CN115159454B - 一种内部集成蒸发器的甲醇重整反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内部集成蒸发器的甲醇重整反应器。甲醇重整反应器包括反应器本体，其内部设有热介质流域和重整物流域，热介质流域与重整物流域彼此不连通但能够进行热交换。蒸发器设置在重整物流域内且位于其前段，蒸发器与重整物流域后段连通。这样，蒸发器是集成在甲醇重整反应器内部的。原料在重整物流域后段进行重整反应。本发明将蒸发器与重整器集成在同一个重整反应器中，结构紧凑，热效率高。

Description

一种内部集成蒸发器的甲醇重整反应器

技术领域

本发明涉及一种甲醇重整反应器，尤其涉及一种内部集成蒸发器的甲醇重整反应器，属于甲醇重整制氢技术领域。

背景技术

甲醇重整制氢以甲醇和水的混合物为原料。上述原料先受热蒸发成气态，然后在重整器中进行催化转化，得到重整气，其中的氢气供燃料电池使用，经过电化学反应产生电能。

使甲醇和水的混合物蒸发成气态是一个需要吸热的物理变化，重整反应是一个需要吸热的化学反应。重整反应对温度敏感，必须使原料和催化剂持续处在合适的温度区间，才能使此反应持续高效平稳进行。在燃料电池内进行氢气的电化学反应，它是放热反应。

这样，完整的甲醇重整制氢与氢气催化燃烧至少包括两个吸热阶段和一个放热阶段。如何使放热阶段产生的热量供给吸热阶段使用，对于整个甲醇重整燃料电池系统的高效经济运行甚为关键。

为了提高蒸发器的换热效率，常见的蒸发器内部设置有很多微流道，结构复杂，这将给清洁和维护带来麻烦。且因为需要清洁维护，蒸发器通常外置，热交换时向外界空气散热，浪费部分热量。申请号201810147717.7的发明专利“蒸发器和燃料电池装置”公开了这种类型的蒸发器，它存在上述缺点。

因此，对甲醇重整燃料电池系统中的蒸发器、重整器、燃料电池进行更好的热管理结构优化，以减少热量损失，提高换热效率，是甲醇重整燃料电池系统持续改进的一个重要方向。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何优化蒸发器与重整器的热管理。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种内部集成蒸发器的甲醇重整反应器，包括：

反应器本体，反应器本体内部设有热介质流域和重整物流域，热介质流域与重整物流域彼此不连通但能够进行热交换；

蒸发器，蒸发器设置在重整物流域中且位于其前段，蒸发器与重整物流域的后段连通；

热介质入口，热介质入口设置在反应器本体的第一端，且与热介质流通区域连通；

热介质出口，热介质入口设置在反应器本体的第二端，且与热介质流通区域连通；

重整原料入口，重整原料入口设置在反应器本体的侧壁，且与蒸发器连通；

重整气出口，重整气出口设置在反应器本体的侧壁，且与重整物流域的后段连通。

在一些实施例中，

反应器本体的内部靠近其第一端处设置第一隔板，第一隔板边缘与反应器本体的内壁密闭连接；

反应器本体的内部靠近其第二端处设置第二隔板，第二隔板边缘与反应器本体的内壁密闭连接；

在第一隔板和第二隔板上开设对应的通孔，通孔之间以管状物连接，管状物内部属于热介质流域；

重整原料入口和重整气出口设置在反应器本体的位于第一隔板和第二隔板之间的侧壁上，管状物外壁与反应器本体内壁之间形成重整物流域，在重整物流域内有重整催化剂。

在一些实施例中，多个管状物均匀分布在第一隔板和第二隔板之间。

在一些实施例中，第一隔板与反应器本体的第一端之间具有分流腔，第二隔板与反应器本体的第二端之间具有汇流腔。

在一些实施例中，重整物流域的前段和后段被均流结构分隔。

在一些实施例中，第一隔板和均流结构之间设有蒸发器，蒸发器内填充导热颗粒。

在一些实施例中，导热颗粒之间的间隙总体积大于蒸发器内容积的25％。

在一些实施例中，导热颗粒包括沸石。

在一些实施例中，重整物流域的后段内设有折流板用于延长流程。

在一些实施例中，反应器本体外表设有隔热层。

本发明的有益效果：本发明将蒸发器与重整器集成在同一个重整反应器中，结构紧凑，热效率高。

附图说明

图1是本发明一个较佳实施例中内部集成蒸发器的甲醇重整反应器的外观形状示意图。

图2是本发明一个较佳实施例中内部集成蒸发器的甲醇重整反应器的内部结构示意图。

图3是本发明一个较佳实施例中内部集成蒸发器的甲醇重整反应器的工作状态示意图。

以上各图中的附图标记为：

110 外壳体

121 第一隔板

122 第二隔板

130 均流结构

130a 通孔

141 第一折流板

142 第二折流板

210 烟气入口

220 分流腔

231 烟气流道

232 烟气流道

233 烟气流道

234 烟气流道

240 汇流腔

250 烟气出口

310 甲醇水入口

320 蒸发器

321 导热颗粒

330 重整器

340 重整气出口

具体实施方式

本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本专利的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

