CN211920874U - 重整换热器和用于sofc发电系统的天然气重整装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种重整换热器和用于SOFC发电系统的天然气重整装置。重整换热器包括燃烧腔、重整腔、排烟腔和补热燃烧器。排烟腔包围重整腔。重整腔包围燃烧腔。重整腔的下部设置有重整进气管，上部设置有重整排气管。重整腔自下而上分为进气缓冲室、反应室、排气缓冲室，反应室中填充有催化剂。原料气经重整进气管进入进气缓冲室，经进气均流板后均匀通过反应室，发生反应后，再经过排气均流板进入排气缓冲室，最后经重整排气管排出富氢气体。根据本实用新型的重整换热器，具有结构小巧、安全性好的特点，并且排烟腔包围重整腔，烟气在排出的图中对重整腔进行二次加热，回收了烟气中的热量，能量利用效率高。

Description

重整换热器和用于SOFC发电系统的天然气重整装置

技术领域

本实用新型涉及天然气重整制氢技术领域，具体而言涉及一种重整换热器和用于SOFC发电系统的天然气重整装置。

背景技术

SOFC(Solid Oxide Fuel Cell，固体氧化物燃料电池)利用电化学反应发电，具有多种优点：发电效率高，当前技术水平下发电效率约为50％～60％；且其无运动部件，自身不产生振动和噪音；其工作温度在大致在700～800℃之间、在此温度区间内氮气的化学性质稳定，不会产生氮氧化物，对环境友好；对气源品质要求不高，富氢气体即可，燃料适应广。因此，由于SOFC具有的节能、环保属性，其被视为未来新型能源利用的重要方式之一。

SOFC所使用的富氢气体需要由重整制氢设备生成，制备氢气的反应为吸热反应，需要加热装置提供反应所需热量。现有的重整制氢设备主要以电加热方式提供热源，少部分使用化石燃料加热的重整制氢设备也需要持续从外部通入燃料，二者均未对电堆气体中的可燃组分及热量进行回收利用，无法利用电堆中的放热反应为重整反应提供热量来形成循环。

因此，需要提供一种重整换热器和用于SOFC发电系统的天然气重整装置，以至少部分解决现有技术中的问题。

实用新型内容

在实用新型内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本实用新型的实用新型内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

为至少部分地解决上述问题，本实用新型的第一方面提供了一种重整换热器，包括：

燃烧腔，用于燃料的燃烧；

重整腔，所述重整腔包围所述燃烧腔，所述重整腔内填充有催化剂，所述重整腔中发生重整反应以产生富氢气体，所述重整腔的下部设置有用于向所述重整腔输入原料气的重整进气管，所述重整腔的上部设置有用于排出所述富氢气体的重整排气管；

排烟腔，所述排烟腔包围所述重整腔，所述排烟腔的上部与所述燃烧腔连通，所述排烟腔的下部设置有排烟管；以及

补热燃烧器，所述补热燃烧器延伸进入所述燃烧腔并与所述燃烧腔连通，用于向所述燃烧腔输送补热燃料。

根据本实用新型的重整换热器，具有结构小巧、安全性好的特点，并且排烟腔包围重整腔，烟气在排出的图中对重整腔进行二次加热，回收了烟气中的热量，能量利用效率高。

进一步地，所述补热燃烧器上在所述燃烧腔内间隔预定距离设置有补热烧嘴。

进一步地，所述重整换热器还包括：

燃烧筒，所述燃烧筒构造为两端开口的筒状，所述燃烧筒内部的空间构成所述燃烧腔；

重整筒，所述重整筒构造为两端缩口的筒状，所述重整筒套设在所述燃烧筒外，所述重整筒的顶部设置有重整腔上封板，所述重整腔上封板连接至所述燃烧筒的顶端，所述重整筒的底部设置有重整腔下封板，所述重整腔下封板连接至所述燃烧筒的下部侧壁，所述重整筒和所述燃烧筒之间的空腔构成所述重整腔。

进一步地，所述重整换热器还包括排烟筒，所述排烟筒构造为一端封闭，另一端缩口的筒状，所述排烟筒套设在所述重整筒外，其中所述排烟筒的底部设置有排烟腔下封板，所述排烟腔下封板连接至所述重整筒的侧壁下部，所述排烟筒的顶部设置有排烟腔上封板，所述排烟腔上封板位于所述重整筒的上方并与所述重整腔上封板间隔开，所述排烟筒和所述重整筒之间的空隙构造为所述排烟腔。

