CN113769676A - 一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器。本发明的技术方案是：包括燃烧器模块与水蒸汽重整器模块；所述燃烧器模块包括燃烧器用水气化室、燃烧器用燃料气化室、自热重整反应室以及燃烧室；所述水蒸汽重整器模块包括水蒸汽重整用水气化室、水蒸汽重整用燃料气化室以及水蒸汽重整反应室，所述高温尾气经过水蒸汽重整器模块换热后形成低温燃烧尾气。本发明提供的方案通过自热重整法获得氢气用于催化剂燃烧，为水蒸汽重整反应提供热量，实现重整器可以使用同一种燃料完成快速启动，且重整气中氢气浓度维持较高水平，无含氮化合物杂质。

Description

一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器
技术领域
本发明涉及重整器技术领域，特别涉及一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器。
背景技术
随着燃料电池及氢气内燃机技术的发展，氢能作为一种替代能源，成为了科研与产品开发人员的共识。由于氢气的储运过程中存在的高压、易爆等问题，直接存储氢气作为能源将是一个使用成本高昂，存在极大安全隐患的方案。因此，采用富氢液体燃料进行催化重整反应制备氢气得到研究者的青睐。
燃料重整技术有多种，其中水蒸汽重整法与自热重整法因各自的特点得到了实际应用。水蒸汽重整法将气态燃料与水蒸汽在高温下通过催化剂作用发生反应，生产氢气，其氢气来源不仅来自燃料，同时将水中氢气也置换出，所以产物中氢气浓度高，主要产物为氢气、二氧化碳，一氧化碳。但重整反应为高温吸热反应，本身需要催化燃烧等外部供热，特别是在启动时，需要漫长的加热过程；催化燃烧对于氢气、甲醇等小分子具有非常好的催化效果，特别是对氢气，可以在较低温度下启燃，但对于分子中含碳原子较多的燃料，催化燃烧效果不佳，燃烧往往不充分，造成了大部分轻烃与柴油不能直接使用催化燃烧作为系统热源。
自热重整法通过在水蒸汽重整反应中引入了氧气，通过燃料的部分氧化提供热量，从而实现了整个体系的自供热，其具有冷启动时间短，动态响应快的特点，由于无需外部供热，所以反应器结构紧凑。但由于实际应用中通过引入空气来获得氧气，而空气中存在大量氮气，造成重整气的组分中含有大量氮气，降低了氢气浓度，且氮气在高温通过催化剂作用，易于和氢气发生反应，生产氨等副产物，这导致了提纯工艺的复杂化与成本的增加，实际应用中受到了限制。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的主要目的在于提供一种将燃料通过自热重整法获得氢气用于催化剂燃烧，为水蒸汽重整反应提供热量，实现重整器可以使用同一种燃料完成快速启动，且重整气中氢气浓度维持较高水平，无含氮化合物杂质的自热重整与水蒸汽重整结合的重整器。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器，包括燃烧器模块与水蒸汽重整器模块；所述燃烧器模块包括燃烧器用水气化室、燃烧器用燃料气化室、自热重整反应室以及燃烧室，所述燃烧器用水气化室输送燃烧器水蒸汽至自热重整反应室，所述燃烧器用燃料气化室输送燃料气体至自热重整反应室，所述自热重整反应室输送含氢的重整气体至燃烧室，所述燃烧室输送高温尾气至水蒸汽重整器模块；所述水蒸汽重整器模块包括水蒸汽重整用水气化室、水蒸汽重整用燃料气化室以及水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整用水气化室输送水蒸汽至水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整用燃料气化室输送燃料气体至水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整反应室输出水蒸汽重整气，所述高温尾气经过水蒸汽重整器模块换热后形成低温燃烧尾气。
