小型高效自熱式天然氣制氫設備的製作方法

2023-05-16 05:03:11 2

專利名稱：小型高效自熱式天然氣制氫設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於制氫設備，特別涉及一種小型自熱式天然氣制氫設備。
背景技術：
氫能作為一種清潔的新二次能源，被認為是未來最有希望的能源之一。然而自然界中不 存在純氫，只能通過從其它化學物質中轉化、分解/分離得到。使用天然氣制氫是化石燃料 制氫工藝中最為經濟與合理的，因而以甲烷作原料製備氫氣的工藝在當前發揮著重要的作 用。
目前甲烷制氫技術主要有甲烷水蒸氣重整、甲烷催化裂解、甲烷二氧化碳重整、甲烷部 分氧化重整、絕熱轉化制氫和甲垸自熱重整六種方式。甲烷水蒸氣重整工業化應用最早，但 反應啟動慢，需要外供熱，目前也是天然氣制氫技術中最昂貴的；甲烷催化裂解過程可以制 得純氫，但催化劑易結炭，需要間歇再生；甲烷二氧化碳重整技術生產的合成氣中H2/C0之 比為l，因此該技術主要應用於F-T合成製備液體燃料；甲垸部分氧化重整反應存在爆炸危 險，工業化應有受到一定限制；甲烷絕熱轉化制氫是甲烷經高溫催化分解為純氫和碳，不需 要後續的水氣置換反應和二氧化碳去除過程，但是如何收集反應器中的積碳卻是一大難點； 甲烷自熱重整制氫工藝在反應器中耦合了放熱的甲烷部分氧化反應和強吸熱的甲烷水蒸氣 重整反應，反應體系可實現自熱運行，系統集成度高，可實現小型化生產，設備投資費用低。 因此，甲垸自熱重整制氫是主要的車載制氫路線。
申請號200710020394. 7的中國發明專利申請提出了 "一種低濃度氣態烴的燃燒裝置"， 是由薄板狀外壁面和內壁面圍成環狀進氣通道和排氣通道，形成雙向逆流的氣流通道，連通 位於環狀通道圈中心的燃燒室；燃燒室內置有多孔材料，多孔材料設置電加熱元件。該燃燒 裝置的反應空間在多孔材料區域，使得常規的以煙氣輻射和對流為主的低效率的換熱方式轉 變為以高溫固體介質的輻射為主的高效換熱，其燃燒速率高、燃燒穩定、汙染物排放低、燃 燒器體積小、結構緊湊、負荷調節範圍廣。燃燒裝置的外側使用雙向逆流換熱的進氣通道和 排氣通道，使低濃度氣態烴在到達中心燃燒室之前可以上升到較高的溫度，同時對側壁的絕 熱要求低，提高了燃燒效率，降低了經濟成本。採用該裝置可以通入化學當量比大於l的天 然氣與空氣或者氧氣的混合氣，過量的天然氣在高溫條件下裂解生成氫氣，但這屬於甲垸部 分氧化重整反應，存在有爆炸危險，而且會在反應器內部，特別是在多孔材料上出現嚴重的 積碳，堵塞了氣流通道，降低了多孔材料在燃燒反應中的重要作用；如果通入的是化學當量 比大於l的天然氣與空氣(或者氧氣)、水蒸氣的混合氣，由於水蒸氣即使在常壓是10(TC，這使得裝置的最外側通道中流入的IO(TC左右的混合氣，熱量損失嚴重，而且這也必然使得 排氣的溫度遠大於10(TC，降低了裝置的經濟性；另外，由於反應器中心多孔材料中的氣流 流動方向是水平流動，為了延長氣體在反應器中心的反應時間，必然需要加大反應器的水平 半徑，使得反應器的經高比加大。其結果是使得反應器的上下兩個側面的面積加大，透過其 向環境的散熱嚴重，即使有保溫措施，仍然有能量散失，破壞了甲烷自熱重整制氫的能量平 衡，需要補充氧量對系統供熱，這也必然消耗額外的甲烷，引起不必要的物質和能量損耗， 降低了設備的經濟性。

