CN115196595A - 一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，属于电能天然气制氢技术领域。该天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉自外向内包括重整炉外壳、保温层和重整炉承压壳体；所述重整炉承压壳体内沿轴线方向设置多个反应段，各反应段内均沿竖直方向固定有金属电阻发热板，重整炉承压壳体内还填充有催化剂；各反应段的金属电阻发热板还均与温度控制单元和供电设备电连接。本发明天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉的炉内反应温度控制精确，可避免局部高温问题，提高了重整炉的寿命，同时可适用于风电、光伏发电等大规模消纳制氢并实现长时储能。

Description

一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉
技术领域
本发明涉及电能与天然气制氢技术领域，具体涉及一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉。
背景技术
可再生能源近年来发展迅速，装机容量大大提升。但是可再生 能源具有波动性、地域性、随机性等特点使得大量可再生电能无法 被消纳，造成严重的弃风、弃光现象。氢能因其良好的性质得到了 各界的广泛关注，而将可再生电能与氢能相结合，有效实现可再生能源的消纳。
电解水制氢为目前的主要结合可再生能源于氢能的方式之一，然而其低效率、高成本、小规模等问题使其目前未在工业上大规模运用。目前世界上主流的制氢方式为天然气水蒸气重整工艺，相比于其他方式技术更加成熟、成本更少，得到了广泛应用。其过程中使用天然气燃烧提供反应热量，造成额外碳排放的同时热量也并不能充分利用。此外传统天然气水蒸气重整制氢规模巨大，难以适应广泛的可再生能源消纳工作。另外，工业广泛应用的炉型为顶烧炉，结构不完全对称，燃烧器和烟道存在使得系统复杂程度进一步提高，操作中难以保证各炉管受热均匀，从而影响设备寿命以及制氢效率，为设备安全运行带来隐患。
申请号为CN201610885116.7的专利公开了一种蒸汽重整炉及使用方法，通过布置多排催化剂管，及燃料、空气等进出管路设置在炉底，从而实现紧凑布置减少热损失，便于操作的目的。但是燃烧带来的碳排放以及排烟热损无法避免，管内温度难以实行均匀，容易造成重整炉局部高温，使得热应力不均匀从而影响重整炉寿命，且重整炉体型庞大。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，目的之一在于将电能引入天然气水蒸气重整制氢炉中，实现可再生电能的消纳，避免弃风、弃光现象。本发明的目的之二在于改变现有天然气重整炉以天然气为原料燃烧来提供热量的现状，使得CO2排放减少。本发明的目的之三在于提供小型、紧凑的天然气制氢装置。通过波纹板型电阻的引用，使得炉管内温度均匀，同产量下反应体积大大减少，适合分布于风能光能资源富足地区的小规模氢能生产。
本发明提供了一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，重整炉自外向内包括重整炉外壳、保温层和重整炉承压壳体；所述重整炉承压壳体内沿轴线方向设置多个反应段，各反应段内均沿竖直方向固定有金属电阻发热板，重整炉承压壳体内还填充有催化剂；各反应段的金属电阻发热板还均与温度控制单元和供电设备电连接。
较佳地，温度控制单元包括控制器以及与控制器信号连接的多个温度传感器，各温度传感器位于重整炉承压壳体内用于检测各反应段的温度；各反应段均设置三相调压器，各三相调压器与对应反应段的金属电阻发热板电连接；所述控制器还与各三相调压器电连接；
各反应段温度传感器获取温度，并将信号传输至控制器，控制器根据温度大小调节各反应段对应的三相调压器来控制各段金属电阻发热板的功率大小，温度低于设定值时调高三相调压器的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器的输出电压。
较佳地，金属电阻发热板包括金属电阻发热折板以及多个肋片，所述金属电阻发热折板为螺旋型或S型，所述金属电阻发热折板通过固定装置固定在重整炉承压壳体内，多个肋片分布在金属电阻发热板的各侧面。
