CN112892460B - 一种自供热的甲醇重整制氢反应器 - Google Patents

一种自供热的甲醇重整制氢反应器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种自供热的甲醇重整制氢反应器，旨在提供一种整合预热、重整反应、催化燃烧于一体，具有集成度高、功能性强，能量利用率高的自供热的甲醇重整制氢反应器，其技术方案要点是包括反应器本体，所述反应器本体由上而下设置有预热腔以及反应腔，所述预热腔设置有排气口，所述反应腔设置有燃料进口；所述预热腔设置有第一蜂窝状载体，所述反应腔设置有第二蜂窝状载体，所述第二蜂窝状载体穿设有导料管以及若干个重整管，所述导料管与若干个重整管底端连通设置，若干个所述重整管上端穿过第一蜂窝状载体延伸至反应器本体外侧，所述第一蜂窝状载体具有换热腔，并且所述换热腔连通重整原料进口以及导料管；本发明适用制氢装置技术领域。

Description

一种自供热的甲醇重整制氢反应器
技术领域
本发明涉及制氢装置技术领域，更确切地说涉及一种自供热的甲醇重整制氢反应器。
背景技术
随着全球能源需求的日益增长，对化石燃料的依赖以及由此带来的环境、气候问题也日益严重。开发更清洁、高效的新能源技术是解决环境污染、保障能源供给的有效方法。燃料电池是一种将氢气和氧气通过化学反应直接将化学能转换为电能的装置，其过程不涉及燃烧，不受卡若循环限制，能量转化效率高，产物为电、热和水，无污染，被认为是21世纪最具发展潜力的新能源技术之一。其中，质子交换膜燃料电池因具有功率密度高、操作温度低等优点，已率先应用在移动电源、固定式备用发电和汽车动力电源等领域。
然而，质子膜电池的规模化应用，必须有来源广泛、可靠、脸颊的氢源。而现阶段，与氢能利用配套的基础设施建设尚未成熟，加氢站的建设周期长，投资大；由于氢气密度低、易泄露的特点，它的储存和运输也是商业化的一个难题。因此，在现阶段发展分散式的制氢技术，为燃料电池提供灵活可靠的氢源，非常具有研究意义和应用价值。
以烃类、醇类为原料的化学制氢方式，兼具了原料易得，产氢率高和技术成熟等优点，成为分散式制氢技术的最佳旋转。其中，甲醇常温下是液体，便于储存和运输；我国是甲醇生产大国，产能约为8000万吨每年，占世界产能的百分之六十以上；同时，甲醇重整制氢的反应器温度相对较低，氢气转化率高，设备简单，这些优势使得甲醇重整制氢技术非常适合与燃料电池技术进行匹配，构建一体式的甲醇重整燃料电池发电系统。甲醇重整制氢反应器是该领域的研究热点之一，常用的结构形式包括管式、板式、微通道等。管式反应器加工较为方便，但往往存在受热不均的现象，尤其是容易出现“热点”，造成管内的催化剂烧结失效。微通道反应器具有较大的表面积，但加工较为复杂，成本较高，不利于规模放大。此外，有些甲醇重整制氢反应器依靠外部电源架热，虽然在结构设计上更加简化，但在制氢经济性和使用便捷性方面大打折扣。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，提供一种整合预热、重整反应于一体，具有集成度高、功能性强，能量利用率高的自供热的甲醇重整制氢反应器。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
一种自供热的甲醇重整制氢反应器，包括反应器本体，所述反应器本体由上而下设置有预热腔以及反应腔，所述预热腔设置有排气口，所述反应腔设置有燃料进口；
所述预热腔设置有第一蜂窝状载体，所述反应腔设置有第二蜂窝状载体，所述第二蜂窝状载体穿设有导料管以及若干个重整管，所述导料管与若干个重整管底端连通设置，若干个所述重整管上端穿过第一蜂窝状载体延伸至反应器本体外侧，所述第一蜂窝状载体具有换热腔，并且所述换热腔连通重整原料进口以及导料管。
