專利名稱：一種天然氣自熱重整制氫的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及一種常壓的天然氣自熱重整制氫裝置，用于為千瓦級(jí)質(zhì)子交換膜燃料 電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供富氫合成氣。
背景技術(shù)：
氫能是一種新型的高效清潔能源，被視為解決溫室效應(yīng)問題，提高能量利用率的 有效替代能源。但氫氣不是自然界中大量存在的一次資源，并且其密度低，易燃易爆，儲(chǔ)存 和運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用高，危險(xiǎn)性大，如何便捷地獲取氫氣是氫能得以廣泛利用的瓶頸之一。天然氣 水蒸氣重整技術(shù)是目前工業(yè)上最普遍采用的生產(chǎn)氫氣及合成氣的技術(shù)方法，典型的反應(yīng)溫 度為800-900°C，壓力為2. 5-3. 5MPa。隨著天然氣的大量開發(fā)，尤其是管道天然氣在城鎮(zhèn)中 普及，為分布式氫氣生產(chǎn)提供了充足的、廉價(jià)的天然氣原料。雖然天然氣重整制氫技術(shù)在工業(yè)上已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，但是該技術(shù)在小型化分布 式制氫中還有很多問題需要解決。該反應(yīng)是強(qiáng)吸熱反應(yīng)，能量供應(yīng)和傳熱是該反應(yīng)的一個(gè) 瓶頸問題，工業(yè)上常用的反應(yīng)器體積龐大，不適合用于家庭及小型商業(yè)用戶的千瓦級(jí)燃料 電池系統(tǒng)中分布式氫氣生產(chǎn)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的技術(shù)缺點(diǎn)，為千瓦級(jí)小型燃料電池?zé)犭娐?lián)產(chǎn)系統(tǒng)提 供一種快速，安全，高效的制氫裝置，該裝置采用城市管道天然氣為原料來源，結(jié)構(gòu)緊湊，方 便操作，體積小，易于安裝。本發(fā)明的目的通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)一種天然氣自熱重整制氫的裝置，包括自熱重整反應(yīng)器、燃燒室外壁、燃燒器、內(nèi) 換熱盤管、外換熱盤管、燃燒尾氣出口、法蘭和混合閥；燃燒室外壁為空心圓管，空心圓管內(nèi) 設(shè)有自熱重整反應(yīng)器；外換熱盤管包括天然氣換熱管及水換熱管，都分別呈螺旋狀從下到 上纏繞在燃燒室外壁外部，預(yù)熱天然氣及水；在燃燒室外壁上端設(shè)有混合閥，混合閥的入口 端分別連接天然氣換熱管及水換熱管，出口端與內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管連接，內(nèi)換熱盤管進(jìn)料 管與內(nèi)換熱盤管連接；自熱重整反應(yīng)器和燃燒室外壁通過法蘭與石墨墊片密封，石墨墊片 設(shè)置在法蘭與燃燒室外壁之間以及法蘭與自熱重整反應(yīng)器之間；自熱重整反應(yīng)器為固定床 催化反應(yīng)器，包括反應(yīng)器管、空氣分布管、多點(diǎn)熱電偶、原料進(jìn)氣管、催化劑和反應(yīng)合成氣出 氣管；催化劑裝填于反應(yīng)器管中；反應(yīng)器管頂部的法蘭上設(shè)有重整合成氣出口、空氣分布 管插口和多點(diǎn)熱電偶接口 ；空氣分布管從空氣分布管插口插入反應(yīng)器管中，空氣分布管為 圓形空心長(zhǎng)管，在圓形空心長(zhǎng)管上設(shè)有多個(gè)小孔；多點(diǎn)熱電偶從反應(yīng)器頂部多點(diǎn)熱電偶接 口插入反應(yīng)器中；內(nèi)換熱盤管從上到下呈螺旋狀纏繞在反應(yīng)器管上，原料進(jìn)氣管位于反應(yīng) 器管側(cè)面底部，一端接入反應(yīng)器管，另一端與內(nèi)換熱盤管通過耐高溫接頭連接；反應(yīng)器管與 燃燒室外壁形成空腔為燃燒室；燃燒室的頂部的法蘭上有燃燒煙氣出口及內(nèi)換熱盤管進(jìn)料 管；燃燒器置于燃燒室外壁的下方。
