CN113813884A - 一种安全高效的重整制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种安全高效的重整制氢反应器，主要由多层同心套筒、燃烧封头(B‑1)、混合分布器(D‑1)和两个换热封头(H‑1和H‑2)组成。多层同心套筒由内向外分别为供热‑1腔(C‑1)、供热‑2腔(C‑2)、重整反应腔(R‑1)、供热‑3腔(C‑3)和混合预热腔(M‑1)。在燃烧封头(B‑1)内采用烃类燃料非催化燃烧的方式为重整制氢反应过程提供热源。通过换热封头H‑1、换热封头H‑2以及混合预热腔(M‑1)实现热量的高效回收利用，提高反应器的能量效率。通过换热封头H‑1即时取热的方式避免供‑1腔(C‑1)顶部和供‑2腔(C‑2)顶部高温气流翻转筒壁处因局部热量累计导致的高温烧穿漏损坏反应器，提高反应器的安全性。本发明提供的制氢反应器可广泛用于化石燃料重整制氢过程，特别适用于产氢规模为1‑100m3/h的小型加氢站，或者为基于1‑100kW规模的燃料电池分布式电源现场制氢提供燃料。
Description
技术领域
本发明属于氢能源技术领域，具体涉及一种既高效又安全的重整制氢反应器，通过催化重整的方式将含氢烃类化合物转化成氢气。
背景技术
可再生能源和洁净新能源的开发利用正成为全球经济发展的必然选择，以氢能源为核心的“氢经济”已经为世界能源结构带来了的重大变革。随着氢能与燃料电池技术的深入发展，中小型分布式现场制氢系统、中小型分布式加氢站、分布式和便携式燃料电池电源系统已成为新的产业增长点。随着燃料电池技术商品化对燃料氢的低成本、高能效和模块化接口等相关技术的高要求，中小型分布式现场制氢系统得到了广泛关注。典型的中小型重整制氢反应器结构有板式、多层筒式、列管式、微结构式、膜式以及等离子反应器，其中多层筒式反应器以其小型化、紧凑度高、能量利用率高等优点成为制氢反应器的研究热点之一。
在多层筒式反应器中，涉及的关键核心问题如何提高反应器的能量效率和安全性。提高反应器能量利用效率，即提高放热源和吸热源之间的传热效率的同时高效回收放热源的剩余能量。采用优化反应器结构的方式可以达到强化换热过程的目的，合理设计供热源和吸热需求之间的热传导桥梁，以化石燃料催化燃烧或者非催化燃烧放热反应作为供热源，采用能量间接耦合方式为重整制氢吸热反应提供能量，同时通过预热重整制氢反应原料的方式回收供热源的剩余能量，在合理利用系统能量的同时可以最大程度提高产品气中的氢气浓度。采用化石燃料非催化明火燃烧的方式，其优点在于极大程度的提高了供热源的绝对温度，在反应器内部结构确定的情况下，能够进一步提高传热效率。然而，采用明火燃烧供热的不足之处在于制氢反应器在使用过程中存在安全隐患，尤其是当反应器长期稳定运行工况下，反应器内局部温度可能达到1500℃以上，会出现因为局部高温导致的烧穿漏现象，甚至导致反应器彻底损坏。
发明内容
鉴于此，本发明针对目前多层筒式结构制氢反应器存在的能量利用效率提升和安全隐患问题，提供了一种安全高效的重整制氢反应器，通过对反应器多层同心套筒的结构进行优化设计，在有效提高反应器能量利用效率的同时，避免了反应器内部因局部高温引起的烧穿漏问题，解决采用化石燃料明火燃烧供热方式存在的安全隐患，极大程度的提高反应器的安全性。
为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
一种安全高效的重整制氢反应器，由多层同心套筒、燃烧封头(B-1)、混合分布器(D-1)和两个换热封头(H-1和H-2)组成。
所述多层同心套筒，由内向外分别为供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)、重整反应腔(R-1)、供热-3腔(C-3)和混合预热腔(M-1)。
所述供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)和供热-3腔(C-3)相连通。
所述重整反应腔(R-1)和混合预热腔(M-1)相连通。
所述供热腔与重整反应腔(R-1)相互隔绝不连通。
所述供热腔与混合预热腔(M-1)相互隔绝不连通。
