申请/专利权人：浙江天采云集科技股份有限公司

申请日：2023-12-04

公开（公告）日：2024-02-06

公开（公告）号：CN117512631A

主分类号：C25B9/60

分类号：C25B9/60;C25B9/19;C25B9/67;C25B15/021;C25B15/08;C25B1/04;C01B3/38;C01B3/56

优先权：

专利状态码：在审-公开

法律状态：2024.02.06#公开

摘要：本发明公开了一种天然气水蒸气SMR转化与质子交换膜水电解耦合的一种混动制氢系统，其由能源原料模块、天然气水蒸气重整转化SMR制氢模块、质子交换膜水电解PEM制氢模块与变压吸附PSA提氢模块组成，其特点是能够提供一种从以天然气与水为原料制取纯度大于等于99.995％的氢气过程中的能量传递、转化效率以及能量平衡的紧凑与高效且可依据就近H2市场的自动切换制氢模块化的一种SMR天然气制氢与PEM水电解制氢高效耦合的混合制氢系统，利用天然气水蒸气SMR转化制氢副产蒸汽和PEM水电解制氢需要热源及副产氧气的优势，调控制氢原料结构和包括加氢站内与集中供氢模式，克服SMR制氢与PEM制氢各自存在的缺陷并将其转化为一种组合优势，实现制氢成本的降低。

