利用蒸汽重整反應的氫氣發生器的製作方法

2023-06-21 05:08:01

專利名稱：利用蒸汽重整反應的氫氣發生器的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用蒸汽重整反應的氫氣發生器，更具體地說，涉及通過使用碳氫化 合物作為原料的蒸汽重整反應來產生氫氣的整合有熱交換器的氫氣發生器，其中在燃燒單 元與排出氣體排放管之間設置有用於人工降低排出氣體壓力的洩壓引流結構，從而改進供 應至反應器管道的排出氣體的不均勻傳熱。
背景技術：
通常，燃料電池是一種通過氫氣和氧氣的電氣化學反應將化學能轉換為電能的同 時產生電和熱的發電系統。可以預言，因為燃料電池具有優秀的能效，所以這種燃料電池將會取代內燃機。因 此，在不久的將來，穩定的氫氣供給將成為在使用燃料電池作為未來替換能源時的實質因
ο作為將氫氣供應至燃料電池的方法，可以使用通過電解水來產生氫氣的方法和通 過蒸汽重整含氫原料來產生氫氣的方法。在這種情況下，可以使用所有類型的碳氫化合物，例如天然氣、液化石油氣(LPG)、 石腦油、汽油、煤油等作為蒸汽重整反應的原料。此外，在高溫下並且在存在催化劑的情況 下進行蒸汽重整反應。因此，在進行蒸汽重整反應的位置必須存在催化劑，並且必須向該位置供應蒸汽 重整反應所需的熱。通常，為了供應蒸汽重整反應所需的熱，已經使用了以下方法燃燒燃料以產生 熱，然後將熱傳遞至氫氣發生器。然而，這種方法的問題在於，由於設備尺寸的增加和高溫 排出氣體的傳遞而產生熱損失，所以降低了效率。最近，為了解決上述問題，氫氣發生器的內部被分成兩個區域，一個區域用作蒸汽 重整區域(蒸汽重整單元)，另一個區域用作用於產生蒸汽重整反應所需熱的燃燒區域(燃 燒單元)。在這種情況下，蒸汽重整單元的催化劑幾乎位於具有小直徑的催化反應器管道 中，並且根據氫氣發生器的容量和尺寸，若干催化反應器管道對稱地分布在熱源周圍。此外，燃燒單元所產生的熱通過排出氣體的輻射或對流傳遞至催化反應器管道， 然後用於蒸汽重整反應。然而，在利用排出氣體熱傳遞時，因為排出氣體流動不均勻，所以熱不能均勻傳遞 至催化反應器管道，使得催化反應器管道不能充分供應熱，其結果是不能順利地進行蒸汽 重整反應，因而劣化了反應器的整體性能和效率。這種現象的詳述如下。通常，為了提高熱效率，高溫排出氣體即使從重整器排出，也要使用熱交換器對其 進行幾次排出氣體回收程序。為此，排出氣體聚集在出口，然後傳遞至熱交換器。在這種情 況下，排出氣體沿著燃燒室與出口之間的最短路徑移動。因此，如圖1中的(A)所示，距離 出口較遠的反應器管道不經常與排出氣體接觸，因而減少了從排出氣體傳遞至反應器管道的熱量。為了解決上述問題，在排出氣體出口的前端設置用於在所有方向上引流排出氣體 的洩壓引流結構和排出氣體收集器，並且，如圖1中的(B)所示，需要在所有方向上均勻排 放排出氣體的結構。當熱由於排出氣體的不均勻流動而不均勻供應至反應器管道時，存在下面的問 題。第一，當一些反應器管道的溫度沒有達到目標溫度時，相應反應器管道內的蒸汽重整反 應進行到低於設計值的程度，使得產品中的氫氣產物減少，未反應的甲烷濃度增加，從而直 接降低氫氣發生器的效率，並且增加了必須設置在氫氣發生器後端的獨立氫氣淨化器的成 本。第二，當排出氣體流動不均勻時，一些反應器管道可能被加熱到其設定值之上，並且當 這些反應器管道長時間暴露於高溫時，反應器由於反應器材料的變形或者由於重整氣體引 起的金屬腐蝕而損壞，其結果是降低了氫氣發生器的耐用性。如上文所述，排出氣體的不均 勻分配引起了在低溫下降低氫氣發生器的效率的問題和在高溫下降低其耐用性的問題。必 須解決這些問題以提高氫氣發生器的性能。

