CN109956449A - 一种并流式甲醇水重整制氢反应器 - Google Patents

一种并流式甲醇水重整制氢反应器 Download PDF

Info

Publication number
CN109956449A
CN109956449A CN201711339387.3A CN201711339387A CN109956449A CN 109956449 A CN109956449 A CN 109956449A CN 201711339387 A CN201711339387 A CN 201711339387A CN 109956449 A CN109956449 A CN 109956449A
Authority
CN
China
Prior art keywords
chamber
hydrogen
combustion chamber
methanol
reformer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201711339387.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN109956449B (zh
Inventor
孙海
黄基才
孙公权
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Original Assignee
Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dalian Institute of Chemical Physics of CAS filed Critical Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority to CN201711339387.3A priority Critical patent/CN109956449B/zh
Publication of CN109956449A publication Critical patent/CN109956449A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN109956449B publication Critical patent/CN109956449B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/323—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/326—Catalytic reaction of gaseous or liquid organic compounds other than hydrocarbons with gasifying agents characterised by the catalyst
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • C01B2203/0233—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step the reforming step being a steam reforming step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12—Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205—Composition of the feed
    • C01B2203/1211—Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1217—Alcohols
    • C01B2203/1223—Methanol

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

本发明公开一种并流式甲醇水重整制氢反应器，反应器主要包括燃烧室、重整室、氢气分布部件、封头及壳体。重整室和燃料室为长方体空腔，二者逐层交替，燃料室和重整室内的流体流动方向大致成并流方式。氢气经气体分布部件后，与空气混合，在燃料室中燃烧，甲醇和水溶液经蒸发器汽化后，引入重整室。本发明的优点是重整室与燃料室中的流体成并流方式，可以使燃烧所放的热量与重整所需的热量较好地匹配，从而可提高反应器性能。此外，逐层交替结构可以使反应器温度较快升至反应所需温度，减少启动时间。特别适用于基于分布式制氢的燃料电池系统。

