CN109911849A - 适用于制氢机的自供热式重整反应装置及制氢机 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置及制氢机，所述重整反应装置包括重整反应器、导热装置、甲醇水蒸发器、点火器、催化燃烧室；重整反应器上方及下方设置有甲醇水蒸发器，甲醇水蒸发器的出口经缓冲室连接于重整反应器的入口；导热装置将重整反应器和甲醇水蒸发器整体包覆在内，催化燃烧室设置于重整反应装置的上部及下部；燃料和含氧气体经点火器点火能进入催化燃烧室燃烧产热；甲醇水蒸发器的一端连接甲醇水输送管路，甲醇水能在进料泵的驱动下通过所述甲醇水输送管路输入至所述甲醇水蒸发器。本发明提出的适用于制氢机的自供热式重整反应装置及制氢机，可无需外加热源实现自供热、导热迅速，加热均匀，热损失少。
Description
技术领域
本发明属于制氢设备技术领域，涉及一种重整反应器，尤其涉及一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置。
背景技术
氢能是清洁的二次能源。近年来，随着氢能应用技术发展逐渐成熟，以及全球应对气候变化压力的持续增大，氢能产业的发展在世界各国备受关注，美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。2016年国家发展和改革委员会、国家能源局等联合发布的《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》(发改能源[2016]513号)提出了能源技术革命重点创新行动路线图，部署了15项具体任务，“氢能与燃料电池技术创新”位列其中，标志着氢能产业已被纳入中国国家能源战略。
甲醇水制氢机作为一种便携式可移动式制氢设备得到广泛应用。其原理为甲醇水燃料的吸热气化与重整产氢反应，氢气的提纯过程。甲醇水燃料经过加压和吸热气化后，进入催化剂进行重整反应(强吸热反应)，进而获得富含杂质的氢气。氢气经过提纯器之后产生高纯度的氢气(纯化转化成纯度达到99.99％的高纯度的氢气(H2)，且CO含量≤1ppm)。在气化和重整反应过程中需要的热量由提纯剩下的尾气提供。氢气经过一系列的控制阀门后，进入电堆发生电化学反应，生成电能。
其反应机理如下：
CH3OH(g)→CO+2H2，Δ＝-90.64KJ/mol
CO+H2O(g)→CO2+H2，Δ＝-41.00KJ/mol。
其中的本反应为强吸热反应，需持续供给热量以维持反应进行，常规的操作方式是电加热或者燃料直燃加热的方式。电加热一般利用氢燃料电池产生的电量供给加热，此方式会降低甲醇制氢发电的效率，且直接使用加热带、加热棒、加热棒等电加热方式易产生过热点，过热点会影响催化剂本身的寿命。若采用燃料直燃的方式，在一定程度上避免了电能的损失，但是极易产生过热点，影响反应进行并降低催化剂寿命
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的重整反应器，以便克服现有重整反应器存在的上述缺陷。
发明内容
本发明提供一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置及制氢机，可无需外加热源实现自供热、导热迅速，加热均匀，热损失少。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，采用如下技术方案：
一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置，所述重整反应装置包括：重整反应器、导热装置、甲醇水蒸发器、点火器、催化燃烧室；
所述重整反应器位于重整反应装置中部，重整反应器上方及下方设置有甲醇水蒸发器，所述甲醇水蒸发器的出口经缓冲室连接于重整反应器的入口；
所述导热装置将重整反应器和甲醇水蒸发器整体包覆在内，导热装置的上方及下方分别设有催化燃烧室，催化燃烧室设置于重整反应装置的上部及下部；
所述催化燃烧室的第一端连接燃料及含氧气体输送管路，燃料及含氧气体输送管路设有点火器；催化燃烧室的第二端设有烟气出口；燃料和含氧气体经点火器点火能进入催化燃烧室燃烧产热，为甲醇水汽化和重整制氢提供热量，烟气能通过烟气出口排出；
所述甲醇水蒸发器的一端连接甲醇水输送管路，甲醇水能在进料泵的驱动下通过所述甲醇水输送管路输入至所述甲醇水蒸发器；甲醇水经甲醇水蒸发器吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入重整反应器；在重整反应器内重整催化剂的作用下，甲醇水吸热生成富氢气体，经富氢气体出口排出。
作为本发明的一种实施方式，所述重整反应装置还包括保温材料层，所述保温材料层包覆整个重整反应装置的其他部分，为整个重整反应装置保温。
作为本发明的一种实施方式，在重整催化剂的作用下甲醇水吸热裂解为氢气与CO2、少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物CO和甲烷，经富氢气体出口排出至一氢气提纯装置。