為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的，所述空氣分布管的小孔在圓形空心長(zhǎng)管上呈螺旋狀分 布，小孔直徑選為2-3mm，相鄰兩小孔的中心距為20_30mm。所述空氣分布管采用無縫不銹鋼管制作。所述燃燒室外壁被保溫材料包裹，該保溫材料為陶瓷纖維，保溫材料的厚度大于 10厘米。所述燃燒室外壁下端設(shè)有支架，支撐保溫材料。所述催化劑為鎳基催化劑，以α -Al2O3為載體、金屬鎳為活性組分，呈蜂窩煤狀。所述燃燒室外壁比反應(yīng)器管長(zhǎng)25%。所述燃燒室外壁采用耐高溫不銹鋼制作。所述的外換熱盤管纏繞圈數(shù)為8-15圈；內(nèi)換熱盤管纏繞圈數(shù)優(yōu)選為6-10圈。所述的內(nèi)換熱盤管、天然氣換熱管及水換熱管的材質(zhì)為銅材料。本發(fā)明的工作原理為天然氣與水蒸汽及空氣中的氧氣發(fā)生自熱重整反應(yīng)，其中主 要的反應(yīng)過程包括CH4+H20 = C0+3H2 ΔΗ= 206. 2kJ/mol (蒸汽重整)CH4+2H20 = C02+4H2 ΔΗ= 164. 9kJ/mol (蒸汽重整)CH4+0. 502 = C0+2H2 ΔΗ = -35. 7kJ/mol (部分氧化)CH4+202 = C02+2H20 ΔΗ = -802. 7kJ/mol (完全氧化)系統(tǒng)工作時(shí)先啟動(dòng)燃燒器，給整個(gè)裝置預(yù)熱。當(dāng)重整反應(yīng)器內(nèi)溫度達(dá)到120°C左 右時(shí)，通入工藝天然氣(流量為5. 2L/min)和工藝水(流量為10. 4mL/min)，兩路原料分別 經(jīng)過外換熱盤管預(yù)熱，混合(水碳比約為2. 5)，及內(nèi)換熱盤管預(yù)熱，從重整反應(yīng)器底部進(jìn)入 重整反應(yīng)器，此時(shí)燃燒器繼續(xù)加熱，進(jìn)一步提高重整反應(yīng)器溫度到500 600°C，此時(shí)天然 氣與水蒸汽在催化劑的作用下發(fā)生重整反應(yīng)。此時(shí)通入工藝空氣(流量為12.4L/min，氧 碳比約為0. 5)，空氣經(jīng)過分布管中的分布孔滲出，與天然氣發(fā)生氧化反應(yīng)，為重整反應(yīng)提供 熱量，發(fā)生自熱重整，產(chǎn)生富氫合成氣(流量為30L/min，其中氫氣干基含量為45%左右)。 通入空氣后，適當(dāng)調(diào)小燃燒器負(fù)荷，使工藝水經(jīng)過外換熱盤管后溫度穩(wěn)定在100°C左右。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)1)重整反應(yīng)器置于燃燒爐中，反應(yīng)裝置結(jié)構(gòu)緊湊，加熱、保溫及換熱效果好，確保 了反應(yīng)所需的溫度條件，并通過保溫層減少熱能損失；2)采用自熱重整制氫，啟動(dòng)速度快，無需更多額外的能量來保證反應(yīng)的進(jìn)行，系統(tǒng) 能量消耗小，并且對(duì)運(yùn)行過程中供熱與供電負(fù)荷變化的適應(yīng)能力強(qiáng)；3)反應(yīng)過程采用分布式供氧方式，避免局部溫度過高而形成熱點(diǎn)，降低對(duì)催化劑 的損壞；4)反應(yīng)在常壓下操作，運(yùn)行安全可靠；5)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝和拆卸方便易行，裝置體積小，占地面積少，可置于陽 臺(tái)，屋檐下等閑置的空間。


圖1為一種天然氣自熱重整制氫的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為圖1的重整反應(yīng)器及內(nèi)換熱盤管的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖1頂部密封法蘭的俯視圖。圖4-1為圖3的A-A向剖視圖。圖4-2為圖3的B-B向剖視圖。圖5為圖1的燃燒室外壁及外換熱盤管的結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為圖1的空氣分布管結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限 于此。