CN112265962B - 一种电气协同供热重整反应系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电气协同供热重整反应系统，包括重整反应器和电气协同供热装置，所述重整反应器的内部开设有烟气对流区和重整反应区，所述烟气对流区包括烟气分配装置和烟气导流装置。本发明所述一种电气协同供热重整反应系统，通过切换电加热和烟气加热的热贡献比例，可以保证在电力或燃气任意一方供应不足时反应器连续稳定运转；采用电协同供热，重整反应器启动速度快，几分钟内反应器即可进入稳定生产状态；采用非明火催化燃烧的方式产生对流烟气，催化燃烧的燃烧温度较低，显著减少NOx气体的生成，同时避免了反应器内部超高温区的存在，降低了反应器材料选材要求，并延长了设备的使用寿命，具有广泛的应用前景。

Description

一种电气协同供热重整反应系统
技术领域
本发明涉及化工领域，特别涉及一种电气协同供热重整反应系统。
背景技术
化工生产过程中常会涉及到强吸热反应。为了实现这种强吸热过程，化工行业通常采用化石燃料的直接燃烧进行供热。但是化石燃料的高温燃烧，不仅会产生大量的NOx气体，也会进一步加剧温室气体的排放，造成难以逆转的全球气候问题。为了减轻化工生产对全球气候的不利影响，科学界提出化学工业电气化生产的理念。利用可再生能源产生的电力来为化学工业生产提供能量，这不仅缓解了全球气候问题，也为化学工业的可持续性生产提供了可能。
然而部分常见的可再生能源具有间歇性，例如风能和太阳能。因此近年来间歇性可再生能源的集成利用引起大众关注。一个有前景的方案是将这部分间歇性可再生能源储存在化学品中，即用间歇性可再生能源产生的电力生产化学燃料，通过电能向化学能的转化实现能量储存。目前，对于如轻烃(甲烷等)蒸汽重整等需要高强度热量输入的重整过程，工业上主要采用化石燃料的直接燃烧来加热重整反应器。这种加热方式具有工艺成熟，加热温度高等优点。但是燃烧加热涉及到辐射段和对流段，需要重整反应器有庞大的体积。高加热温度也对反应器的材质提出了极其苛刻的要求。同时，高温燃烧也会造成大量NOx气体的产生并且减小反应管的使用寿命。为了避免直接在重整反应器内部高温燃烧燃料，工业上也会使用高温烟道气加热重整反应器。
近几十年，随着化学工业电气化生产理念的普及，工业界也提出过电加热反应器的技术。常见的电加热方式包括电阻加热和感应加热。电阻加热利用电流通过导体发生的焦耳效应将电能转变为热能。电阻加热分为直接电阻加热和间接电阻加热。前者通过将电源电压直接接在导电的物体上产生热量，后者通过直接电阻加热发热元件，利用辐射，对流和传导的方式将发热元件的热量传递给被加热物体。实验室级别的反应器多采用电阻加热。感应加热利用感应线圈产生的交变磁场，使被加热物体内部产生感应涡流，进而利用涡流产生的热效应加热物体。不同于电阻加热直接接触式加热，感应加热是一种非接触式的电加热技术。在加热含有易燃易爆气体的反应器时，非接触式加热方式可以有效地避免火花的产生，从而降低反应器燃烧爆炸的风险。
电加热具有相对高的加热效率，可以极大地减小反应器体积的同时避免燃料高温燃烧时有毒有害气体的产生。但由于传统电力价格较高的原因，电加热化工反应器，尤其是能耗较高的重整反应器，始终无法实现大规模的工业应用。而太阳能，风能和水利能获得的电力因其具有较低的成本，可以为重整反应器电气化提供经济可行的动力来源。但是太阳能，风能和水利能的间歇性又严重限制了化工装置的连续稳定运行。因此集成间歇性可再生能源为化工装置提供连续稳定生产动力的研究，尤其对于高耗能的重整装置，具有重大的能源战略意义。为此，我们提出一种电气协同供热重整反应系统。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电气协同供热重整反应系统，可以有效解决背景技术中的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种电气协同供热重整反应系统，包括重整反应器和电气协同供热装置，所述重整反应器的内部开设有烟气对流区和重整反应区，所述烟气对流区包括烟气分配装置和烟气导流装置，所述重整反应区包括热重整装置，所述电气协同供热装置包括电加热装置和烟气供热系统。
优选的，所述重整反应器包括筒体、密封法兰和封盖，所述封盖通过密封法兰与筒体固定连接，所述封盖和筒体的内表面分别设置有筒体绝热层和封盖绝热层，所述重整反应器的中心设置有中心烟气管，所述中心烟气管的下端贯穿封盖和封盖绝热层至筒体内部，所述重整反应器上设置有原料气进口、产品气出口和烟气出口。
优选的，所述烟气分配装置包括烟气分配器以及设置在重整反应器内部的中心烟气通道和分烟气通道，所述烟气分配器位于中心烟气管的底端。
优选的，所述烟气导流装置包括烟气导流板、出口烟气管以及设置在重整反应器内部的烟气汇合腔，所述出口烟气管设置在重整反应器上。
优选的，所述热重整装置包括原料气进口分配管、转化管和产品气汇合管，所述转化管分列于中心烟气管的外侧，所述转化管包括转化管外管和转化管内管，所述原料气进口分配管与转化管外管连通，所述转化管内管与产品气汇合管连通，所述转化管外管和转化管内管之间设置有重整催化剂层，所述筒体和封盖的连接处设置有固定转化管位置的刺刀管固定板，所述烟气导流板设置在转化管的周围，所述烟气导流板通过管束固定板与转化管连接。