本发明提供的甲醇重整反应器的一个样例如图1和图2所示，其内部集成有蒸发器，如图2所示。图1中展示的甲醇重整反应器整体外观为圆柱形，两端弧面形状。在其他实施例中，甲醇重整反应器也可以设为其他形状。甲醇重整反应器的外壳体110由金属材料制成，优选不锈钢：不锈钢既保证了结构强度，又能经受甲醇、水、氢气等物质的腐蚀。

制作甲醇重整反应器时，先取一段不锈钢圆管，作为外壳体110的主体。不锈钢圆管预先开孔，用于焊接甲醇水入口310、重整气出口340等。内部结构装配完成后，在不锈钢圆形管的两端各焊接一个弧面形的端盖。端盖预先开孔，用于焊接烟气入口210和烟气出口250。为了减少热量损失，可以在外壳体110外部包裹隔热材料层。

甲醇重整反应器内部具有彼此物质不能连通但相互能够进行热交换的流体流经区域，本专利中简称之为流域。其中一个流域是热介质流域，另一个流域是重整物流域。热介质既可以是气态的流体，例如，热烟气等，也可以是液态的流体，例如，导热油。本专利中重整物是指重整原料以及重整产物。

重整物流域位于甲醇重整反应器的一个腔体内，分成前后两段，重整物流域的前段和后段被均流结构130隔开，如图2所示。均流结构130是一块厚板，其边缘与反应器内壁接触并密封。均流结构130上设有供烟气流道贯穿的孔道，除上述孔道之外的均流结构130上其他位置密集且均匀设置多个通孔130a，供甲醇水混合气顺利通过。腔体前段作为蒸发器使用，如图2中所示的蒸发器320。腔体后段含有重整催化剂，这段作为重整器使用，如图2中所示的重整器330。

热介质流域供导热介质流过。在本实施例中，导热介质是热烟气。热烟气来自启动燃烧器或者燃料电池。热烟气从烟气入口210流入热介质流域，经过分流腔220后进入多个烟气流道(如图2中所示的烟气流道231、烟气流道232、烟气流道233、烟气流道234等)，再流至汇流腔240，最后从烟气出口250流出。分流腔220近似喇叭形状，它的作用是分散热烟气，使它们均匀进入每个烟气流道。与之对应，汇流腔240近似反向喇叭形状，它的作用是汇聚热烟气尾气，进一步回收利用其中残余的热量。优选的，烟气流道是金属制成的直管，其流向与甲醇重整反应器的轴向平行。多个烟气流道均匀排布在重整反应器内部，热烟气流经这些烟气流道，由流道管壁向外散热——确切说，是向重整物流域散热，这些热量为甲醇水混合物的蒸发以及重整反应提供热量。

在甲醇重整反应器内部，除了两端的分流腔220与汇流腔240以及中间的烟气流道之外，其余位置都是重整物流域。重整物流域的前段依靠第一隔板121与分流腔220隔开，第一隔板121的边缘与反应器内壁密封，第一隔板121上开设有与烟气流道相等数量的前部开孔，每个前部开孔连接一个烟气流道，前部开孔和烟气流道的入口齐平。重整物流域的后段依靠第二隔板121与汇流腔240隔开，第二隔板122上开设有与烟气流道相等数量的后部开孔，每个后部开孔连接一个烟气流道，后部开孔与烟气流道的出口齐平。每个烟气流道都从重整物流域的前段贯穿至后段，如图2所示，这样热量既可以被蒸发器320吸收利用，又可以被重整器330吸收利用。

重整物流域的前段空腔内填充导热颗粒321。本实施例采用人造沸石颗粒作为蒸发器的主体，其形状优选是球形。上述人造沸石的化学成分是氧化硅或者氧化锆，内部具有类似天然沸石的空腔结构。氧化硅和氧化锆耐高温，硬度大，韧性强，由它们制成的沸石非常耐用。天然沸石是一类矿物的的统称，有很多种，它们的共同特点就是具有架状结构，就是说在它们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔。这些空腔里还存在很多水分子，这些水分子在遇到高温时会排出来，但这并不会破坏沸石内部的晶体结构。因此，它还可以再重新吸收水或其他液体。沸石且具有很大的内表面积，这是它的特点。

蒸发器320内的沸石吸收热量后温度上升，液态的甲醇水混合物进入沸石的空腔内吸热变成气态，实现蒸发。因为沸石颗粒是球形的，相邻的沸石颗粒之间具有空隙，以便液态的甲醇水混合物快速通过并进入所有沸石颗粒内部空腔。优选地，沸石颗粒之间的间隙总体积因大于蒸发器内容积的25％。从图2中可知，部分沸石颗粒包围在烟气流道外壁周围，这些沸石优先吸收烟气流道中热烟气的热量，再传导给其他沸石颗粒。热烟气持续供热，蒸发器内的甲醇水持续汽化。

