CN113019280B - 一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，属于氢能源领域，包括位于中心部分的预热腔、气化缓冲腔和点火腔，以及包覆于中心部分外周的燃烧腔和重整腔，重整腔与燃烧腔呈双螺旋形式交替包覆形成双螺旋结构腔体；预热腔通过气化缓冲腔与重整腔的进口连通；预热腔、气化缓冲腔和重整腔作为一个整体，与点火腔和燃烧腔相互封闭；点火腔与燃烧腔连通；点火腔和预热腔上设置雾化喷嘴进行雾化进料；燃烧腔和重整腔均设有出口，且重整腔的出口设有氢膜净化器。本发明可最大限度地进行吸放热耦合，提高了传热效率和热能利用率，将液化含氢原料转化为高纯氢，为需要较高氢纯度的技术下游提供了结构紧凑、设计合理的制氢反应器，实用性强。
Description
技术领域
本发明属于氢能源领域，涉及一种制氢反应器，特别是涉及一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器。
背景技术
早在19世纪，众多国家就已意识到石油、煤炭等能源日益枯竭，考虑目前的能源储备，不足以支撑开采200年。氢能作为可再生清洁能源，备受各国关注。当前，许多发达国家对于氢能已经处于实际应用的研究阶段，欧美多国将氢能应用于氢能汽车以解决交通能耗问题；日韩等国也已考虑自身国情，将氢能用于家庭用电，家用micro-CHP系统已投入使用。我国对于氢能的研究尚处于研究阶段。
催化氢前驱体重整转化制备氢能，尤其是蒸汽重整，由于工艺条件温和、能耗低等优点，被认为是用于分布式制氢最适合、最具前景的技术方法。对于氢前驱体的选择，近年来，甲醇、汽油、柴油等液态燃料相比甲烷，因运输方便、安全，且重整能耗低而备受关注。蒸汽重整是一个吸热过程，需要外界提供热量维持反应进行，含碳化合物的燃烧放热是较多供热形式中应用较多的一种。在该反应实际应用到分布式制氢环境时，吸放热耦合尤为重要，保证较高的传热效率，减少热能损失是技术产业化过程中最重要的课题之一，这便对反应器提出了较高的要求。
圆筒型重整反应器因结构简单、制作方便是目前应用最多的反应器类型。但其在热能利用方面，虽然传统圆筒型反应器将燃烧、重整、冷凝及气化过程进行结构的优化设计，但较短的热交换过程仍存在大量热量散失的问题，如果进行反应器规模放大，圆筒径向尺寸的增加、轴向的延伸更会导致热量分布不均、散失严重等情况。且在分布式制氢的许多实际应用场景中，对氢能的纯度要求较高。尤其在与燃料电池联用时，CO不能高于10ppm，这就需要在反应器产物气排出后再进入到净化器纯化，过程繁琐，不符合分布式制氢结构紧凑的设计准则。进一步优化结构设计，将重整器和净化器结合也将是需要优化的方面之一。
综上所述，目前液态燃料重整制氢反应器主要存在如下问题：(1)液态燃料气化过程较长，需在反应器内留有足够空间供其气化或外接蒸发器，不利于结构紧凑；(2)重整腔与燃烧腔热传导过程因接触路径及时间限制使其热交换不够充分，导致热量散失；(3)下游工艺对CO浓度的ppm级要求导致重整气在流出反应器后需进一步氢净化才能应用。因此，迫切提出一种新型的制氢反应器，以克服上述现有技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，以解决上述现有技术存在的问题，该反应器结构紧凑，设计合理，能够通过强放热和强吸热的匹配，将液化含氢原料(如甲醇、汽油、柴油等)转化为高纯氢。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，包括位于中心部分的预热腔、气化缓冲腔和点火腔，以及包覆于所述中心部分外周的燃烧腔和重整腔，且所述重整腔与所述燃烧腔呈双螺旋形式交替包覆形成双螺旋结构腔体；所述预热腔通过所述气化缓冲腔与所述重整腔的进口连通，且所述预热腔与所述气化缓冲腔之间、以及所述重整腔与所述气化缓冲腔之间均通过隔板部分阻隔；所述预热腔、所述气化缓冲腔和所述重整腔作为一个整体，分别与所述点火腔和所述燃烧腔相互封闭；所述点火腔与所述燃烧腔的进口连通；
