CN102145877A - 利用蒸汽重整反应的氢气发生器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过碳氢化合物的蒸汽重整反应来产生氢气的氢气发生器，其中在燃烧单元与排出气体排放管之间设置有用于人工降低排出气体压力的泄压引流结构，从而改进了排出气体的不均匀分配。

Description

利用蒸汽重整反应的氢气发生器

技术领域

本发明涉及利用蒸汽重整反应的氢气发生器，更具体地说，涉及通过使用碳氢化合物作为原料的蒸汽重整反应来产生氢气的整合有热交换器的氢气发生器，其中在燃烧单元与排出气体排放管之间设置有用于人工降低排出气体压力的泄压引流结构，从而改进供应至反应器管道的排出气体的不均匀传热。

背景技术

通常，燃料电池是一种通过氢气和氧气的电气化学反应将化学能转换为电能的同时产生电和热的发电系统。

可以预言，因为燃料电池具有优秀的能效，所以这种燃料电池将会取代内燃机。因此，在不久的将来，稳定的氢气供给将成为在使用燃料电池作为未来替换能源时的实质因素。

作为将氢气供应至燃料电池的方法，可以使用通过电解水来产生氢气的方法和通过蒸汽重整含氢原料来产生氢气的方法。

在这种情况下，可以使用所有类型的碳氢化合物，例如天然气、液化石油气(LPG)、石脑油、汽油、煤油等作为蒸汽重整反应的原料。此外，在高温下并且在存在催化剂的情况下进行蒸汽重整反应。

因此，在进行蒸汽重整反应的位置必须存在催化剂，并且必须向该位置供应蒸汽重整反应所需的热。

通常，为了供应蒸汽重整反应所需的热，已经使用了以下方法：燃烧燃料以产生热，然后将热传递至氢气发生器。然而，这种方法的问题在于，由于设备尺寸的增加和高温排出气体的传递而产生热损失，所以降低了效率。

最近，为了解决上述问题，氢气发生器的内部被分成两个区域，一个区域用作蒸汽重整区域(蒸汽重整单元)，另一个区域用作用于产生蒸汽重整反应所需热的燃烧区域(燃烧单元)。

在这种情况下，蒸汽重整单元的催化剂几乎位于具有小直径的催化反应器管道中，并且根据氢气发生器的容量和尺寸，若干催化反应器管道对称地分布在热源周围。

此外，燃烧单元所产生的热通过排出气体的辐射或对流传递至催化反应器管道，然后用于蒸汽重整反应。

然而，在利用排出气体热传递时，因为排出气体流动不均匀，所以热不能均匀传递至催化反应器管道，使得催化反应器管道不能充分供应热，其结果是不能顺利地进行蒸汽重整反应，因而劣化了反应器的整体性能和效率。这种现象的详述如下。

通常，为了提高热效率，高温排出气体即使从重整器排出，也要使用热交换器对其进行几次排出气体回收程序。为此，排出气体聚集在出口，然后传递至热交换器。在这种情况下，排出气体沿着燃烧室与出口之间的最短路径移动。因此，如图1中的(A)所示，距离出口较远的反应器管道不经常与排出气体接触，因而减少了从排出气体传递至反应器管道的热量。

为了解决上述问题，在排出气体出口的前端设置用于在所有方向上引流排出气体的泄压引流结构和排出气体收集器，并且，如图1中的(B)所示，需要在所有方向上均匀排放排出气体的结构。

当热由于排出气体的不均匀流动而不均匀供应至反应器管道时，存在下面的问题。第一，当一些反应器管道的温度没有达到目标温度时，相应反应器管道内的蒸汽重整反应进行到低于设计值的程度，使得产品中的氢气产物减少，未反应的甲烷浓度增加，从而直接降低氢气发生器的效率，并且增加了必须设置在氢气发生器后端的独立氢气净化器的成本。第二，当排出气体流动不均匀时，一些反应器管道可能被加热到其设定值之上，并且当这些反应器管道长时间暴露于高温时，反应器由于反应器材料的变形或者由于重整气体引起的金属腐蚀而损坏，其结果是降低了氢气发生器的耐用性。如上文所述，排出气体的不均匀分配引起了在低温下降低氢气发生器的效率的问题和在高温下降低其耐用性的问题。必须解决这些问题以提高氢气发生器的性能。

发明内容

因此，本发明已经提出解决由于排出气体的不均匀流动而引起的上述问题，并且本发明的目的旨在通过向每个反应器管道供应相等的热量来防止因缺少热而在反应器内进行不充分反应。

具体地说，本发明旨在提供一种具有泄压引流结构的氢气发生器，借助该泄压引流结构，排出气体在该排出气体从燃烧室出发然后到达排出气体排放管之前，通过任意形成的分隔壁和孔而均匀分配并在所有方向上排放，使得热以作为设定值的相同量供应至所有催化剂管道，并且氢气发生器可以容易地制造和安装并可以稳定地操作，而不管由于高温排出气体而引起的热变形。