甲醇水气体混合物通过均流结构130上的通孔130a进入重整物流域的后段的重整器330，在此处进行重整反应，产生氢气。重整器330占据体积较大。在本实施例中，它占重整物流域体积的四分之三左右，以便使重整反应充分进行。重整器330中设置折流结构，延长重整原料的行程，提高重整器的换热效率，进一步使重整反应充分进行。折流结构可以是各种形式，优选地，本实施例采用如图2所示的第一折流板141和第二折流板142，它们使重整物流域的后段细分为三个子段。在第一子段中的重整原料要汇聚到上方才能进入第二子段，在第一子段中的重整原料要汇聚到下方才能进入第三子段。与不设置折流结构的情形相比，重整原料在本实施中的行程至少延长了1倍。

重整原料在重整器330内进行重整反应，需有催化剂的参与。催化剂可以涂敷在外壳体110的内壁与烟气流道的外表。优选地，还在重整器330内填充颗粒状或丝球状的催化剂载体(图中未示出)。颗粒状的催化剂载体与蒸发器中的沸石结构类似，其内部充满空腔，催化剂位于这些空腔的内表面和颗粒外表面。每个颗粒状催化剂载体内的空腔数量极大，这使载体拥有巨大的内表面积。重整原料经过时，有很多机会与催化剂接触。丝球状的催化剂的原理和上述颗粒状催化载体类似，但更易于加工。将催化剂涂敷在金属细丝表面，然后将这些细丝加工成团，这样的丝球同样具有很大的内表面积，且比颗粒状催化剂载体更加抗振，使用寿命更长。

本实施例提供的内部集成蒸发器的甲醇重整反应器的工作流程如下：

在启动阶段，启动燃烧器产生的热烟气由烟气入口120进入到分流腔220，再分成几路分别进入各个烟气流道。热烟气流经烟气流道时，因为烟气流道金属管壁优异的导热性，烟气中的热量由烟气流道外壁散发至重整物流域的前段和后段，分别用于预热蒸发器320和重整器330。热烟气而后汇集至汇流腔240，最后从烟气出口250流出，此时热烟气仍有余热，可收集利用。在稳态运行阶段，热烟气是由燃料电池中氢燃料的催化氧化反应产生。热烟气的整个流程如图3中箭头A所示。

预热完成后，液态的甲醇水混合物由甲醇水入口310进入，首先来到位于腔体前段的蒸发器320。此时蒸发器320中的沸石已被预热到较高温度，液态的甲醇水混合物接触沸石时汽化。汽化后甲醇水混合物的通过均流结构上的通孔130a，均匀进入腔体后段的重整反应区域，在该区域内的重整催化剂作用下，进行甲醇重整制氢反应，反应后的流体通过重整气出口340流出，进入下一步流程。重整物的整个流程如图3中箭头B所示。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种甲醇重整反应器，其特征在于，包括：

反应器本体，所述反应器本体内部设有热介质流域和重整物流域，所述热介质流域与所述重整物流域彼此不连通但能够进行热交换；

蒸发器，所述蒸发器设置在所述重整物流域内且位于其前段，所述蒸发器与所述重整物流域的后段连通；

热介质入口，所述热介质入口设置在所述反应器本体的第一端，且与所述热介质流通区域连通；

热介质出口，所述热介质入口设置在所述反应器本体的第二端，且与所述热介质流通区域连通；

重整原料入口，所述重整原料入口设置在所述反应器本体的侧壁，且与所述蒸发器连通；

重整气出口，所述重整气出口设置在所述反应器本体的侧壁，且与所述重整物流域的后段连通；

所述反应器本体的内部靠近其第一端处设置第一隔板，所述第一隔板边缘与所述反应器本体的内壁密闭连接；

所述反应器本体的内部靠近其第二端处设置第二隔板，所述第二隔板边缘与所述反应器本体的内壁密闭连接；

在所述第一隔板和所述第二隔板上开设对应的通孔，通孔之间以管状物连接，所述管状物内部属于所述热介质流域；

所述重整原料入口和所述重整气出口设置在所述反应器本体的位于所述第一隔板和所述第二隔板之间的侧壁上，所述管状物外壁与所述反应器本体内壁之间形成所述重整物流域，在所述重整物流域内有重整催化剂；

所述重整物流域的前段和后段被均流结构分隔，所述第一隔板和所述均流结构之间设有蒸发器，所述蒸发器内填充导热颗粒，所述导热颗粒之间的间隙总体积大于所述蒸发器内容积的25％；所述导热颗粒采用由氧化硅或氧化锆制成的球形人造沸石。

2.根据权利要求1所述的一种甲醇重整反应器，其特征在于，多个所述管状物均匀分布在所述第一隔板和所述第二隔板之间。

3.根据权利要求1所述的一种甲醇重整反应器，其特征在于，所述第一隔板与所述反应器本体的第一端之间具有分流腔，所述第二隔板与所述反应器本体的第二端之间具有汇流腔。

4.根据权利要求1所述的一种甲醇重整反应器，其特征在于，所述重整物流域的后段内设有折流板。

5.根据权利要求1所述的一种甲醇重整反应器，其特征在于，所述反应器本体外表设有隔热层。