CN111111586B - 一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置及方法，包括甲烷重整反应器，甲烷重整反应器的进口连接至甲烷气体储罐和二氧化碳气体储罐，甲烷重整反应器的出口连接至合成气储罐，甲烷重整反应器的一侧设置有用于为其提供热量的太阳能模拟器，所述甲烷重整反应器包括圆管，圆管中设置有螺旋扭状导流片，螺旋扭状导流片上设置有固定床催化剂。本发明通过在圆管反应器即受热管中设置一个螺旋扭状导流片，使得反应物流体在受热管中产生螺旋运动，同时螺旋扭状导流片上设置仿生树状结构导热条，进而达到反应流体均匀受热，充分反应的目的。

Description

一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置和方法
技术领域
本发明属于太阳能热化学利用领域，具体涉及一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置和方法。
背景技术
化工过程中许多反应属于高温吸热反应，如甲烷重整、催化裂化、热裂解等反应。通常采用燃烧化石能源的方法来提供反应所需的能量，并维持反应温度不变，然而化石燃料的燃烧会导致环境污染，也会造成温室效应。为了减少化石燃料的消耗，在有可能的情况下多使用可再生能源是未来能源发展的重要方向。在众多可再生能源中，太阳能因具有普遍性、无污染、储量大、不枯竭等优点，正在被逐步地普及利用。
太阳能热化学主要以太阳能作为热源的方式驱动化学反应过程，将太阳能转化为化学能。目前常见的太阳能热化学过程有太阳能水解制氢、太阳能甲烷重整制合成气、太阳能煤气化制合成气等。其中，太阳能驱动甲烷重整是最被看好的太阳能热化学技术，因为重整反应所制合成气可通过管道进行输送，可作为下游化工产品的生产原料，也可再经逆反应释放热能，实现能量的转换、贮存和输送，被认为是太阳能合理有效利用的重要技术。
甲烷重整是属于高温且强吸热反应，通常在800℃甚至更高的温度下进行，其中甲烷蒸汽重整反应过程转化1mol的甲烷需要消耗206kJ的能量，而甲烷二氧化碳重整反应过程转化1mol的甲烷需要消耗247kJ的能量。然而，太阳的辐射能流密度较低，通常小于1000W/m2，难以通过直接照射方式为反应系统提供高温和高热流密度。因此，需要利用聚光镜通过将太阳光反射聚焦以产生高热流密度，将聚焦后的太阳光照射到反应系统上以得到反应所需的温度。常见的聚光方式主要有碟式、槽式、菲涅尔式、塔式等四种，而反应系统多采用圆管反应器。这种通过反射聚焦太阳能加热圆管反应器的加热方式容易形成能量的单侧供应，即圆管有阳光投射的一侧有非常高的热流密度，而没有阳光投射的一侧则热流密度很低，这导致反应器内传热并不均匀，并且在圆管热流密度低的一侧易出现反应不充分的现象，从而影响整体反应转化率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置和方法，以克服现有技术中存在的反应物在圆管反应器中受热不均匀、部分位置反应不充分的问题，本发明通过在圆管反应器即受热管中设置一个螺旋扭状导流片，使得反应物流体在受热管中产生螺旋运动，同时螺旋扭状导流片上加装(或焊接)仿生树状结构导热条，进而达到反应流体均匀受热，充分反应的目的。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置，包括甲烷重整反应器，甲烷重整反应器的进口连接至甲烷气体储罐和二氧化碳气体储罐，甲烷重整反应器的出口连接至合成气储罐，甲烷重整反应器的一侧设置有用于为其提供热量的太阳能模拟器，所述甲烷重整反应器包括圆管，圆管中设置有螺旋扭状导流片，螺旋扭状导流片上安装有若干仿生树状导热条，所述圆管中填充有固定床催化剂。
进一步地，所述圆管、螺旋扭状导流片和仿生树状导热条的材料均为SS304L不锈钢。
进一步地，固定床催化剂材料为Ni-Cao-ZrO2颗粒催化剂。
进一步地，甲烷重整反应器通过固定支架固定。
进一步地，甲烷重整反应器竖直设置，底部进口连接至甲烷气体储罐和二氧化碳气体储罐，顶部出口连接至合成气储罐。
进一步地，甲烷气体储罐和二氧化碳气体储罐的出口分别通过甲烷管道和二氧化碳管道连接至混合管道，混合管道的出口端连接至甲烷重整反应器的进口，且甲烷管道和二氧化碳管道上均设置有阀门。