Description

一种并流式甲醇水重整制氢反应器
技术领域
本发明涉及制氢技术领域，特别是涉及一种并流式甲醇和水重整制氢反应器。
背景技术
质子膜燃料电池的最佳燃料为氢，目前燃料电池的氢源技术主要是高压储氢和重整制氢技术。高压储氢的体积能量密度较低、成本较高，且加氢站建设不完善，限制了燃料电池的推广应用。采用燃料现场重整制氢，特别是液体燃料重整制氢技术，具有较高的体积能量密度，且燃料存储运输较容易。甲醇因其具有较高的氢/碳比和较低的重整温度，在重整制氢领域得到广泛研究。
燃料重整制氢技术包括部分氧化重整、水蒸汽重整和自热重整。其中部分氧化重整和自热重整需要引入空气，从而降低了产物中氢气的浓度。因此，甲醇水蒸汽重整制氢技术为燃料电池供氢优势较明显。甲醇水蒸汽重整制氢是一个吸热反应，需要通过燃烧室为其提供热量。而重整和燃烧催化剂的热导率又较低，需合理设计重整室与燃料室的高度，并选择与之匹配的催化剂粒度。此外，重整室进口处的甲醇和水的浓度较高，而燃烧室进口处的燃料和氧的浓度较高，将两个室中的流体流动方向设计为并流形式，燃烧室进口处的强放热刚好提供给重整室进口的强吸热反应，能量匹配较好。目前，文献报道的该类重整器的重整室与燃料室中的流体流动方向大多为错流，分布器结构较复杂。且由于对反应器的三传一反缺少足够的理论认识，使得设计的重整室与燃烧室高度，及与之匹配的催化剂粒度等的参数缺少充分的理论依据。
发明内容
为了克服上述不足，本发明结合计算流体力学技术，建立了反应器的三传一反数学模型，提出了一种并流式的甲醇和水重整制氢反应器。发明中设计的反应器具有能量匹配较好、较优的结构、分布器结构简单、反应器易于放大等优点。
一种并流式甲醇水重整制氢反应器，包括重整室、燃烧室、氢气分布部件；
所述反应器的重整室和燃烧室中流体大致以并流方式流动，使得重整室和燃料室的热量能够更好的匹配，有利于减小反应器的体积。
所述反应器的重整室和燃烧室逐层交替，重整室的高度为2-10mm，燃烧室的高度为2-10mm。逐层交替结构，使得燃烧室的热量能够更好地传给重整室，且利于反应器的放大。由于重整和燃烧催化剂的导热系数只有0.3W/(m·K)左右，室高选为2-10mm左右，可以减小床层高度方向上的温度差。床层当量直径为4倍的流通截面积与润湿周边的比。
所述重整室是在长度方向上线切割而成，燃烧室在宽度方向上经铣加工而成，燃烧室的侧面采用带有封条的板密封。重整室和燃烧室从不同方向上加工，可以避免燃烧室和重整室间窜气。采用带有封条的板密封，结构简单，加工容易，成本低。
所述重整腔的出口处设置一封头，在封头中装重整催化剂，用于汇集各重整腔的气体，并进一步提高转化率。封头主要用于气体的汇集，在封头中加重整催化剂，进一步提高空间的利用率。
所述的氢气分布器由一个封头和一块带有管子的平板组成，管子均匀分布，且管子上开有小孔。总进料氢气由封头的一侧进入封头与平板组成的空腔，然后从另一侧进入各均匀分布的管子中，进入管子中的氢气由小孔流入每个燃烧室。所述的封头结构可以使进入每一层的氢气流量基本一致，且分布器结构简单，容易加工。
所述反应器的最上层走的是空气，与该层相邻的为燃烧室，最上层的空气可以回收燃烧室产生的热量，同时减小保温层的压力。该层空气从侧面流出，经侧面的封头后进入各个燃烧室。
所述反应器的最下层走的是甲醇和水蒸汽，与该层相邻的为燃烧室，最下层的甲醇和水蒸汽可回收燃烧室产生的热量，可以在该层装上重整催化剂，进一步提高空间利用率及减小保温层的压力。从该层流出的气体经封头折回，进入各个重整室。
所述燃烧催化剂的活性组分为铂，采用的是颗粒催化剂，粒径约为1mm。粒径的选择，是综合考虑燃烧室高度、流动压力、床层传热性能和催化剂性能等指标。
所述燃烧催化剂的活性组分为铜，催化剂的平均当量直径约为1.3mm。粒径的选择，综合考虑重整室高度、流动压力、床层传热性能和催化剂性能等指标，选择一个较优值。
本发明的技术方案：
