CN220537492U - 一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，属于甲醇重整制氢技术领域。解决了甲醇自热重整器结构复杂、热能利用率低、加工成本高、传热传质效率低的问题。它包括反应器壳体、催化燃烧催化剂和甲醇重整催化剂，所述反应器壳体为空腔结构，所述反应器壳体的空腔前半段为催化燃烧段，后半段为甲醇重整段，所述催化燃烧段内设置有催化燃烧催化剂，所述甲醇重整段内设置有甲醇重整催化剂，所述反应器壳体前端设置有反应物入口，反应物从反应物入口进入，所述反应器壳体后端设置有产物出口。它主要用于甲醇水蒸汽重整制氢。
Description
技术领域
本实用新型属于甲醇重整制氢技术领域，特别是涉及一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置。
背景技术
燃料电池具有高效节能的优势以及良好的环境性能，作为固定式电源和移动式电源均具有广阔的应用前景。氢源的供应是燃料电池商业化的“瓶颈”之一。由于甲醇成本低，反应条件温和及资源丰富，甲醇制氢已受到了广泛的重视，并成为大功率燃料电池的理想氢源。用碳氢燃料重整制氢的方式，典型的有甲醇水蒸汽重整制氢、甲醇部分氧化制氢和甲醇自热重整制氢三种方式。
甲醇水蒸汽重整反应制得的气体中氢的体积分数高，但该反应为强吸热反应，反应速度慢，需要外部供给大量的热，这个问题一直困扰着该技术的实际应用；甲醇部分氧化反应为放热反应，反应速度快，但由于空气中的氮气降低了制得气体中氢的体积分数，且一氧化碳的浓度过高，不利于燃料电池的正常工作；甲醇氧化反应耦合甲醇水蒸气重整的方法，即甲醇自热重整制氢。甲醇自热重整制氢过程利用甲醇部分氧化反应提供热能，供给甲醇和水蒸气进行重整反应。重整过程将甲醇转化为富氢气体后，再通过CO尾气变换和CO选择性氧化反应过程将重整气中的CO含量降低，以供燃料电池应用。
传统的甲醇自热重整器将甲醇催化燃烧反应与甲醇水蒸汽重整制氢反应分别设置在两个腔体内，利用甲醇催化燃烧反应释放的热量供给甲醇水蒸汽重整制氢反应，这样虽然不需要外部热源供热，但是反应器不同腔体之间间接传热的传热效果较差，热能利用效率较低，不能充分利用甲醇催化燃烧反应的反应热。而且两个腔体的反应器设计复杂，加工和制造成本高。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型旨在提出一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，以解决传统的甲醇自热重整器需要将甲醇催化燃烧反应与甲醇水蒸汽重整制氢反应分别设置在两个腔体内，导致传热效果较差、热能利用效率较低且反应器设计复杂，加工和制造成本高的问题。
为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，它包括反应器壳体、催化燃烧催化剂和甲醇重整催化剂，所述反应器壳体为空腔结构，所述反应器壳体的空腔前半段为催化燃烧段，后半段为甲醇重整段，所述催化燃烧段内设置有催化燃烧催化剂，所述甲醇重整段内设置有甲醇重整催化剂，所述反应器壳体前端设置有反应物入口，反应物从反应物入口进入，所述反应器壳体后端设置有产物出口。
更进一步的，所述反应物为甲醇、水和空气组成的混合物。
更进一步的，所述反应器壳体的空腔内设置有催化剂阻隔结构，通过催化剂阻隔结构将空腔分成催化燃烧段和甲醇重整段。
更进一步的，所述催化剂阻隔结构为网状。
更进一步的，所述催化剂阻隔结构的网孔直径小于催化燃烧催化剂和甲醇重整催化剂的粒径。
更进一步的，所述反应器壳体外侧包裹保温材料。
更进一步的，所述催化燃烧催化剂为Pt或Al2O3。
更进一步的，所述甲醇重整催化剂为CuO、ZnO或Al2O3。
更进一步的，所述催化燃烧催化剂和甲醇重整催化剂均采用壁面涂覆式或填充式设置在反应器壳体的空腔内。
更进一步的，所述反应器壳体为圆柱形空腔结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型解决了甲醇自热重整器结构复杂、热能利用率低、加工成本高、传热传质效率低的问题。
