用于在基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的溫度控制的系統(tǒng)和方法
【專利說明】用于在基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的溫度控制的系統(tǒng)和方法
[0001 ] 政府權(quán)利聲明
本發(fā)明是在由美國能源部授予的合作協(xié)議號DE-FC26-07NT43088的美國政府資助下做出的。美國政府在本發(fā)明中具有某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明提供了一種系統(tǒng)及方法，其用于構(gòu)造成由含碳氫化合物的氣態(tài)進料來生產(chǎn)合成氣體的基于氧輸送膜的重整反應(yīng)器(reforming reactor)中的溫度控制。更具體而言，本發(fā)明提供了一種方法及設(shè)備，其通過在多級基于氧輸送膜的重整反應(yīng)器或熔爐中的級之間引入特定量的冷卻空氣或調(diào)節(jié)空氣(trim air)來保持氧輸送膜元件和相關(guān)聯(lián)的重整反應(yīng)器的大體上一致的表面溫度。
【背景技術(shù)】
[0003]含有氫和一氧化碳的合成氣體生產(chǎn)來用于多種工業(yè)應(yīng)用，例如，氫、化學(xué)和合成燃料制品的生產(chǎn)。常規(guī)地，合成氣體在點火的重整器中生產(chǎn)，其中，在高溫(例如900到10000C)和中壓(例如16到20巴)下，天然氣和蒸汽在含鎳催化劑的重整器管中重整以產(chǎn)生合成氣體。在重整器管內(nèi)發(fā)生蒸汽甲烷重整反應(yīng)的吸熱要求由向熔爐中焚燒的焚燒器提供，焚燒器由部分天然氣來供燃料。為了增加由蒸汽甲烷重整(SMR)過程產(chǎn)生的合成氣體的氫含量，合成氣體可經(jīng)歷水-氣體轉(zhuǎn)變反應(yīng)，以使合成氣體中的剩余蒸汽與一氧化碳反應(yīng)。
[0004]蒸汽甲烷重整的良好地建立的備選方案是部分氧化過程(POx)，由此允許有限量的氧與天然氣進料一起燃燒，以在高溫下產(chǎn)生蒸汽和二氧化碳，且高溫蒸汽和二氧化碳經(jīng)歷隨后的重整反應(yīng)。SMR和POx兩種過程的關(guān)鍵缺點在于大量碳作為低壓煙道氣體中的二氧化碳氣體來散發(fā)到大氣。此外，由常規(guī)SMR或Pox過程產(chǎn)生合成氣體被認為是相對昂貴的過程。
[0005]用于產(chǎn)生合成氣體的有吸引力的備選過程為燃燒氧的自熱重整器(ATR)過程，其使用氧來在反應(yīng)器內(nèi)部部分地氧化天然氣，反應(yīng)器將幾乎所有碳保持在高壓合成氣體中，因此便于除去二氧化碳來用于捕集碳。然而，ATR過程需要單獨的空氣分離單元(ASU)來產(chǎn)生高純度、高壓力的氧，這對整個過程增加了復(fù)雜性以及資本和操作成本。
[0006]如可認識到那樣，生產(chǎn)合成氣體的常規(guī)方法(如SMR、POx或ATR系統(tǒng))是昂貴的，且需要復(fù)雜的設(shè)施。為了克服此類設(shè)施的復(fù)雜性和花費，已提出的是:在反應(yīng)器內(nèi)生成合成氣體，該反應(yīng)器利用氧輸送膜來供應(yīng)氧，且因此生成支持蒸汽甲烷重整反應(yīng)的吸熱要求所需的熱。典型的氧輸送膜具有致密層，其盡管不可透過空氣或其它含氧氣體，但將在經(jīng)歷升高的操作溫度和跨過膜的氧局部壓差時輸送氧離子。
[0007]在合成氣體的生產(chǎn)中使用的基于氧輸送膜的重整反應(yīng)器的示例可在美國專利號6,048,472； 6，110，979;6，114，400;6，296，686;7，261，751;8，262，755;和8，419，827中找至IJ。所有這些基于氧輸送膜的系統(tǒng)的問題在于，由于此類氧輸送膜需要在大約900°C到1100°C的高溫下操作，故常需要將碳氫化合物進料預(yù)熱至類似的高溫。在碳氫化合物(如甲烷和更高階的碳氫化合物)經(jīng)歷此類高溫的情況下，過量的碳形成將在進料流中發(fā)生，尤其是在高溫和低的蒸汽與碳之比下。碳形成問題在上文提到的現(xiàn)有技術(shù)的基于氧輸送膜的系統(tǒng)中特別嚴重。在合成氣體的生產(chǎn)中使用基于氧輸送膜的重整反應(yīng)器的不同途徑在美國專利號8，349，214和美國專利申請序列號2013/0009102中公開，它們都公開了基于反應(yīng)地驅(qū)動的氧輸送膜的重整系統(tǒng)，其使用氫和一氧化碳作為反應(yīng)氣體進料的一部分，這解決了早先的氧輸送膜系統(tǒng)的突出問題中的許多?，F(xiàn)有技術(shù)的基于氧輸送膜的重整系統(tǒng)中出現(xiàn)的其它問題在于氧輸送膜模塊的成本和復(fù)雜性，以及此類基于氧輸送膜的重整系統(tǒng)的低于預(yù)期的熱聯(lián)接、持久性、可靠性和可操作性。這些問題是基于氧輸送膜的重整系統(tǒng)未能成功地商業(yè)化的主要原因。氧輸送膜材料中的最近的進步已解決了與氧流量、膜退化和蠕變壽命相關(guān)聯(lián)的問題，但從成本觀點以及從操作可靠性和可用性觀點來看，為實現(xiàn)商業(yè)地可行的基于氧輸送膜的重整系統(tǒng)仍有很多工作需要進行。