提供一种并流式甲醇水重整制氢反应器，甲醇和水经蒸发室汽化后，进入反应器的最下一层，经封头1后折回，进入各个重整室。进料氢气由封头2的一侧进入封头与平板组成的空腔，然后从另一侧进入均匀分布的管子中，进入管子中的氢气由小孔流入每一个燃烧室。在燃烧室中与空气混合，催化燃烧。重整室与燃烧室中的流体大致为并流流动，燃料室进口附近氧气和氢气的浓度较高，反应速度较快，能够放出较多的热量。而重整室进口附近，甲醇和水的浓度较高，只要提供的热量充足，重整反应的速率较快，需要吸收较多的热量。因此，并流流动方式可以得到更好的热量匹配结果。
所述的并流式甲醇水重整制氢反应器包括重整室、燃烧室、氢气分布部件。结合计算流体力学结果，确定一个较优的条件，包括重整室高度2-10mm，燃烧室高度2-10mm。这样可以在确保高效传热的情况下，流动压降不致于过大。甲醇水重整的产物主要为H2、CO2、CO和CH4。
本发明的优点是提出了一种并流式的甲醇水重整反应器结构，并结合计算流体力学方法，确定了较优的结构参数。从而所设计出的反应器能量匹配较好、反应器体积小、分布器结构简单、反应器易于放大等优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图.
图中：1.封头1；2.封头2；3.氢气进料口；4.甲醇水蒸汽进料口；5.封头3；6.重整产物出口；7.空气进料口；8.重整室；9.燃烧室；10.燃烧尾气出口；11.氢气分布管；12.氢气分布腔；
具体实施方式
一种并流式甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：包括重整室、燃烧室和氢气分布部件；
所述重整室和燃烧室均分别为长方体腔室，所述重整室n个、燃烧室为n+1个，n为大于等于1的整数；所述燃烧室和重整室从上至下依次交替层叠设置，于最上层的燃烧室上方设有空气流通腔室，于最下层的燃烧室下方设有甲醇和水蒸汽流通腔室；
于燃烧室右侧的前端设有氢气分布腔，于空气流通腔室左侧设有空气入口，于燃烧室与氢气分布腔之间设有空气腔，空气流通腔室的右侧与空气腔相连通，于n+1个燃烧室上分别设有与空气腔相连通的空气进口；于氢气分布腔的左前端壁面上设有氢气入口，于氢气分布腔靠近燃烧室的后端壁面上均布有n+1个氢气出口，n+1个氢气出口经导管穿过空气腔后分别由空气进口伸入至n+1个燃烧室；于燃烧室左侧的后端设有燃烧尾气出口；
于甲醇和水蒸汽流通腔室左侧设有甲醇和水蒸汽入口；于重整室右侧设有物料分布腔，甲醇和水蒸汽流通腔室的右侧与物料分布腔相连通，于n个燃烧室上分别设有与物料分布腔相连通的物料进口；于重整室左侧设有重整产物出口。
实施例
本实施例中的一种并流式甲醇水重整制氢反应器，所述装置如图1所示，包括重整室、燃烧室和气体分布器。重整室高为5mm，重整催化剂以氧化铝为载体，铜、锌为活性组分，催化剂由柱状大颗粒经粉碎而成，平均当量直径约为1.3mm。燃烧室高为5mm，燃烧催化剂以氧化铝为载体，铂为活性组分，铂只存在于载体的外表面，粒径约为1mm。
甲醇和水蒸汽从反应器的最下层进入，实施例中，该层也装了重整催化剂，经封头1后折回，进入各个重整室。由于重整室中装有催化剂，具有一定的流动阻力，从而可以使气体在各个重整室中较均匀分布。重整产物经封头5后，由出口6中排出。空气由反应器的最上层流入，经侧面封头2后进入各个燃烧室，氢气由进料管3引入，经分布管11后进入各个燃烧室，燃烧尾气从尾气出口10排出。实验过程中，当甲醇水溶液(甲醇的体积分数为0.6)的体积流量为20ml/min时，重整产物中的摩尔组成为(扣除水)：20.67％的CO2，0.00174％的CH4，79.20％的H2和0.13％的CH3OH，未检测到CO，此时甲醇的转化率约为99.4％。后期可将该反应器用于大流量的甲醇水重整制氢实验。本发明的优点是反应器能量匹配较好、反应器体积小、分布器结构简单、反应器易于放大。本发明是一种现场制氢技术，且所用燃料为甲醇，具有较高的氢碳比，有望在燃料电池汽车推广应用及降低碳排放。

