一種中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及天然氣水蒸汽重整制氫領域，特別涉及了一種中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)及方法。
【背景技術】
[0002]氫作為一種潔凈的載能體，由于具有能與現在所有的能源系統(tǒng)匹配和兼容，能方便地轉換成電和熱，有較高的能源轉化效率和能實現CO2的集中處理等特點，而有可能實現不依賴化石能源的可持續(xù)循環(huán)與供給。氫能發(fā)展的熱潮，起始于上世紀末燃料電池的加速發(fā)展。燃料電池的啟動速度較快，功率密度較高，環(huán)境友好，很適于用作便攜電源、小型移動電源、車載電源、備用電源、不間斷電源等，可被廣泛應用于軍事、通訊、計算機、地質、微波站、氣象觀測站、金融市場、醫(yī)院及娛樂場所等領域，以滿足野外供電、應急供電以及高可靠性、高穩(wěn)定性供電的需要。作為質子交換膜燃料電池(PEMFC)和固體氧化物燃料電池(SOFC)等的燃料，氫的制備及可持續(xù)供給也成為同燃料電池本體技術一樣的關注和研究熱點。
[0003]從氫的來源角度看，近期和中期，氫將主要來自于化石資源，即來自于煤、石油與天然氣。目前可以利用的制氫裝置大多為工業(yè)規(guī)模，基于“規(guī)模效益”的考慮，制氫裝置一般都比較龐大。以天然氣水蒸汽重整制氫為例，一般工業(yè)上單系列的規(guī)模為100000Nm3H2/h以上。然而，規(guī)?；苽涞臍錃庥捎谀壳叭狈Ρ匾倪\輸、儲存和加注技術和基礎設施，因此目前尚無法滿足各種規(guī)模的燃料電池對分散氫源的需求，例如燃料電池分散型電站尤其是進入家庭使用的要求。因此通過現有的化石燃料儲運加注設施，利用化石燃料分布式現場重整制氫的方式與燃料電池聯合使用成為國際的通用方法。天然氣作為一種優(yōu)質、潔凈的工業(yè)能源，由于其儲運加注設施完備，在化石燃料制氫中受到了廣泛重視，其小型分布式現場重整制氫系統(tǒng)成為重要的研發(fā)方向。
[0004]然而，并不能通過簡單縮小傳統(tǒng)天然氣制氫工藝的規(guī)模來實現其小型化的目的。除制氫成本無法滿足要求外，天然氣制氫系統(tǒng)的主體一水蒸汽重整反應轉化爐也無法通過簡單縮小規(guī)模的方式來進行設計。由于天然氣水蒸汽重整制氫:CH4+H20 —C0+3H2，AH298 =206.9kJ/mol ?’為700-900°C高溫下進行的強吸熱反應，反應所需熱量需要由轉化爐反應列管外的高溫燃料煙氣提供，因此為達到反應所需溫度并保持催化劑床層有一定的恒溫段，反應列管的長度通常在12-13m左右。這對于中小型的天然氣制氫反應器來說顯得過于龐大，因此必須通過創(chuàng)新的反應器設計理念來實現制氫反應器小型化的目的。此外，與燃料電池相集成的化石燃料現場制氫氫源系統(tǒng)將完全有別于規(guī)模制氫的工廠式生產，它不僅要求體積小、重量輕、啟動迅速以及能夠耐受頻繁的開停工沖擊，同時更強調了與燃料電池的能流、物流集成與通訊控制集成，從而使得整個電源系統(tǒng)具有一體化的控制策略和更高的能量效率。顯然，簡單縮小傳統(tǒng)制氫工藝的規(guī)模將無法滿足這種與燃料電池相集成的氫源系統(tǒng)的非穩(wěn)態(tài)操作和集成控制要求。
[0005]目前，對利用天然氣水蒸汽重整制備氫氣的分布式裝置和系統(tǒng)已經進行了較多的研究。這方面走在前列的是日本，東京燃氣、大阪燃氣、東邦燃氣、西部燃氣、新日本石油等能源公司均已經推出了各自的基于天然氣重整制氫與PEMFC或SOFC聯用的微型燃料電池熱電聯供系統(tǒng)(Micro-CHP)。這方面的專利如 US 2013/0065144A1、US 2013/0065145A1、US 6481207B2、US 2011/0318660A1、US2011/0117461A1 等等。