CN102452642A

CN102452642A - 一种紧凑式天然气重整制氢反应器

Info

Publication number: CN102452642A
Application number: CN2010105229451A
Authority: CN
Inventors: 王树东; 潘立卫; 袁中山; 倪长军; 曹磊
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2010-10-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2030-10-27
Also published as: CN102452642B

Abstract

本发明提供一种紧凑式天然气重整制氢反应器，主体部分为套筒式结构，将点火腔和燃烧腔、重整腔有机结合，提高了反应器的紧凑度，降低了反应器的加工难度，易于规模放大。本发明的反应器采用非催化燃烧放热反应作为供热源，集燃烧反应、重整反应于一体；燃烧腔和重整腔之间物流的流动方式为并流和逆流相结合，内部不同物流之间的能量匹配合理，传热效率高。本发明的反应器可以广泛用于强放热和强吸热的耦合反应体系，特别适用于1-10kW的燃料电池分布式电源的氢源系统。

Description

一种紧凑式天然气重整制氢反应器

技术领域

本发明涉及一种紧凑式水蒸汽重整制氢反应器，将碳氢化合物(烷烃、天然气等)转化为富氢气体，可以广泛用于强放热和强吸热的耦合反应体系，特别适用于1-10kW的燃料电池分布式电源的氢源系统。

背景技术

我国天然气资源丰富，大部分主要分布在西部、西北部等偏远地区，导致其压缩、运输、储存、利用等成本较高。目前，为了实现天然气的经济利用，通常把天然气作为初始原料进行加工，生产多碳烃和醇等化合物，主要分两步完成：首先将甲烷转化成CO和H₂(即合成气)，然后将合成气转化成多碳烃和醇类化合物，如采用F-T合成等方式。几乎含碳化合物均可制备合成气，如煤、天然气等，制备合成气的成本可变，主要由H₂/CO比、原料、制备工艺过程、规模、系统集成度和其他一些等因素决定。合成气用途广泛，可作工业原料生产氨气、氢气、甲醇等。

近年来制氢过程引起了越来越多的关注，应用的目标主要是固定式和移动式的供热、供电系统。天然气制氢过程有四种主要途径：水蒸汽重整、CO₂重整、部分氧化和自热重整，各反应过程分别如下：

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q.------(1)

CH_4(g)+CO_2(g)→2CO_(g)+2H_2(g)+Q------(2)

CH_4(g)+0.5O_2(g)→CO_(g)+2H_2(g)-Q------(3)

CH_4(g)+2O_2(g)→CO_2(g)+2H₂O_(g)-Q₀-----(4-0)

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q₁------(4-1)

其中水蒸汽重整制氢过程技术最成熟，产氢量最高，应用最广泛。如方程(1)所示，甲烷水蒸汽重整制氢是一个吸热过程，因此需要提供足够的外供热才能保障甲烷水蒸汽重整过程的顺利进行。外供热的提供可以采取多种方式，含碳化合物的燃烧放热就是其中的一种。

当重整制氢过程用于固定式和移动式的供热、供电系统时，成本较低的工业规模重整制氢反应器笨重的劣势就很明显，尤其是当规模制氢技术应用于小型分布式现场制氢时，其固定成本要占到制氢总成本的90％以上，因此，简单缩小传统制氢工艺规模将不能满足制氢的成本要求。因此，一些学者对紧凑式重整制氢反应器进行了研究，如何提高放热源和吸热源之间的传热效率就是一个核心问题。

在甲烷水蒸汽重整制氢反应器中，通常以烃类或醇类化合物燃烧放热作为供热源。由于甲烷热值高、便于反应器的物流管理，作为供热燃料是比较适合的。在甲烷水蒸汽重整制氢反应器中，对于热量的有效控制和管理，尤其是当多个反应同时进行时吸热反应和放热反应的合理匹配耦合，是非常重要的，将直接影响到反应温度、甲烷的转化率、反应器效率等。例如在同一反应器中，当重整反应吸热量和外供热量不平衡时，就会表现为反应温度不稳定，温度过高会导致局部形成热点，而温度过低时又会造成甲烷重整速率降低直至反应停止。

在甲烷水蒸汽重整反应和甲烷燃烧反应集成的紧凑式制氢反应器中，温度的控制是至关重要的。通常重整反应最高温度不要超过950℃，以避免对催化剂造成明显的损害，在此基础上还要尽量提高重整出口温度，以保证甲烷转化率和产氢率，当重整反应出口温度过低时，容易产生副反应，降低甲烷转化率。同时作为供热源的燃烧反应温度又不能降得太低，除去系统散热之外，还得保证重整反应顺利进行。

由于紧凑式甲烷水蒸汽重整制氢反应器的内部空间相对较小，加工工艺很复杂，加工难度较大，如何设计在有限空间内即能保障一定规模的制氢反应顺利进行又易于加工的重整制氢反应器，是研究紧凑式重整制氢反应器的一个核心问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种紧凑式天然气重整制氢反应器，该重整制氢反应器可以解决：一、提高燃烧效率和传热效率，减小吸热过程和放热过程的传热阻力；二、提高整个制氢反应器的紧凑度并降低加工制造的难度。