一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应方法，甲烷气体储罐的甲烷和二氧化碳气体储罐的二氧化碳按设定比例混合进入甲烷重整反应器，太阳能模拟器单侧照射到圆管上，将甲烷重整反应的温度加热至设定温度，甲烷和二氧化碳混合气在甲烷重整反应器的圆管内受到螺旋扭状导流片的作用，产生螺旋运动，反复在圆管的高热流密度侧和低热流密度侧交替运动，螺旋扭状导流片上安装有若干仿生树状导热条，强化圆管内部的传热过程，同时在固定床催化剂的作用下，甲烷和二氧化碳混合气发生重整反应，生成合成气，并由甲烷重整反应器出口流出，从甲烷重整反应器出口流出的合成气流入合成气储罐进行储存，完成整个太阳能甲烷重整反应过程。
进一步地，甲烷气体储罐的甲烷和二氧化碳气体储罐的二氧化碳按1:1的体积比混合进入甲烷重整反应器，太阳能模拟器单侧照射到圆管上，将甲烷重整反应的温度加热至800℃。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明装置在使用过程中，从甲烷重整反应器进口进入的甲烷和二氧化碳反应原料气体，在螺旋扭状导流片的作用下，产生螺旋运动，从而使反应器中的原料气体能循环地经过高热流密度侧和低热流密度侧，保证各个部分气体都能得到相同的热量，进而达到反应流体均匀受热，充分反应的目的；在螺旋扭状导流片上安装若干仿生树状导热条，在靠近管壁处的导热条较细且较密，能够快速地且均匀地将管壁的热量往管道中心传。靠近螺旋扭状导流片处的导热条较粗且较少，方便将整个仿生树状导热条安装到螺旋扭状导流片上，并且保证了仿生树状导热条的强度，不至于在反应器装催化剂时发生断裂。
进一步地，螺旋扭状导流片和仿生树状导热条的结合结构主要有两点效果：一方面，在该结合结构的作用下，圆管内的反应原料做螺旋上升运动，因此圆管进口横向截面各处反应原料都可流经有阳光照射的高热流密度侧，起到反应原料均匀加热效果，使得圆管出口截面反应转化率比较均一，这与传统的利用流体螺旋运动形成二次流以起到强化传热的目的不同；另一方面，该结合结构中的仿生树状导热条为圆管壁面处细且密、中心处粗的结构形式，这样方便仿生树状导热条安装或者焊接在螺旋扭状导流片上，也保证了仿生树状导热条的强度，同时壁面处细密的导热条也能均匀地、快速地将管壁的热量往管内传递，起到传热强化的效果。
进一步地，从甲烷气体储罐出来的甲烷和二氧化碳储罐出来的二氧化碳混合，之后进入甲烷重整反应器，保证了反应的均匀性，同时通过阀门调节甲烷和二氧化碳的流量。
附图说明
图1是太阳能甲烷重整反应装置示意图；
图2是太阳能甲烷重整反应器示意图；
图3是太阳能甲烷重整反应装置受热管内置螺旋扭状导流片示意图；
图4是太阳能甲烷重整反应装置受热管内置螺旋扭状导流片加装仿生树状导热条的示意图；
图5是仿生树状导热条示意图。
其中，1、甲烷重整反应器；2、甲烷气体储罐；3.二氧化碳气体储罐；4、合成气储罐；5、太阳能模拟器；6、圆管；7、螺旋扭状导流片；8、仿生树状导热条；9、固定床催化剂；10、固定支架。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
参见图1至图5，一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置，包括有甲烷重整反应器1，合成气储罐4，甲烷气体储罐2、二氧化碳气体储罐3，太阳能模拟器5。甲烷重整反应器1包括圆管6，其内部安装有旨在使流体受热均匀的螺旋扭状导流片7，整个圆管6由固定支架10固定放置；太阳能模拟器5可以是碟式、槽式、菲涅尔式或者塔式，或者是它们的组合，圆管6内部所安装的为一个类DNA状的由金属制成的螺旋扭状导流片7，类DNA状的由金属制成的螺旋扭状导流片7表面垂直加装(或焊接)若干仿生树状导热条8，形成仿生树枝的结构，若干仿生树状导热条8为金属制成的特殊形状的导热结构，圆管6内填充固定床催化剂9。
从甲烷重整反应器1进口进入的甲烷和二氧化碳反应原料气体，在螺旋扭状导流片7的作用下，产生螺旋运动，从而使甲烷重整反应器1中的原料气体能循环地经过高热流密度侧和低热流密度侧，保证各个部分气体都能得到相同的热量，在螺旋扭状导流片7上安装若干仿生树状导热条8，在靠近管壁处的导热条较细且较密，能够快速地且均匀地将管壁的热量往管道中心传。靠近螺旋扭状导流片处的导热条较粗且较少，方便将整个仿生树状导热条8安装到螺旋扭状导流片7上，并且保证了仿生树状导热条8的强度，不至于在甲烷重整反应器1装固定床催化剂9时发生断裂，太阳能模拟器5用于模拟聚焦太阳能的照射条件，实现太阳能热化学反应器阳光单侧加热的真实情况，甲烷气体储罐2出口和二氧化碳气体储罐3出口与甲烷重整反应器1进口相连，通过阀门调节甲烷和二氧化碳的流量。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明：