优选的，所述燃烧室和自热重整反应室中均设置有颗粒状或蜂窝一体式或涂敷在燃烧室和自热重整反应室表面的催化剂。
本发明相对于现有技术具有如下优点，通过自热重整法与水蒸汽重整法结合，设计一种重整器，将燃料通过自热重整法获得氢气用于催化剂燃烧，为水蒸汽重整反应提供热量，实现重整器可以使用同一种燃料完成快速启动，且重整气中氢气浓度维持较高水平，无含氮化合物杂质。与现有技术相比，特别是对于多碳烃、柴油而言，实现了采用同一种燃料进行水蒸汽重整的供热。目前已有的水蒸汽重整反应器预热时间1-2小时，采用该技术，可以将时间缩短到0.5-1小时。
附图说明
图1为本发明的一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器的示意图。
图中：1、燃烧器模块；2、水蒸汽重整器模块；3、燃烧器用水；4、燃烧器用燃料；5、燃烧器用水气化室；6、燃烧器用燃料气化室；7、燃烧器水蒸汽；8、燃烧器用燃料气体；9、自热重整用空气；10、自热重整反应室；11、重整气体；12、燃烧室用空气；13、燃烧室；14、高温尾气；15、水蒸汽重整用水；16、水蒸汽重整用燃料；17、水蒸汽重整用水气化室；18、水蒸汽重整用燃料气化室；19、水蒸汽重整用水蒸汽；20、水蒸汽重整用燃料气体；21、水蒸汽重整反应室；22、水蒸汽重整气；23、低温燃烧尾气。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器，包括燃烧器模块1与水蒸汽重整器模块2；所述燃烧器模块1包括燃烧器用燃料气化室5、燃烧器用燃料气化室6、自热重整反应室10以及燃烧室13，所述燃烧器用燃料气化室6输送燃烧器水蒸汽7至自热重整反应室10，所述燃烧器用燃料气化室6输送燃烧器用燃料气体8至自热重整反应室10，所述自热重整反应室10输送含氢的重整气体11至燃烧室13，所述燃烧室13输送高温尾气14至水蒸汽重整器模块2；所述水蒸汽重整器模块2包括水蒸汽重整用水气化室17、水蒸汽重整用燃料气化室18以及水蒸汽重整反应室21，所述水蒸汽重整用水气化室17输送水蒸汽至水蒸汽重整反应室21，所述水蒸汽重整用燃料气化室18输送燃料气体至水蒸汽重整反应室21，所述水蒸汽重整反应室21输出水蒸汽重整气22，所述高温尾气14经过水蒸汽重整器模块2换热后形成低温燃烧尾气23。
优选的，所述燃烧室13和自热重整反应室10中均设置有颗粒状或蜂窝一体式或涂敷在燃烧室13和自热重整反应室10表面的催化剂。
本方案通过自热重整法与水蒸汽重整法结合，设计一种重整器，将燃料通过自热重整法获得氢气用于催化剂燃烧，为水蒸汽重整反应提供热量，实现重整器可以使用同一种燃料完成快速启动，且重整气中氢气浓度维持较高水平，无含氮化合物杂质。与现有技术相比，特别是对于多碳烃、柴油而言，实现了采用同一种燃料进行水蒸汽重整的供热。目前已有的水蒸汽重整反应器预热时间1-2小时，采用该技术，可以将时间缩短到0.5-1小时。
本发明所描述自热重整与水蒸汽重整结合的重整器大致可分成燃烧器模块1与水蒸汽重整器模块2两个部分，燃烧器模块1包括燃烧器用水3与燃烧器用燃料4进液管路与气化室、自热重整反应室10与燃烧室13。在整个燃烧室13预热到一定温度后，水与燃料经过气化后进入自热重整反应室10与自热重整用空气9在催化剂的作用下发生反应获得含氢的重整气体，该富氢重整气进入燃烧室13与空气在催化剂的作用下完全燃烧，产生高温尾气14。
水蒸汽重整器模块2包括水蒸汽重整用水15与水蒸汽重整用燃料16的气化室及管路，含有催化剂的水蒸汽重整反应室21。通过高温尾气14将水蒸汽重整器模块2预热，并将进入水蒸汽重整反应室21的水与燃料气化，气化后水蒸汽重整用水蒸汽19与水蒸汽重整用燃料气体20在水蒸汽重整反应室21中，获得杂质含量少且氢气浓度高的重整气。水蒸汽重整反应的热通过燃烧器的高温尾气14换热而得到。
