CN101926036B - 使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及具有其的氢气站 - Google Patents

使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及具有其的氢气站 Download PDF

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Abstract

使用预混金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器及具有其的氢气站，该预混金属纤维燃烧器具有短火焰长度和高温，从而提供了高效率，并且还减小了尺寸。使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器包括：重整部(110a)，在重整部(110)中设置有用于对碳氢化合物材料进行蒸汽重整并产生氢气的催化剂；配备有预混金属纤维燃烧器(120a)的燃烧部(120)，所述预混金属纤维燃烧器(120a)用于产生所述反应管(110a)的蒸汽重整反应所需要的热；原材料供应部(130)，其用于向所述反应管(110a)供应碳氢化合物材料；以及氢气排放部(140)，其用于排放通过由反应管(110a)的催化剂进行的蒸汽重整反应所产生的氢气。

Description

使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及具有其的氢气站
技术领域
本发明涉及使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及具有其的氢气站，更具体地，涉及使用预混金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器和具有该甲烷蒸汽重整器的氢气站，该预混金属纤维燃烧器具有短火焰长度和高温，从而提供了高效率并减小了尺寸。
背景技术
氢气站是用于生产、输送以及储存氢气的系统，该系统还用于向诸如燃料电池等使用氢气的对象充气。为了解决化石燃料逐渐枯竭以及由于化石燃料导致的环境污染问题，已经研究了各种使用氢气的技术。
具体而言，燃料电池是通过氢气和氧气的电化学反应将化学能转换成电能从而产生电能的发电系统。因此，需要稳定地提供氢气作为燃料。
氢气站可以被分为本身具有氢气产生装置的类型、充入从分离的氢气产生装置所产生的氢气的类型，以及可移动类型。也可以根据所使用的原材料以及制造方法将氢气产生装置分为各种类型。
更具体地，氢气产生装置采用使用天然气的蒸汽重整、使用水的电解、使用煤的煤气化等，具体地，使用蒸汽重整的氢气产生装置可以使用诸如天然气、LPG、LNG、汽油和煤油的所有种类的碳氢化合物作为原材料，并且其制造费用很低。因此，其被广泛研究。
使用蒸汽重整的氢气产生装置(下文，称为“甲烷蒸汽重整器”)使用要求高温的催化剂，因此需要产生高温。
然而，在常规的燃烧器中，由于其具有长火焰长度和低温，所以不通过催化剂来进行高效的重整反应，因此，氢气的生产率降低。
此外，由于常规氢气站或重整器中使用的燃烧器具有不均匀的大火焰，并且在废气中包含大量燃烧不充分的成分，导致重整催化剂的活性变差。因此，氢气站或重整器的性能降低。
此外，在出现火焰回火从而没有在设计的方向产生火焰的情况下，重整反应本身不可能在甲烷蒸汽重整器中产生，还很容易损坏其他部件。
发明内容
本发明的目的是提供通过使用预混金属纤维燃烧器能够将温度快速稳定地升高到重整处理所需要的期望水平从而增加氢气的生产率的、并且具有短火焰长度由此提供高效率并还提高耐用性的使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器及具有其的氢气站。
