CN110860258B - 一种嵌入式燃烧反应器及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种嵌入式燃烧反应器及其应用。嵌入式燃烧反应器，包括：筒体、燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区；燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区设置在筒体内，其中所述储水区设置在催化反应区内，所述燃烧供热区穿过储水区为储水区提供热量，储水区的液体被加热转化成蒸汽进入与储水区相连的蒸汽管，所述蒸汽管埋设在催化反应区内为催化反应提供热量，蒸汽冷凝后流回储水区。相比传统的氢气锅炉装置，本发明嵌入式燃烧反应器的热量利用率大为提升，可以应用于脱氢反应。

Description

一种嵌入式燃烧反应器及其应用

技术领域

本发明属于化工设备领域，特别涉及一种嵌入式燃烧反应器及其应用。

背景技术

氢能利用技术，如氢燃料电池和氢内燃机，可以提供稳定、高效、无污染的动力，在电动汽车及移动装置等领域有着广泛的应用前景。近10年来，美国、欧洲、日本等发达国家以及我国政府部门和企业投入了巨额资金来发展“氢能经济”，在大规模化氢制备、氢燃料电池等领域都有所突破。2015年世界主要汽车厂商(包括上汽)将批量生产氢燃料电池车。据美国能源部和美国工程院的预测，氢燃料电池车将在15年至20年之内取代现有燃油车及混合动力车，在全球汽车市场居主导地位。此外，氢能技术还可用于备用电源、储能、削峰填谷式并网发电及分布式供能、助燃及环境保护等领域。可以预见，当氢能技术迅速完成市场化进程融入人们的生活后，国家的能源危机以及环境压力将得到极大缓解。

氢能技术包括氢的规模制备、储存和运输、高效率使用以及配套基础设施的建设等环节，其中储存和运输,是安全有效的利用氢能是最关键技术之一。目前，工业上主要采用在-253℃的液化氢或350～700个大气压下高压氢等储运技术，高压氢或液化氢技术及其应用所需能耗是制氢成本的20倍以上，且存在泄漏或储氢罐压力过高等安全隐患。如果能够将氢分子吸附在某种载体上，实现常温常压下的安全储存，待使用时，能将氢在温和条件下，可控的释放，则可有效地，安全使用氢能。因此，全球主要的工业国家都在研发基于常温常压的液态有机储氢技术。以德国为例，开发的液态有机储氢技术能够实现较温和条件下的吸/放氢循环，但释放的氢气时含有毒害燃料电池的副产物气体产生，同时容量低及使用不方便等重要缺陷；日本目前正在研发基于甲苯等传统有机材料的储氢技术，但脱氢温度过高(大于300℃)，且同样存在副产物毒化燃料电池的问题。因而这两种储氢技术规模化应用受到制约。

中国地质大学(武汉)可持续能源实验室研究团队，在中组部第二批“千人计划”程寒松教授的带领下，在原美国工作基础上，通过长期的探索和研究，发现了一类液态有机共轭分子储氢材料，此类材料具有熔点低(目前开发的技术已低至-20℃)、闪点高(150℃以上)、并在自制高效催化剂作用下，释放气体纯度高(99.99％)、脱氢温度低(约150℃)等特点，且循环寿命高(2000次以上)、可逆性强，并且不产生一氧化碳等毒害燃料电池的气体。作为氢的载体，这类材料在使用过程中始终以液态方式存在，可以像石油一样在常温常压下储存和运输，完全可利用现有汽油输送方式和加油站构架。氢并不是以分子的形式存在，而是通过催化加氢，共价结合到有机液体载体分子上。在使用端需要氢气的时候即可通过催化脱氢步骤获得氢气。原料是富氢油，产物是贫氢油和氢气，贫氢油通过催化加氢转变为富氢油。载体本身不被消耗，可重新加氢，反复循环使用。

由于脱氢过程为强吸热过程，且放出大量氢气。一般的氢气锅炉或其他燃气锅炉，燃烧伴随的大量热量，通过对流、辐射等方式将产生高温蒸汽，高温蒸汽通过管路输送至用户端。燃烧生成的水气或烟气冷却除尘后，排入大气。将燃气产生的高温蒸汽通过管路的方式输送至吸热反应器中，进行供热。此过程中，管路的能量损耗较大。且燃气锅炉本身的散热，因此直接使用燃气锅炉与脱氢装置通过管路连接的方式，能耗较大。

