CN114699995B - 一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，包括反应器外壳，反应器外壳的顶部、底部分别设有生物油进口管及重整产物出口管，反应器外壳的内部从上往下依次设有生物油预热区、重整反应区及热量回收区，生物油预热区内设有低温烟道气加热室，低温烟道气加热室内设有生物油降膜换热管组件，低温烟道气加热室下方设有油气旋流混合结构，油气旋流混合结构连接有水蒸气进口管，重整反应区内设有高温烟道气加热室，高温烟道气加热室内设有反应管束，高温烟道气加热室的上方设有载气分布器，热量回收区内设有水蒸气发生管。本发明结构紧凑，能缓解积碳堵塞，能量利用率高，制氢成本低。

Description

一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器

技术领域

本发明涉及生物油水蒸气重整制氢技术领域，尤其是涉及一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器。

背景技术

随着化石燃料的日益匮乏和全球气候逐年变暖，人们越来越重视通过生物油等可再生能源来制备氢气。目前已有的利用生物油制氢的方法是水蒸气重整法，一般是将催化剂装在固定床反应器的反应管束内，然后将生物油和水蒸气通入反应管束内；水蒸气重整反应为吸热反应，现在通常是利用燃料气直接燃烧或电加热对反应管束进行加热，为水蒸气重整反应提供热量，反应产生的重整气（富氢混合气）再送入一氧化碳变换反应器内，使部分或全部一氧化碳利用水蒸气转化为氢气和二氧化碳。利用燃料气直接燃烧或电加热对反应管束进行加热，导致能耗与制氢成本高。

另外，专利公开号为CN101177239A的中国专利公开了一种电催化水蒸气重整生物油制氢装置，该装置包括置有重整催化剂的筒形反应器及外加热炉，生物油储存灌、水蒸气发生器与设有预热装置的通入管道接通，输出管道上有尾气收集提纯系统，反应器的内腔中设置有电炉丝。该制氢装置存在以下缺陷：（1）筒形重整反应器外壁设置有外加热炉，通过电加热提供反应热量，能耗与制氢成本高；（2）采用水蒸气发生器产生水蒸气，需要额外的能耗，会增加制氢成本；（3）水蒸气发生器在通入管道上的接入口设在生物油接入口的前方，预热区为一直管，水蒸气会携带生物油快速通过预热区，使得生物油在预热区停留时间短，既不能充分预热，也不能与水蒸气不能充分混合；（4）水蒸汽发生器在通入管道上的接入口设在生物油接入口的前方，使得水蒸气在催化剂床层中的压降大，易导致积碳甚至堵塞。

发明内容

本发明是为了解决现有技术的电催化水蒸气重整生物油制氢装置所存在的上述问题，提供了一种结构简单紧凑，能缓解积碳堵塞，能量利用率高，能耗低，制氢成本低的生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，包括反应器外壳，所述反应器外壳的顶部设有生物油进口管，反应器的底部设有重整产物出口管，反应器外壳的内部从上往下依次设有生物油预热区、重整反应区及热量回收区，所述生物油预热区内设有低温烟道气加热室，所述低温烟道气加热室的室壁上连接有低温烟道气进口管及低温烟道气出口管，低温烟道气加热室内设有生物油降膜换热管组件，低温烟道气加热室下方设有油气旋流混合结构，所述油气旋流混合结构连接有穿过反应器外壳的水蒸气进口管，所述重整反应区内设有高温烟道气加热室，所述高温烟道气加热室的室壁上连接有高温烟道气进口管及高温烟道气出口管，所述高温烟道气出口管通过管路与低温烟道气进口管相连，高温烟道气加热室内设有反应管束，高温烟道气加热室的上方设有载气分布器，所述载气分布器上连接有载气进口管，所述热量回收区内设有水蒸气发生管，所述水蒸气发生管的进口连接有水进口管，水蒸气发生管的出口连接有水蒸气出口管，所述水蒸气出口管与水蒸气进口管通过管路相连。本发明的固定床内部上往下依次分为生物油预热区、重整反应区及热量回收区三个功能区域；生物油在生物油预热区利用低温烟道气（通过生物油降膜换热管组件）及水蒸气（通过油气旋流混合结构）进行二级预热，预热效率高，预热效果好，能使生物油受热迅速汽化，不仅有利于载气将物料均匀带入重整反应区的反应管束中，而且也有利于降低重整反应时的能耗；从高温烟道气加热室中排出的低温烟道气送入低温烟道气加热室中，对流经生物油降膜换热管组件中的生物油进行一级预热，以充分回收利用低温烟道气的热量，能提高热量的利用率，达到节能的效果；生物油降膜换热管组件能使生物油形成液膜沿着管壁流下，换热效果好；一级预热后的生物油与水蒸气在油气旋流混合结构中充分混合并进行二级预热，形成水油均相混合物；重整反应区的反应热量由高温烟道气提供，高温烟道气为锅炉、焚烧炉、固定床反应器等装置设备在使用中产生的高温烟气，相对于燃料气、电加热等加热方式，采用高温烟道气对反应管束进行加热，不仅加热成本更低，而且加热结构更为简单；载气分布器能均匀喷出载气，通过载气将水油均相混合物快速带入反应管束中，积碳的形成通常需要通过裂解、脱氢、缩合等若干反应历程，需要一定时间的积累，载气的通入一方面能减少反应物与催化剂的高温接触时间，减少了副反应的发生，尤其是减少了积碳的生成，避免反应管束在长期运行过程中的积碳堵塞，提高反应器的稳定性，另一方面，载气的通入能增加物料在反应管束中的湍流程度，提高了传质和传热效果；载气可以是氮气、氦气、氖气等惰性气体，载气分布器设置在高温烟道气加热室上方，并尽量靠近反应管束的进口，采用这样的设计有利于延长生物油与水蒸气的混合时间，使两者充分混合，并能减少载气在反应管束中的压降；热量回收区内设有水蒸气发生管，水蒸气发生管与重整产物接触进行换热以回收利用重整产物的热量，水蒸气发生管中的原料水受热后形成水蒸气再经水蒸气进口管进入油气旋流混合结构中与生物油进行充分混合并进行二级预热，无需采用另外能耗制备水蒸气，有利于降低制氢成本，另外，由于后续一氧化碳变换工段的反应温度比水蒸气重整工段的温度要低，回收利用重整产物的热量还有利于后续一氧化碳变换的进行。

