使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法技术

本发明专利技术描述了一种使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法。原料气和燃烧气体在反应器中的反应通过原料气的热解产生氢气和氮气。可调节工艺参数以控制产生的氢气与氮气的比例，从而使其例如适合于氨合成。从而使其例如适合于氨合成。从而使其例如适合于氨合成。

【技术实现步骤摘要】
使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法


[0001]本公开涉及一种使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法。例如，使用原料气反应器可生产用于氨合成的氢气和氮气。

技术介绍

[0002]很多行业依赖于工业氢气(H2)的使用，包括石油生产、氨生产、甲醇生产等。大约有96％的工业氢气源自化石燃料，其中大部分是通过天然气的蒸汽甲烷重整(SMR)生产的。这种现用工艺也造成了严重的温室气体排放。例如，SMR每生产一吨氢气会产生10
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17吨二氧化碳(CO2)。除非对二氧化碳排放的处罚大幅增加，否则向SMR烟道气流增加二氧化碳清除和截存措施通常在成本上是不堪承受的。
[0003]尤其是，氨生产是全球二氧化碳(CO2)温室气体排放的一个主要排放源，大约占全球二氧化碳排放量的1％。用于氨合成的氢原料的生产本身占氨生产过程排放的总二氧化碳的大约50％，而排放的平衡与从氢气和氮气原料进行氨合成的哈伯
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博施工艺所需的能量需求相关。
[0004]用于氨合成的现用氢气生产方法涉及天然气的蒸汽重整(蒸汽甲烷重整：SMR)。SMR产生富氢合成气(或“合成气”)，然后对该合成气进行净化，以产生用于氨生产的氢气。SMR的缺点是，它还产生含大量二氧化碳的烟道气流，该烟道气流通常会被排放到大气中。该烟道气的典型碳强度在10至17公斤二氧化碳当量/公斤氢气的范围内。虽然可从烟道气分离并截存二氧化碳排放以减少该工艺的环境影响，但是这种附加的工艺步骤会导致很大成本，这会影响用于氨合成法合成气生产的低碳强度工艺的总体经济可行性。
[0005]用于氨合成的氮气在传统上是通过空气分离装置(ASU)或重整过程的供气二次部分氧化(POX)阶段产生的。二段重整器使来自一段重整器的合成气进一步反应，并在去除残余的碳氧化物后为氨生产提供足够的空气。ASU方案通常是一种大型低温分离器，它将空气分离成氧和氮的分子成分。ASU的运转非常耗能，设备本身也需要大量的投资支出。
[0006]两段重整是最常用的氨合成气生产方法，在现有技术中是众所周知的。已经进行了许多工艺改进以提高氨原料生产的重整工艺效率，例如在美国专利申请公告2019/0023565中说明的改进。现有技术还提出了一种改良的氨合成方法，例如在美国专利4,846,851和美国专利10,464,818中所述。虽然这些工艺改进之中的每一种都能渐进地提高整个工艺的效率，但是它们仍然是渐进的改进，因此也是减排方面的渐进改进。
[0007]可持续氢气生产的替代方法包括使用电解器从可再生电能生产氢气，或者使用热解将天然气分解成纯氢气和可截存的固体碳，所述热解中的反应热是由可再生电源提供的。虽然这种系统能产生可持续的低碳氢排放源，但是这种技术与现用方法相比没有成本竞争力，并且没有被广泛采用。

