生产H2和合成气的工艺制造技术

一种生产合成气的工艺，所述工艺用燃氧重整器的合成气产品来提供所有必须的热负荷，从而消除对火焰加热器的需求。在没有离开火焰加热器的烟气流的情况下，重整过程中产生的所有二氧化碳集中于高压合成气流中，使得实现基本上完全捕集二氧化碳。上完全捕集二氧化碳。

【技术实现步骤摘要】
生产H2和合成气的工艺

技术介绍

[0001]工业过程诸如重整烃进料生产氢气和合成气将需要捕集二氧化碳(CO2)来减轻气候变化的影响。蒸汽甲烷重整(SMR)是最常见的重整技术，但其使用空气燃烧来生成驱动重整反应所需的热量。无论是在SMR中还是在火焰加热器中，空气燃烧生成烟气，其中CO2的压力和浓度低，这是因为空气中有大量的惰性氮气。从烟气中捕集碳成本高、效率低且规模庞大。消除空气燃烧不仅使得在工艺中100％有效地捕集CO2成为可能，而且通过消除对空气中氮气的处理的需求降低了投资成本。
[0002]由于大部分燃氧重整方法产生的CO2可以使用传统酸性气体脱除操作从高压合成气中回收，相对于传统蒸汽/烃重整方法，燃氧重整方法可以实现较高的碳捕集。燃氧重整，如自热重整(ATR)和部分氧化(POX)产生H2和/或CO以及大量余热。该热量可以用于过程加热和蒸汽形成，如果当地有需求，蒸汽可作为蒸汽产品输出。因此，优化燃氧重整用热整合是关键的设计考虑。
[0003]Genkin等人(US 8,715,617)教导了基于ATR的H2生产工艺。该工艺的合成气热回收系统包括复热式重整器(RR)，其为换热器，其中热合成气提供热量以驱动催化重整反应。合成气热回收系统还包括混合进料预热(MFPH)和进料预热(FPH)，两种预热功能通常在传统ATR和POX工艺中的火焰加热器中实现。
[0004]然而，该工艺没有废热锅炉(WHB)，并且合成气热回收系统无法产生足够的工艺用蒸汽(即，重整和水煤气变换反应所需的蒸汽)，更不用说出口蒸汽了。燃烧锅炉用于补充工艺蒸汽需求量。该燃烧锅炉的功能可以由进口蒸汽取代，如果可用的话。该工艺没有蒸汽过热器(SSH)，这通常与出口蒸汽有关。
[0005]在论文“洁净氢气：第1部分：经由成本有效CO2捕集从天然气制氢(Clean Hydrogen:Part 1:Hydrogen from Natural Gas through Cost Effective CO2 Capture)”，Bill Cotton，《化学工程师(The Chemical Engineer)》，2019年3月15日中公开了类似的基于ATR的H2生产工艺。其合成气热回收系统包括FPH和MPFH。该工艺以被称为气热重整器(GHR)的复热式重整器为特征。混合进料被引入到GHR的管程，并且来自ATR的原料合成气流被引入到GHR的壳程。利用合成气的热量，通过管的传热将混合进料部分重整。部分重整的混合进料变成ATR的进料，并且离开GHR的合成气进入换热器以加热混合进料(MFPH)。该ATR
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GHR
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MFPH配置旨在尽可能多地回收高位热用于重整，而非像传统工艺中那样利用WHB中的高位热用于蒸汽形成(见Cotton中图1)。该配置使得工艺实现最大的放射本能。该最大放射本能方法将原料中总烃的约30％在GHR中重整到合成气中。该配置的温度可以从美国专利4,810,471得出。原料合成气流通常在1000℃下进入GHR，并且在500℃下离开GHR。混合进料通常在400℃下进入GHR，并且在700℃下离开GHR。在该ATR
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GHR
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MFPH配置中，部分GHR和部分MFPH在金属粉化温度范围内运行。
[0006]应当注意，该ATR
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GHR
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MFPH配置或最大放射本能配置保持工艺没有WHB，正如Genkin中所示。没有WHB，该工艺也将不能产生足够的工艺所需蒸汽或出口蒸汽。论文中未提及这个问题。但是，工艺蒸汽的这种缺失需以某种方式进行补充(例如，进口蒸汽或燃烧
锅炉)。
[0007]Cotton工艺描述了CO2的95.4％的碳捕集效率，从中可以推断该工艺未捕集低压烟气CO2。论文称工艺不需要天然气燃料，但表明H2纯化单元的废气为“废气转化燃料”。合成气回收系统不包括SSH，这通常与出口蒸汽有关。
[0008]需要一种解决现有系统中至少一部分上述缺点的改进的燃氧重整工艺。