作为优选，所述低温烟道气加热室为由上管板、下管板及反应器外壳合围形成的密闭空间。

作为优选，所述生物油降膜换热管组件包括成膜管、插管及布液板，所述布液板固定在上管板上方，布液板上设有布液孔，所述成膜管固定在上管板、下管板之间，所述插管上端固定在布液管底部，插管下端伸入成膜管内，插管与成膜管之间设有成膜间隙，插管下部的外周面上设有一台阶结构，该台阶结构的台阶面与上管板之间设有间隙，该间隙形成与成膜间隙相连通的进液通道。本发明中，利用插管与成膜管之间的成膜间隙使生物油成膜，结构巧妙；进液通道呈环形且被台阶结构的台阶面遮挡，从布液孔中落下的生物油不会对进液通道中的生物油造成扰动，成膜均匀、稳定。

作为优选，所述成膜管的外圆周面上沿成膜管的轴向间隔设有若干换热翅片。换热翅片能增加换热面积，能提高换热效率与换热效果。

作为优选，所述油气旋流混合结构包括缩口管、混合喉管及扩散管，所述缩口管及扩散管均为锥形管，所述混合喉管的上下两端分别与缩口管的小口径端、扩散管的小口径端固定连接，所述缩口管的大口径端、扩散管的大口径端分别与反应器外壳内壁固定连接，所述混合喉管的上侧外圆周面上沿周向间隔设有水蒸气旋喷口，混合喉管外设有环形管，所述环形管通过与水蒸气旋喷口相连的连接管固定连接在混合喉管上，所述水蒸气进口管与环形管相连。缩口管用于集中从成膜管内落下的生物油；水蒸气从各个方向上的水蒸气旋喷口以旋转的方式喷出，在混合喉管内与生物油充分混合并使生物油快速汽化；扩散管能降低从混合喉管内喷出的水油均相混合物的流速，起到缓冲作用，使进入重整反应区进行重整反应的水油均相混合物的组分保持均一稳定。

作为优选，所述水蒸气旋喷口的出口方向沿混合喉管的内壁切线方向设置且指向同一旋向。

作为优选，所述高温烟道气加热室为由上固定孔板、下固定孔板及反应器外壳合围形成的密闭空间。

作为优选，所述反应管束包括间隔设置于上固定孔板与下固定孔板之间的若干列管，所述列管内装填有催化剂，列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板固定连接，且列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板上对应的通孔连通。

作为优选，所述载气分布器包括进气总管，所述进气总管与载气进口管相连，进气总管的两侧设有出气支管，所述出气支管的下侧设有出气口。

作为优选，所述水蒸气发生管为螺旋盘管。

因此，本发明具有如下有益效果：

（1）生物油在生物油预热区利用低温烟道气（通过生物油降膜换热管组件）及水蒸气（通过油气旋流混合结构）进行二级加热，预热效率高，预热效果好，能使生物油受热迅速汽化，不仅有利于载气将物料均匀带入重整反应区的反应管束中，而且也有利于降低重整反应时的能耗；