技术实现思路

[0008]根据本公开的第一方面，提供了一种使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法，
所述原料气反应器包括通过一个或多个流体流动路径流体连接至燃烧室的反应室，所述方法包括：向反应室引入含烃的原料气；向燃烧室引入可燃气体混合物，其中所述可燃气体混合物包括空气以及一种或多种可燃气体；使可燃气体混合物在燃烧室中燃烧，以形成一种或多种包含氮气的燃烧产物气体，并使所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分经由所述一个或多个流体流动路径流入反应室并与原料气混合，其中，作为所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分与原料气混合的结果，能量从所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分转移到原料气，从而引起化学反应，以将原料气分解成一种或多种包含氢气的反应产物气体；从原料气反应器中提取混合产物流，其中该混合产物流包含来自一种或多种反应产物气体的氢气和来自一种或多种燃烧产物气体的氮气；从混合产物流收集氢气和氮气；并且调节所述方法的一个或多个参数，从而按照所需的比例进行氢气和氮气的收集。
[0009]氢气与氮气的所需比例可在大约1:1和大约5:1之间。
[0010]氢气与氮气的所需比例可以是大约3:1。
[0011]所述一个或多个参数可包括以下参数中的一个或多个：反应室入口处的原料气的压力；反应室入口处的原料气的温度；燃烧室入口处的可燃气体混合物的压力；燃烧室入口处的可燃气体混合物的温度；可燃气体混合物中的空气的化学计量量；从燃烧室排出的气体量；以及混合产物流所通过的氢气分离器的氢气分离度。
[0012]提取混合产物流可包括从反应室提取包含所述一种或多种反应产物气体的至少一部分的反应产物气流。
[0013]提取混合产物流可包括从燃烧室提取包含所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分的燃烧产物气流。
[0014]所述方法还可包括排出至少一部分燃烧产物气流。
[0015]调节所述一个或多个参数可包括调节燃烧产物气流的排出气体量，其中所述排出气体量表示排出的燃烧产物气流的相对量。
[0016]调节排出气体量可包括调节下列项目之中的一个或多个：所述至少一部分燃烧产物气流的排出时长；所述至少一部分燃烧产物气流的排出频率；用于排出所述至少一部分燃烧产物气流的一个或多个排气孔的尺寸；用于排出所述至少一部分燃烧产物气流的排气口的数目；以及用于排出所述至少一部分燃烧产物气体流的排出流动路径上的压降。
[0017]所述排出气体量可以是在燃烧室中形成的所述一种或多种燃烧产物气体量的大约10％至大约100％。
[0018]所述排出气体量可以是在燃烧室中形成的所述一种或多种燃烧产物气体量的大约80％。
[0019]调节排出气体量可基于所述方法的实测或推断的工艺参数。
[0020]所述实测或推断的工艺参数可包括以下参数之中的一个或多个：混合产物流中的氢气的浓度；原料气的流速；以及混合产物流中的氢气与氮气的比例。
[0021]引入原料气、引入可燃气体混合物和燃烧可燃气体混合物的步骤可作为多个相应反应循环的一部分重复多次，并且排出所述至少一部分燃烧产物气流的步骤可在每个反应循环或每个预设数量的反应循环中执行。
[0022]调节所述方法的一个或多个参数可包括将可燃气体混合物中的空气的化学计量量控制在大约0.6至大约1.4或大约1.1至大约1.4的范围内。
[0023]控制可燃气体混合物中的空气的化学计量量可包括将可燃气体混合物中的空气的化学计量量控制在大约1.2。
[0024]控制可燃气体混合物中的空气的化学计量量可包括调节以下项目之中的一个或多个：燃烧室的第一入口处的所述一种或多种可燃气体的压力；以及燃烧室的第二入口处的空气压力。所述第一入口和第二入口可以是相同或不同的入口。
[0025]调节所述方法的一个或多个参数可包括通过控制以下装置之中的一个或多个来控制燃烧室入口处的可燃气体混合物的压力或温度：用于使从原料反应器提取的尾气再循环的压缩机；以及用于向原料反应器输送氧化剂的供气压缩机。
[0026]调节所述方法的一个或多个参数可包括通过控制以下装置之中的一个或多个的输出来控制反应室入口处的原料气的压力本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用原料气反应器生产氢气和氮气的方法，所述原料气反应器包括经由一个或多个流体流动路径流体连接至燃烧室的反应室，所述方法包括：向所述反应室引入含烃的原料气；向所述燃烧室引入可燃气体混合物，其中所述可燃气体混合物包括空气以及一种或多种可燃气体；使所述可燃气体混合物在所述燃烧室中燃烧，以形成包含氮气的一种或多种燃烧产物气体，并使所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分经由所述一个或多个流体流动路径流入所述反应室并与所述原料气混合，其中，作为所述一种或多种燃烧产物气体的所述至少一部分与所述原料气混合的结果，能量从所述一种或多种燃烧产物气体的所述至少一部分转移到所述原料气，由此引起化学反应，以将所述原料气分解成包含氢气的一种或多种反应产物气体；从所述原料气反应器中提取混合产物流，其中所述混合产物流包含来自所述一种或多种反应产物气体的氢气和来自所述一种或多种燃烧产物气体的氮气；从所述混合产物流收集氢气和氮气；和调节所述方法的一个或多个参数，从而按照所需比例进行氢气和氮气的收集。2.如权利要求1所述的方法，其中，氢气与氮气的所需比例在约1:1与约5:1之间。3.如权利要求1所述的方法，其中，氢气与氮气的所需比例是约3:1。4.如权利要求1
