CN114288967A - 一种自热式生物质气催化重整反应器、重整系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物质能技术领域，更具体地，涉及一种自热式生物质气催化重整反应器、重整系统及方法。通过供热气分配单元及自热式催化重整反应器的配合，实现系统能量自供给，无需额外供热装置；通过空气预热器及水蒸汽预热器，最大限度的实现系统余热回收，提高能量利用效率；此外，本发明还通过对自热式催化重整反应器结构的创新设计，既增强了传热能力，还提高了重整效率。本发明生物质气在重整过程中无需提供额外热量以维持最佳反应温度，尤其适用于生物质气化制备合成气中的水蒸气催化重整之类的应用场合，并很好地解决了现有技术催化重整反应器存在的不能自供热、传热效率低、温度分布不均以及余热难以利用等的技术问题。

Description

一种自热式生物质气催化重整反应器、重整系统及方法

技术领域

本发明属于生物质能技术领域，更具体地，涉及一种自热式生物质气催化重整反应器、重整系统及方法。

背景技术

作为一种清洁可再生资源，生物质有着储量大、挥发分高以及污染少等特点。生物质气化是利用氧气或其它含氧气体作气化剂，在高温条件下将生物质燃料部分转化为可燃气(主要是氢气、一氧化碳和甲烷)的反应过程，被认为是生物质利用的最佳途径之一。采用先进的气化技术将农村、城市和工业领域丰富的废弃生物质资源转化为清洁燃气，替代传统能源，既是保护环境的重要措施，也是充分利用废弃物、变废为宝的重要手段，符合我国现阶段绿色低碳发展的要求。

然而，生物质在气化过程中会生成较多的焦油，焦油的存在一方面会堵塞气化系统管道并损害燃气利用设备，另一方面会降低生物质的气化效率以及产气品质。为了减少燃气中的焦油含量，目前采用较多的方法是在生物质气化炉后增设催化重整设备以实现焦油的进一步裂解脱除。

目前已有一些发明专利针对催化重整设备及系统做出了具有一定创造性的工作，例如CN112387218A中公开了一种生物质气化催化重整制氢的装置及方法，其中采用了生物质燃气自身燃烧产生的热量来制备催化重整所需水蒸气，节省了设备投资，但是却忽略了对重整反应所消耗能量的持续供给，使得整个催化重整过程只能在低温下进行，有着一定的局限性；针对大部分催化重整反应需要外部热源这一特点，CN112387218A提出了一种自热型列管式重整制氢反应器，其中采用了内套管的结构，实现了重整反应和燃烧反应的耦合，整个系统不需要外界提供热量，从而降低了能耗与投入，但由于重整反应需要持续消耗热量，该反应器沿气流方向温度会不断降低，难以维持反应器整体温度的均匀分布，存在着温度调控难，重整效率低等问题。

综上所述，现有的催化重整反应器存在着不能自供热、传热效率低、温度分布不均以及余热难以利用等问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种自热式生物质气催化重整反应器、重整系统及方法，通过供热气分配单元及催化重整反应器的配合，能够实现系统能量自供给，无需额外供热装置；通过空气预热器及水蒸汽预热器，能够最大限度的实现系统余热回收，提高能量利用效率；此外，本发明还通过对自热式催化重整反应器结构的创新设计，既增强了传热能力，还提高了重整效率。本发明生物质气在重整过程中无需提供额外热量以维持最佳反应温度，尤其适用于生物质气化制备合成气中的水蒸气催化重整之类的应用场合，并很好地解决了现有技术催化重整反应器存在的不能自供热、传热效率低、温度分布不均以及余热难以利用等的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种自热式生物质气催化重整反应器，该催化重整反应器沿轴向设置有多级催化重整单元，每一级所述催化重整单元包括在水平方向上相邻设置的重整气混合室和热烟气混合室，以及位于所述重整气混合室和热烟气混合室下方的重整反应腔室；

所述重整反应腔室内设置有若干个旋转叶片，所述若干个旋转叶片分散固定设置于所述重整反应腔室的转动轴上，任意两个相邻的所述旋转叶片之间形成重整气通道或热烟气通道，所述重整气通道和热烟气通道交错分布且相互隔离；所述重整气通道内的旋转叶片表面涂覆有用于发生重整反应的催化剂；

每一个所述重整气通道和热烟气通道的上下端分别设置有进口阀门和出口阀门，所述进口阀门与位于其上方的重整气混合室或热烟气混合室靠近，所述出口阀门与位于其下方的重整气混合室或热烟气混合室靠近；工作时，当所述重整气通道内的旋转叶片旋转至所述重整混合室一侧时，所述重整气通道上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得重整气混合室与所述重整气通道相连通；当所述热烟气通道内的旋转叶片旋转至所述热烟气混合室一侧时，所述热烟气通道上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得所述热烟气混合室与所述热烟气通道相连通；

所述催化重整反应器顶部的重整气混合室一侧设置有重整气进口和热水蒸气进口，所述热烟气混合室一侧设置有供热用生物质气进口和热空气进口；该催化重整反应器底部的重整气混合室一侧设置有合成气出口，该催化重整反应器底部的热烟气混合室一侧设置有热烟气出口。

