CN218841709U - 一种高效率甲醇重整制氢装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高效率甲醇重整制氢装置，包括壳体、反应堆、热交换器、供液管和排气管，壳体包括外壳和设置于外壳内的内壳，内壳和外壳之间设有真空夹层，反应堆设置在内壳内，热交换器设置在壳体的前端，热交换器内充有换热介质，供液管的一端与反应堆的液体进口连接，供液管的另一端穿过热交换器后露出，排气管的一端与反应堆的气体出口连接，排气管的另一端穿过热交换器后露出。一方面，反应堆设置在具有真空夹层的壳体中，减少反应堆的热能损失；另一方面，反应后的氢气和二氧化碳具有很高的温度(具有余热能)，通过热交换器将热能传递给供液管的内的甲醇水，将甲醇水的温度提高，即回收了余热；从这两方面实现了节能。

Description

一种高效率甲醇重整制氢装置

技术领域

本实用新型涉及甲醇制氢技术领域，具体涉及一种高效率甲醇重整制氢装置。

背景技术

甲醇的质量储氢密度高，是解决氢能应用中储存和运输的樽颈问题。一般来说，甲醇制氢有三种方法：甲醇水蒸气重整(SRM)、甲醇氧化重整(OMR)和甲醇部分氧化(POM)。其中，甲醇水蒸气重整(SRM)技术较成熟，产氢量高达75％。可是现在的甲醇水蒸气重整(SRM)装置体积较大，启动需时，亦较耗能，因此未能广泛使用在移动交通工具上。甲醇水蒸气重整制氢过程在热力学上是一个高温有利的吸热反应，工作温度为250℃，因此加热时会消耗大量能量，而且在反应过程中仍需不断加热；当氢气供应需求增加时，装置体积增加，加热所需的能量亦相应增加。部分甲醇水蒸气重整的加热方法是燃烧甲醇加热，此方法较难控制温度，加上甲醇地消耗，降低产氢率。相对较高的工作温度和汽化单元的存在导致分布式甲醇制氢系统在启动工况下的响应较慢。

实用新型内容

为此，本实用新型提供一种高效率甲醇重整制氢装置，以解决上述的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种高效率甲醇重整制氢装置，包括壳体、反应堆、热交换器、供液管和排气管，所述壳体包括外壳和设置于外壳内的内壳，所述内壳和所述外壳之间设有真空夹层，所述反应堆设置在所述内壳内，所述热交换器设置在所述壳体的前端，所述热交换器内充有换热介质，所述供液管的一端与所述反应堆的液体进口连接，所述供液管的另一端穿过所述热交换器后露出，所述排气管的一端与所述反应堆的气体出口连接，所述排气管的另一端穿过所述热交换器后露出。

进一步地，所述反应堆包括内堆芯、外堆芯、分隔筒和陶瓷加热板，所述分隔筒沿前后方向设置，所述分隔筒在周侧隔开所述内堆芯和外堆芯且所述内堆芯的后部与外堆芯连通，所述分隔筒为耐腐蚀金属材质，所述陶瓷加热板设置在所述分隔筒的周侧。

进一步地，所述陶瓷加热板呈条形，沿前后方向设置；所述陶瓷加热板设有多个，多个所述陶瓷加热板在所述分隔筒的周侧均匀分布。

进一步地，所述内堆芯的前部放置有低温对甲醇具有高催化活性的第一类催化剂，所述内堆芯后部以及所述外堆芯均放置有高温对甲醇具有高催化活性的第二类催化剂，所述外堆芯的前部放置有对一氧化碳具有高活性的第三类催化剂。

进一步地，所述反应堆还包括喷头，所述喷头设置在所述内堆芯内的前端，所述喷头与所述供液管连通。

进一步地，所述反应堆还包括温度计，所述温度计设置在所述内堆芯内的前部。

进一步地，所述供液管的位于所述热交换器内的部分呈螺旋状分布。

进一步地，所述排气管的位于所述热交换器内的部分呈螺旋状分布。

进一步地，所述换热介质为导热油。

进一步地，所述高效率甲醇重整制氢装置还包括控制器，所述供液管的进液口与甲醇水原料泵连接，所述排气管的出气口接有气体流量计，所述控制器与所述甲醇水原料泵、所述气体流量计、陶瓷加热板以及温度计电连接，所述控制器基于所述气体流量计和所述温度计的反馈信息控制所述甲醇水原料泵和所述陶瓷加热板的工作状态。

