CN114132897B - 一种甲醇重整制氢设备的重整器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种甲醇重整制氢设备的重整器，包括主壳体、加热管道、预热管道和甲醇水流道；主壳体外形呈圆柱形两端为圆台形，采用保温材料，设置有分气盒、甲醇输入口、氢气输出口、加热气流输入口以及加热气流输出口；预热管道为一条直管道，该管道一端与甲醇输入口相连，另一端与甲醇水流道相连；加热管道由外侧折线形管道与内侧螺旋线管道两部分组成。相较于现有技术，本发明甲醇重整制氢设备的重整器通过优化的阶梯式函数流道和双层加热管道，并利用了分气盒，从而提高了重整腔内温度的一致性，增加了甲醇反应的接触面积，有效保证了重整催化剂催化能力的发挥，有效的提高了重整的效率。

Description

一种甲醇重整制氢设备的重整器

技术领域

本发明涉及甲醇重整制氢技术领域，具体涉及为一种甲醇重整制氢设备的重整器。

背景技术

随着各国对环境保护、技术进步和能源安全重视程度的加深，大量消耗化石能源的内燃机在公路交通领域的应用正逐渐被采用其他能源的各类动力系统所取代，新能源汽车行业迎来发展良机。发动机在运行过程中产生大量废热并通过尾气排出，造成大量能量的损失，甲醇重整制氢反应需要吸收大量热量。因此，可以充分利用尾气中的热量，将甲醇与水重整产生氢气和二氧化碳混合气，统称为重整气。

目前公开的各种重整器是利用发动机排出的热尾气的热量将醇类重整为氢气等可燃气体，并通入发动机中燃烧，产生的尾气同时携带大量热量。随着研究的不断深入，目前余热回收重整器的结构包括板框式、列管式和其他形式。目前使用较多的是套管式结构。套管式结构是利用双管以及更多管通入对应的醇类与热尾气，通过管壁进行传递热量，达到余热回收和重整反应生产重整气的目的。

公开号为CN103708418B的中国专利公开了一种利用汽车尾气余热进行甲醇重整制氢的装置，该专利中反应主体内外壳间加有绝热陶瓷棉，在反应主体下盖板上先层叠多层甲醇水蒸发层，再交替层叠重整反应层和燃烧反应层。虽然该专利能够减少汽车尾气余热的能量浪费，但是反应装置内受热不均匀问题，影响催化剂活性，同时该专利中的甲醇水溶液不能较好的预热。

目前公开的各种重整器在实际使用中均存在，实际重整反应接触面积不足、加热效率低，重整反应效率不够高，进而导致原料和加热气流的浪费率很高；同时预热效率低、预热不均匀，重整腔受热不均匀，温差较大问题，影响催化剂活性，导致催化剂不能处于最佳温度，也影响催化剂寿命。

发明内容

本发明的目的在于为了解决目前重整器反应接触面积不足、加热效率低、重以及预热效率低的问题，提供一种甲醇重整制氢设备的重整器，以解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种甲醇重整制氢设备的重整器，包括主壳体、加热管道、预热管道和甲醇水流道；主壳体外形呈圆柱形两端为圆台形，采用保温材料，设置有分气盒、甲醇输入口、氢气输出口、加热气流输入口以及加热气流输出口；预热管道为一条直管道，该管道一端与甲醇输入口相连，另一端与甲醇水流道相连；加热管道由外侧折线形管道与内侧螺旋线管道两部分组成，加热管道分布在甲醇水流道的内外两侧且与甲醇水流道的波峰波谷相切，所述两种加热管道与重整器一端的分气盒相连，所述分气盒与加热气流输入口相连，另一端与加热气流输出口相连；

甲醇水流道为y＝sin x、y＝2 sin x和y＝3 sin x三个三角函数的一部分结合而成的阶梯式管道，波峰处利用折线形管道进行加热，波谷处由内侧螺旋线管道加热，所述甲醇水流道的波峰波谷处设有蜂窝状的催化剂载体并装有反应催化剂，所述流道一端与预热管道相连，另一端预氢气输出口(7)相连。

