CN115806271A - 天然气重整***以及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种天然气重整***以及方法，将天然气重整中产生的二氧化碳利用至共电解(Co‑electrolysis)装置，从而降低二氧化碳的排放量，并通过共电解生成的合成气来实现向重整器供给热量以及额外地生产氢。
Description
技术领域
本发明涉及一种天然气重整***以及方法，具体地，涉及一种将天然气重整中产生的二氧化碳利用至共电解(Co-electrolysis)装置的天然气重整***以及方法，从而降低二氧化碳的排放量并通过共电解生成的合成气来实现向重整器供给热量以及额外地生产氢。
背景技术
由于温室气体的排放以及地球温室效应等问题，可代替化石燃料的新再生能源的开发以及普及的必要性正在提升，而作为清洁能源的氢则备受瞩目。氢的能量密度较高，将来其作为能源的重要性会不断提高。氢是地球中存在最多的元素，其以化石燃料、生物质以及水等多种形态存在。为了将氢作为燃料而使用，不仅仅是通过经济的方法，通过将环境影响最小化的方法来生产氢极为重要。氢的生产方法分为通过化石燃料重整反应来生产的传统方法和利用生物质以及水来生产的可再生方法。利用化石燃料的氢的生产中可以利用湿润重整反应、自热重整反应、部分氧化反应以及气化反应等热化学方法。当今氢市场中，通过重整器来生产氢占大部分比率。
大韩民国公开专利公报第2016-0068122中，公开了利用焦炉煤气的氢PSA尾气的氢制备方法，具体地，包括：从焦炉煤气(COG)回收氢，并将剩余的尾气(Off-Gas)进行捕集的步骤；水蒸气重整反应步骤；水煤气转换反应步骤以及氢变压吸附(PSA)工序步骤。
如上所述，利用化石燃料的氢生产过程中，二氧化碳的排放是必然的，由于强有力的环境制度，特别是温室气体分配制度，在国内外对于再生能源的兴趣正在增加，而基于天然气的具有效率性和经济性的清洁能源生产技术开发极其重要。
由此，如大韩民国公开专利公报第2020-0084068号中所公开，最近开发有对化石燃料重整的二氧化碳不进行排放而是进行捕集的技术，然而，为了分离并储存所捕集的二氧化碳则需要额外的储存空间，从而存在重整器的容量越大则越不容易提供该储存空间的问题。
发明内容
技术问题
本发明的目的在于提供一种天然气重整***以及方法，将天然气重整中产生的二氧化碳利用至共电解(Co-electrolysis)装置，从而降低二氧化碳的排放量，并通过共电解生成的合成气来实现向重整器供给热量以及额外地生产氢。
本发明所要实现的技术问题并不限于以上所述的技术问题，本领域技术人员将通过以下记载能够更加明确地理解没有涉及到的其他技术问题。
技术方案
为了实现所述技术问题，本发明一实施例提供一种天然气重整***，包括：重整器，用于将天然气通过水蒸气重整反应(steam reforming)转化为包含氢和一氧化碳的重整气；水蒸气发生器，用于对从所述重整器的燃烧器排出的燃烧气进行热交换以生成水蒸气；水煤气转换反应器，用于将所述重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应转化为氢和二氧化碳；氢分离器，用于从所述水煤气转换反应器供给的气体中分离出氢；二氧化碳分离器，用于从所述氢分离器供给的氢已被分离的气体中分离出二氧化碳；以及共电解装置，用于接收所述二氧化碳分离器分离的二氧化碳和水蒸气并通过共电解反应生产包含氢和一氧化碳的合成气以及氧。
根据一个实施例，将所述水蒸气发生器生成的水蒸气分别供给至所述重整器、所述水煤气转换反应器以及所述共电解装置。
根据一个实施例，将所述共电解装置生成的合成气的至少一部分供给至所述重整器的燃烧器并进行燃烧。
根据一个实施例，将所述共电解装置生成的剩余的合成气供应至水煤气转换反应器的前端。
根据一个实施例，将所述共电解装置生成的氧供给至所述重整器的燃烧器。
根据一个实施例，将所述二氧化碳分离器中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至所述重整器的燃烧器。
根据一个实施例，所述氢分离器以及所述二氧化碳分离器可以利用变压吸附(PSA；pressure swing adsorption)。