所述的重整反应腔(R-1)内部装填颗粒状重整制氢催化剂，重整制氢反应原料通过混合预热腔(M-1)预热后进入重整反应腔(R-1)中发生重整制氢吸热反应，吸热反应所需的能量由流经供热腔和换热封头的高温燃烧尾气提供。
所述燃烧封头(B-1)设置在反应器底部，与供热-1腔(C-1)连通。
所述燃烧封头(B-1)内部设置燃烧组件；所述燃烧组件包括火焰喷射器和点火器，组件的数量为1-5个。根据组件数量的变化采用不同布局方式，包括中心布局、三角布局和四叶草布局等。
所述混合分布器(D-1)设置在混合预热腔(M-1)的顶部，保障原料气体径向均匀分布进入混合预热腔(M-1)中。
所述换热封头H-1设置在供热-1腔(C-1)的顶部。换热封头H-1底部设置多孔圆形分布板(H-101)，内部设置盘管式换热器(H-106)，上部侧壁设置一圈方形栅孔(H-104)。
所述盘管式换热器(H-106)可以采用单层或者多层同心圆盘管方式，也可以采用单层波浪管由内向外盘管方式。原料水进入盘管取热后进入混合预热腔(M-1)中。
所述换热封头H-2设置在供热-3腔(C-3)的顶部。换热封头H-2内部设置燃烧尾气混合再分布腔(H-2a)、列管式换热器(H-2b)和燃烧尾气收集腔(H-2c)。
所述列管式换热器(H-2b)的管程流通高温燃烧尾气，高温燃烧尾气被壳程流通物料取热后排出反应器；
所述列管式换热器(H-2b)的壳程流通原料水，原料水经预热汽化后进入混合预热腔(M-1)中。
所述重整制氢反应器，重整制氢反应原料可来源于烃类化合物和水，优选的，烃类化合物反应原料来自甲烷、天然气和汽油。
所述重整制氢反应器内部主要发生两类化学反应，一类是在所述燃烧封头(B-1)内部发生的烃类化合物燃烧放热反应，火焰上部进入供热-1腔(C-1)中，产生的高温燃烧尾气连续经过供热-1腔(C-1)、换热封头H-1、供热-2腔(C-2)、供热-3腔(C-3)和换热封头H-2，之后排出反应器。另一类反应是在重整反应腔(R-1)内催化剂床层上进行的重整吸热反应，将含氢烃类化合物转化为富氢重整气。
作为本发明再进一步的技术方案，为了实现提高制氢反应器安全性的目的，将重整制氢原料水分成两路，控制其中一路水进入换热封头H-1。当燃烧封头(B-1)内部发生烃类化合物明火燃烧放热反应时，火焰进入供热-1腔(C-1)中，产生的高温燃烧尾气温度高达1500℃以上，经过换热封头H-1后部分热量被原料水及时取走，避免了供-1腔(C-1)顶部和供-2腔(C-2)高温气流翻转筒壁处因热量累计导致的高温烧穿漏，有效提高了反应器的安全性。
作为本发明再进一步的技术方案，为了实现提高制氢反应器能量利用效率的目的，采取以下几种技术手段：(1)将重整制氢原料水分成两路，分别进入换热封头H-1和换热封头H-2，分别取走供-1腔(C-1)和供-3腔(C-3)的部分热量，对原料水进行预热；(2)采用混合分布器(D-1)将重整反应原料烃类化合物均匀分布进入混合预热腔(M-1)中，与供-3腔(C-3)中的高温燃烧尾气采用逆流间接换热的方式回收部分热量；(3)从换热封头H-2流出的原料水进入混合预热腔(M-1)中，与供-3腔(C-3)中的高温燃烧尾气采用逆流间接换热的方式回收部分热量；(4)重整反应腔(R-1)内重整制氢吸热反应分别以逆流和顺流的方式与供-2腔(C-2)和供-3腔(C-3)中的高温燃烧尾气进行充分换热。
作为本发明再进一步的技术方案，所述的重整制氢反应器，产氢规模为1-100m3/h。针对超过100m3/h规模的制氢需求，可采用多个本发明提供的制氢反应器并联使用。
本申请能产生的有益效果包括：
(1)本申请提供的重整制氢反应器，采用内部结构优化达到强化热量传递过程的目的，充分考虑反应器结构与传热强化技术与之间的平衡关系，提高了反应器的能量利用效率。
(2)本申请提供的重整制氢反应器，合理匹配反应器内部热点控制技术与传热强化技术之间的联动关系，避免了反应器内部因局部高温引起的烧穿漏问题，极大程度的提高了反应器的安全性。
附图说明
图1是重整制氢反应器的结构示意图；
图2是燃烧封头内部点火组件布局示意图；
图3是重整制氢反应器内部物流管理示意图；
图4是换热封头H-1的结构示意图；
图5是换热封头H-2的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图详述本发明具体实施方式，但并不因此限制本发明的保护范围。
