CN113274958A - 一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，包括催化燃烧腔、重整反应腔和高温烟气腔；催化燃烧腔主要由对称布置的第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板构成，催化燃烧腔流场入口布置流体混合导流板，催化燃烧流场板内侧的流场为蜗壳结构，沿流场方向布置折流板，第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板中心位置设置排气孔，流场内表面涂覆燃烧催化剂。本发明的有益效果是：本发明的反应器整体为中间层催化燃烧腔，两侧重整反应腔和高温烟气腔对称交错布置的柱形叠层结构，最外侧设置罩壳用于分布和收集气体，器件集成度高。
Description
技术领域
本发明涉及天然气重整反应器，具体涉及一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器及方法。
背景技术
氢气作为一种绿色高效的清洁能源，用途十分广泛，将在我国未来能源体系中占据重要地位。我国天然气资源储备丰富，利用天然气与水蒸气在高温下发生重整反应制取氢气，制氢效率高，与氢气高温应用场景(如高温燃料电池)匹配性好。目前天然气重整反应器一般采用天然气直接燃烧方式供给重整所需热量，如宁波材料所、宁波索福人公司的天然气/甲烷重整器。该方式需要有较大的燃烧空间，不利于器件小型化；燃烧火焰分布不均匀会导致壁面温差较大，对材料耐高温性能(>1000℃)要求高，且影响重整效率。若采用催化燃烧方式供热可解决前述问题，但为保证催化剂活性，催化燃烧反应温度相对较低，因此火焰稳定性不高。鉴于此，有必要提出一种可稳定催化燃烧的天然气重整反应器及方法。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器及方法。
这种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，包括催化燃烧腔、重整反应腔和高温烟气腔；
催化燃烧腔主要由对称布置的第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板构成，催化燃烧腔流场入口布置流体混合导流板，催化燃烧流场板内侧的流场为蜗壳结构，沿流场方向布置折流板，第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板中心位置设置排气孔，流场内表面涂覆燃烧催化剂；
重整反应腔由第一重整微通道板和第二重整微通道板在催化燃烧腔两侧对称布置形成，第一重整微通道板和第二重整微通道板圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，重整微通道板内侧的流场内部布置钝体，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，第一重整微通道板和第二重整微通道板中心位置设有不与重整流场连通的垂直气孔，流场内表面涂覆重整催化剂；
高温烟气腔由第一高温烟气微通道板和第二高温烟气微通道板在重整微通道板外侧布置形成，第一高温烟气微通道板和第二高温烟气微通道板圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，并与重整微通道板的气腔分隔板相对应，温烟气微通道板内侧的流场内部布置钝体，温烟气微通道板的钝体排布方向与重整微通道板的钝体排布方向垂直，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，高温烟气微通道板的圆弧腔壁与重整微通道板的圆弧腔壁的位置错开设置，第一高温烟气微通道板和第二高温烟气微通道板沿直径方向开狭槽形成高温烟气分布腔；
第一高温烟气微通道板和第二高温烟气微通道板外侧分别布置上端盖和下端盖，下端盖外侧设置罩壳；上端盖焊接第一天然气入口管、第二天然气入口管、空气入口管、水蒸气入口管、烟气废气出口管和重整氢气出口管。
作为优选：流体混合导流板采用平面导流板或螺旋导流板。
作为优选：第一催化燃烧流场板设有对应第一天然气入口管和空气入口管的管道。
作为优选：第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板设有对应烟气废气出口管的管道、对应第二天然气入口管和水蒸气入口管的管路以及对应重整氢气出口管的管道。
作为优选：第一催化燃烧流场板和第二催化燃烧流场板上对应设置分隔板形成催化燃烧气体混合腔，流体混合导流板位于催化燃烧气体混合腔内。
作为优选：高温烟气微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为重整气体分布腔和重整气体收集腔。
