CN205346827U - 一种碳基燃料重整制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种碳基燃料重整制氢装置，属于氢能源技术领域，该装置包括列管反应器、上端盖板、环形套管、下端盖板、气化装置、加热装置；其中，气化装置嵌在列管反应器的内部，加热装置安装在气化装置内；环形套管套在列管反应器的外部；上端盖板、下端盖板分别连接在列管反应器的上下两端。该装置结构紧凑，设计小巧，加工方便，成本较低，适合应用推广。

Description

一种碳基燃料重整制氢装置

技术领域

本实用新型属于氢能源技术领域，特别涉及一种碳基燃料重整制氢装置。

背景技术

氢气具有广泛的用途，氢是十分理想的载能体，与传统的能源物质相比，氢能作为二次能源具有能量密度高、热转化效率高、输送成本低、对环境零污染等诸多优点，是未来最具竞争力的能源。对燃料电池汽车所用氢源来说，直接用氢作为燃料有存储难、体积大、加氢既费时又危险等缺点，而车载制氢技术能够克服直接用氢作燃料的缺点，将成为以燃料电池为动力的汽车的必然选择。目前，制氢的常规反应器有大型重整炉、小型再生重整器、螺旋重整器、集约化重整器等。这些重整器在技术上都比较成熟，但由于常规尺度下传热与传质过程速率的提高有一定的限度，导致设备体积庞大、启动慢、催化剂用量大、反应速度和效率也难以大幅度提高以及催化剂床层存在“冷点”等问题而难以实现等温操作。然而，为了开发与车载燃料电池匹配的小型可移动燃料重整制氢反应器，必须满足体积小、重量轻、启动和负荷响应时间短以及可靠性高和成本低的特殊要求。

实用新型内容

本实用新型的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种碳基燃料重整制氢装置，该装置结构紧凑，设计小巧，加工方便，成本较低，适合应用推广。

本实用新型提出的一种碳基燃料重整制氢装置，其特征在于，该装置包括列管反应器、上端盖板、环形套管、下端盖板、气化装置、加热装置；其中，气化装置嵌在列管反应器的内部，加热装置安装在气化装置内；环形套管套在列管反应器的外部；上端盖板、下端盖板分别连接在列管反应器的上下两端。

所述的列管反应器包括多个反应管、气体混合腔、气体分散腔、气体聚集腔、重整气体出口管、重整催化剂装载区；其中，气体分散腔为上端敞开，下端设置有底板的圆筒所围成的区域，该底板中心开有安装孔，在安装孔周围开有多个反应管的连接孔，气体混合腔为与气体分散腔圆筒同心设置在安装孔圆周的内圆筒形成的区域，气体聚集腔为下端敞开，上端设置有底板的圆筒围成的区域，该底板与气体分散腔相应位置开有安装孔和多个反应管的连接孔，该圆筒的侧壁与重整气体出口管连通，侧壁的另一侧开有通孔；多根反应管的两端分别连接在气体分散腔、气体聚集腔底板之间，多根反应管的内腔与气体分散腔、气体聚集腔相通形成重整催化剂装载区。

所述气体分散腔、气体聚集腔、气体混合腔的容积分别为150ml、150ml、30ml；每根反应管的容积为2.0-3.0ml，重整催化剂装载区总容积为50ml，同气体分散腔的体积比约为1：3。

所述上端盖板为一圆盘，装配于列管反应器气体分散腔圆筒上端，圆盘表面中心安装有与气体分散腔相通的气体物料进口管，用于向气体分散腔输送物料。

所述的环形套管为四周安装有四个热电偶插入管的圆筒，套装于列管反应器之外，两端分别与气体分散腔、气体聚集腔下、上底板固定，四个热电偶插入管安装高度依次增加。

所述的下端盖板装配于列管反应器下端，下端盖板为圆形，中心开有加热装置插入孔。

所述的气化装置为上端封闭，下端敞开的双层套管结构；内层为加热装置腔室，夹层为液态物料气化腔，双层套管壁上端均开有多个气体出口；下端外侧壁安装有液态物料进口管；气化装置是从下端盖板插入孔插入，装配于列管反应器中间位置安装孔内并伸入到气体混合腔中，下端与下盖板连接固定。

所述的加热装置为电加热棒或者整装自热燃烧催化剂装置中的一种。

本实用新型提出的一种碳基燃料重整制氢装置，其特点如下：

本实用新型重整制氢装置，采用集成式结构设计，使得加热、气化、重整、分散等多功能部件有机的结合在一起，大大减小了装置的设计尺寸，减小了装置占有空间，降低了装置成本，实现了小型、微型化的目的，便于移动、便携式制氢装置的推广。

