CN115057411B - 一种制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制氢装置，包括：设在外壳中的燃烧机构、燃料通道、助燃物料通道、高温废气通道、反应物料通道、反应室，反应室包括第一区域反应室，燃烧机构包括点火机构和燃烧热辐射机构，反应物料通道中设置有螺旋向下导向的导流板，反应物料通道连接加压输入机构，燃烧机构、燃料通道、助燃物料通道以及高温废气通道都设在反应物料通道内侧的容纳腔中，燃烧热辐射机构包括：燃烧筒，燃烧筒位于热辐射导流筒中，燃烧筒的外侧壁与热辐射导流筒的内侧壁之间形成热辐射通道；第一区域反应室位于容纳腔内且环绕在热辐射通道外，反应物料通道的底部与第一区域反应室连通。本发明的优点在于：物料混合均匀，预热充分，反应效率大大提高。

Description

一种制氢装置
技术领域
本发明涉及重整制氢装置技术领域。
背景技术
氢能已成为全球能源向绿色低碳转型的核心驱动力之一。全面突破氢能及燃料电池关键技术装备，攻克高效氢气制、储、运、加、燃料电池关键技术，开展核能制氢、“热-电-氢”多联产应用等技术研究，是新能源创新的目标和趋势。
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CO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：
重整反应过程：CH4+H2O→CO+3H2 △H298=206kJ/mol；
CO变换反应过程：CO+H2O→CO2+H2 △H298=-36kJ/mol；
选择性甲烷化反应过程： CO+3H2→CH4+H2O △H298=-206kJ/mol；
上述反应过程中，重整反应是整个制氢工艺的关键。
目前的制氢装置存在以下缺陷：一、反应物料混合的均匀性以及进料的稳定性相对较差，这些都导致重整反应效率低下。二、制氢装置的体积大。三、热效率利用低下。四、重整反应区域随着反应物料浓度的变化，其所需的温度不同，反应物料浓度越高，所需热量越大，反应物料浓度降低，其所需热量降低，而目前的燃烧机构供热则无法根据重整反应区域物料浓度的变化均衡热量供应，这也是目前重整反应效率低下的原因。
发明内容
本发明的目的是：提供一种制氢装置，其反应物料混合的均匀性以及进料的稳定性都大大提高，重整反应效率大大提高，结构也更加紧凑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种制氢装置，包括：外壳，外壳中设置有燃烧机构、为燃烧机构输送燃料的燃料通道、为燃烧机构输送助燃物料的助燃物料通道、用于排放燃烧机构燃烧产生的废气的高温废气通道、用于进行制氢反应的反应室，反应室包括用于进行重整反应的第一区域反应室，所述的燃烧机构包括点火机构和燃烧热辐射机构，外壳中还设置有用于输送反应物料的反应物料通道，反应物料通道包括环状的反应物料本体通道，反应物料本体通道中设置有用于将物料螺旋向下导向的螺旋导流机构；反应物料本体通道下端设置有反应物料底部通道，反应物料通道的顶部连接有加压输入机构，反应物料通道的内侧形成容纳腔，燃烧机构、燃料通道、助燃物料通道以及高温废气通道都设置在容纳腔中，燃烧热辐射机构包括：底部开口的燃烧筒，燃烧筒设置在底部封闭的热辐射导流筒中，燃烧筒的外侧壁与热辐射导流筒的内侧壁之间形成与燃烧筒相连通的热辐射通道，热辐射通道与高温废气通道相连通；所述的第一区域反应室位于容纳腔内且环绕设置在热辐射通道外，反应物料底部通道的内侧壁上设置有反应物料出口，反应物料出口与第一区域反应室相连通。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，反应物料本体通道以及反应物料底部通道的宽度都为2～50mm。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，反应物料本体通道的上端部由下向上逐渐变大形成反应物料通道缓冲段。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，螺旋导流机构为螺旋设置的导流板，导流板设置在反应物料通道缓冲段下方的反应物料本体通道中，在导流板的导向下物料螺旋向下运动。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，加压输入机构的结构包括：背压阀组，背压阀组输入端连接有第一进料管，背压阀组的输出端与文丘里混料喷射器的混料器进口相连接，文丘里混料喷射器的负压吸附口连接有第二进料管，文丘里混料喷射器的混料器出口连通至反应物料通道缓冲段。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，热辐射导流筒的底部与反应物料底部通道的内侧壁之间设置有底部进料通道，底部进料通道与第一区域反应室相连通；反应物料出口通过底部进料通道与第一区域反应室相连通。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，容纳腔内的热辐射导流筒外设置有底部封闭的反应釜筒体，反应釜筒体的底部与热辐射导流筒的底部之间形成底部进料通道，底部进料通道上方的、热辐射导流筒外的反应釜筒体内部形成第一区域反应室。