CN115010088A - 制氢装置中的热能利用机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制氢装置中的热能利用机构，包括炉膛、热辐射导流筒及反应釜，热辐射导流筒外的反应釜内部形成第一区域反应室，炉膛与热辐射导流筒之间形成热辐射导流通道，热辐射导流筒上端的高温废气筒体外的重整气输送通道与第一区域反应室出口连通，第一区域反应室、重整气输送通道的外侧设置有废气流道，废气流道中的第二区域反应室将废气流道分隔成底部相连通的内、外侧废气流道，外侧废气流道的顶部设置出口，内侧废气流道顶部的进口与高温废气筒体连通；重整气输送通道出口与第二区域反应室的底部连通；重整气输送通道中、内侧废气流道中以及废气流道的外壁上都设置有换热盘管。本发明的优点在于：热利用效率高，制氢成本有效降低。
Description
技术领域
本发明涉及重整制氢装置技术领域，具体涉及热能利用机构。
背景技术
制氢装置最广泛的工艺是轻烃水蒸气转化法。其转化过程为：首先，甲烷与水蒸气在500℃至1000℃左右的高温以及催化剂条件下发生反应，生成氢气及一氧化碳，也即重整反应，然后大量一氧化碳再经过水煤气变换反应进一步生成氢气和二氧化碳，最后少量的一氧化碳经过甲烷化催化剂后被还原成甲烷和水。主要反应过程如下：
重整反应属于吸热反应： CH4+H2O→CO+3H2 △H298=206kJ/mol；
CO变换属于放热反应： CO+H2O→CO2+H2 △H298=-36kJ/mol；
选择性甲烷化反应属于放热反应： CO+3H2→CH4+H2O △H298=-206kJ/mol；
目前，制氢装置通过燃料燃烧供热为重整反应提供足够的热能，为重整反应提供了大量热能后的燃烧产生的废气的温度仍然很高，传统的制氢装置对该部分废气的热能的利用率低下。
发明内容
本发明的目的是：提供一种制氢装置中的热能利用机构，其对高温废气的热能利用充分，有效降低热能损失，从而大大能降低制氢成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：制氢装置中的热能利用机构，包括用于燃烧的炉膛，炉膛设置在热辐射导流筒中，热辐射导流筒设置在反应釜内，热辐射导流筒外的反应釜内部形成第一区域反应室，炉膛的下端与热辐射导流筒相连通，炉膛的外壁与热辐射导流筒的内侧壁之间形成用于将热量传导至第一区域反应室内的热辐射导流通道，热辐射导流筒的上端设置有高温废气筒体，高温废气筒体与热辐射导流通道顶部的热辐射导流通道出口连通，高温废气筒体外环绕设置有重整气输送通道，重整气输送通道位于反应釜的上方、并与第一区域反应室出口连通，第一区域反应室、以及重整气输送通道的外侧环绕设置有废气流道，所述的废气流道中设置有用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室，第二区域反应室顶部设置有第二区域反应室出口，第二区域反应室将废气流道由里向外分隔成内侧废气流道和外侧废气流道，内侧废气流道和外侧废气流道的底部相连通，内侧废气流道的顶部设置有内侧废气进口，外侧废气流道的顶部设置有外侧废气出口，所述的内侧废气进口与高温废气筒体出口相连通；重整气输送通道出口与第二区域反应室的底部连通；所述的重整气输送通道中设置有第一换热盘管，内侧废气流道中设置有第二换热盘管，废气流道的外壁上设置有第三换热盘管。
进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，第一换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管中的换热介质均为去离子水，第一换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管依次相连通。
更进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，第一换热盘管包括相连通的第一内圈换热盘管和第一外圈换热盘管，其中第一内圈换热盘管螺旋缠绕在高温废气筒体的外壁上，第一外圈换热盘管位于第一内圈换热盘管的外侧；第二换热盘管紧贴第二区域反应室的侧壁设置；
第三换热盘管的进口位于废气流道外壁的上端部位置，第三换热盘管在废气流道的下端部位置与第二换热盘管相连通，第二换热盘管在内侧废气流道的上端部与第一外圈换热盘管相连通，第一外圈换热盘管在重整气输送通道中的底部位置与第一内圈换热盘管连通，第一内圈换热盘管输出过饱和蒸气。
更进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，第二区域反应室出口连接有出口氢气冷却器，出口氢气冷却器为管壳式冷却器，出口氢气冷却器的冷却介质进口与去离子水输入管相连接，出口氢气冷却器的冷却介质出口与第三换热盘管进口相连通。