所述点火腔上设置有燃料进口和空气进口，所述预热腔上设置有原料进口，所述燃料进口和/或所述原料进口处安装雾化喷嘴；所述燃烧腔和所述重整腔均在所述双螺旋结构腔体的最外层设有出口，且所述重整腔的出口设有氢膜净化器。
可选的，所述点火腔为电加热点火腔，所述电加热点火腔内配置有点火器。
可选的，所述雾化喷嘴为圆管状喷嘴，用于将原料液或燃料液雾化后喷洒。
可选的，所述预热腔与所述气化缓冲腔之间的上部区域通过设置第一隔板进行间隔；所述预热腔与所述气化缓冲腔之间的下部区域相互连通。
可选的，所述气化缓冲腔与所述重整腔的出口之间的下部区域通过设置第二隔板进行间隔；所述气化缓冲腔与所述重整腔的出口之间的上部区域相互连通。
可选的，所述点火腔与所述燃烧腔的进口之间的上部区域通过设置第三隔板进行间隔；所述点火腔与所述燃烧腔的进口之间的下部区域相互连通。
可选的，所述双螺旋结构腔体由两张间隔设置的平行金属隔板卷制而成；所述双螺旋结构腔体的两端设置封头进行封闭。
可选的，所述重整腔内设有重整催化剂装填室，所述重整催化剂装填室内用于装填重整催化剂。
可选的，所述重整腔的出口为锥形出口，所述锥形出口的内壁涂覆有壁载WGS催化剂，即壁载水汽变换催化剂，用于水汽变换反应，以将大量的一氧化碳转化为二氧化碳。
可选的，所述氢膜净化器内置有Pd-Ag膜，用于将重整气中的氢气分离出来，产出高纯氢。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提出的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，通过强放热和强吸热的匹配，最大限度地进行吸放热耦合，在提高了传热效率和热能利用率的同时，将液化含氢原料(如甲醇、汽油、柴油等)转化为高纯氢；同时为需要较高氢纯度的技术下游提供了结构紧凑、设计合理的制氢反应器，实用性强。本发明的具体有益效果如下：
(1)本发明利用集成化的设计替代传统多段式串联的结构，将预热腔、气化缓冲腔、重整腔、点火腔、燃烧腔和氢膜净化器组装成一体，使得反应器结构紧凑合理，解决了集成度较差、成本高、运行费用高等问题；
(2)本发明通过改变原料液进入方式，将雾化喷嘴应用于反应器，使物料以小液滴形式进入到点火腔和预热腔，增大了原料液吸热表面积，使其加速气化，避免了技术上游另设单独的蒸发器而导致的结构冗杂亦或在重整器内部设置气化缓冲腔结构尺寸的过大，雾化喷嘴的设置既可以加快原料液气化过程的进行，又可以达到结构合理紧凑的目的；
(3)本发明将螺旋板概念引入重整器来达到吸放热最大限度的耦合，重整腔和燃烧腔逐层交替包覆缠绕，燃烧腔向两侧传递热量，两侧均为重整腔；重整腔从两侧吸收热量，两侧均为燃烧腔；以此提高了传热效率和热能利用率，且双螺旋板式结构易于加工；
(4)本发明通过将氢膜引入重整器来满足对氢纯度要求较高的技术下游的需求；重整腔尾气出口连接氢膜净化器，将氢与其余尾气分离，分别从不同通道产出，便于后续的收集处理。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器的整体剖面图；
图2为本发明液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器中重整剖面内部流向图；
图3为本发明液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器中燃烧剖面内部流向图；
图4为本发明液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器中氢膜净化器的安装示意图；
其中，附图标记为：1-液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器；2-预热腔；3-气化缓冲腔；4-重整腔；5-点火腔；6-燃烧腔；7-重整催化剂装填室；8-氢膜净化器；9-燃料进口；10-空气进口；11-原料进口；12-雾化喷嘴；13-点火器；14-重整尾气管；15-燃烧尾气管；16-第一隔板；17-第二隔板；18-第三隔板；19-壁载水汽变换催化剂。
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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，以解决上述现有技术存在的问题，该反应器结构紧凑，设计合理，能够通过强放热和强吸热的匹配，将液化含氢原料(如甲醇、汽油、柴油等)转化为高纯氢。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例一
如图1所示，本实施例提供一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器1，包括位于中心部分的预热腔2、气化缓冲腔3和点火腔5，以及包覆于中心部分外周的燃烧腔6和重整腔4，且重整腔4与燃烧腔6呈双螺旋形式交替包覆形成双螺旋结构腔体；预热腔2通过气化缓冲腔3与重整腔4的进口连通，即预热腔2、气化缓冲腔3与重整腔4之间相互连通，且预热腔2与气化缓冲腔3之间、以及重整腔4与气化缓冲腔3之间均通过隔板进行部分阻隔；预热腔2、气化缓冲腔3和重整腔4作为一个整体，分别与点火腔5和燃烧腔6相互封闭，且点火腔5与燃烧腔6的进口连通；点火腔5上设置有燃料进口9和空气进口10，预热腔2上设置有原料进口11，燃料进口9和原料进口11处均安装雾化喷嘴12，以将燃料液或原料液雾化后喷洒，实现雾化进料，空气进口10处可外接进气管；燃烧腔6和重整腔4均在双螺旋结构腔体的最外层设有出口，且燃烧腔6的出口和重整腔4的出口分别连接有燃烧尾气管15和重整尾气管14，重整尾气管14的出口还连接有氢膜净化器8。其中，点火腔5优选为电加热点火腔，电加热点火腔内以现有的常规方式配置有点火器13；雾化喷嘴12优选为圆管状喷嘴，喷嘴的前端伸入点火腔5、预热腔2内部，可将原料液或燃料液雾化后分别喷洒至两腔，实现雾化进料。液态燃料经雾化喷嘴12以小液滴形式和空气在点火腔5中触发点火器13，点火发生氧化燃烧反应，放出大量的热，大部分热量通过并流和热传导方式传递给预热腔2、气化缓冲腔3及重整腔4；原料液经雾化喷嘴12雾化后，依次经过预热腔2、气化缓冲腔3进入重整腔4，并最终在重整腔4中发生重整反应得到符合要求的富氢混合气，混合气经氢膜净化器18将高纯氢和其余尾气分离。
本实施例中，添加至点火腔5的燃料液和添加至预热腔2的原料液可为同一种物质，也可为不同种物质。
本实施例中，原料液经喷嘴雾化后以小液滴形式分布均匀，可增大反应物接触面积，增快传热，加快反应速率。
本实施例中，如图1-2所示，预热腔2与气化缓冲腔3之间的上部区域通过设置第一隔板16进行间隔，下部区域相互连通。其中优选预热腔2与气化缓冲腔3之间的上部3/4区域用于设置第一隔板16，以对液、气相隔离；下部1/4区域则通过设置分布孔使两腔连通。
进一步地，于本实施例中，如图1-2所示，气化缓冲腔3与重整腔4的出口之间的下部区域通过设置第二隔板17进行间隔，上部区域相互连通。其中优选气化缓冲腔3与重整腔4的出口之间的下部1/2区域用于设置第二隔板17，使两腔下半部分完全分离，避免气化缓冲腔3中液相原料进入重整腔4；上部1/2区域则通过设置分布孔使两腔相连通。
本实施例中，如图1和3所示，点火腔5与燃烧腔6的进口之间的上部区域通过设置第三隔板18进行间隔，下部区域相互连通。其中优选点火腔5与燃烧腔最内层，即点火腔5与燃烧腔6的进口之间的上部3/4区域用于设置第三隔板18，下部1/4区域通过设置分布孔保证两腔连通。
