一种用于天然气制氢中变气的低温碳捕集的换热分离装置

本发明涉及天然气制氢化工和低温分离，具体为一种天然气制氢中变气的低温碳捕集的换热分离装置。

背景技术：

1、近年来，氢能凭借“清洁、高效、安全、可持续”的优点受到了广泛的关注，被誉为未来世界能源架构的核心。为实现双碳目标，我国将氢能产业的发展提到国家战略层面，给予高度重视。氢在自然界没有单质存在，只能从含氢化合物中制取。化石能源制氢具有相对低廉的成本和更为成熟的技术，目前是世界上最主要的制氢方式。全球95％以上的氢气生产直接或间接来自于化石能源，其中近一半来自于天然气制氢，但我国通过天然气制得的氢气仅占19％左右。随着我国能源转型的推进，在未来相当长的一段时间内，天然气消费将一直增长。因此，选用相对清洁的天然气替代煤炭制取氢气，同时增加碳捕集系统实现co2零排放，可制取清洁的蓝氢，这对构建传统能源与新能源融合发展新格局具有重大意义。

2、目前，工业上天然气制氢主要有甲烷蒸汽重整转化(srm)、部分氧化(pom)和自热重整(atr)三种工艺技术。其中甲烷蒸汽重整转化制氢是现阶段国内外天然气制氢最成熟最主流的方式，约占天然气制氢的70％。该工艺典型的流程为经预处理后的天然气和水蒸汽经重整反应，生成氢气与一氧化碳co，然后再与水蒸气在铁-催化剂作用下进行中温变换反应(wsr)，由此产生的转化气主要成分为h2和co2，含有其余为少量的ch4、co、轻烃类化合物(cmhn)的中温变换气(以下均简称中变气)，最后经过变压吸附(psa)提纯中变气中的氢气。通过高效的碳捕集技术捕集中变气或者psa尾气中的co2是实现天然气制氢零碳排放的关键环节。工业上常用脱碳技术主要有化学吸收法、低温分离法、物理吸收法、psa法和膜分离法。其中，psa法、膜分离法等主要用于提纯所需的单一产品气，不能有效捕集高纯度co2。而低温分离法和化学吸收法是碳捕集的常用方法，均可以得到纯度较高的co2产品。

3、化学吸收法实质是化学溶液与co2发生反应，从而吸收去除混合气中的co2。常用的化学吸收剂有两大类：醇胺类和碳酸盐类，醇胺类是目前最常用的。在醇胺类化学吸收剂中，甲基二乙醇胺(mdea)具有化学稳定性好、不易降解变质、脱碳能耗低等优点，，在天然气脱酸装置中得到了广泛应用。化学吸收法包括co2吸收和吸收剂再生两大部分，设备众多，装置庞大，为保证脱碳效果，吸收剂的循环量很大，且吸收剂再生过程需要消耗大量的热量。低温分离的方法是利用低温脱碳工艺主要是根据co2的气液、气固、液固相变或这些相变方式的组合来实现的。低温分离的co2液化或者凝华过程需要消耗大量的冷量，通常被认为是一种能耗比较高的方法，但是具有清洁、高效的优点且可以通过优化设计将能耗降至合理水平。目前未见中变气低温脱co2的相关工艺方法。

4、调研与该领域相似设备，申请号为202210279204.8、名称为“一种天然气smb制氢中胺吸收脱碳的全温程变压吸附回收co2替代工艺”的发明专利，采用一种全温程变压吸附(ftrpsa)回收co2方法用于天然气水蒸气重整smb制氢过程的有机胺溶剂或胺溶液吸收脱碳及回收co2工艺的替代升级与技术改造。该工艺虽然降低了脱碳过程的能耗，但是采用多个吸附塔串联或并联或串并联组成的变压吸附方法，设备众多，需要多个吸附塔交替循环操作，并且co2捕集率较低(90％)，有待提高。申请号为202310011130.4、名称为“一种用于橇装天然气制氢烟气碳捕集的耦合系统及方法”的发明专利，采用膜分离和变压吸附耦合的脱碳处理方法，对天然气制氢的烟气进行脱碳处理。该方法引入膜分离单元对烟气进行富集分离处理，再利用变压吸附单元对渗透气进行脱碳处理，在一定程度上提高了co2的捕集率和捕集浓度，但是渗余气中二氧化碳含量仍可达到1.6％，并且co2的捕集率有待进一步提高，膜材料的使用也会增加系统的经济成本。申请号为201210140326、名称为“中变气脱碳—变压吸附联合提取二氧化碳和氢气的新工艺”的发明专利，采用湿法脱碳，再串联变压吸附对中变气的组分进行分离，脱附出的杂质气体经变压吸附脱氮气循环回流的组合工艺。该工艺可以得到高纯度的氢气和纯度大于98％的二氧化碳，但是采用湿法脱碳，设备众多，且吸收剂的再生过程需要消耗大量的热量。