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，热辐射导流筒的内壁的周向上间隔设置有若干内部散热鳍片，热辐射导流筒的外壁的周向上间隔设置有若干外部散热鳍片；每个内部散热鳍片均径向凸出于热辐射导流筒的内壁、且沿热辐射导流筒高度方向布置，热辐射导流筒内壁上的内部散热鳍片径向凸出的距离在热辐射导流筒的高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒的下端至热辐射导流筒的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒的中部位置至散热筒本体的上端由大逐渐减小。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，所述的热辐射导流筒内壁的周向上铣有若干散热凹槽，周向上每相邻两个散热凹槽之间形成一个内部散热鳍片，热辐射导流筒内壁上的散热凹槽的槽深在热辐射导流筒高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒的下端至热辐射导流筒的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒的中部位置至热辐射导流筒的上端由大逐渐减小。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，所述的燃料通道包括若干燃料输送管，所述的助燃物料通道包括若干助燃物料输送管，所述的燃料输送管和助燃物料输送管都穿设通过高温废气通道。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，点火机构包括点火电极、点火气体输送管、点火筒，所述的点火筒的下端与燃烧筒连通，点火电极穿设于点火气体输送管且点火电极的点火端伸入至点火筒中，点火气体输送管的输出端与点火筒相连通；所述的点火机构均穿设通过高温废气通道。
进一步地，前述的一种制氢装置，其中，容纳腔内的热辐射导流筒的顶部设置有高温废气筒体，高温废气筒体与热辐射通道的顶部连通，高温废气筒体内部形成高温废气通道；所述的燃料通道以及助燃物料通道均穿设通过高温废气筒体内部。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，反应室还包括用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室，第二区域反应室环绕设置在容纳腔外，第二区域反应室的顶部设置第二区域反应室的顶部设置氢气输出口。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，所述的第二区域反应室设置在环状的废气流道中，废气流道环绕设置在反应物料本体通道的外侧，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通道相连通；高温废气筒体与反应物料本体通道之间设置环形的重整气输送通道，第一区域反应室的顶部出口与重整气输送通道相连通，重整气输送通道通过重整气输送管连通至第二区域反应室的底部。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，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，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通道的外壁上，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设置；
第一内圈换热盘管、第一外圈换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管依次连通，第一内圈换热盘管、第一外圈换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管中的换热介质均为去离子水；
第三换热盘管中的换热介质由上向下运动至废气流道的下端后进入第二换热盘管中，第二换热盘管中的换热介质由下向上运动至内侧废气流道的上端后进入第一外圈换热盘管中，第一外圈换热盘管中的换热介质由上向下运动至重整气输送通道中的下端后进入第一内圈换热盘管中，第一内圈换热盘管内的换热介质由下向上运动，第一内圈换热盘管输出过饱和蒸气。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，第二区域反应室顶部的氢气输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，前述的一种制氢装置，其中，反应室还包括第二区域反应室，第二区域反应室设置在容纳腔内，第二区域反应室环绕设置在第一区域反应室上方的反应物料本体通道与高温废气筒体之间；第二区域反应室的顶部设置氢气输出口。
更进一步地，前述的一种制氢装置，其中，第一区域反应室与第二区域反应室之间的反应物料本体通道与高温废气筒体之间设置有重整气输送通道，重整气输送通道的底部与第一区域反应室的顶部出口相连通，重整气输送通道的顶部与第二区域反应室的底部相连通，重整气输送通道内设置有第三冷却盘管。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，所述的第二区域反应室设置在环形的废气流道中，所述的废气流道位于重整气输送通道上方的高温废气筒体与反应物料通道之间，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通道相连通；废气流道内侧壁与高温废气筒体外壁之间形成重整气旁通通道，重整气旁通通道与重整气输送通道相连通。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，外侧废气流道的外壁上设置有第一冷却盘管，内侧废气流道中设置有第二冷却盘管，重整气旁通通道中的高温废气筒体的外壁上设置第四冷却盘管；第一冷却盘管、第二冷却盘管、第三冷却盘管、第四冷却盘管依次连通，第一冷却盘管、第二冷却盘管、第三冷却盘管、第四冷却盘管中的换热介质为去离子水，第一冷却盘管中的换热介质由上向下运动至废气流道的下端后进入至第二冷却盘管中，第二冷却盘管中的换热介质由下向上运动至内侧废气流道的上端，然后向下进入至第三冷却盘管的进口中，第三冷却盘管的出口与第四冷却盘管连通，第四冷却盘管中的换热介质由下向上运动，第四冷却盘管输出过饱和蒸气。