本发明的一个方面提供了一种通过蒸汽重整碳氢化合物来产生氢气的圆筒形氢气发生器，包括：重整单元，其具有多个反应器管道，每个反应器管道都装载有催化剂；燃烧单元，其具有产生在反应器管道中的蒸汽重整反应所需热的热源；以及分隔壁，其径向地设置有孔，通过在燃烧单元与排出气体排放管之间人工引流燃烧单元产生的排出气体并且人工调节排出气体的压力，使得排出气体可以在所有方向上均匀分配。

附图说明

结合附图，从下面的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述和其他目的、特征和优点，附图中：

图1是示出排出气体分配的必要性的示意图；

图2是示出常规氢气发生器的剖视图；以及

图3是示出具有根据本发明实施例的泄压引流结构的氢气发生器的示意剖视图；以及

图4是示出根据本发明另一实施例的泄压引流结构的剖视图。

具体实施方式

下面，将参考附图详细描述本发明的优选实施例。

图2是示出应用于本发明的常规氢气发生器的剖视图。常规氢气发生器是整合有热交换器的氢气发生器，其包括：分别装有催化剂的反应器管道、燃烧单元等。本发明涉及一种圆筒形氢气发生器，该氢气发生器包括：燃烧单元；以及重整单元，其具有两个或更多管状重整器，通过燃烧单元产生的排出气体来向所述两个或更多管状重整器供应蒸汽重整反应所需的热。具体地说，本发明提供一种具有泄压引流结构的圆筒形氢气发生器，其中通过沿着圆筒形氢气发生器内周的分隔壁形成与排出气体排放管相通的排出气体收集通道，并且在分隔壁内以相等间隔径向形成孔，使得排出气体均匀传送到排出气体收集通道。

图3是示出具有根据本发明实施例的泄压引流结构的氢气发生器的示意剖视图。如图3所示，这种氢气发生器配备有分隔壁和用于压力调节的孔，使得排出气体沿着所有方向排放。

图4是示出根据本发明另一实施例的泄压引流结构的剖视图。如图4所示，这种泄压引流结构构造成可以通过调节排出气体通道的长度或者提供孔来控制排出气体通道的横截面面积。

具体地说，如图2所示，作为本发明基础的氢气发生器1主要包括配备有热源10的燃烧单元2，和利用蒸汽重整碳氢化合物的重整单元3。

使用燃烧器作为设置在燃烧单元2中的热源10，但是本发明不限于此。也就是说，可以使用用于产生蒸汽重整反应所需热的所有类型的加热装置作为热源10。

因此，氢气发生器1配备有用于产生蒸汽重整反应所需热的热源10，并且在热源10周围布置有耐火材料13，使得高温火焰不能直接接触构成氢气发生器1的金属材料并且同时使热损失减至最小，从而增加了氢气发生器1的效率。

包括有耐火材料13的氢气发生器1配备有火焰引导器14，火焰引导器14将氢气发生器1的内部分隔，以形成用于产生蒸汽重整反应所需热的燃烧单元2。燃烧单元2产生的排出气体流入重整单元3，以将蒸汽重整反应所需热传递至重整单元3。

通过使用火焰引导器14分隔氢气发生器1的内部而形成的重整单元3配备有装载催化剂的多个反应器管道20。通过装载在反应器管道20中的催化剂的作用使碳氢化合物材料受到蒸汽重整，以形成氢气。

每个反应器管道20都呈圆筒形，并且其内部分成三个部分。附图示出，每个反应器管道20使用上连接板21布置在重整单元3内，但是本发明不限于此。

此外，反应器管道20以圆柱形状布置在热源10周围，使得在最小的空间内有效利用热。

氢气发生器1在整体上由外壳15包围，以相对于外部环境保护氢气发生器1。具体地说，外壳15的内壁设置有隔热材料16，从而防止热损失。

此外，氢气发生器1的顶部和底部分别由上盖17和下盖17a包围。在上盖17下面设置有用于将原料供应至反应器管道20并且排放通过蒸汽重整反应产生的氢气的分配单元。分配单元包括原料分配器18和重整气体分配器19。

每个原料分配器18都具有可以转移碳氢化合物材料以使碳氢化合物材料供应至反应器管道20的通道，而每个重整气体分配器19都具有可以转移氢气以使蒸汽重整反应产生的氢气可以顺利排放到需要氢气位置的通道。

因此，根据具有上述构造的本发明的氢气发生器1，碳氢化合物材料通过原料分配器18供应至每个反应器管道20，而设置在燃烧单元2内的热源10产生的热供应至重整单元3，因此引起相互的热交换。

在该过程中，利用蒸汽与催化剂的作用引起蒸汽重整反应，并且通过该蒸汽重整反应在反应器管道中产生氢气。产生的氢气最后通过重整气体分配器19排放到外部，从而用于燃料电池等。