优选的，所述烟气供热系统设置在重整反应器的内部或者外部，所述烟气供热系统设置在重整反应器的内部时包括燃料气进口、燃烧空气进口、燃料气进口管以及由上到下依次设置的气体混合器、燃烧催化剂层和燃烧催化剂支撑板，所述中心烟气通道为中心烟气管内部区域，所述燃烧催化剂支撑板固定安装在中心烟气管的内表面，所述燃料气进口、燃烧空气进口和燃料气进口管均位于气体混合器的上方。
优选的，所述电加热装置包括设置在重整反应器外部的供电装置和设置在重整反应器内部的加热装置；
所述供电装置包括间歇性供电和电网供电，间歇性供电采用电力储能装置供电，所述电力储能装置与输入直流电源或输入交流电源中的一种或两种连接；
所述所述加热装置包括感应线圈绝热层和感应线圈腔，所述感应线圈腔紧贴筒体绝热层内表面，所述感应线圈绝热层设置在烟气对流区和感应线圈腔之间，所述感应线圈腔内部含有单段或多段感应线圈。
优选的，所述转化管采用刺刀管结构或空心管结构中的一种。
优选的，所述筒体绝热层和封盖绝热层均采用绝缘隔热材料，所述绝缘隔热材料包括但不局限于耐火砖和陶瓷纤维。
优选的，所述重整催化剂层为散装催化剂或整装催化剂中的一种或多种，散装催化剂采用条形、片形、球形、蜂窝形、圆柱形、三叶形和马鞍形形状中的一种或多种。
优选的，整装催化剂是将催化活性组分负载在整装载体上；同一根转化管内包含单个或多个整装催化剂；整装催化剂载体可以是多孔合金泡沫、堇青石、多孔金属泡沫、多层金属丝网等材料；优选具有优异导热性能的多孔铁铬铝合金泡沫。
优选的，所述原料气进口通入的是预混合的原料气，或者是预重整反应的出口气；原料气通过原料气分配装置进行分配后，进入转化管进行反应。
优选的，所述产品气出口流出的是重整后的气体产物和未反应的原料气的混合物；来自转化管的产品气通过产品气集气装置进行汇合后离开重整反应器。
优选的，所述燃烧催化剂可以安装在重整反应器内部的中心烟气管中，也可以单独安装在重整反应器以外的燃烧器中。
优选的，所述燃烧催化剂包括但不局限于：贵金属催化剂、钙钛矿型催化剂、六铝盐酸类催化剂、非贵金属氧化物催化剂、尖晶石型复合氧化物催化剂和过渡金属复合氧化物催化剂；燃烧催化剂的载体包括但不局限于堇青石、碳材料、金属氧化物、多孔合金泡沫和多孔金属泡沫。
优选的，所述转化管通过烟气加热和电加热两种方式协同供热；转化管可以单独通过烟气加热或电加热为反应供热，也可以同时通过两种方式进行供热；优选采用烟气加热和电加热同时对转化管进行供热；烟气加热和电加热都可作为主要的供热方式。
优选的，所述电气协同供热模式，烟气加热的热贡献比例范围在0-100％，电加热的热贡献比例范围在0-100％；烟气加热和电加热的热贡献比例切换由程序控制；当一种供热方式的热贡献比例发生明显变化后，另一种供热方式的热贡献比例也随之改变；烟气加热时，高温烟气沿转化管外壁流动的同时将热量传递给转化管，供重整反应使用；电加热时，电能转化为热能，以直接或间接的电加热方式来加热转化管。
优选的，所述热贡献比例指的是加热方式实际传递给重整反应的热量占重整反应总吸收热量的占比；两种加热方式的热贡献比例总和为100％。
优选的，所述烟气来自于燃料(气)和氧气/空气的催化燃烧；催化剂燃烧产生的烟气温度在300-1300℃；优选的烟气温度在600-1200℃；烟气可来自反应器外部的燃烧器，也可以在反应器内部产生。
优选的，所述电加热的电力来源可以是电网供电、光伏发电、风力发电、水利发电和余热发电等多种形式；优选可再生电力，如光伏发电和风力发电。
优选的，所述电加热采用的是交流电或直流电，交流电源直接作用于重整反应器内部的加热装置；交流电源可以由电力储能装置供电；也可以直接电网供电。
优选的，所述电加热方式包括但不局限于：直接电阻加热、间接电阻加热、感应加热、电弧加热、电子束加热、红外线加热和介质加热。
优选的，所述电气协同供热重整反应系统适合于强吸热气相反应，包括但不限于：蒸汽重整、气相催化制HCN、碳氢化合物的高温裂解、甲醇裂解、氨裂解、烷烃脱氢和二氧化碳干重整。
与现有技术相比，本发明提供了一种电气协同供热重整反应系统，具有如下有益效果：
1、本专利将电加热和燃料催化燃烧耦合为重整反应提供所需的能量。通过切换电加热和烟气加热的热贡献比例，可以保证在电力或燃气任意一方供应不足时，反应器可以连续稳定运转，间歇性可再生能源通过该电气协同供热重整反应系统可以将能量储存于重整产物中；
2、采用电协同供热模式，重整反应器启动速度快，几分钟内反应器即可进入稳定生产状态；
3、采用非明火催化燃烧的方式产生对流烟气，催化燃烧的燃烧温度较低(<1200℃)，显著减少NOx气体的生成，同时避免了反应器内部超高温区的存在，降低了反应器材料选材要求，并延长了设备的使用寿命；
4、电气协同供热的模式使重整反应器摆脱了体积庞大的燃烧辐射腔，结合紧凑的转化管排列，反应器的体积显著降低。
该装置中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
附图说明
图1为本发明一种电气协同供热重整反应系统中直接输入电网电的结构示意图；
图2为本发明一种电气协同供热重整反应系统中间接输入直流电的结构示意图；
图3为本发明一种电气协同供热重整反应系统中间接输入交流电的结构示意图；
图4为本发明一种电气协同供热重整反应系统中外供烟气单段感应加热重整反应器的内部结构图；
图5为本发明一种电气协同供热重整反应系统中内供烟气单段感应加热重整反应器的内部结构图；
图6为本发明一种电气协同供热重整反应系统中内供烟气多段感应加热重整反应器的内部结构图；
图7为本发明一种电气协同供热重整反应系统中内供烟气间接电阻加热重整反应器的内部结构图；