加热气流依次通过加热气流输入口、分气盒、分支管进入预热管道进行预热；甲醇水通过预热管道进入加热管道内；加热气流输入口内的加热气流通过分气盒均匀分散至数个加热管道内，以使重整腔受热均匀；内侧螺旋线管道内的热气流使预热管道受热均匀。

进一步地，加热气流输入口位于分气盒的端面中心，分支管在分气盒端面上以进气管为中心环状排列成一圈。

进一步地，加热气流输入口与分气盒连接；分支管出气端与加热管道连通；加热气流输入口与分支管均密封连接。

进一步地，主壳体与折线形管道外侧由保温材料密封连接，加热气流输入口穿过主壳体的一端并与主壳体的一端密封连接；重整腔另一端设有加热气流输出口，重整腔内的重整气经加热气流输出口流出。

进一步地，主壳体侧壁设有加热气流输出口，加热气流输出口与加热管道连通；主壳体侧壁设有甲醇输入口，甲醇输入口与甲醇水流道连通。

进一步地，预热管道、内侧螺旋线管道、甲醇水流道和折线形管道分层分部整体呈圆柱形，且有较厚的主壳体有利于防止热量的散失，提高加热气流的利用率。

进一步地，甲醇水流道呈为y＝sin x、y＝2 sin x和y＝3 sin x三个三角函数的一部分结合而成的阶梯式管道，且在波峰波谷处分布有催化剂，经计算，相对于直管形流道，所述甲醇水流道可扩大接触面积1.895倍，且呈阶梯式，相对于单一的正弦函数管道，可减少流道内的阻力约23.64％。

进一步地，预热管道为直线管状；加热管道外侧为折线形管道，内侧为螺旋线管道可提高加热气流利用率，并可提高预热、加热效率12.48％。

进一步地，主壳体、重整腔、加热气流输入口、加热气流输出口、分支管的轴向方向均相同。

与现有技术相比，本发明提供了一种甲醇重整制氢设备的重整器，具备以下有益效果：

该一种甲醇重整制氢设备的重整器，通过将甲醇水流道设计为阶梯式正弦函数形状，扩大了反应接触积加热气流由分气盒均匀分散至数个分支管内，加热气体能够均匀的对甲醇水流道内的甲醇水蒸气加热，提供重整反应所需的热量，能够充分保证催化剂受热均匀，温差小，使得催化剂处于最佳温度，重整反应效率高；分支管内的气体与分支管外的甲醇水蒸气进行高效换热；从分支管内流出的气体进入螺旋形加热管道内，对预热管道均匀加热，提高预热管道的预热效率；螺旋形加热管道环绕在两条预热管道上，能够增加预热管道内甲醇水混合物的受热面积，预热效率好，预热管道内的甲醇水混合物与预热管道外的气体进行热量交换，预热效率高；甲醇水的预热，重整反应的进行均位于主壳体中心轴周围，因此，本发明结构简单、紧凑、体积小。

附图说明

图1为本发明一种甲醇重整制氢设备的重整器外部结构示意图；

图2为本发明一种甲醇重整制氢设备的重整器内部结构示意图；

图3为本发明一种甲醇重整制氢设备的重整器内部结构分解图；

图4为本发明分气盒结构结构示意图。

图中：1、主壳体；2、加热管道；201、折线形管道；202、内侧螺旋线管道；3、预热管道；4、甲醇水流道；5、分气盒；501、分支管；6、甲醇输入口；7、氢气输出口；8、加热气流输入口；9、加热气流输出口；10、重整腔。

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。

请参阅图1-4，一种甲醇重整制氢设备的重整器，包括主壳体1、加热管道2、预热管道3和甲醇水流道4；主壳体1外形呈圆柱形两端为圆台形，采用保温材料，设置有分气盒5、甲醇输入口6、氢气输出口7、加热气流输入口8以及加热气流输出口9。由于影响催化剂活性的温度限制，需要在进入甲醇水流道4前将甲醇水混合物加热为高温的过热甲醇水蒸气。预热管道3为一条直管道，该管道一端与甲醇输入口6相连，另一端与甲醇水流道4相连；加热管道2由外侧折线形管道201与内侧螺旋线管道202两部分组成，加热管道2分布在甲醇水流道4的内外两侧且与甲醇水流道4的波峰波谷相切，所述两种加热管道2与重整器一端的分气盒5相连，所述分气盒5与加热气流输入口8相连，另一端与加热气流输出口9相连。