优选地，所述重整反应腔室还包括上开关板和下开关板，所述上开关板和下开关板分别位于所述若干个旋转叶片的上部和下部，且分别与所述若干个旋转叶片的顶部和底部固定连接，所述上开关板包括交错设置的重整气通道上盖板和热烟气通道上盖板，所述下开关板包括交错设置的重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板，所述若干个旋转叶片、每两个相邻旋转叶片顶部设置的上盖板以及底部设置的下盖板形成若干个相互交错设置且相互隔离的重整气通道和热烟气通道；

所述重整气通道上盖板和热烟气通道上盖板即分别为所述重整气通道的进口阀门和所述热烟气通道的进口阀门，所述重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板分别为所述重整气通道的出口阀门和所述热烟气通道的出口阀门；每一个所述重整气通道上盖板、热烟气通道上盖板、重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板上均设置有电机和感应设备；所述感应设备用于感应判断各通道内旋转叶片旋转所处的位置并对所述电机输出信号指令；所述电机用于根据所述信号指令驱动各通道上盖板和下盖板的开启和关闭，所述电机包括设置于各通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机；工作时，所述感应设备根据旋转叶片所处的位置，输出信号指令至相应通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机，所述上电机和下电机驱动相应通道的上盖板和下盖板同时开启或关闭，使得所述重整气混合室只与所述重整气通道相连通，所述热烟气混合室只与所述热烟气通道相连通。

优选地，每一级所述催化重整单元的热烟气混合室一侧均设置有供热用生物质气进口。

优选地，所述旋转叶片数量为10～30片，所述旋转叶片与所述重整反应腔室的转动轴的夹角范围为≤5°。

优选地，所述多级催化重整单元的数量为3～5级。

按照本发明的另一个方面，提供了一种基于所述的催化重整反应器的催化重整系统，其特征在于，包括供热气分配单元、所述的催化重整反应器以及余热回收单元；

所述供热气分配单元包括生物质气总进口，以及通过该生物质气总进口分出的供热气管道和重整气管道，使用时，所述生物质气通过所述生物质气总进口进入，一部分生物质气通过所述供热气管道上的供热用生物质气进口进入所述热烟气混合室，为所述催化重整反应提供热量；另一部分生物质气通过所述重整气管道进入所述重整气混合室发生催化重整反应；

所述余热回收单元包括水蒸气预热器和空气预热器，所述水蒸气预热器和所述空气预热器利用所述热烟气出口排出的烟气分别对水蒸气和空气进行预热，预热后的水蒸气通过热水蒸气进口进入所述重整气混合室，预热后的空气通过所述热空气进口进入所述热烟气混合室。

优选地，所述水蒸气预热器和空气预热器均包括蛇形盘管和蛇形盘管外的夹套，且所述水蒸气预热器和空气预热器共用同一个夹套，所述夹套一端与所述热烟气出口相连通，另一端设置有废气排出口；

所述水蒸气预热器的蛇形盘管一端设置有冷水蒸气进口，另一端与所述热水蒸气进口相连通；所述空气预热器的蛇形盘管一端设置有冷空气进口，另一端与所述热空气进口相连通。

优选地，所述生物质气总进口与所述重整气进口之间依次设置有止回阀和主管道截止阀；所述热空气进口和所述热水蒸气进口处分别设置有止回阀；所述止回阀用于防止压力波动或启停时气流倒灌；所述主管道截止阀用于在设备启动时通过燃气对所述催化重整反应器进行预热。

优选地，所述供热气分配单元还设置有电子阀、温度传感器及逻辑转换器，其中电子阀布置于供热气管道上，用于控制供热气流量；温度传感器布置于催化重整反应器的合成气出口管道上，用于实时监测合成气温度，并将温度信号传递至逻辑转换器；逻辑转换器用于将温度信号转换为电子阀指令，控制电子阀流量，当温度高于设定的最佳反应温度时，逻辑转换器发出指令控制电子阀减小供热气流量，反之，增大流量。

按照本发明的另一个方面，提供了一种自热式生物质气催化重整方法，包括如下步骤：

(1)来自生物质气化或热解设备的产气经由供热气分配单元抽离出部分生物质气与经空气预热器预热后的空气混合进入催化重整反应器的热烟气混合室，其余生物质气与经水蒸气预热器预热后的水蒸气混合后进入重整气混合室进行重整；热烟气混合室内的热烟气进入重整反应腔室内的热烟气通道，为重整反应腔室内重整气通道中的重整气发生催化重整反应提供热量，根据合成气出口处温度监测数据，调整进入热烟气混合室的燃气抽气量；

(2)由供热气分配单元抽离出的部分生物质气被分成多股气体进入各级催化重整单元的热烟气混合室燃烧生成高温烟气，随后进入热烟气通道与旋转叶片直接接触使其升温，为重整气通道内的重整混合气提供热量，并使重整混合气在旋转叶片表面的催化剂涂层处发生催化重整反应；

