CN109019511A - 一种利用sofc高温烟气的甲烷重整系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统，包括甲烷重整单元，甲烷重整单元包括用于流通SOFC高温烟气的重整高温通道和用于进行甲烷重整反应的重整反应通道；重整高温通道与重整反应通道毗邻，以进行换热；甲烷重整单元连接有甲烷供应单元；甲烷供应单元包括甲烷供应器和用于对甲烷进行预热的甲烷预热通道，甲烷预热通道的入料口连通重整高温通道的出料口，甲烷供应器的出料口连通重整反应通道的入料口；SOFC高温烟气在甲烷预热通道中，用于对甲烷进行预热。本发明提供的甲烷重整系统，利用SOFC高温烟气中的高温余热进行换热并将SOFC高温烟气经处理作为重整介质进行回用，节约了资源及能量。

Description

一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统
技术领域
本发明涉及甲烷重整领域，尤其涉及一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统。
背景技术
固体氧化物燃料电池(SOFC)属于第三代燃料电池，具有燃料适用性广、发电效率高、运行温度高、无污染物排放等优点。SOFC可以甲烷作为燃料，当以甲烷为燃料时由于存在积碳的风险，通常要将甲烷进行干重整/湿重整后再通入SOFC的阳极进行高效发电。由于该重整过程为吸热反应，需要外部能量的供应，实际重整反应运行过程通常要燃烧大量甲烷来为该重整反应进行供热，因此造成燃料的大量消耗。由于SOFC在高温下(600-1000℃左右)运行，因此在实现高效发电的同时还会排出高温的尾气(主要组成为二氧化碳+氢气，通常不会实现燃料100％的转化率，因此SOFC排气中含有一定组成的一氧化碳+氢气)，目前该部分尾气主要是直接排空因此造成了能量的浪费。
因此亟需一种甲烷重整系统，将SOFC高温烟气充分利用，以节约资源此可以实现能量的高效利用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统，将SOFC高温烟气充分利用于甲烷重整过程。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统，包括甲烷重整单元，所述甲烷重整单元包括用于流通所述SOFC高温烟气的重整高温通道和用于进行甲烷重整反应的重整反应通道；所述重整高温通道与所述重整反应通道毗邻，以进行换热；
所述甲烷重整单元连接有甲烷供应单元；所述甲烷供应单元包括甲烷供应器和用于对甲烷进行预热的甲烷预热通道，所述甲烷预热通道的入料口连通所述重整高温通道的出料口，所述甲烷供应器的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述SOFC高温烟气在所述甲烷预热通道中，用于对甲烷进行预热；
所述甲烷重整单元包括重整介质供应单元；所述甲烷预热通道的出料口连通所述重整介质供应单元的入料口，所述重整介质供应单元的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述SOFC高温烟气经处理作为重整介质回用至所述重整反应通道，与甲烷进行重整反应。
可选的，所述重整介质供应单元包括烟气分流管，所述烟气分流管的入料口连通所述甲烷预热通道的出料口；
所述烟气分流管的第一分流口连接有烟气回流管，所述烟气回流管的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述第一分流口处设有烟气流量计，所述烟气流量计用于根据甲烷的流量控制烟气回流的流量；
所述烟气分流管的第二分流口连接有排空管。
可选的，所述重整介质供应单元包括水预热子单元，所述水预热子单元包括水通道和与水通道毗邻的水预热通道；
所述水预热通道的入料口连通所述甲烷预热通道的出料口；所述水通道的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述水通道用于流通水；所述SOFC高温烟气在所述水预热通道中，用于将水气化为水蒸气并进行预热。
可选的，所述重整介质供应单元还包括烟气冷凝子单元；所述水通道的入料口连通所述烟气冷凝子单元的出料口，所述水通道和所述烟气冷凝子单元之间设有质量流量计；所述水预热通道的出料口连通所述烟气冷凝子单元的入料口；
所述SOFC高温烟气经所述烟气冷凝子单元冷凝获得冷凝水和二氧化碳气体，所述冷凝水回用至所述水通道；所述质量流量计用于根据甲烷的流量控制所述冷凝水的流量。
可选的，所述甲烷重整单元包括若干换热单元，相邻的两个所述换热单元固定连接；各所述换热单元包括固定连接的两个换热板；
各所述换热板包括相对的正面和背面；所述换热板的部分结构从正面向背面凹陷，在正面上形成若干正面半圆凹槽，在背面上形成若干背面半圆凸部；若干所述半圆凸部将背面分隔为若干背面槽；
各所述换热单元内的两个换热板中，一所述换热板的正面面对另一所述换热板的正面；正面相对的两个所述换热板的正面半圆凹槽一一对应，组成若干重整反应通道，所述重整反应通道的横截面为圆形。
相邻的两个所述换热单元中，一所述换热单元的换热板的背面面对另一所述换热单元的换热板的背面，背面相对的两个所述换热板的背面槽一一对应，组成若干重整高温通道；背面相对的两个所述换热板的背面半圆凸部一一对应，互相抵触。
可选的，所述正面半圆凹槽和所述背面槽均为通槽，三面开口；所述正面半圆凹槽包括两个相对的半圆开口和一个矩形开口；
所述换热板包括四个侧面，两个所述半圆开口分别位于所述换热板相对的两个侧面上。
可选的，背面相对的两个所述换热板通过边条焊接密封；所述边条焊接于各所述换热板的两未设置开口的侧面；
围绕所述正面半圆凹槽的矩形开口焊接密封。
可选的，所述重整高温通道内设有蓄热体，所述蓄热体为高铝蓄热球。
可选的，所述甲烷重整系统还包括尾气燃烧单元，所述尾气燃烧单元的进料口连接SOFC系统的尾气排出管；所述尾气燃烧单元的出料口连接所述重整高温通道的进料口；所述尾气燃烧单元用于将尾气中燃烧不充分的一氧化碳和氢气转化为二氧化碳和水；
所述重整反应通道的出料口连接SOFC系统的阳极进料管。
可选的，所述甲烷供应单元还包括甲烷供应通道；所述甲烷供应通道与所述甲烷预热通道毗邻，以进行换热；所述甲烷供应器的出料口连通所述甲烷供应通道，所述甲烷供应通道的出料口连通所述重整反应通道的入料口。
与现有技术相比，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明提供的甲烷重整系统，利用SOFC高温烟气中的高温余热进行换热，实现了SOFC高温烟气中的高温余热的有效利用；甲烷重整系统中无需燃烧室、燃烧器，重整反应无需外部燃料的燃烧进行供热，从而可以简化重整甲烷重整系统的结构、减少燃料的消耗；SOFC高温烟气经处理作为重整介质进行回用，节约了资源及能量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例一提供的甲烷重整系统的结构示意图。
图2为本发明实施例一提供的换热板的结构示意图。
图3为本发明实施例一提供的换热板的组合示意图。
图4为本发明实施例二提供的甲烷重整系统的结构示意图。
图示说明：10、甲烷重整单元；11、重整反应通道；12、重整高温通道；101、换热板；102、边条；111、正面半圆凹槽；121、背面槽；20、甲烷供应单元；30、重整介质供应单元；31、水预热子单元；32、烟气冷凝子单元；40、尾气燃烧单元；50、SOFC系统。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
现有的甲烷重整装置存在一些问题，例如：
1、重整装置为板翅式结构，板翅式通道棱角的存在会产生应力，更易积碳、同时不易清洗维护；
2、高温通道内未布置蓄热体，由于高温通道温度较高(～800℃)，而重整通道温度较低，会产生较大的热应力，容易损坏板式换热重整反应器；
3、板翅式换热重整装置相对列管式换热重整装置有较高的换热效率，但是相对一次表面板式换热重整装置效率较低；
4、传统板翅式换热重整装置既有重整通道、高温通道，同时还有甲烷、二氧化碳、水的预热通道，造成装置的庞大及工艺的复杂。
5、波浪式的换热板形状不规则会导致催化剂的形状不易匹配，另外在重整过程中还会产生“边壁效应”降低重整效率；
本发明提供了一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统，可以解决以上问题。请参考图1，甲烷重整系统，包括甲烷重整单元10。
甲烷重整单元10包括用于流通SOFC高温烟气的重整高温通道12和用于进行甲烷重整反应的重整反应通道11，重整高温通道12与重整反应通道11毗邻以进行换热。
甲烷重整单元10连接甲烷供应单元20。甲烷供应单元20包括甲烷供应器和用于对甲烷进行预热的甲烷预热通道，甲烷预热通道的入料口连通重整高温通道12的出料口，甲烷供应器的出料口连通重整反应通道11的入料口。具体的，甲烷供应器的出料口连通甲烷供应通道的入料口，甲烷供应通道与甲烷预热通道毗邻以进行换热。甲烷供应通道的出料口连通重整反应通道11的入料口。
甲烷供应单元20的出料口连通重整介质供应单元30的入料口，重整介质供应单元30的出料口连通重整反应通道11的入料口。
SOFC高温烟气(约1000℃)首先进入甲烷重整单元10的重整高温通道12，为在重整反应通道11内进行的甲烷重整反应提供能量。由重整高温通道12排出的SOFC高温烟气温度下降至200-700℃，仍然较高，可利用其对甲烷进行预热，经过预热的甲烷进入到重整反应通道11中能快速达到重整反应所需要的温度，大大提高了甲烷的重整效率。
SOFC高温烟气从甲烷预热通道排出后温度约为200-500℃，其中成分主要为二氧化碳和水，二氧化碳和水为甲烷重整反应的重整介质，可将其回用至甲烷重整单元10，与甲烷混合进行重整反应。
甲烷重整系统充分利用了SOFC高温烟气的能量和物质，可节约成本和能耗。
在本实施例中，重整介质供应单元30包括烟气分流管，烟气回流管的入料口连通甲烷预热通道的出料口。烟气分流管的第一分流口连接烟气回流管，烟气回流管的出料口连通重整反应通道11的入料口；烟气分流管的第二分流口连接排空管的入料口。第一分流口处设有烟气流量计，烟气流量计可控制烟气回流的流量，按照甲烷重整反应需求的重整介质的物质的量对SOFC高温烟气进行分流。
分流的SOFC高温烟气通过烟气回流管进入重整反应通道11与甲烷发生重整反应，剩余的SOFC高温烟气排空。由于甲烷的流量固定，因此进入重整反应通道11的SOFC高温烟气的流量也是固定的，通过烟气流量计控制进入重整反应通道11的SOFC高温烟气的流量。而SOFC高温烟气的流量也是恒定的，但该SOFC高温烟气的流量无需流量计进行调节控制。
在本实施例中，甲烷重整单元10包括若干换热单元，相邻的两换热单元固定连接。各换热单元包括固定连接的两个换热板101。各换热板101包括相对的正面和背面。换热板101的部分结构从正面向背面凹陷，从而在正面上形成若干正面半圆凹槽111，在背面上形成若干背面半圆凸部。若干半圆凸部将背面分隔为若干背面槽121。
换热单元内的两个换热板101中，一换热板101的正面面对另一换热板101的正面。正面相对的两换热板101的正面半圆凹槽111一一对应，组成若干重整反应通道11，重整反应通道11的横截面为圆形。
相邻的两个换热单元中，一换热单元的换热板101的背面面对另一换热单元的换热板101的背面，背面相对的两换热板101的背面槽121一一对应，组成若干重整高温通道12。背面相对的两换热板101的背面半圆凸部一一对应，互相抵触。
具体的，一换热板101上设置的正面半圆凹槽111≤15个，正面半圆凹槽111的半圆横截面的直径为2-30mm。若干正面半圆凹槽111等间距平行排布。
圆形的重整反应通道11形状规则，避免了甲烷重整单元10的局部应力集中，可减缓积碳，并且还有利于甲烷重整单元10的加工、装配及运行维护。
重整反应通道11内设有催化剂。重整反应通道11规则有利于匹配催化剂的形状结构，有效避免重整反应通道11的“边壁效应”，提高重整效率。
在本实施例中，正面半圆凹槽111和背面槽121均为通槽，三面开口。正面半圆凹槽111包括两个相对的半圆开口和一个矩形开口。换热板101包括四个侧面，两个半圆开口位于换热板101相对的两个侧面。
相邻的两个换热单元中，背面相对的两个换热板101通过边条102焊接密封。边条102焊接于各换热板101的两个未设置开口的另外两个侧面。进一步地，围绕正面半圆凹槽111的矩形开口进行焊接密封。由此，可防止若干重整反应通道11之间，以及重整反应通道11和重整高温通道12之间发生气体泄漏。
重整高温通道12内设有蓄热体，蓄热体的形状为球形，直径1-5mm。具体的，蓄热体为高铝蓄热球。高铝蓄热球的加入可以使得甲烷重整单元10的整体温度分布更加均匀稳定，有效缓解或避免重整高温通道12与重整反应通道11温度差异大可能导致的甲烷重整单元10热应力较大及变形的问题。
