CN102723514B - 固体氧化物燃料电池发电系统及其甲烷水蒸气重整装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种甲烷水蒸气重整装置包括重整换热装置、甲烷输送管和水蒸气输送管，重整换热装置包括重整腔室和高温通道；甲烷输送管和水蒸气输送管均与重整腔室相通；高温通道穿过重整腔室；还包括预热腔室，甲烷输送管与水蒸气输送管穿过预热腔室。本发明提供的甲烷水蒸气重整装置设有预热腔室，可以对重整所需的甲烷和水蒸气进行预热，缩短了甲烷和水蒸气在重整腔室内加热的时间，使甲烷水蒸气重整装置的甲烷和水蒸气的具有较高的重整效率。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，尤其涉及一种甲烷水蒸气重整装置；本发明还涉及一种应用了该甲烷水蒸气重整装置的固体氧化物燃料电池发电系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池发电系统是一种新型发电装置，属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。
固体氧化物燃料电池发电系统作为将燃料从化学能转变成电能和热能的能量转换装置，其高效率、无污染、全固态结构等优点，已经使其成为最具有潜力的重要能量转换工具之一。固体氧化物燃料电池发电系统在燃料效率、排放、维修和噪声污染方面都有很大优势。为固体氧化物燃料电池发电系统的电池堆提供所需的氢气和一氧化碳的燃料的重整装置有多种；其中，甲烷水蒸气重整装置是其中一种最常用的燃料重整装置。
甲烷水蒸气重整装置所采用的燃料重整技术是目前工业上主要的制氢方法，该法通常以甲烷和水蒸气为原料，在高温环境下进行重整，产生固体氧化物燃料电池发电系统所需要的氢气和一氧化碳等燃气，工艺成熟。
目前用于固体氧化物燃料电池发电系统的甲烷水蒸气重整装置中，甲烷和水蒸气的重整反应是在甲烷水蒸气重整装置的重整换热装置中的高温环境下进行的。甲烷水蒸气重整装置中，重整换热装置中的高温环境的获得一般有两种方法，一种是通过甲烷水蒸气重整装置内部单独设置的腔室中进行放热氧化反应，为重整换热装置中进行甲烷水蒸气重整的腔室提供高温环境，但是由于其放热氧化反应控制难度较大，放热氧化反应产生的热量不易控制，易产生局部高温现象，局部高温会导致重整腔室内的催化剂产生变质等问题，所以现有技术中多采用第二种方法。第二种方法是从甲烷水蒸气重整装置的外部获得热量，为重整换热装置中的重整腔室提供高温环境。
从外部获得热量的甲烷水蒸气重整装置包括重整换热装置、甲烷输送管、水蒸气输送管以及高温通道等，重整换热装置形成预混腔室、重整腔室和高温通道，预混腔室和重整腔室连通；高温通道穿过重整腔室，并与重整腔室相隔离，进而能够在高温通道与重整腔室之间产生热交换效应。重整时，甲烷和水蒸气分别通过相应的甲烷输送管和水蒸气输送管输送入预混腔室中，甲烷和水蒸气在预混腔室内混合后，进入重整腔室内；高温通道与外界的热源相通，使高温流体通过；进而使高温通道的高温流体与重整腔室的甲烷和水蒸气进行热交换，使甲烷水蒸气重整腔室保持高温环境，促使甲烷和水蒸气进行重整反应；重整后获得的氢气和一氧化碳由重整腔室设置的重整气体出口排出，进入固体氧化物燃烧电池的相应的反应装置中。
现有的甲烷水蒸气重整装置中，甲烷和水蒸气是在重整腔室内被加热的，由于甲烷和水蒸气的达到重整所需的温度的时间较长，部分甲烷和水蒸气还没反应完全就进入下一环节，导致重整后的气体中甲烷和水蒸气含量较多。所以，现有技术中的甲烷水蒸气重整装置的甲烷和水蒸气的重整效率较低。
因此，如何提高固体氧化物燃料电池发电系统的甲烷水蒸气重整装置的甲烷和水蒸气的重整效率是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种具有预热腔室的甲烷水蒸气重整装置，该甲烷水蒸气重整装置具有较高的甲烷和水蒸气的重整效率。
为解决实现上述技术问题，本发明提供的甲烷水蒸气重整装置包括重整换热装置、甲烷输送管和水蒸气输送管，所述重整换热装置包括重整腔室和高温通道；所述甲烷输送管和水蒸气输送管均与所述重整腔室相通；高温通道以与所述重整腔室同轴的方式穿过所述重整腔室；还包括预热腔室，所述甲烷输送管与所述水蒸气输送管穿过所述预热腔室。
优选地，所述重整腔室设有热电偶传感器套筒，所述热电偶传感器套筒内设置有热电偶传感器。
优选地，包括从外到内设置有外壳体、内壳体和壳体；所述重整换热装置位于壳体内，所述内壳体内表面与所述壳体外表面之间形成第一预热腔室，所述内壳体外表面与所述外壳体内表面之间形成第二预热腔室，所述甲烷输送管穿过所述第一预热腔室，所述水蒸气输送管穿过于所述第二预热腔室。
优选地，所述第一预热腔室与所述高温通道连通，所述第二预热腔室与所述第一预热腔室连通。
优选地，所述甲烷输送管环绕于所述壳体的外表面。
优选地，还包括在所述高温通道内部交错延展的若干折流板。
优选地，所述重整换热装置还包括预混腔室，所述预混腔室与所述重整腔室连通，所述甲烷输送管和所述水蒸气输送管均与所述预混腔室相通。
优选地，所述重整腔室的出口处设置有过滤板。
优选地，所述外壳体外表面设置有绝热夹套。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括水蒸气发生器，还包括如上述技术方案中所述的甲烷水蒸气重整装置，所述水蒸气发生器与所述水蒸气输送管相通。
相对于上述背景技术，本发明提供的甲烷水蒸气重整装置包括重整换热装置、甲烷输送管和水蒸气输送管，所述重整换热装置包括重整腔室和高温通道；所述甲烷输送管和水蒸气输送管均与所述重整腔室相通；高温通道穿过所述重整腔室；还包括预热腔室，所述甲烷输送管与所述水蒸气输送管穿过所述预热腔室。
本发明提供的甲烷水蒸气重整装置，因为甲烷输送管和水蒸气输送管穿过预热腔室，甲烷输送管内的甲烷气体和水蒸气输送管内的水蒸气与预热腔室内的热源进行初步的热交换，实现预热的目的；所以，甲烷输送管内的甲烷和水蒸气输送管内的水蒸气在进入重整换热装置时已经具有一定的温度，所以甲烷和水蒸气进入重整腔室后会较快的达到甲烷和水蒸气重整反应时所需的温度，大大提高了甲烷和水蒸气的重整效率。因此，本发明提供的甲烷水蒸气重整装置具有较高的甲烷和水蒸气的重整效率。
附图说明
图1为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的原理示意图。
图2为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的重整换热装置示意图；
图3为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的整体结构示意图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种甲烷和水蒸气的重整效率高的甲烷水蒸气重整装置。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明所提供的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
请参考图1、图2和图3，图1为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的原理示意图；图2为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的重整换热装置示意图；图3为本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的整体结构示意图。
本实施例中，本发明提供的甲烷水蒸气重整装置包重整换热装置、甲烷输送管3和水蒸气输送管4，重整换热装置包括重整腔室21和高温通道51；重整腔室21内放置有甲烷和水蒸气重整时需要的催化剂；甲烷输送管3和水蒸气输送管4的作用是相重整腔室21中输送相应的气态的甲烷和水蒸气，保证重整换热装置设的重整腔室21中甲烷和水蒸气重整时的需要；还可以控制输送的比例，使得甲烷和水蒸气的重整过程中反应完全，减少重整后气体中的杂质。
本发明提供的甲烷水蒸气重整装置中，还包括由适当结构形成的预热腔室；甲烷输送管3和水蒸气输送管4穿过与预热腔室。
重整腔室21的热源优选为高温烟气，当然还可以是其他热源，如高温水蒸气等，只要能满足甲烷和水蒸气重整的温度即可
本发明提供的甲烷水蒸气重整装置的工作原理，如图1所示。图1中，A表示的是甲烷气体，B表示的是水蒸气，C表示的是高温烟气，D表示的是甲烷和水蒸气重整后得到的氢气和一氧化碳等气体。其原理为，高温烟气可以先进入重整换热装置的高温通道51中，与重整换热装置的重整腔室21进行换热，提供高温环境；然后经过换热的高温烟气仍然具有非常高的热量和温度，因此与重整换热装置的重整腔室21进行过换热的高温烟气可以进入到预热腔室中，与贯穿于预热腔室的甲烷输送管3和水蒸气输送管4进行换热，对甲烷和水蒸气进行预热；经过预热的甲烷和水蒸气进入到重整换热装置的重整腔室21内进行重整反应。由于甲烷和水蒸气在进入重整腔室21之前已经预热，所以甲烷和和水蒸气进入到重整腔室21中能快速达到重整反应所需要的温度，大大提高了甲烷和水蒸气的重整效率。所以本发明提供甲烷水蒸气重整装置具有很高的甲烷水蒸气重整效率。
在上述实施例的基础上，为了更好的调整高温通道51中的高温烟气的温度，以便于对重整腔室21内的温度进行控制，则需要知道重整腔室21内部的确切温度，所以可以在重整腔室21的内部设置有热电偶传感器套筒7，在热电偶传感器套筒7内设有热电偶传感器。热电偶传感器套筒7的设置为热电偶传感器的提供了安装载体。
在进一步的技术方案中，请参考图3；本发明提供的甲烷水蒸气重整装置包括由外到内设置的外壳体1、内壳体6和壳体5；重整换热装置位于壳体5的内部，壳体5的外表面与内壳体6的内表面之间形成第一预热腔室56，内壳体6的外表面与外壳体1的内表面之间形成第二预热腔室61。优选地，甲烷输送管3贯穿第一预热腔室56，水蒸气输送管4贯穿第二预热腔室61；当然，还可以是甲烷输送管3贯穿第二预热腔室61，水蒸气输送管4贯穿第一预热腔室56；甲烷输送管3内的甲烷气体与水蒸气输送管4内的水蒸气分别在第一预热腔室56和第二预热腔室61内进行预热，可以提高甲烷和水蒸气预热的效果，进一步提高甲烷和水蒸气在重整腔室21内重整的效率。
在上述实施例中，第一预热腔室56和第二预热腔室61中预热热量的来源，一个方式可以是在第一预热腔室56和第二预热腔室61中分别设有单独的预热高温通道，以便为第一预热腔室56和第二预热腔室61提供预热热量来源；另一种方式还可以将高温通道51与第一预热腔室56和第二预热腔室61连通，使与重整换热装置的重整腔室21进行过换热后的高温烟气进入第一预热腔室和第二预热腔室，对甲烷输送管内的甲烷气体以及水蒸气输送管内的水蒸气进行预热。优选地，选择第二种方法为第一预热腔室56和第二预热腔室61提供热源，这样可以有效地提高高温烟气热量的利用率。将第一预热腔室56与壳体5内部的高温通道51相通，第二预热腔室61与第一预热腔室56相通，外壳体1设置有高温烟气出口12；即高温烟气依次通过高温通道51、第一预热腔室56和第二预热腔室61，最后通过设置于外壳体1的高温烟气出口12输出甲烷水蒸气重整装置；所以，输入甲烷水蒸气重整装置的高温烟气首先在高温通道51对重整腔室21内部的甲烷和水蒸气进行换热，然后进入第一预热腔室56中对贯穿第一预热腔室56的甲烷输送管3内部的甲烷进行预热，然后进入第二预热腔室61对水蒸气输送管4内的水蒸气进行预热，最后输出甲烷水蒸气重整装置；使得输入甲烷水蒸气重整装置的高温烟气的热量得到最高的利用。
当然，还可以将高温通道51分别与第一预热腔室56和第二预热腔室61导通，也可以取得相应的技术效果。
在上述实施例的基础上，为了增加甲烷输送管3与第一预热腔室56内的高温烟气之间的换热面积，甲烷输送管3环绕于壳体5的外表面。甲烷输送管3环绕于壳体5的外表面，增大了甲烷输送管3位于第一预热腔室56内的面积，使得甲烷输送管3与第一预热腔室56内的高温烟气的换热面积更大，提高了第一预热腔室56对甲烷输送管3内的甲烷的预热效果。
当然水蒸气输送管4也可以环绕于内壳体6的外表面，可以进一步提高第二预热腔室61对水蒸气输送管4内的水蒸气的预热效果，其原理不再赘述。
根据上述实施例，为了使甲烷输气管3更方便的环绕于壳体5的外表面，壳体5的外表面的形状为圆筒形。同理，内壳体的外表面的形状也可设置为圆柱形。
进一步，为了使高温通道51内的高温烟气与重整腔室21之间进行更好的换热，还可以在高温通道51的内部交错延展的若干折流板52，如图1所示。折流板52的设置，可以使高温通道51内的高温烟气在高温通道51内来回弯折，增加高温通道51内的高温烟气与重整腔室21换热的时间，提高高温烟气热量的利用率。
进一步，重整换热装置还可以设有预混腔室22，预混腔室22与重整腔室21相通，甲烷输送管3和水蒸气输送管4的一端开口位于预混腔室22内。甲烷输送管3输送的甲烷和水蒸气输送管4输送的水蒸气可以在预混腔室22内进行混合，混合后的甲烷与水蒸气进入到重整腔室内进行重整，减少了甲烷气体与水蒸气在重整腔室内的混合时间，同时提高了甲烷和水蒸气重整时反应的更完全，进一步提高了甲烷和水蒸气重整的效率。
为了防止重整腔室21内的催化剂被气流带入下一个环节，可以在重整腔室21的重整气体出口211处设置过滤板212。过滤板212可以允许气体通过，固态的催化剂会被过滤板212挡住。
进一步的，外壳体1的外表面还设有绝热夹套11，绝热夹套11的作用是将甲烷水蒸气重整装置内部与外界环境之间的传热降低，有效地防止了甲烷水蒸气重整装置内部的热量散发到外部环境中。
本发明还提供了一种固体氧化物燃料电池发电系统，该固体氧化物燃料电池发电系统包括水蒸气发生器，还包括上述技术方案中提到的甲烷水蒸气重整装置，水蒸汽发生器与水蒸气输送管相通。
因为上述技术方案中提到的甲烷水蒸气重整装置的重整效率很高，所以该固体氧化物燃料电池发电系统的发电效率也相应的得到了提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种甲烷水蒸气重整装置，包括重整换热装置、甲烷输送管和水蒸气输送管，所述重整换热装置包括重整腔室和高温通道；所述甲烷输送管和水蒸气输送管均与所述重整腔室相通；高温通道以与所述重整腔室同轴的方式穿过所述重整腔室；其特征在于，
还包括预热腔室，所述甲烷输送管与所述水蒸气输送管绕所述预热腔室的轴线螺旋穿过所述预热腔室。
2.根据权利要求1所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述重整腔室设有热电偶传感器套筒，所述热电偶传感器套筒内设置有热电偶传感器。
3.根据权利要求1所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，包括从外到内设置有外壳体、内壳体和壳体；所述重整换热装置位于壳体内，所述内壳体内表面与所述壳体外表面之间形成第一预热腔室，所述内壳体外表面与所述外壳体内表面之间形成第二预热腔室，所述甲烷输送管穿过所述第一预热腔室，所述水蒸气输送管穿过于所述第二预热腔室。
4.根据权利要求3所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述第一预热腔室与所述高温通道连通，所述第二预热腔室与所述第一预热腔室连通。
5.根据权利要求4所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述甲烷输送管环绕于所述壳体的外表面。
6.根据权利要求3所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，还包括在所述高温通道内部交错延展的若干折流板。
7.根据权利要求1-6任一项所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述重整换热装置还包括预混腔室，所述预混腔室与所述重整腔室连通，所述甲烷输送管和所述水蒸气输送管均与所述预混腔室相通。
8.根据权利要求1-6任一项所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述重整腔室的重整气体出口设置有过滤板。
9.根据权利要求3-6任一项所述的甲烷水蒸气重整装置，其特征在于，所述外壳体外表面设置有绝热夹套。
10.一种固体氧化物燃料电池发电系统，包括水蒸气发生器，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的甲烷水蒸气重整装置，所述水蒸气发生器与所述水蒸气输送管相通。
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