CN112960647B - 一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置 - Google Patents

一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，该装置外观为套筒形式，同时发生催化燃烧与催化重整反应，分为催化燃烧腔、预热腔以及重整腔，催化燃烧的尾气从进口进入催化燃烧腔，在套筒末端，布置有大量微孔，反应后的尾气通过微孔进入预热腔内，为重整器预热，后通过出口管排出装置，另一端，重整燃料从入口进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热，后进入重整腔。本发明集尾气催化燃烧、预热、重整制氢于一体，将尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，同时集燃料预热与一体，使整个系统结构紧凑、转化率进一步提高。

Description

一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置
技术领域
本发明涉及一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，属于燃料重整和催化燃烧技术领域。
背景技术
燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，又称电化学发电器。它具有能量转换效率高、噪音低等巨大优势。常见的燃料电池种类有碱性燃料电池、质子交换膜燃料电池、熔融碳酸盐燃料电池、固体氧化物燃料电池等。其中质子交换膜燃料电池不仅工作温度低、可快速启动而且比功率、比能量密度大，是一种极具优势的燃料电池。
燃料电池需要用可靠的供氢系统。传统的供氢方式为储氢罐供氢，但这种方式不仅能量密度低而且在质量、安全上也存在明显的不足。因此，目前，使用碳氢化合物重整制备氢有望成为解决这一问题有效措施。
典型的碳氢化合物重整反应制氢可分为三种：水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整，其中水蒸气重整制氢可以得到较高纯度的氢气，而且可以在一定程度上抑制结焦现象的发生，是目前的一个研究热点，但该反应是吸热反应，需要外部热源。
除了供氢方面的问题外，燃料电池虽然清洁环保，但是对于燃料的利用率目前是无法达到百分之百的，因此会浪费掉部分高热值的氢气。
现在虽然对于重整器的研究工作很多，但大部分的反应器各个模块是分开的，同时催化剂的填充形式也是单一，这造成了重整器的集成度低、系统体积庞大、转化率不高、热量损失严重等一系列问题。
发明内容
本发明为了解决上述背景技术中提到的技术问题，提出一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，集尾气催化燃烧、预热、重整制氢于一体，将尾气进行催化燃烧，为重整反应提供热量，同时集燃料预热与一体，使整个系统结构紧凑、转化率进一步提高。
本发明提出一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，该装置外观为套筒形式，同时发生催化燃烧与催化重整反应，包括催化燃烧气体进口、催化燃烧尾气出口管、重整气进口、预热腔、尾气微孔、重整气连接孔、重整腔和催化燃烧腔，所述催化燃烧腔贯穿重整腔与预热腔，
所述催化燃烧腔的一端设置有催化燃烧气体进口，催化燃烧的尾气从催化燃烧气体进口进入催化燃烧腔，在催化燃烧腔末端，布置有大量微孔，反应后的尾气通过微孔进入预热腔内，为重整气预热，然后通过位于重整腔内的催化燃烧尾气出口管排出装置；
所述的预热腔内的螺旋管出口连接重整气连接孔，重整燃料从重整气进口进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热后进入重整腔。
优选地，所述预热腔与重整腔通过隔板进行连接，所述隔板上设置有催化燃烧腔孔道和两个催化燃烧尾气出口管孔道，所述催化燃烧腔从催化燃烧腔孔道穿过，两个催化燃烧尾气出口管分别与催化燃烧尾气出口管孔道连接。
优选地，所述隔板上还设置有重整气连接孔，所述的预热腔内的螺旋管出口连接重整器连接气，将预热的重整燃料送入重整腔。
优选地，所述催化燃烧腔内填充有催化剂。
优选地，所述催化燃烧腔的催化剂填充粒径沿管道流动方向逐渐变小。
优选地，所述重整腔内在催化燃烧腔以及尾气出口管之间布置有催化剂。
优选地，所述重整腔内的催化剂粒径沿管道流动方向逐渐变小。
本发明所述的变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置的有益效果为：
