CN115196592B - 一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，属于碳氢燃料重整制氢技术领域。解决了现有重整反应装置重整反应能源利用率低以及重整效率低的问题。它包括重整燃料外部储液腔体和重整制氢装置，所述重整制氢装置位于燃料外部储液腔体内，所述重整制氢装置包括气化重整换热腔体、环形分布的燃料气化管排、螺旋管重整流道、集成连接的尾气分流通道、燃料入口分流腔以及环形产物收集腔，所述尾气分流通道的输入端连接有尾气进口通道，所述尾气分流通道、燃料入口分流腔以及环形产物收集腔皆安装在气化重整换热腔体的输入端。它主要用于重整制氢。
Description
技术领域
本发明属于碳氢燃料重整制氢技术领域，特别是涉及一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器。
背景技术
当今世界能源资源日益紧张，生态环境问题突出，能源发展面临一系列新的问题和挑战，节能减排已经成为主流的发展方向。在当今工业生产生活中有大量的机械设备在运行过程中会排放大量的高温尾气，直接排放这些高温尾气不仅会造成资源的浪费还会造成环境污染。因此可以将发动机等设备产生的高温尾气进行收集利用，提高发动机的工作效率，减少污染排放。
氢气清洁高效，来源广泛，可以应用于燃料电池进行发电，也可以应用于内燃机等设备直接燃烧利用，它的能量密度为140MJ/kg，是汽油能量密度的3.25倍，具有清洁高效的特点。氢气的制备主要有电解水、碳氢燃料重整等方式。其中碳氢燃料重整的反应条件并不需要极高的温度，如甲醇水蒸气重整反应条件温和仅有200-300℃，可以充分利用尾气的余热进行碳氢燃料的重整制氢。
碳氢燃料重整制氢方式主要有水蒸气重整制氢、部分氧化重整制氢和自热重整制氢。水蒸气重整需要外部热源，比部分氧化重整和自热重整的反应温度低，条件温和，产物中H2含量高，是目前重要的制氢方式。
目前公开的有关发动机尾气余热利用的重整反应装置，在反应装置整体的紧凑度传热性能，以及对流换热结构的设计上仍有一定的不足，余热利用结构设计具有很大的提升空间。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器,以解决现有重整反应装置重整反应能源利用率低以及重整效率低的问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，包括重整燃料外部储液腔体和重整制氢装置，所述重整制氢装置位于燃料外部储液腔体内，所述重整制氢装置包括气化重整换热腔体、环形分布的燃料气化管排、螺旋管重整流道、集成连接的尾气分流通道、燃料入口分流腔以及环形产物收集腔，所述尾气分流通道的输入端连接有尾气进口通道，所述尾气分流通道、燃料入口分流腔以及环形产物收集腔皆安装在气化重整换热腔体的输入端，所述气化重整换热腔体的输出端安装有与尾气分流通道相对应的尾气收集通道和与燃料入口分流腔相对应的气化燃料收集与分流腔，所述尾气收集通道与气化燃料收集与分流腔集成安装，所述尾气收集通道的输出端设有尾气排出通道，所述燃料气化管排安装在燃料入口分流腔与气化燃料收集与分流腔之间且外部设有翅片组，所述螺旋管重整流道的两端分别与气化燃料收集与分流腔与环形产物收集腔连接。
更进一步的，所述环形产物收集腔与冷却集液器连接。
更进一步的，所述环形产物收集腔与冷却集液器通过内部气体产物出口连接，所述冷却集液器输出端安装有冷却净化气体产物出口。
更进一步的，所述翅片组设有若干个，若干个翅片组均布在燃料气化管排的外部。
更进一步的，所述翅片组包括三个气化管道外部翅片，所述气化管道外部翅片圆周角度为25°。
更进一步的，所述冷却集液器上还设有冷却集液器液体排出口。
更进一步的，所述冷却集液器内设有气体净化装置。
更进一步的，所述尾气进口通道进气端安装有高温尾气弯管法兰接口。
更进一步的，所述重整换热腔体外部安装有气化重整腔体壁面，所述重整燃料外部储液腔体外部设有重整装置外壁面。
更进一步的，所述气化重整腔体壁面上安装有内部重整燃料入口，所述内部重整燃料入口与燃料入口分流腔连通，所述重整装置外壁面上安装有外部重整燃料入口。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明的燃料气化管排流道外部分布着以一定角度旋转层叠的翅片单元构成的翅片组，使高温气体在反应器内形成旋流加强扰动，强化换热，提高燃料气化、重整效率；