發明內容
因此，本發明已經提出解決由於排出氣體的不均勻流動而引起的上述問題，並且 本發明的目的旨在通過向每個反應器管道供應相等的熱量來防止因缺少熱而在反應器內 進行不充分反應。具體地說，本發明旨在提供一種具有洩壓引流結構的氫氣發生器，藉助該洩壓引 流結構，排出氣體在該排出氣體從燃燒室出發然後到達排出氣體排放管之前，通過任意形 成的分隔壁和孔而均勻分配並在所有方向上排放，使得熱以作為設定值的相同量供應至所 有催化劑管道，並且氫氣發生器可以容易地製造和安裝並可以穩定地操作，而不管由於高 溫排出氣體而引起的熱變形。本發明的一個方面提供了 一種通過蒸汽重整碳氫化合物來產生氫氣的圓筒形氫 氣發生器，包括重整單元，其具有多個反應器管道，每個反應器管道都裝載有催化劑；燃 燒單元，其具有產生在反應器管道中的蒸汽重整反應所需熱的熱源；以及分隔壁，其徑向地 設置有孔，通過在燃燒單元與排出氣體排放管之間人工引流燃燒單元產生的排出氣體並且 人工調節排出氣體的壓力，使得排出氣體可以在所有方向上均勻分配。


結合附圖，從下面的詳細描述中將更清楚地理解本發明的上述和其他目的、特徵 和優點，附圖中圖1是示出排出氣體分配的必要性的示意圖；圖2是示出常規氫氣發生器的剖視圖；以及圖3是示出具有根據本發明實施例的洩壓引流結構的氫氣發生器的示意剖視圖； 以及圖4是示出根據本發明另一實施例的洩壓引流結構的剖視圖。
具體實施例方式下面，將參考附圖詳細描述本發明的優選實施例。圖2是示出應用於本發明的常規氫氣發生器的剖視圖。常規氫氣發生器是整合有 熱交換器的氫氣發生器，其包括分別裝有催化劑的反應器管道、燃燒單元等。本發明涉及 一種圓筒形氫氣發生器，該氫氣發生器包括燃燒單元；以及重整單元，其具有兩個或更多 管狀重整器，通過燃燒單元產生的排出氣體來向所述兩個或更多管狀重整器供應蒸汽重整 反應所需的熱。具體地說，本發明提供一種具有洩壓引流結構的圓筒形氫氣發生器，其中通 過沿著圓筒形氫氣發生器內周的分隔壁形成與排出氣體排放管相通的排出氣體收集通道， 並且在分隔壁內以相等間隔徑向形成孔，使得排出氣體均勻傳送到排出氣體收集通道。圖3是示出具有根據本發明實施例的洩壓引流結構的氫氣發生器的示意剖視圖。如圖 3所示，這種氫氣發生器配備有分隔壁和用於壓力調節的孔，使得排出氣體沿著所有方向排放。圖4是示出根據本發明另一實施例的洩壓引流結構的剖視圖。如圖4所示，這種 洩壓引流結構構造成可以通過調節排出氣體通道的長度或者提供孔來控制排出氣體通道 的橫截面面積。具體地說，如圖2所示，作為本發明基礎的氫氣發生器1主要包括配備有熱源10 的燃燒單元2，和利用蒸汽重整碳氫化合物的重整單元3。使用燃燒器作為設置在燃燒單元2中的熱源10，但是本發明不限於此。也就是說， 可以使用用於產生蒸汽重整反應所需熱的所有類型的加熱裝置作為熱源10。因此，氫氣發生器1配備有用於產生蒸汽重整反應所需熱的熱源10，並且在熱源 10周圍布置有耐火材料13，使得高溫火焰不能直接接觸構成氫氣發生器1的金屬材料並且 同時使熱損失減至最小，從而增加了氫氣發生器1的效率。