发明内容

本发明的目的是针对脱氢过程需要吸收大量热量，提供一种嵌入式燃烧反应器及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种嵌入式燃烧反应器，包括：筒体、燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区；燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区设置在筒体内，其中所述储水区设置在催化反应区内，所述燃烧供热区穿过储水区为储水区提供热量，储水区的液体被加热转化成蒸汽进入与储水区相连的蒸汽管，所述蒸汽管埋设在催化反应区内为催化反应提供热量，蒸汽冷凝后流回储水区。

进一步的，催化反应区包括内催化层和外催化层，所述储水区设置在内、外催化层之间。

进一步的，催化反应区的上方设置有进液分布器，反应物通过进液分布器均匀的进入催化反应区，反应后的产物通过设置在筒体上的反应出口流出。

进一步的，催化反应区为一个整体时，所述反应出口设置在筒体的底部；所述催化反应区分为内催化层和外催化层两部分时，所述进液分布器设置在外催化层的上方，反应物通过进液分布器均匀的进入外催化层，灌满筒体底后进入内催化层，反应出口连通内催化层，反应产物通过反应出口流出。

进一步的，储水区的上部分别设置有蒸汽入口和出口，蒸汽入口和出口分别连接蒸汽管的两端，所述蒸汽管包括连接蒸汽入口的螺旋蒸汽管，以及连接蒸汽出口竖直蒸汽管。

进一步的，燃烧供热区包括分配管、收集管和一根以上的燃烧室；所述燃烧室的两端分别连通分配管和收集管；所述分配管上设置有燃烧气入口和助燃气入口，所述收集管上设置有尾气出口。

进一步的，燃烧室浸没在储水区内。

进一步的，燃烧气和助燃气分别通过所述燃烧气入口和助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的液体，燃烧产生的产物通过收集管收集，通过尾气出口排出。

进一步的，燃烧气为氢气、甲烷或天然气；所述助燃气为空气或氧气。

一种嵌入式燃烧反应器在催化脱氢反应中的应用。

将氢气锅炉小型化，嵌入进脱氢反应器中，形成新的反应结构：嵌入式燃烧反应器。分为三个模块：燃烧供热区，储水区，催化反应区。浸没在储水区中的燃烧供热区提供热量，加热储水区中的水，转变为蒸汽，达到一定温度后通过预埋在催化反应区中的管路进入催化反应区，进行供热。最终冷却水再流回储水区，形成循环。此时蒸汽完全包裹在反应区中，且储水区的封闭外壁同时也可以给脱氢反应提供热量，另燃烧供热区燃烧产生的尾气可预热有机液体载体，此时热效率就近乎100％。

相比传统的氢气锅炉装置，本发明嵌入式燃烧反应器的热量利用率大为提升，应用于脱氢反应有如下两处优点：(1)氢气锅炉自身以及输送管路的热量散失，由于氢气锅炉及管路嵌入进脱氢反应器，完全被脱氢反应装置利用，热量损失小；(2)将锅炉嵌入到反应器中，整个装置的体积变小；并且无外部管路，方便应用。

附图说明

图1是实施例1嵌入式燃烧反应器的截面结构示意图。

图2是实施例1嵌入式燃烧反应器的总装结构示意图。

图3是实施例1嵌入式燃烧反应器催化反应区的结构示意图。

图4是实施例1嵌入式燃烧反应器储水区和蒸汽管的结构示意图。

图5是实施例1嵌入式燃烧反应器燃烧区的结构示意图。

图6是实施例1嵌入式燃烧反应器燃烧室的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

液态储氢载体是一种可在常温常压下呈现液态的储氢体系，包括至少两种不同的储氢组分，储氢组分为不饱和芳香烃或杂环不饱和化合物，且至少一种储氢组分为低熔点化合物，低熔点化合物的熔点低于80℃。

进一步地，储氢组分选自杂环不饱和化合物，杂环不饱和化合物中的杂原子为N、S、O及P中的一种或多种。

进一步地，杂环不饱和化合物中杂环和芳环的总数为1～20，杂原子的总数为1～20。

进一步地，相对于液态储氢体系的总质量而言，低熔点化合物的质量分数为5～95％。

进一步地，液态储氢体系还包括加氢添加剂，加氢添加剂为极性溶剂和/或非极性溶剂。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，加氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

