CN101842315A - 利用蒸气重整反应的氢气产生装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过蒸气重整反应利用烃原料产生氢气的氢气产生装置，在该氢气产生装置中，在原料配送器和各个反应管之间安装有降压装置，以防止将原料不均一地配送至反应管。在该氢气产生装置中，用于人为地降低原料的供应压力的降压装置安装在原料配送器和各个关于热源同心布置的反应管之间。因此，当原料的配送不均匀时，该降压装置能够抑制某些反应管中的异常温度上升，从而能平稳地产生氢气，并大大地提高氢气产生装置的操作安全性。

Description

利用蒸气重整反应的氢气产生装置
技术领域
本发明涉及利用蒸气重整反应产生氢气的装置，并且更具体地说，涉及借助蒸气重整反应利用烃(碳氢化合物)原料产生氢气的结合有热交换器的氢气产生装置，其中，在各个填充有催化剂的反应管与原料配送器或重整后气体配送器之间安装有使原料的供应压力下降的降压装置，从而人为地使压降大到足以消除由催化床导致的压降不均匀的影响，由此可以防止将烃原料不均一地配送至反应管或防止不均匀地排出含氢气的重整后气体。
背景技术
通常，燃料电池是这样一种发电系统：其通过氢气和氧气之间的电化学反应来将化学能转换为电能，从而产生电和作为副产品的水。
由于这种燃料电池具有优良的能量效率，因此人们期望用这种燃料电池来代替内燃机，因而可以认为必须实现稳定的氢气供应才能在不远的将来使用燃料电池作为替代能源。
为燃料电池供应氢气的方法包括通过电解水产生氢气的方法、以及通过利用蒸气对含氢的原料进行重整(蒸气重整反应)而产生氢气的方法。
这里，可以使用包括天然气、LPG(液化石油气)、石脑油、挥发油和煤油在内的多种烃作为原料。
此外，蒸气重整反应在高温且存在催化剂的情况下发生。
因此，需要在发生蒸气重整反应的位置使用催化剂，并且必须提供蒸气重整反应所需的热能。
在现有技术中使用了这样的方法：即，在单独的位置产生蒸气重整反应所需的热能，并随后将生成的热能传递至氢气产生装置。然而，这种方法具有使用不便和管理困难的问题。
因此，近年来，氢气产生装置的内部由管状金属件或板状金属件分为两个部分，从而可以将一个部分用作蒸气重整部分(重整部分)，并将另一部分用作用于产生蒸气重整反应所需的热能的部分(燃烧部分)。
也就是说，通过将在燃烧部分中产生的热能传递至重整部分(蒸气重整部分)而向氢气产生装置传递蒸气重整反应所需的热能。
这里，在多数情况下，重整部分中的催化剂位于小直径的催化反应管中，并且根据氢气产生装置的容量和尺寸围绕热源对称设置多个催化反应管。
然而，在根据现有技术的这种氢气产生装置中，原料配送不均一的可能性较高。如果发生了原料配送不均一的情况，那么原料供应量较小的反应管会由于反应热没有被吸收而温度升高，从而由于高温变形而导致发生异常现象。下面将对此进行详细描述。
在将由诸如球状丸或圆柱状丸等颗粒构成的催化剂填入反应管的过程中，催化剂颗粒是随机填入的，结果，不可避免地，在各个催化反应管之中，催化床的前端和催化床的后端之间的压力差是不同的。
上述由催化床引起的压降不均匀导致流经反应器的流体的量不同。
在本发明所属技术领域中众所周知的是在填充有催化剂的反应器中存在压降，例如，如欧根公式(Ergun Equation)所示的压降。
本发明的目的在于人为地造成相当于由催化床引起的压降的数倍的压降，从而使在整个反应器的总压降之中由催化床引起的压降的影响最小，由此防止各个反应管中的流量不均匀。
与本发明相似的在先日本专利示出了以下实例：其中，设置直径为0.4mm的孔作为降压装置，以使氢气产生装置的各个反应管中的 流量均匀。
发明内容
【技术问题】
