CN110562918A - 集成型重整制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成型重整制氢装置，包括：封闭的外壳，外壳内设置有外筒，外筒内设置有内筒，内、外筒之间的夹层形成反应室，反应室顶部封闭，反应室由下往上依次分隔成重整反应区、水汽转移反应区、选择性甲烷化反应区；内筒中设置有进气通道、排气通道和燃烧器，燃烧器的结构包括：点火装置和燃烧筒，燃烧筒的顶部封闭、底端敞口，燃烧筒的顶部与进气通道相连通，燃烧筒设置在重整反应区对应位置处的内筒中，燃烧筒的外壁与重整反应区对应位置处的内筒的内壁之间形成热辐射通道，热辐射通道的上端与排气通道连通。本发明的优点是：燃烧、反应、进气、排气结构集成于一体，体积大大减小，从而为氢气作为洁净能源的推广提供了更好的载体。
Description
技术领域
本发明涉及重整制氢设备技术领域。
背景技术
环境污染与非可再生的化石燃料的不断消耗，是全球关注的焦点。发展清洁、高效、可持续的新能源已成为大家的共识。氢能，因其具有燃烧热值高、燃烧产物水不会对环境造成污染等优点，已经成为被市场认可的清洁能源。
由于天然气资源探明储量的不断增加、以及天然气制氢的技术优势，天然气制氢已经成为当今较为主要制氢方法之一。天然气重整制氢工艺主要包括以下步骤：一、蒸汽重整反应：该反应中，原料甲烷与水蒸气在蒸汽重整反应催化剂的条件下反应制得一次重整气，一次重整气中主要包含氢气和一氧化碳，该步骤中需要吸收大量的热量，温度通常需要维持在800℃～1000℃。二、水汽转移催化反应：该反应中，一次重整气中的一氧化碳与水在水汽转移催化剂的条件下反应，从而去除一次重整气中的一氧化碳制得二次重整气。该反应需要将温度控制在300℃～350℃。三、选择性甲烷化反应：该反应中，在选择性甲烷化反应催化剂的条件下，二次重整气中的一氧化碳进一步反应去除，从而制得纯化的氢气。
目前的重整制氢设备都是比较庞大。为了将氢能源进一步推广，我公司研发了集成型重整制氢装置，该集成型重整制氢装置的体积大大减小，极其适合在安装空间有限的场景下使用，尤其适合家用。
发明内容
本发明的目的是：提供一种集成型重整制氢装置，其体积大大减小，能有效节约安装空间。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：集成型重整制氢装置，包括：封闭的外壳，外壳内设置有外筒，外筒内设置有内筒，内、外筒之间的夹层形成反应室，反应室顶部封闭，反应室由下往上依次分隔成放置重整反应催化剂的重整反应区、放置水汽转移反应催化剂的水汽转移反应区、放置选择性甲烷化反应催化剂的选择性甲烷化反应区；内筒中设置有进气通道、排气通道和燃烧器，燃烧器的结构包括：点火装置和燃烧筒，燃烧筒的顶部封闭、底端敞口，燃烧筒的顶部与进气通道相连通，用于燃烧的气体通过进气通道进入燃烧筒内，燃烧筒设置在重整反应区对应位置处的内筒中，燃烧筒的外壁与重整反应区对应位置处的内筒的内壁之间形成热辐射通道，热辐射通道的上端与排气通道连通，燃烧筒内燃烧后产生的气体经热辐射通道从排气通道中向外排出。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，热辐射通道区域的内筒的内壁上间隔设置有若干向里凹进的热辐射导向槽，每个热辐射导向槽均沿内筒的高度方向设置。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，外壳与外筒之间填充有保温隔热材料。
更进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，保温隔热材料为二氧化硅。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，进气通道和排气通道的结构包括：三个由外及里依次套设的第一套筒、第二套筒、第三套筒、第四套筒，四个套筒均顶端封闭、下端开口，第一套筒与内筒之间夹层的顶部密封，第一套筒与第二套筒之间的夹层形成排气通道，排气通道的下端与热辐射通道的顶端连通；第二套筒与第三套筒之间的夹层形成第一进气通道，第三套筒与第四套筒之间的夹层形成第二进气通道，第一进气通道、第二进气通道均与烟气腔室相连通，烟气腔室的结构包括：封板，封板固定于第四套筒内壁的底部，燃烧筒的顶部外边缘与第二套筒的内壁之间密封，燃烧筒的顶部开设有若干布风口，封板与燃烧筒的顶部之间形成烟气腔室。
再进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，第一套筒的顶部设置有排气管、第二套筒的顶部设置有第一进气管、第三套筒的顶部设置有第二进气管。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，反应室顶部的内筒和外筒通过第一法兰密封固定，第一法兰上设置有氢气出口。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，重整反应区的顶部、水汽转移反应区的顶部和底部以及选择性甲烷化反应区的顶部和底部均通过孔板分隔。