主权项：1.一种天然气水蒸气SMR转化与质子交换膜水电解耦合的混动制氢系统，其特征在于，混动制氢系统是由能源原料模块、质子交换膜水电解PEM制氢模块、天然气水蒸气重整转化SMR制氢模块、变压吸附PSA提氢模块，以及各模块之间管道、阀门、换热器所构成，其中，能源原料模块是对天然气原料与能源预处理、电能、工艺水与锅炉水预处理，优化各原料组分与能量以适配下游模块要求，包括作为SMR制氢模块的燃料气与原料气的天然气、PSA提氢模块产生的解吸气作为燃料气、PEM制氢模块产生的纯氧气体与来自混动制氢系统外作为助燃的补充空气的常温或加热器或换热器、常压或增压机、原料天然气脱硫与脱盐工艺水混合蒸汽的预处理，天然气发电机或水电或其它电力供应，工艺水、锅炉水脱盐预处理及换热、预热脱盐水与蒸汽储罐，以及模块内外的工艺原料、燃料、电力管网进出口管道与控制阀门；PEM制氢模块主要由一级或多级串联并联的质子交换膜水电解槽、储水罐、气液处理器、整流器、电加热器、控制系统、节流阀与旁路阀门、氢气H2与氧气O2气体冷却器、H2催化脱氧器，以及模块内外连接的电力、H2、O2气体管道与工艺热冷水管道及控制阀门组成；SMR制氢模块主要包括混合蒸汽的预热器、设有辐射列管且装填有镍镍系转化催化剂的转化反应炉器、中高温变换反应器、气液分离器、换热器、汽包、废热锅炉，以及模块内外连接的混合蒸汽、转化气、变换气、燃料气、PSA提氢解吸气气体管道与脱盐水、锅炉给水、循环水管道及控制阀门；PSA提氢模块由多个串联并联的吸附塔、解吸气缓冲罐，以及模块内外连接的电力、H2产品气解吸气、PEM制氢模块流出的H2、SMR制氢模块流出的变换气气体管道，以及程序控制阀与调节阀组所构成，具体流程为，1能源原料模块，来自城市燃气或工业天然气的大部分作为原料气，经压缩机增压至0.6～4.0MPa及预加热至250～380℃后进入加氢脱硫，来自PEM制氢模块的H2作为加氢来源，脱硫后的净化原料气，与新鲜的脱盐水蒸气及来自SMR制氢模块流出的作为工艺蒸汽的中低压蒸汽混合形成天然气水蒸气混合蒸汽，进入SMR制氢模块，除原料气外的其余来自城市燃气或工业天然气作为燃料气，与来自PEM制氢模块流出的O2及来自PSA提氢模块的解吸气，或系统外的空气混合进入SMR制氢模块进行燃烧与补充燃料，为SMR制氢模块中的转化炉或反应器提供热量，来自城市自来水或工业用水，经过脱盐后并经脱盐水预热至70～90℃作为工艺水进入SMR制氢模块的除氧器并经热水泵调节，一部分作为工作介质输入PEM制氢模块，一部分再经蒸汽锅炉形成的新鲜脱盐水蒸汽及转化炉对流段而形成工艺蒸汽，作为能源原料模块的工艺蒸汽进入蒸汽储罐，并经旁路阀门调控流出的工艺蒸气与净化脱硫后作为原料天然气混合形成混合蒸汽再进入SMR制氢模块，或及一部分作为PEM制氢的蒸汽工作介质经节流阀流入PEM制氢模块，来自SMR制氢模块及PEM制氢模块中的排空烟气经过冷热交换与气液分离，其中的水返回预处理，气体排放，来自城市电网或工业电网的电力，直接接入PEM制氢模块的控制系统，为其提供水电解制氢及电加热器开工或独立运行所需的电力，或采用现场发电设备或调峰电力，包括沼气直接发电、管网天然气发电、水电站、热电，为PEM制氢模块提供电力；2PEM制氢模块，来自能源原料模块的电力输入接通由变压器与控制柜组成的控制系统并输入直流电压的同时，或工作介质为液态水工况下，从储水罐流出的70～90℃的预热脱盐水经调节阀，或工作介质为脱盐水蒸汽工况下，从水蒸气储罐流出的水蒸气经过节流喷射阀门得到的高温水蒸气，经冷却至100～120℃并脱除液态水后，流入电解槽，电解槽的操作温度分别为，70～100℃或100～120℃，从电解槽交换膜阳极析出浓度为98.5～99.5％、压力为0.3～4.0MPa的O2并经冷却器冷却后进入储氧罐，并作为燃料气输出进入SMR制氢模块，从电解槽阴极析出浓度为99.0～99.99％、压力为0.3～4.0MPa的H2经水气分离器脱除水后，一部分或直接或经催化脱氧、换热冷却后，或直接作为工业级H2产品气输出，一部分作为能源原料模块的原料天然气加氢脱硫的H2来源，或及进入PSA提氢模块进行H2产品气的提纯制备；3SMR制氢模块，来自能源原料模块的天然气水蒸气混合蒸汽经对流式预热器预加热进入列管式转化炉或反应器进行重整转化反应，其中，转化炉或反应器列管内装填有镍镍基催化剂，混合蒸汽流经列管内催化床层进行转化反应，反应温度为700～950℃，反应压力为0.6～4.0MPa，转化反应生成的转化气，再经转化废锅换热后进入中高温变换反应器，反应温度为300～500℃，反应压力为0.6～4.0MPa，转化气经中高温变换反应后形成变换气，其组成为，70～85％H2、13～28％二氧化碳CO2、小于1％一氧化碳CO以及未反应完的甲烷CH4与其余微量碳氢化合物杂质，变换气经与锅炉给水、脱盐水换热后进入PSA提氢模块进行提氢，转化炉或反应器反应所需的热量，是由能源原料模块的除原料气外的其余来自城市燃气或工业天然气作为燃料气，与来自PEM制氢模块流出的O2及来自PSA提氢模块的解吸气，或系统外的空气混合进入SMR制氢模块进行燃烧与补充燃料，在转化炉顶部或下部或两侧的燃烧器进行燃烧所得到的流经列管外的高温烟气经辐射传热所获得，流出的高温烟气作为预热器热源或及转化废锅热源，并经换热降温及处理后作为烟气排放；4PSA提氢模块，来自PEM制氢模块纯度为99.0～99.99％直接或经催化脱氧后的H2与来自SMR制氢模块含H2浓度为70～85％的变换气分别或混合进入由至少3个及以上且装载有吸附剂的复合床层吸附塔器串联或并联或串并联并由吸附塔器之间的管道、程序控制阀门与调节阀门组形成的变压吸附PSA系统，吸附压力为0.6～4.0MPa，吸附温度为20～80℃，吸附塔器交替切换进行包括吸附、均压、顺放、逆放、真空冲洗、终充步骤的吸附与解吸循环操作，从中获得纯度大于等于99.995％的H2产品气进入H2产品气罐，从中获得的解吸气进入缓冲罐后作为补充燃料气返回至SMR制氢板块循环使用，由此，H2产品气的总收率大于等于82％。

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