然而，在该在先日本专利中，需要对孔进行精密加工，并且孔的性能受到在催化床的前端产生的灰尘的影响的可能性较高。另外，由于热分布不均匀以及高温操作过程中的热膨胀，会导致孔的尺寸改变。因此，可以预见到，孔的性能不能满足期望。
因此，为了解决现有技术中产生的上述问题而做出本发明，并且本发明的目的在于降低供应至各个反应管的原料的供应压力，从而防止将原料不均一地配送至反应管，并且同时抑制反应管中的异常温度上升，从而可以实现平稳地产生氢气。
本发明的一个目的在于提供一种利用蒸气重整反应产生氢气的装置，在该装置中，在各个填充有催化剂的反应管与原料配送器或重整后气体配送器之间安装有用于降低原料的供应压力的降压装置，从而人为地使压降大到足以消除由催化床引起的压降不均匀的影响，由此可以防止将烃原料不均一地配送至反应管，或防止含有氢气的重整后气体不均匀地排出。
本发明的另一目的在于提供一种用于氢气产生装置的降压装置，该降压装置易于制造和安装，能够容易地控制压降的程度，受反应管中产生的灰尘的影响不大，并且可以弹性地应对由高温操作导致的热变形。
本发明的另一目的在于提供一种利用蒸气重整反应产生氢气的装置，该装置能够抑制某些反应管中的异常温度上升，从而能平稳地产生氢气，并提高装置的操作安全性。
【技术方案】
为了实现上述目的，本发明提供一种利用蒸气重整反应产生氢气的装置，所述装置包括：重整部分，其内部安装有用于进行蒸气重整反应的多个填充有催化剂的反应管，所述蒸气重整反应利用蒸气对烃原料进行重整来产生氢气；燃烧部分，其内部安装有热源，所述热源用于产生在所述反应管中发生的所述蒸气重整反应所需的热能；以及配送装置，其用于向所述反应管供应所述烃原料，并排出通过所述蒸气重整反应产生的氢气，其中，在所述配送装置和各个所述反应管之间安装有能够人为地降低所述烃原料的供应压力的降压装置，从而向各个所述反应管均一地配送所述烃原料。
【有益效果】
根据本发明的上述构造，降压装置安装在原料配送器和各个反应管之间，以便人为地降低烃原料的供应压力，从而将烃原料均一地配送至关于热源同心布置的各个反应管中。
因此，可以抑制由于烃原料的配送不均一而导致的反应管中的异常温度上升，从而能平稳地产生氢气，并且大大地提高了氢气产生装置的操作安全性。
此外，根据本发明的降压装置易于制造和安装，能够容易地控制烃原料的供应压力，受反应管中产生的灰尘的影响不大，可以弹性地应对由高温操作导致的热变形，因此该降压装置可以大大地提高氢气产生装置在长期使用过程中的生产率和使用方便性。
附图说明
图1是示出根据本发明的氢气产生装置的构造的剖视图。
图2是示出内部安装有降压装置的氢气产生装置的构造的示意图。
图3是示出压力阀的实例的剖视图。
图4是示出降压管的实例的局部剖视图。
在附图中使用的主要附图标记的说明
1：氢气产生装置；     2：燃烧部分；
3：重整部分；         10：热源；
20：反应管；          30：降压装置。
具体实施方式
下面，参考附图详细说明本发明的优选实施例。
图1是示出根据本发明的氢气产生装置的实施例的剖视图，并且示出了结合有热交换器的氢气产生装置的总体构造和元件组合，该氢气产生装置包括燃烧部分、填充有催化剂的反应管等等。
图2是示出设置有降压装置的氢气产生装置的构造的示意图，并且示出了安装在原料配送器和各个反应管之间的用于降低烃原料的供应压力的降压装置。
图3是示出降压装置的实例的剖视图，并且示出了内部形成有原料流量控制通道的压力阀的构造。
图4是示出降压管的实例的局部剖视图，并且示出了具有盘绕形状的降压管的构造，该降压管的内径足够小并且长度足够长，从而能利用反应管的壁侧使压力降低。
具体地说，如图1所示，根据本发明的氢气产生装置1分为设置有热源10的燃烧部分2以及用于利用蒸气对烃原料进行重整的重整部分3。