附图说明

图1是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置整体结构外观示意图；

图2是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置整体结构分解示意图；

图3是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中列管反应器的俯视图；

图4是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中列管反应器全剖侧视图；

图5是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中上端盖板的俯视图；

图6是图5所示的上端盖板的侧视图；

图7是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中环形套管的俯视图；

图8是图7所示的环形套管的侧视图；

图9是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中下端盖板的俯视图；

图10是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置中气化装置的俯视图；

图11是图10所示的气化装置的全剖侧视图；

图12是本实用新型提出的碳基燃料重整制氢装置的剖视图及工作原理图。

图13是590度下甲烷水蒸气重整制氢的结果图。

各图中：1为列管反应器，2为上端盖板，3为环形套管，4为下端盖板，5为气化装置，6为加热装置，11为反应管，12为气体混合腔，13为安装孔，14为气体分散腔，15为气体聚集腔，16为重整气体出口管，17为重整催化剂装载区，21为气体物料进口管，31为热电偶插入管一，32为热电偶插入管二，33为热电偶插入管三，34为热电偶插入管四，41为加热装置插入孔，51为液态物料进口管，52为液态物料气化腔，53为气体出口，54为加热装置腔室。

具体实施方式

本实用新型提出的一种碳基燃料重整制氢装置结合附图及实施例说明如下：

本实用新型提出的一种碳基燃料重整制氢装置，如图1和2所示，该装置包括列管反应器1、上端盖板2、环形套管3、下端盖板4、气化装置5、加热装置6；其中，气化装置5嵌在列管反应器1的内部，加热装置6安装在气化装置5内；环形套管3套在列管反应器1的外部；上端盖板2、下端盖板4分别连接在列管反应器1的上下两端。

本实施例中各器件的功能和具体实施方式说明如下：

本碳基燃料重整制氢装置实施例为圆柱形，整体结构如图1所示，外形尺寸为Φ100mm*100mm；上端和下端连接有7根Φ6的不锈钢管，为进出燃料和热电偶连接通道；

该装置由六部分组成，结构如图2所示，其中包括列管反应器1、上端盖板2、环形套管3、下端盖板4、气化装置5、加热装置6；

本实用新型中所述的列管反应器1实施例结构，如图3和图4所示，包括20个反应管11、气体混合腔12、安装孔13、气体分散腔14、气体聚集腔15、重整气体出口管16、重整催化剂装载区17；其中，气体分散腔14为上端敞开，下端设置有底板的圆筒所围成的区域，该底板中心开有安装孔13和在安装孔周围开有多个反应管11的连接孔，气体混合腔12为与气体分散腔14圆筒同心设置在中心大孔圆周的内圆筒形成的区域，气体聚集腔15为下端敞开，上端设置有底板的圆筒围成的区域，该底板与气体分散腔14相应位置开有安装孔和多个反应管11的连接小孔，该圆筒的侧壁与重整气体出口管16连通；侧壁的另一侧开有通孔，多根反应管11的两端分别连接在气体分散腔14、气体聚集腔15底板之间，多根反应管11的内腔与气体分散腔14、气体聚集腔15相通形成重整催化剂装载区17。其中，反应管为长度为(54mm)，内径为(8mm)的空心管件。

本实施例中，气体分散腔14、气体聚集腔15、气体混合腔12的容积为：150ml、150ml、30ml；

重整气体出口管16，出口管为长度为60mm，外径为6mm的空心管件；

每根反应管的容积为2.0-3.0ml，重整催化剂装载区17总容积为50ml左右，同气体分散腔14的体积比约为1：3；

列管反应器各部件材料均为316不锈钢。

本实用新型所述的上端盖板2实施例结构，如图5和图6所示，是装配于列管反应器气体分散腔14圆筒上端，为一圆盘，直径为100mm，圆盘表面中心安装有与气体分散腔14相通的气体物料进口管21，用于向气体分散腔14输送物料；气体物料进口管为长度为60mm，外径为6mm的空心管件，以满足所需物料的输送要求即可；该部件材料为316不锈钢。

本实用新型所述的环形套管3实施例结构，如图7和图8所示，为四周安装有四个热电偶插入管31、32、33、34的圆筒，套装于列管反应器之外，两端分别与气体分散腔14、气体聚集腔15下、上底板固定，圆环的四周均匀设有四个小圆孔，孔中安装热电偶插入管，其中按照热电偶31、32、33、34的次序，安装高度依次增加，以保证可以测量到不同高度的温度分布；热电偶插入管为外径为6mm的空心管件，保证相应的热电偶的插入要求即可；该部件材料为316不锈钢。

本实用新型所述的下端盖板4实施例结构，如图9所示，是装配于列管反应器下端，下端盖板为圆形，直径为100mm，中心开有加热装置插入孔41，孔直径为30mm；其中，该部件材料为316不锈钢。

本实用新型所述的气化装置5实施例结构，如图10和图11所示，气化装置为上端封闭，下端敞开的双层套管结构，外径为30mm，内径为20mm；内层为加热装置腔室54，夹层为液态物料气化腔52，双层套管壁上端均开有6个气体出口53，直径为3mm；下端外侧壁安装有液态物料进口管51，长度为90mm，外径为6mm的空心管件(进口管51一端设有螺纹通过气体聚集腔15的侧壁通孔与气化装置5下端外侧壁的螺孔连接)；气化装置5是从下端盖板插入孔插入，装配于列管反应器中间位置安装孔13内并伸入到气体混合腔12中，下端与下盖板连接固定。