进一步地，前述的集成型重整制氢装置，其中，所述的点火装置包括点火电极，点火电极的点火端从壳体外穿设通过每个套筒的顶部后向下伸入至燃烧筒内的上端部。
本发明的优点是：一、将燃烧、反应、进气、排气结构集成于一体，制氢设备总的高度在1米以内，体积大大减小，从而为氢气作为洁净能源的推广提供了更好的载体。二、热辐射通道区域的内筒内壁的热辐射导向槽，有效增加热辐射面积，从而大大提高热传递效率，同时对热量进行引导，使得热量的传递更加均匀。三、内筒、外筒套设形成反应室，由外及里依次套设的第一套筒、第二套筒、第三套筒、第四套筒，形成排气通道、第一进气通道和第二进气通道，此反应室、进气以及排气的结构均紧凑、巧妙、合理。
附图说明
图1是本发明所述的集成型重整制氢装置的结构示意图。
图2是图1中进气通道、排气通道以及燃烧器的结构示意图。
图3是图1中热辐射通道区域内筒内壁上的热辐射导向槽的布置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2、图3所示，集成型重整制氢装置，包括：封闭的外壳1，外壳1内设置有外筒2，本实施例中外壳1与外筒2之间填充有保温隔热材料，所述的保温隔热材料主要采用二氧化硅。保温隔热材料形成保温隔热层102，保温隔热层102能有效防止壳体1内部与壳体1的外部进行热交换。
外筒2内设置有内筒3，内筒3和外筒2之间的夹层形成反应室4，反应室4顶部封闭，具体地，反应室4顶部的内筒3和外筒2通过法兰40密封固定，法兰40上设置有氢气出口。氢气出口的位置可以根据实际情况设置，氢气出口通过接管连通至壳体1外，从而将氢气向外输出。
反应室4由下往上依次分隔成放置重整反应催化剂的重整反应区41、放置水汽转移反应催化剂的水汽转移反应区42、放置选择性甲烷化反应催化剂的选择性甲烷化反应区43。本实施例中，重整反应区41的顶部、水汽转移反应区42的顶部和底部以及选择性甲烷化反应区43的顶部和底部均通过孔板分隔，具体地重整反应区41顶部的第一孔板411，水汽转移反应区42底部的第二孔板421，水汽转移反应区42的顶部与选择性甲烷化反应区43的底部的孔板共用，为第三孔板422；选择性甲烷化反应区43顶部的孔板为第四孔板431。采用孔板将反应室4进行区域分隔，这使得重整反应区41反应产生的气体能进入水汽转移反应区42中反应、水汽转移反应区42中反应生成的气体能进入选择性甲烷化反应区43中反应，最后生成的氢气能通过第四孔板431向外排出。
内筒3中设置有进气通道、排气通道和燃烧器6。所述的燃烧器6的结构包括：点火装置61和燃烧筒62。所述的点火装置61包括点火电极611，点火电极611的点火端从壳体1外穿设通过每个套筒的顶部后向下伸入至燃烧筒62内的上端部。
燃烧筒62的顶部封闭、底端敞口，燃烧筒62的顶部与进气通道相连通，用于燃烧的气体通过进气通道进入燃烧筒62内，燃烧筒62设置在与重整反应区41对应位置处的内筒3中，燃烧筒62的外壁与重整反应区41对应位置处的内筒3的内壁之间形成热辐射通道11，热辐射通道11的上端与排气通道连通，燃烧筒52内燃烧后产生的气体经热辐射通道11从排气通道向外排出。进一步的，为了提高热传递效率，本实施例中热辐射通道11区域的内筒3的内壁上间隔设置有若干向里凹陷的热辐射导向槽31，每个热辐射导向槽31均沿内筒3的高度方向设置。热辐射通道11区域的内筒3的内壁上均匀间隔设置向里凹陷的热辐射导向槽31，其目的在于：有效增加热辐射面积，从而提高热传递效率，同时对热量进行引导，使得热量的传递更加均匀。
具体地，进气通道和排气通道的结构包括：内筒3中由外及里依次套设的第一套筒7、第二套筒8、第三套筒9、第四套筒10，四个套筒均顶端封闭、下端开口。第一套筒7与内筒3之间夹层的顶部密封，具体的，第一套筒7与内筒3的顶部之间采用第二法兰71密封固定。第一套筒7与第二套筒8之间的夹层形成排气通道100，排气通道100的下端与热辐射通道11的顶端连通。第二套筒8与第三套筒9之间的夹层形成第一进气通道200，第三套筒9与第四套筒10之间的夹层形成第二进气通道300。第一套筒7的顶部设置有与壳体1的外部相连通的排气管、第二套筒8的顶部设置有第一进气管、第三套筒9的顶部设置有第二进气管。排气通道100中的气体从排气管向外排出。用于燃烧的甲烷与空气的混合气体通过第一进气管进入至第一进气通道200中。用于燃烧的其他的气体通过第二进气管进入至第二进气通道300中。排气管、第一进气管、第二进气管具体的位置只需根据实际情况设置即可。
第一进气通道200、第二进气通道300均与烟气腔室12相连通，烟气腔室12的结构包括：封板121，封板121固定于第四套筒10的内壁底部封，燃烧筒62的顶部外边缘与第二套筒8的内壁之间密封，燃烧筒62的顶部开设有若干布风口621，封板121、燃烧筒62的顶部、以及封板121以下的第二套筒8的内筒壁之间形成烟气腔室12。烟气腔室12的设置其目的在于：提高气体混合的均匀性。第一进气通道200输送用于燃烧的甲烷和空气的混合气体，本实施例中设置第二进气通道300的目的在于：将一些可燃的废气通过第二进气通道300输送进入燃烧筒62进行燃烧，从而可以对废气进行充分利用，如燃料电池排出的尾气。