为了实现上述目的，本发明提供了一种使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器，该甲烷蒸汽重整器包括：配备有多个反应管的重整部，所述多个反应管中设置有用于对碳氢化合物材料进行蒸汽重整并产生氢气的催化剂；配备有预混金属纤维燃烧器的燃烧部，预混金属纤维燃烧器用于产生反应管的蒸汽重整反应所需要的热；原材料供应部，其用于向反应管供应碳氢化合物材料；以及氢气排放部，其用于排放通过由反应管的催化剂进行的蒸汽重整反应所产生的氢气。
优选地，预混金属纤维燃烧器包括：主体，其形成有圆筒形预混室，在圆筒形预混室中空气、燃料以及氢气被混合；金属纤维垫，其形成在所述主体的一侧，以形成火焰；燃料/空气供应部，其形成在所述主体的另一侧，以供应空气或燃料；氢气供应部，其形成在主体的又一侧，以供应氢气；以及点火部，其用于点燃金属纤维垫。
优选地，预混室包括形成有多个特别设计的缝和洞的防回火装置，该防回火装置被布置为与燃料、空气或氢气的流动方向垂直，以增加燃料、空气或者氢气的流速，并向防回火装置周边部分传递火焰的热量，从而防止金属纤维垫中的火焰移到预混室，并且，预混金属纤维燃烧器还包括混合部，在所述燃料和空气或者氢气被导入所述预混室之前，在所述混合部中对燃料和空气或者氢气进行混合。
优选地，在所述预混室的长度方向设置有多个防回火装置，所述特别设计的缝和洞的表面积随着防回火装置被布置为接近金属纤维垫而逐渐减小，并且，氢气供应部供应包含大量惰性气体的氢气。
优选地，预混金属纤维燃烧器布置在甲烷蒸汽重整器的一侧，并所述燃烧部形成在预混金属纤维燃烧器所生成的火焰方向，并且重整部被形成为包围燃烧部，并且，预混金属纤维燃烧器具有多个温度测量装置。
优选地，压力控制装置是包括在碳氢化合物材料通过时降低碳氢化合物材料的压力的可调压力控制通道或者压力损失管的压力控制系统。
此外，本发明提供了一种氢气站，该氢气站包括：上述甲烷蒸汽重整器；分离/提纯装置，其用于增加通过所述甲烷蒸汽重整器的所述氢气排放部收集的气体中含有的氢气纯度；氢气注入装置，其用于向目标对象充入高纯度的氢气；以及储存部，其用于储存所产生的氢气。
因此，由于使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及使用其的氢气站采用预混金属纤维燃烧器，所以可以将温度快速地升高到蒸汽重整反应所需要的期望水平，从而提高氢气生产率，并且，还由于预混金属纤维燃烧器具有相对较短的火焰长度以及大范围的稳定加热，因此，减小了尺寸并且还降低了有害废气的排放。
附图说明
根据结合附图所给出的对优选实施方式的如下描述，本发明的上述以及其他目标、特征以及优点将变得清楚，在附图中：
图1是根据本发明的甲烷蒸汽重整器的截面图；
图2是图1的甲烷蒸汽重整器的预混金属纤维燃烧器的立体图；
图3是防回火装置的立体图；
图4是示出了使用预混金属纤维燃烧器时燃烧部的内部温度的图；
图5是根据本发明的氢气站的示意图。
[主要元件的详细描述]
1000：氢气站
100：甲烷蒸汽重整器        110a：反应管
110：重整部                120：燃烧部
120a：预混金属纤维燃烧器   121：主体
122：预混室                123：混合部
124：金属纤维垫            125：燃料/空气供应部
126：氢气供应部            127：点火装置
128：防火焰回火装置
129：特别设计的缝和洞
130：原材料供应部
140：氢气排放部
160：温度测量装置
200：分离/提纯装置
300：氢气注入装置          400：储存部
具体实施方式
下文，将参考附图详细描述本发明的实施方式。
图1是根据本发明的甲烷蒸汽重整器100的截面图，图2是图1的甲烷蒸汽重整器100的预混金属纤维燃烧器120a的立体图，图3是防回火装置128的立体图，图4是示出了使用预混金属纤维燃烧器120a时燃烧部120的内部温度的图。