本实用新型具有如下优点：

1、节能：一方面，反应堆设置在具有真空夹层的壳体中，减少反应堆的热能损失；另一方面，反应后的氢气和二氧化碳具有很高的温度(具有余热能)，通过热交换器将热能传递给供液管的内的甲醇水，将甲醇水的温度提高，即回收了余热；从这两方面实现了节能。

2、启动快：通过在分隔筒外设置陶瓷加热板，采用电加热的方式替代现有的燃烧甲醇加热，升温更快，因此启动耗时更短，启动更快。

3、智能控制：基于反馈的温度信息，控制器控制甲醇水原料泵的进料时间和进料量，使反应堆内的吸热、加热稳定平衡，并调控陶瓷加热板开关，使反应堆内的温度稳定；基于反馈的流量信息和所需的气体输出量，控制器控制甲醇水原料泵的进料时间和进料量，并调控陶瓷加热板开关，维持所需的气体输出量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。

图1为本实用新型实施例提供的一种高效率甲醇重整制氢装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的高效率甲醇重整制氢装置的剖视图；

图3为本实用新型实施例提供的高效率甲醇重整制氢装置的断面图；

图4为本实用新型实施例提供的高效率甲醇重整制氢装置的工作原理图。

图中：1-外壳，2-内壳，3-控制器，4-真空夹层，5-反应堆，6-热交换器，7-喷头，8-内堆芯，9-外堆芯，10-温度计，11-分隔筒，12-陶瓷加热板，13-第一类催化剂，14-第二类催化剂，15-第三类催化剂，16-供液管，16a-进液口，16b-出液口，17a-进气口，17b-出气口。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图1至4所示，本实施例提供了一种高效率甲醇重整制氢装置，包括壳体、反应堆5、热交换器6、供液管16和排气管。壳体为前端敞口、其它部位封闭的筒状壳体，包括外壳1和设置于外壳1内的内壳2，所述内壳2和所述外壳1之间设有真空夹层4。所述反应堆5设置在所述内壳2内，反应堆5用于将供液管16送入的甲醇水在催化剂的作用下转化成氢气和二氧化碳，此过程中，反应堆5具有高温(一般在250℃)，因此排出的气体也具有高温属性。所述热交换器6设置在所述壳体的前端开口内，所述热交换器6内充有换热介质。所述供液管16的出液口16b与所述反应堆5的液体进口连接，所述供液管16的进液口16a穿过所述热交换器6后并从热交换器6的前端露出，露出后的进液口16a与甲醇水原料泵连接。所述排气管的进气口17a与所述反应堆5的气体出口连接，所述排气管的出气口17b穿过所述热交换器6后并从热交换器6的前端露出，露出后的出气口17b串接气体流量计。在本实施例中，排气管设有多个，多个排气管的出气口17b进行汇总后再连接气体流量计。需要指出的是，排气管在热交换器6内可以是连续的(指气体不能直接与换热介质接触)或者是间断的(指气体可与换热介质直接接触)。一方面，反应堆5设置在具有真空夹层4的壳体中，减少反应堆5的热能损失；另一方面，反应后的氢气和二氧化碳具有很高的温度(具有余热能)，通过热交换器6将热能传递给供液管16的内的甲醇水，将甲醇水的温度提高，即回收了余热；从这两方面实现了节能。装置运行时，甲醇水进入反应堆5，热交换器6可把甲醇水的温度加热接近180℃，使反应堆5不会因为进料的温度太低而大幅降温(反应堆5的正常工作温度在250℃)。整个装置涉及的热反应部分(反应堆5)和热量回收部分(热交换器6)都在真空环境下运作，因此甲醇重整的吸热反应能在低能耗的情况下完成。