包括有耐火材料13的氫氣發生器1配備有火焰引導器14，火焰引導器14將氫氣 發生器1的內部分隔，以形成用於產生蒸汽重整反應所需熱的燃燒單元2。燃燒單元2產生 的排出氣體流入重整單元3，以將蒸汽重整反應所需熱傳遞至重整單元3。通過使用火焰引導器14分隔氫氣發生器1的內部而形成的重整單元3配備有裝 載催化劑的多個反應器管道20。通過裝載在反應器管道20中的催化劑的作用使碳氫化合 物材料受到蒸汽重整，以形成氫氣。每個反應器管道20都呈圓筒形，並且其內部分成三個部分。附圖示出，每個反應 器管道20使用上連接板21布置在重整單元3內，但是本發明不限於此。此外，反應器管道20以圓柱形狀布置在熱源10周圍，使得在最小的空間內有效利 用熱。氫氣發生器1在整體上由外殼15包圍，以相對於外部環境保護氫氣發生器1。具 體地說，外殼15的內壁設置有隔熱材料16，從而防止熱損失。此外，氫氣發生器1的頂部和底部分別由上蓋17和下蓋17a包圍。在上蓋17下 面設置有用於將原料供應至反應器管道20並且排放通過蒸汽重整反應產生的氫氣的分配 單元。分配單元包括原料分配器18和重整氣體分配器19。每個原料分配器18都具有可以轉移碳氫化合物材料以使碳氫化合物材料供應至 反應器管道20的通道，而每個重整氣體分配器19都具有可以轉移氫氣以使蒸汽重整反應 產生的氫氣可以順利排放到需要氫氣位置的通道。
因此，根據具有上述構造的本發明的氫氣發生器1，碳氫化合物材料通過原料分配 器18供應至每個反應器管道20，而設置在燃燒單元2內的熱源10產生的熱供應至重整單 元3，因此引起相互的熱交換。在該過程中，利用蒸汽與催化劑的作用引起蒸汽重整反應，並且通過該蒸汽重整 反應在反應器管道中產生氫氣。產生的氫氣最後通過重整氣體分配器19排放到外部，從而 用於燃料電池等。同時，為了允許排出氣體將熱均勻傳遞至每個反應器管道20並且為了將排出氣 體均勻排放到外部，設置洩壓引流單元32和33。燃燒單元2產生的排出氣體通過排出氣體 排放管31排放到外部。在本發明中，因為設置有包括分隔壁32和孔33的洩壓引流單元， 所以排出氣體沿著所有方向均勻排放，而不是朝著排出氣體排放管31方向不均勻排放。排 出氣體收集在排出氣體收集通道；34中，然後排放。這裡，如圖3所示，分隔壁32可以通過延伸設置在氫氣發生器1內的隔熱材料16 的外壁而形成。排出氣體收集通道34通過分隔壁32形成並且與排出氣體排放管相通。排 出氣體收集通道；34構造成沿著本發明的氫氣發生器的圓周形成單個空間。此外，孔33形成在分隔壁32內。如圖1中的(B)的平面圖所示，通過在分隔壁32 上以相等間隔打孔徑向設置孔33，使得排出氣體均勻導入排出氣體收集通道34。如果需 要，可以改變孔33的數量。此外，如圖1中的(B)所示，孔33可以形成在分隔壁32的直接 面向管狀反應器的區域之間。如上文所述，藉助形成有孔33的分隔壁32可以防止排出氣體的直接排放，排出氣 體的直接排放引起用作重整單元3中的熱源的排出氣體的不均勻流動。孔33還允許通過 孔33導入到作為單個相通通道的排出氣體收集通道34中的排出氣體順利傳送到排出氣體 排放管31。這裡，洩壓引流結構可以通過調節布置在燃燒單元2與熱傳遞單元4之間的火焰 引導器14的長度來設置，或者通過在火焰引導器14內形成孔從而調節排出氣體通道的面 積來設置。在本發明的實施例中，將描述在熱傳遞單元4與排出氣體排放管31之間設置孔 的洩壓引流結構。