作为本发明的一种实施方式，所述重整反应器为列管式反应器或薄层反应器。
作为本发明的一种实施方式，所述导热装置的导热材料的为固体导热材料或液体导热材料；
所述固体导热材料为铸铝块、铸铜块、铸铁块、不锈钢块其中一种或多种；所述液体导热材料为高温导热油系统。
作为本发明的一种实施方式，所述高温导热油系统包括钢制外壳，高温导热油，内循环泵。
作为本发明的一种实施方式，所述甲醇水蒸发器为蛇形管式蒸发器。
作为本发明的一种实施方式，所述催化燃烧室所用催化剂的活性组分为铜基、铂基、镍基、铬基其中一种或多种；
或者，所述催化燃烧室所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、分子筛其中的一种或多种；
或者，所述重整反应器所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、碳素、CeO2、分子筛其中的一种或多种。
作为本发明的一种实施方式，所述燃料为新鲜甲醇水蒸汽、重整反应器出口富氢气、提纯后的高纯氢、提纯后的驰放杂气其中的一种或多种。
作为本发明的一种实施方式，所述保温材料的玻璃纤维、聚氨酯、岩棉、珠光砂、气凝胶其中的一种或多种。
一种制氢机，包括上述的自供热式重整反应装置。
本发明的有益效果在于：本发明提出的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，可无需外加热源实现自供热、导热迅速，加热均匀，热损失少。
本发明的自供热式重整反应装置利用系统自身的原料、产品或副产品作为热源，在高效的助燃催化剂作用下可将燃料充分燃烧产生热量为系统供能，尤其体现在使用驰放废气作为燃料时，既解决了驰放废气内有毒的CO、甲醇蒸汽的排放问题，又提高了原料的利用率，实现原料利用率最大化最优化，本系统无需外置电源即可独立工作，提高了设备的适用性。
本发明的自供热式重整反应装置将甲醇水蒸发器和重整反应器整合成为一体，甲醇水吸热汽化的同时被预热至合适的反应温度，原料气蒸汽进入重整反应器即可发生甲醇裂解反应，减少散热损失，提高热利用率，同时将二者完美有机的结合在一起，也可提高设备的空间利用率，减小设备体积。
本发明的自供热式重整反应装置使用的导热材料可高效及时的将燃烧产生的热能传递至重整反应器本体，全包覆的设计和高热导率的导热材料实现整个自供热式重整反应装置无过热点和过冷点，以实现反应平稳进行，降低过热过冷对催化剂颗粒的热冲击作用。
附图说明
图1为本发明一实施例中以薄层反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图。
图2为本发明一实施例中以列管反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图。
图3为本发明一实施例中自供热式重整反应装置侧面剖面图。
图4为本发明一实施例中甲醇水蒸发器示意图。
1-重整反应器 2-导热装置 3-甲醇水蒸发器
4-点火器 5-催化燃烧室 6-保温材料层
7-缓冲室
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
该部分的描述只针对几个典型的实施例，本发明并不仅局限于实施例描述的范围。相同或相近的现有技术手段与实施例中的一些技术特征进行相互替换也在本发明描述和保护的范围内。
本发明揭示了一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置，所述重整反应装置包括：重整反应器、导热装置、甲醇水蒸发器、点火器、催化燃烧室。图1为本发明一实施例中以薄层反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图，图3为本发明一实施例中自供热式重整反应装置侧面剖面图；请参阅图1、图3，在本发明的一实施例中，所述重整反应装置包括：重整反应器1、导热装置2、甲醇水蒸发器3、点火器4、催化燃烧室5。
所述重整反应器1位于重整反应装置中部，重整反应器1上方及下方设置有甲醇水蒸发器3，所述甲醇水蒸发器3的出口经缓冲室7连接于重整反应器1的入口。
所述导热装置2将重整反应器1和甲醇水蒸发器3整体包覆在内(所述导热装置2由导热材料形成)，导热装置2的上方及下方分别设有催化燃烧室5，催化燃烧室5设置于重整反应装置的上部及下部。催化燃烧室5的第一端连接燃料及含氧气体输送管路，燃料及含氧气体输送管路设有点火器4；催化燃烧室5的第二端设有烟气出口；燃料和含氧气体经点火器4点火能进入催化燃烧室5燃烧产热，为甲醇水汽化和重整制氢提供热量，烟气能通过烟气出口排出。