同时，为了允许排出气体将热均匀传递至每个反应器管道20并且为了将排出气体均匀排放到外部，设置泄压引流单元32和33。燃烧单元2产生的排出气体通过排出气体排放管31排放到外部。在本发明中，因为设置有包括分隔壁32和孔33的泄压引流单元，所以排出气体沿着所有方向均匀排放，而不是朝着排出气体排放管31方向不均匀排放。排出气体收集在排出气体收集通道34中，然后排放。

这里，如图3所示，分隔壁32可以通过延伸设置在氢气发生器1内的隔热材料16的外壁而形成。排出气体收集通道34通过分隔壁32形成并且与排出气体排放管相通。排出气体收集通道34构造成沿着本发明的氢气发生器的圆周形成单个空间。

此外，孔33形成在分隔壁32内。如图1中的(B)的平面图所示，通过在分隔壁32上以相等间隔打孔径向设置孔33，使得排出气体均匀导入排出气体收集通道34。如果需要，可以改变孔33的数量。此外，如图1中的(B)所示，孔33可以形成在分隔壁32的直接面向管状反应器的区域之间。

如上文所述，借助形成有孔33的分隔壁32可以防止排出气体的直接排放，排出气体的直接排放引起用作重整单元3中的热源的排出气体的不均匀流动。孔33还允许通过孔33导入到作为单个相通通道的排出气体收集通道34中的排出气体顺利传送到排出气体排放管31。

这里，泄压引流结构可以通过调节布置在燃烧单元2与热传递单元4之间的火焰引导器14的长度来设置，或者通过在火焰引导器14内形成孔从而调节排出气体通道的面积来设置。在本发明的实施例中，将描述在热传递单元4与排出气体排放管31之间设置孔的泄压引流结构。

因此，如图4所示，泄压结构可以通过控制孔33之间或者分隔壁32与外壁之间的空间尺寸来实现。具体地说，泄压结构可以构造成额外设置引导壁35，因而排出气体在流入孔33之前通过引导壁35。如图4所示，引导壁35可以通过延伸围绕在燃烧单元2周围的隔热材料16的外壁形成。当泄压结构构造成排出气体通过引导壁35然后通过孔33时，排出气体的泄压与泄压结构构造成排出气体直接导入孔33相比是有利的。

为了实现提高分配效率，本发明的泄压结构可以容易地制造和布置，而不会受到由于高温操作而热变形的影响，并且不会影响泄压结构以支撑整个反应器结构。

排出气体的泄压程度由供应至燃烧器的压力和热交换器中的泄压决定。

泄压的最优选实例是以下这种情况：排出气体以100～150kg/hr的流速排放，并且当孔的直径设为10～15mm时，人工降低排出气体的压力(Δp＝0.02bar)，从而排出气体均匀分配至反应器管道20。

如上文所述，根据本发明，在燃烧单元与排出气体排放管之间设置排出气体收集通道，并且分隔壁设置有孔，从而人工降低排出气体的排放压力，其结果是排出气体均匀分配至以圆柱形布置在热源周围的反应器管道。

因此，可以防止一些反应器管道因排出气体的不均匀分配而降低功效，从而可以实现所需的反应效率并且可以极大地改进氢气发生器的稳定性。

此外，因为根据本发明的泄压结构可以容易地制造和布置并且构造成其性能不受到由于高温操作的而热变形的影响，所以即使已经长时间使用氢气发生器，也可以保持氢气的产量和氢气发生器的方便性。

虽然出于示例的目的公开了本发明的优选实施例，但是本领域技术人员应当清楚，在不脱离所附权利要求书公开的本发明范围和精神的情况下，可以存在各种修改形式、附加物和替换形式。

本申请要求2010年2月9日提交的、名称为“利用蒸汽重整反应的改进排出气体分配的氢气发生装置”的韩国专利申请No.10-2010-0011911的权利，在此通过引用方式将其全部内容并入本文。

Claims (5)

1.一种氢气发生器，包括：

燃烧单元；

重整单元，其具有两个或更多管状重整器，通过所述燃烧单元产生的排出气体来向所述两个或更多管状重整器供应蒸汽重整反应所需的热；以及

泄压引流结构，其中通过沿着圆筒形氢气发生器内周的分隔壁形成与排出气体排放管相通的排出气体收集通道，并且在所述分隔壁内以相等间隔径向形成孔，使得排出气体均匀传送到所述排出气体收集通道。

2.根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述分隔壁通过延伸设置在所述氢气发生器内的隔热材料的外壁而形成。

3.根据权利要求1所述的氢气发生器，还包括引导壁，其中排出气体在流入所述孔之前通过所述引导壁。

4.根据权利要求3所述的氢气发生器，其中所述引导壁通过延伸设置在所述氢气发生器内的隔热材料的外壁而形成。

5.根据权利要求1所述的氢气发生器，其中所述孔位于所述管状重整器与外壳之间的分隔壁内。

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