再进一步地，前述的一种制氢装置，其中，第二区域反应室顶部的氢气输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一冷却盘管进口相连通。
本发明的优点在于：一、结构紧凑，适于小型化发展趋势。二、反应物料分布均匀，加料稳定，反应物料在进入第一区域反应室前得到有效充分的预热，从而大大提高了重整反应效率。三、第一区域反应室中能量分布均衡符合第一区域反应室高度方向反应物料的浓度变化，重整反应效率进一步大大提高。四、第二区域反应室以及废气流道的布置方式能充分利用燃烧以及反应产生的热量，从而大大提高了热能利用效率，同时也提高了第二区域反应室中的CO变换反应以及选择性甲烷化反应的效率，从而提高产品氢的纯度和品质。
附图说明
图1是实施例1中所述的一种制氢装置的结构示意图。
图2是实施例2中所述的一种制氢装置的结构示意图。
图3是实施例1和实施例2所述制氢装置中的反应物料通道的结构示意图。
图4是实施例1和实施例2所述制氢装置中的热辐射通道的结构示意图。
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。
实施例1：如图1、图3、图4所示，一种制氢装置，包括：外壳10，外壳10中设置有燃烧机构1、为燃烧机构1输送燃料的燃料通道2、为燃烧机构1输送助燃物料的助燃物料通道3、用于排放燃烧机构1燃烧产生的废气的高温废气通道4、用于进行制氢反应的反应室，反应室包括用于进行重整反应的第一区域反应室5，所述的燃烧机构1包括点火机构11和燃烧热辐射机构12。
如图1、图3所示，外壳10中还设置有用于输送反应物料的反应物料通道6，反应物料通道6包括环状的反应物料本体通道61，反应物料本体通道61的下端设置有反应物料底部通道612。反应物料本体通道61、以及反应物料底部通道612的宽度d都为2～50mm，反应物料通道6是一种狭窄型的输送通道。本实施例中，反应物料本体通道61的上端部由下向上逐渐变宽形成反应物料通道缓冲段611。图1、图2中反应物料通道6用黑色粗线表达其中充满反应物料。
反应物料本体通道61中中设置有用于将物料螺旋向下导向的螺旋导流机构；本实施例中螺旋导流机构为螺旋设置的导流板，导流板601设置在反应物料通道缓冲段下方的反应物料本体通道61中，在导流板的导向下物料螺旋向下运动。
螺旋向下导向的导流板601的设置大大延长了反应物料的通行路径，使反应物料能够更充分混合，从而提高反应物料的均匀性。
反应物料通道6的顶部连接有加压输入机构62，所述的加压输入机构62的结构包括：背压阀组621，背压阀组621输入端连接有第一进料管622，背压阀组621的输出端与文丘里混料喷射器623的混料器进口6231相连接，文丘里混料喷射器623的负压吸附口6232连接有第二进料管624，文丘里混料喷射器623的混料器出口6233连通至反应物料通道缓冲段611。本实施例中，第一进料管622用于输送过饱和蒸气，第二进料管624用于输送甲烷气体。
反应物料通道6的内侧形成容纳腔7，燃烧机构1、燃料通道2、助燃物料通道3以及高温废气通道4都设置在容纳腔7中。所述的燃料通道2包括若干燃料输送管21，所述的助燃物料通道3包括若干助燃物料输送管31。为了能对燃料气体以及助燃物料气体进行预热，所述的燃料输送管21和助燃物料输送管31都穿设通过高温废气通道4。燃料气体由若干燃料输送管21输送通过高温废气通道4，助燃物料气体由若干助燃物料输送管31输送通过高温废气通道4，燃料气体与助燃物料气体的预热效果大大提高，从而能大大提高燃烧效率。
燃烧机构1中的燃烧热辐射机构12包括：底部开口的燃烧筒121，燃烧筒121设置在底部封闭的热辐射导流筒122中，燃烧筒121的外侧壁与热辐射导流筒122的内侧壁之间形成热辐射通道123，热辐射通道123与高温废气通道4相连通。所述的第一区域反应室5位于容纳腔7内且环绕设置在热辐射通道123外。反应物料底部通道612的内侧壁上设置有反应物料出口63，所述的反应物料出口63与第一区域反应室5相连通。
热辐射导流筒122的底部与反应物料底部通道612的内侧壁之间设置有底部进料通道511，底部进料通道511与第一区域反应室5相连通；反应物料出口63通过底部进料通道511与第一区域反应室5相连通。具体地，本实施例中容纳腔7内的热辐射导流筒122外设置有底部封闭的反应釜筒体51，反应釜筒体51的底部与热辐射导流筒122的底部之间形成底部进料通道511，反应釜筒体51的底部设置有反应釜筒体进料口512，反应物料出口63与反应釜筒体进料口512连通。底部进料通道511上方的、热辐射导流筒122外的反应釜筒体51的内部形成第一区域反应室5。