(3)控制重整气通道和热烟气通道内设置的阀门，根据旋转叶片旋转所处的位置打开或关闭相应通道内的阀门，使得重整气混合室内的混合气只进入重整气通道内，热烟气混合室内的混合气只进入热烟气通道内，热烟气通道内的热烟气为重整气通道内的混合气的催化重整反应持续不断地提供热量，使得温度场和浓度场更加均匀，重整气经过多级催化反应，保证其中的焦油组分充分裂解并生成合成气后最终排出；

(4)催化重整反应器排出的热烟气用于预热水蒸气和空气，预热后的水蒸气和预热后的空气分别进入重整气混合室和热烟气混合室。

总体而言，由于所述自热式生物质气催化重整系统中的反应器采用了多级重整单元结构，在催化单元中设置了重整气通道与热烟气通道，并增设了水蒸气预热器和空气预热器，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明采用的多级重整单元实现了多段加热和反应，使得整个催化重整反应器沿轴向的温度分布更加均匀，叶片自动旋转则使得重整气、水蒸气与催化剂接触更加充分，从而提高了焦油重整反应效率。

(2)本发明中的催化重整反应器通过燃烧部分生物质气实现自供热，无需专门的供热设备，节省了设备投入，并且可以直接使用空气，降低了运行成本。

(3)本发明中两种气流通道的间隔设置实现了重整气与热烟气的有效分离，重整气的品质不会因为混入烟气而降低。此外，每一级催化单元中交错设置且相互隔绝的重整气通道和热烟气通道，使得位于重整气通道两侧的热烟气通道还可以持续起到储热、传热的作用，并且传热效率很高，这样通过供热气流量就可以精准控制重整气通道的温度。

(4)本发明通过叶片的自动旋转和在气流通道上下设置进出口阀门，一方面保证燃气和烟气顺利进出各自的通道，而且当通道封闭时，能够留在通道内继续进行化学反应和热量传递，另一方面还可以切换到催化剂再生模式，燃烧消除催化剂表面的积碳，延长催化剂的使用寿命。

(5)本发明重整反应腔室内的旋转叶片与中心转动轴具有一定的夹角，叶片旋转无需外部动力驱动，同时增设的水蒸气预热器和空气预热器有效利用了排出热烟气的余热，提高了系统整体的热效率，因此整体能耗较低。

(6)本发明自热式生物质气催化重整系统包括供热气分配单元、催化重整反应器以及余热回收单元，其中催化重整反应器由多级催化重整单元组成，催化重整单元中设有叶片、重整气混合室、热烟气混合室和供热气入口，叶片间交错分布有重整气通道与热烟气通道，各通道均设有进出口阀门，所述重整气通道两侧壁面涂有催化剂涂层，所述余热回收单元包括水蒸气预热器和空气预热器；所述方法将部分生物质气抽离并与空气混合燃烧后形成热烟气用于对催化重整反应器、水蒸气以及空气加热，剩余生物质气经过多级催化重整单元后得以生成洁净合成气。本发明通过上述系统和方法实现了焦油催化重整的自供热及余热回收，提高了能量利用效率，节省了成本，同时保证了催化重整反应器温度的均匀分布，提高了焦油转化效率，提升了生物质合成气品质。此外，本发明中的系统还可以在线实现催化剂的再生，具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明一些实施例中自热式生物质气催化重整系统的示意图。

图2为本发明一些实施例中重整反应腔室内的旋转叶片的结构示意图。

图3为本发明一些实施例中重整反应腔室的上开关板上各通道的上盖板均为关闭状态的示意图。

图4为本发明一些实施例中重整反应腔室的上开关板在使用过程中的各通道上盖板的开关示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-生物质气总进口；2-电子阀；3-废气排出口；4-温度传感器；5-催化重整反应器；6-供热用生物质气进口；7-热空气进口；8-重整气混合室；9-热烟气混合室；10-重整反应腔室；11-合成气出口；12-热烟气出口；13-冷水蒸气进口；14-水蒸气预热器；15-冷空气进口；16-空气预热器；17-止回阀；18-主管道截止阀；19-重整气通道；20-热烟气通道；21-电机；22-感应器；23-热水蒸气进口；24-重整气进口；25-重整气通道上盖板；26-热烟气通道上盖板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一些实施例中提供的一种生物质气催化重整反应器，如图1所示，该催化重整反应器5整体呈圆柱形，该反应器沿高度方向即轴向设置有多级催化重整单元，每一级所述催化重整单元包括在水平方向上相邻设置的重整气混合室8和热烟气混合室9，以及位于所述重整气混合室8和热烟气混合室9下方的重整反应腔室10。

所述重整反应腔室10内设置有若干个旋转叶片，如图2所示，所述若干个旋转叶片均匀分散固定设置于所述重整反应腔室10的中心竖直转动轴上，若干个旋转叶片的顶部在同一个平面上，且底部也在同一个平面上。任意两个相邻的所述旋转叶片之间形成竖直方向上的重整气通道19或热烟气通道20，如图3所示，所述重整气通道19和热烟气通道20交错分布且相互隔离；所述重整气通道19内的旋转叶片表面涂覆有用于发生重整反应的催化剂。