虽然主要使用燃烧器(burner)作为安装在燃烧部分2中的热源，但是应当理解本发明的范围不必局限于此，而是可以将诸如燃烧器等用于产生蒸气重整反应所需的热能的所有已知加热装置应用于本发明。
因此，由于在氢气产生装置1中安装有起到这种作用的热源10，所以在热源10的周围布置耐火材料来防止高温火焰与热源10的金属材料直接接触，并且同时使热源10的热损耗最小，从而提高热源10的效率。
在容纳有耐火材料13的氢气产生装置1中设置火焰引导件14，从而在氢气产生装置1内限定用于产生重整反应所需的热能的燃烧部分2，并且使燃烧部分2中产生的废气流向重整部分3，来传递重整反应所需的热能。
在氢气产生装置1中的由火焰引导件14限定的重整部分3中，设置有多个填充有催化剂的反应管20。在填充到反应管20中的催化剂的作用下，利用蒸气对烃原料进行重整来产生氢气。
虽然如图所示，根据本发明的反应管20呈圆形形状，分为两个部分并且使用上接合板21设置在重整部分3中，但是应当理解这仅是一个实例，本发明的范围不一定局限于此。
此外，反应管20相对于热源10大体上同心地布置，从而反应管20可以在最小的空间内有效地利用热能。
氢气产生装置1基本上由外壳体15遮盖，从而使氢气产生装置1免受外部环境或外部影响的作用。具体地说，在外壳体15的内表面上附着有隔热材料16等，以防止产生热损耗。
此外，如图1所示，在氢气产生装置1的上端和下端安装有上盖件17和下盖件17a。在上盖件17的下方设置有用于向反应管20供应原料并排出由蒸气重整反应产生的氢气的配送装置。
这里，配送装置包括用于向反应管20供应烃原料的原料配送器18、以及用于排出由蒸气重整反应产生的氢气的重整后气体配送器19。在如图1和图2所示的本发明的实施例中，原料配送器18布置在上盖件17的下方，并且重整后气体配送器19与原料配送器18相邻地设置或相对地设置。
各个原料配送器18和重整后气体配送器19具有供烃原料或氢气移动的通道，从而原料配送器18和重整后气体配送器19允许将烃原料供应至反应管20或者允许将重整反应产生的氢气平稳地排出到需要的位置。
因此，由于根据本发明的氢气产生装置1以上述方式来构造，所以烃原料通过原料配送器18供应至各个反应管20，并且由安装在燃烧部分2中的热源10所产生的热能供应至重整部分3，从而使烃原料和热能彼此进行热交换。
在这个过程中，由蒸气和催化剂的作用引发蒸气重整反应，通过蒸气重整反应在反应管20中产生氢气，并最终通过重整后气体配送器19将氢气排到外部，以将氢气用于燃料电池等。
同时，在用于供应烃原料的原料配送器18与该烃原料供应到其中的各个反应管20之间安装有降压装置30，从而降压装置30可以降低烃原料的供应压力，以防止将烃原料不均一地配送至各个反应管20。
这里，虽然可以在各个反应管20与用于将蒸气重整反应所产生的氢气排到外部的重整后气体配送器19之间附加地安装降压装置30，但是应当理解，将根据降压装置30安装在原料配送器18与各个反应管20之间的情况来描述本发明的以下实施例。
具体地说，如图2所示，在原料配送器18与各个反应管20之间安装有降压装置30，从而可以人为地降低原料的供应压力。
因此，降压装置30可以以多种形式来设置。具体地说，为了进一步提高配送性能，将降压装置30设置成如下形式：其易于制造和安装，能够容易地控制烃原料的供应压力，受反应管20中产生的灰尘的影响不大，并且可以弹性地应对由高温操作导致的热变形。
在图3中示出了满足这种条件的降压装置30的实例。如该图所示，压力阀31在内部可控地形成有原料流量控制通道33并用于连接各个反应管20和原料配送器18，从而使由原料配送器18供应的原料的供应压力降低。