5、综合分析现有的技术难点，本发明首次将co2凝华应用到中变气低温脱碳，既降低了设备投资，又提高了co2的捕集率和h2的回收率。

技术实现思路

1、基于此，本发明的目的是提供一种天然气制氢中变气的低温碳捕集的换热分离装置，以解决天然气制氢中变气碳捕集过程的工艺流程复杂和能耗高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种天然气制氢中变气的低温碳捕集的换热分离装置，包括透明罐，所述透明罐的顶部胶合有透明罩，所述透明罐的内部均匀排列有多组冷却组件，所述透明罐的外侧分别交错设置有两组安装管，且两组安装管的外侧分别安装有进气阀与出气阀，所述透明罐的底部卡合密封连接有透明安装座，所述透明安装座的内部滑动连接有过滤组件，所述过滤组件的底部通过法兰连接有收料组件；

3、所述冷却组件包括冷却管道、散热鳍以及冷却液入口阀与冷却液出口阀，所述透明罐的内部均匀排列有多组与透明罐内壁相连接的冷却管道，所述冷却管道的两端分别安装有冷却液入口阀与冷却液出口阀，所述冷却管道的外侧设置有多组散热鳍。

4、通过采用上述技术方案，通过使用冷凝法并且配合冷却管道以及散热鳍等结构，以解决天然气制氢中变气碳捕集过程的工艺流程复杂和能耗高的问题，实用性强多，实现了具有能耗低、工艺流程简单的技术效果，而且相比现有的溶液吸收法，本方案不会产生二次污染物。

5、本发明进一步设置为，所述过滤组件包括密封连接板、筛网与卡槽，所述透明安装座的内臂开设有卡槽，所述透明安装座的内部通过卡槽连接有密封连接板，所述密封连接板的内部卡接连接有筛网。

6、通过采用上述技术方案，通过冷却管道吸收传入装置内的天然气制氢中分离出的中变气的热量，降低中变气的温度后气体状态改变，对分离出的co2和水进行吸收和捕集，co2以固体干冰的形式从中变气中凝华分离出来，得到co2含量降至0.2％以下的净化气和固体干冰产品，设置多排冷却管道提高传热效率。

7、本发明进一步设置为，所述收料组件包括漏斗与出料阀，所述透明安装座的底部通过法兰连接有漏斗，所述漏斗的底端设置有出料阀。

8、通过采用上述技术方案，利用漏斗与出料阀的作用，便于完成收集冷凝水，完成工作。

9、本发明进一步设置为，所述密封连接板的一端设置有拉环。

10、通过采用上述技术方案，利用拉环的作用，便于拉动密封连接板，以此完成漏斗的收集，完成工作。

11、综上所述，本发明主要具有以下有益效果：

12、1、本发明通过使用冷凝法并且配合冷却管道以及散热鳍等结构，解决了天然气制氢中变气碳捕集过程的工艺流程复杂和能耗高的问题，实用性强多，实现了具有能耗低、工艺流程简单的技术效果，而且相比现有的溶液吸收法，本方案不会产生二次污染物；

13、2、本发明可以通过冷却管道吸收传入装置内的天然气制氢中分离出的中变气的热量，降低中变气的温度后气质状态改变，对分离出的co2和水进行吸收和捕集，同时对中变气中的杂质进行净化，设置多排冷却管道提高传热效率，分离后的物质分别收集在漏斗和筛网中，筛网和漏斗均可拆卸，便于清洗与收纳，在出气阀处可以收集到净化分离后的净化气，有效的达到分离效果，提高分离效率，并有效降低成本，达到换热分离目的；

14、3、本发明可对天然气制氢中变气进行及时的降温分离，材料用料少，节约成本，提高效率，有效分离co2组分，便于后续气质的收集与利用，对中变气的分离净化提纯有着优异的应用效果；

15、4、装置整体结构简单，且大部分零件都通过螺纹连接，方便拆卸维修更换，容易运存组装使用，造价低廉可大量部署使用，更适用复杂工况区域。。