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3中任一项所述的方法，其中，所述一个或多个参数包括以下参数中的一个或多个：所述反应室入口处的所述原料气的压力；所述反应室入口处的所述原料气的温度；所述燃烧室入口处的所述可燃气体混合物的压力；所述燃烧室入口处的所述可燃气体混合物的温度；所述可燃气体混合物中的空气的化学计量量；从所述燃烧室排出的气体量；以及所述混合产物流所通过的氢气分离器的氢气分离度。5.如权利要求1
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4中任一项所述的方法，其中，提取所述混合产物流包括从所述反应室提取包含所述一种或多种反应产物气体的至少一部分的反应产物气流。6.如权利要求1
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5中任一项所述的方法，其中，提取所述混合产物流包括从所述燃烧室提取包含所述一种或多种燃烧产物气体的至少一部分的燃烧产物气流。7.如权利要求6所述的方法，还包括排出所述燃烧产物气流的至少一部分。8.如权利要求7所述的方法，其中，调节所述一个或多个参数包括调节所述燃烧产物气流的排出气体量，其中所述排出气体量表示排出的所述燃烧产物气流的相对量。9.如权利要求8所述的方法，其中，调节所述排出气体量包括调节以下中的一者或多者：所述燃烧产物气流的所述至少一部分的排出时长；所述燃烧产物气流的所述至少一部分的排出频率；用于排出所述燃烧产物气流的所述至少一部分的一个或多个排气孔的尺寸；用于排出所述燃烧产物气流的所述至少一部分的排气口的数目；和
用于排出所述燃烧产物气流的所述至少一部分的排出流动路径上的压降。10.如权利要求8或9所述的方法，其中，所述排出气体量是在所述燃烧室中形成的所述一种或多种燃烧产物气体量的大约10％至大约100％。11.如权利要求10所述的方法，其中，所述排出气体量是在所述燃烧室中形成的所述一种或多种燃烧产物气体量的大约80％。12.如权利要求8
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11中任一项所述的方法，其中，调节所述排出气体量基于所述方法的实测或推断的工艺参数。13.如权利要求12所述的方法，其中，所述实测或推断的工艺参数包括以下中的一者或多者：所述混合产物流中的氢气的浓度；所述原料气的流速；和所述混合产物流中的氢气与氮气的比例。14.如权利要求7
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13中任一项所述的方法，其中，引入所述原料气、引入所述可燃气体混合物、以及燃烧所述可燃气体混合物的步骤被作为多个相应反应循环的一部分重复多次，并且其中排出所述燃烧产物气流的所述至少一部分的步骤在每个反应循环或每个预设数量的反应循环中进行。15.如权利要求1
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14中任一项所述的方法，其中，调节所述方法的所述一个或多个参数包括将所述可燃气体混合物中的空气的化学计量量控制在大约0.6至大约1.4的范围内。16.如权利要求15所述的方法，其中，控制所述可燃气体混合物中的空气的化学计量量包括将所述可燃气体混合物中的空气的化学计量量控制在大约1.2。17.如权利要求15或16所述的方法，其中，控制所述可燃气体混合物中的空气的化学计量量包括调节以下之中的一者或多者：所述燃烧室的入口处的所述一种或多种可燃气体的压力；以及所述燃烧室的入口处的空气压力。18.如权利要求1
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17中任一项所述的方法，其中，调节所述方法的所述一个或多个参数包括通过控制以下之中的一者或多者来控制所述燃烧室的入口处的所述可燃气体混合物的压力或温度：用于使从所述原料反应器提取的尾气再循环的压缩机；以及用于向所述原料反应器输送氧化剂的供气压缩机。19.如权利要求1
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18中任一项所述的方法，其中，调节所述方法的所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：克里斯托弗，
申请(专利权)人：埃科纳能源公司，
类型：发明
国别省市：