每一个所述重整气通道19和热烟气通道20的上端和下端分别设置有进口阀门和出口阀门，所述进口阀门与位于其上方的重整气混合室8或热烟气混合室9靠近，所述出口阀门与位于其下方的重整气混合室8或热烟气混合室9靠近；工作时，当所述重整气通道19内的旋转叶片旋转至所述重整混合室8一侧时，所述重整气通道19上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得重整气混合室8与所述重整气通道19相连通，反之，则同时关闭，即当所述重整气通道19内的旋转叶片旋转至所述热烟气混合室9一侧时，所述重整气通道19上端的进口阀门和下端的出口阀门同时关闭；当所述热烟气通道20内的旋转叶片旋转至所述热烟气混合室9一侧时，所述热烟气通道20上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得所述热烟气混合室9与所述热烟气通道20相连通，反之，则同时关闭，即当所述热烟气通道20内的旋转叶片旋转至所述重整气混合室8一侧时，所述热烟气通道20上端的进口阀门和下端的出口阀门同时关闭。这样使得重整气混合室8内的重整混合气只进入重整气通道19，而热烟气混合室9内的混合热烟气只进入热烟气通道20，重整气通道19和热烟气通道20实现相互隔绝而有效分离，重整气的品质不会因为混入烟气而降低。

所述催化重整反应器5顶部所述重整气混合室8一侧设置有重整气进口24和热水蒸气进口23，所述热烟气混合室9一侧设置有供热用生物质气进口6和热空气进口7；该催化重整反应器5底部所述重整气混合室8一侧设置有合成气出口11，该催化重整反应器5底部所述热烟气混合室9一侧设置有热烟气出口12。

一些实施例中，所述重整反应腔室10还包括上开关板和下开关板，图3示意出上开关板的示意图(下开关板示意图同上开关板)。所述上开关板和下开关板分别位于所述若干个旋转叶片的上部和下部，且分别与所述若干个旋转叶片的顶部和底部固定连接，所述上开关板包括若干个交错设置的重整气通道上盖板25和热烟气通道上盖板26，所述下开关板包括若干个交错设置的重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板，所述若干个旋转叶片、每两个相邻旋转叶片顶部设置的上盖板以及底部设置的下盖板形成若干个相互交错设置且相互隔离的重整气通道19和热烟气通道20。图3示意出上开关板上各通道的上盖板均为关闭状态的示意图。

所述重整气通道上盖板25和热烟气通道上盖板26即分别为所述重整气通道的进口阀门和所述热烟气通道的进口阀门，所述重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板分别为所述重整气通道的出口阀门和所述热烟气通道的出口阀门；每一个所述重整气通道上盖板25、热烟气通道上盖板26、重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板上设置有电机21和感应设备22；所述感应设备22用于感应判断各通道内旋转叶片旋转所处的位置并对所述电机21输出信号指令；所述电机21用于根据所述信号指令驱动各通道上盖板和下盖板的开启和关闭，所述电机21包括设置于各通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机；工作时，所述感应设备根据旋转叶片所处的位置，输出信号指令至相应通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机，所述上电机和下电机驱动相应通道的上盖板和下盖板同时开启或关闭，使得所述重整混合室8只与所述重整气通道19相连通，所述热烟气混合室9只与所述热烟气通道20相连通。

图4为一些实施例中重整反应腔室的上开关板在使用过程中的各通道上盖板的开关示意图。如图4所示，每一个所述重整气通道和热烟气通道的上盖板上均设置有电机21(图4中仅显示了重整气通道和热烟气通道上盖板的上电机，下电机同理)和感应设备22。工作时，当所述重整气通道19内的旋转叶片旋转至所述重整气混合室8一侧时，该重整气通道内的感应设备输出信号指令至重整气通道上盖板25上的上电机和下盖板上的下电机，所述重整气通道上盖板25上的上电机和下盖板上的下电机根据接收到的信号指令驱动该通道的上盖板和下盖板同时打开，相当于重整气通道的进口阀门和出口阀门同时打开，使得重整气混合室8与所述重整气通道19相连通，重整气混合室8内的重整混合气能够进入重整气通道19；当所述热烟气通道20内的旋转叶片旋转至所述热烟气混合室9一侧时，该热烟气通道内的感应设备输出信号指令至热烟气通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机，所述热烟气通道上盖板26上的上电机和下盖板上的下电机根据接收到的信号指令驱动该通道的上盖板和下盖板同时打开，相当于热烟气通道的进口阀门和出口阀门同时打开，使得所述热烟气混合室9与所述热烟气通道20相连通，热烟气混合室9内的混合热烟气能够进入所述热烟气通道20。

一些实施例中，如图4所示，重整气通道上盖板25或热烟气通道上盖板26由相同面积的第一子盖板和第二子盖板组成，所述重整气通道上盖板25或热烟气通道上盖板26处于打开状态时，电机驱动第一子盖板和第二子盖板发生重叠；处于关闭状态时，电机驱动第一子盖板和第二子盖板重叠部分展开，将通道封闭。

一些实施例中，所述感应设备22采用能够感应不同气体组分的气体感应器，包括在重整气通道内设置能够感应水蒸气的水蒸气传感器，比如费加罗TGS2180水蒸气传感器，以及在热烟气通道内设置能够感应氧气的氧气传感器，比如松柏S4OXV氧气传感器。