采用以上结构后，本发明的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，与现有技术相比，具有以下优点：整合预热、重整反应、催化燃烧反应于一体的甲醇重整制氢反应器，具有集成度高、功能性强的特点；重整原料进口进入的原料由高温烟气和高温重整合成气共同作为热源，具有预热效果好，能量利用率高的特点；重整管穿插在第二蜂窝状载体上，使得重整温度更均匀，甲醇转化率更高。
作为本发明的一种改进，所述导料管设置于第二蜂窝状载体的中心位置，若干个所述重整管以导料管为中心分布在导料管外侧的第二蜂窝状载体上。通过上述改进，使得导料管中反应物汽化更充分，重整管受热更均匀具有能量利用率高，甲醇转化率高的特点，避免了常见套筒结构内外壁温差大的问题。
作为本发明的一种改进，所述第二蜂窝状载体的数量为若干个，若干个所述第二蜂窝状载体堆叠设置。多组第二蜂窝状载体堆叠设置，便于更换，方便维护；堆叠时，将相邻的第二蜂窝状载体上的通孔交错设置，可以减缓高温烟气的通过，进一步提升能量利用率，有利于提升甲醇的转化率。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体数量为多个，多个所述第一蜂窝状载体竖向排列的设置于预热腔内，并且相邻的第一蜂窝状载体之间留有间距形成缓冲腔。多个第一蜂窝状载体构成多级预热，提升预热效果；多个第一蜂窝状载体排列设置并且相邻的第一蜂窝状载体之间留有间距形成缓冲腔，高温烟气在通过缓冲腔时，缓冲腔能够减缓高温烟气通过速度，使高温烟气在缓冲腔内聚积，提升了能量利用率。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体以及第二蜂窝状载体分别采用金属材料制成的蜂窝载体。金属蜂窝载体的导热系数大，具有传热效果好的特点。
作为本发明的一种改进，相邻的所述第一蜂窝状载体的换热腔之间通过中间连接管连通，所述中间连接管的进口和出口均靠近换热腔的上端设置，并且每个中间连接管的下端分别设置有均流板。中间连接管的进口和出口均靠近换热腔的上端设置，使得原料进入换热腔内时，首先在换热腔内聚积，并且在达到液面达到一定高度后有中间连接管的出口进入均流板，通过均流板后原料均匀落入下一层第一蜂窝状载体的换热腔内，通过上述改进，使得换热腔内的原料与高温烟气以及重整合成气换热充分，避免原料快速流过第一蜂窝状载体导致预热效果差，提升能量利用率，减少排放。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体上的通孔孔径小于第二蜂窝状载体上通孔的孔径。通过上述改进，减缓第一蜂窝状载体上高温烟气的通过，进一步提升预热效果。
作为本发明的一种改进，所述重整原料进口设置于反应腔侧的反应器本体上。通过上述改进，使得结构布局更加合理。
作为本发明的一种改进，所述重整管内腔和第二蜂窝状载体分别设置有催化剂，所述燃料进口设置于第二蜂窝状载体的下端。第二蜂窝状载体表面采用电沉积的方式电镀上甲醇催化燃烧催化剂，重整管的中间靠下端采用填充的方式填充甲醇催化重整催化剂。
作为本发明的一种改进，所述重整管上端设置有重整合成气出口。通过上述改进，使得结构布局更加合理。
附图说明
图1是本发明的剖视结构示意图。
图2是本发明的剖视结构的立体示意图。
图3是本发明的图1中A处结构放大示意图。
图4是本发明的重整管与第一蜂窝状载体的连接结构示意图。
图5是本发明的立体结构示意图。
图中所示：1、反应器本体；2、排气口；3、燃料进口；4、第一蜂窝状载体；41、换热腔；5、第二蜂窝状载体；6、导料管；7、重整管；8、重整原料进口；9、中间连接管；91、均流板；10、燃烧室；11、重整合成气出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1-5所示，一种自供热的甲醇重整制氢反应器，包括反应器本体1，所述反应器本体1由上而下设置有预热腔以及反应腔，所述预热腔设置有排气口2，所述反应腔设置有燃料进口3；