根据一个实施例，所述共电解装置接收利用再生能源生产的电力。
根据本明的另一实施例，提供一种天然气重整方法，包括：燃烧步骤，燃烧燃料以生成燃烧气；重整步骤，接收所述燃烧气的热量并将天然气通过水蒸气重整反应(steamreforming)转化为包含氢和一氧化碳的重整气；水蒸气发生步骤，与所述燃烧气进行热交换以生成水蒸气；水煤气转换反应步骤，将所述重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应转化为氢和二氧化碳；氢分离步骤，从所述水煤气转换反应步骤供给的气体中分离出氢；二氧化碳分离步骤，从所述氢分离步骤供给的氢已被分离的气体中分离出二氧化碳；以及共电解反应步骤，接收所述二氧化碳分离步骤中分离的二氧化碳和水蒸气并通过共电解反应来生产包含氢和一氧化碳的合成气及氧。
根据一个实施例，将所述水蒸气发生步骤中生成的水蒸气分别供给至所述重整步骤、所述水煤气转换步骤以及所述共电解变换反应步骤。
根据一个实施例，将所述共电解反应步骤中生成的合成气的至少一部分作为燃料供给至所述燃烧步骤。
根据一个实施例，将所述共电解反应步骤中生成的剩余的合成气供给至所述水煤气转换反应步骤。
根据一个实施例，将所述共电解反应步骤中生成的氧供给至所述燃烧步骤。
根据一个实施例，将所述二氧化碳分离步骤中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至所述燃烧步骤。
根据一个实施例，所述氢分离步骤以及所述二氧化碳分离步骤可以利用变压吸附(PSA；pressure swing adsorption)进行。
根据一个实施例，所述共电解反应步骤中接收利用再生能源生成的电力。
发明效果
根据本发明，将天然气重整中产生的二氧化碳利用至共电解(Co-electrolysis)装置中，从而降低二氧化碳的排放量，即使没有额外的能够隔离二氧化碳的储存空间，也能够自主利用分离的二氧化碳。也就是说，能够生产天然气重整过程中温室气体排放降低的蓝氢。
另外，将共电解所生成的合成气的一部分供给至重整器以使用作为燃烧用燃料，从而减少作为燃烧用燃料的天然气的使用量并维持重整器的反应温度，将剩余的合成气供给至水煤气转换反应器的前端以额外地生产氢，从而提高氢的生产量。
本发明的效果并不限于以上所述效果，应该理解的是，还可以包括从本发明的详细说明或者权利要求中记载的发明的构成可推论出的所有效果。
附图说明
图1是显示根据本发明一实施例的天然气重整***的示意图。
图2是显示图1的天然气重整***中共电解装置的固体氧化物共电解槽的示意图。
图3是显示根据本发明一实施例的天然气重整方法的流程图。
附图标记说明
100：重整器 120：燃烧器
200：水蒸气发生器 300：水煤气转换反应器
400：氢分离器 500：二氧化碳分离器
600：共电解装置 620：阴极
640：阳极 660：固体氧化物电解质
S1：燃烧步骤 S2：重整步骤
S3：水蒸气发生步骤 S4：水煤气转换反应步骤
S5：氢分离步骤 S6：二氧化碳分离步骤
S7：共电解反应步骤
具体实施方式
以下，参考所附的附图对本发明的天然气重整***以及方法的优选实施例进行详细地说明。
另外，后述的用语作为考虑到本发明中的功能而定义的用语，将可以根据用户、操作者的意图或者惯例而不相同，以下的实施例并不旨在限制本发明的权利要求的范围，而是旨在对本发明权利要求中记载的构成要素进行示例性说明。
为了更明确地对本发明进行说明，省略与说明不相关的部分，通过整个说明书对同等或者类似的构成要素附加参考编号。在整个说明书中，如记载有某个部分“包括”某个构成要素时，除非特地有相反的记载说明，否则表示的是不排除其他构成要素，而是还可以具备其他构成要素。
首先，参考图1来看一下根据本发明一实施例的天然气重整***。
根据本发明一实施例的天然气重整***大体上包括：重整器100、水蒸气发生器200、水煤气转换反应器300、氢分离器400、二氧化碳分离器500以及共电解装置600。