进一步地，所述重整腔的下部设置有进气均流板，所述进气均流板与所述重整腔下封板之间构成进气均压腔，所述重整进气管连通所述进气均压腔；

所述重整腔的上部设置有排气均流板，所述排气均流板与所述重整腔上封板之间构成排气均压腔，所述重整排气管连通所述排气均压腔。

进一步地，所述排烟腔的下部设置有排烟均流板，所述排烟均流板和所述排烟腔下封板之间构成排烟均压腔，所述排烟管连通所述排烟均压腔。

进一步地，所述重整换热器还包括催化剂装卸管，所述催化剂装卸管从所述重整换热器的上方依次穿过所述排烟腔上封板、所述重整腔上封板和所述排气均流板，连通至所述重整腔。

进一步地，所述重整换热器还包括卸压管，所述卸压管设置在所述排烟筒的上部并与所述排烟腔连通。

进一步地，所述重整换热器还包括：

重整腔测温接管，所述重整腔测温接管从所述重整换热器的上方依次穿过所述排烟腔上封板和所述重整腔上封板，连接至所述排气均压腔；以及

燃烧腔测温接管，所述燃烧腔测温接管从所述重整换热器的上方穿过所述排烟腔上封板，连接至所述排烟腔。

本实用新型的第二方面提供一种用于SOFC发电系统的天然气重整装置，所述SOFC发电系统包括电堆，所述电堆包括阳极进气口和阳极出气口，所述天然气重整装置包括：

上述第一方面所述的重整换热器，所述重整排气管连通至所述阳极进气口，为所述电堆提供所述富氢气体，所述补热燃烧器与所述阳极出气口连通，用于向所述燃烧腔输送来自所述电堆的阳极气体；以及

燃烧器，位于所述重整换热器的下方并与所述重整换热器连通，用于点燃所述燃烧腔中的燃料和空气。

根据本实用新型的用于SOFC发电系统的天然气重整装置，在启动阶段利用燃烧器为重整反应提供热量，点火简单且升温速度快；电堆内发生反应后逐渐切换为利用电堆产生的阴极气体携带的显热和阳极气体携带的显热和化学热为重整反应提供能量，具有节能环保的优势；此外，补热燃烧器上开设补热烧嘴，使得阳极气体在重整换热器的长度方向上均匀排出，使得重整换热器的长度方向上的温度分布均匀，有利于提高重整反应的效率。

附图说明

本实用新型的下列附图在此作为本实用新型的一部分用于理解本实用新型。附图中示出了本实用新型的实施例及其描述，用来解释本实用新型的原理。

附图中：

图1为根据本实用新型的天然气重整装置的立体示意图；

图2为图1中的天然气重整装置的剖视示意图；

图3为根据本实用新型的天然气重整装置的重整换热器的立体示意图；

图4为图3中重整换热器的剖视示意图。

附图标记说明：

100：天然气重整装置 200：重整换热器

210：燃烧筒 211：燃烧腔测温接管

220：重整筒 221：重整排气管

222：重整进气管 223：催化剂装卸管

224：重整腔测温接管 225：重整腔上封板

226：重整腔下封板 227：进气均流板

228：排气均流板 230：排烟筒

231：排烟腔上封板 232：排烟管

233：卸压管 234：排烟腔下封板

235：排烟均流板 240：补热燃烧器

241：补热烧嘴 250：燃烧腔

260：重整腔 270：排烟腔

300：燃烧器

具体实施方式

在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本实用新型更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本实用新型可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本实用新型发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述。

为了彻底理解本实用新型，将在下列的描述中提出详细的描述。显然，本实用新型实施方式的施行并不限定于本领域的技术人员所熟悉的特殊细节。本实用新型的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本实用新型还可以具有其他实施方式。

应予以注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施例，而非意图限制根据本实用新型的示例性实施例。

现在，将参照附图更详细地描述根据本实用新型的示例性实施例。然而，这些示例性实施例可以多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施例。应当理解的是，提供这些实施例是为了使得本实用新型的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施例的构思充分传达给本领域普通技术人员。

图3和图4示出了本实用新型优选实施方式的重整换热器，包括燃烧腔250、重整腔260、重整进气管222、重整排气管221和补热燃烧器240。燃烧腔250，重整腔260、排烟腔270以及补热燃烧器240。

其中，燃烧腔250用于燃料的燃烧；重整腔260包围燃烧腔250，重整腔260内填充有催化剂，重整腔260中发生重整反应以产生富氢气体，重整腔260的下部设置有用于向重整腔260输入原料气的重整进气管222，重整腔260的上部设置有用于排出富氢气体的重整排气管221；排烟腔270包围重整腔260，排烟腔270的上部与燃烧腔250连通，排烟腔270的下部设置有排烟管232；补热燃烧器240延伸进入燃烧腔250并与燃烧腔250连通，用于向燃烧腔250输送补热燃料。