2.本发明的尾气入口分流通道与燃料入口分流腔、环形产物收集腔通过结构设计集成在一起，强化液态燃料与高温气体产物、高温尾气的换热作用，可以提高液体燃料入口温度，冷却重整气体产物；
3.本发明的尾气出口通道与气化燃料收集分流腔集成为一体，尾气出口收集通道四周充满气化燃料，高效的传热构型使反应器进一步收集利用高温尾气余热；
4.本发明的燃料外部储液腔体将气化重整部分完全包围，以未气化的液体燃料作为重整反应器的保温隔热层，解决反应器隔热问题的同时，减少反应器整体的外部散热损失，提高整体性能；
5.本发明所设计的环形气体产物收集腔被外部储液腔体和内部液体燃料分流腔环绕，可以充分利用液体燃料对高温气体产物进行冷却降温；
6.本发明的外部冷却集液器，可以对气体产物中剩余水蒸气进行冷却液化收集，长径比大的圆柱型腔体更利于冷却，内部加入气体净化装置还可对产物进行进一步的处理，提高氢气纯度。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器的结构示意图；
图2为本发明所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器所做截面切面示意图；
图3为本发明所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器的轴向截面的结构示意图；
图4为本发明所述的环形产物收集腔、燃料分流腔以及尾气分流腔集成的径向截面结构示意图；
图5为本发明内部径向截面图的结构示意图；
图6为本发明所述的气化燃料收集与分流腔与尾气收集腔集成的径向截面结构示意图；
图7为本发明所述的翅片组的结构示意图；
图8为本发明所述的燃料气化管排单管上翅片分布示意图。
1-高温尾气弯管法兰接口，2-尾气进口通道，3-尾气分流通道，4-气化重整换热腔体，5-尾气收集通道，6-尾气排出通道，7-外部重整燃料入口，8-重整燃料外部储液腔体，9-内部重整燃料入口，10-燃料入口分流腔，11-燃料气化管排，12-气化燃料收集与分流腔，13-螺旋管重整流道，14-环形产物收集腔，15-内部气体产物出口，16-冷却集液器液体排出口，17-冷却集液器，18-冷却净化气体产物出口，19-气化重整腔体壁面，20-重整装置外壁面，21-气化管道外部翅片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-8说明本实施方式，一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，包括重整燃料外部储液腔体8和重整制氢装置，所述重整制氢装置位于燃料外部储液腔体8内，所述重整制氢装置包括气化重整换热腔体4、环形分布的燃料气化管排11、螺旋管重整流道13、集成连接的尾气分流通道3、燃料入口分流腔10以及环形产物收集腔14，所述尾气分流通道3的输入端连接有尾气进口通道2，所述尾气分流通道3、燃料入口分流腔10以及环形产物收集腔14皆安装在气化重整换热腔体4的输入端，所述气化重整换热腔体4的输出端安装有与尾气分流通道3相对应的尾气收集通道5和与燃料入口分流腔10相对应的气化燃料收集与分流腔12，所述尾气收集通道5与气化燃料收集与分流腔12集成安装，所述尾气收集通道5的输出端设有尾气排出通道6，所述燃料气化管排11安装在燃料入口分流腔10与气化燃料收集与分流腔12之间且外部设有翅片组，所述螺旋管重整流道13的两端分别与气化燃料收集与分流腔12与环形产物收集腔14连接，所述气化重整腔体壁面19上安装有内部重整燃料入口9，所述内部重整燃料入口9与燃料入口分流腔10连通，所述重整装置外壁面20上安装有外部重整燃料入口7。
高温尾气通过尾气进口通道2进入反应器，经过尾气分流通道3、气化重整换热腔体4和尾气收集通道5完成换热，然后经过换热处理后的尾气由尾气排出通道6排出反应器，然后重整所用的液态碳氢燃料通过外部重整燃料入口7先流入重整燃料外部储液腔体8内进行暂时储存，然后通过内部重整燃料入口9进入燃料入口分流腔10，在燃料入口分流腔10内完成流量的均匀分布，之后进入环形分布的燃料气化管排11进行吸热气化，在气化燃料收集与分流腔12完成气化燃料的收集，并将气化燃料均匀的分布到螺旋管重整流道13中完成重整制氢反应，重整制得的氢气产物进入到环形产物收集腔14进行收集。