如圖1、2、3、5所示，一種天然氣自熱重整制氫的裝置，包括自熱重整反應(yīng)器、燃燒 室外壁2、燃燒器3、內(nèi)換熱盤管4、外換熱盤管、燃燒尾氣出口 14、法蘭8和混合閥16 ；燃燒 室外壁2為空心圓管，空心圓管內(nèi)設(shè)有自熱重整反應(yīng)器；外換熱盤管包括天然氣換熱管5-1 及水換熱管5-2，都分別從下到上呈螺旋狀纏繞在燃燒室外壁2外部，用于預(yù)熱天然氣及 水；所述的外換熱盤管纏繞圈數(shù)優(yōu)選為8-15圈；在燃燒室外壁2上端設(shè)有混合閥16，混合 閥16的入口端分別連接天然氣換熱管5-1及水換熱管5-2，出口端與內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管15 連接，將預(yù)熱后的天然氣及水混合成一路，并與內(nèi)換熱盤管連接；天然氣和水在燃燒室外壁 底部流進(jìn)，盤繞若干圈到頂部流出，通過天然氣換熱管5-1及水換熱管5-2的管道出口的混 合閥16將水蒸汽和天然氣混合，進(jìn)入內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管15。自熱重整反應(yīng)器和燃燒室外壁 2通過法蘭8與石墨墊片19密封，石墨墊片19設(shè)置在法蘭8與燃燒室外壁2之間以及法 蘭8與自熱重整反應(yīng)器之間，起到密封作用。自熱重整反應(yīng)器為固定床催化反應(yīng)器，包括反 應(yīng)器管1、空氣分布管6、多點(diǎn)熱電偶13、原料進(jìn)氣管9、催化劑17和反應(yīng)合成氣出氣管10。 催化劑17裝填于反應(yīng)器管1中；如圖3、4-1、4-2所示，反應(yīng)器管1頂部的法蘭8上設(shè)有重 整合成氣出口 10、空氣分布管插口 11、多點(diǎn)熱電偶接口 12;空氣分布管6從空氣分布管插 口 11插入反應(yīng)器管1中心軸上，使空氣均勻分布于反應(yīng)器管1的整個(gè)空間；多點(diǎn)熱電偶13 從反應(yīng)器1頂部多點(diǎn)熱電偶接口 12插入反應(yīng)器1中，用于監(jiān)測(cè)反應(yīng)器內(nèi)的溫度；反應(yīng)合成 氣出氣管10將反應(yīng)生成的含氫合成氣引出反應(yīng)器1，并輸送到下游；內(nèi)換熱盤管4從上到 下呈螺旋狀纏繞在反應(yīng)器管1上，原料進(jìn)氣管9位于反應(yīng)器管側(cè)面底部，一端接入反應(yīng)器管 1，另一端與內(nèi)換熱盤管4通過耐高溫接頭連接；內(nèi)換熱盤管4纏繞在反應(yīng)器管1外部將混 合后的天然氣與水進(jìn)一步加熱，將其中的水加熱為水蒸汽并繼續(xù)升溫，高溫水蒸氣接入到 重整反應(yīng)器1內(nèi)。內(nèi)換熱盤管4纏繞圈數(shù)優(yōu)選為6-10圈。反應(yīng)器管1與燃燒室外壁2形 成空腔為燃燒室7 ；如圖3、4-1、4-2所示，燃燒室7的頂部的法蘭8上有燃燒煙氣出口 14及 內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管15 ；內(nèi)換熱盤管4、天然氣換熱管5-1及水換熱管5-2的材質(zhì)均優(yōu)選為銅 材料，以起到良好的換熱作用。燃燒器3置于反應(yīng)器管1的下方。天然氣換熱管5-1及水 換熱管5-2上設(shè)有閥門。催化劑17為鎳基催化劑，優(yōu)選由山東齊魯石化科力化工研究所生產(chǎn)的重整制氫 催化劑，該催化劑以α -Al2O3為載體、金屬鎳為活性組分，呈蜂窩煤狀。如圖6所示，空氣分布管6為圓形空心長(zhǎng)管，在圓形空心長(zhǎng)管上均勻開有螺旋狀、 呈S形分布多個(gè)的小孔(小孔在圓形空心長(zhǎng)管上螺旋狀分布)，小孔直徑優(yōu)選為2-3mm，相 鄰兩小孔的中心距為20-30mm，使空氣均勻分布于反應(yīng)器管1的整個(gè)空間，參與自熱重整反