甲醇水流道4为y＝sin x、y＝2 sin x和y＝3 sin x三个三角函数的一部分结合而成的阶梯式管道，波峰处利用折线形管道201进行加热，波谷处由内侧螺旋线管道202加热，所述甲醇水流道4的波峰波谷处设有蜂窝状的催化剂载体并装有反应催化剂，所述流道一端与预热管道3相连，另一端预氢气输出口7相连。

加热气流依次通过加热气流输入口8、分气盒5、分支管501进入预热管道3进行预热；甲醇水通过预热管道3进入加热管道2内。加热气流输入口8、分气盒5、分支管501、内侧螺旋线管道202组成加热气流的流通路线。加热气流最后由主壳体1侧面设置的加热气流输出口9排出。甲醇输入口6、预热管道3、甲醇水流道4组成甲醇水的流通路线，甲醇水在预热管道3内加热形成甲醇水蒸气，甲醇水蒸气在甲醇水流道4内重整生成的重整器由主壳体1侧壁的氢气输出口7排出。

加热气流通过加热气流输入口8进入分气盒5，通过分气盒5均匀分散至数个分支管501内以使重整腔10受热均匀，以便均匀的对甲醇水流道4内的甲醇水蒸气加热，提供重整反应所需的热量，充分保证重整腔10受热均匀，温差小，使得催化剂处于最佳温度，重整反应效率高。分支管501内的热尾气与分支管501外的甲醇水蒸气进行高效换热。内侧螺旋线管道202使得预热管道3受热均匀，提高预热管道3的预热效率。预热管道3沿重整器中心轴分部，能够增加预热管道3内甲醇水混合物的受热面积，预热效率好。预热管道3内的甲醇水混合物与预热管道3外的加热气流进行热量交换，预热效率高。本实施例中甲醇水混合物的预热，重整反应的进行均位于主壳体内，因此，本实施例结构简单、紧凑、体积小。

分气盒5优选设置为圆饼形，分气盒5均匀将通入的加热气流分散至分支管501，从而均匀对重整腔10进行加热。加热气流输入口8位于分气盒5的端面中心，分支管501在分气盒5端面上以进气管为中心环状排列成圈状。分气盒5一端面中心设有第一圆孔，加热气流输入口8的一端位于圆孔内与分气盒5内部连通，同时加热气流输入口8与分气盒5端面密封连接。同时分支管501与分气盒5端面密封连接。加热气流输入口8与分支管501设置为直管状。

重整腔10整体为圆柱体形，加热管道2、预热管道3和甲醇水流道4等主要结构都关于重整器中心轴环形对称。加热气流输入口8与分气盒5连接；分支管501出气端与加热管道2连通；加热气流输入口8与分支管501均密封连接。

主壳体1为圆柱体状。为保证整体的密封性及保温性，主壳体1与折线形管道201外侧由保温材料密封连接，主壳体1的一端开设有圆孔，加热气流输入口8穿过圆孔并与主壳体1的一端密封连接。重整腔10一端与主壳体1的另一端相邻并设有氢气输出口7，重整腔10内的重整气经氢气输出口7流出，氢气输出口7设有用以控制其通断的自动阀门。主壳体1侧壁设有加热气流输出口9，加热气流输出口9与预热管道3连通。主壳体1侧壁设有甲醇输入口6，甲醇输入口6与甲醇水流道4连通。

预热管道3、内侧螺旋线管道202、甲醇水流道4和折线形管道201分层分部整体呈圆柱形，且有较厚的主壳体1有利于防止热量的散失，提高加热气流的利用率。

为提高甲醇水的利用率以及提高加热效率，甲醇水流道4呈为y＝sin x、y＝2 sinx和y＝3 sin x三个三角函数的一部分结合而成的阶梯式管道，且在波峰波谷处分布有催化剂，经计算，相对于直管形流道，所述甲醇水流道4可扩大接触面积1.895倍，且呈阶梯式，相对于单一的正弦函数管道，可减少流道内的阻力约23.64％。主壳体1、重整腔10、加热气流输入口8、加热气流输出口9、分支管501的轴向方向均相同。