图8为本发明一种电气协同供热重整反应系统中内供烟气直接电阻加热重整反应器的内部结构图；
图9为本发明一种电气协同供热重整反应系统中感应加热重整反应器筒体A-A剖面图；
图10为本发明一种电气协同供热重整反应系统中间接电阻加热重整反应器筒体A-A剖面图；
图11为本发明一种电气协同供热重整反应系统中直接电阻加热重整反应器筒体A-A剖面图。
图中：1、重整反应器；2、重整催化剂层；3、产品气出口；4、产品气汇合腔；5、原料气进口；6、电力储能装置；
11、烟气进口；12、中心烟气通道；13、分烟气通道；14、烟气汇合腔；15、烟气出口；
21、原料气进口分配管；22、转化管外管；23、转化管内管；24、产品气汇合管；25、烟气分配器；26、中心烟气管；27、出口烟气管；
31、刺刀管固定板；32、管束固定板；33、烟气导流板；34、感应线圈绝热层；35、感应线圈腔；36、筒体绝热层；37、筒体；38、密封法兰；39、封盖绝热层；40、耐压导热板；41、电炉丝腔；42、绝热填充层；43、绝热密封层；44、绝缘刺刀管固定板；45、封盖；
51、交流电源；52、感应线圈；53、电炉丝；54、电插座；
61、燃料气进口；62、燃烧空气进口；63、燃料气进口管；64、燃烧催化剂层；65、气体混合器；66、燃烧催化剂支撑板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：外供烟气单段感应加热重整反应系统
外供烟气单段感应加热重整反应系统使用的重整反应器1，由反应器外部自外而内输送的高温烟气和单段感应线圈52引起的感应涡流协同为重整反应器1供热。为实现这一目的，本发明列出以下一种实施例。
实施结构：
如图4和图9所示，多根由转化管外管22和转化管内管23套装组成的刺刀管有序地排列在中心烟气管26的四周。转化管外管22和转化管内管23之间的环隙填充有重整催化剂层2，转化管内管23内部中空。中心烟气管26穿过重整反应器1的封盖45和封盖绝热层39并延伸进筒体37，底部含有带孔的烟气分配器25。有序排列的刺刀管周围被烟气导流板33分隔开。刺刀管和烟气导流板33由管束固定板32所固定。单段的感应线圈52环绕在烟气对流区和重整反应区的周围。放置有感应线圈52的感应线圈腔35内部填充有绝缘隔热材料。感应线圈绝热层34将感应线圈腔35和烟气对流区分隔开来。感应线圈腔35与筒体37之间填充有筒体绝热层36，用于重整反应器1的绝缘保温。感应线圈52由交流电源51提供交变电流。
重整反应器1的筒体37和封盖45由密封法兰38所连接。筒体37和封盖45的连接处安装有刺刀管固定板31，主要用于固定刺刀管和流通烟气。所有转化管外管22延伸至封盖45内，由原料气进口分配管21所连接。所有转化管内管23向上延伸至封盖45内，穿过转化管外管22和原料气进口分配管21，连接至产品气汇合管24。反应器封盖45设有出口烟气管27，将汇合于烟气汇合腔14内的烟气送出重整反应器1。封盖45内壁填充有封盖绝热层39，将封盖45和烟气汇合腔14分隔开来。
实施流程：
原料气经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有规整的高温合金泡沫载体，其上负载有催化重整反应的活性组分。原料气在活性组分的催化作用下，经加热转化成目标产品气，而后进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合管24，经产品气出口3离开重整反应器1。
高温烟气经由烟气进口11进入位于重整反应器1中间的中心烟气管26，沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经由烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，主要通过热对流和热传导方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气经由刺刀管固定板31进入烟气汇合腔14，与原料气进口分配管21和产品气汇合管24换热后，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。
交流电源51作用于单段感应线圈52，带电的感应线圈52在重整反应器1的内部形成感应磁场，含有高温合金载体的重整催化剂层2和燃烧催化剂层64，高温合金转化管外管22和转化管内管23，以及金属烟气导流板33都作为感应磁场的感受器而产生热量。
感应加热和烟气加热的结合可以在下面三种模式下工作：
模式1-单一感应加热：所有刺刀管在通电线圈的作用下，感应加热到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时电加热的热贡献比例为100％。
模式2-单一烟气加热：高温烟气从中心烟气管26进入重整反应器1，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动的同时将热量传递给刺刀管，供重整反应使用。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时烟气加热的热贡献比例为100％。