其中，燃料气化管排11上设有翅片组，使高温气体在反应器内形成旋流加强扰动，进而强化换热，提高燃料气化以及重整效率。
其中，尾气分流通道3、燃料入口分流腔10以及环形产物收集腔14集成在一起，尾气分流通道3与环形产物收集腔14外部充满了液体燃料，可以提高液体燃料入口温度，冷却重整气化产物，尾气收集通道5与气化燃料收集与分流腔12集成为一体，尾气收集通道5被气化燃料完全包裹，能够进一步的利用余热，重整燃料外部储液腔体8完全包裹重整制氢装置，燃料并不通过内部重整燃料入口9直接进入气化重整流道呢，而是通过重整燃料外部储液腔体8暂时储存在重整器外部，以液体燃料作为重整装置保温隔热装置，能减少反应器整体的外部散热损失。
其中，尾气分流通道3横穿燃料入口分流腔10，环形产物收集腔14与高温尾气流道壁面将燃料入口分流腔10完全包围，通过该结构可以提高重整燃料入口温度，降低重整气体产物的出口温度，提高反应器的热效率，所述尾气收集出口流道5横穿气化燃料收集分离腔12，反应器尾气流道壁面将气化燃料收集分离腔12包裹，通过紧凑高效的换热结构已经气化的燃料还可以继续利用尾气余热提高温度。
其中，所述螺旋管重整流道13，螺旋管以圆周对称分布的形式与气化燃料收集与分流腔12、环形产物收集腔14相接，因螺旋管与径向平面具有一定的角度，接口处具有椭圆型入口截面，可以增大入口面积减小流动过程中的损失。
其中，所述环形产物收集将外部储液腔体内燃料送入燃料入口分流腔10，该环形结构可以将螺旋管重整流道13出口完全包围进行气体产物的收集，环形产物收集腔14的外腔14所占圆周角度为340°，剩余一定角度供内内部重整燃料入口9使用，环壁与重整燃料外部储液腔体8相接，同时与反应器壁面形成封闭空间将燃料入口分流腔10完全包围，利用液体燃料对高温气体产物进行降温，方便收集储存与使用。
参看图1-3说明本实施方式，所述环形产物收集腔14与冷却集液器17通过内部气体产物出口15连接，所述冷却集液器17输出端安装有冷却净化气体产物出口18，所述冷却集液器17上还设有冷却集液器液体排出口16，所述冷却集液器17内设有气体净化装置。
重整制得的氢气产物进入环形产物收集腔14之后，收集获得的气体产物通过内部气体产物出口15进入冷却集液器17，在冷却集液器17内完成最终的气体冷却和净化，冷凝的水蒸气通过冷却集液器液体排出口16排出，最终冷却净化后的氢气产物通过冷却净化气体产物出口18排出反应器。
其中，冷却集液器17呈环形圆柱体状，整体较为细长，可以起到缓冲的作用，对气体产物进行进一步的冷凝。
参看图1-8说明本实施方式，所述翅片组设有若干个，若干个翅片组均布在燃料气化管排11的外部，所述翅片组包括三个气化管道外部翅片21，所述气化管道外部翅片21圆周角度为25°，燃料气化管排11以环形层层排布在高温尾气气化重整换热腔体4内，管外单个气化管道外部翅片21类似于流线型静叶叶片，气流吹扫时会使气流产生一定角度的偏转，减小流动过程的阻力。多个气化管道外部翅片21圆周径向均匀分布，组成一个翅片单元，翅片单元沿着管道轴向分布时，以一定角度旋转，形成翅片组。以此使整个高温尾气通道内形成强烈的旋流，强化换热的同时又降低流动阻力，该反应器中单个翅片所占扇形圆周角度为25°，圆周径向一层排布四片作为一个气化管道外部翅片21，每个翅片组在气化管道轴向以30°角度旋转，三个气化管道外部翅片21为一个翅片组，气化管道外部翅片21以此规律排布于所有气化管道上，能够使高温气体在反应器内形成旋流加强扰动，强化换热，提高燃料气化、重整效率。
以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。
Claims (8)