1、本发明在进行尾气催化燃烧、燃料催化重整的反应中，催化剂采用填充的形式，可增大反应物与催化剂的接触面积，其次催化剂采用变粒径的布置方式，随着反应气体的流动，反应气浓度越来越低，而催化剂粒径逐渐变细，自适应的催化剂布置方式可以进一步提高反应的转化率。
2、本发明回收燃料电池的尾气进行催化燃烧，对燃料进行预热，为重整反应提供热量。该系统避免了氢气的浪费，同时解决了重整反应吸热的问题，提高了系统的能量利用率。
3、本发明在催化燃烧的末端采用微孔的形式作为反应气的出口，与传统横向流动形式相比，末端产生径向流动，增强了扰流，加强了反应气与催化剂的接触，可以进一步提高催化燃烧的反应率。
4、本发明在预热段内，燃料在螺旋管内流动，对于管内流体由于弯曲流动带来的离心力使其产生了垂直于主流方向的二次环流，增强了径向方向壁面和主流之间的质量输运和热量输运，增强了换热，同时使整个换热器的结构更加紧凑；管外高温尾气交替穿梭于交叉的螺旋管中，流线交替偏折，增强湍动，破坏了管壁边界层的持续发展，减小了管外侧的换热热阻，强化了换热。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
在附图中：
图1为本发明所述的一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置的结构示意图；
图2为本发明所述的一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置的三维结构示意图；
图3是本发明的隔板的平面示意图；
图4是本发明的预热腔的结构示意图；
图5是本发明的重整腔的结构示意图；
其中，1-催化燃烧气体进口；2-催化燃烧尾气出口管；3-重整气进口；4-隔板；5-预热腔；6-尾气微孔；7-重整气连接孔；8-重整腔；9-催化燃烧腔；10-催化燃烧腔孔道；11-催化燃烧尾气出口管孔道。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：
具体实施方式一：参见图1-5说明本实施方式。本实施方式所述的变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，该装置外观为套筒形式，同时发生催化燃烧与催化重整反应，包括催化燃烧气体进口1、催化燃烧尾气出口管2、重整气进口3、预热腔5、尾气微孔6、重整气连接孔7、重整腔8和催化燃烧腔9，所述催化燃烧腔9贯穿重整腔8与预热腔5，
所述催化燃烧腔9的一端设置有催化燃烧气体进口1，催化燃烧的尾气从催化燃烧气体进口1进入催化燃烧腔9，在催化燃烧腔9末端，布置有大量尾气微孔6，反应后的尾气通过尾气微孔6进入预热腔5内，为重整气预热，然后通过位于重整腔8内的催化燃烧尾气出口管2排出装置；
所述的预热腔5内的螺旋管出口连接重整器连接孔7，重整燃料从重整气进口3进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热后进入重整腔8。
所述预热腔5与重整腔8通过隔板4进行连接，所述隔板4上设置有催化燃烧腔孔道10和两个催化燃烧尾气出口管孔道11，所述催化燃烧腔9从催化燃烧腔孔道10穿过，两个催化燃烧尾气出口管2分别与催化燃烧尾气出口管孔道11连接。
所述隔板4上还设置有重整器连接孔7，所述的预热腔5内的螺旋管出口连接重整器连接孔7，将预热的重整燃料送入重整腔8。
所述催化燃烧腔9内填充有催化剂。所述催化燃烧腔9的催化剂填充粒径沿管道流动方向逐渐变小。
所述预热腔5内，催化燃烧腔9的壁面上布置有微孔通道6，高温催化燃烧尾气通过壁面微孔6进入预热腔5。
所述重整腔8内在催化燃烧腔9以及尾气出口管之间布置有催化剂。所述重整室8内的催化剂粒径沿管道流动方向逐渐变小。
参见图1所示，一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，该装置外观为套筒形式，是集尾气催化燃烧、燃料预热、重整功能于一体，主要包括催化燃烧腔9、重整腔8和预热腔5。催化燃烧的尾气从进口进入内部管道即催化燃烧腔9，内部管道进口段填充为大颗粒的催化剂，反应气沿管道流动的过程中，催化剂颗粒逐渐变细。在套筒末端，布置有大量微孔，反应后的尾气通过微孔进入预热腔5内，为重整气预热，后通过出口管2排出装置。另一端，重整燃料从入口进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热，后进入重整腔8。在重整腔8内，入口为较大颗粒的催化剂，随着反应的进行，反应气体浓度逐渐降低，催化剂颗粒也逐渐变细，增大反应接触面积。