技术实现思路

[0009]本公开涉及一种工艺，该工艺用燃氧重整器的合成气产品来提供重整工艺中所需的热负荷，从而消除对火焰加热器的需求。由于消除了烟气流，使得基本完全的CO2捕集成为可能。
[0010]火焰加热器大量增加了ATR或POX工艺的投资成本，消耗了燃料并排放出CO2。火焰加热器排放的CO2通常可占ATR工艺产生的总CO2的5％到10％，且排放的CO2压力低，使得捕集来自工艺的该部分CO2在经济上不切实际。本专利技术基于一种认知：从热平衡的观点来看，ATR或POX工艺不需要火焰加热器；蒸汽形成和通常在火焰加热器中实现的所有预热和加热功能所需的热量可以完全由合成气提供。尤其是当附近没有购买出口蒸汽的工业工艺时，情况更是如此。因此，通过将这些预热和加热功能从火焰加热器转移到合成气热回收系统，可以取消火焰加热器。取消火焰加热器不仅消除了火焰加热器的投资成本、燃料消耗和CO2排放，而且还使合成气热回收更加完善，因此，大幅提高了工艺效率。
[0011]方面1：一种生产合成气的工艺，该工艺包括：将包含甲烷和选自由水和二氧化碳组成的群组的氧化剂的重整器进料流与富氧流反应以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的第一合成气流；通过与第一合成气流间接热交换来加热预热混合进料流以产生重整器进料流和第二合成气流；通过与第二合成气流间接热交换来加热锅炉给水流以产生饱和蒸汽和第三合成气流；以及通过与第三合成气流间接热交换来加热饱和蒸汽以产生过热蒸汽和第四合成气流。
[0012]方面2：一种生产合成气的工艺，该工艺包括：将包含甲烷和选自由水和二氧化碳组成的群组的氧化剂的重整器进料流与富氧流反应以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的第一合成气流；通过与第一合成气流间接热交换来加热预热混合进料流并将甲烷与预热混合进料流中的氧化剂反应以形成氢气、一氧化碳和二氧化碳来产生重整器进料流和第二合成气流；通过与第二合成气流间接热交换来加热锅炉给水流以产生饱和蒸汽和第三合成气流；以及通过与第三合成气流间接热交换来加热饱和蒸汽以产生过热蒸汽和第四合成气流。
[0013]方面3：根据方面1或方面2所述的工艺，进一步包括在通过与预热混合进料流间接热交换传热前，将工艺蒸汽注入第一合成气流中。
[0014]方面4：根据方面1至3中任意一项所述的工艺，其中第二合成气流具高于815℃的温度。
[0015]方面5：根据方面1至4中任意一项所述的工艺，其中预热混合进料流具有低于455℃的温度。
[0016]方面6：根据方面1至5中任意一项所述的工艺，其中饱和蒸汽仅由第三合成气流加热。
[0017]方面7：根据方面1至6中任意一项所述的工艺，进一步包括将CO与第三合成气流中的H2或源于第三合成气流中的气流反应以产生包含H2和CH4的甲烷化H2产品。
[0018]方面8：根据方面1至7中任意一项所述的工艺，进一步包括通过与第四合成气流间接热交换来加热混合进料流以产生预热混合本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种生产合成气的工艺，所述工艺包括：将包含甲烷和选自由水和二氧化碳组成的群组的氧化剂的重整器进料流与富氧流反应以产生包含氢气、一氧化碳和二氧化碳的第一合成气流；通过与所述第一合成气流间接热交换来加热预热混合进料流以产生所述重整器进料流和第二合成气流；通过与所述第二合成气流间接热交换来加热锅炉给水流以产生饱和蒸汽和第三合成气流；以及通过与所述第三合成气流间接热交换来加热所述饱和蒸汽以产生过热蒸汽和第四合成气流。2.根据权利要求1所述的工艺，其中当通过与所述第一合成气流间接热交换进行加热时，甲烷与所述预热混合进料流中的氧化剂反应形成氢气、一氧化碳和二氧化碳。3.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括在通过与所述预热混合进料流间接热交换传热前，将工艺蒸汽注入所述第一合成气流中。4.根据权利要求1所述的工艺，其中所述第二合成气流具有高于815℃的温度。5.根据权利要求1所述的工艺，其中所述预热混合进料流具有低于455℃的温度。6.根据权利要求1所述的工艺，其中所述饱和蒸汽仅由所述第三合成气流加热。7.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括将CO与所述第三合成气流中的H2或源于所述第三合成气流中的气流反应以产生包含H2和CH4的甲烷化H2产品。8.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括通过与所述第四合成气流间接热交换来加热混合进料流以产生所述预热混合进料流和第五合成气流。9.根据权利要求8所述的工艺，其中所述混合进料流仅由所述第四合成气流加热。10.根据权利要求8所述的工艺，进一步包括将富含CO2的气流与所述混合进料流相结合。11.根据权利要求8所述的工艺，进一步包括将所述第三合成气流或源于所述第三合成气流的气流分离以产生冷盒尾气流以及纯化CO产品、纯化H2产品和合成气产品中的任何一种；以及将至少98％的所述冷盒尾气流与以下任何一种相结合：所述混合进料流、所述预热混合进料流、所述重整器进料流、所述第一合成气流以及源于所述第一合成气流的气流。12.根据权利要求8所述的工艺，进一步包括将所述水的至少一部分与所述第四合成气流中的一氧化碳反应以产生氢气和二氧化碳。13.根据权利要求12所述的工艺，其中在将所述水的所述至少一部分与一氧化碳反应前，变换蒸汽流与所述第四合成气流相结合。14.根据权利要求8所述的工艺，进一步包括以下步骤：通过与所述第五合成气流或源于所述第五合成气流的气流间接热交换来加热烃原料流以产生预热烃原料流；将所述预热烃原料流与蒸汽进料流相结合以产生所述混合进料流；以及通过与所述第五合成气流或源于所述第五合成气流的气流间接热交换来加热水流以产生锅炉给水流。15.根据权利要求14所述的工艺，进一步包括将所述第五合成气流或源于所述第五合
成气流的气流中的一者分离成富二氧化碳流和贫二氧化碳流；其中所述富二氧化碳流中二氧化碳的摩尔流率大于所述第五合成气流或源于所述第五合成气流的气流中二氧化碳的摩尔流率的95％。16.根据权利要求1所述的工艺，进一步包括以下步骤：将所述第四合成气流或源于所述第四合成气流的气流分离成富氢流和贫氢流；以及将至少98％的所述贫氢流与以下任何一种相结合：所述混合进料流、所述预热混合...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭向东，张余，T，
申请(专利权)人：气体产品与化学公司，
类型：发明
国别省市：