一些实施例中，每一级所述催化重整单元的热烟气混合室9一侧均设置有供热用生物质气进口6，设置多个供热用生物质气进口，有利于实现反应器的多段升温，使得反应器整体的温度分布更加均匀，保证了重整效率，降低了材料要求。

一些实施例中，所述旋转叶片数量为10-30片，所述旋转叶片与所述重整反应腔室的中心转动轴的夹角范围为≤5°，以保证转动轴以较慢速度旋转。

优选实施例中，所述多级催化重整单元的数量为3-5级。

本发明催化重整反应器的转动轴位于催化重整单元的中心；旋转叶片均匀的分散布置在转动轴上，旋转叶片的旋转速度取决于气流的速度。旋转叶片间的气流通道根据其通过的气流分为重整气通道与供热气通道，两种气流通道交错分布，每个气流通道在气流进出口均设有阀门，随着叶片旋转，当重整气通道上下对应重整气混合室时，重整气通道进出口阀门开启，当重整气通道上下对应热烟气混合室时，重整气通道进出口阀门关闭。热烟气通道阀门亦然，只有对应热烟气混合室时才处于开启状态，由此使得重整气通道只供重整气通过，热烟气通道只供热烟气通过，重整气通道两侧叶片壁面上均匀涂有一层催化剂涂层，用于将重整气催化。一些优选实施例中，通过在各通道上下端设置盖板，通过电机接收来自感应设备的信号指令，电机根据该信号指令驱动上下盖板同时开启或关闭，这里上下盖板相当于通道的进出口阀门，各通道上盖板相当于通道的进口阀门，下盖板相当于出口阀门，实现重整气通道与重整气混合室的连通或热烟气通道与热烟气混合室的连通。

此外，叶片与气流流向即罐体轴向呈小倾角，一方面可以接受来气提供的转动动量，使叶片沿转动轴缓慢转动，实现了重整气与热烟气之间的热量传递，另一方面，也有利于重整气流与催化剂壁面之间的接触与反应；一些实施例中，所述重整气混合室位于叶片上端一测，呈半圆柱形，用于重整气的混合并接收上一级催化重整单元的重整气来气；所述热烟气混合室位于叶片上端的另一侧，同样呈半圆柱形，用于热烟气与供热气的混合与反应，并用于接收上一级催化重整单元的热烟气来气；所述供热气入口位于热烟气混合室侧壁，用于提供供热气，供热气进入热烟气混合室后燃烧产生热量，使得热烟气升温；重整气依次通过重整气混合室、叶片重整气通道后进入到下一级催化重整单元的重整气混合室，并最终经由合成气出口排出，热烟气依次通过热烟气混合室、叶片热烟气通道后进入到下一级催化重整单元的热烟气混合室并最终经由热烟气出口排出，热烟气在混合室中由于供热气燃烧而升温，在热烟气通道中由于传热而降温，在整个催化重整反应器内反复升温降温，从而使得反应器整体的温度分布更加均匀。

本发明还提供了一种基于如上所述的催化重整反应器的催化重整系统，包括供热气分配单元、如上所述的催化重整反应器以及余热回收单元。

所述供热气分配单元包括生物质气总进口1，以及通过该生物质气总进口1分出的供热气管道和重整气管道，使用时，所述生物质气通过所述生物质气总进口1进入，一部分生物质气通过所述供热气管道与所述催化重整反应器的热烟气混合室9的供热用生物燃气进口6进入所述热烟气混合室9，为所述催化重整反应提供热量；另一部分生物质气通过所述重整气管道进入所述重整气混合室8。

所述余热回收单元包括水蒸气预热器14和空气预热器16，所述水蒸气预热器14和所述空气预热器16利用所述热烟气出口12流出的烟气分别对水蒸气和空气进行预热，预热后的水蒸气通过热水蒸气进口23进入所述重整气混合室8，预热后的空气通过所述热空气进口7进入所述热烟气混合室。

一些实施例中，所述水蒸气预热器14和空气预热器16均包括蛇形盘管和蛇形盘管外的夹套，且所述水蒸气预热器14和空气预热器16共用同一个夹套，所述夹套一端与所述热烟气出口12相连通，另一端设置有废气排出口3.

所述水蒸气预热器14的蛇形盘管一端设置有冷水蒸气进口13，另一端与所述热水蒸气进口23相连通；所述空气预热器16的蛇形盘管一端设置有冷空气进口15，另一端与所述热空气进口7相连通。

优选实施例中，空气预热器16设置在水蒸气预热器14的气流下游。

本发明所述余热回收单元包括水蒸气预热器和空气预热器，其中水蒸气预热器设置在催化重整反应器热烟气出口后，用于将水蒸气预热至所需温度，热烟气与水蒸气在预热器内经由间接换热传递热量；空气预热器设置在水蒸气预热器后，用于预热空气，空气与烟气在空气预热器中进行间接换热。