较佳地，重整炉承压壳体的入口端还连接有绝缘管道，所述绝缘管道通过法兰和重整炉承压壳体连接，其中法兰之间装有绝缘密封圈，并通过绝缘螺栓连接。
较佳地，金属电阻发热折板和肋片分别由铁铬合金制成。
较佳地，金属电阻发热板分为三段，每段供电均为三角形连接，每一相之间的金属电阻发热板电阻相同，三相电每相连接在金属电阻发热板上的接线条上，由三相调压器供电。
较佳地，重整炉承压壳体通过绝缘套筒与重整炉外壳连接；重整炉承压壳体内部设有绝缘陶瓷。
较佳地，重整炉承压壳体入口设有均流装置，所述均流装置包括均流网固定壳，所述均流网固定在固定壳上。
较佳地，当三相调压器接入可再生电能时，各反应段温度传感器获取温度，信号传输至控制器，控制器控制重整炉承压壳体原料入口电磁调节阀开度来改变天然气、水蒸气流量，以适应可再生电能的波动性。
较佳地，催化剂为Ni-γAl2O3，Ni-MgO或Ni-CaO中的一种或几种。。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、天然气制氢电气化：通过将电能引入重整炉，避免了天然气燃烧产生的额外二氧化碳排放。相比于传统重整炉的间壁式加热，采用电加热具有更快的升温速率，启停迅速，可以很好的适应可再生电能的波动性，同时可直接外接10-110kV高压电，减少电能输送时的损失。
2、重整炉内温度精准化：通过肋片型金属电阻发热板加热，将金属电阻发热板分为三段进行分段加热，实现重整炉内温度的精确控制，避免局部高温问题，提高了重整炉的寿命。
3、制氢设备小型化：电能的引入使得热量的传递更加高效，同时去除了燃烧器烟道等设备，使得本产品体积大大减少，有利于耦合分布广泛的风能、光能进行分布式氢能生产。
附图说明
图1为本发明天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉结构示意图；
图2为本发明重整炉横截面A结构示意图；
图3为本发明螺旋形金属电阻发热板截面示意图；
图4为本发明变负荷控制器逻辑示意图；
图5为本发明均流装置示意图；
图6为本发明催化剂布置方式示意图。
附图标记说明：
1.重整炉外壳，2.保温层，3.重整炉承压壳体，4.金属电阻发热板，41.金属电阻发热折板，42.肋片，5.催化剂，6.控制器，7.温度传感器，8.绝缘管道，9. 法兰，10.绝缘密封圈，11.绝缘螺栓，12.接线条，13.接线端子，14.绝缘套筒， 15.均流装置，16.电磁调节阀，17.外接接地线，18.固定装置，19.混合器， 20.三相调压器，21.绝缘陶瓷。
具体实施方式
在下面的实施例中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是通信；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例1
如图1所示，本发明提供的一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，包括重整炉，其一端为入口端，另一端为出口端，所述重整炉自外向内包括重整炉外壳1、保温层2和重整炉承压壳体3；所述重整炉承压壳体3沿管长方向设置多个反应段，如图优选为三个反应段，各反应段内均沿竖直方向固定有金属电阻发热板4，重整炉承压壳体3内还填充有催化剂5；各反应段的金属电阻发热板4还均与温度控制单元和供电设备电连接，天然气和水蒸气分别从原料入口处进入混合器19，随后进入重整炉承压壳体3。本实施例通过将电能引入重整炉，避免了天然气燃烧产生的额外二氧化碳排放。相比于传统重整炉的间壁式加热，采用电加热具有更快的升温速率，启停迅速。通过金属电阻发热板加热，将金属电阻发热板分为三段进行分段加热，实现重整炉内温度的精确控制，避免局部高温问题，提高了重整炉的寿命。
实施例2
在上述实施例的基础上，本实施例的温度控制单元包括控制器6以及与控制器6信号连接的多个温度传感器7，各温度传感器7位于重整炉承压壳体3 内用于检测各反应段的温度；各反应段均设置三相调压器20，各三相调压器 20与对应反应段的金属电阻发热板4电连接；所述控制器6还与各三相调压器 20电连接；