模式3-电气协同供热：所有刺刀管在通电线圈的作用下，感应加热到低于重整所需的温度。由燃料(催化)燃烧产生的高温烟气从中心烟气管26进入重整反应器1，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动协同加热刺刀管，使刺刀管内部的重整催化剂层2的温度达到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。与单一感应加热或单一烟气加热相比，电气协同供热所需的感应频率和烟气流量都有所下降。
实施例2：内供烟气单段感应加热重整反应系统
内供烟气单段感应加热重整反应系统使用的重整反应器1，由反应器内部催化燃烧产生的高温烟气和单段感应线圈52引起的感应涡流协同为重整反应器1供热。为实现这一目的，本发明列出以下一种实施例。
实施结构：
如图5和图9所示，多根由转化管外管22和转化管内管23套装组成的刺刀管有序地排列在中心烟气管26的四周。转化管外管22和转化管内管23之间的环隙填充有重整催化剂层2，转化管内管23内部中空。中心烟气管26穿过重整反应器1的封盖45和封盖绝热层39并延伸进筒体37，底部含有带孔的烟气分配器25。燃料气进口管63自上而下延伸连接至中心烟气管26内部的气体混合器65。中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙为燃烧空气进入的通道。气体混合器65的底部与燃烧催化剂层64连接。燃烧催化剂层64由底部的燃烧催化剂支撑板66所固定支撑。有序排列的刺刀管周围被烟气导流板33分隔开。刺刀管和烟气导流板33由管束固定板32所固定。单段的感应线圈52环绕在烟气对流区和重整反应区的周围。放置有感应线圈52的感应线圈腔35内部填充有绝缘隔热材料。感应线圈绝热层34将感应线圈腔35和烟气对流区分隔开来。感应线圈腔35与筒体37之间填充有筒体绝热层36，用于重整反应器1的绝缘保温。感应线圈52由交流电源51提供交变电流。
重整反应器1的筒体37和封盖45由密封法兰38所连接。筒体37和封盖45的连接处安装有刺刀管固定板31，主要用于固定刺刀管和流通烟气。所有转化管外管22延伸至封盖45内，由原料气进口分配管21所连接。所有转化管内管23向上延伸至封盖45内，穿过转化管外管22和原料气进口分配管21，连接至产品气汇合管24。反应器封盖45设有出口烟气管27，将汇合于烟气汇合腔14内的烟气送出重整反应器1。封盖45内壁填充有封盖绝热层39，将封盖45和烟气汇合腔14分隔开来。
实施流程：
原料气经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有规整的高温合金泡沫载体，其上负载有催化重整反应的活性组分。原料气在活性组分的催化作用下，经加热转化成目标产品气，而后进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合管24，经产品气出口3离开重整反应器1。燃料气从燃料气进口61进入燃料气进口管63，向下流动至气体混合器65。空气从燃烧空气进口62进入中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙，向下流动至气体混合器65，与燃料气进行预混后，进入含有高温合金载体的燃烧催化剂层64进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经由烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，主要通过热对流和热传导方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气经由刺刀管固定板31进入烟气汇合腔14，与原料气进口分配管21和产品气汇合管24换热后，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。
交流电源51作用于单段感应线圈52，带电的感应线圈52在重整反应器1的内部形成感应磁场，含有高温合金载体的重整催化剂层2和燃烧催化剂层64，高温合金转化管外管22和转化管内管23，以及金属烟气导流板33都作为感应磁场的感受器而产生热量。
感应加热和烟气加热的结合可以在下面三种模式下工作：
模式1-单一感应加热：所有刺刀管在通电线圈的作用下，感应加热到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时电加热的热贡献比例为100％。
模式2-单一烟气加热：产生于中心烟气管26内的高温烟气经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动的同时将热量传递给刺刀管，供重整反应使用。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时烟气加热的热贡献比例为100％。
模式3-电气协同供热：所有刺刀管在通电线圈的作用下，感应加热到低于重整所需的温度。燃料气和燃烧空气从外部进入中心烟气管26内部进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动协同加热刺刀管，使刺刀管内部的重整催化剂层2的温度达到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。与单一感应加热或单一烟气加热相比，电气协同供热所需的感应频率和烟气流量都有所下降。
实施例3：内供烟气多段感应加热重整反应系统
内供烟气多段感应加热重整反应系统使用的重整反应器1，由反应器内部催化燃烧产生的高温烟气和多段感应线圈52引起的感应涡流协同为重整反应器1供热。为实现这一目的，本发明列出以下一种实施例。