进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，第一区域反应室出口位于第一区域反应室顶部。
进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，高温废气筒体出口设置在高温废气筒体的顶部。
进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，热辐射导流筒的内壁上设置有凸出于热辐射导流筒内壁的内部散热鳍片，热辐射导流筒的外壁上设置有凸出于热辐射导流筒外壁的外部散热鳍片。
进一步地，前述的制氢装置中的热能利用机构，其中，高温废气筒体中穿设有燃料输送管和助燃物料输送管，燃料输送管用于输送燃烧用的燃料气体，助燃物料输送管用于输送助燃物料气体。
本发明的优点在于：在第一区域反应室、以及重整气输送通道的外侧设置有废气流道，第二区域反应室将废气流道由里向外分隔成内侧废气流道和外侧废气流道，内侧废气流道和外侧废气流道的底部之间相连通，这样从高温废气筒体排出的废气则会在废气流道中迂回运动，大大延长了废气在制氢装置中的通行路径，废气在迂回运动中充分释放热能；废气流道的外壁上设置第三换热盘管、内侧废气流道中设置第二换热盘管、重整气输送通道中设置第一换热盘管，所有换热盘管依次连通，换热介质采用去离子水，去离子水由外及里运动温度不断提高，从而能充分吸收高温废气的余热以及反应室中反应产生的多余的热量，从而实现第一内圈换热盘管输出过饱和蒸气，过饱和蒸气则可直接用于重整反应使用，这使得制氢装置中燃料燃烧产生的热量以及反应产生的热量得到充分利用，并有效节约了制氢成本。此外，上述废气流道以及第二区域反应室的布置结构巧妙，有效降低了整个制氢装置的高度，从而有节约高度方向的安装空间。再者，由于在内侧废气流道、外侧废气流道以及重整气输送通道中设置了换热盘管，可以通过实时控制换热盘管内换热介质的流量，以实现实时调节进入第二区域反应室内反应气体的温度以及第二区域反应室内反应温度的目的，以确保第二区域反应室内的反应可靠稳定地进行。
附图说明
图1是本是发明所述的制氢装置中的热能利用机构的结构示意图。
图2是图1中热辐射导流筒的剖视结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。
如图1、图2所示，制氢装置中的热能利用机构，包括用于燃烧的炉膛1，炉膛1设置在热辐射导流筒2中，热辐射导流筒2设置在反应釜3内。热辐射导流筒2外的反应釜3的内部形成用于进行重整反应的第一区域反应室31。炉膛1的下端与热辐射导流筒2相连通，炉膛1的外壁与热辐射导流筒2的内侧壁之间形成用于将热量传导至第一区域反应室31内的热辐射导流通道21。为了提高热传导效果，本实施例中，热辐射导流筒2的内壁上设置有凸出于热辐射导流筒2内壁的内部散热鳍片201，热辐射导流筒2的外壁上设置有凸出于热辐射导流筒2外壁的外部散热鳍片202。内部散热鳍片201的设置大大增加了换热面积，从而能大大提高热传导效果。外部散热鳍片202的设置进一步有效提高热传导效率。
本实施例中，热辐射导流筒2的上端设置有高温废气筒体4，高温废气筒体4与热辐射导流通道21顶部的热辐射导流通道出口211连通。高温废气筒体4外环绕设置有重整气输送通道5，重整气输送通道5位于反应釜3的上方、并与第一区域反应室出口311连通。本实施例中，第一区域反应室出口311位于第一区域反应室31的顶部。重整气输送通道5的顶部设置重整气输送通道出口501。
第一区域反应室31、以及重整气输送通道5的外侧环绕设置有废气流道6，所述的废气流道6中设置有第二区域反应室7，第二区域反应室7顶部设置有第二区域反应室出口71。第二区域反应室7将废气流道6由里向外分隔成内侧废气流道61和外侧废气流道62，内侧废气流道61和外侧废气流道62的底部之间相连通。内侧废气流道61的顶部设置有内侧废气进口611，外侧废气流道62的顶部设置有外侧废气出口621，所述的内侧废气进口611与高温废气筒体出口41相连通。本实施例中，高温废气筒体出口41设置在高温废气筒体4的顶部。重整气输送通道出口501与第二区域反应室7的底部连通。
为了进一步充分利用高温废气，本实施高温废气筒体4中穿设通过有燃料输送管101和助燃物料输送管102，燃料输送管101用于输送燃烧用的燃料气体，助燃物料输送管102用于输送燃烧用的助燃物料气体。燃料输送管101与助燃物料输送管102穿行通过高温废气筒体4，高温废气筒体4中的高温废气会对燃料输送管101中的燃料气体以及助燃物料输送管102中的助燃物料气体进行预热，从而大大提高燃烧效率，并充分利用了燃烧后产生的高温废气的余热。
