[发明专利]一种甲烷重整制氢燃烧器中烟气的水蒸气分离及回用装置和方法

说明书

本发明公开了一种适用于甲烷重整制氢燃烧器中烟气的水蒸气分离及回用装置和方法，将烟气的余热高效回收，再将水蒸气分离，回用于甲烷水蒸气重整反应中，实现余热高效利用，烟气水蒸气回用。

技术领域：

本发明涉及一种适用于甲烷重整制氢燃烧器中烟气的水蒸气分离及回用装置和方法。

背景技术：

目前随着石油资源的日益枯竭和环境污染的日益严重，开发和利用清洁、廉价的燃料资源受到普遍关注。氢气是一种理想的清洁能源，其燃烧物只有H₂O，对环境无任何污染。因此，氢气在航天、城市交通、燃料电池等各方面广泛应用。甲烷来源丰富，是制氢的首选原料。甲烷水蒸气重整制氢制氢工艺产氢率高，氢气纯度高，是解决氢源的有效途径。甲烷水蒸气重整反应是需要用到甲烷和纯净的去金属离子水蒸气，通常反应温度要在800℃以上才能达到足够的平衡转化率。这个反应热量由燃烧器中的甲烷燃烧提供，甲烷燃烧的反应式为燃烧的烟气中带含高热量的纯净水蒸气气体等，目前并没有公开高效回收利用的方法。

发明内容：

本发明的目的是提供一种适用于甲烷重整制氢燃烧器中烟气的水蒸气分离及回用装置和方法，将烟气的余热高效回收，再将水蒸气分离，回用于甲烷重整反应中，实现余热高效利用，烟气水蒸气回用。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

一种适用于甲烷重整制氢燃烧器中烟气的的水蒸气分离及回用装置，该装置包括改进的甲烷水蒸气重整制氢反应装置，所述反应装置内壁设有绝热材料，该反应装置顶部设有原料气管、进水管，反应装置上部为预热室，预热室中央设有套管，套管中央设有热电偶，套管内管外壁螺旋状缠绕有燃料气管，套管外管外壁缠绕有空气进气管，套管内外管之间的空腔形成烟气排出管；所述燃料气管一端伸出反应装置顶部连通气源，另一端连通预热室下端的燃烧室；所述空气进气管一端伸出反应装置顶部连通空气，另一端连通预热室下端的燃烧室；所述烟气排出管依次连通缓冲罐、气体压缩机、气体分离器，冷凝器、液态水储存罐、水泵，最后跟反应装置顶部进水管连通，形成一个循环回路；所述气体分离器一端还连通N₂收集罐；所述冷凝器还连通CO₂收集罐；所述反应装置下部中央为燃烧室，甲烷水蒸气重整制氢反应室分布在燃烧室四周，甲烷水蒸气重整制氢反应室分别跟原料气管、进水管连通；甲烷水蒸气重整制氢反应室还设有产品气出气管，燃料气经由燃料气管进入，空气经由空气进气管进入，经过预热室的预热，到达燃烧室进行燃烧，燃烧后的烟气经过烟气排出管排出。

所述气体分离器设有中空纤维分离膜、分子筛、活性炭吸附剂的其中一种，利用氮气与水蒸气、二氧化碳的渗透率、分子直径的不同，实现行氮气和水蒸气、二氧化碳的分离。

所述冷凝器冷凝管的冷却液是纯净的去离子水。

一种适用于甲烷重整制氢燃烧器中烟气的水蒸气分离及回用方法，该方法利用上述装置，包括以下步骤：

1)甲烷燃料气经由燃料气管进入，空气经由空气进气管进入，经过预热室，到达燃烧室进行燃烧，并释放出热量提供给甲烷水蒸气重整制氢反应室进行甲烷水蒸气重整制氢反应得到氢气，燃烧后烟气经过预热室内的烟气排出管道流走，同时烟气经过预热室进行换热，将余热传递给缠绕在套管内外管壁的甲烷燃料气和空气，控制换热条件，使烟气温度降为100-150℃，烟气经过缓冲罐后，再经过气体压缩机将气体输送进气体分离器，将氮气和水蒸气以及二氧化碳分离，分离后氮气收集起来；

2)经步骤1)分离后得到的水蒸气和二氧化碳经过冷凝器，水蒸气冷凝成液体，与气体二氧化碳分离，经收集，再经水泵输送进入反应装置顶部进水管进行甲烷水蒸气重整反应制氢；

3)收集经步骤2)冷凝器分离后二氧化碳。

特别地，冷凝器水冷凝管中经过纯净水蒸气换热后，水的温度上升，也用于甲烷水蒸气重整反应。