Claims (5)

1.一种并流式甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：包括重整室、燃烧室和氢气分布部件；
所述重整室和燃烧室均分别为长方体腔室，所述重整室n个、燃烧室为n+1个，n为大于等于1的整数；所述燃烧室和重整室从上至下依次交替层叠设置，于最上层的燃烧室上方设有空气流通腔室，于最下层的燃烧室下方设有甲醇和水蒸汽流通腔室；
于燃烧室右侧的前端设有氢气分布腔，于空气流通腔室左侧设有空气入口，于燃烧室与氢气分布腔之间设有空气腔，空气流通腔室的右侧与空气腔相连通，于n+1个燃烧室上分别设有与空气腔相连通的空气进口；于氢气分布腔的左前端壁面上设有氢气入口，于氢气分布腔靠近燃烧室的后端壁面上均布有n+1个氢气出口，n+1个氢气出口经导管穿过空气腔后分别由空气进口伸入至n+1个燃烧室；于燃烧室左侧的后端设有燃烧尾气出口；
于甲醇和水蒸汽流通腔室左侧设有甲醇和水蒸汽入口；于重整室右侧设有物料分布腔，甲醇和水蒸汽流通腔室的右侧与物料分布腔相连通，于n个燃烧室上分别设有与物料分布腔相连通的物料进口；于重整室左侧设有重整产物出口。
2.如权利要求1所述的甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：于重整室内装填有重整催化剂，于燃烧室内装填有燃烧催化剂，重整室和燃烧室中流体以并流方式流动。
3.如权利要求1或2所述的甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：于甲醇和水蒸汽流通腔室内可装填重整催化剂。
4.如权利要求1所述的甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：所述重整室和燃烧室逐层交替，所述床层当量直径与粒径的比为4-10；所述床层当量直径为4倍的流通截面积与润湿周边的比。
5.如权利要求1所述的甲醇水重整制氢反应器，其特征在于：于重整室左侧设有重整产物出口，重整产物出口均与一产物收集腔相连通，产物收集腔上设有物料出口，产物收集腔内装填有重整催化剂，用于汇集各重整腔的气体，并可进一步提高转化率。
CN201711339387.3A 2017-12-14 2017-12-14 一种并流式甲醇水重整制氢反应器 Active CN109956449B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711339387.3A CN109956449B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种并流式甲醇水重整制氢反应器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201711339387.3A CN109956449B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种并流式甲醇水重整制氢反应器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN109956449A true CN109956449A (zh) 2019-07-02
CN109956449B CN109956449B (zh) 2022-07-26

Family

ID=67017994

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201711339387.3A Active CN109956449B (zh) 2017-12-14 2017-12-14 一种并流式甲醇水重整制氢反应器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN109956449B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110902651A (zh) * 2019-12-05 2020-03-24 浙江大学 一种自热型的环形甲醇重整制氢反应器
CN111153386A (zh) * 2020-01-07 2020-05-15 浙江大学 一种具有蜂窝结构碳化硅陶瓷的甲醇重整制氢反应器
CN112499585A (zh) * 2020-12-03 2021-03-16 厦门大学 一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器
CN112952163A (zh) * 2019-12-10 2021-06-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种模块化燃料处理器及应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0154674A1 (de) * 1984-01-26 1985-09-18 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion
US20030175183A1 (en) * 2000-05-05 2003-09-18 Friedrich Guetlhuber Tubular reactor for carrying out exothermic gas phase reactions
CN1616343A (zh) * 2003-11-12 2005-05-18 中国科学院大连化学物理研究所 可拆卸的板式重整制氢反应器
CN1629065A (zh) * 2003-12-16 2005-06-22 中国科学院大连化学物理研究所 微通道板翅式水蒸汽重整制氢反应器
CN102502494A (zh) * 2011-11-04 2012-06-20 中国人民解放军防化指挥工程学院 一种叠片式醇类重整制氢反应器
CN102910584A (zh) * 2012-10-24 2013-02-06 华南理工大学 一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器
CN103920439A (zh) * 2002-08-15 2014-07-16 维罗西股份有限公司 整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0154674A1 (de) * 1984-01-26 1985-09-18 Linde Aktiengesellschaft Verfahren und Reaktor zur Durchführung einer endothermen Reaktion
US20030175183A1 (en) * 2000-05-05 2003-09-18 Friedrich Guetlhuber Tubular reactor for carrying out exothermic gas phase reactions
CN103920439A (zh) * 2002-08-15 2014-07-16 维罗西股份有限公司 整合的燃烧器和进行同步吸热和放热反应的方法
CN1616343A (zh) * 2003-11-12 2005-05-18 中国科学院大连化学物理研究所 可拆卸的板式重整制氢反应器
CN1629065A (zh) * 2003-12-16 2005-06-22 中国科学院大连化学物理研究所 微通道板翅式水蒸汽重整制氢反应器
CN102502494A (zh) * 2011-11-04 2012-06-20 中国人民解放军防化指挥工程学院 一种叠片式醇类重整制氢反应器
CN102910584A (zh) * 2012-10-24 2013-02-06 华南理工大学 一种自热型层叠式微通道重整制氢反应器