如图4所示，热辐射导流筒122内壁的周向上间隔设置有若干内部散热鳍片1221，热辐射导流筒122的外壁的周向上间隔设置有若干外部散热鳍片1222；每个内部散热鳍片1221均径向凸出于热辐射导流筒122的内壁、且沿热辐射导流筒122高度方向布置，热辐射导流筒122内壁上的内部散热鳍片1221径向凸出的距离在热辐射导流筒122的高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒122的下端至热辐射导流筒122的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒122的中部位置至热辐射导流筒的上端由大逐渐减小。
本实施例中，所述的热辐射导流筒122内壁的周向上铣有若干散热凹槽1223，周向上每相邻两个散热凹槽1223之间形成一个内部散热鳍片1221，热辐射导流筒122内壁上的散热凹槽1223的槽深在热辐射导流筒122高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒122的下端至热辐射导流筒122的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒122的中部位置至热辐射导流筒122的上端由大逐渐减小。
通过在热辐射导流筒122的内壁上铣槽的方式形成内部散热鳍片1221，这样的好处在于：热辐射导流筒122与内部散热鳍片1221形成一体式结构，这不仅能大大提高热传导效果，还能方便机加工并提高机加工精度。另外，采用铣槽的方式形成内部散热鳍片1221，这使得热辐射导流筒122的内壁厚度在热辐射导流筒122的高度方向也是变化的，热辐射导流筒122的内壁厚度从热辐射导流筒122的下端至热辐射导流筒122的中部位置由厚逐渐变薄，从热辐射导流筒122的中部位置至热辐射导流筒122的上端由薄逐渐变厚。
热辐射导流筒122内的高温废气的温度具有以下特点：由下至上温度逐渐变低，即：热辐射导流筒122的底部位置温度最高，往上温度逐渐变低。
第一区域反应室5内进行重整反应，反应温度通常需要500℃至1000℃左右的高温，第一区域反应室5内具有如下特点：第一区域反应室5入口处、即第一区域反应室5的底部位置，反应原料气体浓度很高，会进行强吸热反应，因此热量需求大，沿着轴向向上，反应原料气体的浓度逐渐变低，到了第一区域反应室5的上端部、即第一区域反应室5的出口处基本趋于平衡，所需热量会大大降低。
热辐射导流筒122的内部散热鳍片1221径向凸出于热辐射导流筒122内壁的距离从热辐射导流筒122的下端至热辐射导流筒122的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒122的中部位置至热辐射导流筒122的上端由大逐渐减小；热辐射导流筒122的壁厚从热辐射导流筒122的下端至热辐射导流筒122的中部位置由厚逐渐变薄，从热辐射导流筒122的中部位置至热辐射导流筒122的上端由薄逐渐变厚；上述目的在于：热传导以及热传导效率在整个热辐射导流筒122的高度方向先由少和慢逐渐增大增强，然后再逐渐变减少降低，从而有效均衡第一区域反应室5内部的热量分布，更好的满足整个第一区域反应室5内不同高度区域的反应需要，有效提高重整反应效率。
由此可见：热辐射导流筒122结构巧妙，能在高度方向对热量进行均衡。使得热量分布符合第一区域反应室5内的不同高度的反应物料浓度的变化，从而充分利用热能，并有效提高重整反应效率。
燃烧机构1中的点火机构11包括点火电极111、点火气体输送管112、点火筒113，所述的点火筒113的下端与燃烧筒121连通，点火电极111穿设通过点火气体输送管112并伸入至点火筒113中，点火气体输送管112的输出端与点火筒113相连通；所述的点火机构11穿设通过高温废气通道4。
本实施例中，容纳腔7内的热辐射导流筒122的顶部设置有高温废气筒体41，高温废气筒体41与热辐射通道123的顶部连通，高温废气筒体41内部形成高温废气通道4；所述的燃料通道2以及助燃物料通道3均穿设通过高温废气筒体41，即所有燃料输送管21、所有助燃物料输送管31都穿设通过高温废气筒体41内部。
本实施例中，反应室还包括用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室8，第二区域反应室8环绕设置在容纳腔7外，第二区域反应室8的顶部设置有氢气输出口81。所述的第二区域反应室8设置在环状的废气流道9中，废气流道9环绕设置在反应物料本体通道61的外侧，第二区域反应室8将废气流道9由里向外分隔成内侧废气流道91和外侧废气流道92，内侧废气流道91和外侧废气流道92的底部相连通，内侧废气流道91的顶部设置有内侧废气进口911，外侧废气流道92的顶部设置有外侧废气出口921，所述的内侧废气进口911与高温废气通道4相连通。高温废气筒体41与反应物料本体通道61之间设置环形的重整气输送通道52，重整气输送通道52通过重整气输送管522连通至第二区域反应室8的底部。
重整气输送通道52中设置有第一换热盘管521，内侧废气流道91中设置有第二换热盘管912，废气流道9的外壁上设置有第三换热盘管93，第一换热盘管521包括相连通的第一内圈换热盘管5211和第一外圈换热盘管5212。其中第一内圈换热盘管5211螺旋缠绕在高温废气通道4的外壁上即高温废气筒体41外壁上，第一外圈换热盘管5212位于第一内圈换热盘管5211的外侧。第二换热盘管912紧贴第二区域反应室8设置。
第一内圈换热盘管5211、第一外圈换热盘管5212、第二换热盘管912、第三换热盘管93依次连通，第一内圈换热盘管5211、第一外圈换热盘管5212、第二换热盘管912、第三换热盘管93中的换热介质均为去离子水。