进一步地，不同的储氢组分分别选自苯、甲苯、乙苯、邻二甲苯、对二甲苯、苯乙烯、苯乙炔、蒽、萘、芴、苯胺、咔唑、N-甲基咔唑、N-乙基咔唑、N-正丙基咔唑、N-异丙基咔唑、N-正丁基咔唑、吲哚、N-甲基吲哚、N-乙基吲哚、N-丙基吲哚、喹啉、异喹啉、吡啶、吡咯、呋喃、苯并呋喃、噻吩、嘧啶及咪唑所组成的组及其衍生物。

进一步地，极性溶剂选自乙醇、甲醇、乙醚、甲醚、乙腈、乙酸乙酯、甲酰胺、异丙醇、正丁醇、二氧六环、正丁醚、异丙醚、二氯甲烷、氯仿及二氯乙烷中的一种或多种。

进一步地，非极性溶剂选自正己烷、正戊烷、环己烷、均三甲苯、二硫化碳、石油醚及四氯化碳中的一种或多种。

进一步地，储氢体系还包括脱氢添加剂，脱氢添加剂选自十氢化萘、均三甲苯、石油醚及苯醚中的一种或多种。

进一步地，相对于每克储氢组分而言，脱氢添加剂的加入量为0.1～10mL。

液态储氢载体在加氢催化剂的作用下进行加氢化学反应生成液态氢源材料，液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下进行脱氢化学反应还原为液态储氢载体。

实施例1

嵌入式燃烧反应器如图1和图2所示，包括：筒体1、燃烧供热区2、储水区3、蒸汽管和催化反应区，燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区设置在筒体内。

催化反应区如图3所示，空间上被密闭的储水区分为内催化层4和外催化层5，外催化层为环形筒状，内催化层包裹在外催化层内，两反应区之间是联通的。筒体内还设置有上封头区6、下封头区7，催化反应区设置在上、下封头区之间，内、外催化层之间通过下封头区连通。

上封头区设置有穿过筒体的进液分布器8和反应出口9，进液分布器设置在外催化层的上部，反应物通过进液分布器均匀的进入外催化层，灌满下封头区后进入内催化层，反应出口连通内催化层，反应产物通过反应出口流出反应器。

如图4所示，储水区的上部分别设置有蒸汽入口10和出口11，蒸汽入口和出口分别连接蒸汽管的两端。蒸汽管包括连接蒸汽入口并埋设在外催化层螺旋而下的螺旋蒸汽管12，以及连接蒸汽出口并埋设在内催化层的竖直蒸汽管13。螺旋蒸汽管和竖直蒸汽管相连通。储水区入口设置调压阀，通过蒸汽压力的控制，调节蒸汽温度。储水区的水被加热生成的蒸汽通过蒸汽入口进入螺旋蒸汽管，给外催化层提供热量，之后进入竖直蒸汽管给内催化层提供热量，最终返回储水区循加热，以此循环。

如图5所示，燃烧供热区包括分配管14、收集管15和一根以上的燃烧室16。分配管和收集管都为环状，分别设置在储水区的上、下，燃烧室浸没在储水区内。燃烧管的数量根据反应温度进行调整，燃烧管均匀分布在储水区。

如图6所示，燃烧室的两端分别连通分配管和收集管，分配管上设置有燃烧气入口17和助燃气入口18，收集管上设置有尾气出口19。

燃烧气通过燃烧气入口、助燃气通过助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的液体，燃烧产生的产物通过收集管收集，通过尾气出口排出。燃烧生成的尾气(高温水蒸汽或烟气)通过收集管收集，流出燃烧区，此高温尾气可进一步给反应物预热。

燃烧气为氢气、甲烷或天然气；所述助燃气为空气或氧气。

燃烧气和助燃气分别通过所述燃烧气入口和助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的水，储水区的水加热后生成的蒸汽通过蒸汽入口进入螺旋蒸汽管，给外催化层提供热量，之后进入竖直蒸汽管给内催化层提供热量，最终返回储水区循加热，以此循环。液态氢源材料通过进液分布器进入外催化层，灌满下封头区后进入内催化层，催化层区内填充有脱氢催化剂，液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下催化脱氢，生成的液态储氢载体和氢气通过反应出口流出。

实施例2

嵌入式燃烧反应器包括：筒体、燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区，燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区设置在筒体内。

