本发明专利技术涉及一种利用致密混合导体透氧膜反应器实现焦炉煤气催化、部分氧化重整煤气以制取氢气的系统装置，属焦炉煤气制氢工艺技术领域。本发明专利技术的焦炉煤制氢系统装置采用的关键重要主体装置为混合导体透氧膜反应器，它是由陶瓷材料透氧膜、被透氧膜分隔的上下两空间即上侧的空气侧空间和下侧的重整煤侧空间，及外壳体组成；系统装置设置有以下各系统：（１）氧源空气供送系统；（２）焦炉煤气供送系统；（３）经氧化重整反应后产物的输出系统；（４）其他附属装置。本发明专利技术系统装置能把大量的焦炉煤气中全部含能组分全部转化为氢气，使焦炉煤气制得氢气的量成倍提高。由于用混合导体透氧膜来供氧，其成本有可能比空气分离法制氧降低达５０％。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种利用致密温合导体透氧膜反应器实现焦炉煤气催化、部分氧化重整煤气 以制取氢气的系统装置，属焦炉煤气制氢工艺
技术背景随着人类社会的发展，人类赖以生存的能源体系也不断发生着变化。氢被认为是二十一 世纪的理想能源之一，已引起人们广泛的重视。目前，要实现氢能的广泛利用，开发具备规 模化和经济性的制备技术是迫待解决的关键问题之一。氢能属于二次能源，只能由其他能源 进行转化而得到。目前，在各种制氢的方法中，虽然利用太阳能、风能、地热等可再生能源 制氢是最理想的模式，但现在利用这些可再生能源通过光解、热解、电解或微生物分解等方 法制备的氢能都不具备规模化和经济性。目前世界上可用于规模制氢的成熟方法主要是水电 解和化石能源制氢(煤、天然气和液体化石能源)。如果利用水电解制氢，水电解1陶％的理 论电耗为2. 95kWh，实际电耗5 6kWh，商品价为4 6元/顺％，即45 65元/kg仏，远高于 利用化石能源制氢的价格。比较各种制备方法，综观国内的资源状态和特点，近中期能够实 现大规模经济制氢最有可能的途径是利用焦化过程所产生的含能炉气。焦炉煤气的成分按体 积百分数计，主要是H2 (约占53 59%)、 CH4(约占25 30%)，其次是C0 (6%左右)、C02 (2. 5% 左右)、N2 (4%左右)、02 (0.5%左右)、C Hn (2.5%左右)。2003年全国焦炉副产净煤气资源总 量为799亿Nm3,到2005年，焦炉副产总煤气量高达约966亿Nm3。相当多独立的焦化厂由于 找不到合适的用途，大量的煤气通过点"天灯"的方式白白烧掉，或直接排入大气，造成能 源的浪费和环境的污染。据山西省环保局的统计，2004年山西省年炼焦8000万吨，产生焦 炉煤气约300多亿Nm3，其中点"天灯"排放的约有200亿Nm3。目前通过变压吸附(PSA)技 术对焦炉净煤气中的原始H2组分进行分离和纯化制氢已是比较成熟的工业化工艺。此工艺中 只回收了炉气中的原始H2组分。焦炉煤气中除了氢气外，还含有C仏、CO和C凡等含能组分， 如果把焦炉煤气中这些含能组分经过合适的重整工艺转化得到的氢气，可以使从焦炉煤气中 获得氢气的量成倍提高。利用混合导体透氧膜反应器及相关技术，可以直接从空气中动态地获得纯氧，实现氧分 离过程和煤气中甲烷部分氧化过程的耦合，从而大大的降低了能耗、设备投资及操作成本。致密的混合导体透氧膜是高温气体分离和膜催化反应中一类重要的无机膜，之所以称为 混合导体膜材料是指该材料同时具有电子和氧离子导电性的特点，氧在膜中传输的动力是膜两侧的氧分压差，只要膜两侧存在氧分压差，空气中的氧就会源源不断传输到膜反应器的反 应侧。混合导体透氧膜是完全致密的陶瓷材料，在混合导体透氧膜中氧是以离子的形压传输的， 理论上透氧膜对氧的扩散选择性为100%，即此类膜只能传输氧离子，其他的气体分子(如空 气中的氮气)是不能传输过去的，这在传输机理上与多孔无机膜具有本质的区别，而且此类 材料的高透氧量可以与微孔膜的渗透量相当。由于在混合导体材料中同时存在氧离子传输和反向的电子传输，所以此类膜与固体电解 质致密膜也不尽相同，混合导体膜工作时不需要外加回路来抵消纯离子导体的固体电解质致 密膜条件下产生的反向电势，这样使膜反应器的设计研制便捷。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用混合导体透氧膜反应器实现焦炉煤气催化、部分氧化重整 煤气以制取氢气的系统装置。本专利技术一种利用致密混合导体透氧膜反应器的焦炉煤气制氢系统装置，该系统装置的特 征是采用最重要的主体装置混合导体透氧膜反应器，它是由透氧膜、被透氧膜分隔的上下两 空间即上侧的空气侧空间和下侧的重整煤气侧空间及外壳体所组成；所述的系统装置设置有 以下各系统-a. 输送至透氧膜反应器上侧的空气侧空间的氧源空气供送系统该系统包括有氧源空气 入口、压縮机、高温空气废热回收器、加热器、旁通调温阀及管道；b. 输送至透氧膜反应器下侧的重整煤气空间的焦炉煤气供送系统该系统包括有煤气入 口、压缩机、初预热器旁通调温阀及管道、干法脱硫装置、高温空气废热回收器、旁通调温 阀及管道、重整煤气一次预热器。