如图1所示，一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置，包括甲烷重整反应器1、甲烷气体储罐2、二氧化碳气体储罐3、合成气储罐4、太阳能模拟器5。如图2所示，甲烷重整反应器1由圆管6、螺旋扭状导流片7、若干仿生树状导热条8和固定床催化剂9组成，并被固定在固定支架10上。如图3所示，螺旋扭状导流片7为一个两侧边类似DNA双螺旋结构的金属片。如图4所示，螺旋扭状导流片7上安装若干仿生树状导热条8。如图5所示，仿生树状导热条8为具有高导热率金属材料，其直径从根本到梢部成等级逐次降低。
所述的圆管6、螺旋扭状导流片7和仿生树状导热条8材料为SS 304L不锈钢。所述的固定床催化剂9其材料为Ni-Cao-ZrO2颗粒催化剂，工作温度为800℃。所述的太阳能模拟器5功率为10kW。
其工作原理为：从甲烷气体储罐2出来的甲烷和二氧化碳气体储罐3出来的二氧化碳混合，之后进入甲烷重整反应器1。由太阳能模拟器5提供反应所需的热量，甲烷和二氧化碳混合气在甲烷重整反应器1中在固定床催化剂9的作用下发生重整反应，生成合成气(CO+H2)。从甲烷重整反应器1中出来的合成气进入合成气储罐4储存。为解决反应物在甲烷重整反应器1中受热不均匀、部分位置反应不充分的问题。通过在圆管6中设置一个螺旋扭状导流片7，使得反应物流体在圆管6中产生螺旋运动，同时在螺旋扭状导流片7上可以加装(或焊接)若干仿生树状结构导热条8，进而达到反应流体均匀受热的目的。
具体过程为：甲烷气体储罐2的甲烷和二氧化碳气体储罐3的二氧化碳按1:1体积比例混合，之后进入甲烷重整反应器1。太阳能模拟器5提供功率为10kW的热量，单侧照射到圆管6上加热，将甲烷重整反应器1的温度加热至800℃。甲烷和二氧化碳混合气在甲烷重整反应器1的圆管6内受到螺旋扭状导流片7的作用，产生螺旋运动，反复在圆管6的高热流密度侧和低热流密度侧交替运动，同时螺旋扭状导流片7表面垂直加装若干仿生树状导热条8，进一步强化圆管6内部的传热过程，使得圆管6内部各处位置的温度都维持在800℃左右。在固定床催化剂9的作用下，甲烷和二氧化碳混合气发生重整反应，生成合成气，并由甲烷重整反应器1出口流出。从甲烷重整反应器1出口流出的合成气流入合成气储罐2进行储存，完成整个太阳能甲烷重整反应过程。

Claims (2)

1.一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置，其特征在于，包括甲烷重整反应器(1)，甲烷重整反应器(1)的进口连接至甲烷气体储罐(2)和二氧化碳气体储罐(3)，甲烷重整反应器(1)的出口连接至合成气储罐(4)，甲烷重整反应器(1)的一侧设置有用于为其提供热量的太阳能模拟器(5)，所述甲烷重整反应器(1)包括圆管(6)，圆管(6)中设置有螺旋扭状导流片(7)，螺旋扭状导流片(7)上安装有若干仿生树状导热条(8)，所述圆管(6)中填充有固定床催化剂(9)；
甲烷重整反应器(1)竖直设置，底部进口连接至甲烷气体储罐(2)和二氧化碳气体储罐(3)，顶部出口连接至合成气储罐(4)；
甲烷气体储罐(2)和二氧化碳气体储罐(3)的出口分别通过甲烷管道和二氧化碳管道连接至混合管道，混合管道的出口端连接至甲烷重整反应器(1)的进口，且甲烷管道和二氧化碳管道上均设置有阀门；
所述圆管(6)、螺旋扭状导流片(7)和仿生树状导热条(8)的材料均为SS 304L不锈钢，固定床催化剂(9)材料为Ni-CaO -ZrO2颗粒催化剂，甲烷重整反应器(1)通过固定支架(10)固定。
2.一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应方法，采用权利要求1所述的一种均匀传热的太阳能甲烷重整反应装置，其特征在于，甲烷气体储罐(2)的甲烷和二氧化碳气体储罐(3)的二氧化碳按设定比例混合进入甲烷重整反应器(1)，太阳能模拟器(5)单侧照射到圆管(6)上，将甲烷重整反应的温度加热至设定温度，甲烷和二氧化碳混合气在甲烷重整反应器(1)的圆管(6)内受到螺旋扭状导流片(7)的作用，产生螺旋运动，反复在圆管(6)的高热流密度侧和低热流密度侧交替运动，螺旋扭状导流片(7)上安装有若干仿生树状导热条(8)，强化圆管(6)内部的传热过程，同时在固定床催化剂(9)的作用下，甲烷和二氧化碳混合气发生重整反应，生成合成气，并由甲烷重整反应器(1)出口流出，从甲烷重整反应器(1)出口流出的合成气流入合成气储罐(4 )进行储存，完成整个太阳能甲烷重整反应过程；
其中，甲烷气体储罐(2)的甲烷和二氧化碳气体储罐(3)的二氧化碳按1:1的体积比混合进入甲烷重整反应器(1)，太阳能模拟器(5)单侧照射到圆管(6)上，将甲烷重整反应的温度加热至800℃。
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