如附图1所示，一种安全高效的重整制氢反应器，由多层同心套筒、燃烧封头(B-1)、混合分布器(D-1)和两个换热封头(H-1和H-2)组成。其中，多层同心套筒由内向外分别为供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)、重整反应腔(R-1)、供热-3腔(C-3)和混合预热腔(M-1)。燃烧封头(B-1)设置在反应器底部，与供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)和供热-3腔(C-3)相连通。重整反应腔(R-1)和混合预热腔(M-1)相连通。供热腔与重整反应腔(R-1)相互隔绝不连通。供热腔与混合预热腔(M-1)相互隔绝不连通。在重整反应腔(R-1)内部装填颗粒状重整制氢催化剂，重整反应原料通过混合预热腔(M-1)预热后进入重整反应腔(R-1)中发生重整制氢吸热反应，反应所需的热量由流经供热腔的高温燃烧尾气提供。
在燃烧封头(B-1)内部设置燃烧组件，燃烧组件包括火焰喷射器和点火器。根据反应器产氢规模的不同，组件的数量不同，产氢规模越大，反应器体积越大，点火组件数量越多，但不超过5个。如附图2所示，根据组件数量的变化采用不同布局方式，包括中心布局(附图2-A)、三角布局(附图2-B)和四叶草布局(附图2-C)等。
下面以天然气重整制氢反应过程为例，以甲烷为天然气代表物，结合附图1和附图3，详细说明本发明的物流和能流的管理过程。
供热源由甲烷明火燃烧放热提供。首先燃烧甲烷(CH4-comb)001和空气002进入燃烧封头(B-1)中，通过点火组件点火后发生燃烧反应，产生的高温燃烧尾气003进入换热封头H-1中，被取走部分热量的高温燃烧尾气004从换热封头H-1上方侧壁流出进入供热-2腔(C-2)中，标记为005，通过逆流间接换热的方式为重整反应腔(R-1)供热后，燃烧尾气006在底部翻折进入供热-3腔(C-3)中，同时向重整反应腔(R-1)和混合预热腔(M-1)供热，标记为007。燃烧尾气007进入热封头H-2被回收部分热量，燃烧尾气008进入反应器燃烧尾气排放管排出反应器，标记为燃烧尾气009，主要成分为二氧化碳和水。
在重整反应腔(R-1)内部发生重整吸热反应过程。重整反应原料水分为两路，分别标记为101和201，重整反应原料甲烷(CH4-ref)标记为301。水路101进入热封头H-1中，取走供热-1腔(C-1)内高温燃烧尾气的部分热量后，预热后的水路102通过设置在供热-2腔(C-2)内的直管段进入混合预热腔(M-1)中，标记为水路103。水路201进入换热封头H-2中，取走供热-3腔(C-3)的部分热量后，进入混合预热腔(M-1)中的上端，标记为水路202。原料甲烷301经过混合分布器(D-1)，径向均匀的进入混合预热腔(M-1)中，标记为302。水路202和甲烷物流302混合得到甲烷和水混合物流303，在混合预热腔(M-1)中与燃烧尾气007以逆流间接换热的方式获取供热-3腔(C-3)的部分热量，得到混合物流304，物流304与水路103混合后得到甲烷和水混合物流305，进入重整反应腔(R-1)中发生重整制氢吸热反应，所需要的能量来自于供热-2腔(C-2)和供热-3腔(C-3)以及物料自身携带的能量，重整反应物流306分别与燃烧尾气005和007以逆流和顺流的方式换热获取能量，重整反应尾气为富氢重整气，标记为物流307、308和309。
换热封头H-1设置在供热-1腔(C-1)的顶部，结构如附图4所示，底部设置多孔圆形分布板(H-101)，内部设置盘管式换热器(H-106)，外筒壁(H-102)侧壁上部设置方形栅孔(H-104)，顶部为圆形盖板(H-103)。供热-1腔(C-1)中的高温燃烧尾气003从底部多孔圆形分布板(H-101)进入换热封头H-1中，经过盘管式换热器(H-106)换热后，从方形栅孔(H-104)流出，进入供热-2腔(C-2)中。原料水路101通过进水管路(H-105)进入盘管式换热器(H-106)中，与高温燃烧尾气003进行充分换热，预热后的原料水102从出水管路(H-107)流出。