本实施例中，如图1-3所示，双螺旋结构腔体优选由两张间隔一定距离的平行金属隔板卷制而成，两张金属隔板通过卷制形成两条螺旋流体通道，冷热流体之间通过金属隔板壁进行换热，结构紧凑，换热效率高。其中的冷流体为重整腔4内的流体，而热流体为燃烧腔6内的流体。重整腔4与燃烧腔6在进行充分热交换后，均与反应器的出口管连接。
本实施例中，双螺旋结构腔体整体呈圆柱状结构，且两端设置封头进行封闭。
本实施例中，预热腔2、气化缓冲腔3与重整腔4的最内层之间相互连通，且三者作为一体紧紧包覆于点火腔5的外周。同时，燃烧腔6的最内层紧紧包覆于预热腔2、气化缓冲腔3与重整腔4的最内层的外周，有利于热量传递。
本实施例中，如图1所示，重整腔4内设有重整催化剂装填室7，重整催化剂装填室7内用于装填重整催化剂。重整腔4内的反应可如下：
水汽变换反应：CO+H2O→CO2+H2ΔH298k≈-41KJ/mol；
通过该反应进一步将CO和H2O转化为H2和CO2，可减轻后续氢膜净化器8的压力。
本实施例中，如图1和4所示，重整腔4的出口连接重整尾气管14，重整尾气管14的出口可为锥形出口，锥形出口的内壁涂覆有壁载WGS催化剂，即壁载水汽变换催化剂19，用于水汽变换反应，以将大量的一氧化碳转化为二氧化碳用于水汽变换反应。其中，重整尾气管14的出口处上下两侧以45°倾斜角会合于中部，从而形成上述锥形出口。壁载水汽变换催化剂19为一种现有催化剂，其具体使用方式以及催化原理在此不再赘述。
本实施例中，氢膜净化器8内置有Pd-Ag膜，Pd-Ag膜作为核心部件，有较强的氢选择性和氢渗透性，可以对重整气中的氢与其余尾气进行分离，产出高纯氢。
本实施例中，优选燃烧腔6和重整腔4的出口在双螺旋结构腔体的最外层对称分布。
本实施例中的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器1，采用的原料可以选择甲醇、乙醇等醇类以及汽油、柴油等烃类物质。下面以甲醇作为原料来举例说明，化学反应主要在燃烧腔6和重整腔4中进行，其中燃烧腔6内主要进行甲醇燃烧反应：
CH3OH+3/2O2→CO2+2H2OΔH298k＝-725.76KJ/mol；
重整腔4内主要进行甲醇蒸汽重整反应：
CH3OH+H2O→3H2+CO2ΔH298k＝+49.4KJ/mol；
作为甲醇雾化进料的制氢双螺旋板膜反应器，当系统运行时，首先甲醇通过雾化喷嘴12以小液滴形式进入点火腔5，和按一定比例进入点火腔5的空气充分混合，再通过控制系统启动点火器13。其中雾化喷嘴12起到缩短气化时间的目的。着火后燃烧物料进入燃烧腔6中充分燃烧，向与之相互包覆的预热腔2、气化缓冲腔3及重整腔4放出大量热。在进行充分热交换后，燃烧腔6的尾气通过燃烧尾气管15排出。
将甲醇与水以一定比例混合后通过雾化喷嘴12进入到预热腔2吸收热量，进入气化缓冲腔3过程中逐渐气化，以气相形式进入重整腔4。其中，预热腔2与气化缓冲腔3之间设有第一隔板16，避免液相原料液通过上部3/4区域进入气化缓冲腔3；下部1/4区域通过分布孔保证两腔连通。气化缓冲腔3与重整腔4之间设有第二隔板17，以使两腔下半部分完全分离，避免气化缓冲腔3中未气化的液相原料进入重整腔4；第二隔板17上半部分通过分布孔使两腔相连通。气相物料进入重整腔4，在重整催化剂装填室7中重整催化剂的催化作用下进行重整反应。反应过程中，不断与两侧燃烧腔6进行热交换保证重整反应进行。在充分反应后尾气进入重整尾气管14。重整尾气管14中并行氢膜净化器8，用以进行氢气提纯。
其中，氢膜净化器8的核心部件为Pd-Ag膜，有较强的氢选择性和氢渗透性，可以对重整气中的氢与其余尾气进行分离，产出高纯氢。
由此可见：
