CN115849302A - 氢气制造装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种氢气制造装置和方法，所述装置包括一重整炉；燃烧室，其包括一燃烧器，燃烧器设置在重整炉的内部且其上部露出于重整炉的外部，所述燃烧器的上部露出部分包括燃料进口和空气进口；重整室，其包括多个反应管，反应管位于燃烧室的外周并设置在重整炉的内部且上部露出重整炉的外部，反应管的上部露出部分包括反应气进口和重整气出口；余热利用单元，其包括一蒸汽发生器、一原料预热器以及一空气预热器，余热利用单元设置在重整炉的底部且与重整炉的内部连通以用于加热原料和燃料以及加热燃烧所需的空气以产生水蒸汽。本发明能最大程度的利用烟气余热，提高换热效率，减少装置材料成本与占地面积，适合小型重整技术使用。

Description

氢气制造装置和方法

技术领域

本发明涉及清洁能源制造技术领域，尤其涉及一种氢气制造装置和方法。

背景技术

随着化石能源的不合理利用带来的种种环境问题，越来越多的人关注到清洁能源，而氢能作为公认的低碳和零碳能源正在脱颖而出。但是大型化的天然气制氢工厂一般在陆地偏远地区，且氢气的储存与运输困难，所占成本较高，安全性无法保证难以满足大城市或运输行业对于氢气的需求。因此，制氢装置小型化对于就地用氢行业很重要。

而制氢装置小型化除了考虑整体的尺寸，更重要的是考虑整体的余热利用、催化剂和反应管的受热情况以及催化剂的使用寿命等，不合理的设计不仅浪费了烟气余热，而且反应管也会因受热不均而产生变形，缩短了反应管的寿命，另一方面也会降低催化剂的重整效率与缩短预期寿命。因此，有必要提供一种合理的小型化的氢气制造装置。

发明内容

本发明提供一种氢气制造装置和方法，用以解决现有技术的制氢装置因不合理设计而带来的烟气余热浪费，反应管因受热不均而产生变形以及催化剂的重整效率降低与预期寿命缩短等问题。

第一方面，本发明提供一种氢气制造装置，其包括一重整炉，所述装置还包括：

燃烧室，其包括一燃烧器，所述燃烧器设置在所述重整炉的内部且其上部露出于所述重整炉的外部，所述燃烧器的上部露出部分包括燃料进口和空气进口；

重整室，其包括多个反应管，所述反应管位于所述燃烧室的外周并设置在所述重整炉的内部且上部露出于所述重整炉的外部，所述反应管的上部露出部分包括反应气进口和重整气出口；

余热利用单元，其包括一蒸汽发生器、一原料预热器以及一空气预热器，所述余热利用单元设置在所述重整炉的底部且与所述重整炉的内部连通以用于加热原料和燃料以及加热燃烧所需的空气以产生水蒸汽。

在本发明的一实施例中，所述装置包括内挡板和多个外挡板，所述内挡板位于所述燃烧器的外周且设置在所述重整炉的内部，其一端与所述重整炉的顶部连接且另一端与所述重整炉的底部不连接；所述外挡板位于所述反应管的外侧且设置在所述重整炉的内部，所述外挡板与所述内挡板对应的一端与所述重整炉的顶部不连接且另一端与所述重整炉的底部连接，由所述内挡板形成的第一空间为所述燃烧室，由所述内挡板和所述外挡板形成的第二空间为重整室。

在本发明的一实施例中，所述余热利用单元还包括L形支撑板，所述L形支撑板设置在所述外挡板的底部并用于支撑所述蒸汽发生器、所述原料预热器以及所述空气预热器，所述蒸汽发生器设置在所述L形支撑板的水平方向，所述原料预热器和所述空气预热器均设置在所述L形支撑板的竖直方向。

在本发明的一实施例中，所述内挡板上设有从厚度方向上穿过所述内挡板的多个通孔，所述通孔与所述内挡板呈预设角度以使得在所述燃烧室燃烧后的高温烟气穿过所述通孔进入所述重整室后围绕所述反应管呈环形流动。

在本发明的一实施例中，所述反应管包括内管、用于放置催化剂的外管以及连通所述内管和所述外管的底部，所述内管包括所述重整气出口，所述外管包括所述反应气进口，原料和水蒸气从所述反应气进口进入所述外管的催化剂进行重整反应以产生重整气体后，从所述反应管的底部通过所述内管从所述重整气出口排出。

在本发明的一实施例中，所述反应管还包括用于支撑催化剂的蜂窝状支撑板，所述蜂窝状支撑板设置在所述外管的底部。

在本发明的一实施例中，所述多个反应管包括第一反应管、第二反应管、第三反应管以及第四反应管，所述第一反应管、所述第二反应管、所述第三反应管以及所述第四反应管以所述燃烧器为中心呈圆周状排列配置。

在本发明的一实施例中，所述蒸汽发生器、所述原料预热器以及所述空气预热器均采用盘管式换热结构，所述燃料和所述原料均为甲烷。

在本发明的一实施例中，所述重整炉的内部填充有保温材料

第二方面，本发明还提供一种基于第一方面任一项所述氢气制造装置的氢气制造方法，所述方法包括：

提供所述燃烧室对输入的燃料和空气进行混合燃烧以提供系统所需的热量；

提供重整室对输入的反应气进行催化反应后排出重整气体，所述重整气体包括氢气；

提供余热利用单元利用所述燃烧室燃烧后的热量对输入至所述燃烧室的燃料和空气以及输入至所述重整室的反应气进行加热。

本发明提供的氢气制造装置和方法，通过燃烧室以提供系统所需的热量，并通过重整室以提供催化反应后生成的重整气，以及通过余热利用单元利用所述燃烧室的热量对输入燃烧室的燃料和空气以及输入重整室的原料和水蒸气进行加热，使得本发明能最大程度的利用烟气余热，提高换热效率，减少装置材料成本与占地面积，适合小型重整技术使用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的氢气制造装置的结构示意图；

图2是本发明提供的内挡板的结构示意图；

图3是本发明提供的反应管的结构示意图；

图4是本发明提供的氢气制造方法的流程图。

附图标记：

10：氢气制造装置； 20：重整炉；

100：燃烧室； 200：重整室； 300：余热利用单元；

400：内挡板； 500：外挡板； 401：通孔；

101：燃烧器； 102：燃料进口； 103：空气进口；

201：反应管； 202：反应气进口； 203：重整气出口；

204：内管； 205：外管； 206：催化剂；

207：蜂窝状支撑板； 208：底部；

301：L形支撑板； 302：蒸汽发生器； 303：原料预热器；

304：空气预热器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。

为了解决现有技术的制氢装置因不合理设计而带来的烟气余热浪费，反应管因受热不均而产生变形以及催化剂的重整效率降低与预期寿命缩短等问题，本发明提供一种氢气制造装置和方法，通过燃烧室以提供系统所需的热量，并通过重整室以提供催化反应后生成的重整气，以及通过余热利用单元利用所述燃烧室的热量对输入燃烧室的燃料和空气以及输入重整室的原料和水蒸气进行加热，使得本发明能最大程度的利用烟气余热，提高换热效率，减少装置材料成本与占地面积，适合小型重整技术使用。

下面结合图1-图4描述本发明的氢气制造装置和方法。

请参考图1，图1是本发明提供的氢气制造装置的结构示意图。一种氢气制造装置10，其包括一重整炉20，所述氢气制造装置10还包括燃烧室100、重整室200以及余热利用单元300。

示例性地，燃烧室100包括一燃烧器101，燃烧器101设置在重整炉20的内部(例如燃烧器101可以设置在燃烧室100的正中间)且其上部露出于重整炉20的外部，燃烧器101的上部露出部分包括燃料进口102和空气进口103以方便输入燃烧所需的气体。燃烧器101用于将从燃料进口102输入的燃料和通过空气进口103输入的空气的进行混合燃烧以提供系统所需的热量。

在本发明的一些实施方式中，请参考图2，图2是本发明提供的内挡板的结构示意图。所述氢气制造装置10还包括内挡板400，内挡板400位于燃烧器101的外周且设置在重整炉20的内部，内挡板400一端与重整炉20的顶部连接且另一端与重整炉20的底部不连接，由内挡板400形成的第一空间为燃烧室100。内挡板400上设有从厚度方向上穿过内挡板400的多个通孔401，带通孔401的内挡板400可用于高温烟气的流通。

具体地，通孔401与内挡板400呈预设角度，以使得在燃烧室100燃烧后的高温烟气穿过通孔401进入重整室200后围绕反应管201呈环形流动。另外，由于内挡板400与重整炉20的底部不连接，一方面可以在高温状态下为内挡板400向下产生形变预留了空间，另一方面使部分高温烟气从底部流出，自下而上进入重整室200。

需要说明的是，内挡板400中的通孔401的个数、大小以及位置等，可根据实际需求设置，本发明对此不做限定，而且合理的通孔401的个数、大小以及位置等，能够实现对重整管的四周均匀地加热。

由此可见，燃烧器101的上部位于重整炉20的外部，且设置了供燃烧和空气输入的燃料进口102以及空气进口103，燃烧器101的下部位于重整炉20的内部，燃料与空气的混合燃烧可以为系统提供了所需的热量，为减少热量的散失，还可以在重整炉20的内部填充保温材料。

示例性地，再如图1所示，重整室200包括多个反应管201，反应管201位于燃烧室100的外周并设置在重整炉20的内部且上部露出于重整炉20的外部，反应管201的上部露出部分包括反应气进口202和重整气出口203。

在本发明的一些实施方式中，请参考图3，图3是本发明提供的反应管的结构示意图。反应管201包括内管204、外管205以及连通内管204和外管205的底部208。外管205的底部还设有用于支撑催化剂206的蜂窝状支撑板207。内管204包括重整气出口203，外管205包括反应气进口202，原料和水蒸气从反应气进口202进入外管205的催化剂206进行重整反应以产生重整气体后，从反应管201的底部通过内管204从重整气出口203排出。

由于燃烧后的高温烟气一部分是沿着具有通孔401的内挡板400的孔道从燃烧室100流入到重整室200并围绕反应管201进行环形加热，使得高温烟气围绕反应管201的四周流动；另一部分是由燃烧室100的底部通道流入重整室200的底部，自下而上地加热反应管201，可以减少辐射传热对于反应管201带来的轴向传热不均问题。并且这种结构可以保证反应管201的各部分温度均匀，提高传热效率，也可避免由于反应管201的局部过热而产生的催化剂积碳问题。

在本发明的一些实施例中，所述氢气制造装置10还包括多个外挡板500，外挡板500位于反应管201的外侧且设置在重整炉20的内部，外挡板500与内挡板400对应的一端与重整炉20的顶部不连接且另一端与重整炉20的底部连接，由内挡板400和外挡板500形成的第二空间为重整室200。外挡板500的设置可以延长了高温烟气的流动时间，更好的利用高温烟气的热量加热反应管201，提高了传热效率。

在本发明的一些实施例中，多个反应管201包括第一反应管、第二反应管、第三反应管以及第四反应管，所述第一反应管、所述第二反应管、所述第三反应管以及所述第四反应管以燃烧器101为中心呈圆周状排列配置，以便每个反应管201获得均匀的热量，相比于单个管，多个反应管的设置可以增加原料气的处理量。

示例性地，再如图1所示，余热利用单元300的整体形状呈L形，其设置在重整炉20的底部且与重整炉20的内部连通，以用于加热原料和燃料以及加热燃烧所需的空气以产生水蒸汽。余热利用单元300包括L形支撑板301以及沿着高温烟气出口方向依次设置在L形支撑板301上的一蒸汽发生器302、一原料预热器303以及一空气预热器304。

具体地，L形支撑板301设置在外挡板500的底部，蒸汽发生器302设置在L形支撑板301的水平方向以减少水的流动阻力，原料预热器303和空气预热器304均设置在L形支撑板301的竖直方向。蒸汽发生器302、原料预热器303以及空气预热器304可以按所需热量多少依次与高温烟气进行逐级换热。蒸汽发生器302、原料预热器303以及空气预热器304均采用盘管式换热结构。L形支撑板301可以为蒸汽发生器302、原料预热器303以及空气预热器304起到支撑作用。

相比于传统技术，本发明所述氢气制造装置10还设置了余热利用单元300，并在烟气流动方向上依次设计有蒸汽发生器302，原料预热器303和空气预热器304，充分利用燃烧室100的余热提供重整室200进行催化反应所需的蒸汽以及原料的预热，而且蒸汽发生器302，原料预热器303和空气预热器304均采用盘管式换热结构，提高了换热效率与能量利用率，也大大减少了氢气制造装置10的成本与占地面积。

下面对本发明提供的氢气制造方法进行描述，下文描述的氢气制造装置与上文描述的氢气制造方法可相互对应参照。

请参考图4，图4是本发明提供的氢气制造方法的流程图。一种氢气制造方法包括：

步骤410，提供燃烧室对输入的燃料和空气进行混合燃烧以提供系统所需的热量；

步骤420，提供重整室对输入的反应气进行催化反应后排出重整气体，所述重整气体包括氢气。

步骤430，提供余热利用单元并利用燃烧室燃烧后的热量对输入至燃烧室的燃料和空气以及输入至重整室的反应气进行加热。

以下以燃料和原料均为甲烷CH₄为例对上述步骤进行描述。

在一定的温度与压力条件下，原料CH₄与水蒸气在催化剂的作用下产生CO和H2的合成气(也称为重整气)，其反应化学式为：

CH₄+H₂O→3H₂+CO。

需要说明的是，本发明所述原料和燃料，可以均是甲烷CH₄，但本发明不限制于甲烷CH₄，其他烃类亦可利用本发明所述氢气制造装置进行蒸汽重整。

示例性地，上述步骤410具体包括：

热量提供步骤：燃料(甲烷CH₄)与空气分别从燃料进口102与空气进口103进入燃烧器燃烧，以提供整个系统所需的热量，燃烧产生的高温烟气从燃烧室100流入到重整室200并加热反应管201，为重整反应提供能量。