换热封头H-2设置在供热-3腔(C-3)的顶部，结构如附图5所示，内部分为燃烧尾气混合再分布腔(H-2a)、列管式换热器(H-2b)和燃烧尾气收集腔(H-2c)三部分，换热封头中心设置一根贯穿换热封头的直管(H-208)，连接重整反应腔(R-1)，是富氢重整尾气309的排空管，直管(H-208)与换热封头H-2相互隔绝不连通。列管式换热器(H-2b)由多孔圆形底板(H-202)、列管(H-203)、多孔圆形盖板(H-204)以及壳程外壁组成。原料水201从进水管路(H-206)进入列管式换热器(H-2b)的壳程，与管程中的高温燃烧尾气008换热后，被预热的原料水202从设置在壳程外壁上部的一圈圆孔(H-207)中流出，进入混合预热腔(M-1)中。换热器的管程流通高温燃烧尾气，供热-3腔(C-3)中的燃烧尾气007经过底部多孔圆形分布板(H-201)进入混合再分布腔(H-2a)，之后进入列管式换热器(H-2b)的列管(H-203)中，被壳程物料水取走部分热量后，燃烧尾气008进入燃烧尾气收集腔(H-2c)中，最后从燃烧尾气排空管(H-205)排空，标记为009。
以上所述，仅是本申请的实施方式说明，并非对本申请做任何形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (8)
1.一种安全高效的重整制氢反应器，其特征在于，所述制氢反应器由多层同心套筒、燃烧封头(B-1)、混合分布器(D-1)和两个换热封头(H-1和H-2)组成。
所述多层同心套筒，由内向外分别为供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)、重整反应腔(R-1)、供热-3腔(C-3)和混合预热腔(M-1)，其中供热-1腔(C-1)、供热-2腔(C-2)和供热-3腔(C-3)相连通，重整反应腔(R-1)和混合预热腔(M-1)相连通；
所述供热腔与重整反应腔(R-1)相互隔绝不连通；
所述供热腔与混合预热腔(M-1)相互隔绝不连通。
2.根据权利要求1所述的燃烧封头，其特征在于，所述燃烧封头(B-1)设置在反应器底部，与供热-1腔(C-1)连通，在其内进行烃类燃料非催化明火燃烧反应，火焰上部进入供热-1腔(C-1)中，产生的高温尾气连续经过供热-1腔(C-1)、换热封头H-1、供热-2腔(C-2)、供热-3腔(C-3)和换热封头H-2，之后排出反应器。
3.根据权利要求2所述的燃烧封头，其特征在于，所述燃烧封头(B-1)内部设置燃烧组件；所述燃烧组件包括火焰喷射器和点火器，组件的数量为1-5个。根据组件数量的变化采用不同布局方式，包括中心布局、三角布局和四叶草布局等。
4.根据权利要求1所述的换热封头，其特征在于，所述换热封头H-1设置在供热-1腔(C-1)的顶部。
所述换热封头H-1底部设置多孔圆形分布板(H-101)，内部设置盘管式换热器(H-106)，上部侧壁设置一圈方形栅孔(H-104)；
所述盘管式换热器(H-106)可以采用单层或者多层同心圆盘管方式，也可以采用单层波浪管由内向外盘管方式，原料水进入盘管取热后进入混合预热腔(M-1)中。
5.根据权利要求1所述的换热封头，其特征在于，所述换热封头H-2设置在供热-3腔(C-3)的顶部。
所述换热封头H-2内部设置燃烧尾气混合再分布腔(H-2a)、列管式换热器(H-2b)和燃烧尾气收集腔(H-2c)。
所述列管式换热器(H-2b)的管程流通高温燃烧尾气，燃烧尾气被壳程流通物料取热后排出反应器；
所述列管式换热器(H-2b)的壳程流通原料水，原料水经预热汽化后进入混合预热腔(M-1)中。
6.根据权利要求1所述的混合分布器，其特征在于，所述的混合分布器(D-1)设置在混合预热腔(M-1)的顶部，保障气体原料径向均匀分布进入混合预热腔(M-1)中。
7.根据权利要求1所述的重整反应腔，其特征在于，所述的重整反应腔(R-1)内部装填颗粒状重整制氢催化剂，反应原料通过混合预热腔(M-1)预热后进入重整反应腔(R-1)中发生重整制氢吸热反应，反应所需的热量由流经供热腔的高温燃烧尾气提供。
8.根据权利要求1所述的重整制氢反应器，其特征在于，反应原料可来源于烃类化合物，优选的，反应原料来自甲烷、天然气和汽油。
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