[0008]利用了熱聯(lián)接的單獨的氧輸送膜和催化劑重整反應(yīng)器的過程設(shè)計具有它們自身的一組挑戰(zhàn)。例如，氧輸送膜可構(gòu)造成執(zhí)行若干任務(wù)，如將氧與空氣分離、使透過的氧與反應(yīng)物流反應(yīng)來產(chǎn)生支持催化劑重整反應(yīng)器中的吸熱反應(yīng)所需的含水蒸氣的反應(yīng)物流、以及傳遞熱來驅(qū)動在催化劑重整反應(yīng)器中的吸熱反應(yīng)以實現(xiàn)合成氣體的期望生產(chǎn)。支持催化反應(yīng)器內(nèi)的吸熱反應(yīng)的熱主要由從氧輸送膜反應(yīng)器中的透過的氧的燃燒所釋放的熱的輻射熱傳遞來提供。在升高的溫度下，氧輸送膜在正常穩(wěn)態(tài)操作和瞬態(tài)(transit)操作(如啟動、停機以及混亂狀態(tài))期間經(jīng)歷相當大的機械應(yīng)力，特別是在溫度或溫度變化率可在可接受范圍外時的不利水平下。因此，氧輸送膜反應(yīng)器中釋放的發(fā)熱至催化劑重整反應(yīng)器的低效傳遞將導(dǎo)致更低效的操作、更高的資金成本和更復(fù)雜的系統(tǒng)。
[0009]因此，繼續(xù)存在對具有高度熱效率的合成氣體發(fā)生系統(tǒng)或其它基于氧輸送膜的反應(yīng)器的需求。本發(fā)明解決了前述問題，通過提供一種方法和系統(tǒng)，其通過將特定量的冷卻空氣或調(diào)節(jié)空氣引入多級基于氧輸送膜的反應(yīng)器的級之間，來用于基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的空氣溫度控制，以維持氧輸送膜元件和相關(guān)聯(lián)的反應(yīng)器的大體上一致的表面溫度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]在一個或多個方面中，本發(fā)明可特征化為一種用于在多級的、反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的空氣溫度控制的方法，包括以下步驟:(i)將熱的含氧進料流的流引至多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器，熱的含氧進料流具有從大約800°C到大約100tC的溫度；(ii)使熱的含氧進料流跨過多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級中的多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧從熱的含氧進料流耗盡(deplete)，以產(chǎn)生在處于或高于熱的含氧進料流溫度的溫度下的第一剩余流；(iii)將補充的冷卻空氣流引至在基于氧輸送膜的反應(yīng)器內(nèi)的第一剩余流；(iV)使補充的冷卻空氣流與多級基于氧輸送膜的反應(yīng)器內(nèi)的第一剩余流混合，以產(chǎn)生具有混合流溫度的混合流；(V)使混合流跨過在多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級中的第二多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧從混合流耗盡，以在大體上高于混合流溫度的溫度下產(chǎn)生第二剩余流；以及(vi)從多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器排出含有第二剩余流中的一些或全部的流，其中，熱的含氧進料流溫度和混合流溫度在彼此的大約25°C內(nèi)。
[0011]本發(fā)明也可特征化為一種多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器，包括:(a)空氣入口，其構(gòu)造成接收在從大約800°C到大約1000°C的溫度下的熱的含氧進料流；(b)第一多個氧輸送膜元件，其容納在多級反應(yīng)器的第一級內(nèi)且與熱的含氧的進料流成流體連通，且構(gòu)造成:在經(jīng)歷升高操作溫度和跨過第一多個輸送膜元件的氧分壓(partial pressure)中的反應(yīng)驅(qū)動差時，通過氧離子輸送來將氧與熱的含氧進料流分離，以產(chǎn)生在高于熱的含氧進料流的溫度下的氧耗盡的第一剩余流；(C)至少一個冷卻空氣噴射器，其設(shè)置在第一級下游的基于氧輸送膜的反應(yīng)器內(nèi)，且構(gòu)造成將補充的冷卻空氣流引至第一剩余流，且產(chǎn)生具有混合流溫度的混合流；(d)第二多個氧輸送膜元件，其容納在多級反應(yīng)器的第二級內(nèi)，且設(shè)置在第一級下游，第二多個氧輸送膜元件與混合流成流體連通，且構(gòu)造成:在經(jīng)歷升高的操作溫度和跨過第二多個氧輸送膜元件的氧分壓中的反應(yīng)驅(qū)動差時，通過氧離子輸送來使氧與混合流分離，以產(chǎn)生高于熱的含氧進料流的溫度下的氧耗盡的第二剩余流；以及(e)出口，其設(shè)置在多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級下游，且構(gòu)造成用于從多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器來排出含有氧耗盡的第二剩余流中的一些或所有的流；其中第一剩余流的溫度和第二剩余流的溫度在彼此的大約25°C內(nèi)。
