CN217535472U - 一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，属于电气化天然气制氢技术领域。本实用新型上端为入口端，下端为出口端，出入口端通过法兰连接外部管路，所述重整炉自外向内包括外壳、绝热保温层和承压炉腔；所述重整炉承压炉腔沿轴线方向设置多个三相电加热器，三相电加热器固定有金属肋片，金属肋片上附着有催化剂；三相电加热器由三相调压器供电，三相电热管上固定有温度传感器，温度传感器和三相调压器连接在控制器上。本实用新型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，同时可实现风电、光伏发电等波动电能下的变负荷运行，进行大规模的可再生能源消纳。

Description

一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉

技术领域

本实用新型涉及电能与天然气制氢技术领域，具体涉及一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉。

背景技术

随着环境问题逐渐受到人们的重视，风电光电等可再生能源装机容量大大提升。但是由于风能光能等自然资源波动性的因素，大量可再生电能无法被消纳，造成严重的弃电现象。氢能由于其能量密度高，清洁等优势成为优秀的能量载体，将波动的可再生电能与氢能相结合，不仅可有效实现对富余可再生能源的消纳，同时可向建筑、交通、工业等领域提供清洁燃料。

可再生能源结合电解水制氢为目前的耦合方式之一，然而其低效率、高成本、小规模等问题限制了其规模化运用，电解水制氢目前在全球氢能生产占比中只占到4％。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有成本低、效率高、技术成熟等优势。该过程中使用部分天然气燃烧提供反应吸热，造成额外碳排放的同时带来大量的排烟热损失。此外，燃烧加热难以保证各炉管受热均匀，会发生局部过热导致积碳等问题，甚至影响设备寿命，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。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，以克服现有技术存在的缺陷，本实用新型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。本实用新型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。本实用新型的目的之三在于提供高功率密度的天然气制氢装置。通过三相电加热器的引入，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。

为达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，包括自外向内设置的外壳、绝热保温层和承压炉腔，所述承压炉腔中设置有一个或多个三相电加热器；

当设置多个三相电加热器时，多个三相电加热器沿竖直方向设置在承压炉腔中，且多个三相电加热器将承压炉腔划分为多个反应段，反应物流在炉内流动方向与三相电加热器垂直；

当设置一个三相电加热器时，采用单反应段加热方式，三相电加热器竖直设置在承压炉腔中，反应物流在炉内流动方向与三相电加热器平行；

所述三相电加热器上固定有若干金属肋片，所述三相电加热器通过密封法兰固定在承压炉腔上，且三相电加热器通过接电座连接至设置在外壳外侧的三相调压器；重整炉入口设有入口管，出口设有出口管。

进一步地，还包括控制器和用于检测各反应段和重整炉出口温度的温度传感器，所述温度传感器与控制器信号连接，所述控制器与三相调压器连接。

进一步地，所述出口管通过管道法兰与原料管相连，所述原料管上设置有电磁阀，所述电磁阀与控制器相连。

进一步地，所述三相调压器通过高压接电座连接外部高压电，三相调压器通过接电座将三相电以三角形连接方式连接至三相电加热器。

进一步地，所述金属肋片上浸渍附着有用于甲烷蒸汽重整反应的镍基催化剂。

进一步地，所述三相电加热器由三根电加热管组成，所述电加热管由外到内依次为加热管壳、绝缘填充材料、电热丝；所述绝缘填充材料采用氧化镁。

进一步地，所述金属肋片焊接在加热管壳外壁。

进一步地，所述金属肋片的形状为波浪板，且金属肋片的采用铁铬合金制成。

进一步地，所述外壳与承压炉腔之间设有绝热保温层，所述绝热保温层采用岩棉。

进一步地，所述外壳连接接地线。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本发明通过高压三相电加热器的形式将电能引入天然气蒸汽重整炉，避免了天然气燃烧产生的额外二氧化碳排放和烟气能量损失，极大地提升了升温速率与启动率，可以很好的适应可再生电能的波动性。