一些实施例中，所述催化重整反应器5上还需设置检修口，以实现催化剂彻底失活后对旋转叶片的再次涂刷或更换。

一些实施例中，所述生物质气总进口1与所述重整气进口24之间依次设置有止回阀17和主管道截止阀18；所述热空气进口7和所述热水蒸气进口23处分别设置有止回阀17；所述止回阀用于防止压力波动或启停时气流倒灌；所述主管道截止阀18用于在设备启动时通过燃气对催化重整反应器进行预热。

一些实施例中，所述供热气分配单元还设置有电子阀2、温度传感器4及逻辑转换器，其中电子阀2布置于供热气管道上，用于控制供热气流量；温度传感器4布置于催化重整反应器5的合成气出口11管道上，用于实时监测重整后的合成气温度，并将温度信号传递至逻辑转换器；逻辑转换器用于将温度信号转换为电子阀指令，控制电子阀流量，当温度高于设定的最佳反应温度时，逻辑转换器发出指令控制电子阀减小供热气流量，反之，增大流量。

所述供热气管道上、以及每一级所述催化重整单元的热烟气混合室9一侧设置的供热用生物质气进口6处均设置有电子阀，用于控制供热气流量。

本发明还提供了一种自热式生物质气催化重整方法，包括如下步骤：

(1)来自生物质气化或热解设备的产气经由供热气分配单元抽离出部分生物质气与经空气预热器预热后的空气混合进入催化重整反应器的热烟气混合室，其余生物质气与经水蒸气预热器预热后的水蒸气混合后进入重整气混合室进行重整；热烟气混合室内的热烟气进入重整反应腔室内的热烟气通道，为重整反应腔室内重整气通道中的重整气发生催化重整反应提供热量，根据合成气出口处温度监测数据，调整进入热烟气混合室的生物质气抽气量；当温度低于最佳反应温度时，加大供热端燃气抽气量，反之，减小燃气抽气量。

(2)由供热气分配单元抽离出的部分生物质气被分成多股气体进入各级催化重整单元的热烟气混合室燃烧生成高温烟气，随后进入热烟气通道与旋转叶片直接接触使其升温，为重整气通道内的重整混合气提供热量，并使重整混合气在叶片表面的催化剂涂层处发生催化重整反应；

(3)热烟气通道中的高温烟气持续为催化重整反应提供热量，保证处于最佳的反应温度；此外，由于旋转叶片与气流方向有一定夹角，气流会冲击叶片并使其绕中心轴转动。利用重整气通道和热烟气通道内设置的气体感应器和电机，根据旋转叶片旋转所处的位置控制相应通道电机，电机驱动通道进出口阀门的开启或关闭，使得重整气混合室内的混合气持续不断进入重整气通道内，热烟气混合室内的混合气持续不断进入热烟气通道内，热烟气通道内的热烟气为重整气通道内的混合气的催化重整反应持续不断地提供热量，这样有利于温度场和浓度场更加均匀，重整气经过多级催化反应，保证燃气中的焦油组分充分裂解并生成合成气后最终排出；

(4)催化重整反应器排出的热烟气用于预热水蒸气和空气，预热后的水蒸气和预热后的空气分别进入重整气混合室和热烟气混合室。完成对重整反应器供热后的热烟气依次流经热烟气出口、水蒸气预热器及空气预热器，在水蒸气预热器与空气预热器中经由间接换热将余热传递至水蒸气与空气从而实现整个系统的余热回收。

本发明自热式催化重整系统还能够实现催化剂的再生。当需要对重整气通道内的旋转叶片表面的催化剂进行再生时，切换到催化剂再生模式下，关闭主管道截止阀，切换各通道内感应器程序，使得重整气通道与热烟气混合室相连通，使得空气可以流经重整气通道，通过燃烧催化剂表面的积碳在线实现催化剂的再生。

本发明自热式催化重整系统及方法适用的燃气具备以下特性：主要成分为可燃性组分，温度范围可以为500-800℃，气体中挟带焦油组分，该焦油组分与水蒸气的重整反应为吸热反应。催化重整采用的催化剂优选镍基催化剂。催化重整操作工艺参数优选如下：重整反应温度范围为800-1000℃，空气与水蒸气预热后的温度范围分别为200-400℃、500-600℃。

一些具体实施例中，利用本发明提出的自热式生物质气催化重整系统及方法对生物质气进行处理，生物质气经由生物质气总进口1进入该催化重整系统中，所述生物质气具备以下特性：气体中挟带焦油组分，该焦油组分与水蒸气的重整反应为吸热反应。主管道中的部分生物质气经由电子阀2后分作多股气流进入催化重整反应器5中的热烟气混合室9，在此过程中，电子阀2的流量根据温度传感器4的监测数据实时调控，当温度低于该最佳反应温度时，加大气流量，反之，减小气流量，剩余生物质气与水蒸气混合后进入重整气混合室8进行重整；进入热烟气混合室9中的供热气与空气混合后燃烧释放热量。