但是上述專利中涉及的Micro-CHP的功率只有700-750W左右，屬于微型燃料電池熱電聯供系統(tǒng)，所需的氫氣燃料量較小(小于INm3H2A規(guī)模)，因此反應器規(guī)模較小，在這種規(guī)模下采用上述專利中的單層、多層套筒式或平板式結構設計在集成度、傳熱效率、加工裝配難度等方面是合理的。而對于中小規(guī)模(10-1000Nm3H2/h規(guī)模)的旨在為PEMFC、SOFC提供氫源以及加氫站使用的天然氣重整制氫系統(tǒng)來說，繼續(xù)采用上述單層、多層套筒式或平板式結構設計在傳熱效率、反應床層溫度分布、反應器局部熱點控制、放大加工難度、安全性等方面則存在諸多局限性。四川亞聯高科技股份有限公司和清華大學合作，開發(fā)了一種小型天然氣水蒸汽轉化裝置，通過將長的轉化爐管分段設計為進氣段、中間段和出氣段，有效降低了轉化爐管的長度，但整個裝置仍有3-4m高度，對于一個50Nm3H2/h規(guī)模的制氫系統(tǒng)來說仍略顯龐大。
[0006]本專利針對中小規(guī)模的天然氣水蒸汽重整制氫，提出了一種刺刀管式(Bayonettube)的集成式天然氣水蒸汽重整反應器設計，在此基礎上，根據不同的應用場合和使用目的，將該集成反應器與換熱系統(tǒng)和CO凈化純化系統(tǒng)相連接，可以為分散發(fā)電的PEMFC、S0FC提供氫源或在中小型加氫站使用。

【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供了一種中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)及方法。本專利申請吸收了工業(yè)規(guī)模天然氣水蒸汽重整制氫列管式反應爐管設計和Micro-CHP系統(tǒng)多層套筒式結構設計的優(yōu)點，針對中小規(guī)模的天然氣水蒸汽重整制氫，提出了一種刺刀管式的集成式天然氣水蒸汽重整反應器設計，反應器集原料蒸發(fā)器、天然氣預熱器、燃燒腔、重整腔、重整氣冷卻器、燃燒煙氣余熱冷卻器、重整氣余熱冷卻器于一體，結構緊湊，集成度高；同時克服燃燒氣以及重整氣的高溫產生的熱應力，提高了操作安全性和可靠性。在此基礎上，根據不同的應用場合和使用目的，將該集成反應器與換熱系統(tǒng)和CO凈化純化系統(tǒng)相連接，構建中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)，為分散發(fā)電的PEMFC、SOFC提供氫源或在中小型加氫站使用。
[0008]本發(fā)明提供了一種中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)，其特征在于:所述的中小規(guī)模分布式天然氣水蒸汽重整制氫系統(tǒng)，包括集成式天然氣水蒸汽重整制氫反應器主體和外圍輔助系統(tǒng)；
[0009]所述的集成式天然氣水蒸汽重整制氫反應器主體由原料水蒸發(fā)器、天然氣預熱器、燃燒腔、重整腔、重整氣冷卻器、燃燒煙氣余熱冷卻器、重整氣余熱冷卻器、燃料燃燒器八個主要部件構成；其主體為兩段式的三層套筒結構，兩段之間由橫向的中間篩板隔開；
[0010]在兩段式集成反應器的下半段，最內層中心腔體的內部裝有頂端固定在中間篩板上的刺刀式反應列管，即重整腔；刺刀式反應列管內部中心位置裝有重整產品氣收集管；在刺刀式反應列管與中心收集管之間的環(huán)隙裝有顆粒狀的甲烷水蒸汽重整制氫催化劑，在收集管內部裝有甲烷水蒸汽重整催化劑。
[0011]兩段式集成反應器的上半段最內層中心腔體為管殼式的重整氣冷卻器；
[0012]在集成式重整反應器的上、下兩段中心腔體內部殼程均裝有一組或多組折流板；
[0013]集成式重整反應器的上、下兩段中間層，包括燃燒煙氣余熱冷卻器、重整氣余熱冷卻器；最外層，包括原料水蒸發(fā)器、天然氣預熱器；均為耦合性匹配結構，中間由導熱性的隔板隔開，其耦合形式是板翅式結構、套筒翅片式、金屬蜂窩以及列管換熱器式等一種或幾種的組合體；
[0014]其中優(yōu)先采用帶有管翅結構的隔熱板；兩側流體的流動方式為對流、并流或錯流，優(yōu)選對流和錯流方式。
[0015]在集成式重整