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110902651A (zh) * 2019-12-05 2020-03-24 浙江大学 一种自热型的环形甲醇重整制氢反应器
CN110902651B (zh) * 2019-12-05 2021-04-16 浙江大学 一种自热型的环形甲醇重整制氢反应器
CN112952163A (zh) * 2019-12-10 2021-06-11 中国科学院大连化学物理研究所 一种模块化燃料处理器及应用
CN112952163B (zh) * 2019-12-10 2023-09-19 中国科学院大连化学物理研究所 一种模块化燃料处理器及应用
CN111153386A (zh) * 2020-01-07 2020-05-15 浙江大学 一种具有蜂窝结构碳化硅陶瓷的甲醇重整制氢反应器
CN111153386B (zh) * 2020-01-07 2021-07-16 浙江大学 一种具有蜂窝结构碳化硅陶瓷的甲醇重整制氢反应器
CN112499585A (zh) * 2020-12-03 2021-03-16 厦门大学 一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器
CN112499585B (zh) * 2020-12-03 2022-05-03 厦门大学 一种兼具密封与装拆性的自热型甲醇重整制氢微反应器

Also Published As

Publication number Publication date
CN109956449B (zh) 2022-07-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109956449A (zh) 一种并流式甲醇水重整制氢反应器
CN105655612B (zh) 一种封闭式甲醇水蒸汽重整燃料电池氢源系统及制氢方法
Tang et al. Porous copper fiber sintered felts: an innovative catalyst support of methanol steam reformer for hydrogen production
CN106104882B (zh) 燃料电池系统
CN103601151B (zh) 自热错排微凸台阵列型醇类重整器
JP3823181B2 (ja) 燃料電池用発電システム及び発電システムの廃熱再循環冷却システム
CN108206289A (zh) 一种基于甲醇和水重整制备燃料电池
US9620793B2 (en) Hybrid system
CN105009338B (zh) 燃料电池
JP2008521184A (ja) 化学反応を実施するための装置
CN105720285B (zh) 一种封闭式燃料电池氢源系统
CN103579655B (zh) 固体氧化物型燃料电池
WO2007066619A1 (ja) 燃料電池
CN206666114U (zh) 一种填充高温相变材料的自热型重整制氢反应器
US20130196243A1 (en) High temperature fuel cell system
CN205668941U (zh) 利用发动机尾气余热制氢的乙醇重整器
US8603694B2 (en) Method for operating fuel cells for systems that are restricted by exposure to thermal stress and fuel cell stack for carrying out said method
CN103086325A (zh) 一种天然气制氢反应器及其制氢工艺
CN110233276A (zh) 一种微量co的甲醇重整制氢燃料电池发电系统
CN115418656A (zh) 一种撬装式制氢、固态储氢和氢燃料电池一体化系统及运行方法
CN109592638A (zh) 一种自热式制氢装置
CN105720288B (zh) 一种内重整燃料电池电堆
CN112103540B (zh) 一种固体氢高温反应氢气发生装置发电系统
JP5424983B2 (ja) セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置
JP2011258378A (ja) セルスタック装置、燃料電池モジュールおよび燃料電池装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant