一種精確控制蒸汽流量的天然氣水蒸氣制氫系統的製作方法

2023-07-07 21:40:41 1

本發明涉及一種天然氣水蒸氣制氫系統，尤其是涉及一種精確控制蒸汽流量的天然氣水蒸氣制氫系統。

背景技術：

天然氣水蒸氣制氫工藝(SMR)發展已經較為成熟，現有的SMR工藝主要流程為天然氣經加氫脫硫後與第一股水蒸氣混合進入預轉化爐，多碳烷烴經過預轉化生成氫氣和一氧化碳，然後再與第二股蒸汽混合進入轉化爐，生成含有氫氣、二氧化碳、一氧化碳等組份的合成氣，合成氣再進入高變反應器將一氧化碳轉化為二氧化碳、氫氣，合成氣再回收熱量後，通過PSA提純得到氫氣，PSA尾氣返迴轉化爐燃燒回收熱量。

天然氣水蒸氣重整反應為強吸熱可逆反應，反應時體系溫度為720℃～870℃，並且使用耐高溫的鎳基催化劑催化，通過燃燒天然氣來提供能量。在整個反應過程中，水蒸氣量的控制及其重要：1、水蒸氣量的多少直接影響到反應平衡，水蒸氣少則甲烷等不利於反應；2、多餘的水蒸氣在系統中循環不發生反應，並需要大量熱能加熱，影響裝置的熱效率；3、在裝置負荷低時，引入適量的水蒸氣來帶走多餘的熱量，保護爐管和催化劑。

查閱有關文獻也發現一些工藝需要根據天然氣的量來控制蒸汽流量，只是按固定比例來控制蒸汽流量。然而天然氣的組分是會波動的，水蒸氣量不能隨天然氣組分變化而變化，從而不能實現精確控制，即不利於企業節約成本，也不符合節能減排的目標。尤其當遇到天然氣中重組分較多時，則會出現水蒸氣量不夠的情況，從而影響反應效率，影響催化劑的壽命。

技術實現要素：

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種精確控制蒸 汽流量的天然氣水蒸氣制氫系統，利用天然氣在線分析儀得出天然氣各個組分的組成，在根據各組成需要的水蒸氣量來控制總的蒸汽用量。這樣做即有效的節約燃料用量，做到了節能減排，又保證了反應的需要，保護爐管和催化劑。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種精確控制蒸汽流量的天然氣水蒸氣制氫系統，包括依次連接的預轉化爐、轉化爐、高變反應器、變壓吸附制氫裝置(PSA)，天然氣進料管與預轉化爐的入口相連，所述的天然氣進料管上設置有天然氣分析儀。

所述的天然氣分析儀為色譜分析儀，設置在進料管的口部，分析進料的天然氣的組成成分。

所述的色譜分析儀為市售的型號為NG8200的天然氣色譜分析儀。

所述的天然氣進料管上還設有天然氣進料流量計。

所述的預轉化爐的進氣口及出氣口分別設有蒸汽輸入管道。

所述的蒸汽輸入管道上設有蒸汽流量計和蒸汽調節閥。

所述的蒸汽流量計和蒸汽調節閥與天然氣進料管上設置的天然氣進料流量計聯動使用，調節天然氣和蒸汽的輸入量。

設置在預轉化爐進氣口的蒸汽輸入管道輸入蒸汽保證系統所需蒸汽的最低流量。

設置在預轉化爐出氣口的蒸汽輸入管道輸入蒸汽保證系統所需的最低熱值。

由於使用的天然氣來自外部，天然氣平均組分92％CH4、4％C2H6、3％C3H8、1％C4H10、小於1％的C5H12、少量的S和N2。甲烷含量會在88％至94％之間波動，其他組分也隨之波動，導致反應過程中所需要的水蒸氣一直在變化。

反應方程式：CH4+H2O→3H2+CO-Q

C2H6+2H2O→5H2+2CO-Q

C3H8+3H2O→3H2+7CO-Q

C4H10+4H2O→4H2+9CO-Q

C5H12+5H2O→5H2+11CO-Q

CO+H2O→H2+CO2+Q

從以上方程式可以看出，每種烷烴分子需要的水分子是不一樣的，而每個碳原子在反應中只需要一個水分子參與反應，所以只要得出天然氣中的總的碳原子量即可知道需要多少的水蒸氣。另外再配合兩股蒸汽流量，第一股蒸汽流量需要保證所 有爐管所需的最低流量，第二股蒸汽流量需保證爐子所需的最低熱值，即可實現精確控制。

與現有技術相比，本發明具有以下優點：

1、本方法能夠實現水蒸氣量的精確控制，減少燃料消耗，節約成本。

2、本方法能夠保護爐管，有效的帶走熱量，防止爐管彎曲。

3、本方法能夠保護催化劑，防止水蒸氣過少，影響催化劑性能。

附圖說明

圖1為本發明的結構示意圖。

圖中，1-預轉化爐、2-轉化爐、3-高變反應器、4-變壓吸附制氫裝置、5-天然氣進料流量計、6-第一蒸汽流量計、7-第二蒸汽流量計、8-第一蒸汽調節閥、9-第二蒸汽調節閥、10-天然氣分析儀。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。

實施例

一種精確控制蒸汽流量的天然氣水蒸氣制氫系統，其結構如圖1所示，包括依次連接的預轉化爐1、轉化爐2、高變反應器3、變壓吸附制氫裝置4，天然氣進料管與預轉化爐1的入口相連，在天然氣進料管上設置有天然氣分析儀10，在本實施例中，使用的是型號為NG8200的色譜分析儀，設置在進料管的口部，分析進料的天然氣的組成成分，天然氣進料管上還設有天然氣進料流量計5。

在預轉化爐1的進氣口及出氣口分別設有蒸汽輸入管道。在進氣口上設置的蒸汽輸入管道上設有第一蒸汽流量計6和第一蒸汽調節閥8，出氣口上設置的蒸汽輸入管道上設有第二蒸汽流量計7和第二蒸汽調節閥9。可以與天然氣進料管上設置的天然氣進料流量計5聯動使用，調節天然氣和蒸汽的輸入量。

由於使用的天然氣來自外部，天然氣平均組分92％CH4、4％C2H6、3％C3H8、1％C4H10、小於1％的C5H12、少量的S和N2。甲烷含量會在88％至94％之間波動，其他組分也隨之波動，導致反應過程中所需要的水蒸氣一直在變化。

反應方程式：CH4+H2O→3H2+CO-Q

C2H6+2H2O→5H2+2CO-Q

C3H8+3H2O→3H2+7CO-Q

C4H10+4H2O→4H2+9CO-Q

C5H12+5H2O→5H2+11CO-Q

CO+H2O→H2+CO2+Q

從以上方程式可以看出，每種烷烴分子需要的水分子是不一樣的，而每個碳原子在反應中只需要一個水分子參與反應，所以只要得出天然氣中的總的碳原子量即可知道需要多少的水蒸氣。另外再配合兩股蒸汽流量，預轉化爐開1進氣口處的第一股蒸汽流量需要保證所有爐管所需的最低流量，出口處的第二股蒸汽流量需保證爐子所需的最低熱值，即可實現精確控制。

本發明利用天然氣在線分析儀得出天然氣各個組分的組成，在根據各組成需要的水蒸氣量來控制總的蒸汽用量。這樣做即有效的節約燃料用量，做到了節能減排，又保證了反應的需要，保護爐管和催化劑。