本实施例在具体实施时，首先，甲醇水混合物由甲醇输入口6进入主壳体1；继而，甲醇水混合物通过连接管进入预热管道3内，位于预热管道3内的甲醇水混合物与预热管道3外的加热气流进行热量交换，通过热交换使甲醇水混合物加热为高温的甲醇水蒸气；之后，高温的甲醇水蒸气通过连接管进入甲醇水流道4，折线形管道201与内侧螺旋线管道202对甲醇水蒸气加热，提供重整反应所需的热量；最后，重整气由氢气输出口7流出。加热气流首先由加热气流输入口8进入分气盒5，并经分气盒5均匀分散至数个分支管501内，分支管501内的加热气流进入螺旋形加热通道预加热管内的甲醇水进行第一次换热；同时，第一次换热的同时，加热气流由分支管501进入折线形管道201内的甲醇水蒸气进行第二次换热；最后，两次换交热完成后的尾气经加热气流输出口9排出。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：包括主壳体(1)、加热管道(2)、预热管道(3)和甲醇水流道(4)；主壳体(1)外形呈圆柱形两端为圆台形，采用保温材料，设置有分气盒(5)、甲醇输入口(6)、氢气输出口(7)、加热气流输入口(8)以及加热气流输出口(9)；预热管道(3)为一条直管道，该管道一端与甲醇输入口(6)相连，另一端与甲醇水流道(4)相连；加热管道(2)由外侧折线形管道(201)与内侧螺旋线管道(202)两部分组成，加热管道(2)分布在甲醇水流道(4)的内外两侧且与甲醇水流道(4)的波峰波谷相切，两种加热管道(2)与重整器一端的分气盒(5)相连，所述分气盒(5)与加热气流输入口(8)相连，另一端与加热气流输出口(9)相连；

甲醇水流道(4)为y＝sinx、y＝2sinx和y＝3sinx三个三角函数的一部分结合而成的阶梯式管道，波峰处利用折线形管道(201)进行加热，波谷处由内侧螺旋线管道(202)加热，所述甲醇水流道(4)的波峰波谷处设有蜂窝状的催化剂载体并装有反应催化剂，所述流道一端与预热管道(3)相连，另一端预氢气输出口(7)相连；

加热气流依次通过加热气流输入口(8)、分气盒(5)、分支管(501)进入预热管道(3)进行预热；甲醇水通过预热管道(3)进入加热管道(2)内；加热气流输入口(8)内的加热气流通过分气盒(5)均匀分散至数个加热管道(2)内，以使重整腔(10)受热均匀；内侧螺旋线管道(202)内的热气流使预热管道(3)受热均匀。

2.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述加热气流输入口(8)位于分气盒(5)的端面中心，分支管(501)在分气盒(5)端面上以进气管为中心环状排列成一圈。

3.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述加热气流输入口(8)与分气盒(5)连接；分支管(501)出气端与加热管道(2)连通；加热气流输入口(8)与分支管(501)均密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述主壳体(1)与折线形管道(201)外侧由保温材料密封连接，加热气流输入口(8)穿过主壳体(1)的一端并与主壳体(1)的一端密封连接；重整腔(10)另一端设有加热气流输出口(9)，重整腔(10)内的重整气经加热气流输出口(9)流出。

5.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述主壳体(1)侧壁设有加热气流输出口(9)，加热气流输出口(9)与加热管道(2)连通；主壳体(1)侧壁设有甲醇输入口(6)，甲醇输入口(6)与甲醇水流道(4)连通。

6.根据权利要求5所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述预热管道(3)、内侧螺旋线管道(202)、甲醇水流道(4)和折线形管道(201)分层分部整体呈圆柱形，且有较厚的主壳体(1)有利于防止热量的散失，提高加热气流的利用率。

7.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述预热管道(3)为直线管状；加热管道(2)外侧为折线形管道(201)。

8.根据权利要求1所述的一种甲醇重整制氢设备的重整器，其特征在于：所述主壳体(1)、重整腔(10)、加热气流输入口(8)、加热气流输出口(9)、分支管(501)的轴向方向均相同。