C.经氧化重整反应后产物的输出系统该输出系统包括有重整煤气一次换热器、重整煤 气二次换热器、高温水煤气变换装置、冷凝器、低温水煤气变换装置、冷凝器、气液分离器、 变压吸附装置、高纯度H出口和C02尾气出口；d.其他附属装置送水进口处的水泵；由气液分离器排出的可循环水出口管。 利用透氧膜供氧实现焦炉煤气中甲烷部分氧化重整的基本原理如下致密的混合导体透氧膜一侧是焦炉煤气，另一侧是空气，空气中的氧经过透氧膜渗透到 焦炉煤气侧和其中的甲垸发生部分氧化反应生成一氧化碳和氢气。由于在焦炉煤气侧甲烷的 部分氧化反应把透氧膜表面的氧很快消耗掉，使焦炉煤气侧透氧膜表面的氧分压很低(一般为10—22大气压)，而空气侧透氧膜表面的氧分压很高(为空气中氧分压0.21大气压)，这样在透氧膜两侧始终存在一个很大的氧分压差驱动力，空气侧的氧会源源不断地渗透过透氧膜到 焦炉煤气侧参加焦炉煤气中甲烷的部分氧化反应，为了调整部分氧化反应过程的放热，可以 在反应体系中透入适量的水蒸气。焦炉煤气中甲烷部分氧化重整的反应机理如下甲烷的部分氧化反应CH4+1/202=C0+2H2，所谓部分氧化反应是相对于完全氧化反应 CH,l/202《0+2H2来说的，部分氧化反应中甲烷被氧化为中间产物C0和H2，即为了制氢，使 反应产物中氢气，而不是完全氧化成水和二氧化碳。由于甲烷的部分氧化反应是一个放热反应CH4+l/202-C0+2H2 (AH=-36KJ)，为充分利用热 量，消除反应器的积热和温度升高，同时产生更多的氢气，在反应器中加入适量的水蒸气， 因为甲垸的水蒸气重整反应是一个吸热应反(CH4+H20=C0+3H2 AH=206KJ)。本专利技术焦炉煤气制氢系统装置的优点是能把大量的焦炉煤气中全部含能组分尽可能的 全部转化为氢气，使焦炉煤气制得氢气的量成倍提高。由于用混合导体透氧膜来供氧，其成 本有可能比空气分离法制氧降低近50%。本专利技术采用混合导体透氧膜反应器中甲烷催化部分氧化重整技术，与传统的直接供氧下 甲垸部分氧化重整方法相比，省去了纯氧的制备(低温分离或变压吸附过程)，反应可以直接 从空气中动态地获得纯氧，实现氧分离过程和甲垸部分氧化过程的耦合，从而大大的降低了 能耗、设备投资及操作成本。由于混合导体透氧膜反应器中的氧是通过氧扩散控制的，从而 防止了固定床反应中存在爆炸的可能，显著缓解在固定床反应器中进行甲烷部分氧化重整反 应所产生的飞温问题，保护了催化剂，延长了催化剂的寿命。本系统装置中设置了多级、多部位换热单元，充分利用了重整煤气和高温贫氧空气的废 热，甲烷重整过程中加入适量的水蒸气，提高了透氧膜重整侧平衡体系的氧势，可以有效的 防止积碳和保护透氧膜。参见附图说明图1，本专利技术的设有混合导体透氧膜反应器的焦炉煤气制氢系统装置，采用了最重 要的主体装置混合导体透氧膜反应器，它是由透氧膜9、被透氧膜分隔的上下两空间即上侧 的空气侧空间％和下侧的重整煤气侧空间9a人外壳10所组成；所述的系统装置有以下各系 统(1)输送至透氧膜反应本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种利用致密混合导体透氧膜反应器的焦炉煤气制氢系统装置，该系统装置的特征是采用最重要的主体装置混合导体透氧膜反应器，它是由透氧膜（９）、被透氧膜分隔的上下两空间即上侧的空气侧空间（９ｂ）和下侧的重整煤气侧空间（９ａ）、及外壳体（１０）所组成；所述的系统装置设置有以下各系统： ａ．输送至透氧膜反应器上侧的空气侧空间（９ｂ）的氧源空气供送系统：该系统包括有氧源空气入口（１８）、压缩机（１９）、高温空气废热回收器（６）、加热器（２０）、旁通调温阀及管道（２１）； ｂ．输送至透氧膜反应器下侧的重整煤气空间（９ａ）的焦炉煤气供送系统：该系统包括有煤气入口（１）、压缩机（２）、初预热器（３）旁通调温阀及管道（４）、干法脱硫装置（５）、高温空气废热回收器（６）、旁通调温阀及管道（８）、重整煤气一次预热器（７）。 ｃ．经氧化重整反应后产物的输出系统：该输出系统包括有重整煤气一次换热器（７）、重整煤气二次换热器（１１）、高温水煤气变换装置（１２）、冷凝器（１３）、低温水煤气变换装置（１４）、冷凝器（１５）、气液分离器（１６）、变压吸附装置（１７）、高纯度Ｈ出口（２５）和ＣＯ↓［２］尾气出口（２６）； ｄ．其他附属装置：送水进口（２３）处的水泵（２４）；由气液分离器（１６）排出的可循环水出口管（２７）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张玉文，丁伟中，鲁雄刚，徐匡迪，秦国利，沈培俊，杨志彬，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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