各反应段温度传感器7获取温度，并将信号传输至控制器6，控制器6根据温度大小调节各反应段对应的三相调压器20来控制各段功率大小，温度低于设定值时调高三相调压器20的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器20的输出电压。三相调压器20可接高压电，重整炉内温度传感器7在获取温度后，信号传输至控制器6，控制器根据温度大小控制三相调压器20改变电压来调整功率大小，实现各反应段温度精准控制。
作为一种更优选的方式，重整炉前两个反应段温度传感器7布置在中部进行控温，末端反应段温度传感器7布置在尾部，控制尾部温度。
各反应段对应的三相调压器20可外接10-110kV输入电源，输出三相可变电压。
实施例3
在上述实施例的基础上，本实施例的所述金属电阻发热板4包括金属电阻发热折板41以及多个肋片42，所述金属电阻发热折板41为螺旋型或S型，所述金属电阻发热折板41通过固定装置18固定在重整炉承压壳体3内，多个肋片42分布在金属电阻发热板4的各侧面。通过增加肋片可以有效提高换热面积，从而增强换热，提高换热效率。
更优选地，金属电阻发热折板41和肋片42分别由铁铬合金制成。金属电阻发热折板4上装有接线条12，通过重整炉承压壳体3引出导线分别连接在三相调压器20上，三相调压器20连接在控制器6上的接线端子13上。
优选地，重整炉承压壳体3的入口端还连接有绝缘管道8，所述绝缘管道 8通过法兰9和重整炉承压壳体3连接，其中法兰9之间装有绝缘密封圈10，并通过绝缘螺栓11连接。
优选地，所述金属电阻发热板4分为三段，每段供电均为三角形连接，每一相之间的金属电阻发热板4电阻相同，三相电每相连接在金属电阻发热板4 上的接线条12上，由三相调压器20供电。接线条材质为高导电率、耐高温材质，优选为铜，使接入电势均匀分布在波浪板上。
优选地，重整炉承压壳体3通过绝缘套筒14与重整炉外壳1连接；重整炉承压壳体3内部设有绝缘陶瓷21。
优选地，重整炉承压壳体3入口设有均流装置15，所述均流装置15包括均流网151和固定壳152，所述均流网151固定在固定壳152上。
优选地，当三相调压器20接入可再生电能时，各反应段温度传感器7获取温度，信号传输至控制器6，控制器6控制入口电磁调节阀16开度来改变天然气、水蒸气流量，以适应可再生电能的波动性。电磁调节阀16、三相调压器20和控制器6连接。通入混合器19的天然气水蒸气流量可以通过控制器6 调节重整炉承压壳体3原料入口处电磁调节阀16，进而改变天然气水蒸气比例，从而改变合成气成分。
优选地，催化剂5为Ni-γAl2O3，Ni-MgO或Ni-CaO中的一种或几种。催化剂5绝缘，同时实现高温蓄热，进一步保证重整炉内温度的均匀性。
在上述实施例的基础上，可根据需求扩大重整炉直径，或并联运行，实现大规模生产。
本实施例中，三相调压器20外接可再生电能，接线条12位于金属电阻发热折板41侧边，通过导线连接三相变压器，使得电流通过金属电阻发热折板 41时产生电阻热，热量转递给催化剂和炉内的反应物。三相调压器20可接高压电，重整炉内温度传感器7在获取温度后，信号传输至控制器6，控制器根据温度大小控制三相调压器20改变电压来调整功率大小，实现各反应段温度精准控制。其中金属电阻发热折板41通过固定装置18固定在重整炉承压壳体 3上。绝缘管道8通过法兰9与重整炉承压壳体3连接，法兰通过绝缘螺栓11 和绝缘密封垫圈10连接。重整炉最外部为重整炉外壳1保证设备安全性，从外向里依次为保温层2，防止内部热量的散失，重整炉承压壳体3，金属电阻发热折板41，催化剂5，肋片42。
本实施例一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉的工作过程为：天然气和水蒸气通过原料入口段进入重整炉，被金属电阻发热折板41加热，在催化剂5的作用下发生反应，反应结束生成富氢合成气。
控制器6应对可再生能源波动电能的控制逻辑如图4所示：温度传感器将炉内温度信号传递给控制器6，当温度低于温度下限Tmin则减小电磁调节阀 16开度来减少反应物流量，之后重新获取温度T，如高于Tmin低于Tmax则保持电磁调节阀16开度不变。再次重新获取更新的温度T，如果高于Tmax则增大电磁调节阀开度，提高反应物流量，随后再次获取新的温度T。其中Tmin与Tmax选择在最优工作温度附近，本实施例中Tmin取800℃，Tmax取890℃。