进一步地，电加热管内布置分段测温与分段加热以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。

进一步地，设备外接三相高压电，可以实现大功率的电能输入与单台设备的大规模可再生能源消纳。

进一步地，加热器上设置有肋片以提升炉内温度的均匀性。

附图说明

说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型高压三相电热天然气蒸汽重整炉结构示意图；

图2为本实用新型加热器纵向布置的高压三相电热天然气蒸汽重整炉结构示意图；

图3为本实用新型横截面A示意图；

图4为本实用新型横截面B示意图。

其中，101.控制器，102.三相调压器，103.密封法兰，104.温度传感器，105.接电座，106.高压接电座，107.电磁阀，201.管道法兰，202.入口管，203.外壳，204.绝热保温层，205.承压炉腔，206.三相电加热器，2061.加热管壳，2062.绝缘填充材料，2063.电热丝，207.金属肋片，208.出口管，209.接地线。

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，在不脱离本实用新型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。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

在本实用新型中，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实用新型中的具体含义。

一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，所述重整炉自外向内包括外壳203、绝热保温层204和承压炉腔205；重整炉中沿竖直方向设置多个三相电加热器206并将重整炉划分为多个反应段，三相电加热器206上固定有金属肋片207，三相电加热器206通过密封法兰103固定在承压炉腔205上，通过接电座105连接三相调压器102；重整炉入口设有入口管202与管道法兰201，出口设有出口管208。

还包括控制器101以及与控制器101信号连接的多个温度传感器104，各温度传感器104位于重整炉承压炉腔205内部用于检测各反应段和重整炉出口的温度；所述控制器101与各三相调压器102连接；各反应段温度传感器104获取温度，并将信号传输至控制器101，控制器101根据温度大小调节各反应段对应的三相调压器102来改变各段功率大小，温度低于设定值时调高三相调压器102的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器102的输出电压。

三相调压器102通过高压接电座106连接外部高压电，三相调压器102通过接电座105将三相电以三角形连接方式连接三相电加热器206；所述金属肋片207上通过以下步骤浸渍附着催化剂：1金属肋片207表面预处理：金属肋片207依次经过乙醇、稀硫酸、去离子水在超声波条件下洗涤后干燥；2催化剂负载：表面预处理后的金属肋片207在Ni-γAl2O3盐溶液中反复浸渍并干燥，最后经过焙烧后制得金属肋片207结构化催化剂；三相电加热器206由三根电加热管组成，电加热管结构由外到内依次为加热管壳2061、绝缘填充材料2062、电热丝2063。绝缘填充材料2062优选为氧化镁；所述重整炉外壳203与承压炉腔205中间设有绝热保温层204，材料优选为岩棉；当三相调压器102接入可再生电能时，各反应段温度传感器104获取温度，信号传输至控制器101，控制器101控制电磁阀107开度来改变反应原料的流量，以应对可再生电能的波动性；所述金属肋片207焊接在加热管壳2061外壁，金属肋片207形状优选为波浪板，材料优选为铁铬合金；外壳203连接接地线209。

本实用新型还包括一种加热器纵向布置的重整炉构型，采用单段加热方式，反应物流在炉内流动方向与电加热器平行。

实施例

如图1所示为高压三相电热天然气蒸汽重整炉结构示意图，包括外壳203、绝热保温层204和承压炉腔205；重整炉中沿竖直方向设置多个三相电加热器206并将重整炉划分为多个反应段，三相电加热器206上固定有金属肋片207，三相电加热器206通过密封法兰103固定在承压炉腔205上，通过接电座105连接三相调压器102；重整炉入口设有入口管202，入口管202与原料管通过管道法兰201连接。出口设有出口管208，还包括控制器101以及与控制器101信号连接的多个温度传感器104，各温度传感器104位于重整炉承压炉腔205内部用于检测各反应段和重整炉出口的温度；所述控制器101与各三相调压器102连接；各反应段温度传感器104获取温度，并将信号传输至控制器101，控制器101根据温度大小调节各反应段对应的三相调压器102来改变各段功率大小，温度低于设定值时调高三相调压器102的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器102的输出电压。