重整器100中，天然气(natural gas)在催化剂的作用下通过水蒸气重整反应(steam reforming)转化为包含氢和一氧化碳的重整气(reformed gas)，具体地，如以下反应式(1)所示，甲烷和水蒸气进行反应转化为氢和一氧化碳。重整催化剂包括将镍(Nickel)或者钌(Ruthenium)等金属负载在氧化铝(Alumina)、二氧化硅(Silica)以及铝酸镁(Magnesium Aluminate)等载体上的催化剂等。
(1)CH4+H2O→CO+3H2
为了实现反应式(1)则需要热量，由此，重整器100包括燃烧器120。燃烧器120燃烧燃料以生成燃烧气(combustion gas)，从而将重整器100的反应温度维持在600℃至900℃。往往向燃烧器120供给与重整对象气体相同的气体的天然气作为燃料来进行燃烧，然而，本发明中供给的是后述的共电解装置600生成的合成气(syngas)作为燃料从而减少天然气的使用量。
重整器的燃烧器120排放的燃烧气流入至水蒸气发生器200，并与水进行热交换从而生成水蒸气。燃烧气的路径在图1中用一点划线来表示。另外，从外部供给的天然气通过水蒸气发生器200的时候从燃烧气吸收热量以升温至适合重整反应的温度，并与生成的水蒸气进行混合从而供给至重整器100。
重整器100中生成的重整气在通过水蒸气发生器200来供给热量的同时与水蒸气进行混合从而供给至水煤气转换反应器300。在水煤气转换反应器300中，如以下反应式(2)所示，重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应(WGS；water gas shift reaction)转化为氢和二氧化碳。
(2)CO+H2O→CO2+H2
水煤气转换反应器300中填充有用于水煤气转换反应的转化催化剂，转化催化剂优选使用为铜-锌(Cu-Zn-Al2O3系催化剂)的铜系催化剂和/或铁-铬等的氧化物(Fe2O3-Cr2O3系催化剂)。反应温度在Cu-Zn-Al2O3系催化剂时为200℃至250℃，而在Fe2O3-Cr2O3系催化剂时为300℃至450℃。
将通过水煤气转换反应氢含量变得更高的气体从水煤气转换反应器300供给至氢分离器400，在氢分离器400中氢会以高纯度被分离。氢分离器400可以利用吸附法(adsorption)、膜分离法(membrane separation)以及深冷法等，本实施例中基于利用变压吸附(PSA；pressure swing adsorption)进行说明。PSA是利用吸附剂的气体吸附量的差异来进行分离的工序，利用PSA的氢分离器400使用吸附剂来吸附去除氢以外的不纯气体从而精制氢。具体地，在压力大的状态下，对杂质进行吸附来去除，压力降低时，对吸附的物质进行脱附从而再生。
在氢分离器400中氢已被分离的剩余气体将被供给至二氧化碳分离器500，在二氧化碳分离器500中二氧化碳会以高纯度被分离。二氧化碳分离器500同样可以利用变压吸附(PSA；pressure swing adsorption)，并使用吸附剂来吸附二氧化碳从而精制二氧化碳。如此，氢分离器400以及二氧化碳分离器500是通过压力启动，因此电力消耗量低。
二氧化碳分离器500中分离的二氧化碳将被供给至共电解装置600，另外，水蒸气会从水蒸气发生器200供给至共电解装置600。由此，如以下反应式(3)所示，通过共电解反应从二氧化碳和水蒸气来生成包含氢和一氧化碳的合成气以及氧。其中，供给至共电解装置600的二氧化碳以及水蒸气的路径和共电解装置600中生成的合成气以及氧的路径在图1用虚线来表示。
(3)CO2+2H2O→CO+2H2+3/2O2
此时，实现反应式(3)时需要电和热量，电是从外部供给，而热量是从水蒸气发生器200的高温水蒸气供给。此外，由从重整器的燃烧器120排放的燃烧气实现热量供给，当然，还可以从外部供给热量。优选地，共电解装置600可以接收利用再生能源生产的电力。共电解装置600由于是在高温运作，因此相比于以往的水电解装备电需求量非常低。
具体地，共电解装置600包括图2所示的固体氧化物共电解槽(Solid Oxide Co-Electrolysis Cell)，固体氧化物共电解槽包括阴极620、阳极640以及在它们之间配置的固体氧化物电解质660。二氧化碳和水蒸气供给至阴极620，如以下反应式(4)以及(5)一样分别被还原以生成氢和一氧化碳。另外，氧离子在阴极620处被泵浦从而通过固体氧化物电解质660流至阳极640处，如以下反应式(6)一样在阳极640氧离子被氧化以生成氧。