根据本实用新型的重整换热器，具有结构小巧、安全性好的特点，并且排烟腔包围重整腔，烟气在排出的图中对重整腔进行二次加热，回收了烟气中的热量，能量利用效率高。

当本实用新型的重整换热器作为用于SOFC发电系统的天然气重整装置的部件时，燃烧腔250用于燃烧器300(图1和图2)点燃燃料和来自电堆的阴极气体而产生的火焰的燃烧；重整腔260包围燃烧腔250且被燃烧腔250加热，其内填充有催化剂；重整进气管222与重整腔260连通并向重整腔260输送原料气，原料气在催化剂和加热的条件下生成重整气；重整排气管221的一端连通电堆的阳极进气口，另一端连通重整腔260，用于将重整气输送至电堆的阳极；补热燃烧器240的一端连通电堆的阳极出气口，另一端连通燃烧腔250，用于将来自电堆的阳极气体输入燃烧腔250进行燃烧，补热燃烧器240上在燃烧腔250内间隔预定距离设置有补热烧嘴241。

由此，在启动阶段利用天然气燃烧为重整反应提供热量，点火简单且升温速度快；电堆内发生反应后逐渐切换为利用电堆产生的阴极气体所携带的显热和阳极气体的显热和化学热为重整反应提供能量，具有节能环保的优势；此外，补热燃烧器上开设补热烧嘴，使得阳极气体在重整换热器的长度方向上均匀排出，使得重整换热器的长度方向上的温度分布均匀，有利于提高重整反应的效率。

下面将结合图1到图4对本实用新型的用于SOFC发电系统的天然气重整装置的重整换热器进行详细说明。

请参考图1和图2，天然气重整装置100包括重整换热器200和燃烧器300。重整换热器200用于进行重整反应，燃烧器300位于重整换热器200的下方，用于在SOFC发电系统的启动阶段为重整反应提供热量。由此天然气重整装置100将原料气转化为重整气，并将重整气提供给SOFC发电系统的电堆进行电化学反应，将化学能转变为电能。原料气优选为天然气，更优选为天然气和水蒸气的混合气体。重整气优选为富氢气体。燃烧器300使用的燃料优选为天然气。天然气重整装置100其长度约1m，直径约20cm，重量在20kg以内，主要为功率约为1kw级别的电堆提供重整气。

下面请参考图3和图4，重整换热器200的主体结构由燃烧筒210、重整筒220和排烟筒230组成。其中，燃烧筒210构造为两端开口的筒状，重整筒220构造为两端缩口的筒状，排烟筒230构造为一端封闭且另一端缩口的筒状。重整筒220套设在燃烧筒210外，排烟筒230套设在重整筒220外，三者大致构成同心结构。且重整筒220的长度小于燃烧筒210的长度，排烟筒230的长度小于或等于重整筒220的长度。在未示出的实施方式中，重整筒220、排烟筒230以及燃烧筒210的长度可以相等，三者采用浇注成型。

重整筒220的重整腔上封板225与燃烧筒210的顶端对齐并连接，重整筒220的重整腔下封板226连接至燃烧筒210的底端的上方侧壁位置，重整筒220和燃烧筒210对接好后优选采用先点焊再满焊的方式固定。

排烟筒230大致呈水缸状，开口朝下套设在重整筒220上。并且排烟筒230的排烟腔上封板231不与重整筒220的顶部接触，进而排烟筒230的排烟腔下封板234连接至重整筒220的底端的上方侧壁，排烟筒230和重整筒220对接好后优选采用先点焊再满焊的方式固定。

由此，燃烧筒210内部的空间构成燃烧腔250，重整筒220和燃烧筒210之间的空腔构成重整腔260，排烟筒230和重整筒220之间的空隙构造为排烟腔270，并且排烟腔270与燃烧腔250连通且包围重整腔260。

重整腔260的下部设置有进气均流板227，上部设置有排气均流板228。进气均流板227与重整腔下封板226之间构成进气缓冲室，重整进气管222连通进气缓冲室；排气均流板228与重整腔上封板225之间构成排气缓冲室，重整排气管221的一端连通排气缓冲室，另一端连通电堆的阳极进气口。催化剂填充在进气均流板227和排气均流板228之间的重整腔260。催化剂优选为颗粒状、圆柱状或球状，以利于催化剂的装卸。为了增加比表面积，催化剂可以具有多孔结构的颗粒状。