作为优选：重整微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为烟气收集腔A和烟气收集腔B。
作为优选：下端盖对应烟气收集腔A和烟气收集腔B下方开有两孔，其中位于烟气收集腔A下方的孔对应催化燃烧流场板上的烟气回流管，位于烟气收集腔B下方的孔洞对应烟气废气出口管。
作为优选：罩壳与下端盖之间留有缝隙。
这种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器的工作方法，包括以下步骤：
S1、天然气和空气分别通过第一天然气入口管和空气入口管进入催化燃烧腔入口，在催化燃烧气体混合腔中混合后流入催化燃烧腔的蜗壳结构流场进行催化燃烧反应；
S2、催化燃烧反应生成的高温烟气从催化燃烧腔中心的排气孔向上下两侧扩散进入高温烟气分布腔，在此处进行气体分布后流入高温烟气腔换热，然后排入烟气收集腔A和烟气收集腔B，其中烟气收集腔A中的烟气经烟气回流管进入罩壳底部空间，然后上行进入烟气收集腔B并与烟气收集腔B中的烟气汇合后一同从烟气废气出口管排出；
S3、用于重整反应的天然气和水蒸气分别通过第二天然气入口管和水蒸气入口管进入重整气体分布腔，在该处进行气体混合和分布后流入重整反应腔，吸收高温烟气腔及催化燃烧腔传导过来的热量后发生重整反应，生成气排入重整气体收集腔后从重整氢气出口管排出。
本发明的有益效果是：
1.本发明的反应器整体为中间层催化燃烧腔，两侧重整反应腔和高温烟气腔对称交错布置的柱形叠层结构，最外侧设置罩壳用于分布和收集气体，器件集成度高。
2.本发明的催化燃烧腔采用蜗壳结构流场，流场入口布置流体混合导流板，流场内部布置折流板，提高反应效率，保证催化燃烧稳定性。
3.本发明的重整反应腔和高温烟气腔采用微通道流场，流场内部布置钝体，外围沿圆周布置四块气腔分隔板用于分隔不同流股，并且重整反应腔与高温烟气腔为交错层叠布置微通道结构，保证换热性能，提高重整效率。
附图说明
图1为基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器结构分解图；
图2为基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器结构装配图。
附图标记说明：第一天然气入口管1、空气入口管2、第二天然气入口管3、水蒸气入口管4、烟气废气出口管5、重整氢气出口管6、上端盖7、第一高温烟气微通道板8、第一重整微通道板9、第一催化燃烧流场板10、第二催化燃烧流场板11、第二重整微通道板12、第二高温烟气微通道板13、下端盖14、罩壳15、烟气回流管16、高温烟气分布腔17、催化燃烧气体混合腔18、重整气体分布腔19、重整气体收集腔20、烟气收集腔A 21、烟气收集腔B 22。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。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的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，由于在细微通道内天然气催化燃烧会遇到气体停留时间短、燃烧效率低、燃烧不稳定等问题，本发明采用蜗壳结构流场，将燃料浓度低的部分集中在蜗壳中心部位，保证催化燃烧稳定性；催化燃烧腔两侧对称交错排布高温烟气及重整反应微通道流场，器件集成度高，换热效率好，可以保证重整效果。其结构包括催化燃烧腔、重整反应腔、高温烟气腔三部分。
催化燃烧腔主要由对称布置的第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11构成，催化燃烧腔流场入口布置流体混合导流板(平面导流板或螺旋导流板均可)，流场主体为蜗壳结构(等螺距或不等螺距蜗壳结构均可)，沿流场方向布置折流板，第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11中心位置设置排气孔，流场内表面涂覆燃烧催化剂。
重整反应腔由第一重整微通道板9和第二重整微通道板12在催化燃烧腔两侧对称布置形成，第一重整微通道板9和第二重整微通道板12圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，流场内部布置钝体以强化返混流(钝体形状不限)，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，第一重整微通道板9和第二重整微通道板12中心位置设有不与重整流场连通的垂直气孔，流场内表面涂覆重整催化剂。