本实用新型所述的加热装置为电加热棒或者整装自热燃烧催化剂装置中的一种，插入到气化装置的内层腔中；其中，该部件材料为316不锈钢。

本实用新型的工作流程，如图12所示，说明如下：

液态燃料通过液态物料进口管51进入到由加热装置6加热至高温的气化腔52中气化，气化后的燃料经过多个气体出口53进入到气体混合腔12中，同经由气体物料进口管21中进入的气体混合后再进入到气体分散腔14中，分散到各个反应管11中，经过重整催化剂装载区17中的重整催化剂催化后发生反应制得氢气，富氢气体进入到气体聚集腔15中经由重整气体出口管16流出；在工作过程中，要在热电偶插入管中插入符合规格的热电偶，以测量整个反应过程中反应管区域的温度分布。

本实用新型的重整制氢装置，通过电加热方式，保持反应器温度为550-590度，H₂O/CH₄＝3:1通过平流泵，将去离子水送入蒸发器，汽化后流入混合器和通过质量流量计的甲烷混合，出口产物经过冷凝和干燥后进入Agilent7890A型气相色谱仪进行组分分析。反应器核心为不锈钢管，内径Φ8，反应温度控制精度±1℃。将定量的预制催化剂2MPa下压片后碎成(40-80目)大小颗粒，和相同尺寸的石英砂按一定比例混合后，放入反应管恒温区，开始进行测试。重整后的尾气经过冷凝后，经皂膜流量计测量气体流量；

本实用新型的重整制氢装置，将去离子水通过液态物料进口管进入到由电加热装置加热至590度高温的气化腔中气化，气化后的气体经过多个气体出口进入到气体混合腔中，同经由气体物料进口管中进入的甲烷气体混合后再进入到气体分散腔中，分散到各个反应管中，经过重整催化剂装载区中的花球状Ni/CeO₂重整催化剂催化后发生反应制得氢气，富氢气体进入到气体聚集腔中经由重整气体出口管流出，经皂膜流量计测量气体流量，用Agilent7890A型气相色谱分析产物组成。其中甲烷处理量为1250ml/min，水碳比为H₂O/CH₄＝3:1。重整的结果如图13中所示，随着时间的增加催化剂活性基体保持不变，在150h的重整测试中甲烷的转化率都在95％以上；H₂的选择性保持在70％以上，CO和CO₂选择性波动较大，呈互补趋势；H₂的产率保持在相当高的160％左右。

Claims (8)

1.一种碳基燃料重整制氢装置，其特征在于，该装置包括列管反应器、上端盖板、环形套管、下端盖板、气化装置、加热装置；其中，气化装置嵌在列管反应器的内部，加热装置安装在气化装置内；环形套管套在列管反应器的外部；上端盖板、下端盖板分别连接在列管反应器的上下两端。

2.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述的列管反应器包括多个反应管、气体混合腔、气体分散腔、气体聚集腔、重整气体出口管、重整催化剂装载区；其中，气体分散腔为上端敞开，下端设置有底板的圆筒所围成的区域，该底板中心开有安装孔，在安装孔周围开有多个反应管的连接孔，气体混合腔为与气体分散腔圆筒同心设置在安装孔圆周的内圆筒形成的区域，气体聚集腔为下端敞开，上端设置有底板的圆筒围成的区域，该底板与气体分散腔相应位置开有安装孔和多个反应管的连接孔，该圆筒的侧壁与重整气体出口管连通，侧壁的另一侧开有通孔；多根反应管的两端分别连接在气体分散腔、气体聚集腔底板之间，多根反应管的内腔与气体分散腔、气体聚集腔相通形成重整催化剂装载区。

3.如权利要求2所述的重整制氢装置，其特征在于，所述气体分散腔、气体聚集腔、气体混合腔的容积分别为150ml、150ml、30ml；每根反应管的容积为2.0-3.0ml，重整催化剂装载区总容积为50ml，同气体分散腔的体积比约为1：3。

4.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述上端盖板为一圆盘，装配于列管反应器气体分散腔圆筒上端，圆盘表面中心安装有与气体分散腔相通的气体物料进口管，用于向气体分散腔输送物料。

5.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述的环形套管为四周安装有四个热电偶插入管的圆筒，套装于列管反应器之外，两端分别与气体分散腔、气体聚集腔下、上底板固定，四个热电偶插入管安装高度依次增加。

6.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述的下端盖板装配于列管反应器下端，下端盖板为圆形，中心开有加热装置插入孔。

7.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述的气化装置为上端封闭，下端敞开的双层套管结构；内层为加热装置腔室，夹层为液态物料气化腔，双层套管壁上端均开有多个气体出口；下端外侧壁安装有液态物料进口管；气化装置是从下端盖板插入孔插入，装配于列管反应器中间位置安装孔内并伸入到气体混合腔中，下端与下盖板连接固定。

8.如权利要求1所述的重整制氢装置，其特征在于，所述的加热装置为电加热棒或者整装自热燃烧催化剂装置中的一种。