反应堆5包括内堆芯8、外堆芯9、喷头7、分隔筒11、陶瓷加热板12和温度计10。外堆芯9包裹着内堆芯8；所述分隔筒11沿前后方向设置，所述分隔筒11在周侧隔开所述内堆芯8和外堆芯9，所述内堆芯8的后部与外堆芯9连通。所述喷头7设置在所述内堆芯8内的前端，所述喷头7与所述供液管16的出液口16b连通。甲醇水会从内堆芯8前端的喷头7喷出，由于温度高和喷注压力大的关系，喷出的甲醇水已经彻底气化，形成气状的甲醇水，因为甲醇水温度相对较低(指180℃低于250℃)，需要继续吸热，所以会使内堆芯8的前部温度降低，因此，在所述内堆芯8的前部放置有低温对甲醇具有高催化活性的第一类催化剂13，以便提催化效果和高产氢率。甲醇水吸热后，温度升高至理想温度(250℃)，此时升温后的甲醇水来到内堆芯8的后部，因此在所述内堆芯8后部以及所述外堆芯9均放置有高温对甲醇具有高催化活性的第二类催化剂14，以便提催化效果和高产氢率；外堆芯9的前部是与排气管连通的部位，气体在此部位汇集，气体中不仅有氢气和二氧化碳，还有少量的一氧化碳，因此在所述外堆芯9的前部放置有对一氧化碳具有高活性的第三类催化剂15，以便减少一氧化碳的含量。气化的甲醇水会首先经过内堆芯8的催化剂到内堆芯8后方的通道往外堆芯9后方去，再经过外堆芯9的催化剂到外堆芯9的前方；如此设计让甲醇水接触催化剂的时间增加，使甲醇重整反应更有效。所述陶瓷加热板12设置在所述分隔筒11的周侧，所述分隔筒11为耐腐蚀金属材质，陶瓷加热板12通电发热后，可对内堆芯8和外堆芯9均进行加热。所述陶瓷加热板12呈条形，沿前后方向设置；所述陶瓷加热板12设有多个，多个所述陶瓷加热板12在所述分隔筒11的周侧均匀分布；使内堆芯8和外堆芯9的催化剂可以平均加热，更可精准维持甲醇重整反应的温度。通过在分隔筒11外设置陶瓷加热板12，采用电加热的方式替代现有的燃烧甲醇加热，升温更快，因此启动耗时更短，启动更快。一般的，陶瓷加热板12的电源线在贯穿热交换器6的电源管内进行布线，电源线与控制器3连接，从而使陶瓷加热板12在控制器3的控制下工作。所述温度计10设置在所述内堆芯8内的前部，用于实时测量反应堆5的温度。在本实施例中，供液管16、排气管以及电源管均为耐高温材质。

反应堆5内采用三类特性的催化剂以配合气化甲醇水不同阶段的反应过程。从内堆芯8前端开始，当气化甲醇水进入反应堆5时，温度相对较低，约180℃，因此内堆芯8前端放置了适量的低温高活性的第一类催化剂13，该催化剂成本较高，因此适量使用可减少浪费，提高成本效益；在此阶段或位置，先把部分未提升温度的甲醇水进行重整。系统开始运作时，必须利用加温装置，即陶瓷加热板12加温至甲醇重整反应的理想温度。低温高活性的催化剂使甲醇重整开始反应的时间缩短，充份利用在富氢气体输出前的时间。当一部分气化甲醇水在重整时，未重整的甲醇水会提升温度至最有效的重整温度(约250℃)；因此，内外堆芯9的催化剂，大部份为较高温度但活性更好的第二类催化剂14，使所有进入反应堆5的甲醇水得以催化及重整，成为富氢气体。在催化过程中，会有少量的一氧化碳产生，因为在外堆芯9前端近排气管的部分适量地放置一些对一氧化碳俱有活性的第三类催化剂15，除掉富氢气体内的一氧化碳。

可选的，供液管16的位于所述热交换器6内的部分呈螺旋状分布，如此可以增大与换热介质的换热面积，有利于余热利用率的提高。可选的，排气管的位于所述热交换器6内的部分呈螺旋状分布，可以增大与换热介质的换热面积，有利于余热利用率的提高。可选的，排气管进入到热交换器6后就没了，即排气管很短，在热交换器6内任由气体流动，让气体直接与换热介质接触，这样换热效率更高；相应的，在热交换器6的前端也设有较短的排气管，以便连接气体流量计、储氢装置或者用氢装置。可选的，换热介质为导热油。上述可选的实施方案仅为举例，并不限制其它可替代的技术方案的实施。

在本实施例中，所述高效率甲醇重整制氢装置还包括控制器3，所述供液管16的进液口16a与甲醇水原料泵连接，所述排气管的出气口接有气体流量计，所述控制器3与所述甲醇水原料泵、所述气体流量计、陶瓷加热板12以及温度计10电连接，所述控制器3基于所述气体流量计和所述温度计10的反馈信息控制所述甲醇水原料泵和所述陶瓷加热板12的工作状态。

