[发明专利]一种天然气制氢反应器及其制氢工艺

说明书

技术领域

本发明属于氢能与燃料电池技术领域，具体涉及一种天然气制氢反应器及其制氢工艺。

背景技术

我国天然气资源丰富，大部分主要分布在西部、西北部等偏远地区，导致其压缩、运输、储存、利用等成本较高。目前，为了实现天然气的经济利用，通常把天然气作为初始原料进行加工，生产多碳烃和醇等化合物，主要分两步完成：首先将甲烷转化成CO和H₂（即合成气），然后将合成气转化成多碳烃和醇类化合物，如采用F-T合成等方式。几乎含碳化合物均可制备合成气，如煤、天然气等，制备合成气的成本可变，主要由H₂/CO比、原料、制备工艺过程、规模、系统集成度和其它一些等因素决定。合成气用途广泛，可作为工业原料生产氨气、氢气、甲醇等。

近年来制氢过程引起了越来越多的关注，应用的目标主要是固定式和移动式的供热、供电系统。天然气制氢过程主要有四种反应途径：水蒸汽重整、CO₂重整、部分氧化和自热重整，各反应过程分别如下：

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q.------(1)

CH_4(g)+CO_2(g)→2CO_(g)+2H_2(g)+Q------(2)

CH_4(g)+0.5O_2(g)→CO_(g)+2H_2(g)-Q------(3)

CH_4(g)+2O_2(g)→CO_2(g)+2H₂O_(g)-Q₀-----(4-0)

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q₁------(4-1)

其中水蒸汽重整制氢过程技术最成熟，产氢量最高，应用最广泛。如方程（1）所示，甲烷水蒸汽重整制氢是一个吸热过程，因此需要提供足够的外供热才能保障甲烷水蒸汽重整过程的顺利进行。外供热的提供可以采取多种方式，含碳化合物的燃烧放热就是其中的一种。在天然气制氢反应器中，对于热量的有效控制和管理，尤其是当多个反应同时进行时吸热反应和放热反应的合理匹配耦合，是非常重要的，将直接影响到反应温度、转化率、反应器效率等。例如在同一反应器中，当反应吸热量和外供热量不平衡时，就会表现为反应温度不稳定，温度过高会导致局部形成热点，而温度过低时又会造成制氢速率降低直至反应停止。

当前重整制氢的固定床反应器普遍采用的是圆筒式，这种反应器虽然制作简单，但是在提高反应能力方面有一定的困难。要提高反应能力就要考虑如何提高换热面积和催化剂的装填量，对于这种圆筒式固定床反应器，提高反应能力的一般方法就是加大圆筒的直径来提高反应器的换热面积和催化剂的装填量，但这样会产生径向温度分布的不均匀，导致反应不易控制，而且能增加副反应的发生；如果改为单纯增加固定床反应器的高度，这样又会出现轴向温度分布的不均匀，从而导致反应的转化效率降低、选择性降低和产氢能量效率的降低。另外，当功率要求高到一定程度时，这种圆筒式反应器由于体积较大，不适合可移动的分散式制氢。因此，一些学者对紧凑式重整制氢反应器进行了研究，如何提高放热源和吸热源之间的传热效率就是一个核心问题。如何设计在有限空间内即能保障一定规模的制氢反应顺利进行又易于加工的制氢反应器，是研究紧凑式重整制氢反应器的另一个核心问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种天然气制氢反应器及其制氢工艺，该制氢反应器可以解决：一、改进传统圆筒式固定床反应器温度分布不均匀的问题；二、减小反应器的体积，使其能够满足分散式氢源的需要；三、减小重整吸热和燃烧放热之间的传热阻力，提高传热效率，提高反应效率和反应选择性。

本发明提供了一种天然气制氢反应器，该反应器由多个不同反应腔体组合而成，包含催化燃烧（1b）、重整（1c）、预催化燃烧（1d）、变换（1f）、净化（1h）5个反应区域和物料气化（1a）、两个物料预热（1e和1g）3个区域；两个制氢的原料气体入口为（12和13），一个产品气出口（14）；