本实用新型将甲醇催化燃烧和甲醇重整制氢设计在同一个腔体内直接耦合，传热传质效果更好，热能利用效率更高，反应器设计更加简单，加工成本更低，是一种结构紧凑、产氢率高的甲醇自热重整制氢反应器。
本实用新型利用网状的催化剂阻隔结构将反应器腔体分成前后两个部分，即催化燃烧段和甲醇重整段，实现了将甲醇催化燃烧和甲醇重整制氢设计在同一个腔体内直接耦合，提高传热传质效率。
本实用新型在反应器壳体外包裹一层保温材料，能够减少热量的散失，充分利用催化燃烧段中甲醇催化燃烧反应的反应热，进而保证甲醇重整段中甲醇水蒸汽重整制氢反应的热量供应，提高热能利用效率。
本实用新型整个反应器结构简单、加工成本较低，反应物从反应物入口进入反应腔体后，在催化燃烧段发生催化燃烧反应释放出大量热量，释放的热量一部分用来使甲醇和水进一步汽化，另一部分用来供给甲醇水蒸气重整制氢反应，无需外部热源，减少能耗，提高能源利用效率。
本实用新型整个反应器无需辅助启动设备，无需外部热源，反应物进入反应器后立即开始工作，反应启动快，结构简单，加工成本低。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，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。在附图中：
图1为本实用新型所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置结构示意图；
图2为本实用新型所述的催化剂阻隔结构结构示意图。
1-反应器壳体，2-保温材料，3-催化剂阻隔结构，4-催化燃烧催化剂，5-甲醇重整催化剂，6-反应物入口，7-产物出口。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
参见图1-2说明本实施方式，一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，它包括反应器壳体1、催化燃烧催化剂4和甲醇重整催化剂5，所述反应器壳体1为圆柱形空腔结构，所述反应器壳体1的空腔前半段为催化燃烧段，后半段为甲醇重整段，所述催化燃烧段内设置有催化燃烧催化剂4，所述甲醇重整段内设置有甲醇重整催化剂5，所述反应器壳体1前端设置有反应物入口6，反应物从反应物入口6进入，所述反应器壳体1后端设置有产物出口7。
所述反应器壳体1在反应物流入的一侧设置有前端流动通道，所述反应物为甲醇、水和空气组成的混合物，所述反应器壳体1在反应产物流出的一侧设置有后端流动通道，能够保证反应物在反应器腔体内的流动，提高传质效率。
所述反应器壳体1的空腔内中间位置设置有催化剂阻隔结构3，所述催化剂阻隔结构3为网状，所述催化剂阻隔结构3的网孔直径小于催化燃烧催化剂4和甲醇重整催化剂5的粒径。通过催化剂阻隔结构3将空腔分成催化燃烧段和甲醇重整段，所述催化燃烧段内设置有催化燃烧催化剂4，所述甲醇重整段内设置有甲醇重整催化剂5。所述催化燃烧催化剂4为Pt或Al2O3，所述甲醇重整催化剂5为CuO、ZnO或Al2O3。所述催化燃烧催化剂4和甲醇重整催化剂5均采用壁面涂覆式或填充式设置在反应器壳体1的空腔内。本实施例图1以填充式催化剂为例。
催化剂阻隔结构3设计成网状结构，既可以将催化燃烧催化剂4和甲醇重整催化剂5分隔开，又可以确保甲醇和水混合蒸汽通过网状催化剂阻隔结构3进入甲醇重整段，从而保证甲醇重整段的甲醇水蒸汽重整制氢反应的进行，具有较高的传热传质效率。
由甲醇、水和空气组成的混合物作为反应物从反应器壳体1前端的反应物入口6进入，首先进入催化燃烧段，甲醇和空气与催化燃烧催化剂4接触后，在常温下即发生催化燃烧反应，催化燃烧反应释放的热量一部分用于甲醇和水的进一步汽化，另一部分用于供给甲醇水蒸汽重整制氢反应。由于甲醇、空气与催化燃烧催化剂4接触后在常温下即可发生反应，因此本实用新型提出的反应器无需辅助启动设备，反应物进入反应器后立即开始工作。