5應(yīng)?？諝夥植脊?優(yōu)選采用無縫不銹鋼管制作。燃燒室外壁2比反應(yīng)器管1長(zhǎng)25%。燃燒室外壁2優(yōu)選采用耐高溫不銹鋼制作。 燃燒室外壁2被保溫材料包裹，該保溫材料優(yōu)選陶瓷纖維，保溫材料的厚度大于10厘米，使 燃燒室外壁2溫度低于50°C。由于保溫材料有一定重量且不易固定，所以在燃燒室外壁2 上設(shè)支架18，支撐保溫材料。燃燒器3為大氣式燃燒器，位于燃燒室外壁2下方，在大氣式燃燒器中心還安裝自 動(dòng)點(diǎn)火及熄火保護(hù)裝置。燃燒器3使用天然氣作為燃料，通過燃燒器的進(jìn)料閥門調(diào)節(jié)進(jìn)氣 量和火力大小。在反應(yīng)器管1啟動(dòng)時(shí)，燃燒器3熱負(fù)荷約為3千瓦，通過溫度測(cè)量和調(diào)節(jié)， 使反應(yīng)器管1能在10分鐘內(nèi)發(fā)生重整反應(yīng)。燃燒的高溫?zé)煔馔ㄟ^燃燒室7給反應(yīng)器加熱， 換熱后的煙氣經(jīng)過排煙口 14排放，排煙溫度維持在50(TC左右。反應(yīng)器管1穩(wěn)定工作后，通 入空氣，使其發(fā)生自熱重整反應(yīng)，此時(shí)降低燃燒器3的功率，約維持在0. 8千瓦，保證工藝水 的加熱溫度穩(wěn)定在100°C左右及原料進(jìn)料溫度的穩(wěn)定(500°C左右)，使反應(yīng)達(dá)到處于穩(wěn)態(tài)。使用時(shí)，先啟動(dòng)燃燒器3，空燒重整反應(yīng)裝置。當(dāng)反應(yīng)器管1內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)最低溫度 不低于120°C時(shí)，打開水換熱管5-2上設(shè)置的閥門，向外換熱銅管4中加水。水流先后經(jīng)水 換熱管5-2、混合閥16、內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管15和內(nèi)換熱盤管4加熱后變成過熱水蒸汽，通過 原料進(jìn)氣管9進(jìn)入反應(yīng)器管1，用于吹掃反應(yīng)器管1，包括各個(gè)進(jìn)料管道。當(dāng)反應(yīng)器管1的 測(cè)溫點(diǎn)最高溫度達(dá)到500°C時(shí)，打開天然氣換熱管5-1上設(shè)置的閥門，向天然氣換熱管5-1 中通入天然氣，經(jīng)混合閥16將天然氣和水混合，天然氣和水的混合物中水與碳的摩爾比為 2-3 1 ；天然氣和水經(jīng)內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管15進(jìn)入內(nèi)換熱盤管4，加熱后變成過熱水蒸氣與 天然氣混合物進(jìn)入反應(yīng)器管1 ；當(dāng)反應(yīng)器管1內(nèi)溫度在500 600°C，水與天然氣在催化劑 17的作用發(fā)生蒸汽重整制氫反應(yīng)(CH4+H20 = C0+3H2)，產(chǎn)生的氫氣可不斷還原激活催化劑 17。反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，向空氣分布管6中按照逐漸通入空氣，保持反應(yīng)器管1內(nèi)氧碳摩爾比 約為0.4-0.6 1，進(jìn)行自熱重整制氫反應(yīng)。調(diào)整燃燒器3的燃?xì)膺M(jìn)氣量，降低其功率約在 0. 8千瓦，保證原料進(jìn)料溫度維持在500°C左右。反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)是指天然氣的流量為330L/ H，水碳比為2. 5左右，氧碳比為0. 5左右，反應(yīng)溫度約為700°C。在此條件下氫氣產(chǎn)量約為 800L/H。
權(quán)利要求
一種天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，包括自熱重整反應(yīng)器、燃燒室外壁、燃燒器、內(nèi)換熱盤管、外換熱盤管、燃燒尾氣出口、法蘭和混合閥；燃燒室外壁為空心圓管，空心圓管內(nèi)設(shè)有自熱重整反應(yīng)器；外換熱盤管包括天然氣換熱管及水換熱管，都分別呈螺旋狀從下到上纏繞在燃燒室外壁外部，預(yù)熱天然氣及水；在燃燒室外壁上端設(shè)有混合閥，混合閥的入口端分別連接天然氣換熱管及水換熱管，出口端與內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管連接，內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管與內(nèi)換熱盤管連接；自熱重整反應(yīng)器和燃燒室外壁通過法蘭與石墨墊片密封，石