CN115275287B - 一种用于sofc系统的反应器及其运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于SOFC系统的反应器及其运行方法，包括外腔壳体和设置在其内部设有内腔壳体，外腔壳体与内腔壳体之间围成的第一空腔中填充有甲烷水蒸气重整催化剂，内腔壳体围成的第二空腔填充有甲烷催化部分氧化催化剂；向反应器中通入N2、天然气、空气、阳极尾气等，使得在SOFC系统启动/关停阶段和正常运行阶段可分别实现制备电堆保护气、燃料预处理的功能，结构简单、易于制造和装配，且可配合SOFC电堆阳极尾气循环，省去SOFC系统的水处理装置、蒸汽发生器等，简化了工艺流程、提升了系统可靠性。

Description

一种用于SOFC系统的反应器及其运行方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统技术领域，尤其是一种用于SOFC系统的反应器及其运行方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池（Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC）属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装置。被普遍认为是在未来会与质子交换膜燃料电池（PEMFC）一样得到广泛普及应用的一种燃料电池。SOFC的优势符合能源市场的自由化、环境意识的加强和分布式发电的趋势。SOFC系统显著特性是效率高、燃料的适应性强及几乎没有颗粒物、NOx、SOx的排放。以燃气机、燃气涡轮机和组合循环装置等有竞争力的系统设定的经济和技术的规格为基准，SOFC组合系统在电效率、部分负荷效率和排放方面都比现有的技术具有更明显的优势。
在以天然气为燃料的SOFC系统中，SOFC电堆是系统的核心，虽然 SOFC电堆具有很强的燃料适应性，但是化学反应和电化学反应的速度都很快，如果长期直接使用天然气为原料，容易在电堆阳极上产生积碳，影响电堆的长期稳定性和使用寿命；因此以天然气为燃料的 SOFC系统通常利用水蒸气重整将燃料中的乙烷、丙烷等多碳烃转化为SOFC更理想的反应原料如H2和CO等。
水蒸气重整是一种化学催化反应，是其中最为成熟的重整技术，也是工业上应用最多的重整方法。其优势在于反应活性强、水蒸气的添加使得催化剂积碳较少。但是缺点在于其为强吸热反应，持续的额外热量补给导致较高的能耗和成本；水蒸气的添加使得反应器中需要添加蒸汽发生装置；此外，SOFC系统启动阶段，需要给重整器、蒸汽发生器提供充足的热量，进一步增加了系统的复杂程度。
为省去水净化系统、蒸汽发生器，从而降低系统能耗和复杂性，大功率SOFC系统可采用阳极循环工艺，如在SOFC系统正常发电过程中，利用循环风机将SOFC电堆阳极出口含有大量H2O的高温阳极尾气与新鲜的常温天然气混合，然后送入重整反应器中进行催化反应。但在SOFC系统启动阶段、热待机阶段，电堆未发生电化学反应无法产生H2O，不能利用阳极循环工艺为重整反应提供水蒸气，因此还需要其他辅助手段。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种用于SOFC系统的反应器，包括外腔壳体，所述外腔壳体的上下两端分别设有外腔上封头和外腔下封头，所述外腔上封头上设有出口管，所述外腔壳体的内部设有内腔壳体，所述内腔壳体的上端设有内腔上封头，所述内腔上封头上设有贯穿所述外腔上封头的入口管，所述内腔壳体的下端通过外腔催化剂栅栏与所述外腔壳体固接，所述内腔壳体的下端设有覆盖其下端的内腔催化剂栅栏；所述外腔壳体、所述外腔上封头、所述外腔催化剂栅栏、所述内腔壳体、所述内腔上封头围成的第一空腔中填充有甲烷水蒸气重整催化剂，所述内腔上封头、所述内腔壳体、所述内腔催化剂栅栏围成的第二空腔填充有甲烷催化部分氧化催化剂；所述外腔催化剂栅栏的通孔尺寸小于所述甲烷水蒸气重整催化剂的颗粒尺寸，所述内腔催化剂栅栏的通孔尺寸小于所述甲烷催化部分氧化催化剂的颗粒尺寸。