高温烟气腔由第一高温烟气微通道板8和第二高温烟气微通道板13在重整微通道板外侧布置形成，第一高温烟气微通道板8和第二高温烟气微通道板13圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，并与重整微通道板的气腔分隔板相对应，流场内部布置钝体以强化返混流(钝体形状不限)，钝体排布方向与重整微通道板的钝体排布方向垂直，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，高温烟气微通道板的圆弧腔壁与重整微通道板的圆弧腔壁的位置错开设置(起到分隔气流、控制流体流出方向的作用，使高温烟气与重整气只能从各自的气体分布腔流入气体收集腔而不发生混合)，第一高温烟气微通道板8和第二高温烟气微通道板13沿直径方向开狭槽形成高温烟气分布腔17。
重整微通道板与高温烟气微通道板可根据需要在重整反应腔两侧对称交错布置多层(图中仅展示对称两层)，并在最外侧布置上端盖7和下端盖14，下端盖14外侧设置罩壳15。上端盖7焊接气体进出管，包括第一天然气入口管1、第二天然气入口管3、空气入口管2、水蒸气入口管4、烟气废气出口管5、重整氢气出口管6。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供一种更具体的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，具体结构如下：
第一催化燃烧流场板10设有对应第一天然气入口管1和空气入口管2的管道，第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11设有对应烟气废气出口管5的管道，第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11设有对应第二天然气入口管3和水蒸气入口管4的管路，第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11设有对应重整氢气出口管6的管道。第一催化燃烧流场板10和第二催化燃烧流场板11上对应设置分隔板形成催化燃烧气体混合腔18，流体混合导流板位于催化燃烧气体混合腔18内。高温烟气微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为重整气体分布腔19和重整气体收集腔20。重整微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为烟气收集腔A21和烟气收集腔B22。下端盖14对应烟气收集腔A21和烟气收集腔B22下方开两孔，其中位于烟气收集腔A21下方的孔洞对应催化燃烧流场板上的烟气回流管16，位于烟气收集腔B22下方的孔洞对应烟气废气出口管5。罩壳15与下端盖14之间留有缝隙。
实施例三
本申请实施例三提供一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器的工作方法，包括以下步骤：
S1、反应器工作时，天然气和空气分别通过第一天然气入口管1和空气入口管2进入催化燃烧腔入口，在催化燃烧气体混合腔18中混合后流入催化燃烧腔的蜗壳结构流场进行催化燃烧反应；
S2、催化燃烧反应生成的高温烟气从催化燃烧腔中心的排气孔向上下两侧扩散进入高温烟气分布腔17，在此处进行气体分布后流入高温烟气腔换热，后排入烟气收集腔A21和烟气收集腔B22，其中烟气收集腔A21中的烟气经烟气回流管16进入罩壳15底部空间，然后上行进入烟气收集腔B22并与烟气收集腔B22中的烟气汇合后一同从烟气废气出口管5排出；
S3、用于重整反应的天然气和水蒸气分别通过第二天然气入口管3和水蒸气入口管4进入重整气体分布腔19，在该处进行气体混合和分布后流入重整反应腔，吸收高温烟气腔及催化燃烧腔传导过来的热量后发生重整反应，生成气排入重整气体收集腔20后从重整氢气出口管6排出。
本发明的微通道叠层结构的天然气重整反应器，采用天然气催化燃烧方式供给重整所需热量。在催化燃烧部分采用了蜗壳结构流场，大大增加了燃料微元与催化剂的接触面积，从而提高反应效率；同时燃料浓度越低的部分越接近蜗壳中心，中心位置热损失小，可以在燃料浓度较低时维持稳定燃烧。催化燃烧后的高温烟气与重整气体通过微通道流场交错叠层布置，保证换热性能，提高重整效率。
Claims (10)
1.一种基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：包括催化燃烧腔、重整反应腔和高温烟气腔；
催化燃烧腔主要由对称布置的第一催化燃烧流场板(10)和第二催化燃烧流场板(11)构成，催化燃烧腔流场入口布置流体混合导流板，催化燃烧流场板内侧的流场为蜗壳结构，沿流场方向布置折流板，第一催化燃烧流场板(10)和第二催化燃烧流场板(11)中心位置设置排气孔，流场内表面涂覆燃烧催化剂；
