[发明专利]一种以沼气为原料制备氢气的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种以沼气为原料制备氢气的方法，特别涉及一种催化燃烧工艺提供热量的以沼气为原料制备氢气的方法。

背景技术

沼气是有机物在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70％，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即可燃烧，每立方米纯甲烷的发热量为34000千焦。每立方米沼气的发热量约为20800～23600千焦，即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它可燃气体相比，沼气的抗爆炸性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质。可用作肥料和饲料。

中国是一个沼气资源相对丰富的国家，在我国目前利用沼气还多以沼气池为主，即以秸杆或牲畜粪便为主的连续进料的发酵工艺，形成以CH4和CO2为主的沼气直接燃烧。直接燃烧沼气得到的CO₂和H₂O直接排放于大气，CO₂作为含氧化合物的燃烧产物，其排放量正在以每年40％的速度递增。随着全球变暖，如何控制CO₂等温室气体排放已成为世界各国政府面临的巨大挑战。

目前，工业上采用的氢气制备方法包括甲烷水蒸气重整反应（SMR）和甲烷二氧化碳重整反应（CRM）。甲烷水蒸气重整反应的反应式为：CH₄+H₂O→CO+H₂，该方法制备氢气必须分离出CO，工艺繁琐；同时，该方法中H₂/CO≥3，不宜直接作为进行深度转化的羰基合成及费托合成的原料。甲烷二氧化碳重整反应的反应式为：CH₄+CO₂→2CO+2H₂，该方法中H₂/CO约为1,可直接作为进行深度转化的羰基合成及费托合成的理想原料，但是该反应是一种强吸热反应，需要装置提供大量的热能，增加了生产的成本。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中氢气制备方法工艺复杂，生产成本高的不足，提供一种以沼气为原料制备氢气的方法。该方法工艺简单，提高了装置的热能利用率，降低了生产成本。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种以沼气为原料制备氢气的方法，包括以下步骤：

A、原料沼气经第一换热器加热到340～360℃后，进入脱硫反应器进行脱硫，气体中的总硫量控制在20mg/m³以下；

B、脱硫后的气体经第二换热器加热到580～600℃后，进入管壳式反应器的管程，在催化剂的作用下进行重整反应；

C、将步骤B中得到的气体经第二换热器换热后送入CO变换器与过热水蒸气进行反应，反应得到的气体送入膜分离器进行分离，分离得到产品氢气和装置尾气；

D、将步骤C中得到的装置尾气送入管壳式反应器的壳程，在催化剂的作用下与空气发生催化燃烧反应；

E、将步骤D中得到的催化燃烧反应的高温烟气送入第一换热器换热后，送入蒸汽发生器加热脱盐水，得到的过热水蒸气作为反应气体送入CO变换器。

作为优选方式，所述步骤A中，原料沼气的压力为1.2MPa。

所述步骤B中，管壳式反应器包括反应器壳程、上封板和下封板，反应器壳程分别与上封板和下封板固定连接，所述反应器壳程的上部连接有烟气出口，中部连接有二次空气进口，下部一侧连接有一次空气进口，另一侧连接有尾气进气口；所述反应器壳程中连接有转化管，该转化管的两端分别设置有转化器法兰和转化气出口，转化管的上部连接有原料气进气口，转化管的内部设置有绝热堵头和转化催化剂托盘，所述转化器法兰与法兰盖连接；所述反应器壳程中依次设置有第一气体分布板、第二气体分布板和第三气体分布板。

所述步骤C中，膜分离器包括空腔、进气端和尾气出气端，所述空腔内设置有钯膜组件，所述空腔上设置有氢气出气管，空腔的两端分别设置有第一法兰和第二法兰，所述进气端与进气端封头连接，该进气端封头与第三法兰连接，所述第一法兰和第三法兰固定连接，第一法兰和第三法兰之间还设置有进气端管板，所述尾气出气端与出气端封头连接，该出气端封头与第四法兰连接，所述第二法兰和第四法兰固定连接，第二法兰和第四法兰之间还设置有出气端管板。