所述的重整气输送通道5中设置有第一换热盘管51，内侧废气流道61中设置有第二换热盘管612，废气流道6的外壁上设置有第三换热盘管63。
第一换热盘管51、第二换热盘管612、第三换热盘管63中的换热介质均为去离子水，第一换热盘管51、第二换热盘管612、第三换热盘管63依次相连通。
本实施例中，第一换热盘管51包括相连通的第一内圈换热盘管511和第一外圈换热盘管512，其中第一内圈换热盘管511螺旋缠绕在高温废气筒体4的外壁上，第一外圈换热盘管512位于第一内圈换热盘管511的外侧。第二换热盘管612紧贴第二区域反应室7的侧壁设置。
第三换热盘管63的进口位于废气流道6外壁的上端部位置，第三换热盘管在废气流道6的下端部位置与第二换热盘管612相连通，第二换热盘管612在废气流道6的上端部位置与第一外圈换热盘管512相连通，第一外圈换热盘管512在重整气输送通道5中的底部位置与第一内圈换热盘管511连通，第一内圈换热盘管511输出过饱和蒸气。
为了充分利用热能，第二区域反应室出口71连接有出口氢气冷却器8，出口氢气冷却器8为管壳式冷却器，出口氢气冷却器8的冷却介质进口与去离子水输入管9相连接，出口氢气冷却器8的冷却介质出口与第三换热盘管的进口相连通。
高温废气流程：炉膛1内燃烧产生的高温废气从炉膛1的下端部进入至热辐射导流筒2中，然后经热辐射导流通道21向上运动，此过程中高温废气的热能通过热辐射导流筒2不断传导至第一区域反应室31，从而为进行第一区域反应室31内部的重整反应提供足够的热能。释放了大量热能后的高温废气从热辐射导流通道出口211进入高温废气筒体4内部，高温废气筒体4内部的高温气体将热量传递至高温废气筒体4内部的管路，如燃料输送管101和助燃物料输送管102，从而实现对燃料气体以及助燃物料气体进行预热，以大大提高燃烧效率。高温废气筒体4内部的高温气体还会通过高温废气筒体4的外壁传导致第一换热盘管51。
进一步释放了热能的废气经高温废气筒体出口41、内侧废气进口611进入至内侧废气流道61中，内侧废气流道61中的废气由上向下运动，内侧废气流道61中的废气的运动方向与第二换热盘管612中的换热介质的运动方向形成对流，从而进行充分热交换。内侧废气流道61中的废气从内侧废气流道61的底部进入外侧废气流道62中，外侧废气流道62中废气的热量通过外侧废气流道62的外壁传递至顶部设置第三换热盘管63。外侧废气流道62中废气由下向上运动，之后从外侧废气出口621向外排出。
反应气体流程：第一区域反应室31中进行重整反应，重整反应温度高达800℃～1000℃，产生的高温重整气经第一区域反应室出口311进入重整气输送通道5。重整气输送通道5中的高温重整气由下向上运动，从而不断将热量不断传递给第一换热盘管51。大幅降温后的重整气从重整气输送通道出口501进入第二区域反应室7的底部。进入第二区域反应室7内的重整气由下向上运动，从而依次进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应。CO变换反应以及选择性甲烷化反应均为放热反应，反应过程中产生的热量不断传递至内侧废气流道61中的与第二换热盘管612。第二区域反应室出口71输出的氢气进入出口氢气冷却器8中进一步冷却后排出。
水程：去离子水经去离子水输入管9进入出口氢气冷却器8中，氢气对去离子水进行初步预热。出口氢气冷却器8中得到初步预热的去离子水进入第三换热盘管63。第三换热盘管63中的换热介质由上向下螺旋运动至废气流道6外壁的下端部后进入第二换热盘管612中，第二换热盘管612中的换热介质由下向上螺旋运动至内侧废气流道61的上端，然后进入第一外圈换热盘管512中，第一外圈换热盘管512中的换热介质由上向下螺旋运动至重整气输送通道5中的底部后进入第一内圈换热盘管511中，第一内圈换热盘管511内的换热介质由下向上螺旋运动，第一内圈换热盘管511输出过饱和蒸气。过饱和蒸气可用作第一区域反应室31内进行重整反应用的反应原料。
由上可知，本发明的优点在于：在第一区域反应室31、以及重整气输送通道5的外侧设置有废气流道6，第二区域反应室7将废气流道6由里向外分隔成内侧废气流道61和外侧废气流道62，内侧废气流道61和外侧废气流道62的底部之间相连通，这样从高温废气筒体4排出的废气则会在废气流道6中迂回运动，这大大延长了废气在制氢装置中的通行路径，废气在迂回运动中充分释放热能；废气流道6的外壁上设置第三换热盘管63、内侧废气流道61中设置第二换热盘管612、重整气输送通道5中设置第一换热盘管51，所有换热盘管依次连通，换热介质采用去离子水，去离子水由外及里运动温度不断提高，从而能充分吸收高温废气的余热以及反应室中反应产生的多余的热量，从而实现第一内圈换热盘管511输出过饱和蒸气，过饱和蒸气则可直接用于重整反应使用，这使得制氢装置中燃料燃烧产生的热量以及反应产生的热量得到充分利用，并有效节约了制氢成本。此外，上述废气流道6以及第二区域反应室7的布置结构巧妙，有效降低了整个制氢装置的高度，从而有节约高度方向的安装空间。再者，由于在内侧废气流道61、外侧废气流道62以及重整气输送通道5中设置了换热盘管，可以通过实时控制换热盘管内换热介质的流量、流速等参数，以实现实时调节第二区域反应室7内反应温度的目的，以确保第二区域反应室7内的反应可靠稳定地进行，从而确保制得的氢气的纯度和品质大大提高。