根据本发明的甲烷蒸汽重整器100包括：通过重整反应产生氢气的重整部110，以及维持重整反应所需要的高温的燃烧部120。重整部110配备有多个反应管110a，该多个反应管110a中分别设置有用于蒸汽重整碳氢化合物材料并产生氢气的催化剂。
燃烧部120配备有预混金属纤维燃烧器120a，该预混金属纤维燃烧器120a产生蒸汽重整反应所需要的热，将在下面全面描述预混金属纤维燃烧器120a。
本发明的甲烷蒸汽重整器100还包括：用于向重整部110的反应管110a供应碳氢化合物材料的原材料供应部130、以及用于排放蒸汽重整反应所产生的氢气的氢气排放部140。
如图1所示，根据本发明的使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器100作为示例，示出了在甲烷蒸汽重整器100的上部中心部分安放有预混金属纤维燃烧器120a，以使得在甲烷蒸汽重整器100的中心部分在预混金属纤维燃烧器120a所生成的火焰方向形成燃烧部120，并且重整部110形成为包围燃烧部120。在图1的结构中设置有多个反应管110a的情况下，可以向各个反应管110a均匀地施加热，从而提高反应管的效率。
用于供应诸如天然气、LPG、LNG、汽油和煤油的碳氢化合物燃料的原材料供应部130包括碳氢化合物燃料能够流经的通道。氢气排放部140用于方便地将重整反应所产生的氢气输送到下一处理，该氢气排放部140也包括氢气能够流经的通道。
如图1和图2所示，本发明的甲烷蒸汽重整器100通过使用预混金属纤维燃烧器120a可以形成催化剂的蒸汽重整反应所需要的高温环境。
预混金属纤维燃烧器120a包括：形成有圆筒形预混室122的主体121，在圆筒形预混室122中混合空气、燃料以及氢气；金属纤维垫124，其形成在主体121的一侧以形成火焰；燃料/空气供应部125，其形成在主体121的另一侧以供应形成火焰所需的空气或燃料；氢气供应部126，其形成在主体121的又一侧以供应氢气；以及点火部127，其用来点燃所述金属纤维垫124。
主体121是用于形成预混金属纤维燃烧器120a的基本壳体，主体121形成有预混室122，燃料、空气以及氢气在移到燃烧部120之前在预混室122中被混合。
金属纤维垫124形成朝向燃烧部120的火焰，金属纤维垫124由NIT200S和铁铬基合金形成。金属纤维垫124具有“编织”形状，预混室122中的燃料、空气和氢气可以穿过该“编织”形状流动。
燃料/空气供应部125包括：鼓风装置、用于控制空气流速的阀、用于控制燃料流速的阀以及用于控制阀的控制装置。用于供应生成火焰所需的燃料或空气的燃料/空气供应部125设置在主体121的没有安放金属纤维垫124的另一侧。氢气供应部126也设置在主体121的另一侧，以使得燃烧便于发生，并模拟残余气体(off-gas)条件。
此时，由于氢气具有很好的燃烧特性，通过金属纤维垫124形成的火焰可能回流。因此，氢气供应部126通过具有小直径的管道连接，与燃料/空气供应部125分开。
预混金属纤维燃烧器120a还包括混合部123，在将燃料、空气或者氢气导入预混室122之前在该混合部123中混合燃料和空气或氢气。优选地，氢气供应部126具有这样的结构：允许增加氢气中惰性气体含量，从而供应包含大量惰性气体(如氮气)的氢气，并由此防止火焰回火。
此外，优选地，本发明的预混金属纤维燃烧器120a还包括防回火装置128，其被布置在预混室122中，并形成有多个特别设计的缝和洞129，以防止火焰回火。
防回火装置128被布置为与燃料、空气或氢气的流动方向垂直(即，形成与预混室122的轴向垂直的表面)，从而防止火焰回火。此外，燃料、空气或者氢气在通过防回火装置128的同时相互混合，从而稳定地产生火焰，防止不完全燃烧，由此减少废气排放。
此外，防回火装置128用于增加燃料、空气或氢气的混合物的流速，还向周围部分传递火焰的热，从而防止金属纤维垫124中的火焰流到预混室122。