工作原理简单介绍如下：用于燃烧的甲烷气体和空气的混合气体通过第一进气通道200进入至烟气腔室12中，如有其余可充分利用的可燃废气，可从第二进气通道300进入至烟气腔室12中。烟气腔室12中的混合气体经布风口621进入至燃烧筒62内，点火电极611点火使得混合气体燃烧释放大量热量，带着大量热量的烟气向下经燃烧筒62的底部进入至热辐射通道11中，在热辐射通道的热辐射导向槽31的引导下，热量迅速传递至重整反应区41，从而为重整反应区41的反应提供充足的热量，之后热辐射通道11中的气体经排气通道100向壳体外1排出。重整反应区41反应生成含氢气、一氧化碳的重整气体，重整气体向上运动进入至水汽转移反应区42，水汽转移反应区42反应除去重整气体中的大量的一氧化碳，水汽转移反应区42中除去大量的一氧化碳后的气体继续向上运动进入选择性甲烷化反应区43进一步除一氧化碳，选择性甲烷化反应区43中纯化后的氢气继续向上从氢气出口中输出。
本发明的优点在于：一、将燃烧、反应、进气、排气结构集成于一体，制氢设备总的高度在1米以内，体积大大减小，有效节约安装空间，从而为氢气作为洁净能源的推广提供了更好的载体。二、热辐射通道11区域的内筒3内壁的热辐射导向槽31，有效增加热辐射面积，从而大大提高热传递效率，同时对热量进行引导，使得热量的传递更加均匀。三、内筒3、外筒2套设形成反应室4，由外及里依次套设的第一套筒7、第二套筒8、第三套筒9、第四套筒10，形成排气通道100、第一进气通道200和第二进气通道300，此反应室、进气以及排气的结构均紧凑、巧妙、合理。
Claims (9)
1.集成型重整制氢装置，包括：封闭的外壳，其特征在于：外壳内设置有外筒，外筒内设置有内筒，内、外筒之间的夹层形成反应室，反应室顶部封闭，反应室由下往上依次分隔成放置重整反应催化剂的重整反应区、放置水汽转移反应催化剂的水汽转移反应区、放置选择性甲烷化反应催化剂的选择性甲烷化反应区；内筒中设置有进气通道、排气通道和燃烧器，燃烧器的结构包括：点火装置和燃烧筒，燃烧筒的顶部封闭、底端敞口，燃烧筒的顶部与进气通道相连通，用于燃烧的气体通过进气通道进入燃烧筒内，燃烧筒设置在重整反应区对应位置处的内筒中，燃烧筒的外壁与重整反应区对应位置处的内筒的内壁之间形成热辐射通道，热辐射通道的上端与排气通道连通，燃烧筒内燃烧后产生的气体经热辐射通道从排气通道中向外排出。
2.根据权利要求1所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：热辐射通道区域的内筒的内壁上间隔设置有若干向里凹进的热辐射导向槽，每个热辐射导向槽均沿内筒的高度方向设置。
3.根据权利要求1或2所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：外壳与外筒之间填充有保温隔热材料。
4.根据权利要求3所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：保温隔热材料为二氧化硅。
5.根据权利要求1或2所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：进气通道和排气通道的结构包括：由外及里依次套设的第一套筒、第二套筒、第三套筒、第四套筒，四个套筒均顶端封闭、下端开口，第一套筒与内筒之间夹层的顶部密封，第一套筒与第二套筒之间的夹层形成排气通道，排气通道的下端与热辐射通道的顶端连通；第二套筒与第三套筒之间的夹层形成第一进气通道，第三套筒与第四套筒之间的夹层形成第二进气通道，第一进气通道、第二进气通道均与烟气腔室相连通，烟气腔室的结构包括：封板，封板固定于第四套筒内壁的底部，燃烧筒的顶部外边缘与第二套筒的内壁之间密封，燃烧筒的顶部开设有若干布风口，封板与燃烧筒的顶部之间形成烟气腔室。
6.根据权利要求5所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：第一套筒的顶部设置有排气管、第二套筒的顶部设置有第一进气管、第三套筒的顶部设置有第二进气管。
7.根据权利要求1或2所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：反应室顶部的内筒和外筒通过第一法兰密封固定，第一法兰上设置有氢气出口。
8.根据权利要求1或2所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：重整反应区的顶部、水汽转移反应区的顶部和底部以及选择性甲烷化反应区的顶部和底部均通过孔板分隔。
9.根据权利要求1或2所述的集成型重整制氢装置，其特征在于：所述的点火装置包括点火电极，点火电极的点火端从壳体外穿设通过每个套筒的顶部后向下伸入至燃烧筒内的上端部。
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