甲烷重整系统还包括尾气燃烧单元40。SOFC系统50的尾气排出管连接尾气燃烧单元40的进料口，尾气燃烧单元40的出料口连接甲烷重整单元10的重整高温通道12的进料口。SOFC的尾气的主要组成为二氧化碳和水，通常不会实现燃料100％的转化率，因此SOFC的尾气中含有一定组成的一氧化碳和氢气。通过尾气燃烧单元40将一氧化碳和氢气去除并可进一步提高SOFC的尾气的温度，获得SOFC高温烟气。
重整反应通道11的出料口连接SOFC系统50的的阳极进料管。甲烷经过重整后作为燃料气通入SOFC的阳极进行高效发电。
本发明实施例具有以下有益效果：
1、通过蓄热体进行蓄热，使得甲烷重整单元10的内部温度分布更加均匀及稳定，可以有效缓解或避免重整高温通道12与重整反应通道11温度差异大可能导致的甲烷重整单元10变形的问题；
2、采用一次表面板式换热结构，相比列管式重整反应装置等甲烷重整反应器具有更高的换热效率及能量利用效率；
3、重整反应通道11由两个正面半圆凹槽111组成圆形通道，重整反应通道11形状规则，避免了反应器局部应力集中、减缓积碳及有利于反应器的加工、装配及运行维护；同时重整反应通道11规则有利于匹配催化剂的形状结构，有效避免重整通道“边壁效应”，提高重整效率；
4、利用SOFC高温烟气中的高温余热进行换热，实现了SOFC高温烟气中的高温余热的有效利用；
5、甲烷重整系统中无需燃烧室、燃烧器，重整反应无需外部燃料的燃烧进行供热，从而可以简化重整甲烷重整系统的结构、减少燃料的消耗；
6、SOFC高温烟气作为重整反应介质进行回用，从而节约了资源及能量。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上更改了重整介质供应单元30的设置，还增设了其他结构。
在本实施例中，重整介质供应单元30包括水预热子单元31，水预热子单元31包括水通道和与水通道毗邻的水预热通道。水通道用于流通水，水预热通道与水通道换热，以将水气化为水蒸气并进行预热。水预热通道的入料口连通甲烷预热通道的出料口。水通道的出料口连通重整反应通道11的入料口。
SOFC高温烟气从甲烷预热通道排出后温度约为200-500℃，仍可以作为热源与水进行热交换。
水通道的入料口连通烟气冷凝子单元32的出料口，水通道和烟气冷凝子单元32之间设有质量流量计；水预热通道的出料口连通烟气冷凝子单元32的入料口。
由于重整过程甲烷的进料速率维持稳定，重整介质的组成及流量也要维持恒定，为了维持该重整系统物料的稳定，SOFC高温烟气经过冷凝后分离出高纯二氧化碳气体及液态水，只采用水作为甲烷的重整介质。
部分冷凝水循环至水预热子单元31进行气化及预热，水循环量由甲烷的流量决定并由质量流量计进行控制。气化及预热后的水蒸气循环至重整反应通道11与甲烷发生重整反应。该过程水的来源及气化预热过程能量的消耗均来自系统本身，不需外部水资源及能量的供给，从而节约了水资源及能量的消耗。质量流量计具体按照按照摩尔数比值甲烷:水＝1:1-1:2进行控制。
具体的，烟气冷凝子单元32包括冷凝腔，冷凝腔的底部通过循环水管连通水通道，质量流量计设于循环水管上。冷凝腔的侧面连通排空管。
进一步地，重整介质供应单元30和排空管之间还设有二氧化碳处理单元，二氧化碳处理单元用于对SOFC高温烟气中的二氧化碳进行处理，避免直接排放至大气中造成污染。
本实施例仅采用水作为甲烷的重整介质，进一步提升了重整介质的组成稳定性，进而提升了重整系统物料的稳定性。SOFC高温烟气经过冷凝后将部分水循环，并采用SOFC高温烟气作为热源对冷凝水进行气化及预热，从而节约了水资源及能量。获得高纯二氧化碳气体可作其他用途，提高了利益。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种利用SOFC高温烟气的甲烷重整系统，包括甲烷重整单元，其特征在于，所述甲烷重整单元包括用于流通所述SOFC高温烟气的重整高温通道和用于进行甲烷重整反应的重整反应通道；所述重整高温通道与所述重整反应通道毗邻，以进行换热；
所述甲烷重整单元连接有甲烷供应单元；所述甲烷供应单元包括甲烷供应器和用于对甲烷进行预热的甲烷预热通道，所述甲烷预热通道的入料口连通所述重整高温通道的出料口，所述甲烷供应器的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述SOFC高温烟气在所述甲烷预热通道中，用于对甲烷进行预热；