运行时，三相调压器102接入高压电，调压后将电能输入到三相电加热器206，电加热器206中电热丝2063通电发热，绝缘材料2062起绝缘作用防止漏电。天然气和水蒸气混合物从入口管202进入，以三相电加热器206发热作为驱动进行吸热反应。反应完成后生成富氢合成气从出口管208流出。

优选地，运行过程中重整炉内采用温度传感器104实时监测炉内不同反应段的温度并向控制器101反馈，控制器101根据反馈温度调整三相调压器102的输出电压以改变温度，温度低于设定值时调高三相调压器102的输出电压，温度高于设定值时降低三相调压器102的输出电压。应对可再生电能波动性时，控制器101调整入口管电磁阀107开度来控制反应物的流量。输入功率高时，提升电磁阀107开度来提升反应吸热，输入功率低时，减小电磁阀107开度来降低反应吸热。

图2为一种加热器纵向布置的重整炉构型图，采用单段加热方式，反应物流在炉内流动方向与电加热器平行。该构型重整炉的运行方式与上述运行方式相同，单段纵向布置有利于重整炉小型化。

最后应说明的是：以上各实施例仅仅为本实用新型的较优实施例用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，当然更不是限制本实用新型的专利范围；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，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，或者对其中部分或者全部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实用新型各实施例技术方案的范围；也就是说，但凡在本实用新型的主体设计思想和精神上做出的毫无实质意义的改动或润色，其所解决的技术问题仍然与本实用新型一致的，均应当包含在本实用新型的保护范围之内；另外，将本实用新型的技术方案直接或间接的运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，包括自外向内设置的外壳(203)、绝热保温层(204)和承压炉腔(205)，所述承压炉腔(205)中设置有一个或多个三相电加热器(206)；

当设置多个三相电加热器(206)时，多个三相电加热器(206)沿竖直方向设置在承压炉腔(205)中，且多个三相电加热器(206)将承压炉腔(205)划分为多个反应段，反应物流在炉内流动方向与三相电加热器(206)垂直；

当设置一个三相电加热器(206)时，采用单反应段加热方式，三相电加热器(206)竖直设置在承压炉腔(205)中，反应物流在炉内流动方向与三相电加热器(206)平行；

所述三相电加热器(206)上固定有若干金属肋片(207)，所述三相电加热器(206)通过密封法兰(103)固定在承压炉腔(205)上，且三相电加热器(206)通过接电座(105)连接至设置在外壳(203)外侧的三相调压器(102)；重整炉入口设有入口管(202)，出口设有出口管(208)。

2.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，还包括控制器(101)和用于检测各反应段和重整炉出口温度的温度传感器(104)，所述温度传感器(104)与控制器(101)信号连接，所述控制器(101)与三相调压器(102)连接。

3.根据权利要求2所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述出口管(208)通过管道法兰(201)与原料管相连，所述原料管上设置有电磁阀(107)，所述电磁阀(107)与控制器(101)相连。

4.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述三相调压器(102)通过高压接电座(106)连接外部高压电，三相调压器(102)通过接电座(105)将三相电以三角形连接方式连接至三相电加热器(206)。

5.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属肋片(207)上浸渍附着有用于甲烷蒸汽重整反应的镍基催化剂。

6.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述三相电加热器(206)由三根电加热管组成，所述电加热管由外到内依次为加热管壳(2061)、绝缘填充材料(2062)、电热丝(2063)；所述绝缘填充材料(2062)采用氧化镁。

7.根据权利要求6所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属肋片(207)焊接在加热管壳(2061)外壁。

8.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述金属肋片(207)的形状为波浪板，且金属肋片(207)的采用铁铬合金制成。

9.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述外壳(203)与承压炉腔(205)之间设有绝热保温层(204)，所述绝热保温层(204)采用岩棉。

10.根据权利要求1所述的一种高压三相电热天然气蒸汽重整炉，其特征在于，所述外壳(203)连接接地线(209)。

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