基于反馈的温度信息，控制器3控制甲醇水原料泵的进料时间和进料量，使反应堆5内的吸热、加热稳定平衡，并调控陶瓷加热板12开关，使反应堆5内的温度稳定；基于反馈的流量信息和所需的气体输出量，控制器3控制甲醇水原料泵的进料时间和进料量，并调控陶瓷加热板12开关，维持所需的气体输出量；如此实现高效率甲醇重整制氢装置的智能控制。可选的，控制器3采用PLC电路板等。

甲醇重整反应的能耗，由控制器3按反应堆5内的反应情况去调节装置的温度和甲醇水的喷注量。由于甲醇水重整反应效率较佳温度为250℃-270℃，因此控制器3需因应以下情况作出调控。

系统在设定的出气量下：

1、当出气量多于设定时，控制器3会减少甲醇水的喷注量，并把所有陶瓷加热板12关闭。反应堆5内的温度会惭惭降低，反应速度减慢，使出气量降低之设定水平。

2、当出气量少于设定时，控制器3会增加甲醇水的喷注量，由于甲醇水的喷注量增加，反应堆5内的温度会因为甲醇水量增加而骤降，因此控制器3需把陶瓷加热板12温度调高，以加速甲醇水重整反应，提高出气量至设定水平。

3、反应堆5开始运作时，陶瓷加热板12需全速加温，使反应堆5在短时间内达到甲醇重整反应的理相温度。若甲醇水喷注量低，反应堆5有因此而过热；若甲醇水喷注过量，反应堆5内的催化剂上会沾满未能重整的甲醇水份子，拖慢加温速度，亦会消耗较多能量。因此控制器3需按照实时的升温速率，控制甲醇喷注的次数和份量。当温度升至甲醇重整反应较佳的温度后(250℃-270℃)，控制器3需把陶瓷加热板12控制在最节能状态，使甲醇重整反应的输出量和温控上达至平衡，实现高效率甲醇重整制氢的效果。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本实用新型作了详尽的描述，但在本实用新型基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本实用新型精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本实用新型要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，包括壳体、反应堆、热交换器、供液管和排气管，所述壳体包括外壳和设置于外壳内的内壳，所述内壳和所述外壳之间设有真空夹层，所述反应堆设置在所述内壳内，所述热交换器设置在所述壳体的前端，所述热交换器内充有换热介质，所述供液管的一端与所述反应堆的液体进口连接，所述供液管的另一端穿过所述热交换器后露出，所述排气管的一端与所述反应堆的气体出口连接，所述排气管的另一端穿过所述热交换器后露出。

2.根据权利要求1所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述反应堆包括内堆芯、外堆芯、分隔筒和陶瓷加热板，所述分隔筒沿前后方向设置，所述分隔筒在周侧隔开所述内堆芯和外堆芯且所述内堆芯的后部与外堆芯连通，所述分隔筒为耐腐蚀金属材质，所述陶瓷加热板设置在所述分隔筒的周侧。

3.根据权利要求2所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述陶瓷加热板呈条形，沿前后方向设置；所述陶瓷加热板设有多个，多个所述陶瓷加热板在所述分隔筒的周侧均匀分布。

4.根据权利要求2所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述内堆芯的前部放置有低温对甲醇具有高催化活性的第一类催化剂，所述内堆芯后部以及所述外堆芯均放置有高温对甲醇具有高催化活性的第二类催化剂，所述外堆芯的前部放置有对一氧化碳具有高活性的第三类催化剂。

5.根据权利要求2所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述反应堆还包括喷头，所述喷头设置在所述内堆芯内的前端，所述喷头与所述供液管连通。

6.根据权利要求2所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述反应堆还包括温度计，所述温度计设置在所述内堆芯内的前部。

7.根据权利要求1所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述供液管的位于所述热交换器内的部分呈螺旋状分布。

8.根据权利要求1所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述排气管的位于所述热交换器内的部分呈螺旋状分布。

9.根据权利要求1所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述换热介质为导热油。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的高效率甲醇重整制氢装置，其特征在于，所述高效率甲醇重整制氢装置还包括控制器，所述供液管的进液口与甲醇水原料泵连接，所述排气管的出气口接有气体流量计，所述控制器与所述甲醇水原料泵、所述气体流量计、陶瓷加热板以及温度计电连接，所述控制器基于所述气体流量计和所述温度计的反馈信息控制所述甲醇水原料泵和所述陶瓷加热板的工作状态。

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