一种天然气制氢系统及其工艺
阅读说明：本技术 一种天然气制氢系统及其工艺 (Natural gas hydrogen production system and process thereof ) 是由 杨文波 全国平 刘革 胡文礼 王小林 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种天然气制氢系统及其工艺,其中系统包括天然气预处理模块,对天然气进行加热和使天然气含有足够饱和的水蒸气；混合反应模块,与所述天然气预处理模块连接,对从天然气预处理模块输送过来的原料与外加原料气进行混合和反应；温控模块,与所述混合反应模块连接,对混合反应模块反应后的气液混合物进行温度控制；以及分离模块,与所述温控模块连接,对温控后的气液混合物进行气液和氢气分离；本发明容易实施,投资成本小、且能够降低能耗,通过合理的改进系统,能够简化制氢过程,并且能够制出的很高纯度的氢气。(The invention discloses a natural gas hydrogen production system and a process thereof, wherein the system comprises a natural gas pretreatment module, a hydrogen production module and a hydrogen production module, wherein the natural gas pretreatment module is used for heating the natural gas and enabling the natural gas to contain enough saturated water vapor; the mixed reaction module is connected with the natural gas pretreatment module and is used for mixing and reacting the raw material conveyed from the natural gas pretreatment module with the external raw material gas; the temperature control module is connected with the mixed reaction module and is used for controlling the temperature of the gas-liquid mixture reacted by the mixed reaction module; the separation module is connected with the temperature control module and is used for separating gas from liquid and hydrogen of the gas-liquid mixture subjected to temperature control; the invention is easy to implement, has low investment cost and can reduce energy consumption, simplify the hydrogen production process by reasonably improving the system, and produce hydrogen with very high purity.)
技术领域
本发明涉及化工领域，具体讲是天然气制氢系统及其工艺。
背景技术
氢气，化学式为H2，分子量为2.01588，常温常压下，是一种极易燃烧的气体。无色透明、无臭无味且难溶于水的气体。氢气是世界上已知的密度最小的气体，氢气的密度只有空气的1/14，即在1标准大气压和0℃，氢气的密度为0.089g/L。所以氢气可作为飞艇、氢气球的填充气体（由于氢气具有可燃性，安全性不高，飞艇现多用氦气填充）。氢气是相对分子质量最小的物质，还原性较强，常作为还原剂参与化学反应。
工业上一般从天然气或水煤气制氢气，但是传统的制传统工艺流程复杂，设备投资大，能耗高。
发明内容
因此，为了解决上述不足，本发明在此提供一种容易实施，投资成本小、且能够降低能耗的天然气制氢系统及其工艺，通过合理改进系统，能够简化制氢过程，并且能够制出的很高纯度的氢气。
本发明是这样实现的，构造一种天然气制氢系统，包括
天然气预处理模块，对天然气进行加热和使天然气含有足够饱和的水蒸气；
混合反应模块，与所述天然气预处理模块连接，对从天然气预处理模块输送过来的原料与外加原料气进行混合和反应；
温控模块，与所述混合反应模块连接，对混合反应模块反应后的气液混合物进行温度控制；以及
分离模块，与所述温控模块连接，对温控后的气液混合物进行气液和氢气分离。
优选的，所述天然气预处理模块包括饱和塔、第一次混合器和热交换器，所述饱和塔通过第一次混合器与热交换器连接，所述交换器与混合反应模块连接；热交换器采用逆流换热。
所述第一次混合器开设有蒸汽入口端、天然气入口端和混合出口端，其中混合出口端与热交换器连接，其中天然气入口端与位于饱和塔上方的天然气出口端连接。
优选的，所述混合反应模块包括氧气混合器、转化器和润湿塔；
所述氧气混合器4开设有富氧气体入口端，混合入口端和二次混合出口端，其中混合入口端与热交换器的第一出口端连接，其中二次混合出口端与转化器的入口端连接，所述转化器的出口端与润湿塔下部的入口端连接，该润湿塔上端的出口端经过热交换器与温控模块连接。
优选的，所述温控模块包括通过管道依次连接的废热锅炉7、热回收器和冷却器；
所述润湿塔上端的出口端经过热交换器与废热锅炉连接，所述冷却器与分离模块连接。
在本实施例中，所述分离模块包括气液分离器和PSA装置，
所述气液分离器的入口端与冷却器出口端连接，而出口端与PSA装置的入口端连接，实现气体和液体分离；
所述PSA装置将混合气体分离为氢气和其他气体。
同时本发明还提供了一种天然气制氢工艺，包括如下步骤：
步骤一，天然气预处理，使得天然气含饱和水蒸气，此步骤的目的是，减少后续的蒸汽的用量；
步骤二，富氧混合，将预处理后的天然气和富氧气体通入氧气混合器4进行富氧混合；
步骤三、转化反应，将富氧混合后的气体送入转化器5进行制氢反应，优选的，转化器的转化温度为800~850℃；
步骤四、加水润湿，经转化器5转化后的气体通入润湿塔6；
步骤五、温度控制，通过润湿塔6润湿后的气体经过热交换器3后通过温控模块进行温度调节；
步骤六、分离提纯，从温控模块排出的气体依次通入气液分离器10和PSA装置11，通过气液分离器10将气体和液体分离，分离后的气体经过PSA装置11后得到不低于99.9%的高纯度氢气和其他燃料气。
在该工艺中，所述步骤一的天然气预处理方法具体为，天然气在常压下进入饱和塔1，用热水预热天然气并使天然气含饱和水蒸气，饱和后的天然气再加入转化所需的足够蒸汽在第一次混合器2中混合，混合后经热交换器3与转化气换热，换热后通入氧气混合器4。
在该工艺中，所述富氧气体为氧气或富氧空气。
在该工艺中，所述步骤五的温度控制具体方法是，出润湿塔6的转化气通过热交换器3冷却到400~420℃，然后依次通过废热锅炉7、热回收器8、冷却器9后冷却至40~45℃。该步骤能够使转化气降低到合适的温度，并充分回收降温过程中的热量，更节能环保。
本发明具有如下优点：
本发明设计合理，结构巧妙，通过设计制氢系统，能够实现生产出的氢气纯度更高，并且于传统的制氢系统和工艺相比，本发明更容易实施，能够节约投资、降低能耗，实施时设备小、价格便宜、易于操作和易于维护。
同时合理的设计温控模块，该模块能够将反应后的气体降到合适温度，也能够将温度进行回收循环利用，实现节能减排的目的。
附图说明
图1是本发明的制氢系统示意图；
图中：1.饱和塔；2. 第一次混合器；3.热交换器；4. 氧气混合器；5.转化器；6.润湿塔；7.废热锅炉；8.热回收器；9.冷却器；10.气液分离器；11.PSA装置。
具体实施方式
下面将结合附图1对本发明进行详细说明，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明通过改进在此提供一种天然气制氢系统，包括
天然气预处理模块100，对天然气进行加热和使天然气含有足够饱和的水蒸气；
混合反应模块300，与所述天然气预处理模块100连接，对从天然气预处理模块100输送过来的原料与外加原料气进行混合和反应；
温控模块200，与所述混合反应模块300连接，对混合反应模块300反应后的气液混合物进行温度控制；以及
分离模块400，与所述温控模块200连接，对温控后的气液混合物进行气液和氢气分离。
在该实施例中，所述天然气预处理模块100包括饱和塔1、第一次混合器2和热交换器3，所述饱和塔1通过第一次混合器2与热交换器3连接，所述交换器3与混合反应模块300连接；
所述第一次混合器2开设有蒸汽入口端、天然气入口端和混合出口端，其中混合出口端与热交换器3连接，其中天然气入口端与位于饱和塔上方的天然气出口端连接。
在该实施例中，所述混合反应模块300包括氧气混合器4、转化器5和润湿塔6；
所述氧气混合器4开设有富氧气体入口端，混合入口端和二次混合出口端，其中混合入口端与热交换器3的第一出口端连接，其中二次混合出口端与转化器5的入口端连接，所述转化器5的出口端与润湿塔6下部的入口端连接，该润湿塔6上端的出口端经过热交换器3与温控模块200连接。
在该实施例中，所述温控模块200包括通过管道依次连接的废热锅炉7、热回收器8和冷却器9；
所述润湿塔6上端的出口端经过热交换器3与废热锅炉7连接，所述冷却器9与分离模块400连接。
在该实施例中，所述分离模块400包括气液分离器10和PSA装置11，
所述气液分离器10的入口端与冷却器9出口端连接，而出口端与PSA装置11的入口端连接，实现气体和液体分离；
所述PSA装置11将混合气体分离为氢气和其他气体。
如图1所述，本系统在制氢时，天然气在常压下进入饱和塔1，用热水预热天然气并使天然气含饱和水蒸气，通过热水加热天然气，使天然气的温度升高并使其含有足够饱和水蒸汽，饱和后的天然气再加入转化所需的足够蒸汽在第一次混合器2中混合后经热交换器3与转化气换热后，入氧气混合器4中，经过热交换器3能充分回收转化塔所释放的热量，降低装置能耗。再在氧气混合器4中加入氧气（或富氧空气）使充分混合，随即进入转化器5进行转化反应，转化温度为800~850℃，出转化器5的气体，通过润湿塔6加水润湿。出润湿塔6的转化气通过热交换器3冷却到400~420℃，然后依次通过废热锅炉7、热回收器8、冷却器9后冷却至40~45℃后进入气液分离器10，分离掉其中的游离水，分离水后的转化气进入PSA装置11后，得到产品不低于99.9%的高纯氢；另外的排放气作燃料气处理。
在上述制氢过程中，生产1000Nm3的氢气所需的消耗如下：
天然气：420~474Nm3；
氧气（98%）：264~329Nm3；
蒸汽（0.2~0.5MPa）：0.365t；
电：21kw.h；
水：15~40m3。
在上述制氢过程中，转化器5的反应是使甲烷、氧气、水、二氧化碳等在该转化器中发生反应，最终生产大量的氢和一氧化碳，其中的反应如下：
1. 甲烷的燃烧反应
2.转化反应
本发明容易实施，能够节约投资、降低能耗，实施时设备小、价格便宜、易于操作和易于维护。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。