换句话说，重整腔自下而上分为进气缓冲室、反应室和排气缓冲室，其中反应室中填充有催化剂；原料气经由重整进气管222进入进气缓冲室，然后经过进气均流板227均流后均匀地通过反应室，发生化学反应后，再经过排气均流板228均流进入排气缓冲室，最后经由重整排气管221对外供应富氢气体。

排烟腔270的下部设置有排烟均流板235，排烟均流板235和排烟腔下封板234之间构成排烟缓冲室，排烟管232连通排烟缓冲室。

补热燃烧器240的一端连通电堆的阳极出气口，另一端从重整换热器200的上方穿过排烟腔上封板231，延伸进入燃烧腔的下部。并且燃烧腔250内的补热燃烧器240间隔预定距离设置有补热烧嘴241，以在重整换热器200的轴向方向上均匀排出阳极气体。电堆和重整换热器200之间的补热燃烧器240上设置有补燃气体调节阀。

由此，燃料在燃烧腔250中燃烧，加热重整腔260，生成的烟气向上进入排烟腔270，再向下经由排烟管232排出，并对重整腔260进行二次加热。原料气通过重整进气管222进入进气缓冲室，经过整流均压后向上扩散并与催化剂接触，在加热的条件下反应生成重整气。重整气经过排气均流板228进入排气缓冲室，经过汇集并均压后经由重整排气管221输送至电堆的阳极参加电化学反应。电堆的阳极产生的阳极气体温度较高，且残留有部分可燃气体，通过补热燃烧器240返回燃烧腔250加热重整腔260，并烧尽残存的可燃气体。阳极气体从补热燃烧器240上均匀分布的补热烧嘴241进入燃烧腔，这样能够形成在重整换热器200的径向方向上均匀分布的温度场，有利于重整反应的进行。

本实用新型利用了电堆的电化学反应放出的热量，并回收了残存的可燃气体，具有节能降耗的有益效果，具有很高的经济社会效益。

为了方便催化剂的装卸，重整换热器200还包括设置在重整换热器200的上方的催化剂装卸管223，催化剂装卸管223依次穿过排烟腔上封板231、重整腔上封板225和排气均流板228，连接至重整腔260。由于催化剂为颗粒状，加之天然气重整装置100的体积较小，可以直接从催化剂装卸管223中倾倒出或从催化剂装卸管223中装入。

此外，重整换热器200还包括卸压管233、重整腔测温接管224以及燃烧腔测温接管211。卸压管233设置在排烟筒230的上部并与排烟腔270连通，在燃烧腔250和排烟腔270的内部压力超过限值时自动泄压，从而防止发生爆炸事故，卸压管233具体可以设置在排烟筒230的顶部或者侧上部。重整腔测温接管224从重整换热器200的上方依次穿过排烟腔上封板231和重整腔上封板225，连接至排气缓冲室，其内部设置有温度计，用于测量反应温度。燃烧腔测温接管211从重整换热器200的上方穿过排烟腔上封板231，连接至排烟腔270，温度计从燃烧腔测温接管211中插入燃烧腔250，以测量烟气的温度。

本实用新型还提供一种SOFC发电系统，包括电堆、天然气重整装置100和控制装置。电堆为固体氧化物燃料电池，其中设置有温度传感器。

补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀均可以为电控调节阀。控制装置与温度传感器、点火装置、补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀电连接，并配置为能够根据电堆的温度控制补燃气体调节阀、燃气调节阀以及空气流量调节阀的开度。

具体地，控制装置还配置为在SOFC发电系统的启动阶段控制燃气调节阀和空气流量调节阀打开，并控制点火装置点火，以加热重整换热器200。

重整腔260内的温度达到重整反应温度时，重整换热器200开始向电堆阳极输送重整气，电堆内开始发生电化学反应。

随着电堆内反应的进行，电堆的温度逐渐升高，阴极气体和阳极气体的温度也逐渐升高，能够返回燃烧腔250对重整腔260补充加热。此时控制装置随着温度的上升控制燃气调节阀减小开度，减小燃料的消耗。

随着电堆内电化学反应的进一步进行，阴极气体和阳极气体的温度可以达到或超过重整反应温度，此时控制装置控制燃气调节阀关闭。SOFC发电系统的启动阶段结束，进入维持阶段，利用电堆反应生成的热量以及阳极气体残存的化学热维持重整换热器200内重整反应的进行，无需外部再输入燃料，能起到节能降耗的作用，具有很高的经济及社会效益。

