CN114212754B - 一种新型甲醇重整器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型甲醇重整器，涉及工业设备领域，所述甲醇重整器由醇水输入口、富氢气体输出口、甲醇空气进气口、反应尾气出气口、腔体、传热板及催化剂层组成。所述腔体包括三层流道：上层预热处理流道、中层甲醇催化燃烧流道、下层甲醇催化重整流道；所述预热处理流道用于接收通过醇水输入口输送的甲醇水溶液，将其预热处理生成甲醇水蒸汽；所述甲醇催化燃烧流道用于为所述预热处理流道与甲醇催化重整流道提供热量；所述甲醇催化重整流道用于对甲醇水蒸汽进行重整制氢；所述各流道均为蛇形流道结构，且纵向为对称式递增波函数。本发明可有效解决现有甲醇重整器催化剂利用率低的问题，提高甲醇水蒸气重整的效率。
Description
技术领域
本发明涉及工业设备技术领域，具体为一种新型甲醇重整器。
背景技术
能源无疑是当今全世界共同关注的一大话题，受全球能源消费量的不断增长和能源消耗导致的气候问题，越来越多的有识之士认为，燃料电池电堆作为一种真正意义上的“零排放，无污染”清洁能源，受到世界各国的关注，但是，氢燃料电池受制于高昂的加氢站建设成本和储氢、运氢成本，不光在国内，在全球推广都面临较大的阻力，而甲醇重整燃料电池车跟纯氢路线比不需要高压储氢罐，也不需要建设加氢站，因此推广成本低。同样跟甲醇发动机比，效率高出其一倍，使用寿命更长，因此更具推广优势。
甲醇重整燃料电池是将甲醇蒸汽和水蒸气通过重整器在催化剂的作用下制氢，制得氢气直接输送到高温燃料电池中进行发电。甲醇重整的作用非常重要，解决了氢的来源问题。当然，甲醇重整器也是甲醇重整燃料电池的核心部件之一，其重整的效率和质量直接影响燃料电池的效率、输出性能和寿命。但是目前的甲醇重整器不能使反应物充分混合，并且甲醇和水蒸气与催化剂接触的面积小。
发明内容
本发明提供一种新型甲醇重整器，主要目的在于通过多层流道结构将甲醇催化重整和甲醇催化燃烧合为一个装置，通过间接传热实现热耦合。所述新型甲醇重整器的优点是反应接触面积大、传热性能好、结构紧凑、体积小。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供了一种新型甲醇重整器，包括包括醇水输入口、富氢气体输出口、甲醇空气进气口、反应尾气出气口、腔体、传热板及催化剂层，其中所述腔体包括三层流道：上层预热处理流道，中层甲醇催化燃烧流道，下层甲醇催化重整流道。
优选的，所述所述预热处理流道用于接收通过醇水输入口输送的甲醇水溶液，将甲醇水溶液预热生成甲醇水蒸汽；所述甲醇催化燃烧流道用于为所述预热处理流道与甲醇催化重整流道提供热量。所述甲醇催化重整流道用于对甲醇水蒸汽进行重整制氢。
优选的，所述流道结构为蛇形流道结构，纵向为对称式递增波函数，其函数表达式为：相较于一般简谐波函数，所述函数可以增大实际反映接触面积，捕集更多燃料，并迫使更多燃料进入催化剂层。
优选的，所述蛇形流道结构进口与圆角树形进流歧管相连。
优选的，所述醇水输入口与预热处理流道相连，所述富氢气体输出口与甲醇催化重整流道相连，所述甲醇空气进气口和反应尾气进气口与甲醇催化燃烧相连。
优选的，所述相邻两流道之间保持错流流动，各流道的进出口不在同一方向上，有效降低了封头的设计难度。
优选的，通过以下公式估算甲醇转化率：
其中，Vin为甲醇水溶液流量，ml/min；ρmix为甲醇水溶液密度，g/ml；Vout为出口气体产物流量，ml/min；δ为S/C比；为甲醇摩尔质量，g/mol；/>为水摩尔质量，g/mol；mc为催化剂质量，g。