第三换热盘管93中的换热介质由上向下运动至废气流道9外壁的下端部后 后进入第二换热盘管912中，第二换热盘管912中的换热介质由下向上运动至内侧废气流道91的上端部后进入第一外圈换热盘管5212中，第一外圈换热盘管5212中的换热介质由上向下运动至重整气输送通道52的下端部后进入第一内圈换热盘管5211中，第一内圈换热盘管5211内的换热介质由下向上运动，第一内圈换热盘管5211输出过饱和蒸气。
为了充分利用热量，第二区域反应室8的顶部的氢气输出口81连接有出口氢气冷却器82，出口氢气冷却器82采用换热管式冷却结构，出口氢气冷却器82的冷却介质进口与去离子水输入管8211相连接，出口氢气冷却器82的冷却介质出口与第三换热盘管93的进口相连通。
工作原理如下：
燃烧供热烟气流程：点火气体，通常是甲烷与空气的混合气体，从点火气体输送管112进入点火筒113，点火电极111点火，点火气体燃烧供热。制氢装置中稳定产氢后，甲烷继续由点火气体输送管112输送，一部分氢气作为燃料从燃料输送管21进入燃烧筒121，空气作为助燃气体从助燃物料输送管31进入至燃烧筒121，甲烷燃烧以及氢气燃烧共同供热。此状态下燃烧筒121中进行无焰燃烧，产生大量的高温废气。
高温废气经燃烧筒121下端进入热辐射通道123，在热辐射通道123中的内部散热鳍片1221、以及热辐射通道123外的外部散热鳍片1222的作用下，高温废气的热量迅速传导至第一区域反应室5中，从而为第一区域反应室5中的重整反应提供大量的热量。释放了大量热量的高温废气经高温废气通道4向上运动。高温废气通道4中的高温废气还会将热量传递至燃料输送管21中的燃料气体、助燃物料输送管31中的助燃气体以及点火气体输送管112中点火气体，从而对燃料气体、助燃气体以及点火气体进行预热，这能有效提高燃烧效率。高温废气通道4还将热量传递至其外壁上的第一内圈换热盘管5211。
从高温废气通道4输出的废气经内侧废气进口911进入内侧废气流道91，内侧废气流道91中的废气从上向下运动，并将热量传递至第二换热盘管912，从而不断降温冷却。内侧废气流道91中的废气从底部进入至外侧废气流道92，然后在外侧废气流道92中由下向上运动，最后完全释放了热量的废气从外侧废气流道92顶部的外侧废气出口921输出。外侧废气流道92中的热量通过废气流道9的外壁传递至第三换热盘管93。
废气流道9布置在反应物料通道6的外侧，且废气流道9中分隔成内侧废气流道91与外侧废气流道92，从高温废气通道4中输出的高温废气依次在内侧废气流道91与外侧废气流道92迂回运动，这样结构的废气流道9有效延长了高温废气运动的路径，使得高温废气的热量能够尽量释放出来，从而能大大提高热能的利用率，有效减少热能损失。
反应物料运动过程：反应原料为甲烷和过饱和蒸气，过饱和蒸气经第一进料管622进入背压阀组621，然后由背压阀组621增压后进入至文丘里混料喷射器623中，甲烷气体经第二进料管624、负压吸附口6232进入文丘里混料喷射器623，在文丘里混料喷射器623中负压的作用下，甲烷气体在文丘里混料喷射器623的负压腔中与过饱和蒸气混合。混合后的反应物料从文丘里混料喷射器623的混料器出口6233进入至反应物料通道缓冲段611中。背压阀组621与文丘里混料喷射器623的设置，实现了反应物料的充分混合以及反应物料的两级加压。
反应物料经反应物料通道缓冲段611进入反应物料本体通道61，反应物料通道缓冲段611起到了很好的稳流和缓冲的作用，这大大提高进入第一区域反应室5中反应物料的稳定性，从而确保重整反应稳定进行。在导流板601的导向下，反应物料螺旋向下运动进入至反应物料底部通道612中。导流板601的设置大大延长了反应物料的通行路径，这能使反应物料充分混合，从而大大提高反应物料的均匀性，因而能进一步提高第一区域反应室5内重整反应的效率。
反应物料底部通道612中的反应物料经反应物料出口63进入底部进料通道511，底部进料通道511中的反应物料从第一区域反应室5的底部进入第一区域反应室5中进行重整反应。第一区域反应室5中反应产生的重整气向上运动，然后从第一区域反应室5的顶部进入至重整气输送通道52，进入至重整气输送通道52中的重整气的温度高达600℃以上，重整气将热量传递至第一换热盘管521从而释放大量热能而得到冷却。
释放了大量热能的重整气经重整气输送管522进入至第二区域反应室8的底部。第二区域反应室8中的重整气由下向上运动而依次进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应。第二区域反应室8产生的氢气从第二区域反应室8的顶部的氢气输出口81进入出口氢气冷却器82中，出口氢气冷却器82对氢气进一步冷却，从而充分吸收氢气的热能。制氢装置制得的氢气，其中一部分可作为燃料回用燃烧供热，另一部分可向外输出。
上述的反应物料通道结构的优点在于：一、采用宽度为2～50mm狭窄型结构的反应物料通道6、并配合加压输入机构62对反应物料进行加压输送，狭窄型的反应物料通道6能够使得反应物料进行更充分地混合，使得物料分布均匀，加压输入机构62能有效控制物料的进料压力，确保物料进料的稳定性。此外，这种窄通道加压输送结构简单巧妙，也更加紧凑，有效缩小了制氢装置的体积。二、背压阀组621与文丘里混料喷射器623的设置，形成了物料混合以及两级加压，从而为物料输送提供稳定的压力，确保反应物料能够稳定的输送至进行重整反应的第一区域反应室5中，确保重整反应的稳定进行。三、反应物料通道6中物料在狭窄通道中运动的过程中还能被其内部的重整气输送通道52中的重整气、以及其外部的内侧废气流道91中的高温废气进行预热，并在底部进料通道511中得到进一步预热，因此在第一区域反应室5前就得到充分的预热，从而大大提高了反应效率。
上述反应中使用的过饱和蒸气的获得过程如下：去离子水经去离子水输入管8211进入出口氢气冷却器82的换热管中，出口氢气冷却器82中的氢气对去离子水进行预热，预热后的去离子水进入第三换热盘管93中，第三换热盘管93中的去离子水吸收外侧废气流道92中的热量后温度逐步升高，从而平衡外侧废气流道92中的温度，确保废气流道9中第二区域反应室8内反应温度稳定。第三换热盘管93中的去离子水进入第二换热盘管912中，第二换热盘管912中的去离子水吸收第二区域反应室8内反应所释放的热量，同时对内侧废气流道91中的废气进行冷却。第二换热盘管912中的去离子水的温度进一步提高，第二换热盘管912中的去离子水进入第一外圈换热盘管5212中，第一外圈换热盘管5212中的去离子水则吸收从第一区域反应室排出的高温重整气的热量，第一外圈换热盘管5212中的去离子水最后进入第一内圈换热盘管5211中，第一内圈换热盘管5211中的去离子水进一步吸收高温废气通道4通过高温废气筒体41的外壁传递的热量、以及高温重整气体的热量后，第一内圈换热盘管5211产生过饱和蒸气，即可用作重整反应原料使用。
过饱和蒸气的获得过程，即是制氢装置热能充分利用的过程。在第二区域反应室8的内侧设置第二换热盘管912、并在废气流道9 的外壁上第三换热盘管93，还能通过控制第二换热盘管912与第三换热盘管93中的换热介质的流速、流量等参数来调节第二区域反应室8内的反应温度，确保第二区域反应室8内反应温度稳定在反应所需的温度，这有效确保了CO变换反应以及选择性甲烷化反应能稳定进行，从而有效提高第二区域反应室8输出的氢气纯度和品质。
实施例2：如图2、图3、图4所示，一种制氢装置，与实施例1所不同的结构如下描述，其余结构均与实施例中的描述相同，本实施例中相同部分不再赘述。
不同的部分具体如下：本实施例中用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室8设置在容纳腔7内，第二区域反应室8环绕设置在第一区域反应室5上方的反应物料本体通道61与高温废气筒体41之间；第二区域反应室8的顶部设置氢气输出口81。
第一区域反应室5与第二区域反应室8之间的反应物料本体通道61与高温废气筒体41之间设置重整气输送通道52，重整气输送通道52的底部与第一区域反应室5的出口相连通，重整气输送通道52的顶部与第二区域反应室8的底部相连通，重整气输送通道52内设置有第三冷却盘管521。
本实施例中第二区域反应室8设置在环形的废气流道9中，所述的废气流道9位于重整气输送通道52上方的高温废气筒体41与反应物料本体通道61之间。第二区域反应室8将废气流道9由里向外分隔成内侧废气流道91和外侧废气流道92，内侧废气流道91和外侧废气流道92的底部相连通，内侧废气流道91的顶部设置有内侧废气进口911。外侧废气流道92的顶部设置有外侧废气出口922，所述的内侧废气进口911与高温废气通道4相连通。废气流道9的内侧壁与高温废气筒体41之间设置有重整气旁通通道53，重整气旁通通道53与重整气输送通道52连通。
本实施例中，废气流道9的外壁上设置有第一冷却盘管921，内侧废气流道91中设置有第二冷却盘管912，重整气旁通通道53中的高温废气筒体41的外壁上设置第四冷却盘管411；第一冷却盘管921、第二冷却盘管912、第三冷却盘管521、第四冷却盘管411依次连通，第一冷却盘管921、第二冷却盘管912、第三冷却盘管521、第四冷却盘管411中的换热介质为去离子水。
第一冷却盘管921中的换热介质由上向下运动进入至第二冷却盘管912中，第二冷却盘管912中的换热介质由下向上运动，然后再向下进入至第三冷却盘管521的进口中，第三冷却盘管521的出口与第四冷却盘管411连通，第四冷却盘管411中的换热介质由下向上运动，第四冷却盘管411输出过饱和蒸气。
为了充分利用热能，第二区域反应室8的顶部的氢气输出口81连接有出口氢气冷却器82，出口氢气冷却器82采用管壳式冷却器，其中氢气走壳程，冷却介质走管程。出口氢气冷却器82的冷却介质进口与去离子水输入管8211相连接，出口氢气冷却器82的冷却介质出口与第一冷却盘管921的进口相连通。
工作原理如下。
燃烧供热烟气流程：点火气体点火过程以及燃料燃烧供热的过程与实施例1相同，在此不再赘述。所不同的是从高温废气通道4输出的高温废气经内侧废气进口911进入位于容纳腔7内的内侧废气流道91，内侧废气流道91中的废气从上向下运动，并将热量传递至第二冷却盘管912，从而不断得到降温冷却。内侧废气流道91中的废气从底部进入至外侧废气流道92，然后在外侧废气流道92中由下向上运动，最后完全释放了热量的废气从外侧废气流道92顶部的外侧废气出口922排出。外侧废气流道92中的热量通过废气流道9的外壁传递至第一冷却盘管921。
反应物料运动过程：反应原料为甲烷和过饱和蒸气，其进入第一区域反应室5中的过程同实施例1，本实施例中不再赘述。所不同的是，第一区域反应室5中重整反应产生的重整气体向上运动进入至重整气输送通道52和重整气旁通通道53中，高温重整气将热量传递至第三冷却盘管521从而得到冷却，冷却后的重整气体向上运动从第二区域反应室8的底部进入第二区域反应室8，然后不断向上运动依次进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应。重整气旁通通道53中的重整气体有效确保第四冷却盘管411的换热效果。