参见图1、图2、图3可知，该装置外观为套筒形式，通过中间隔板4，使整个装置可同时发生催化燃烧与催化重整反应。隔板4将催化燃烧腔9、预热腔5以及重整腔8进行分离与连接。预热腔5内的螺旋管通过重整器连接孔7，将预热的重整燃料送入重整腔8。所述的催化燃烧腔9贯穿隔板4上的预留孔道10。隔板4上同时预留有两个催化尾气出口管的孔道11。
参见图1、图2可知，催化燃烧腔9的工作过程为：燃料电池的尾气通过催化燃烧气体进口1进入，在催化燃烧腔9内与不同粒径的催化剂接触，当尾气中氢气浓度高时，催化剂的粒径较大，随着尾气中氢气、一氧化碳含量的减少，催化剂的粒径也在不断变小，变粒径的催化剂布置形式，使燃烧反应更充分，可以为重整腔8内的吸热反应提供足够的热量。在预热腔5内，反应较为完全的高温尾气通过催化燃烧腔9表面的微孔6，垂直流出，进入预热腔5，对螺旋式预热管道内的燃料进行预热，然后通过隔板4上预留的出口管孔道，进入催化燃烧尾气出口管2，同时进一步为重整腔8内的反应提供热量。
参见图1、图2、图4可知，预热腔5的工作过程为：重整燃料从重整气进口3进入，在螺旋管内进行流动预热，由于弯曲流动带来的离心力，增强了径向方向壁面和主流之间的质量输运和热量输运，重整燃料在预热腔5内，被高温的催化燃烧尾气预热，由于螺旋管结构，使燃料与尾气之间的换热更为充分。预热后的燃料，通过隔板4上的重整器连接孔7进入到重整腔8内，进行重整反应。所述的预热腔5，内部有重整燃料预热的螺旋管，以及带有孔道的催化燃烧腔9。
参见图1、图2、图5可知，重整腔8的工作过程为：预热后的燃料通过隔板4上重整器连接孔7，进入重整腔8内，本案例中采用水蒸气重整反应，是吸热反应。因此，重整腔8内的燃料通过催化燃烧腔9内的热量以及催化燃烧尾气出口管2的热量进行重整反应。重整腔8内填充有催化剂，随着反应气中浓度的减少，催化剂的粒径逐渐变小。
本发明所述的装置，同时发生了催化燃烧与催化重整反应，分为催化燃烧腔9、预热腔5以及重整腔8。催化燃烧的尾气从进口1进入内部管道即催化燃烧腔9，内部管道进口段填充为大颗粒的催化剂，随着反应的进行，催化剂颗粒逐渐变细。在套筒末端，布置有大量微孔6，反应后的尾气通过微孔6进入预热腔5内，为重整气预热，后通过出口管2排出装置。另一方面，重整燃料从另一端入口3进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热，后通过重整器连接孔7，进入重整腔8。在重整腔8内，入口为较大颗粒的催化剂，随着反应的进行，催化剂颗粒逐渐变细。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明。所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，还可以是上述各个实施方式记载的特征的合理组合，凡在本发明精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，其特征在于，该装置外观为套筒形式，同时发生催化燃烧与催化重整反应，包括催化燃烧气体进口(1)、催化燃烧尾气出口管(2)、重整气进口(3)、预热腔(5)、尾气微孔(6)、重整气连接孔(7)、重整腔(8)和催化燃烧腔(9)，所述催化燃烧腔(9)贯穿重整腔(8)与预热腔(5)，
所述催化燃烧腔(9)的一端设置有催化燃烧气体进口(1)，催化燃烧的尾气从催化燃烧气体进口(1)进入催化燃烧腔(9)，在催化燃烧腔(9)末端，布置有大量尾气微孔(6)，反应后的尾气通过尾气微孔(6)进入预热腔(5)内，为重整气预热，然后通过位于重整腔(8)内的催化燃烧尾气出口管(2)排出装置；
所述的预热腔(5)内的螺旋管出口连接重整气连接孔(7)，重整燃料从重整气进口(3)进入，在螺旋管内流动，被催化燃烧尾气预热后进入重整腔(8)；
所述催化燃烧腔(9)内填充有催化剂；
所述催化燃烧腔(9)的催化剂填充粒径沿管道流动方向逐渐变小；
所述重整腔(8)内在催化燃烧腔(9)以及尾气出口管之间布置有催化剂；
所述重整腔(8)内的催化剂粒径沿管道流动方向逐渐变小。
2.根据权利要求1所述的变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，其特征在于，所述预热腔(5)与重整腔(8)通过隔板(4)进行连接，所述隔板(4)上设置有催化燃烧腔孔道(10)和两个催化燃烧尾气出口管孔道(11)，所述催化燃烧腔(9)从催化燃烧腔孔道(10)穿过，两个催化燃烧尾气出口管(2)分别与催化燃烧尾气出口管孔道(11)连接。
3.根据权利要求2所述的变催化剂颗粒布置的重整制氢与催化燃烧一体化装置，其特征在于，所述隔板(4)上还设置有重整气连接孔(7)，所述的预热腔(5)内的螺旋管出口连接重整气连接孔(7)，将预热的重整燃料送入重整腔(8)。
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