优选的，所述甲醇催化燃烧流道表面传热系统3.57W/(m·K)，预热传热系统处理流道表面传热系数116.7W/(m2·K)，所以所述上层流道与中层流道之间的传热板采用黄铜材料，所述中层流道与下层流道之间的传热板采用不锈钢材料。
优选的，所述催化剂层包括VOCs催化剂和铜锌铝系催化剂，其中VOCs催化剂附着在甲醇催化燃烧流道内壁上，铜锌铝系催化剂附着在甲醇催化重整流道内壁上，催化剂层主要集中在波函数的波谷处。
优选的，所述流道的流道口为边长为2mm的正方形，波函数的最低波谷高10mm，流道总长100mm。
优选的，所述甲醇重整器总长度为140mm，宽度为70mm，高度为30mm。传热板的厚度为2mm。
借由上述技术方案，本发明提供的技术方案至少具有下列优点：
本发明提供的流道纵向为对称式递增波函数，相比于直流道，反应接触面积增大了近50％；相比于一般简谐波函数，在反应接触面积相同的情况下，实际反应面积增大了近30％。同时，波函数可以捕集更多的燃料，迫使更多燃料进入催化剂层。所述新型甲醇重整器的优点是反应接触面积大、传热性能好、结构紧凑、体积小。
附图说明
图1为本发明结构一种新型甲醇重整器整体结构示意图；
图2为本发明结构一种新型甲醇重整器侧面视图；
图3为本发明结构一种新型甲醇重整器流道纵向剖面示意图；
图4为本发明结构一种新型甲醇重整器预热处理流道的横向剖面示意图；
图5为本发明结构一种新型甲醇重整器甲醇催化燃烧流道的横向剖面示意图；
图6为本发明结构一种新型甲醇重整器甲醇催化重整流道的横向剖面示意图。
图中：1、醇水输入口；2、甲醇空气进气口；3、反应尾气出气口；4、富氢气体输出口；5、预热处理流道；6、黄铜传热板；7、甲醇催化燃烧流道；8、不锈钢传热板9、甲醇催化重整流道；10、甲醇水蒸汽流道；11、圆角树形进流歧管。
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。
本发明提供一种新型甲醇重整器，如图1、图2所示，包括醇水输入口、富氢气体输出口、甲醇空气进气口、反应尾气出气口、腔体、传热板及催化剂层，重整器总长度为140mm，宽度为70mm，高度为30mm。
本发明提供一种三层流道，如图3所示，上层预热处理流道，中层甲醇催化燃烧流道，下层甲醇催化重整流道，各流道的流道口为边长为1mm，各流道最低波谷高2mm，传热板的厚度为2mm，预热处理流道波峰距上顶面10mm，甲醇催化重整流道最低波谷距下地面11mm。
本发明提供一种预热处理流道，如图4所示，醇水输入口与圆角树形进流歧管相连，醇水输入口的口径为5mm，树形分叉流道口为边长为1mm的正方形，分叉角度为120°，共分两组树形分叉，第二组树形分叉与蛇形流道相连，共绕行25次，蛇形流道间壁厚为1mm，重整器前后面到流道的距离皆为1Omm，甲醇水蒸汽流道口径为5mm。甲醇水溶液通过醇水输入口进入圆角树形进流歧管，经过预热处理流道加热后，使甲醇水溶液达到饱和气相温度87.5℃，甲醇水溶液汽化生成甲醇水蒸汽，进入甲醇水蒸汽流道。
本发明提供一种甲醇催化燃烧流道，如图5所示，甲醇空气进气口及反应尾气出气口与甲醇催化燃烧流道相连，反应尾气出气口向外连接尾气净化装置，进气口和出气口皆为边长为1mm的正方形，甲醇燃烧催化剂为VOCs催化剂，附着在甲醇催化燃烧流道内壁，主要集中在流道波谷处。甲醇空气混合气体通过甲醇空气进气口进入甲醇催化燃烧流道，经催化剂催化后燃烧放热，为预热处理流道和甲醇催化重整流道提供热量，反应后的尾气通过反应尾气出气口排到尾气净化装置，净化后排出。