示例性地，上述步骤420具体包括：

重整反应步骤：反应气(甲烷CH₄和水蒸气H₂O)从反应气进口202进入反应管201的外层，穿越催化剂206完成重整反应生成重整气体(一氧化碳CO和氢气H2)，随后重整气体经过内管204并从重整气出口203排出装置。

示例性地，上述步骤430具体包括：

余热利用步骤：高温烟气顺着外挡板500与重整炉20的炉壁间隙流入到余热利用单元300，在余热利用单元300内依次经过蒸汽发生器302(用于为重整反应提供水蒸气)，原料预热器303(用于预热原料甲烷)和空气预热器304(用于预热燃烧用的空气)，最后烟气排出装置外。

在此需要说明的是，本发明实施例提供的上述氢气制造方法，能够实现上述装置实施例所实现的功能，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与装置实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种氢气制造装置，其包括一重整炉，其特征在于，所述装置还包括：

燃烧室，其包括一燃烧器，所述燃烧器设置在所述重整炉的内部5且其上部露出于所述重整炉的外部，所述燃烧器的上部露出部分包括燃料进口和空气进口；

重整室，其包括多个反应管，所述反应管位于所述燃烧室的外周并设置在所述重整炉的内部且上部露出于所述重整炉的外部，所述反应管的上部露出部分包括反应气进口和重整气出口；

0余热利用单元，其包括一蒸汽发生器、一原料预热器以及一空气预热器，所述余热利用单元设置在所述重整炉的底部且与所述重整炉的内部连通以用于加热原料和燃料以及加热燃烧所需的空气以产生水蒸汽。

2.根据权利要求1所述的氢气制造装置，其特征在于，所述装5置包括内挡板和多个外挡板，所述内挡板位于所述燃烧器的外周且设置在所述重整炉的内部，其一端与所述重整炉的顶部连接且另一端与所述重整炉的底部不连接；所述外挡板位于所述反应管的外侧且设置在所述重整炉的内部，所述外挡板与所述内挡板对应的一端与所述重整炉的顶部不连接且另一端与所述重整炉的底部连接，由所述内挡板0形成的第一空间为所述燃烧室，由所述内挡板和所述外挡板形成的第二空间为重整室。

3.根据权利要求2所述的氢气制造装置，其特征在于，所述余热利用单元还包括L形支撑板，所述L形支撑板设置在所述外挡板的底部并用于支撑所述蒸汽发生器、所述原料预热器以及所述空气预5热器，所述蒸汽发生器设置在所述L形支撑板的水平方向，所述原料预热器和所述空气预热器均设置在所述L形支撑板的竖直方向。

4.根据权利要求2所述的氢气制造装置，其特征在于，所述内挡板上设有从厚度方向上穿过所述内挡板的多个通孔，所述通孔与所述内挡板呈预设角度以使得在所述燃烧室燃烧后的烟气穿过所述通孔进入所述重整室后围绕所述反应管呈环形流动。

5.根据权利要求1所述的氢气制造装置，其特征在于，所述反应管包括内管、用于放置催化剂的外管以及连通所述内管和所述外管的底部，所述内管包括所述重整气出口，所述外管包括所述反应气进口，原料和水蒸气从所述反应气进口进入所述外管的催化剂进行重整反应以产生重整气体后，从所述反应管的底部通过所述内管从所述重整气出口排出。

6.根据权利要求5所述的氢气制造装置，其特征在于，所述反应管还包括用于支撑催化剂的蜂窝状支撑板，所述蜂窝状支撑板设置在所述外管的底部。

7.根据权利要求1所述的氢气制造装置，其特征在于，所述多个反应管包括第一反应管、第二反应管、第三反应管以及第四反应管，所述第一反应管、所述第二反应管、所述第三反应管以及所述第四反应管以所述燃烧器为中心呈圆周状排列配置。

8.根据权利要求1所述的氢气制造装置，其特征在于，所述蒸汽发生器、所述原料预热器以及所述空气预热器均采用盘管式换热结构，所述燃料和所述原料均为甲烷。

9.根据权利要求1所述的氢气制造装置，其特征在于，所述重整炉的内部填充有保温材料。

10.一种基于权利要求1～9任一项所述的氢气制造装置的氢气制造方法，其特征在于，所述方法包括：

提供所述燃烧室对输入的燃料和空气进行混合燃烧以提供系统所需的热量；

提供重整室对输入的反应气进行催化反应后排出重整气体，所述重整气体包括氢气；

提供余热利用单元利用所述燃烧室燃烧后的热量对输入至所述燃烧室的燃料和空气以及输入至所述重整室的反应气进行加热。

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