所述甲烷重整单元包括重整介质供应单元；所述甲烷预热通道的出料口连通所述重整介质供应单元的入料口，所述重整介质供应单元的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述SOFC高温烟气经处理作为重整介质回用至所述重整反应通道，与甲烷进行重整反应。
2.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述重整介质供应单元包括烟气分流管，所述烟气分流管的入料口连通所述甲烷预热通道的出料口；
所述烟气分流管的第一分流口连接有烟气回流管，所述烟气回流管的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述第一分流口处设有烟气流量计，所述烟气流量计用于根据甲烷的流量控制烟气回流的流量；
所述烟气分流管的第二分流口连接有排空管。
3.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述重整介质供应单元包括水预热子单元，所述水预热子单元包括水通道和与水通道毗邻的水预热通道；
所述水预热通道的入料口连通所述甲烷预热通道的出料口；所述水通道的出料口连通所述重整反应通道的入料口；所述水通道用于流通水；所述SOFC高温烟气在所述水预热通道中，用于将水气化为水蒸气并进行预热。
4.根据权利要求3所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述重整介质供应单元还包括烟气冷凝子单元；所述水通道的入料口连通所述烟气冷凝子单元的出料口，所述水通道和所述烟气冷凝子单元之间设有质量流量计；所述水预热通道的出料口连通所述烟气冷凝子单元的入料口；
所述SOFC高温烟气经所述烟气冷凝子单元冷凝获得冷凝水和二氧化碳气体，所述冷凝水回用至所述水通道；所述质量流量计用于根据甲烷的流量控制所述冷凝水的流量。
5.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述甲烷重整单元包括若干换热单元，相邻的两个所述换热单元固定连接；各所述换热单元包括固定连接的两个换热板；
各所述换热板包括相对的正面和背面；所述换热板的部分结构从正面向背面凹陷，在正面上形成若干正面半圆凹槽，在背面上形成若干背面半圆凸部；若干所述半圆凸部将背面分隔为若干背面槽；
各所述换热单元内的两个换热板中，一所述换热板的正面面对另一所述换热板的正面；正面相对的两个所述换热板的正面半圆凹槽一一对应，组成若干重整反应通道，所述重整反应通道的横截面为圆形；
相邻的两个所述换热单元中，一所述换热单元的换热板的背面面对另一所述换热单元的换热板的背面，背面相对的两个所述换热板的背面槽一一对应，组成若干重整高温通道；背面相对的两个所述换热板的背面半圆凸部一一对应，互相抵触。
6.根据权利要求5所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述正面半圆凹槽和所述背面槽均为通槽，三面开口；所述正面半圆凹槽包括两个相对的半圆开口和一个矩形开口；
所述换热板包括四个侧面，两个所述半圆开口分别位于所述换热板相对的两个侧面上。
7.根据权利要求6所述的甲烷重整系统，其特征在于，背面相对的两个所述换热板通过边条焊接密封；所述边条焊接于各所述换热板的两未设置开口的侧面；
围绕所述正面半圆凹槽的矩形开口焊接密封。
8.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述重整高温通道内设有蓄热体，所述蓄热体为高铝蓄热球。
9.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述甲烷重整系统还包括尾气燃烧单元，所述尾气燃烧单元的进料口连接SOFC系统的尾气排出管；所述尾气燃烧单元的出料口连接所述重整高温通道的进料口；所述尾气燃烧单元用于将尾气中燃烧不充分的一氧化碳和氢气转化为二氧化碳和水；
所述重整反应通道的出料口连接SOFC系统的阳极进料管。
10.根据权利要求1所述的甲烷重整系统，其特征在于，所述甲烷供应单元还包括甲烷供应通道；所述甲烷供应通道与所述甲烷预热通道毗邻，以进行换热；所述甲烷供应器的出料口连通所述甲烷供应通道，所述甲烷供应通道的出料口连通所述重整反应通道的入料口。
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