进一步的，所述外腔催化剂栅栏与所述内腔催化剂栅栏位于同一水平面。
更进一步的，所述外腔催化剂栅栏与所述内腔催化剂栅栏一体成型。
进一步的，所述入口管与所述外腔上封头密封固接。
进一步的，所述外腔催化剂栅栏和所述内腔催化剂栅栏的通孔均匀分布。
本发明的另一目的在于提供一种用于SOFC系统的反应器的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：SOFC系统启动前，通过入口管向第二空腔填充甲烷催化部分氧化催化剂，通过出口管向第一空腔填充甲烷水蒸气重整催化剂，之后所述出口管与电堆阳极或重整气换热器的入口连接；
步骤二：SOFC系统启动阶段，通过所述入口管向所述第二空腔加入加热的N2，直到所述甲烷催化部分氧化催化剂的温度达到反应温度，之后通过所述入口管向所述第二空腔加入天然气和空气的混合气；
步骤三：SOFC系统正常运行阶段，通过所述入口管向所述第二空腔加入新鲜天然气和SOFC电堆阳极出口的阳极尾气。
进一步的，当甲烷水蒸气重整催化剂还没达到反应温度时，步骤二中的所述空气和所述天然气的含量比为1：1。
更进一步的，当甲烷水蒸气重整催化剂达到反应温度时，步骤二中的所述空气的含量逐渐减少，而所述天然气的含量不变，直到所述空气和所述天然气的含量比为0。
本发明的有益效果是：反应器中的第一空腔和第二空腔内分别填充有甲烷水蒸气重整催化剂和甲烷催化部分氧化催化剂，使其在SOFC系统启动/关停阶段和正常运行阶段可分别实现制备电堆保护气、燃料预处理等多种功能，结构简单、易于制造和装配，且可配合SOFC电堆阳极尾气循环，省去SOFC系统的水处理装置、蒸汽发生器等，简化了工艺流程、提升了系统可靠性。
附图说明
图1为本发明中反应器的结构示意图。
图中：1、外腔壳体；2、外腔上封头；3、外腔下封头；4、内腔壳体；5、内腔上封头；6、入口管；7、出口管；8、外腔催化剂栅栏；9、内腔催化剂栅栏。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
如图1所示，一种用于SOFC系统的反应器，包括外腔壳体1，外腔壳体1的上下两端分别设有外腔上封头2和外腔下封头3，外腔上封头2上设有出口管7，外腔壳体1的内部设有内腔壳体4，内腔壳体4的上端设有内腔上封头5；内腔上封头5上设有贯穿外腔上封头2的入口管6，而且入口管6与外腔上封头2密封固接，即入口管6的一端与内腔上封头5连通，另一端在贯穿外腔上封头2的同时，入口管6与外腔上封头2的接触部是密封固定连接的，密闭连接是避免外部的气体等进入外腔壳体1内而影响作业，固定连接是通过入口管6把内腔上封头5以及内腔壳体4固定在外腔壳体1的内部；
内腔壳体4的下端通过外腔催化剂栅栏8与外腔壳体1固接，内腔壳体4的下端设有覆盖其下端的内腔催化剂栅栏9，外腔壳体1、外腔上封头2、外腔催化剂栅栏8、内腔壳体4、内腔上封头5围成的第一空腔中填充有甲烷水蒸气重整催化剂，内腔上封头5、内腔壳体4、内腔催化剂栅栏9围成的第二空腔填充有甲烷催化部分氧化催化剂；设有外腔催化剂栅栏8和内腔催化剂栅栏9，在形成第一空腔和第二空腔的同时，还使第一空腔的下端和第二空腔的下端连通，使得第一空腔内的燃料气体等可以进入第二空腔内进行反应，而且外腔催化剂栅栏8与内腔壳体4固定连接，配合内腔上封头5通过入口管6与外腔上封头2固定连接，从而使得内腔壳体4和内腔上封头5稳固在外腔壳体1的内部；
而外腔催化剂栅栏8与内腔催化剂栅栏9位于同一水平面，使得第一空腔内的甲烷水蒸气重整催化剂产生的热量可以大范围的传递给第二空腔的甲烷催化部分氧化催化剂，增强第一空腔的散热效果，提高第二空腔的预热效果；而外腔催化剂栅栏8与内腔催化剂栅栏9一体成型，简化了外腔催化剂栅栏8与内腔催化剂栅栏9生产和安装工艺；
外腔催化剂栅栏8的通孔尺寸小于甲烷水蒸气重整催化剂的颗粒尺寸，内腔催化剂栅栏9的通孔尺寸小于甲烷催化部分氧化催化剂的颗粒尺寸，避免第一空腔和第二空腔的催化剂都堆积在外腔下封头3中，影响作业；而外腔催化剂栅栏8和内腔催化剂栅栏9的通孔均匀分布，增强燃料气体在第一空腔和第二空腔的扩散效果，加速燃料气体与催化剂的反应效率。