本发明采用的技术方案是：

一种紧凑式天然气重整制氢反应器，主体部分为套筒式结构，包括内外的两个燃烧腔和位于它们中间的一个重整腔组成，燃烧腔与重整腔之间各自独立密闭；

两个燃烧腔首尾贯通连接，中间夹一个重整腔，即中间的燃烧腔和外侧的第二燃烧腔的顶部相连通；第二燃烧腔下部设有物料出口；在中间燃烧腔的下端设有与其相连通的点火室，点火室外壁上设有物料入口；在重整腔下部设有进口、上部设有出口；

甲烷与空气在燃烧腔中发生氧化燃烧反应，放出大量的热，大部分热量通过对流和热传导方式传递给了重整腔；原料液先通过换热器换热、气化后与甲烷均匀混合一起进入重整腔，并最终在重整腔中发生重整反应得到符合要求的富氢混合气。

在点火室内部安装点火器，点火室底部安装物料分布器，物料入口设置于物料分布器下方；燃烧气进入点火腔点火后在燃烧腔中燃烧。

在重整腔下部进口处安装第二物料分布器，在第二燃烧腔顶部安装第三物料分布器(J)，用于使反应物料分布均匀。

重整腔装有重整催化剂(Cat)；在燃烧腔的上部设有多孔板翅结构芯体。

无论燃烧腔还是重整腔，其腔的内部均填充多孔板翅结构芯体，原料在腔内能充分混合，分布更加均匀。

紧凑式天然气重整制氢反应器主体部分为套筒式结构，由上下两端外加封头焊接而成；

整个反应器共有四个不同的腔组合而成，包括：两个燃烧腔、一个重整腔和一个点火腔；整个紧凑式天然气重整制氢反应器的结构紧凑，体积较小，便于放置，适合小型固定源制氢系统；便于扩大规模；燃烧腔和重整腔各自独立，各有不同的进出口。

本发明技术集成、设备集成，可以集预热、重整、燃烧反应于一体；结构设计优化，能量效率高，重整腔的热损失少；紧凑式天然气重整制氢反应器自身即可实现自热运行。

反应器内部热量利用合理，在中间燃烧腔和重整腔之间物流的流动为并流，第二燃烧腔和重整腔之间，物流的流动为对流，放热反应与吸热反应、气化与冷却之间实现了较好的热量耦合。

系统稳定后，进入燃烧腔的燃烧气体可来自于重整腔自身所产生的部分重整气；与燃料电池配套使用时，进入燃烧腔的燃烧气体也可以来自燃料电池阳极尾气，实现自热运行。

本发明采用非催化燃烧提供重整反应所需的热量，通过可控燃烧，实现系统安全操作。电加热点火腔通过自动化控制系统可实现系统自动点火，在点火腔内装有热电偶监控温度。燃烧气进入点火腔前经过了一个物料分布器，其位置位于点火腔底部，可使燃烧气体在点火腔内分布均匀。

本发明具有如下优点：

一、采用非催化燃烧，通过控制燃烧物料流量通量、合理设计燃烧室空间和导热芯体分布，以达到最佳的反应温度和最佳的热传导效率，迅速启动重整制氢反应；同时可燃物料通过物料分布器进入燃烧腔，气流分布均匀，燃烧温度分布均匀。二、集成燃烧反应、重整制氢反应过程于同一重整制氢反应器，采用点火腔和燃烧腔、重整腔有机结合的方式，提高了反应器的紧凑性，体积较小，加工难度降低，利于制氢反应器的规模放大。

附图说明

图1是紧凑式天然气重整制氢反应器示意图；

图2是紧凑式天然气重整制氢反应器物料流向示意图；

图3是多孔板翅结构芯体示意图。

具体实施方式

本发明的紧凑式天然气重整制氢反应器(图1)，从中心到外侧由4个主要部分组成，它们依次为：点火室D、燃烧腔A、重整腔C、第二燃烧腔B。在点火室D内部安装点火器O，底部安装物料分布器E，在重整腔C进口H处安装第二物料分布器K，在燃烧腔B顶部安装第三物料分布器J，用于使反应物料分布均匀。燃烧腔发生非催化明火燃烧，能够为整个系统的启动和稳定运行提供足够的能量。重整腔装有重整催化剂(Cat)。

本发明中的紧凑式天然气重整制氢反应器(图1)，采用的原料可以选择甲醇、乙醇等醇类以及天然气、汽油等烃类物质。为了简要地说明一下实际实施过程中的一些情况，现选择甲烷和水为原料来举例说明，化学反应主要在燃烧腔和重整腔中进行，其中燃烧腔内主要进行燃烧反应：

CH_4(g)+2O_2(g)→CO_2(g)+2H₂O_(g)

当整个反应系统稳定运行后，燃烧腔的原料可来自于重整腔产生的部分重整气，其主要反应为：

H₂+1/2O₂→H₂O

当本发明与燃料电池联合运行时，燃烧腔的原料来自于燃料电池的阳极尾气。本发明中燃烧腔的主要作用为：1、为物料的气化提供热量；2、为重整腔的重整反应补充一定的能量。重整腔主要进行化学反应为：