实施结构：
如图6和图9所示，多根由转化管外管22和转化管内管23套装组成的刺刀管有序地排列在中心烟气管26的四周。转化管外管22和转化管内管23之间的环隙填充有重整催化剂层2，转化管内管23内部中空。中心烟气管26穿过重整反应器1的封盖45和封盖绝热层39并延伸进筒体37，底部含有带孔的烟气分配器25。燃料气进口管63自上而下延伸连接至中心烟气管26内部的气体混合器65。中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙为燃烧空气进入的通道。气体混合器65的底部与燃烧催化剂层64连接。燃烧催化剂层64由底部的燃烧催化剂支撑板66所固定支撑。有序排列的刺刀管周围被烟气导流板33分隔开。刺刀管和烟气导流板33由管束固定板32所固定。疏密程度不同的多段感应线圈52环绕在烟气对流区和重整反应区的周围。多段感应线圈52分别由多个交流电源51提供交变电流。放置有多段感应线圈52的感应线圈腔35内部填充有绝缘隔热材料。感应线圈绝热层34将感应线圈腔35和烟气对流区分隔开来。感应线圈腔35与筒体37之间填充有筒体绝热层36，用于重整反应器1的绝缘保温。
重整反应器1的筒体37和封盖45由密封法兰38所连接。筒体37和封盖45的连接处安装有刺刀管固定板31，主要用于固定刺刀管和流通烟气。所有转化管外管22延伸至封盖45内，由原料气进口分配管21所连接。所有转化管内管23向上延伸至封盖45内，穿过转化管外管22和原料气进口分配管21，连接至产品气汇合管24。反应器封盖45设有出口烟气管27，将汇合于烟气汇合腔14内的烟气送出重整反应器1。封盖45内壁填充有封盖绝热层39，将封盖45和烟气汇合腔14分隔开来。
实施流程：
原料气经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有规整的高温合金泡沫载体，其上负载有催化重整反应的活性组分。原料气在活性组分的催化作用下，经加热转化成目标产品气，而后进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合管24，经产品气出口3离开重整反应器1。
燃料气从燃料气进口61进入燃料气进口管63，向下流动至气体混合器65。空气从燃烧空气进口62进入中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙，向下流动至气体混合器65，与燃料气进行预混后，进入含有高温合金载体的燃烧催化剂层64进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经由烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，主要通过热对流和热传导方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气经由刺刀管固定板31进入烟气汇合腔14，与原料气进口分配管21和产品气汇合管24换热后，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。
多个交流电源51分别作用于多段感应线圈52，带电的感应线圈52在重整反应器1的内部形成感应磁场，含有高温合金载体的重整催化剂层2和燃烧催化剂层64，高温合金转化管外管22和转化管内管23，以及金属烟气导流板33都作为感应磁场的感受器而产生热量。
感应加热和烟气加热的结合可以在下面三种模式下工作：
模式1-单一感应加热：所有刺刀管在多段通电线圈的作用下，感应加热到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时电加热的热贡献比例为100％。
模式2-单一烟气加热：产生于中心烟气管26内的高温烟气经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动的同时将热量传递给刺刀管，供重整反应使用。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时烟气加热的热贡献比例为100％。
模式3-电气协同供热：所有刺刀管在多段通电线圈的作用下，感应加热到低于重整所需的温度。燃料气和燃烧空气从外部进入中心烟气管26内部进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动协同加热刺刀管，使刺刀管内部的重整催化剂层2的温度达到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。
实施例4：内供烟气间接电阻加热重整反应系统
内供烟气间接电阻加热重整反应系统使用的重整反应器1，由反应器内部催化燃烧产生的高温烟气和间接电阻产热协同为重整反应器1供热。为实现这一目的，本发明列出以下一种实施例。
实施结构：