第二区域反应室8中进行CO变换反应与选择性甲烷化反应均为放热反应，内侧废气流道91中的第二冷却盘管912以及废气流道9外壁上第一冷却盘管921则起到吸收第二区域反应室8中反应产生的热量的作用，确保第二区域反应室8中的温度由下向上逐步降低、且稳定，从而确保第二区域反应室中的CO变换反应以及选择性甲烷化反应可靠稳定地进行。
第二区域反应室8中产生的氢气从第二区域反应室8顶部的氢气输出口81进入出口氢气冷却器82中，出口氢气冷却器82对氢气进一步冷却，从而充分吸收氢气的热能。制氢装置制得的氢气，其中一部分可作为燃料燃烧供热回用，另一部分可向外输出。
反应原料过饱和蒸气的获得过程如下：去离子水经去离子水输入管8211进入出口氢气冷却器82的换热管中，出口氢气冷却器82中的氢气对去离子水进行预热，预热后的去离子水进入第一冷却盘管921中，第一冷却盘管921中的去离子水吸收外侧废气流道92中的热量后温度逐步升高，从而平衡外侧废气流道92中的温度，确保废气流道9中第二区域反应室8内反应温度稳定。第一冷却盘管921中的去离子水进入第二冷却盘管912中，第二冷却盘管912中的去离子水吸收第二区域反应室8内反应所释放的热量，同时对内侧废气流道91中的废气进行冷却。第二冷却盘管912中的去离子水的温度进一步提高，第二冷却盘管912中的去离子水进入重整气输送通道52中的第三冷却盘管521中，第三冷却盘管521中的去离子水则吸收从第一区域反应室排出的高温重整气的热量，第三冷却盘管521中的去离子水最后进入高温废气筒体41外壁上的第四冷却盘管411中，第四冷却盘管411中的去离子水进一步升温，第四冷却盘管411产生过饱和蒸气，即可用作重整反应的反应原料。
实施例2提供了第二区域反应室8的另一种布置形式，该布置方式能够节约横向空间。
由上述实施例可以得到本发明所述的制氢装置，具有以下优点：一、结构紧凑，适于小型化发展趋势。二、反应物料分布均匀，加料稳定，加料压力可控，反应物料在螺旋向下运动的狭窄通道中还会被有效预热，在进入第一区域反应室5前可预热至500℃左右，从而进一步提高重整反应效率。三、第一区域反应室5中能量分布均衡符合第一区域反应室5高度方向反应物料的浓度变化，重整反应效率大大提高。四、第二区域反应室8以及废气流道9的布置方式能充分利用燃烧以及反应产生的热量，从而达到提高热能利用率，同时也提高了第二区域反应室8中的CO变换反应以及选择性甲烷化反应的效率，从而提高产品氢的纯度和品质。五、通过对废气流道以及重整气输送通道内的换热管中换热介质流量、流速等参数的控制能对反应室内部的温度进行实时调控，从而确保重整制氢反应稳定，进一步提高制氢效率。

Claims (21)

1.一种制氢装置，包括：外壳，外壳中设置有燃烧机构、为燃烧机构输送燃料的燃料通道、为燃烧机构输送助燃物料的助燃物料通道、用于排放燃烧机构燃烧产生的废气的高温废气通道、用于进行制氢反应的反应室，反应室包括用于进行重整反应的第一区域反应室，所述的燃烧机构包括点火机构和燃烧热辐射机构，其特征在于：外壳中还设置有用于输送反应物料的反应物料通道，反应物料通道包括环状的反应物料本体通道，反应物料本体通道中设置有用于将物料螺旋向下导向的螺旋导流机构；反应物料本体通道下端设置有反应物料底部通道，反应物料通道的顶部连接有加压输入机构，反应物料通道的内侧形成容纳腔，燃烧机构、燃料通道、助燃物料通道以及高温废气通道都设置在容纳腔中，燃烧热辐射机构包括：底部开口的燃烧筒，燃烧筒设置在底部封闭的热辐射导流筒中，燃烧筒的外侧壁与热辐射导流筒的内侧壁之间形成与燃烧筒相连通的热辐射通道，热辐射通道与高温废气通道相连通；所述的第一区域反应室位于容纳腔内且环绕设置在热辐射通道外，反应物料底部通道的内侧壁上设置有反应物料出口，反应物料出口与第一区域反应室相连通。
2.根据权利要求1所述的一种制氢装置，其特征在于：反应物料本体通道以及反应物料底部通道的宽度都为2～50mm。
3.根据权利要求2所述的一种制氢装置，其特征在于：反应物料本体通道的上端部由下向上逐渐变大形成反应物料通道缓冲段。
4.根据权利要求3所述的一种制氢装置，其特征在于：螺旋导流机构为螺旋设置的导流板，导流板设置在反应物料通道缓冲段下方的反应物料本体通道中，在导流板的导向下物料螺旋向下运动。
5.根据权利要求3所述的一种制氢装置，其特征在于：加压输入机构的结构包括：背压阀组，背压阀组输入端连接有第一进料管，背压阀组的输出端与文丘里混料喷射器的混料器进口相连接，文丘里混料喷射器的负压吸附口连接有第二进料管，文丘里混料喷射器的混料器出口连通至反应物料通道缓冲段。
6.根据权利要求1所述的一种制氢装置，其特征在于：热辐射导流筒的底部与反应物料底部通道的内侧壁之间设置有底部进料通道，底部进料通道与第一区域反应室相连通；反应物料出口通过底部进料通道与第一区域反应室相连通。
7.根据权利要求6所述的一种制氢装置，其特征在于：容纳腔内的热辐射导流筒外设置有底部封闭的反应釜筒体，反应釜筒体的底部与热辐射导流筒的底部之间形成底部进料通道，底部进料通道上方的、热辐射导流筒外的反应釜筒体内部形成第一区域反应室。
8.根据权利要求1所述的一种制氢装置，其特征在于：热辐射导流筒的内壁的周向上间隔设置有若干内部散热鳍片，热辐射导流筒的外壁的周向上间隔设置有若干外部散热鳍片；每个内部散热鳍片均径向凸出于热辐射导流筒的内壁、且沿热辐射导流筒高度方向布置，热辐射导流筒内壁上的内部散热鳍片径向凸出的距离在热辐射导流筒的高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒的下端至热辐射导流筒的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒的中部位置至散热筒本体的上端由大逐渐减小。