催化反应区为环形筒状，储水区包裹在催化反应区内。催化反应区设置在筒体内的中部。

催化反应区的上方设置有穿过筒体的进液分布器，下方设置有穿出筒体的反应出口，反应物通过进液分布器均匀的进入催化反应区，催化反应区内填充有脱氢催化剂，反应物在催化反应区进行催化脱氢反应，反应产物通过反应出口流出反应器。

储水区的上部分别设置有蒸汽入口和出口，蒸汽入口和出口分别连接蒸汽管的两端。蒸汽管包括连接蒸汽入口并埋设在催化反应区螺旋而下的螺旋蒸汽管，以及连接蒸汽出口的竖直蒸汽管。螺旋蒸汽管和竖直蒸汽管相连通。储水区入口设置调压阀，通过蒸汽压力的控制，调节蒸汽温度。储水区的水被加热生成的蒸汽通过蒸汽入口进入螺旋蒸汽管，给催化反应区提供热量，最终返回储水区循加热，以此循环。

燃烧供热区包括分配管、收集管和一根以上的燃烧室。分配管和收集管都为环状，分别设置在储水区的上、下，燃烧室浸没在储水区内。燃烧管的数量根据反应温度进行调整，燃烧管均匀分布在储水区。

燃烧室的两端分别连通分配管和收集管，分配管上设置有燃烧气入口和助燃气入口，收集管上设置有尾气出口。

燃烧气通过燃烧气入口、助燃气通过助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的液体，燃烧产生的产物通过收集管收集，通过尾气出口排出。燃烧生成的尾气(高温水蒸汽或烟气)通过收集管收集，流出燃烧区，此高温尾气可进一步给反应物预热。

燃烧气为氢气、甲烷或天然气；所述助燃气为空气或氧气。

燃烧气和助燃气分别通过所述燃烧气入口和助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的水，储水区的水加热后生成的蒸汽通过蒸汽入口进入蒸汽管，给催化反应区提供热量，最终返回储水区循加热，以此循环。液态氢源材料通过进液分布器进入催化反应区，催化反应区内填充有脱氢催化剂，液态氢源材料在脱氢催化剂的作用下催化脱氢，生成的液态储氢载体和氢气通过反应出口流出。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种嵌入式燃烧反应器，其特征在于包括：筒体、燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区；燃烧供热区、储水区、蒸汽管和催化反应区设置在筒体内，其中所述储水区设置在催化反应区内，所述燃烧供热区穿过储水区为储水区提供热量，储水区的液体被加热转化成蒸汽进入与储水区相连的蒸汽管，所述蒸汽管埋设在催化反应区内为催化反应提供热量，蒸汽冷凝后流回储水区；

所述储水区的上部分别设置有蒸汽入口和出口，蒸汽入口和出口分别连接蒸汽管的两端，所述蒸汽管包括连接蒸汽入口的螺旋蒸汽管，以及连接蒸汽出口竖直蒸汽管。

2.根据权利要求1所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述催化反应区包括内催化层和外催化层，所述储水区设置在内、外催化层之间。

3.根据权利要求1或2任一所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述催化反应区的上方设置有进液分布器，反应物通过进液分布器均匀的进入催化反应区，反应后的产物通过设置在筒体上的反应出口流出。

4.根据权利要求3所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述催化反应区为一个整体时，所述反应出口设置在筒体的底部；所述催化反应区分为内催化层和外催化层两部分时，所述进液分布器设置在外催化层的上方，反应物通过进液分布器均匀的进入外催化层，灌满筒体底后进入内催化层，反应出口连通内催化层，反应产物通过反应出口流出。

5.根据权利要求1所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述燃烧供热区包括分配管、收集管和一根以上的燃烧室；所述燃烧室的两端分别连通分配管和收集管；所述分配管上设置有燃烧气入口和助燃气入口，所述收集管上设置有尾气出口。

6.根据权利要求5所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述燃烧室浸没在储水区内。

7.根据权利要求5所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：燃烧气和助燃气分别通过所述燃烧气入口和助燃气入口进入分配管，被均匀分配至每个燃烧室进行燃烧，加热储水区中的液体，燃烧产生的产物通过收集管收集，通过尾气出口排出。

8.根据权利要求7所述的嵌入式燃烧反应器，其特征在于：所述燃烧气为氢气、甲烷或天然气；所述助燃气为空气或氧气。

9.一种根据权利要求1或2或4至8任一所述嵌入式燃烧反应器在催化脱氢反应中的应用。

Images