PSA缓冲罐内的尾气加热的制作方法

本发明涉及一种通过引入用于加热psa缓冲罐内的psa尾气的装置来改善集成氢气生成系统的效率的方法。

背景技术：

蒸汽甲烷重整(smr)工艺广泛地用于工业中，以通过经历一系列净吸热反应将原料(例如，天然气)转化成主要含有氢气和一氧化碳的合成气流。由于重整反应是吸热的，因此通过燃烧器将热量供应给位于蒸汽甲烷重整器的燃烧区段中的催化剂填充管。燃烧器的燃料以吹扫气体的形式来自诸如变压吸附(psa)单元的来源，也称为尾气。一些补充燃料诸如天然气也被供应给燃烧器。在催化剂装填的管内部发生以下反应：

cnhm+nh2o<＝>(n+0.5m)h2+nco

co+h2o<＝>co2+h2

将来自重整器的粗合成气产物(即，合成气)(其主要含有氢气、一氧化碳、二氧化碳和水)在下游单元操作(诸如变换反应器和psa单元)中进一步加工。蒸汽甲烷重整器操作的示例公开于drnevich等人(美国专利号7,037,485)中，并且全文以引用方式并入本文。

通常，在高温处由重整器产生的合成气必须被冷却到接近环境温度以在下游psa单元中纯化，该下游psa单元将料流分离成几乎纯的氢气产物和尾气。正是来自psa的该尾气流被再循环至重整器燃烧器。燃烧器燃烧的产物(烟气)也被冷却以回收它们的热量。这些冷却需求部分地通过预热工艺料流和蒸汽生成来实现。

待回收的热量的量超过操作该工艺所需的热量的量，并且并非所有剩余的热量都可经由蒸汽生成而被有效地回收。该浪费的热量降低了总体工厂效率。由于与常规独立尾气预加热器相关联的高资本成本和压降，常常不被加热的一个大的料流是psa尾气。如果该料流可成本有效地被加热而无需附加的压降，则工艺的总体效率将由于所需补充燃料的对应减少而增加。

加热psa尾气已在现有技术中公开。见例如美国专利申请公布2009/0230359a1、2005/0178063a1、2006/0231463a1、2007/0051042a1、2009/0232729a1和美国专利4,149,940。然而，这些独立的壳管型或板型热交换器通常很大并且昂贵。在psa中的氢气回收受到影响之前，低压psa尾气流中仅可容许最小的压力，从而降低总体工厂效率。在相关领域中，诸如例如授予grover的美国专利8,187,363解决了在将尾气流引入smr的燃烧区中之前通过使用板型交换器来加热尾气流的可能性。此类交换器将仍然引入不期望的压降，并且需要大量的资本成本。因此，期望以其最小的压力降低来加热psa尾气流，同时使所需的附加资本最小化。

关于psa尾气缓冲罐，相关领域一直聚焦于在缓冲罐容器内增加混合，如美国专利6,607,006b2和6,719,007b2中所示。‘006专利的焦点是“流体流的时变特性的振幅衰减”，其为将时变流引入封闭体积中以控制停留时间分布，其中公式控制如文档中所示的“平坦度约束”。‘007专利也讨论了“使振幅衰减”，其中聚焦于含有入口和用于三个或更多个单独流体部分的三个或更多个出口的混合区。未提及在缓冲罐容器内加热。

为了克服相关领域的缺点，本发明的目的之一是提供一种通过在psa尾气缓冲罐内结合热交换表面来增加psa尾气温度的方法。这允许在psa尾气缓冲罐和smr燃烧区之间没有引入附加压降的附加热交换器的情况下加热psa尾气。

本发明的另一个目的是通过增加psa尾气温度的新型装置来增加氢气生成系统的总体工厂效率。本发明添加了在一个或多个现有psa尾气缓冲罐内加热psa尾气的装置。

通过阅读本说明书、附图和所附权利要求，本发明的其它目的和方面对于本领域的技术人员将变得显而易见。

技术实现要素：

本发明涉及一种改善集成氢气生成系统的效率的方法。在本发明的一个方面，该方法包括：

在具有燃烧区的蒸汽重整器中产生合成气流；

将所述合成气流的至少一部分引入水煤气变换反应器；

冷却所述变换的合成气流以产生冷却的变换合成气流；

将所述冷却的变换合成气流引入变压吸附单元中，从而产生主要为氢

气的流和主要包含副产物的尾气；

将所述尾气引导至其中设置有热交换装置的一个或多个缓冲罐，并且

通过使所述尾气经过所述热交换装置的热流体在其内部冷却的表面来间接加热所述尾气，从而获得加热的尾气；以及

将所述加热的尾气引导至所述重整器的所述燃烧区。

附图说明

通过以下附图，本发明的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1为氢气生成系统的示意图，其中在将尾气再循环到smr燃烧区之前，psa尾气用内部间接加热被引导到缓冲罐。

具体实施方式

将参考图1描述该方法，一种氢气生成系统100，其中热合成气55-氢气(h2)、一氧化碳(co)和不期望的组分(例如，水、甲烷等)的混合物-由蒸汽重整器(smr)40产生。合成气55被冷却，并且优选引导至水煤气变换反应器80，以进一步将co和水转化成h2和co2。通过一系列热交换器110和220将该所得的合成气流85冷却至接近环境温度(约100°f)。来自料流的冷凝水将在敲除转筒120和125中被去除，并且料流被送至psa单元200。

根据工厂的大小，psa由多个吸附床形成。通过使用各种压力水平驱动吸附/解吸来实现分离。经纯化的氢气产物在约150psig至500psig的压力处被当作料流150，同时剩余的组分将在约5psig处被当作尾气流205。该尾气排放压力越低，通过psa实现的h2回收越好，并且因此总体工厂效率越好。排放压力在很大程度上由使尾气215到达smr40的燃烧区中的燃烧器50所需的压力设定，其中尾气215被用作燃料。对于典型的大型smr，该尾气燃料管线可为数百英尺长，包括从接近地面水平行进约50英尺的高度到达燃烧器。大直径管道用于使跨越该距离的压降最小化。

由于psa工艺的循环性质，尾气流不以恒定的流速或组成生成。尾气流205被送至一个或多个缓冲罐210，该一个或多个缓冲罐允许来自各种psa床的尾气充分混合，从而保持尾气组成具有+/-5％的wobbe指数和流量变化。wobbe指数为气体燃烧能量的典型量度，并且考虑了气体的加热值和比重。在本发明的一个或多个缓冲罐内的是通过加热表面230(诸如线圈或热交换器)加热尾气的装置，该装置通过冷却热流体来间接地增加尾气的温度。根据所用热流体的来源和温度，所得尾气温度通常介于150°f和500°f之间或更高。通过将尾气流的预热集成到psa缓冲罐中，并且从而消除了对缓冲罐210下游的独立尾气预热器的需要，压降保持为低。

在一个优选的实施方案中，加热尾气的装置将通过间接热交换进行，更优选通过布置在psa缓冲罐内的热交换线圈来实现。缓冲罐内的尾气将流过线圈的外部，其中更高温度的流体在线圈内流动。更高温度流体的来源优选在氢气生成系统内生成。例如，流体可为在介于250°f和350°f之间的温度处从低压蒸汽发生器220引导的饱和低压蒸汽流225。另选地，更高温度的流体可为在介于350°f和500°f之间的温度处从蒸汽转筒240生成的饱和高压蒸汽流。另选地，可利用在介于500°f和800°f之间的温度处从蒸汽过热器250引导的过热高压蒸汽。另选地，可利用热水流如去离子水或煮器给水255的一部分。另选地，可利用来自热交换器110之一的合成气流。可附加地利用对本领域中技术人员显而易见的其它料流或料流的组合。

在另选的实施方案中，更高温度流体的来源可由氢气生成系统外部的来源供应。例如，可利用来自附近精炼或化学制造设施的热流体。这些输入流可为例如但不限于饱和低压或高压蒸汽流、过热低压或高压蒸汽流、加热过程气体或废气、或热水。

更高温度的流体通常将在psa缓冲罐的顶部附近进入并向下流动，从而允许任何冷凝的液体通过重力辅助向下流动。在优选的实施方案中，将冷却/冷凝的蒸汽流245与来自敲除转筒120的过程冷凝物混合并再循环和送至脱气器130。除了加热线圈230之外，缓冲罐210还可容纳增加尾气的内部混合的常规装置，诸如导流板。

加温的尾气流215与补充燃料(例如，天然气260)和空气270混合，然后经由燃烧器50在重整器40的燃烧区中燃烧。燃烧产物(即，烟气)在smr的对流区段60中冷却至约300°f并排出。合成气和烟道气的冷却通过用热交换器加温氢气生成系统内的其它工艺料流来实现，包括加热重整器进料、脱矿质水、煮器给水和燃烧空气、用于蒸汽生成的沸水、加热蒸汽和进料/蒸汽混合物。

燃烧所需的补充燃料低于如果尾气未被加热导致操作节省所需的补充燃料。由于避免了缓冲罐210和燃烧器50之间的任何独立尾气预热器，料流215中的压降更低，这意味着尾气流205的压力更低，从而增加了psa200的h2回收。

氢气生成系统可附加地含有本领域中技术人员已知的其它选项，包括但不限于其它反应器诸如预重整器、以及各种类型的水煤气变换(高温、中温、和/或低温)。可产生多种蒸汽压力，包括用于输出的高压蒸汽、用于重整和水煤气变换反应的工艺蒸汽、以及用于工厂内的低压蒸汽。合成气55的滑流可被冷却并直接被用作产物，或者可被纯化以生成副产物co。

实施例

与独立尾气预热器相比，本实施例示出了通过在尾气缓冲罐内使用线圈型热交换布置来降低尾气流的压降。进行总氢气工厂工艺模拟和热交换器定径，实现与不具有任何尾气预热的过程相比相同的过程总体生产效率改善，如下表1中所示。

表1

对于生产100mmscfd氢气的工艺，在天然气进料smr加热炉中生成合成气，其中在高温变换(hts)反应器中实现co到氢气的进一步转化。所得的合成气流在一系列热交换器中冷却，并且冷凝水在敲除转筒中去除。冷却合成气的热交换器之一由煮器给水产生饱和的30psig蒸汽。冷却的合成气流在110°f处进入12床氢气psa，并且分离成300psig产物纯度的氢气和5psig尾气。来自12个床中的每个床的尾气以5560磅摩尔/小时的平均组合流速传递到尾气缓冲罐，其中尾气通过集成在尾气缓冲罐内的尾气预热线圈充分混合和加热。该尾气预热器在线圈的内部上具有以320磅摩尔/小时的流速冷凝的饱和30psig蒸汽，从而加热在线圈的外部流动的尾气。

在其冷凝时，具有约274°f温度的饱和30psig蒸汽向下流动通过线圈。在其加热时，尾气流过线圈。尾气被加热到约224°f的温度，并且以几乎恒定的流量、压力和温度从尾气缓冲罐抽出。将尾气从110°f加热至224°f使所需的补充燃料流降低4.6％，并且与不具有尾气预热的类似方法相比，得到基于进料、燃料和蒸汽生产产生的氢气的2btu/scf总体工艺效率改善。

比较例

对于使用位于尾气缓冲罐下游的独立尾气预热器的常规技术的100mmscfd氢气生成系统，尾气通过饱和的30psig蒸汽加热。为了产生从110°f到224°f的相同尾气加热，来自该29吨独立尾气预热器的附加压降通常介于0.15psi和0.25psi之间。

尽管已示出和描述了各种实施方案，但本公开不受此限制，并且将被理解为包括本领域的技术人员将显而易见的所有此类修改和变型。

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