粒化装置（3）的气体喷嘴内，天然气和氧气混合气体通过气体喷嘴拉瓦尔喉部加速形成超音速气流，超音速气流喷出喷嘴横向冲击水口（2）流出的渣液，克服渣液的表面张力和粘度约束，使液态冶金渣破碎成微液液滴；分散在混合气中形成气液流，期间天然气、氧气发生弱氧化反应放热，使气液流温度不低于冶金渣熔化温度，渣液不凝固黏结，并在扩张通道壁喷射脱附尾气形成气膜，气液混合流通过扩张通道喷入转化炉（7）炉腔；

S3，开工蒸汽通过转化炉（7）炉底供气装置（8）通入炉内，在炉内与气液混合流剧烈混合，直接融合接触，发生天然气蒸汽重整反应，并强烈吸热，转化成含有H₂、CO、CH₄转化气；气液混合流被重整反应吸热，混合流温度降低于冶金渣熔化温度，混合流中的液滴凝固形成渣粒，混合流流速降低，渣粒从气流中分离沉降，沉降渣粒与炉底上升的蒸汽逆流换热，渣粒被冷却从炉底排渣装置（9）排出炉外，蒸汽被加热至500℃以上温度；

S4，天然气蒸汽发生重整反应的转化气从转化炉（7）上升，经炉顶与催化反应器（12）连接部位的缩扩口加速，进入催化反应器（12）流化床体，在流化床里转化气催化剂气固两相由于气流的作用，产生激烈的湍动与混合，充分接触，在上升的过程中，不断形成聚团物向下返回，而聚团物在激烈湍动中又不断解体重新被气流提升，使得气固间的滑移速度高达单颗粒滑移速度的数十倍；

S5、完成重整反应的转化气经催化反应器（12）顶部进入水平气道，转化气在水平气道减速，转化气中夹带的固体催化剂重力沉降，沉降物经集尘斜槽再进入催化器反应器，除尘后的转化气从水平气道进入转化气余热锅炉（13），经余热锅炉换热后的转化气进入中温变换反应器（15），通过变换反应进一步将其中的H₂O转化为H₂，同时将CO转化为CO₂,从而提高产物的H₂/CO 比，经过中温变换后的转化气体冷却后通入变压吸附装置（16）进行H₂的提纯，H₂纯度达到 99.9%。