如图7和图10所示，多根由转化管外管22和转化管内管23套装组成的刺刀管有序地排列在中心烟气管26的四周。转化管外管22和转化管内管23之间的环隙填充有重整催化剂层2，转化管内管23内部中空。中心烟气管26穿过重整反应器1的封盖45和封盖绝热层39并延伸进筒体37，底部含有带孔的烟气分配器25。燃料气进口管63自上而下延伸连接至中心烟气管26内部的气体混合器65。中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙为燃烧空气进入的通道。气体混合器65的底部与燃烧催化剂层64连接。燃烧催化剂层64由底部的燃烧催化剂支撑板66所固定支撑。有序排列的刺刀管周围被烟气导流板33分隔开。刺刀管和烟气导流板33由管束固定板32所固定。电炉丝53密集环绕在刺刀管所在的反应器中心区域。放置有电炉丝53的电炉丝腔41内部填充有绝缘云母材料。耐压导热板40将电炉丝腔41和烟气对流区分隔开来。电炉丝腔41与筒体37之间填充有筒体绝热层36，用于重整反应器1的绝热保温。交流电源51为电炉丝53提供电流。
重整反应器1的筒体37和封盖45由密封法兰38所连接。筒体37和封盖45的连接处安装有刺刀管固定板31，主要用于固定刺刀管和流通烟气。所有转化管外管22延伸至封盖45内，由原料气进口分配管21所连接。所有转化管内管23向上延伸至封盖45内，穿过转化管外管22和原料气进口分配管21，连接至产品气汇合管24。反应器封盖45设有出口烟气管27，将汇合于烟气汇合腔14内的烟气送出重整反应器1。封盖45内壁填充有封盖绝热层39，将封盖45和烟气汇合腔14分隔开来。
实施流程：
原料气经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有规整的高温合金泡沫载体，其上负载有催化重整反应的活性组分。原料气在活性组分的催化作用下，经加热转化成目标产品气，而后进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合管24，经产品气出口3离开重整反应器1。
燃料气从燃料气进口61进入燃料气进口管63，向下流动至气体混合器65。空气从燃烧空气进口62进入中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙，向下流动至气体混合器65，与燃料气进行预混后，进入含有高温合金载体的燃烧催化剂层64进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经由烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，主要通过热对流和热传导方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气经由刺刀管固定板31进入烟气汇合腔14，与原料气进口分配管21和产品气汇合管24换热后，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。
交流电源51加热电炉丝53产热。电炉丝53为高温合金电阻丝。电炉丝53产生的热量通过耐压导热板40辐射和传导到刺刀管内部。
间接电阻加热和烟气加热的结合可以在下面三种模式下工作：
模式1-单一间接电阻加热：通电的电炉丝53产热后，通过耐压导热板40将热辐射和传导到刺刀管内部。刺刀管被以间接电阻加热的方式加热到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时电加热的热贡献比例为100％。
模式2-单一烟气加热：产生于中心烟气管26内的高温烟气经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动的同时将热量传递给刺刀管，供重整反应使用。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时烟气加热的热贡献比例为100％。
模式3-电气协同供热：通电的电炉丝53产热后，通过耐压导热板40将热辐射和传导到刺刀管内部。通过间接电阻加热，刺刀管被加热到低于重整所需的温度。燃料气和燃烧空气从外部进入中心烟气管26内部进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动协同加热刺刀管，使刺刀管内部的重整催化剂层2的温度达到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。
实施例5：内供烟气直接电阻加热重整反应系统
如图8和图11所示，内供烟气直接电阻加热重整反应系统使用的重整反应器1，由反应器内部催化燃烧产生的高温烟气和直接电阻产热协同为重整反应器1供热。为实现这一目的，本发明列出以下一种实施例。
实施结构：
多根由转化管外管22和转化管内管23套装组成的刺刀管有序地排列在中心烟气管26的四周。转化管外管22和转化管内管23之间的环隙填充有重整催化剂层2，转化管内管23内部中空。中心烟气管26穿过重整反应器1的封盖45和封盖绝热层39并延伸进筒体37，底部含有带孔的烟气分配器25。燃料气进口管63自上而下延伸连接至中心烟气管26内部的气体混合器65。中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙为燃烧空气进入的通道。气体混合器65的底部与燃烧催化剂层64连接。燃烧催化剂层64由底部的燃烧催化剂支撑板66所固定支撑。有序排列的刺刀管周围被烟气导流板33分隔开。刺刀管和烟气导流板33由管束固定板32所固定。每根刺刀管两端都安装有一副电插座54。交流电源51直接作用于每副电插座54。筒体绝热层36将烟气对流区与筒体37隔开，用于重整反应器1的绝热保温。