1.一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：包括重整燃料外部储液腔体(8)和重整制氢装置，所述重整制氢装置位于燃料外部储液腔体(8)内，所述重整制氢装置包括气化重整换热腔体(4)、环形分布的燃料气化管排(11)、螺旋管重整流道(13)、集成连接的尾气分流通道(3)、燃料入口分流腔(10)以及环形产物收集腔(14)，所述尾气分流通道(3)的输入端连接有尾气进口通道(2)，所述尾气分流通道(3)、燃料入口分流腔(10)以及环形产物收集腔(14)皆安装在气化重整换热腔体(4)的输入端，所述气化重整换热腔体(4)的输出端安装有与尾气分流通道(3)相对应的尾气收集通道(5)和与燃料入口分流腔(10)相对应的气化燃料收集与分流腔(12)，所述尾气收集通道(5)与气化燃料收集与分流腔(12)集成安装，所述尾气收集通道(5)的输出端设有尾气排出通道(6)，所述燃料气化管排(11)安装在燃料入口分流腔(10)与气化燃料收集与分流腔(12)之间且外部设有翅片组，所述螺旋管重整流道(13)的两端分别与气化燃料收集与分流腔(12)与环形产物收集腔(14)连接，所述翅片组设有若干个，若干个翅片组均布在燃料气化管排(11)的外部，所述翅片组包括三个气化管道外部翅片(21)，所述气化管道外部翅片(21)圆周角度为25°。
2.根据权利要求1所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述环形产物收集腔(14)与冷却集液器(17)连接。
3.根据权利要求2所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述环形产物收集腔(14)与冷却集液器(17)通过内部气体产物出口(15)连接，所述冷却集液器(17)输出端安装有冷却净化气体产物出口(18)。
4.根据权利要求2所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述冷却集液器(17)上还设有冷却集液器液体排出口(16)。
5.根据权利要求2所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述冷却集液器(17)内设有气体净化装置。
6.根据权利要求1所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述尾气进口通道(2)进气端安装有高温尾气弯管法兰接口(1)。
7.根据权利要求1所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述重整换热腔体(4)外部安装有气化重整腔体壁面(19)，所述重整燃料外部储液腔体(8)外部设有重整装置外壁面(20)。
8.根据权利要求7所述的一种高效翅片强化结构一体化重整制氢反应器，其特征在于：所述气化重整腔体壁面(19)上安装有内部重整燃料入口(9)，所述内部重整燃料入口(9)与燃料入口分流腔(10)连通，所述重整装置外壁面(20)上安装有外部重整燃料入口(7)。
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| CN (1) | CN115196592B (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN115557467B (zh) * | 2022-11-23 | 2023-04-25 | 浙江百能科技有限公司 | 煤炭分级利用废水制氢反应系统及方法 |
Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN101054160A (zh) * | 2006-04-10 | 2007-10-17 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种微型重整制氢反应器 |
| CN107514321A (zh) * | 2017-07-12 | 2017-12-26 | 同济大学 | 一种用于egr系统中的重整制氢装置 |
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2022
- 2022-07-25 CN CN202210875886.9A patent/CN115196592B/zh active Active
Patent Citations (2)
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| CN115196592A (zh) | 2022-10-18 |
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