(4)H2O+2e-→H2+O2-
(5)CO2+2e-→CO+O2-
(6)O2-→1/2O2+2e-
将共电解装置600中生成的合成气的一部分作为燃料供给至重整器的燃烧器120进行燃烧，由此，作为燃烧用燃料能够减少天然气的使用量，并且还能维持重整器100的反应温度。
另外，供给至燃烧器120后的剩余合成气将被供给至水煤气转换反应器300的前端，从而通过水煤气转换反应器300以及氢分离器400以使额外的氢的生产成为可能。最终，提高氢的产量。
还将共电解装置600中生成的氧供给至重整器的燃烧器120以用于合成气的燃烧。
另外，还将二氧化碳分离器500中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至重整器的燃烧气120以与合成气一起作为燃烧用燃料使用。
下面，参考图3来看一下根据本发明一实施例的天然气重整方法。
根据本发明的一实施例的天然气重整方法大体上包括：燃烧步骤S1、重整步骤S2、水蒸气发生步骤S3、水煤气转换反应步骤S4、氢分离步骤S5、二氧化碳分离步骤S6以及共电解反应步骤S7。
如所述重整器的燃烧器120中说明的一样，燃烧步骤S1中将燃料燃烧以生成燃烧气(combustion gas)。燃烧气的路径在图3中用一点划线来表示。
如所述重整器100中说明的一样，重整步骤S2中接收燃烧步骤S1中生成的燃烧气的热量以使天然气(natural gas)通过水蒸气重整反应(steam reforming)转化为包含氢和一氧化碳的重整气(reformed gas)。
如所述水蒸气发生器200中说明的一样，水蒸气发生步骤S3中将热量供给至重整步骤S2，并与排放的燃烧气进行热交换以生成水蒸气。将水蒸气发生步骤S3中生成的水蒸气分别供给至重整步骤S2、水煤气转换反应步骤S4以及共电解反应步骤S7。
如所述水煤气转换反应器300中说明的一样，水煤气转换反应步骤S4中将重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应转化为氢和二氧化碳。
如所述氢分离器400中说明的一样，氢分离步骤S5中将氢从水煤气转换反应步骤S4中供给的气体中分离出。
如所述二氧化碳分离器500中说明的一样，二氧化碳分离步骤S6中将二氧化碳从氢分离步骤S5中供给的氢已被分离的气体中分离出。如上述说明的一样，氢分离步骤S5以及二氧化碳分离步骤S6可以利用变压吸附(PSA；pressure swing adsorption)进行。
如所述共电解装置600中说明的一样，共电解反应步骤S7中接收二氧化碳分离步骤S6中分离的二氧化碳和水蒸气发生步骤S3中生成的水蒸气并通过共电解反应生产包含氢和一氧化碳的合成气(syngas)以及氧。此时，共电解反应步骤S7中接收利用再生能源生产的电力以用于共电解反应。其中，向共电解反应步骤S7供给的二氧化碳以及水蒸气的路径和共电解反应步骤S7中生成的合成气以及氧的路径在图3由虚线来表示。
共电解反应步骤S7中生成的合成气的一部分作为燃烧用燃料供给至燃烧步骤S1，由此，减少作为燃烧用燃料的天然气的使用量并维持重整步骤S2的反应温度。另外，将供给至燃烧步骤S1后剩余的合成气供给至水煤气转换反步骤S4的前端，并通过水煤气转换反应步骤S4以及氢分离步骤S5使额外的氢的生产成为可能。
还将共电解反应步骤S7中生成的氧供给至燃烧步骤S1以用于合成气的燃烧。
另外，还将二氧化碳分离步骤S6中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至燃烧步骤S1以与合成气一起作为燃烧用燃料使用。
根据本发明，将天然气重整中产生的二氧化碳利用至共电解(Co-electrolysis)装置，从而降低二氧化碳排放量，即使没有额外的能够隔离二氧化碳的储存空间，也能够自主利用分离的二氧化碳。也就是说，能够生产天然气重整过程中温室气体排放降低的蓝氢。
本发明并不限于所述特定的实施例以及说明书，对于本领域技术人员来说无论是谁，只要不超出权利要求书中请求保护的本发明的主旨则可以实施多种变形，而这类变形均在本发明的保护范围内。
Claims (16)
1.一种天然气重整***，其特征在于，包括：