(1)本实施例利用集成化的设计替代传统多段式串联的结构，将预热腔、气化缓冲腔、重整腔、点火腔、燃烧腔和氢膜净化器组装成一体，使得反应器结构紧凑合理，解决了集成度较差、成本高、运行费用高等问题；
(2)本实施例通过改变原料液进入方式，将雾化喷嘴应用于反应器，使物料以小液滴形式进入到点火腔和预热腔，增大了原料液吸热表面积，使其加速气化，避免了技术上游另设单独的蒸发器而导致的结构冗杂亦或在重整器内部设置气化缓冲腔结构尺寸的过大，雾化喷嘴的设置既可以加快原料液气化过程的进行，又可以达到结构合理紧凑的目的；
(3)本实施例将螺旋板概念引入重整器来达到吸放热最大限度的耦合，重整腔和燃烧腔逐层交替包覆缠绕，燃烧腔向两侧传递热量，两侧均为重整腔；重整腔从两侧吸收热量，两侧均为燃烧腔；以此提高了传热效率和热能利用率，且双螺旋板式结构易于加工；
(4)本实施例通过将氢膜引入重整器来满足对氢纯度要求较高的技术下游的需求；重整腔尾气出口连接氢膜净化器，将氢与其余尾气分离，分别从不同通道产出，便于后续的收集处理。
需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，包括位于中心部分的预热腔、气化缓冲腔和点火腔，以及包覆于所述中心部分外周的燃烧腔和重整腔，且所述重整腔与所述燃烧腔呈双螺旋形式交替包覆形成双螺旋结构腔体；所述预热腔通过所述气化缓冲腔与所述重整腔的进口连通；所述预热腔、所述气化缓冲腔和所述重整腔作为一个整体，与所述点火腔和所述燃烧腔相互封闭；所述点火腔与所述燃烧腔的进口连通；
所述点火腔上设置有燃料进口和空气进口，所述预热腔上设置有原料进口，所述燃料进口和/或所述原料进口处安装雾化喷嘴；所述燃烧腔和所述重整腔均在所述双螺旋结构腔体的最外层设有出口，且所述重整腔的出口设有氢膜净化器，所述氢膜净化器内置有Pd-Ag膜，用于将重整气中的氢气分离出来，产出高纯氢。
2.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述点火腔为电加热点火腔，所述电加热点火腔内配置有点火器。
3.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述雾化喷嘴为圆管状喷嘴，用于将原料液或燃料液雾化后喷洒。
4.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述预热腔与所述气化缓冲腔之间的上部区域通过设置第一隔板进行间隔；所述预热腔与所述气化缓冲腔之间的下部区域相互连通。
5.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述气化缓冲腔与所述重整腔的出口之间的下部区域通过设置第二隔板进行间隔；所述气化缓冲腔与所述重整腔的出口之间的上部区域相互连通。
6.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述点火腔与所述燃烧腔的进口之间的上部区域通过设置第三隔板进行间隔；所述点火腔与所述燃烧腔的进口之间的下部区域相互连通。
7.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述双螺旋结构腔体由两张间隔设置的平行金属隔板卷制而成；所述双螺旋结构腔体的两端设置封头进行封闭。
8.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述重整腔内设有重整催化剂装填室，所述重整催化剂装填室内用于装填重整催化剂。
9.根据权利要求1所述的液态燃料雾化进料的制氢螺旋板膜反应器，其特征在于，所述重整腔的出口为锥形出口，所述锥形出口的内壁涂覆有壁载水汽变换催化剂，用于水汽变换反应。
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