在反应器壳体1外包裹一层保温材料2，可以有效减少热量的散失，能够充分利用甲醇催化燃烧反应释放的反应热，提高热能利用效率，减少能耗。
使用时，反应物从反应器壳体1前端的反应物入口6进入反应器腔体内，反应物为由甲醇、水和空气组成的混合物，反应物首先进入反应器腔体的前半部分，即催化燃烧段，与催化燃烧段填充的颗粒状催化燃烧催化剂4固体接触后，在常温下即发生甲醇的催化燃烧反应，甲醇和空气发生催化燃烧反应释放的热量一部分用来使甲醇和水进一步汽化，另一部分用来供给反应器腔体后半部分甲醇重整段中甲醇水蒸汽重整制氢反应，由甲醇蒸气和水蒸气组成的混合气体通过网状催化剂阻隔结构3后进入甲醇重整段，甲醇和水混合蒸气与甲醇重整催化剂5接触后，吸收甲醇催化燃烧反应释放的反应热，发生甲醇重整制氢反应，产生氢气，反应器壳体1外包裹有一层保温材料，能够减少热量的散失，充分利用甲醇催化燃烧反应释放的反应热，提高热能的利用效率，减少制氢能耗。最终制得的氢气从产物出口7流出。
本实施例提出的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置将甲醇催化重整和甲醇催化燃烧设计在同一个腔体内直接耦合，传热传质效果更好，热能利用效率更高，反应器设计更加简单，加工成本更低，是一种结构紧凑、产氢率高的甲醇自热重整制氢反应器。
以上公开的本实用新型实施例只是用于帮助阐述本实用新型。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。
Claims (10)
1.一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：它包括反应器壳体(1)、催化燃烧催化剂(4)和甲醇重整催化剂(5)，所述反应器壳体(1)为空腔结构，所述反应器壳体(1)的空腔前半段为催化燃烧段，后半段为甲醇重整段，所述催化燃烧段内设置有催化燃烧催化剂(4)，所述甲醇重整段内设置有甲醇重整催化剂(5)，所述反应器壳体(1)前端设置有反应物入口(6)，反应物从反应物入口(6)进入，所述反应器壳体(1)后端设置有产物出口(7)。
2.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述反应物为甲醇、水和空气组成的混合物。
3.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述反应器壳体(1)的空腔内设置有催化剂阻隔结构(3)，通过催化剂阻隔结构(3)将空腔分成催化燃烧段和甲醇重整段。
4.根据权利要求3所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述催化剂阻隔结构(3)为网状。
5.根据权利要求4所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述催化剂阻隔结构(3)的网孔直径小于催化燃烧催化剂(4)和甲醇重整催化剂(5)的粒径。
6.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述反应器壳体(1)外侧包裹保温材料(2)。
7.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述催化燃烧催化剂(4)为Pt或Al2O3。
8.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述甲醇重整催化剂(5)为CuO、ZnO或Al2O3。
9.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述催化燃烧催化剂(4)和甲醇重整催化剂(5)均采用壁面涂覆式或填充式设置在反应器壳体(1)的空腔内。
10.根据权利要求1所述的一种甲醇催化燃烧与蒸汽重整原位耦合集成的制氢装置，其特征在于：所述反应器壳体(1)为圆柱形空腔结构。
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