燃烧器中水与燃料的气化室可以高温直接气化或喷雾后经高温气化，可与燃烧器一体成型进行体相传热也可独立于燃烧器之外采用燃烧尾气供热；为减少体积提高热效，建议一体成型。系统启动需要预热，预热方式可以采用电加热或者燃料燃烧直接加热等方式。自热重整反应室10中含有催化剂，催化剂可以是颗粒状、蜂窝一体式、涂敷自热重整反应室10表面等形式，不同燃料采用催化剂不同，可分成贵金属基、铜基、镍基、稀土类催化剂。
燃烧室13中含有催化剂，催化剂可以是颗粒状、蜂窝一体式、涂敷自热重整反应室10表面等形式，催化剂为Pt、Pd及其他贵金属及复合催化剂。
水蒸汽重整反应器中水与燃料的气化室可以高温直接气化或喷雾后经高温气化，可与燃烧器一体成型进行体相传热也可独立于燃烧器之外采用燃烧尾气供热；为合理利用尾气热量，建议独立于燃烧器之外采用燃烧尾气供热。
水蒸汽重整反应室21中含有催化剂，催化剂可以是颗粒状、蜂窝一体式、涂敷自热重整反应室10表面等形式，不同燃料采用催化剂不同，可分成贵金属基、铜基、镍基、稀土类催化剂。
以10kW柴油重整器为例，采用钢制作燃烧器，燃烧器壁面一侧集成水与燃料的气化流道，另外一侧集成自热重整反应室10，其内装填颗粒状Pt基催化剂，用于自热重整反应，通过尾气中的热电偶来监控燃烧的效果。燃烧器中间为圆柱形直径100长度100堇青石陶瓷蜂窝载体催化剂，燃烧器采用电加热管进行预热，当到达预热温度后，柴油与水通过气化流道进入自热反应室，与导入的空气发生自热重整，随后产生的重整气进入燃烧室13与空气发生催化剂燃烧提供高温气体，用于水蒸汽重整器预热。初始预热功率在2.5kW时，采用该种预热方式可在45分钟内完成。
水蒸汽重整器包括水蒸汽重整反应室21及水与燃料气化室，水蒸汽重整室为列管式气气换热器，采用钢制作，其内装填颗粒状Pt基催化剂，通过反应器与气化室上的热电偶来监控反应器的运行情况。由于柴油气化温度较高，接下来一级为柴油气化室，采用铝合金制作，流过水蒸汽重整反应室21的尾气用于柴油气化；最后为水蒸汽气化室，采用铝合金制造，将流经柴油气化室的尾气温度在进行利用，从而达到热量的合理利用。当水蒸汽重整反应室21达到反应温度，通过燃烧用燃料用量控制反应温度，按适当比例通入水与燃料进入水蒸汽重整器即可获得氢气高浓度，低杂质含量的重整气。
以上所述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 (2)

1.一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器，其特征在于：包括燃烧器模块与水蒸汽重整器模块；所述燃烧器模块包括燃烧器用水气化室、燃烧器用燃料气化室、自热重整反应室以及燃烧室，所述燃烧器用水气化室输送燃烧器水蒸汽至自热重整反应室，所述燃烧器用燃料气化室输送燃料气体至自热重整反应室，所述自热重整反应室输送含氢的重整气体至燃烧室，所述燃烧室输送高温尾气至水蒸汽重整器模块；所述水蒸汽重整器模块包括水蒸汽重整用水气化室、水蒸汽重整用燃料气化室以及水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整用水气化室输送水蒸汽至水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整用燃料气化室输送燃料气体至水蒸汽重整反应室，所述水蒸汽重整反应室输出水蒸汽重整气，所述高温尾气经过水蒸汽重整器模块换热后形成低温燃烧尾气。
2.根据权利要求1所述的一种自热重整与水蒸汽重整结合的重整器，其特征在于：所述燃烧室和自热重整反应室中均设置有颗粒状或蜂窝一体式或涂敷在燃烧室和自热重整反应室表面的催化剂。
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