所述预热腔设置有第一蜂窝状载体4，所述反应腔设置有第二蜂窝状载体5，所述第二蜂窝状载体5穿设有导料管6以及若干个重整管7，所述导料管6与若干个重整管7底端连通设置，若干个所述重整管7上端穿过第一蜂窝状载体4延伸至反应器本体1外侧，所述第一蜂窝状载体4具有换热腔41，并且所述换热腔41连通重整原料进口8以及导料管6。
采用以上结构后，本发明的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，与现有技术相比，具有以下优点：整合预热、重整反应于一体的甲醇重整制氢反应器，具有集成度高、功能性强的特点；重整原料进口进入的原料由高温烟气和高温重整合成气共同作为热源，具有预热效果好，能量利用率高的特点；重整管穿插在第二蜂窝状载体5上，使得重整温度更均匀，甲醇转化率更高。
作为本发明的一种改进，所述导料管6设置于第二蜂窝状载体5的中心位置，若干个所述重整管7以导料管6为中心分布在导料管6外侧的第二蜂窝状载体5上。通过上述改进，使得重整管7受热更均匀，温度的传导效果好，具有能量利用率高，甲醇转化率高的特点，避免了常见套筒结构内外壁温差大的问题。
作为本发明的一种改进，所述第二蜂窝状载体5的数量为若干个，若干个所述第二蜂窝状载体5堆叠设置。多组第二蜂窝状载体5堆叠设置，便于更换，方便维护；堆叠时，将相邻的第二蜂窝状载体5上的通孔交错设置，可以减缓气体的通过，进一步提升能量利用率，有利于提升甲醇的转化率。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体4数量为多个，多个所述第一蜂窝状载体4竖向排列的设置于预热腔内，并且相邻的第一蜂窝状载体4之间留有间距形成缓冲腔。多个第一蜂窝状载体4构成多级预热，提升预热效果；多个第一蜂窝状载体4排列设置并且相邻的第一蜂窝状载体4之间留有间距形成缓冲腔，高温烟气在通过缓冲腔时，缓冲腔能够减缓高温烟气通过速度，使高温烟气在缓冲腔内聚积，提升了能量利用率。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体4以及第二蜂窝状载体5分别采用金属材料制成的蜂窝载体。金属蜂窝载体的导热系数大，具有传热效果好的特点。
作为本发明的一种改进，相邻的所述第一蜂窝状载体4的换热腔41之间通过中间连接管9连通，所述中间连接管9的进口和出口均靠近换热腔41的上端设置，并且每个中间连接管9的下端分别设置有均流板91。中间连接管9的进口和出口均靠近换热腔41的上端设置，使得原料进入换热腔41内时，首先在换热腔41内聚积，并且在达到液面达到一定高度后有中间连接管9的出口进入均流板91，通过均流板91后原料均匀落入下一层第一蜂窝状载体4的换热腔41内，通过上述改进，使得换热腔41内的原料与高温烟气以及重整合成气换热充分，避免原料快速流过第一蜂窝状载体4导致预热效果差，提升能量利用率，减少排放。
作为本发明的一种改进，所述第一蜂窝状载体4上的通孔孔径小于第二蜂窝状载体5上通孔的孔径。通过上述改进，减缓第一蜂窝状载体4上高温烟气的通过，进一步提升预热效果。
作为本发明的一种改进，所述重整原料进口8设置于反应腔侧的反应器本体1上。通过上述改进，使得结构布局更加合理。
作为本发明的一种改进，所述重整管7内腔和第二蜂窝状载体5分别设置有催化剂，所述燃料进口3设置于第二蜂窝状载体5的下端。第二蜂窝状载体5的表面采用电沉积的方式电镀上甲醇催化燃烧催化剂，重整管7的中间填充甲醇催化重整催化剂。
作为本发明的一种改进，所述重整管7上端设置有重整合成气出口11。通过上述改进，使得结构布局更加合理。
工作原理：反应器本体1内的第二蜂窝状载体5的表面负载有甲醇催化燃烧催化剂，用于催化燃烧甲醇和空气的混合物，释放热量。第二蜂窝状载体5中有数个激光切割的圆孔，用以穿插重整管7，重整管7的外壁与第二蜂窝状载体5通过焊接方式连接，以增强两者之间的热传导。重整管7内部填充有甲醇水蒸气重整催化剂，用于将重整反应物转化为富氢合成气。第二蜂窝状载体5采用分层错位布置的形式，以增强高温烟气在第二蜂窝状载体5通道内的扰动，避免烟气流速过快，带走大部分由催化燃烧释放的热量。