墨墊片設(shè)置在法蘭與燃燒室外壁之間以及法蘭與自熱重整反應(yīng)器之間；自熱重整反應(yīng)器為固定床催化反應(yīng)器，包括反應(yīng)器管、空氣分布管、多點(diǎn)熱電偶、原料進(jìn)氣管、催化劑和反應(yīng)合成氣出氣管；催化劑裝填于反應(yīng)器管中；反應(yīng)器管頂部的法蘭上設(shè)有重整合成氣出口、空氣分布管插口和多點(diǎn)熱電偶接口；空氣分布管從空氣分布管插口插入反應(yīng)器管中，空氣分布管為圓形空心長(zhǎng)管，在圓形空心長(zhǎng)管上設(shè)有多個(gè)小孔；多點(diǎn)熱電偶從反應(yīng)器頂部多點(diǎn)熱電偶接口插入反應(yīng)器中；內(nèi)換熱盤管從上到下呈螺旋狀纏繞在反應(yīng)器管上，原料進(jìn)氣管位于反應(yīng)器管側(cè)面底部，一端接入反應(yīng)器管，另一端與內(nèi)換熱盤管通過耐高溫接頭連接；反應(yīng)器管與燃燒室外壁形成空腔為燃燒室；燃燒室的頂部的法蘭上有燃燒煙氣出口及內(nèi)換熱盤管進(jìn)料管；燃燒器置于燃燒室外壁的下方。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述空氣分布 管的小孔在圓形空心長(zhǎng)管上呈螺旋狀分布，小孔直徑選為2-3mm，相鄰兩小孔的中心距為 20-30mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述空氣分布管 采用無縫不銹鋼管制作。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述燃燒室外壁 被保溫材料包裹，該保溫材料為陶瓷纖維，保溫材料的厚度大于10厘米。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述燃燒室外壁 下端設(shè)有支架，支撐保溫材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述催化劑為鎳 基催化劑，以α -Al2O3為載體、金屬鎳為活性組分，呈蜂窩煤狀。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述燃燒室外壁 比反應(yīng)器管長(zhǎng)25%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或7所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述燃燒室外 壁采用耐高溫不銹鋼制作。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述的外換熱盤 管纏繞圈數(shù)為8-15圈；內(nèi)換熱盤管纏繞圈數(shù)優(yōu)選為6-10圈。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天然氣自熱重整制氫的裝置，其特征在于，所述的內(nèi)換熱盤 管、天然氣換熱管及水換熱管的材質(zhì)為銅材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種天然氣自熱重整制氫的裝置，包括自熱重整反應(yīng)器、燃燒室外壁、燃燒器、內(nèi)換熱盤管、外換熱盤管、燃燒尾氣出口、法蘭和混合閥；燃燒室外壁為空心圓管，空心圓管內(nèi)設(shè)有自熱重整反應(yīng)器；外換熱盤管包括天然氣換熱管及水換熱管，都分別呈螺旋狀從下到上纏繞在燃燒室外壁外部；內(nèi)換熱盤管從上到下呈螺旋狀纏繞在反應(yīng)器管上，原料進(jìn)氣管位于反應(yīng)器管側(cè)面底部，一端接入反應(yīng)器管，另一端與內(nèi)換熱盤管通過耐高溫接頭連接。本發(fā)明自熱重整制氫，啟動(dòng)速度快，無需更多額外的能量來保證反應(yīng)的進(jìn)行，系統(tǒng)能量消耗小，安裝和拆卸方便易行，裝置體積小，占地面積少，可置于陽臺(tái)，屋檐下等閑置的空間。
文檔編號(hào)C01B3/38GK101973522SQ20101029894
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者彭昂, 解東來 申請(qǐng)人:華南理工大學(xué)