重整反应器1的筒体37和封盖45由密封法兰38所连接。筒体37和封盖45的连接处安装有绝缘刺刀管固定板44，主要用于固定刺刀管和绝缘电流。所有转化管外管22延伸至封盖45内，由原料气进口分配管21所连接。所有转化管内管23向上延伸至封盖45内，穿过转化管外管22和原料气进口分配管21，与产品气汇合腔4相连通。原料气进口分配管21被包裹在绝热填充层42之中。在绝热填充层42上面，覆盖有绝热密封层43，用于防止产品气汇合腔4内的气体向绝热填充层42扩散。反应器筒体37上部开设有出口烟气管27，用于将换热后的烟气送出重整反应器1。烟气导流板33的上部并未与绝缘刺刀管固定板44相接触，而是稍低于刺刀管上部电插座54安装的位置。封盖45内壁填充有封盖绝热层39。
实施流程：
原料气经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有散装绝缘催化剂载体，载体上负载有催化重整反应的活性组分。原料气在活性组分的催化作用下，经加热转化成目标产品气，而后进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合腔4，经产品气出口3离开重整反应器1。
燃料气从燃料气进口61进入燃料气进口管63，向下流动至气体混合器65。空气从燃烧空气进口62进入中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙，向下流动至气体混合器65，与燃料气进行预混后，进入含有高温合金载体的燃烧催化剂层64进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经由烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，主要通过热对流和热传导方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气汇合于绝缘刺刀管固定板44的下部，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。
交流电源51直接作用于每副电插座54，电流直接通过转化管外管22产热。转化管外管22产生的热量通过热传导和热辐射的方式传递到重整催化剂层2，用于催化重整反应。
直接电阻加热和烟气加热的结合可以在下面三种模式下工作：
模式1-单一直接电阻加热：电流直接通过转化管外管22产热，产生的热量通过热传导和热辐射的方式传递到重整催化剂层2。刺刀管通过直接电阻加热的方式加热到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时电加热的热贡献比例为100％。
模式2-单一烟气加热：产生于中心烟气管26内的高温烟气经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动的同时将热量传递给刺刀管，供重整反应使用。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。此时烟气加热的热贡献比例为100％。
模式3-电气协同供热：电流直接通过转化管外管22产热，产生的热量通过热传导和热辐射的方式传递到重整催化剂层2。通过直接电阻加热，刺刀管被加热到低于重整所需的温度。燃料气和燃烧空气从外部进入中心烟气管26内部进行催化燃烧，产生高温烟气。高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，经由烟气分配器25进入分烟气通道13，向上流动协同加热刺刀管，使刺刀管内部的重整催化剂层2的温度达到重整所需的温度。原料气经过高温的重整催化剂层2，吸收热量转化为目标产品气。
实施例6：电气协同供热甲烷蒸汽转化制合成气
以电气协同供热甲烷蒸汽转化制合成气为例，采用内供烟气多段感应加热重整反应系统实现合成气的制备。如图6和图9所示，甲烷和水蒸汽混合后，经由原料气进口5进入重整反应器1，通过原料气进口分配管21进入各转化管外管22和转化管内管23之间的环隙，并向下流动经过重整催化剂层2。重整催化剂层2填充有规整的铁铬铝合金泡沫载体，其上负载有NiO，Al2O3及多种催化剂助剂。甲烷和水蒸气在高温重整催化剂层2中经由活性组分NiO催化转化成氢气和一氧化碳(即合成气)。
重整产生的合成气和未反应的甲烷和水蒸气以1000℃左右的温度经由重整催化剂层2的底部进入转化管内管23，向上流动时与重整催化剂层2进行换热，最后汇集于产品气汇合管24，经产品气出口3离开重整反应器1。
甲烷蒸汽转化制氢的工艺中，变压吸附(PSA)提纯氢气的过程中会产生含有H2，CO2和CH4等气体组分的解析气。PSA产生的解析气被作为燃料气从燃料气进口61进入燃料气进口管63，向下流动至气体混合器65。燃烧用空气从燃烧空气进口62进入中心烟气管26和燃料气进口管63之间的环隙，向下流动至气体混合器65，与解析气进行预混后，进入含有高温合金载体的燃烧催化剂层64进行催化燃烧，产生高温烟气。1100℃左右的高温烟气沿着中心烟气通道12向下流动，到达中心烟气管26的底部，经烟气分配器25进入转化管外管22的底部，自下而上进入分烟气通道13，通过热对流和热传导的方式将热量传递到重整催化剂层2。换热后的烟气经由刺刀管固定板31进入烟气汇合腔14，在与原料气进口分配管21和产品气汇合管24换热后，沿出口烟气管27从烟气出口15离开重整反应器1。当烟气热量供应不足时，解析气会与适量甲烷气体混合后在进入重整反应器1中进行催化燃烧。