反应器本体1内共有两条气路：第一条路径中，甲醇和空气的混合物由燃料进口3进入，然后自下而上依次通过第二蜂窝状载体5的内部通道、缓冲腔以及第一蜂窝状载体4的内部通道，最后由烟气排除口排出反应器本体1；甲醇和空气的混合物通过第二蜂窝状载体5时，在孔道壁的催化剂作用下进行催化燃烧反应，释放热量。其中甲醇催化燃烧反应是放热反应。
第二条路径中，甲醇重整原料由原料进口进入，然后依次通过换热腔41、中间连接管9、导料管6以及重整管7，最后由重整合成气出口11排出；甲醇重整原料在通过重整管7时，在重整管7内壁的催化剂作用下发生重整反应，生成富氢合成气，在通入重整原料时采用泵通入原料。其中，甲醇水蒸气重整反应是吸热反应。利用热传导，将热量快速地传递给甲醇和水蒸气，促使重整制氢反应的进行，通过放热反应和吸热反应之间的热耦合，实现反应器的自供热重整制氢功能。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：包括反应器本体（1），所述反应器本体（1）由上而下设置有预热腔以及反应腔，所述预热腔设置有排气口（2），所述反应腔设置有燃料进口（3）；
所述预热腔设置有第一蜂窝状载体（4），所述反应腔设置有第二蜂窝状载体（5），所述第二蜂窝状载体（5）穿设有导料管（6）以及若干个重整管（7），所述导料管（6）与若干个重整管（7）底端连通设置，若干个所述重整管（7）上端穿过第一蜂窝状载体（4）延伸至反应器本体（1）外侧，所述第一蜂窝状载体（4）具有换热腔（41），并且所述换热腔（41）连通重整原料进口（8）以及导料管（6）；
所述第一蜂窝状载体（4）数量为多个，多个所述第一蜂窝状载体（4）竖向排列的设置于预热腔内，并且相邻的第一蜂窝状载体（4）之间留有间距形成缓冲腔；
所述第一蜂窝状载体（4）以及第二蜂窝状载体（5）分别采用金属材料制成的蜂窝载体；
相邻的所述第一蜂窝状载体（4）的换热腔（41）之间通过中间连接管（9）连通，所述中间连接管（9）的进口和出口均靠近换热腔（41）的上端设置，并且每个中间连接管（9）的下端分别设置有均流板（91）。
2.根据权利要求1所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述导料管（6）设置于第二蜂窝状载体（5）的中心位置，若干个所述重整管（7）以导料管（6）为中心分布在导料管（6）外侧的第二蜂窝状载体（5）上。
3.根据权利要求1所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述第二蜂窝状载体（5）的数量为若干个，若干个所述第二蜂窝状载体（5）堆叠设置。
4.根据权利要求3所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述第一蜂窝状载体（4）上的通孔孔径小于第二蜂窝状载体（5）上通孔的孔径。
5.根据权利要求1所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述重整原料进口（8）设置于反应腔侧的反应器本体（1）上。
6.根据权利要求1所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述重整管（7）内腔和第二蜂窝状载体（5）分别填充有催化剂，所述燃料进口（3）设置于第二蜂窝状载体（5）的下端。
7.根据权利要求1所述的一种自供热的甲醇重整制氢反应器，其特征在于：所述重整管（7）上端设置有重整合成气出口（11）。
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