Claims (8)
1.制氢装置中的热能利用机构，包括用于燃烧的炉膛，炉膛设置在热辐射导流筒中，热辐射导流筒设置在反应釜内，热辐射导流筒外的反应釜内部形成第一区域反应室，炉膛的下端与热辐射导流筒相连通，炉膛的外壁与热辐射导流筒的内侧壁之间形成用于将热量传导至第一区域反应室内的热辐射导流通道，其特征在于：热辐射导流筒的上端设置有高温废气筒体，高温废气筒体与热辐射导流通道顶部的热辐射导流通道出口连通，高温废气筒体外环绕设置有重整气输送通道，重整气输送通道位于反应釜的上方、并与第一区域反应室出口连通，第一区域反应室、以及重整气输送通道的外侧环绕设置有废气流道，所述的废气流道中设置有用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室，第二区域反应室顶部设置有第二区域反应室出口，第二区域反应室将废气流道由里向外分隔成内侧废气流道和外侧废气流道，内侧废气流道和外侧废气流道的底部相连通，内侧废气流道的顶部设置有内侧废气进口，外侧废气流道的顶部设置有外侧废气出口，所述的内侧废气进口与高温废气筒体出口相连通；重整气输送通道出口与第二区域反应室的底部连通；所述的重整气输送通道中设置有第一换热盘管，内侧废气流道中设置有第二换热盘管，废气流道的外壁上设置有第三换热盘管。
2.根据权利要求1所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：第一换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管中的换热介质均为去离子水，第一换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管依次相连通。
3.根据权利要求2所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：第一换热盘管包括相连通的第一内圈换热盘管和第一外圈换热盘管，其中第一内圈换热盘管螺旋缠绕在高温废气筒体的外壁上，第一外圈换热盘管位于第一内圈换热盘管的外侧；第二换热盘管紧贴第二区域反应室的侧壁设置；
第三换热盘管的进口位于废气流道外壁的上端部位置，第三换热盘管在废气流道的下端部位置与第二换热盘管相连通，第二换热盘管在内侧废气流道的上端部与第一外圈换热盘管相连通，第一外圈换热盘管在重整气输送通道中的底部位置与第一内圈换热盘管连通，第一内圈换热盘管输出过饱和蒸气。
4.根据权利要求3所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：第二区域反应室出口连接有出口氢气冷却器，出口氢气冷却器为管壳式冷却器，出口氢气冷却器的冷却介质进口与去离子水输入管相连接，出口氢气冷却器的冷却介质出口与第三换热盘管进口相连通。
5.根据权利要求1所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：第一区域反应室出口位于第一区域反应室顶部。
6.根据权利要求1所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：高温废气筒体出口设置在高温废气筒体的顶部。
7.根据权利要求1所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：热辐射导流筒的内壁上设置有凸出于热辐射导流筒内壁的内部散热鳍片，热辐射导流筒的外壁上设置有凸出于热辐射导流筒外壁的外部散热鳍片。
8.根据权利要求1所述的制氢装置中的热能利用机构，其特征在于：高温废气筒体中穿设有燃料输送管和助燃物料输送管，燃料输送管用于输送燃烧用的燃料气体，助燃物料输送管用于输送助燃物料气体。
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- 2022-08-04 CN CN202210931755.8A patent/CN115010088B/zh active Active
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