[发明专利]用于增加由蒸汽甲烷重整器产生的合成气中一氧化碳含量的系统和方法

说明书

一种用于生产液体燃料的系统，包括烃源、被配置为输出包含预定量的CO₂的阳极排气的燃料电池单元、以及被配置为接收来自该烃源的第一烃进料部分和来自燃料电池单元的阳极排气的重整器，使得该重整器配置成输出具有至多2:1的第一H₂/CO比的合成气。

相关专利申请的交叉引用

本申请要求2016年8月30日提交的美国临时专利申请62/381,375的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及蒸汽甲烷重整器(SMR)。特别地，本公开涉及用于增加由SMR生产的合成气中的一氧化碳含量的系统和方法。

背景技术

蒸汽甲烷重整器(SMR)通常用作从天然气、炼油气或生物气等气体原料生产合成气的低成本方案。生产的合成气可以在工厂内进一步加工以产生各种最终产物，包括纯化的氢、甲醇、一氧化碳和氨。

农业运营、垃圾填埋场内的分解垃圾、市政水处理厂和食品及饮料加工厂产生的生物质必须以环保和经济的方式进行处理。厌氧消化器可以将生物质的规模减少十倍，显著降低倾倒或处置费用；然而，消化过程和生物质的腐烂产生甲烷或生物气，其可被认为是不期望的温室气体。生物气可以燃烧，但燃烧过程会产生污染物，如一氧化氮(NO_x)，其产生烟雾并浪费潜在的燃料来源。捕获和使用生物气作为燃料来生成液体燃料以碳中性的方式解决了这些挑战。

在蒸汽甲烷重整过程中，高温蒸汽用于从甲烷源(例如天然气或生物气)产生合成气。参见图1A和1B。在吸热重整反应中，根据下式(1)，甲烷在催化剂存在下与蒸汽反应，以产生氢气和一氧化碳：

同时，根据下式(2)，发生轻微放热的水煤气变换反应，其中使用催化剂使一氧化碳和蒸汽反应以产生二氧化碳和更多氢气：

水煤气变换反应也可以逆向进行，从二氧化碳和氢气产生一氧化碳。合成气(syngas)或合成气体(synthesis gas)是由这些反应产生的氢气、一氧化碳和一些二氧化碳组成的燃料气体混合物。

可以进行变压吸附(PSA)的附加步骤，其中从气流中除去二氧化碳和其他杂质，例如未转化的甲烷和水，基本上仅留下氢气和一氧化碳。然后该氢和一氧化碳可用于生产高级烃，例如甲醇、其他醇或来自费托(FT)反应的液体。

气态烃的蒸汽重整被视为向低温燃料电池提供氢燃料的潜在方式。在这种情况下，较低温度变换反应器位于重整器和PSA之间，以将来自重整器的大部分CO转化为H₂和CO₂。而且，CO与CO₂和其他杂质一起从变换的合成气中除去，以产生纯H₂。

甲醇可以根据下式(3)由合成气合成：

式(3)的反应可以在催化剂(例如铜基催化剂)存在下进行。

相对于二氧化碳，优选一氧化碳作为生产甲醇的反应物。因此，希望生产与通常由SMR生产的合成气相比具有更高的一氧化碳含量的合成气，特别是当甲烷是进料气体时。此外，需要非常低的二氧化碳含量，因为CO₂与H₂反应产生CO+H₂O，而H₂O降低了反应速率和所需产物的产率。为获得最佳结果，用于将合成气转化为甲醇和其他FT液体化合物的理论上最佳的化学计量数为2.0，如下面的式(4)所示：

换句话说，对于甲醇合成，希望氢气与一氧化碳的比例为2:1而没有任何CO₂。

二甲醚(DME)可以根据下式(5)通过甲醇脱水合成：