一种用于SOFC系统的反应器的运行方法，包括以下步骤：
步骤一：SOFC系统启动前，通过入口管6向第二空腔填充甲烷催化部分氧化催化剂，通过出口管7向第一空腔填充甲烷水蒸气重整催化剂，之后出口管7与电堆阳极或重整气换热器的入口连接；
步骤二：SOFC系统启动阶段，通过入口管6向第二空腔加入加热的N2，用以提升反应器中催化剂的温度，直到甲烷催化部分氧化催化剂的温度达到反应温度（400℃-600℃），之后通过入口管6向第二空腔加入天然气和空气的混合气；其中，当甲烷水蒸气重整催化剂还没达到反应温度时，第二空腔中加入的空气和天然气的含量比为1：1，此时空气和天然气与第二空腔的甲烷催化部分氧化催化剂发生反应并释放热量，这部分热量可进一步加热第一空腔中的甲烷水蒸气重整催化剂；当甲烷水蒸气重整催化剂达到反应温度时，第二空腔中加入的空气的含量逐渐减少，而天然气的含量不变，直到空气和天然气的含量比为0，此时空气和天然气在第二空腔中与甲烷催化部分氧化催化剂反应生成的CO和H2O，与没有参与反应的CH4一同进入第一空腔中，与甲烷水蒸气重整催化剂发生重整反应产生H2，为SOFC电堆提供保护气体，防止SOFC电堆阳极被氧化；
步骤三：SOFC系统正常运行阶段，通过入口管6向第二空腔加入新鲜天然气和SOFC电堆阳极出口的阳极尾气（包括H2、CO、CO2、H2O的混合气），这些新鲜天然气和阳极尾气与第一空腔的甲烷水蒸气重整催化剂发生重整反应，产生CO和H2，为SOFC电堆提供燃料。
以上，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (5)

1.一种用于SOFC系统的反应器，包括外腔壳体，所述外腔壳体的上下两端分别设有外腔上封头和外腔下封头，所述外腔上封头上设有出口管，其特征在于，所述外腔壳体的内部设有内腔壳体，所述内腔壳体的上端设有内腔上封头，所述内腔上封头上设有贯穿所述外腔上封头的入口管，且所述入口管与所述外腔上封头密封固接，所述内腔壳体的下端通过外腔催化剂栅栏与所述外腔壳体固接，所述内腔壳体的下端设有覆盖其下端的内腔催化剂栅栏，所述外腔催化剂栅栏与所述内腔催化剂栅栏位于同一水平面；所述外腔壳体、所述外腔上封头、所述外腔催化剂栅栏、所述内腔壳体、所述内腔上封头围成的第一空腔中填充有甲烷水蒸气重整催化剂，所述内腔上封头、所述内腔壳体、所述内腔催化剂栅栏围成的第二空腔填充有甲烷催化部分氧化催化剂；所述外腔催化剂栅栏的通孔尺寸小于所述甲烷水蒸气重整催化剂的颗粒尺寸，所述内腔催化剂栅栏的通孔尺寸小于所述甲烷催化部分氧化催化剂的颗粒尺寸；所述用于SOFC系统的反应器的运行方法包括以下步骤：
步骤一：SOFC系统启动前，通过所述入口管向所述第二空腔填充所述甲烷催化部分氧化催化剂，通过所述出口管向所述第一空腔填充所述甲烷水蒸气重整催化剂，之后所述出口管与电堆阳极或重整气换热器的入口连接；
步骤二：SOFC系统启动阶段，通过所述入口管向所述第二空腔加入加热的N2，直到所述甲烷催化部分氧化催化剂的温度达到反应温度，之后通过所述入口管向所述第二空腔加入天然气和空气的混合气；
步骤三：SOFC系统正常运行阶段，通过所述入口管向所述第二空腔加入新鲜天然气和SOFC电堆阳极出口的阳极尾气。
2.根据权利要求1所述的用于SOFC系统的反应器，其特征在于，所述外腔催化剂栅栏与所述内腔催化剂栅栏一体成型。
3.根据权利要求1所述的用于SOFC系统的反应器，其特征在于，所述外腔催化剂栅栏和所述内腔催化剂栅栏的通孔均匀分布。
4.根据权利要求1所述的用于SOFC系统的反应器的运行方法，其特征在于，当甲烷水蒸气重整催化剂还没达到反应温度时，步骤二中的所述空气和所述天然气的含量比为1：1。
5.根据权利要求4所述的用于SOFC系统的反应器的运行方法，其特征在于，当甲烷水蒸气重整催化剂达到反应温度时，步骤二中的所述空气的含量逐渐减少，而所述天然气的含量不变，直到所述空气和所述天然气的含量比为0。
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