除非另有定义，本文中所使用的技术和科学术语与本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中使用的术语只是为了描述具体的实施目的，不是旨在限制本实用新型。本文中在一个实施方式中描述的特征可以单独地或与其它特征结合地应用于另一个实施方式，除非该特征在该另一个实施方式中不适用或是另有说明。

本实用新型已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本实用新型限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本实用新型并不局限于上述实施例，根据本实用新型的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本实用新型所要求保护的范围以内。本实用新型的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (10)

1.一种重整换热器，其特征在于，包括：

燃烧腔，用于燃料的燃烧；

重整腔，所述重整腔包围所述燃烧腔，所述重整腔内填充有催化剂，所述重整腔中发生重整反应以产生富氢气体，所述重整腔的下部设置有用于向所述重整腔输入原料气的重整进气管，所述重整腔的上部设置有用于排出所述富氢气体的重整排气管；

排烟腔，所述排烟腔包围所述重整腔，所述排烟腔的上部与所述燃烧腔连通，所述排烟腔的下部设置有排烟管；以及

补热燃烧器，所述补热燃烧器延伸进入所述燃烧腔并与所述燃烧腔连通，用于向所述燃烧腔输送补热燃料。

2.根据权利要求1所述的重整换热器，其特征在于，所述补热燃烧器上在所述燃烧腔内间隔预定距离设置有补热烧嘴。

3.根据权利要求1所述的重整换热器，其特征在于，所述重整换热器还包括：

燃烧筒，所述燃烧筒构造为两端开口的筒状，所述燃烧筒内部的空间构成所述燃烧腔；

重整筒，所述重整筒构造为两端缩口的筒状，所述重整筒套设在所述燃烧筒外，所述重整筒的顶部设置有重整腔上封板，所述重整腔上封板连接至所述燃烧筒的顶端，所述重整筒的底部设置有重整腔下封板，所述重整腔下封板连接至所述燃烧筒的下部侧壁，所述重整筒和所述燃烧筒之间的空腔构成所述重整腔。

4.根据权利要求3所述的重整换热器，其特征在于，所述重整换热器还包括排烟筒，所述排烟筒构造为一端封闭，另一端缩口的筒状，所述排烟筒套设在所述重整筒外，其中所述排烟筒的底部设置有排烟腔下封板，所述排烟腔下封板连接至所述重整筒的侧壁下部，所述排烟筒的顶部设置有排烟腔上封板，所述排烟腔上封板位于所述重整筒的上方并与所述重整腔上封板间隔开，所述排烟筒和所述重整筒之间的空隙构造为所述排烟腔。

5.根据权利要求4所述的重整换热器，其特征在于，所述重整腔的下部设置有进气均流板，所述进气均流板与所述重整腔下封板之间构成进气均压腔，所述重整进气管连通所述进气均压腔；

所述重整腔的上部设置有排气均流板，所述排气均流板与所述重整腔上封板之间构成排气均压腔，所述重整排气管连通所述排气均压腔。

6.根据权利要求4所述的重整换热器，其特征在于，所述排烟腔的下部设置有排烟均流板，所述排烟均流板和所述排烟腔下封板之间构成排烟均压腔，所述排烟管连通所述排烟均压腔。

7.根据权利要求5所述的重整换热器，其特征在于，所述重整换热器还包括催化剂装卸管，所述催化剂装卸管从所述重整换热器的上方依次穿过所述排烟腔上封板、所述重整腔上封板和所述排气均流板，连通至所述重整腔。

8.根据权利要求4所述的重整换热器，其特征在于，所述重整换热器还包括卸压管，所述卸压管设置在所述排烟筒的上部并与所述排烟腔连通。

9.根据权利要求5所述的重整换热器，其特征在于，所述重整换热器还包括：

重整腔测温接管，所述重整腔测温接管从所述重整换热器的上方依次穿过所述排烟腔上封板和所述重整腔上封板，连接至所述排气均压腔；以及

燃烧腔测温接管，所述燃烧腔测温接管从所述重整换热器的上方穿过所述排烟腔上封板，连接至所述排烟腔。

10.一种用于SOFC发电系统的天然气重整装置，所述SOFC发电系统包括电堆，所述电堆包括阳极进气口和阳极出气口，其特征在于，所述天然气重整装置包括：

权利要求1-9中任意一项所述的重整换热器，所述重整排气管连通至所述阳极进气口，为所述电堆提供所述富氢气体，所述补热燃烧器与所述阳极出气口连通，用于向所述燃烧腔输送来自所述电堆的阳极气体；以及

燃烧器，位于所述重整换热器的下方并与所述重整换热器连通，用于点燃所述燃烧腔中的燃料和空气。

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