多个交流电源51分别作用于多段感应线圈52，带电的感应线圈52在重整反应器1的内部形成感应磁场，含有铁铬铝合金泡沫的重整催化剂层2被感应加热。在烟气加热和感应加热的协同作用下，反应区域的温度被维持在800-1000℃之间。同时被感应加热的还有高温合金转化管，燃烧催化剂层64和金属烟气导流板33。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种电气协同供热重整反应系统，包括重整反应器(1)和电气协同供热装置，所述重整反应器(1)的内部开设有烟气对流区和重整反应区，所述烟气对流区包括烟气分配装置和烟气导流装置，所述重整反应区包括热重整装置，所述电气协同供热装置包括电加热装置和烟气供热系统；
所述烟气供热系统包括燃料气进口(61)、燃烧空气进口(62)、燃料气进口管(63)以及由上到下依次设置的气体混合器(65)、燃烧催化剂层(64)和燃烧催化剂支撑板(66)；
所述电加热装置包括设置在重整反应器(1)外部的供电装置和设置在重整反应器(1)内部的加热装置；
所述加热装置包括感应线圈绝热层(34)和感应线圈腔(35)，所述感应线圈腔(35)紧贴筒体绝热层(36)内表面，所述感应线圈绝热层(34)设置在烟气对流区和感应线圈腔(35)之间，所述感应线圈腔(35)内部含有单段或多段感应线圈(52)。
2.根据权利要求1所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述重整反应器(1)包括筒体(37)、密封法兰(38)和封盖(45)，所述封盖(45)通过密封法兰(38)与筒体(37)固定连接，所述封盖(45)和筒体(37)的内表面分别设置有筒体绝热层(36)和封盖绝热层(39)，所述重整反应器(1)的中心设置有中心烟气管(26)，所述中心烟气管(26)的下端贯穿封盖(45)和封盖绝热层(39)至筒体(37)内部，所述重整反应器(1)上设置有原料气进口(5)、产品气出口(3)和烟气出口(15)。
3.根据权利要求2所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述烟气分配装置包括烟气分配器(25)以及设置在重整反应器(1)内部的中心烟气通道(12)和分烟气通道(13)，所述烟气分配器(25)位于中心烟气管(26)的底端。
4.根据权利要求3所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述烟气导流装置包括烟气导流板(33)、出口烟气管(27)以及设置在重整反应器(1)内部的烟气汇合腔(14)，所述出口烟气管(27)设置在重整反应器(1)上。
5.根据权利要求4所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述热重整装置包括原料气进口分配管(21)、转化管和产品气汇合管(24)，所述转化管分列于中心烟气管(26)的外侧，所述转化管包括转化管外管(22)和转化管内管(23)，所述原料气进口分配管(21)与转化管外管(22)连通，所述转化管内管(23)与产品气汇合管(24)连通，所述转化管外管(22)和转化管内管(23)之间设置有重整催化剂层(2)，所述筒体(37)和封盖(45)的连接处设置有固定转化管位置的刺刀管固定板(31)，所述烟气导流板(33)设置在转化管的周围，所述烟气导流板(33)通过管束固定板(32)与转化管连接。
6.根据权利要求5所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述中心烟气通道(12)为中心烟气管(26)内部区域，所述燃烧催化剂支撑板(66)固定安装在中心烟气管(26)的内表面，所述燃料气进口(61)、燃烧空气进口(62)和燃料气进口管(63)均位于气体混合器(65)的上方。
7.根据权利要求6所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述供电装置包括间歇性供电和电网供电，间歇性供电采用电力储能装置(6)供电，所述电力储能装置(6)与输入直流电源或输入交流电源中的一种或两种连接。
8.根据权利要求7所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述烟气供热系统采用设置在重整反应器(1)外部的燃烧器，所述电加热装置采用直接电阻加热装置、间接电阻加热装置、电弧加热装置、电子束加热装置、红外线加热装置和介质加热装置中的一种，所述转化管采用刺刀管结构或空心管结构中的一种。
9.根据权利要求8所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述筒体绝热层(36)和封盖绝热层(39)均采用绝缘隔热材料，所述绝缘隔热材料包括但不局限于耐火砖和陶瓷纤维。
10.根据权利要求9所述一种电气协同供热重整反应系统，其特征在于：所述重整催化剂层(2)为散装催化剂或整装催化剂中的一种，所述整装重整催化剂的载体包括但不局限于：多孔合金泡沫、堇青石、多孔金属泡沫和多层金属丝网，所述燃烧催化剂包括但不局限于：贵金属催化剂、钙钛矿型催化剂、六铝盐酸类催化剂、非贵金属氧化物催化剂、尖晶石型复合氧化物催化剂和过渡金属复合氧化物催化剂，所述燃烧催化剂的载体包括但不局限于堇青石、碳材料、金属氧化物、多孔合金泡沫和多孔金属泡沫。
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