[0012]本發(fā)明還可特征化為一種用于在多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的溫度控制的方法，包括以下步驟:(i)將熱的含氧進料流的流引至多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器，熱的含氧進料流具有從大約8000C到大約10000C的溫度；(ii)使熱的含氧進料流跨過多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級中的多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧從熱的含氧進料流耗盡，以產(chǎn)生在處于或高于熱的含氧進料流溫度的溫度下的第一剩余流；(iii)使第一剩余流經(jīng)過第一耐火空氣擴散篩(screen)，其設(shè)置成鄰近多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級的遠端，且構(gòu)造成保持多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級中的操作溫度，且允許第一剩余流經(jīng)過其間；(iv)使第一剩余流跨過多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級中的第二多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧進一步從第一剩余流耗盡，以產(chǎn)生第二剩余流；(V)使第二剩余流經(jīng)過第二耐火空氣擴散篩，其設(shè)置成鄰近多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級的遠端，且構(gòu)造成保持多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級中的操作溫度，且允許第二剩余流經(jīng)過其間；以及(vi)從多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器排出包含第二剩余流中的一些或全部的流;其中，第一級中的操作溫度和第二級中的操作溫度在彼此的大約25°C內(nèi)。
[0013]備選地，本發(fā)明可特征化為用于在多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器中的溫度控制的方法，包括以下步驟:(i)將熱的含氧進料流的流引至多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器，熱的含氧進料流具有從大約8000C到大約10000C的溫度；(ii)使熱的含氧進料流跨過多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級中的多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧從熱的含氧進料流耗盡，以產(chǎn)生在處于或高于熱的含氧進料流溫度的溫度下的第一剩余流；(i ii)使第一剩余流經(jīng)過第一耐火空氣擴散篩，其設(shè)置成鄰近多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級的遠端，且構(gòu)造成保持多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第一級中的操作溫度，且允許第一剩余流經(jīng)過其間；(iv)將補充的冷卻空氣流引至多級基于氧輸送膜片的反應(yīng)器內(nèi)的第一耐火空氣擴散篩下游的位置處的第一剩余流；(V)使補充的冷卻空氣流與第一剩余流混合，以產(chǎn)生具有混合流溫度的混合流；(vi)使混合流穿過多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級中的第二多個氧輸送膜元件的表面，其中一些氧從混合流耗盡以產(chǎn)生在高于混合流溫度的溫度下的第二剩余流；(vii)使第二剩余流穿過第二耐火空氣擴散篩網(wǎng)，其設(shè)置成鄰近多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜片的反應(yīng)器的第二級的遠端，且構(gòu)造成保持多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的第二級中的操作溫度，且允許第二剩余流穿過其間；以及(Viii)從多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜片的反應(yīng)器排出含有第二剩余流中的一些或所有的流，其中第一級中的操作溫度和第二級中的操作溫度在彼此的大約25°c內(nèi)。
[0014]在一些實施例中，多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器為反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的重整反應(yīng)器。在其它實施例中，多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器為反應(yīng)驅(qū)動的氧輸送膜鍋爐或反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的過程氣體加熱器。
[0015]在一些實施例中，加入補充的冷卻空氣為在多級反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器內(nèi)的多個位置處引入，例如包括第一級的上游、第一級與第二級之間、第二級與第三級之間、任何連續(xù)級之間，或甚至出口之前的最末級的下游。
[0016]在當前請求保護的系統(tǒng)和方法的各種實施例中，多級的、反應(yīng)驅(qū)動的基于氧輸送膜的反應(yīng)器的空氣溫度控制和熱管理可進一步通過將第一剩余流的溫度和第二剩余流的溫度保持在彼此的25 0C內(nèi)來有利地實現(xiàn)。備選地，補充的冷卻空氣的加入或混合允許了將排出流、第一剩余流和/或第二剩余流保持在不大于熱的含氧進料流和/或混