本发明提供一种甲醇催化重整流道，如图6所示，甲醇水蒸汽流道与圆角树形进流歧管相连，圆角树形进流歧管与预热处理流道中结构相同，歧管另一端与甲醇催化重整流道进口相连，流道出口与富氢气体输出口相连，富氢气体输出口口径为5mm，甲醇重整催化剂为铜锌铝系催化剂，其是以Cu为主体，ZnO2、Al203为间隔体的铜锌铝系催化剂，并分别对ZnO2和Al203的间隔体进行密封处理，催化剂层附着在甲醇催化燃烧流道内壁，主要集中在流道波谷处。甲醇水蒸汽通过甲醇水蒸汽流道进入圆角树形进流歧管，然后进入甲醇催化重整流道，经催化剂催化后重整制氢，制备出的氢气及其他反应气体通过富氢气体输出口进入气体处理装置，最终得到氢气。
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)
1.一种新型甲醇重整器，其特征在于：包括醇水输入口、富氢气体输出口、甲醇空气进气口、反应尾气出气口、腔体、传热板及催化剂层，其中所述腔体包括流道，所述流道分为三层，其横向为为蛇形流道结构，纵向为对称式递增波函数；所述流道上层为预热处理流道，所述流道中层为甲醇催化燃烧流道，所述流道下层为甲醇催化重整流道；甲醇重整器总长度为140mm，宽度为70mm，高度为30mm，所述传热板的厚度为2mm。
2.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：所述预热处理流道用于接收通过醇水输入口输送的甲醇水溶液，将甲醇水溶液预热生成甲醇水蒸汽；所述甲醇催化燃烧流道用于所述预热处理流道与甲醇催化重整流道提供热量；所述甲醇催化重整流道用于对甲醇水蒸汽进行重整制氢。
3.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：所述流道的纵向为对称式递增波函数，其函数表达式为：
相较于一般简谐波函数，所述函数可以增大实际反映接触面积，捕集更多燃料，并迫使更多燃料进入催化剂层，所述流道的流道口为边长为2mm的正方形，波函数的最低波谷高10mm，流道总长100mm。
4.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：所述流道结构进口连接有圆角树形进流歧管。
5.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：所述醇水输入口与预热处理流道相连，所述富氢气体输出口与甲醇催化重整流道相连，所述甲醇空气进气口和反应尾气进气口与甲醇催化燃烧相连，所述预热处理流道与甲醇催化重整流道两流道之间保持错流流动，各流道的进出口不在同一方向上。
6.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：通过以下公式估算甲醇转化率：
其中，Vin为甲醇水溶液流量，ml/min；ρmix为甲醇水溶液密度，g/ml；Vout为出口气体产物流量，ml/min；δ为S/C比；为甲醇摩尔质量，g/mol；/>为水摩尔质量，g/mol；mc为催化剂质量，g。
7.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：甲醇催化燃烧流道表面传热系统3.57W/(m·K)，预热处理流道表面传热系数116.7W/(m2·K)，所述预热处理流道与甲醇催化燃烧流道之间的传热板采用黄铜材料，甲醇催化燃烧流道与甲醇催化重整流道之间的传热板采用不锈钢材料。
8.根据权利要求1所述的一种新型甲醇重整器，其特征在于：所述催化剂层包括VOCs催化剂和铜锌铝系催化剂，其中VOCs催化剂附着在甲醇催化燃烧流道内壁上，铜锌铝系催化剂附着在甲醇催化重整流道内壁上，催化剂层主要集中在波函数的波谷处。
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