因此，如圖4所示，洩壓結構可以通過控制孔33之間或者分隔壁32與外壁之間的 空間尺寸來實現。具體地說，洩壓結構可以構造成額外設置引導壁35，因而排出氣體在流入 孔33之前通過引導壁35。如圖4所示，引導壁35可以通過延伸圍繞在燃燒單元2周圍的 隔熱材料16的外壁形成。當洩壓結構構造成排出氣體通過引導壁35然後通過孔33時，排 出氣體的洩壓與洩壓結構構造成排出氣體直接導入孔33相比是有利的。為了實現提高分配效率，本發明的洩壓結構可以容易地製造和布置，而不會受到 由於高溫操作而熱變形的影響，並且不會影響洩壓結構以支撐整個反應器結構。排出氣體的洩壓程度由供應至燃燒器的壓力和熱交換器中的洩壓決定。洩壓的最優選實例是以下這種情況排出氣體以100 150kg/hr的流速排放，並 且當孔的直徑設為10 15mm時，人工降低排出氣體的壓力(Δ ρ = 0. 02bar)，從而排出氣 體均勻分配至反應器管道20。如上文所述，根據本發明，在燃燒單元與排出氣體排放管之間設置排出氣體收集 通道，並且分隔壁設置有孔，從而人工降低排出氣體的排放壓力，其結果是排出氣體均勻分配至以圓柱形布置在熱源周圍的反應器管道。因此，可以防止一些反應器管道因排出氣體的不均勻分配而降低功效，從而可以 實現所需的反應效率並且可以極大地改進氫氣發生器的穩定性。此外，因為根據本發明的洩壓結構可以容易地製造和布置並且構造成其性能不受 到由於高溫操作的而熱變形的影響，所以即使已經長時間使用氫氣發生器，也可以保持氫 氣的產量和氫氣發生器的方便性。雖然出於示例的目的公開了本發明的優選實施例，但是本領域技術人員應當清 楚，在不脫離所附權利要求書公開的本發明範圍和精神的情況下，可以存在各種修改形式、 附加物和替換形式。本申請要求2010年2月9日提交的、名稱為「利用蒸汽重整反應的改進排出氣體 分配的氫氣發生裝置」的韓國專利申請No. 10-2010-0011911的權利，在此通過引用方式將 其全部內容併入本文。
權利要求
1.一種氫氣發生器，包括燃燒單元；重整單元，其具有兩個或更多管狀重整器，通過所述燃燒單元產生的排出氣體來向所 述兩個或更多管狀重整器供應蒸汽重整反應所需的熱；以及洩壓引流結構，其中通過沿著圓筒形氫氣發生器內周的分隔壁形成與排出氣體排放管 相通的排出氣體收集通道，並且在所述分隔壁內以相等間隔徑向形成孔，使得排出氣體均 勻傳送到所述排出氣體收集通道。
2.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其中所述分隔壁通過延伸設置在所述氫氣發生 器內的隔熱材料的外壁而形成。
3.根據權利要求1所述的氫氣發生器，還包括引導壁，其中排出氣體在流入所述孔之 前通過所述引導壁。
4.根據權利要求3所述的氫氣發生器，其中所述引導壁通過延伸設置在所述氫氣發生 器內的隔熱材料的外壁而形成。
5.根據權利要求1所述的氫氣發生器，其中所述孔位於所述管狀重整器與外殼之間的 分隔壁內。
全文摘要
本發明公開了一種通過碳氫化合物的蒸汽重整反應來產生氫氣的氫氣發生器，其中在燃燒單元與排出氣體排放管之間設置有用於人工降低排出氣體壓力的洩壓引流結構，從而改進了排出氣體的不均勻分配。
文檔編號C01B3/38GK102145877SQ20111003504
公開日2011年8月10日 申請日期2011年2月9日 優先權日2010年2月9日
發明者崔宰碩, 梁進植, 金明俊, 金榮大 申請人:Sk新技術株式會社