（2）由高温烟道气提供反应热量，不仅加热成本更低，而且加热结构更为简单；

（3）载气分布器设置在高温烟道气加热室上方，并尽量靠近反应管束的进口，不仅有利于延长生物油与水蒸气的混合时间，使两者充分混合，而且能减少载气在反应管束中的压降，减少反应物与催化剂的高温接触时间，减少积碳的产生；

（4）热量回收区内设有水蒸气发生管，利用重整产物的热量制备水蒸气，无需采用另外能耗制备水蒸气，有利于降低制氢成本，还有利于后续一氧化碳变换的进行。

附图说明

图1是本发明的一种剖视图。

图2 是图1中A处放大图。

图3是混合喉管与环形管的一种连接示意图。

图4是载气分布器的一种结构示意图。

图5是1中B处放大图。

图中：反应器外壳1，生物油进口管2，重整产物出口管3，生物油预热区4，重整反应区5，热量回收区6，低温烟道气加热室7，低温烟道气进口管8，低温烟道气出口管9，水蒸气进口管10，高温烟道气加热室11，高温烟道气进口管12，高温烟道气出口管13，载气进口管14，水蒸气发生管15，水进口管16，水蒸气出口管17，上管板18，下管板19，成膜管20，插管21，布液板22，布液孔23，成膜间隙24，进液通道25，换热翅片26，缩口管27，混合喉管28，扩散管29，水蒸气旋喷口30，环形管31，连接管32，上固定孔板33，下固定孔板34，列管35，催化剂36，进气总管37，出气支管38，出气口39。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。

如图1所示的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，包括反应器外壳1，反应器外壳的顶部设有生物油进口管2，反应器的底部设有重整产物出口管3，反应器外壳的内部从上往下依次设有生物油预热区4、重整反应区5及热量回收区6，生物油预热区内设有低温烟道气加热室7，低温烟道气加热室为由上管板18、下管板19及反应器外壳合围形成的密闭空间，低温烟道气加热室的室壁上连接有低温烟道气进口管8及低温烟道气出口管9，低温烟道气加热室内设有生物油降膜换热管组件，生物油降膜换热管组件包括成膜管20、插管21及布液板22（如图2所示），布液板固定在上管板上方，布液板上设有布液孔23，成膜管固定在上管板、下管板之间，成膜管的外圆周面上沿成膜管的轴向间隔设有若干换热翅片26，插管上端固定在布液管底部，插管下端伸入成膜管内，插管与成膜管之间设有成膜间隙24，插管下部的外周面上设有一台阶结构，该台阶结构的台阶面与上管板之间设有间隙，该间隙形成与成膜间隙相连通的进液通道25；低温烟道气加热室下方设有油气旋流混合结构，油气旋流混合结构包括缩口管27、混合喉管28及扩散管29，缩口管及扩散管均为锥形管，混合喉管的上下两端分别与缩口管的小口径端、扩散管的小口径端固定连接，缩口管的大口径端、扩散管的大口径端分别与反应器外壳内壁固定连接，混合喉管的上侧外圆周面上沿周向间隔设有水蒸气旋喷口30，水蒸气旋喷口的出口方向沿混合喉管的内壁切线方向设置且指向同一旋向，混合喉管外设有环形管31（如图3所示），环形管通过与水蒸气旋喷口相连的连接管32固定连接在混合喉管上，环形管上连接有穿过反应器外壳的水蒸气进口管10，重整反应区内设有高温烟道气加热室11，高温烟道气加热室为由上固定孔板33、下固定孔板34及反应器外壳合围形成的密闭空间，高温烟道气加热室的室壁上连接有高温烟道气进口管12及高温烟道气出口管13，高温烟道气出口管通过管路与低温烟道气进口管相连，高温烟道气加热室内设有反应管束，反应管束包括间隔设置于上固定孔板与下固定孔板之间的若干列管35，列管内装填有催化剂36，列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板固定连接，且列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板上对应的通孔连通，高温烟道气加热室的上方设有载气分布器，载气分布器包括进气总管37（如图4所示），进气总管的进口连接有载气进口管14，进气总管的两侧设有出气支管38，出气支管的下侧设有出气口39（如图5所示），热量回收区内设有水蒸气发生管15，水蒸气发生管为螺旋盘管，水蒸气发生管的进口连接有水进口管16，水蒸气发生管的出口连接有水蒸气出口管17，水蒸气出口管与水蒸气进口管通过管路相连。