重整器，用于将天然气通过水蒸气重整反应转化为包含氢和一氧化碳的重整气；
水蒸气发生器，用于对从所述重整器的燃烧器排出的燃烧气进行热交换以生成水蒸气；
水煤气转换反应器，用于将所述重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应转化为氢和二氧化碳；
氢分离器，用于从所述水煤气转换反应器供给的气体中分离出氢；
二氧化碳分离器，用于从所述氢分离器供给的氢已被分离的气体中分离出二氧化碳；以及
共电解装置，用于接收所述二氧化碳分离器分离的二氧化碳和水蒸气并通过共电解反应生产包含氢和一氧化碳的合成气以及氧。
2.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
将所述水蒸气发生器生成的水蒸气分别供给至所述重整器、所述水煤气转换反应器以及所述共电解装置。
3.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
将所述共电解装置生成的合成气的至少一部分供给至所述重整器的燃烧器并进行燃烧。
4.根据权利要求3所述的天然气重整***，其特征在于，
将所述共电解装置生成的剩余的合成气供应至水煤气转换反应器的前端。
5.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
将所述共电解装置生成的氧供给至所述重整器的燃烧器。
6.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
将所述二氧化碳分离器中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至所述重整器的燃烧器。
7.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
所述氢分离器以及所述二氧化碳分离器利用变压吸附。
8.根据权利要求1所述的天然气重整***，其特征在于，
所述共电解装置接收利用再生能源生产的电力。
9.一种天然气重整方法，其特征在于，包括：
燃烧步骤，燃烧燃料以生成燃烧气；
重整步骤，接收所述燃烧气的热量并将天然气通过水蒸气重整反应转化为包含氢和一氧化碳的重整气；
水蒸气发生步骤，与所述燃烧气进行热交换以生成水蒸气；
水煤气转换反应步骤，将所述重整气的一氧化碳和水蒸气通过水煤气转换反应转化为氢和二氧化碳；
氢分离步骤，从所述水煤气转换反应步骤供给的气体中分离出氢；
二氧化碳分离步骤，从所述氢分离步骤供给的氢已被分离的气体中分离出二氧化碳；以及
共电解反应步骤，接收所述二氧化碳分离步骤中分离的二氧化碳和水蒸气并通过共电解反应来生产包含氢和一氧化碳的合成气及氧。
10.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
将所述水蒸气发生步骤中生成的水蒸气分别供给至所述重整步骤、所述水煤气转换步骤以及所述共电解变换反应步骤。
11.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
将所述共电解反应步骤中生成的合成气的至少一部分作为燃料供给至所述燃烧步骤。
12.根据权利要求11所述的天然气重整方法，其特征在于，
将所述共电解反应步骤中生成的剩余的合成气供给至所述水煤气转换反应步骤。
13.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
将所述共电解反应步骤中生成的氧供给至所述燃烧步骤。
14.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
将所述二氧化碳分离步骤中二氧化碳已被分离的剩余气体供给至所述燃烧步骤。
15.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
所述氢分离步骤以及所述二氧化碳分离步骤利用变压吸附进行。
16.根据权利要求9所述的天然气重整方法，其特征在于，
所述共电解反应步骤中接收利用再生能源生成的电力。
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