如图3所示，可以提供多个防回火装置128。这种情况下，优选地，特别设计的缝和洞129的表面积随着防回火装置128被布置为接近火焰位置而逐渐减小。在图3中，向上产生火焰。
点火装置127用于点燃金属纤维垫124，并且，当金属纤维垫124维持火焰时，点火装置127还可以用作辅助火花。
在本发明的甲烷蒸汽重整器100中，预混金属纤维燃烧器120a配备有多个温度测量装置160，以便于观察火焰特性，并预先检测回火的可能性。
温度测量装置160可以设置在金属纤维垫124或预混室122中。可以将高温时不会变形的热电偶用作温度测量装置160，以便在非常高的温度环境中测量温度。
图4为示出了根据本发明的预混金属纤维燃烧器120a的温度分布的图，其中，图4中(a)是在燃烧部120的300毫米深度处的径向温度分布图，图4中(b)是根据燃烧部120的轴向长度的温度分布图。
为了将温度特性与常规燃烧器相比较，在图4中比较了容量为55,000千卡/小时的喷嘴混合燃烧器(NMB)和图2的预混金属纤维燃烧器120a。
图4中使用的预混金属纤维燃烧器容量为51,269千卡/小时，向直径为130毫米的金属纤维垫124供应燃料。并且，该垫由最高可耐表面温度为1,150℃的铁铬基合金形成。
在图4中，空心三角形(LNG_NMB)示出了在LNG的燃烧负荷为70％并且过剩氧量为8％的状态下喷嘴混合燃烧器的温度，空心圆(LPG_NMB)示出了在LPG的燃烧负荷为70％并且过剩氧量为8％的状态下喷嘴混合燃烧器的温度，实心三角形(LNG_NMB)示出了在LNG的燃烧负荷为70％并且过剩氧量为8％的状态下预混金属纤维燃烧器120a的温度，实心圆(LPG_NMB)示出了在LPG的燃烧负荷为70％并且过剩氧量为8％的状态下预混金属纤维燃烧器120a的温度。
如图4所示，本发明的预混金属纤维燃烧器120a具有比喷嘴混合燃烧器更高的火焰温度。具体而言，可以理解，火焰温度在金属纤维垫124的径向中心部分以及在轴向上与金属纤维垫124相邻的部分变得更高。
表1示出了喷嘴混合燃烧器和预混金属纤维燃烧器120a中的CO浓度。如表1所述，预混金属纤维燃烧器120a具有最大为32ppm的CO浓度(条件：LNG的燃烧负荷为50％，过剩氧量为10％)，并示出总体上低的CO浓度。然而，喷嘴混合燃烧器具有最大为6500ppm的CO浓度，并示出总体上非常高的CO浓度。
因此，可以理解，预混金属纤维燃烧器120a具有比喷嘴混合燃烧器更好的燃烧特性。
Figure BPA00001185413100071
(a)预混金属纤维燃烧器
Figure BPA00001185413100081
(b)喷嘴混合燃烧器
表1.各燃烧条件下喷嘴混合燃烧器和预混金属纤维燃烧器120a的CO浓度
图5是根据本发明的氢气站1000的示意图。氢气站100包括：上述甲烷蒸汽重整器100、用于分离/提纯该甲烷蒸汽重整器100产生的氢气的分离/提纯装置200、用于向目标对象充入高纯度的氢气的氢气注入装置300、以及用于储存所产生的氢气的储存部400。
由于含有甲烷蒸汽重整器100所产生的氢气的气体还含有诸如CO的其他杂质，所以分离/提纯装置200用于去除杂质，以使氢气保持所期望的纯度水平。
如上所述，由于氢气站1000采用预混金属纤维燃烧器120a，所以可以将温度快速地升高到蒸汽重整反应所需要的期望水平，从而提高氢气生产率，并且，还可以降低诸如CO的有害废气的排放，从而提高了所生产的氢气的纯度，并由此降低了分离/提纯装置200的负荷。
氢气注入装置300用于向目标对象充入由甲烷蒸汽重整器100和分离/提纯装置200所产生的氢气，该目标对象例如是使用燃料电池的车辆等。
此外，还可以设置氢气注入装置300，以便供应储存部400中储存的氢气。