重整反应腔室包括若干个固定设置在竖直转动轴上的旋转叶片、其上部的上开关板和下部的下开关板，上开关板包括交错设置的重整气通道上盖板和热烟气通道上盖板，下开关板包括交错设置的重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板，若干个旋转叶片、每两个相邻旋转叶片顶部设置的上盖板以及底部设置的下盖板形成若干个相互交错设置且相互隔离的重整气通道和热烟气通道；每一个所述重整气通道上盖板、热烟气通道上盖板、重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板上均设置有电机、水蒸气传感器和氧气传感器，随着旋转叶片的旋转，传感器将信号传输给电机，电机驱动相应通道的上盖板和下盖板同时开启或关闭，使得重整气混合室8内的混合重整气只进入重整气通道19，热烟气混合室9内的混合烟气只进入热烟气通道20。

升温后的热烟气随后进入热烟气通道20，对重整反应腔室10内的旋转叶片进行加热，在重整气一侧重整气混合室下端，重整气进入重整气通道19并与高温叶片表面的催化剂涂层发生重整反应，在此过程中，封闭在热烟气通道20中的高温烟气可持续为重整反应提供热量。此外，在此过程中，重整反应腔室10内的旋转叶片与气流方向呈一定倾角，重整反应腔室10内的旋转叶片与中心转动轴的倾角范围为≤5°，气流流经重整反应腔室10内的旋转叶片能够为叶片提供一定的转动动量从而达到无需外部动力源而缓慢转动的效果；重整气在完成多级重整后最终经由合成气出口11排出，所述催化剂涂层有效组分优选为镍基催化剂，热烟气在执行完对叶片10的加热后经由热烟气出口12排出并进入后续处理单元。

进入重整气混合室8的水蒸气来自于水蒸气预热器14，预热后的水蒸气温度范围为500-600℃，进入热烟气混合室9的空气来自于空气预热器16，预热后的空气温度范围为200-400℃。所述热烟气出口12排出的热烟气依次流经水蒸气预热器14及空气预热器16并最终经由废气出口3排出，热烟气在水蒸气预热器14与空气预热器16中经由间接换热将余热传递至水蒸气与空气从而实现整个系统的余热回收。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自热式生物质气催化重整反应器，其特征在于，该催化重整反应器(5)沿轴向设置有多级催化重整单元，每一级所述催化重整单元包括在水平方向上相邻设置的重整气混合室(8)和热烟气混合室(9)，以及位于所述重整气混合室(8)和热烟气混合室(9)下方的重整反应腔室(10)；

所述重整反应腔室(10)内设置有若干个旋转叶片，所述若干个旋转叶片分散固定设置于所述重整反应腔室(10)的竖直转动轴上，任意两个相邻的所述旋转叶片之间形成竖直方向上的重整气通道(19)或热烟气通道(20)，所述重整气通道(19)和热烟气通道(20)交错分布且相互隔离；所述重整气通道(19)内的旋转叶片表面涂覆有用于发生重整反应的催化剂；

每一个所述重整气通道(19)和热烟气通道(20)的上端和下端分别设置有进口阀门和出口阀门；工作时，当所述重整气通道(19)内的旋转叶片旋转至所述重整气混合室(8)一侧时，所述重整气通道(19)上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得重整气混合室(8)与所述重整气通道(19)相连通；当所述热烟气通道(20)内的旋转叶片旋转至所述热烟气混合室(9)一侧时，所述热烟气通道(20)上端的进口阀门和下端的出口阀门同时打开，使得所述热烟气混合室(9)与所述热烟气通道(20)相连通；

所述催化重整反应器(5)顶部的重整气混合室(8)一侧设置有重整气进口(24)和热水蒸气进口(23)，所述热烟气混合室(9)一侧设置有供热用生物质气进口(6)和热空气进口(7)；该催化重整反应器(5)底部的重整气混合室(8)一侧设置有合成气出口(11)，该催化重整反应器(5)底部的热烟气混合室(9)一侧设置有热烟气出口(12)。

2.如权利要求1所述的催化重整反应器，其特征在于，所述重整反应腔室(10)还包括上开关板和下开关板，所述上开关板和下开关板分别位于所述若干个旋转叶片的上部和下部，且分别与所述若干个旋转叶片的顶部和底部固定连接，所述上开关板包括交错设置的重整气通道上盖板(25)和热烟气通道上盖板(26)，所述下开关板包括交错设置的重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板，所述若干个旋转叶片、每两个相邻旋转叶片顶部设置的上盖板以及底部设置的下盖板形成若干个相互交错设置且相互隔离的重整气通道和热烟气通道；

所述重整气通道上盖板(25)和热烟气通道上盖板(26)即分别为所述重整气通道(19)的进口阀门和所述热烟气通道(20)的进口阀门，所述重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板分别为所述重整气通道(19)的出口阀门和所述热烟气通道(19)的出口阀门；每一个所述重整气通道上盖板(25)、热烟气通道上盖板(26)、重整气通道下盖板和热烟气通道下盖板上均设置有电机(21)和感应设备(22)；所述感应设备(22)用于感应判断各通道内旋转叶片旋转所处的位置并对所述电机(21)输出信号指令；所述电机(21)用于根据所述信号指令驱动各通道上盖板和下盖板的开启和关闭，所述电机(21)包括设置于各通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机；