所述甲醇水蒸发器5的一端连接甲醇水输送管路，甲醇水能在进料泵的驱动下通过所述甲醇水输送管路输入至所述甲醇水蒸发器5；甲醇水经甲醇水蒸发器3吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入重整反应器1；在重整反应器1内重整催化剂的作用下，甲醇水吸热生成富氢气体，经富氢气体出口排出。
图1为本发明一实施例中以薄层反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图，图2为本发明一实施例中以列管反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图；请参阅图1、图2，在本发明的一实施例中，所述重整反应装置还包括保温材料层6，所述保温材料层6包覆整个重整反应装置的其他部分，为整个重整反应装置保温。
在本发明的一实施例中，在重整催化剂的作用下甲醇水吸热裂解为氢气与CO2、少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物CO和甲烷，经富氢气体出口排出至一氢气提纯装置。
图1为本发明一实施例中以薄层反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图，请参阅图1，在本发明的一实施例中，所述重整反应器为薄层反应器。
图2为本发明一实施例中以列管反应器为重整反应器的自供热式重整反应装置正面剖面图；请参阅图2，在本发明的一实施例中，所述重整反应器为列管式反应器。
在本发明的一实施例中，所述导热材料的为固体导热材料或液体导热材料；所述固体导热材料为铸铝块、铸铜块、铸铁块、不锈钢块其中一种或多种；所述液体导热材料为高温导热油系统。
在本发明的一实施例中，所述高温导热油系统包括钢制外壳，高温导热油，内循环泵。
图4为本发明一实施例中甲醇水蒸发器示意图；请参阅图4，在本发明的一实施例中，所述甲醇水蒸发器为蛇形管式蒸发器。
在本发明的一实施例中，所述催化燃烧室所用催化剂的活性组分为铜基、铂基、镍基、铬基其中一种或多种；所述催化燃烧室所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、分子筛其中的一种或多种；所述重整反应器所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、碳素、CeO2、分子筛其中的一种或多种。
在本发明的一实施例中，所述燃料为新鲜甲醇水蒸汽、重整反应器出口富氢气、提纯后的高纯氢、提纯后的驰放杂气其中的一种或多种。
在本发明的一实施例中，所述保温材料的玻璃纤维、聚氨酯、岩棉、珠光砂、气凝胶其中的一种或多种。
请参阅图2至图4，在本发明的一实施例中，适用于制氢机的自供热式重整反应装置包括重整反应器1(可以为列管式重整反应器)、导热装置2(可以为导热材料铸铝块)、甲醇水蒸发器3、点火器4、催化燃烧室5、保温材料层6。其中，列管式重整反应器位于自供热式重整反应装置中部，上下设置有甲醇水蒸发器，其出口经缓冲室7连接于重整反应器的入口，导热材料铸铝块将重整反应器和甲醇水蒸发器整体包覆在内，催化燃烧室设置于自供热式重整反应装置的上下部，采用富氢气和驰放废气的混合气作为燃料和空气经点火器点火进入催化燃烧室燃烧产热，所有助燃催化剂为Pt/Al2O3，为甲醇水汽化和重整制氢提供热量，烟气由烟气出口排出，甲醇水由进料泵输入重整反应装置，经甲醇水蒸发器吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入重整器，在重整催化剂Cu-ZnO-Al2O3的作用下甲醇水吸热裂解为氢气与CO2，以及少量未反应的甲醇蒸汽，副产物CO和甲烷排出重整反应器，进入后续提纯工段，保温材料包覆整个自供热式重整反应装置，为整体系统保温。
请参阅图1、图3、图4，在本发明的一实施例中，适用于制氢机的自供热式重整反应装置包括重整反应器1(可以为薄层重整反应器)、导热装置2(可以为导热材料铸铜块)、甲醇水蒸发器3、点火器4、催化燃烧室5、保温材料层6。
其中，薄层重整反应器位于自供热式重整反应装置中部，上下设置有甲醇水蒸发器，其出口经缓冲室7连接于重整反应器的入口，导热材料铸铜块将重整反应器和甲醇水蒸发器整体包覆在内，催化燃烧室设置于自供热式重整反应装置的上下部，采用富氢气和驰放废气的混合气作为燃料和空气经点火器点火进入催化燃烧室燃烧产热，所有助燃催化剂为Ni/Al2O3，为甲醇水汽化和重整制氢提供热量，烟气由烟气出口排出，甲醇水由进料泵输入重整反应装置，经甲醇水蒸发器吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入重整器，在重整催化剂Ni-Cr-Al2O3的作用下甲醇水吸热裂解为氢气与CO2，以及少量未反应的甲醇蒸汽，副产物CO和甲烷排出重整反应器，进入后续提纯工段，保温材料包覆整个自供热式重整反应装置，为整体系统保温。
本发明还揭示一种制氢机，包括上述的自供热式重整反应装置。