本发明的运行过程为：生物油经生物油进口管送入反应器外壳的顶部，经布液板重新分布后落在上管板上并由进液通道流入成膜管，生物油在成膜管上的内壁形成液膜后沿着成膜管的内壁流下，从高温烟道气加热室中排出的低温烟道气送入低温烟道气加热室中与成膜管进行换热，对生物油进行一级预热；经一级预热后的生物油落在缩口管内并流入混合喉管中，水蒸气从各个方向上的水蒸气旋喷口以旋转的方式喷出，在混合喉管内与生物油充分混合并使生物油快速汽化，形成水油均相混合物；从载气分布器中喷出的载气将水油均相混合物带入位于高温烟道气加热室内的反应管束中，高温烟道气对反应管束进行加热以使水油均相混合物产生重整反应；重整反应生成的重整产物向下进入热量回收区，与水蒸气发生管接触进行换热，水蒸气发生管中的原料水受热后形成水蒸气，水蒸气经水蒸气进口管进入油气旋流混合结构中，经热量回收后的重整产物最后经重整产物出口管排出进入一氧化碳变换反应器中。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (6)

1.一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，包括反应器外壳（1），所述反应器外壳的顶部设有生物油进口管（2），反应器的底部设有重整产物出口管（3），反应器外壳的内部从上往下依次设有生物油预热区（4）、重整反应区（5）及热量回收区（6），所述生物油预热区内设有低温烟道气加热室（7），所述低温烟道气加热室为由上管板（18）、下管板（19）及反应器外壳合围形成的密闭空间，低温烟道气加热室的室壁上连接有低温烟道气进口管（8）及低温烟道气出口管（9），低温烟道气加热室内设有生物油降膜换热管组件，所述生物油降膜换热管组件包括成膜管（20）、插管（21）及布液板（22），所述布液板固定在上管板上方，布液板上设有布液孔（23），所述成膜管固定在上管板、下管板之间，所述插管上端固定在布液管底部，插管下端伸入成膜管内，插管与成膜管之间设有成膜间隙（24），插管下部的外周面上设有一台阶结构，该台阶结构的台阶面与上管板之间设有间隙，该间隙形成与成膜间隙相连通的进液通道（25）；低温烟道气加热室下方设有油气旋流混合结构，所述油气旋流混合结构连接有穿过反应器外壳的水蒸气进口管（10），所述油气旋流混合结构包括缩口管（27）、混合喉管（28）及扩散管（29），所述缩口管及扩散管均为锥形管，所述混合喉管的上下两端分别与缩口管的小口径端、扩散管的小口径端固定连接，所述缩口管的大口径端、扩散管的大口径端分别与反应器外壳内壁固定连接，所述混合喉管的上侧外圆周面上沿周向间隔设有水蒸气旋喷口（30），混合喉管外设有环形管（31），所述环形管通过与水蒸气旋喷口相连的连接管（32）固定连接在混合喉管上，所述水蒸气进口管与环形管相连；所述水蒸气旋喷口的出口方向沿混合喉管的内壁切线方向设置且指向同一旋向；所述重整反应区内设有高温烟道气加热室（11），所述高温烟道气加热室的室壁上连接有高温烟道气进口管（12）及高温烟道气出口管（13），所述高温烟道气出口管通过管路与低温烟道气进口管相连，高温烟道气加热室内设有反应管束，高温烟道气加热室的上方设有载气分布器，所述载气分布器上连接有载气进口管（14），所述热量回收区内设有水蒸气发生管（15），所述水蒸气发生管的进口连接有水进口管（16），水蒸气发生管的出口连接有水蒸气出口管（17），所述水蒸气出口管与水蒸气进口管通过管路相连。

2.根据权利要求1所述的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，所述成膜管的外圆周面上沿成膜管的轴向间隔设有若干换热翅片（26）。

3.根据权利要求1所述的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，所述高温烟道气加热室为由上固定孔板（33）、下固定孔板（34）及反应器外壳合围形成的密闭空间。

4.根据权利要求3所述的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，所述反应管束包括间隔设置于上固定孔板与下固定孔板之间的若干列管（35），所述列管内装填有催化剂（36），列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板固定连接，且列管的上下两端分别与上固定孔板、下固定孔板上对应的通孔连通。

5.根据权利要求1所述的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，所述载气分布器包括进气总管（37），所述进气总管与载气进口管相连，进气总管的两侧设有出气支管（38），所述出气支管的下侧设有出气口（39）。

6.根据权利要求1所述的一种生物油水蒸气催化重整制氢固定床反应器，其特征在于，所述水蒸气发生管为螺旋盘管。