图2为A横截面示意图，从外到内依次为重整炉外壳1、保温层2、绝缘套筒4、重整炉承压壳体3、绝缘陶瓷21、金属电阻发热折板41、催化剂5、肋片42。
图6为催化剂的布置方式示意图，其中催化剂5可填充在整个重整炉各反应段，也可和金属发热板4分开，布置在每一个金属发热板4之后。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述重整炉自外向内包括重整炉外壳(1)、保温层(2)和重整炉承压壳体(3)；所述重整炉承压壳体(3)内沿轴线方向设置多个反应段，各反应段内均沿竖直方向固定有金属电阻发热板(4)，重整炉承压壳体(3)内还填充有催化剂(5)；各反应段的金属电阻发热板(4)还均与温度控制单元和供电设备电连接。
2.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述温度控制单元包括控制器(6)以及与控制器(6)信号连接的多个温度传感器(7)，各温度传感器(7)位于重整炉承压壳体(3)内用于检测各反应段的温度；各反应段均设置三相调压器(20)，各三相调压器(20)与对应反应段的金属电阻发热板(4)电连接；所述控制器(6)还与各三相调压器(20)电连接；
各反应段温度传感器(7)获取温度，并将信号传输至控制器(6)，控制器(6)根据温度大小调节各反应段对应的三相调压器(20)来控制各段金属电阻发热板(4)的功率大小，温度低于设定值时调高三相调压器(20)的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器(20)的输出电压。
3.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属电阻发热板(4)包括金属电阻发热折板(41)以及多个肋片(42)，所述金属电阻发热折板(41)为螺旋型或S型，所述金属电阻发热折板(41)通过固定装置(18)固定在重整炉承压壳体(3)内，多个肋片(42)分布在金属电阻发热板(4)的各侧面。
4.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述重整炉承压壳体(3)的入口端还连接有绝缘管道(8)，所述绝缘管道(8)通过法兰(9)和重整炉承压壳体(3)连接，其中法兰(9)之间装有绝缘密封圈(10)，并通过绝缘螺栓(11)连接。
5.如权利要求3所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属电阻发热折板(41)和肋片(42)分别由铁铬合金制成。
6.如权利要求2所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属电阻发热板(4)分为三段，每段供电均为三角形连接，每一相之间的金属电阻发热板(4)电阻相同，三相电每相连接在金属电阻发热板(4)上的接线条(12)上，由三相调压器(20)供电。
7.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述重整炉承压壳体(3)通过绝缘套筒(14)与重整炉外壳(1)连接；重整炉承压壳体(3)内部设有绝缘陶瓷(21)。
8.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述重整炉承压壳体(3)设有均流装置(15)，所述均流装置(15)包括均流网(151)和固定壳(152)，所述均流网(151)固定在固定壳(152)上。
9.如权利要求2所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，当三相调压器(20)接入可再生电能时，各反应段温度传感器(7)获取温度，信号传输至控制器(6)，控制器(6)控制入口电磁调节阀(16)开度来改变天然气、水蒸气流量，以适应可再生电能的波动性。
10.如权利要求1所述的天然气制富氢合成气电热蒸汽重整炉，其特征在于，所述催化剂(5)为Ni-γAl2O3，Ni-MgO或Ni-CaO中的一种或几种。
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