重整反应腔由第一重整微通道板(9)和第二重整微通道板(12)在催化燃烧腔两侧对称布置形成，第一重整微通道板(9)和第二重整微通道板(12)圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，重整微通道板内侧的流场内部布置钝体，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，第一重整微通道板(9)和第二重整微通道板(12)中心位置设有不与重整流场连通的垂直气孔，流场内表面涂覆重整催化剂；
高温烟气腔由第一高温烟气微通道板(8)和第二高温烟气微通道板(13)在重整微通道板外侧布置形成，第一高温烟气微通道板(8)和第二高温烟气微通道板(13)圆周外沿均匀布置四块垂直圆周切线的气腔分隔板，并与重整微通道板的气腔分隔板相对应，温烟气微通道板内侧的流场内部布置钝体，温烟气微通道板的钝体排布方向与重整微通道板的钝体排布方向垂直，沿流体流动方向的两侧面分别布置1/4圆弧腔壁，高温烟气微通道板的圆弧腔壁与重整微通道板的圆弧腔壁的位置错开设置，第一高温烟气微通道板(8)和第二高温烟气微通道板(13)沿直径方向开狭槽形成高温烟气分布腔(17)；
第一高温烟气微通道板(8)和第二高温烟气微通道板(13)外侧分别布置上端盖(7)和下端盖(14)，下端盖(14)外侧设置罩壳(15)；上端盖(7)焊接第一天然气入口管(1)、第二天然气入口管(3)、空气入口管(2)、水蒸气入口管(4)、烟气废气出口管(5)和重整氢气出口管(6)。
2.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：流体混合导流板采用平面导流板或螺旋导流板。
3.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：第一催化燃烧流场板(10)设有对应第一天然气入口管(1)和空气入口管(2)的管道。
4.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：第一催化燃烧流场板(10)和第二催化燃烧流场板(11)设有对应烟气废气出口管(5)的管道、对应第二天然气入口管(3)和水蒸气入口管(4)的管路以及对应重整氢气出口管(6)的管道。
5.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：第一催化燃烧流场板(10)和第二催化燃烧流场板(11)上对应设置分隔板形成催化燃烧气体混合腔(18)，流体混合导流板位于催化燃烧气体混合腔(18)内。
6.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：高温烟气微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为重整气体分布腔(19)和重整气体收集腔(20)。
7.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：重整微通道板两侧的圆弧腔壁外侧对应的腔室分别为烟气收集腔A(21)和烟气收集腔B(22)。
8.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：下端盖(14)对应烟气收集腔A(21)和烟气收集腔B(22)下方开有两孔，其中位于烟气收集腔A(21)下方的孔对应催化燃烧流场板上的烟气回流管(16)，位于烟气收集腔B(22)下方的孔洞对应烟气废气出口管(5)。
9.根据权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器，其特征在于：罩壳(15)与下端盖(14)之间留有缝隙。
10.一种如权利要求1所述的基于催化燃烧的天然气重整微通道反应器的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、天然气和空气分别通过第一天然气入口管(1)和空气入口管(2)进入催化燃烧腔入口，在催化燃烧气体混合腔(18)中混合后流入催化燃烧腔的蜗壳结构流场进行催化燃烧反应；
S2、催化燃烧反应生成的高温烟气从催化燃烧腔中心的排气孔向上下两侧扩散进入高温烟气分布腔(17)，在此处进行气体分布后流入高温烟气腔换热，然后排入烟气收集腔A(21)和烟气收集腔B(22)，其中烟气收集腔A(21)中的烟气经烟气回流管(16)进入罩壳(15)底部空间，然后上行进入烟气收集腔B(22)并与烟气收集腔B(22)中的烟气汇合后一同从烟气废气出口管(5)排出；
S3、用于重整反应的天然气和水蒸气分别通过第二天然气入口管(3)和水蒸气入口管(4)进入重整气体分布腔(19)，在该处进行气体混合和分布后流入重整反应腔，吸收高温烟气腔及催化燃烧腔传导过来的热量后发生重整反应，生成气排入重整气体收集腔(20)后从重整氢气出口管(6)排出。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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