本领域技术人员可以理解，可以容易地将以上描述中公开的概念和具体实施方式可以用作修改或设计用于执行本发明的同样目的的其他实施方式的基础。本领域技术人员还将理解，这样的等同实施方式并不脱离在所附权利要求书提出的本发明的精神和范围。
[工业应用性]
根据本发明，由于使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器以及使用其的氢气站采用了预混金属纤维燃烧器，所以可以将温度快速地升高到蒸汽重整反应所需要的期望水平，从而提高氢气生产率，并且，还由于预混金属纤维燃烧器具有相对较短的火焰长度以及大范围的稳定加热，因此，减小了尺寸，并且还降低了有害废气的排放。

Claims (6)

1.一种使用高性能金属纤维燃烧器的甲烷蒸汽重整器，该甲烷蒸汽重整器包括： 
重整部（110），其配备有多个反应管（110a），所述多个反应管（110a）中设置有用于对碳氢化合物材料进行蒸汽重整并产生氢气的催化剂； 
燃烧部（120），其配备有预混金属纤维燃烧器（120a），所述预混金属纤维燃烧器（120a）用于产生所述反应管（110a）的蒸汽重整反应所需要的热； 
原材料供应部（130），其用于向所述反应管（110a）供应碳氢化合物材料；以及 
氢气排放部（140），其用于排放通过由所述多个反应管（110a）的催化剂进行的所述蒸汽重整反应所产生的氢气；其中，所述预混金属纤维燃烧器（120a）包括： 
主体（121），其形成有圆筒形预混室（122），在该圆筒形预混室中空气、燃料以及氢气被混合； 
金属纤维垫（124），其形成在所述主体（121）的一侧，以形成火焰； 
燃料或空气供应部（125），其形成在所述主体（121）的另一侧，以供应所述空气或燃料； 
氢气供应部（126），其形成在所述主体（121）的又一侧，以供应所述氢气；以及 
点火部（127），其用于点燃所述金属纤维垫（124）；并且 
其中，所述预混室（122）包括形成有多个特别设计的缝和洞（129）的防回火装置（128），该防回火装置（128）被布置为与所述燃料、所述空气或所述氢气的流动方向垂直，以增加所述燃料、所述空气或者所述氢气的流速，并向所述防回火装置（128）的周边部分传递所述火焰的热，从而防止所述金属纤维垫（124）中的所述火焰回流到所述预混室（122）；并且 
其中，所述预混金属纤维燃烧器（120a）布置在所述甲烷蒸汽重整 器（100）的一侧，并且所述燃烧部（120）形成在所述预混金属纤维燃烧器（120a）所生成的火焰的方向，并且所述重整部（110）被形成为包围所述燃烧部（120）。 
2.根据权利要求1所述甲烷蒸汽重整器，其中，所述预混金属纤维燃烧器（120a）还包括混合部（123），在将所述燃料或空气供应部（125）供应的燃料或空气以及所述氢气供应部（126）供应的氢气导入所述预混室（122）之前，在所述混合部（123）中对所述燃料或空气供应部（125）供应的燃料或空气与所述氢气供应部（126）供应的氢气进行混合。 
3.根据权利要求1所述甲烷蒸汽重整器，其中，在所述预混室（122）的长度方向设置有多个所述防回火装置（128），所述特别设计的缝和洞（129）的表面积随着所述防回火装置（128）被布置为接近所述金属纤维垫（124）而逐渐减小。 
4.根据权利要求1所述甲烷蒸汽重整器，其中，所述氢气供应部（126）供应包含惰性气体的氢气。 
5.根据权利要求1所述甲烷蒸汽重整器，其中，所述预混金属纤维燃烧器（120a）具有多个温度测量装置（160）。 
6.一种氢气站，该氢气站包括： 
根据权利要求1至5中任一项权利要求所述的甲烷蒸汽重整器（100）； 
分离/提纯装置（200），其用于增加通过所述甲烷蒸汽重整器（100）的所述氢气排放部（140）收集的气体中包含的氢气纯度； 
氢气注入装置（300），其用于向目标对象充入高纯度的氢气；以及 
储存部（400），其用于储存所产生的氢气。 
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