CH_4(g)+2H₂O_(g)→CO_2(g)+4H_2(g)

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)

CO_(g)+H₂O_(g)→CO_2(g)+H_2(g)

如图2所示，系统运行时，首先CH₄21和Air 22按一定比例充分混合后的物流23进入燃烧腔A物料入口F经物料分布器E均匀的进入点火室D，通过控制系统启动点火器O，着火后反应物料进入燃烧腔A中充分燃烧，放出大量的热，可使反应器整体温度迅速上升，热物料24经过板翅芯体L后通过第三物料分布器J折返到第二燃烧腔B中，实现燃烧腔A、第二燃烧腔B同时在两侧向重整腔C传热，达到缩短启动时间的目的，燃烧尾气25从第二燃烧腔B物料出口G排出。当重整腔C达到适合的重整反应温度时，在重整腔入口H通入一定比例的第二组CH₄26和H₂O 27的混合物料28，经过第二物料分布器K进入重整腔开始反应，生成的富氢重整气29从重整腔出口I排出。

本发明中的紧凑式天然气重整制氢反应器(图1)内填充不同孔径分布的板翅式芯体(图3)，主要有两个作用：加强反应器内各腔体之间的导热效率；均匀分布反应物流。当燃烧物料在燃烧腔A起燃着火后温度迅速升高，其中部分热量通过热传导方式向装填催化剂的重整腔C传导，导热速率较慢，而燃烧腔A、B内芯体的填充大大提高了导热速率，使得燃烧放出的热量能够及时的供给重整腔C，保证了重整腔C内制氢反应的连续、稳定运行。

本发明中的紧凑式天然气重整制氢反应器(图1)将点火腔和燃烧腔、重整腔有机结合，提高了反应器的紧凑度，降低了反应器的加工难度，易于规模放大。本发明的反应器采用非催化燃烧放热反应作为供热源，集燃烧反应、重整反应于一体；燃烧腔和重整腔之间物流的流动方式为并流和逆流相结合，内部不同物流之间的能量匹配合理，传热效率高。本发明的天然气重整制氢反应器，可以广泛用于强放热和强吸热的耦合反应体系，特别适用于1-10kW的燃料电池分布式电源的氢源系统。

本专利中的点火器(O)过温度反馈自动控制点火器的开关，即当点火室(D)内温度低于设定值(例如30℃)时点火器自动打开，当点火室(D)内温度高于另一设定值(例如70℃)时点火器自动关闭。

Claims

1.一种紧凑式天然气重整制氢反应器，主体部分为套筒式结构，包括内外的两个燃烧腔和位于它们中间的一个重整腔(C)组成，燃烧腔与重整腔(C)之间各自独立密闭；

两个燃烧腔首尾贯通连接，中间夹一个重整腔(C)，即内侧的燃烧腔(A)和外侧的第二燃烧腔(B)的顶部相连通；第二燃烧腔(B)下部设有物料出口(G)；在燃烧腔(A)的下端设有与其相连通的点火室(D)，点火室(D)外壁上设有物料入口(F)；在重整腔(C)下部设有进口(H)、上部设有出口(I)；

甲烷与空气在燃烧腔(A)中发生氧化燃烧反应，放出大量的热，大部分热量通过对流和热传导方式传递给了重整腔(C)；原料液先通过换热器换热、气化后与甲烷均匀混合一起进入重整腔(C)，并最终在重整腔(C)中发生重整反应得到符合要求的富氢混合气。

2.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：

在点火室(D)内部安装点火器(O)，点火室(D)底部安装物料分布器(E)，物料入口(F)设置于物料分布器(E)下方；燃烧气进入点火腔(D)点火后在燃烧腔(A)中燃烧；

点火器(O)通过温度反馈自动控制点火器的开关，在燃烧原料气进入点火室(D)后，当点火室(D)内温度低于设定值时点火器自动打开，当点火室(D)内温度高于另一设定值时点火器自动关闭。

3.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：

在重整腔(C)下部进口(H)处安装第二物料分布器(K)，在第二燃烧腔(B)顶部安装第三物料分布器(J)，用于使反应物料分布均匀。

4.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：重整腔(C)内装有重整催化剂。

5.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：燃烧腔(A)由燃烧室(A1)和多孔板翅结构芯体(L)组成。

6.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：

无论燃烧腔还是重整腔(C)，其腔的内部均填充多孔板翅结构芯体(L)，原料在腔内能充分混合，分布更加均匀。

7.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：

燃烧腔和重整腔(C)内填充的多孔板翅结构芯体(L)由金属合金材料波纹板和平板交替层叠后经卷制而成，其孔径可通过选取不同曲度的波纹板控制。

8.根据权利要求1所述的紧凑式天然气重整制氢反应器，其特征在于：

紧凑式天然气重整制氢反应器主体部分为套筒式结构，由上下两端外加封头焊接而成；整个反应器共有四个不同的腔组合而成，包括：两个燃烧腔、一个重整腔(C)和一个点火室(D)；燃烧腔和重整腔各自独立，各有不同的进出口。