9.根据权利要求8所述的一种制氢装置，其特征在于：所述的热辐射导流筒内壁的周向上铣有若干散热凹槽，周向上每相邻两个散热凹槽之间形成一个内部散热鳍片，热辐射导流筒内壁上的散热凹槽的槽深在热辐射导流筒高度方向是变化的，且变化规律为：从热辐射导流筒的下端至热辐射导流筒的中部位置由小逐渐增大，从热辐射导流筒的中部位置至热辐射导流筒的上端由大逐渐减小。
10.根据权利要求1所述的一种制氢装置，其特征在于：所述的燃料通道包括若干燃料输送管，所述的助燃物料通道包括若干助燃物料输送管，所述的燃料输送管和助燃物料输送管都穿设通过高温废气通道。
11.根据权利要求1所述的一种制氢装置，其特征在于：点火机构包括点火电极、点火气体输送管、点火筒，所述的点火筒的下端与燃烧筒连通，点火电极穿设于点火气体输送管且点火电极的点火端伸入至点火筒中，点火气体输送管的输出端与点火筒相连通；所述的点火机构均穿设通过高温废气通道。
12.根据权利要求1～11任意一项所述的一种制氢装置，其特征在于：容纳腔内的热辐射导流筒的顶部设置有高温废气筒体，高温废气筒体与热辐射通道的顶部连通，高温废气筒体内部形成高温废气通道；所述的燃料通道以及助燃物料通道均穿设通过高温废气筒体内部。
13.根据权利要求12所述的一种制氢装置，其特征在于：反应室还包括用于进行CO变换反应以及选择性甲烷化反应的第二区域反应室，第二区域反应室环绕设置在容纳腔外，第二区域反应室的顶部设置第二区域反应室的顶部设置氢气输出口。
14.根据权利要求13所述的一种制氢装置，其特征在于：所述的第二区域反应室设置在环状的废气流道中，废气流道环绕设置在反应物料本体通道的外侧，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通道相连通；高温废气筒体与反应物料本体通道之间设置环形的重整气输送通道，第一区域反应室的顶部出口与重整气输送通道相连通，重整气输送通道通过重整气输送管连通至第二区域反应室的底部。
15.根据权利要求14所述的一种制氢装置，其特征在于：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，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通道的外壁上，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设置；
第一内圈换热盘管、第一外圈换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管依次连通，第一内圈换热盘管、第一外圈换热盘管、第二换热盘管、第三换热盘管中的换热介质均为去离子水；
第三换热盘管中的换热介质由上向下运动至废气流道的下端后进入第二换热盘管中，第二换热盘管中的换热介质由下向上运动至内侧废气流道的上端后进入第一外圈换热盘管中，第一外圈换热盘管中的换热介质由上向下运动至重整气输送通道中的下端后进入第一内圈换热盘管中，第一内圈换热盘管内的换热介质由下向上运动，第一内圈换热盘管输出过饱和蒸气。
16.根据权利要求15所述的一种制氢装置，其特征在于：第二区域反应室顶部的氢气输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。
17.根据权利要求12所述的一种制氢装置，其特征在于：反应室还包括第二区域反应室，第二区域反应室设置在容纳腔内，第二区域反应室环绕设置在第一区域反应室上方的反应物料本体通道与高温废气筒体之间；第二区域反应室的顶部设置氢气输出口。
18.根据权利要求17所述的一种制氢装置，其特征在于：第一区域反应室与第二区域反应室之间的反应物料本体通道与高温废气筒体之间设置有重整气输送通道，重整气输送通道的底部与第一区域反应室的顶部出口相连通，重整气输送通道的顶部与第二区域反应室的底部相连通，重整气输送通道内设置有第三冷却盘管。
19.根据权利要求18所述的一种制氢装置，其特征在于：所述的第二区域反应室设置在环形的废气流道中，所述的废气流道位于重整气输送通道上方的高温废气筒体与反应物料通道之间，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通道相连通；废气流道内侧壁与高温废气筒体外壁之间形成重整气旁通通道，重整气旁通通道与重整气输送通道相连通。
20.根据权利要求19所述的一种制氢装置，其特征在于：外侧废气流道的外壁上设置有第一冷却盘管，内侧废气流道中设置有第二冷却盘管，重整气旁通通道中的高温废气筒体的外壁上设置第四冷却盘管；第一冷却盘管、第二冷却盘管、第三冷却盘管、第四冷却盘管依次连通，第一冷却盘管、第二冷却盘管、第三冷却盘管、第四冷却盘管中的换热介质为去离子水，第一冷却盘管中的换热介质由上向下运动至废气流道的下端后进入至第二冷却盘管中，第二冷却盘管中的换热介质由下向上运动至内侧废气流道的上端，然后向下进入至第三冷却盘管的进口中，第三冷却盘管的出口与第四冷却盘管连通，第四冷却盘管中的换热介质由下向上运动，第四冷却盘管输出过饱和蒸气。
21.根据权利要求17所述的一种制氢装置，其特征在于：第二区域反应室顶部的氢气输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一冷却盘管进口相连通。
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