在本发明的一实施例中，所述制氢机还包括纯氢分离器，所述自供热式重整反应装置连接所述纯氢分离器；具体地，所述自供热式重整反应装置的富氢气体出口连接所述纯氢分离器。
综上所述，本发明提出的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，可无需外加热源实现自供热、导热迅速，加热均匀，热损失少。
本发明的自供热式重整反应装置利用系统自身的原料、产品或副产品作为热源，在高效的助燃催化剂作用下可将燃料充分燃烧产生热量为系统供能，尤其体现在使用驰放废气作为燃料时，既解决了驰放废气内有毒的CO、甲醇蒸汽的排放问题，又提高了原料的利用率，实现原料利用率最大化最优化，本系统无需外置电源即可独立工作，提高了设备的适用性。
本发明的自供热式重整反应装置将甲醇水蒸发器和重整反应器整合成为一体，甲醇水吸热汽化的同时被预热至合适的反应温度，原料气蒸汽进入重整反应器即可发生甲醇裂解反应，减少散热损失，提高热利用率，同时将二者完美有机的结合在一起，也可提高设备的空间利用率，减小设备体积。
本发明的自供热式重整反应装置使用的导热材料可高效及时的将燃烧产生的热能传递至重整反应器本体，全包覆的设计和高热导率的导热材料实现整个自供热式重整反应装置无过热点和过冷点，以实现反应平稳进行，降低过热过冷对催化剂颗粒的热冲击作用。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。
Claims (10)
1.一种适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于，所述重整反应装置包括：重整反应器、导热装置、甲醇水蒸发器、点火器、催化燃烧室；
所述重整反应器位于重整反应装置中部，重整反应器上方及下方设置有甲醇水蒸发器，所述甲醇水蒸发器的出口经缓冲室连接于重整反应器的入口；
所述导热装置将重整反应器和甲醇水蒸发器整体包覆在内，导热装置的上方及下方分别设有催化燃烧室，催化燃烧室设置于重整反应装置的上部及下部；
所述催化燃烧室的第一端连接燃料及含氧气体输送管路，燃料及含氧气体输送管路设有点火器；催化燃烧室的第二端设有烟气出口；燃料和含氧气体经点火器点火能进入催化燃烧室燃烧产热，为甲醇水汽化和重整制氢提供热量，烟气能通过烟气出口排出；
所述甲醇水蒸发器的一端连接甲醇水输送管路，甲醇水能在进料泵的驱动下通过所述甲醇水输送管路输入至所述甲醇水蒸发器；甲醇水经甲醇水蒸发器吸热汽化为气态，并预热至适宜反应温度进入重整反应器；在重整反应器内重整催化剂的作用下，甲醇水吸热生成富氢气体，经富氢气体出口排出。
2.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述重整反应装置还包括保温材料层，所述保温材料层包覆整个重整反应装置的其他部分，为整个重整反应装置保温。
3.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
在重整催化剂的作用下甲醇水吸热裂解为氢气与CO2、少量未反应的甲醇蒸汽，以及副产物CO和甲烷，经富氢气体出口排出至一氢气提纯装置。
4.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述重整反应器为列管式反应器或薄层反应器。
5.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述导热装置的导热材料的为固体导热材料或液体导热材料；
所述固体导热材料为铸铝块、铸铜块、铸铁块、不锈钢块其中一种或多种；所述液体导热材料为高温导热油系统；所述高温导热油系统包括钢制外壳、高温导热油、内循环泵。
6.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述甲醇水蒸发器为蛇形管式蒸发器。
7.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述催化燃烧室所用催化剂的活性组分为铜基、铂基、镍基、铬基其中一种或多种；
所述催化燃烧室所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、分子筛其中的一种或多种；
所述重整反应器所用催化剂载体为高温陶瓷、Al2O3、碳素、CeO2、分子筛其中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述燃料为新鲜甲醇水蒸汽、重整反应器出口富氢气、提纯后的高纯氢、提纯后的驰放杂气其中的一种或多种。
9.根据权利要求1所述的适用于制氢机的自供热式重整反应装置，其特征在于：
所述保温材料的玻璃纤维、聚氨酯、岩棉、珠光砂、气凝胶其中的一种或多种。
10.一种制氢机，其特征在于：包括权利要求1至9任一所述的自供热式重整反应装置。
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