工作时，所述感应设备(22)根据旋转叶片所处的位置，输出信号指令至相应通道上盖板上的上电机和下盖板上的下电机，所述上电机和下电机驱动相应通道的上盖板和下盖板同时开启或关闭，使得所述重整混合室(8)只与所述重整气通道(19)相连通，所述热烟气混合室(9)只与所述热烟气通道(20)相连通。

3.如权利要求1所述的催化重整反应器，其特征在于，每一级所述催化重整单元的热烟气混合室(9)一侧均设置有供热用生物质气进口(6)。

4.如权利要求1所述的催化重整反应器，其特征在于，所述旋转叶片数量为10～30片，所述旋转叶片与所述重整反应腔室(10)的转动轴的夹角范围为≤5°。

5.如权利要求1所述的催化重整反应器，其特征在于，所述多级催化重整单元的数量为3～5级。

6.一种基于如权利要求1至5任一项所述的催化重整反应器的催化重整系统，其特征在于，包括供热气分配单元、如权利要求1至5任一项所述的催化重整反应器以及余热回收单元；

所述供热气分配单元包括生物质气总进口(1)，以及通过该生物质气总进口(1)分出的供热气管道和重整气管道，使用时，所述生物质气通过所述生物质气总进口(1)进入，一部分生物质气通过所述供热气管道上的供热用生物质气进口(6)进入所述热烟气混合室(9)，为所述催化重整反应提供热量；另一部分生物质气通过所述重整气管道进入所述重整气混合室(8)发生催化重整反应；

所述余热回收单元包括水蒸气预热器(14)和空气预热器(16)，所述水蒸气预热器(14)和所述空气预热器(16)利用所述热烟气出口(12)排出的烟气分别对水蒸气和空气进行预热，预热后的水蒸气通过热水蒸气进口(23)进入所述重整气混合室(8)，预热后的空气通过所述热空气进口(7)进入所述热烟气混合室(9)。

7.如权利要求6所述的催化重整系统，其特征在于，所述水蒸气预热器(14)和空气预热器(16)均包括蛇形盘管和蛇形盘管外的夹套，且所述水蒸气预热器(14)和空气预热器(16)共用同一个夹套，所述夹套一端与所述热烟气出口(12)相连通，另一端设置有废气排出口(3)；

所述水蒸气预热器(14)的蛇形盘管一端设置有冷水蒸气进口(13)，另一端与所述热水蒸气进口(23)相连通；所述空气预热器(16)的蛇形盘管一端设置有冷空气进口(15)，另一端与所述热空气进口(7)相连通。

8.如权利要求6所述的催化重整系统，其特征在于，所述生物质气总进口(1)与所述重整气进口(24)之间依次设置有止回阀(17)和主管道截止阀(18)；所述热空气进口(7)和所述热水蒸气进口(23)处分别设置有止回阀(17)；所述止回阀(17)用于防止压力波动或启停时气流倒灌；所述主管道截止阀(18)用于在设备启动时通过燃气对所述催化重整反应器(5)进行预热。

9.如权利要求6所述的催化重整系统，其特征在于，所述供热气分配单元还设置有电子阀(2)、温度传感器(4)及逻辑转换器，其中电子阀(2)布置于供热气管道上，用于控制供热气流量；温度传感器(4)布置于催化重整反应器(5)的合成气出口(11)管道上，用于实时监测重整后的合成气温度，并将温度信号传递至逻辑转换器；逻辑转换器用于将温度信号转换为电子阀指令，控制电子阀流量，当温度高于设定的最佳反应温度时，逻辑转换器发出指令控制电子阀减小供热气流量，反之，增大流量。

10.一种自热式生物质气催化重整方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)来自生物质气化或热解设备的产气经由供热气分配单元抽离出部分生物质气与经空气预热器预热后的空气混合进入催化重整反应器的热烟气混合室，其余生物质气与经水蒸气预热器预热后的水蒸气混合后进入重整气混合室进行重整；热烟气混合室内的热烟气进入重整反应腔室内的热烟气通道，为重整反应腔室内重整气通道中的重整气发生催化重整反应提供热量，根据合成气出口处温度监测数据，调整进入热烟气混合室的生物质气抽气量；

(2)由供热气分配单元抽离出的部分生物质气被分成多股气体进入各级催化重整单元的热烟气混合室燃烧生成高温烟气，随后进入热烟气通道与旋转叶片直接接触使其升温，为重整气通道内的重整混合气提供热量，并使重整混合气在旋转叶片表面的催化剂涂层处发生催化重整反应；

(3)控制重整气通道和热烟气通道内设置的阀门，根据旋转叶片旋转所处的位置打开或关闭相应通道内的阀门，使得重整气混合室内的混合气只进入重整气通道内，热烟气混合室内的混合气只进入热烟气通道内，热烟气通道内的热烟气为重整气通道内的混合气的催化重整反应持续不断地提供热量，使得温度场和浓度场更加均匀，重整气经过多级催化反应，保证其中的焦油组分充分裂解并生成合成气后最终排出；

(4)催化重整反应器排出的热烟气用于预热水蒸气和空气，预热后的水蒸气和预热后的空气分别进入重整气混合室和热烟气混合室。

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