具体地说，由原料配送器18供应的烃原料经过形成于压力阀31中的原料流量控制通道33，当根据各个催化床的填充程度而产生不均匀的压降时，利用压力控制把手34来缩窄原料流量控制通道33，从而可以使由催化床导致的不均匀流量变得均匀，并且由此向各个反应管20施加均匀的压力。
因此，即使当各流体的流量由于催化床而改变时，压力阀31也可以通过控制原料流量控制通道33来根据催化剂在反应管20中的填充量来降低烃原料的供应压力。在这种状态下，可以将烃原料均一地配送至反应管20，从而防止产生以下异常现象：即，在吸收由热源10产生的热能的过程中因缺乏烃原料而导致反应管20过度地吸收热能，从而由高温变形导致的异常现象。
在图4中示出满足上述条件的降压装置30的另一实例。如图所示，降压装置30包括直径小于反应管20的直径的降压管35，从而烃原料的供应压力在经过降压管35的过程中降低。
此外，降压管35设置为盘绕形式，从而可以弹性地吸收由氢气产生装置1的高温操作过程中的热膨胀导致的变形。
对于降压管35的最优选实例，当压强为8kg/cm2的流体流经1M长的催化床中的填充有尺寸为2mm-5mm的催化剂的反应管20时，将直径为3mm的降压管35以约1M的长度安装在原料配送器18和各个反应管20之间。在这种情况下，降压管35人为地降低烃原料的供应压力，从而将烃原料总是均一地配送至反应管20。
具体地说，当使用上述降压管35将原料配送器18与各个反应管20相连时，由原料配送器18供应的烃原料在经过降压管35的过程中供应压力降低，并且该烃原料在这种状态下供应至反应管20，并由此将烃原料均一地配送至各个反应管20。
对于最优选的形式，在原料配送器18和各个反应管20之间安装具有不同长度的降压管35，从而即使催化剂在反应管20中的填充不均匀，也总是能够将烃原料均一地配送至反应管20。
具体地说，将根据催化剂填充量而改变长度的降压管35与原料配送器18相连，从而使原料总是能够均一地配送至各个反应管20。
因此，由于起到这种作用的降压管35基本上具有相同的长度，或优选具有不同的长度，并且将原料配送器18与各个反应管20相连，因此降压管35使原料的供应压力降低，从而将原料均一地配送至各个反应管20。
同时，如上所述，根据本发明的降压装置30安装在重整后气体配送器19和各个反应管20之间以均匀地控制各个反应管20的重整后气体的压力，由此达到与上述相同的效果。

Claims (6)

1.一种利用蒸气重整反应产生氢气的装置，所述装置包括：
重整部分，其内部安装有用于进行蒸气重整反应的多个填充有催化剂的反应管，所述蒸气重整反应利用蒸气对烃原料进行重整来产生氢气；
燃烧部分，其内部安装有热源，所述热源用于产生在所述反应管中发生的所述蒸气重整反应所需的热能；以及
配送装置，其用于向所述反应管供应所述烃原料，并排出通过所述蒸气重整反应产生的氢气，
其中，在所述配送装置和各个所述反应管之间安装有能够人为地降低所述烃原料的供应压力的降压装置，从而向各个所述反应管均一地配送所述烃原料。
2.如权利要求1所述的装置，其中，
所述降压装置是包括可控的原料流量控制通道的压力阀。
3.如权利要求1所述的装置，其中，
所述降压装置包括降压管，所述降压管由直径小并且长度大的管形成，从而使所述烃原料的供应压力在所述烃原料经过所述降压管的过程中下降。
4.如权利要求3所述的装置，其中，
所述降压管设置为盘绕形式，从而能吸收由高温操作中的热膨胀导致的变形。
5.如权利要求3所述的装置，其中，
所述降压管形成为直径是3mm，并且所述降压管以约1M的长度安装在原料配送器和各个所述反应管之间。
6.如权利要求1至权利要求4中任一项所述的装置，其中，
在原料配送器和所述反应管之间安装有具有不同长度的降压管。
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