發明內容
本發明是為避免上述現有技術所存在的不足之處，提供一種小型高效自熱式天然氣制氫 設備，以實現天然氣的高效制氫。
本發明解決技術問題採用如下技術方案
本發明小型高效自熱式天然氣制氫裝置，具有巻式換熱器，在巻式換熱器的中心柱腔內 放置多孔介質，多孔介質中設置電加熱元件，巻式換熱器由相鄰的進氣通道和排煙通道組成， 進氣通道的進氣側設置為天然氣和空氣或氧氣的預混氣體進氣口，排煙通道的出口側設置為 排煙口。
本發明結構特點是在巻式換熱器的中心柱腔內，與進氣通道連通的氣流入口位於中心柱 腔側壁的底部，與排煙通道連通的煙氣出口位於中心柱腔側壁的頂部；中心柱腔由網狀格柵 分隔為上部反應腔和下部預混腔，氣流入口處在預混腔中，煙氣出口處在反應腔中；在預混 腔中設置水蒸氣霧化噴嘴；放置在反應腔中的多孔介質自下而上空隙率漸大。
本發明的結構特點也在於
所述的巻式換熱器的高經比為1 10。
所述的巻式換熱器中反應腔的高度為預混腔的高度的5 15倍。
所述電加熱元件是由巻式換器的中心柱腔頂部中心插入多孔介質中，插入深度達到反應 腔的高度的1/2—9/10。
所述自下而上空隙率漸大的多孔介質，其空隙率變化範圍為0. 1 — 0.9。 所述多孔介質為蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷。 所述的巻式換熱器上設置的進氣通道和排煙通道的圈數為1 5。
與已有技術相比，本發明有益效果體現在
1、本發明設備中參與制氫的反應物是天然氣、空氣或氧氣和水蒸氣，屬於甲烷自熱重 整制氫工藝，其耦合了放熱的甲垸部分氧化反應和強吸熱的甲垸水蒸氣重整反應，反應體系可實現自熱運行，並從反應原理上避免了積碳反應的進行。
2、 本發明將水蒸氣直接引入反應腔，避免了將水蒸氣由巻式換熱器外層引入而導致的 散熱損失，提高了系統的經濟性；同時，由於霧化的水蒸氣對多孔介質的直接衝刷，使得滯 留在多孔介質上的少量副反應產生的積碳參與水蒸氣反應而轉化為含氫氣體溢出，保持了多 孔介質的細小通道的暢通和超強蓄熱性能，保證了多孔介質在制氫反應中的起到積極作用。
3、 本發明改變多孔介質中反應氣體的流向，使巻式換熱器中心的水平方向氣流流動變 為豎直流動，藉助高溫火焰的上浮力使反應氣體和熱量迅速擴展至整個反應腔的空間內，加 速了反應的進行，並使得多孔介質中的溫度場分布均勻。而且，該氣體流向的改變使得反應 裝置的高經比變大，反應裝置的上下兩個端面的面積相對減小，減少了裝置的整體散熱損失， 降低了其佔地面積，提高了經濟性。
4、 本發明反應腔中使用漸變形的多孔介質，達到自動調節火焰穩定燃燒面的目的，使 燃燒穩定範圍大大加寬，並在反應腔中沿著氣體的流向實現沿程與燃燒特性的匹配，使燃燒 溫度場更加均勻，降低反應腔內的溫度梯度，加劇天然氣制氫的進行，提高制氫效率。
5、 本發明通過巻式換熱器將氣化劑和反應出來的燃料氣進行逆向換熱，提高了氣化反 應之前氣化劑的溫度，使反應腔內的溫度水平得以進一步提升，使得供熱反應的份額減少， 減少了氧氣的消耗量，促進天然氣一氫氣的轉化率；同時燃料氣的出口溫度得以進一步降低， 能量損失少；巻式換熱器外側為常溫的空氣和經放熱後的低溫燃料氣，散失到周圍環境的熱 量很少。因此，整體裝置的能量利用率達到最大化，氣化制氫的效率得以大大提升。
6、 本發明設備集成度高，可實現小型化連續生產，設備投資、運行費用低，可滿足分 散式現場制氫的要求。


圖1為本發明實施例1的結構示意圖。
圖2為本發明實施例1的結構示意圖中A-A剖視圖。
圖3為本發明實施例2的結構剖視示意圖。
圖中標號1多孔介質，2巻式換熱器，3進氣通道，4排煙通道，5氣流入口， 6預混 腔，7反應腔，8水蒸氣霧化噴嘴，9網狀格柵，IO保溫層，ll端面，12煙氣出口， 13電 加熱元件，14進氣口， 15排煙口。
下面通過具體實施方式
，並結合附圖對本發明作進一步說明。
具體實施例方式
實施例1:參見圖l、圖2，本實施例設備整體呈圓柱體的結構形式，主要由巻式換熱器2和置於 其中多孔介質l組成。巻式換熱器2的高經比在1 10之間，本實施例中取其高徑比為8; 巻式換熱器2由兩兩相鄰的進氣通道3和排煙通道4組成，進氣通道3和排煙通道4的圈數 在1 5之間，本實施例均取為2圈；進氣通道3的進氣側設置為天然氣和空氣或氧氣的預 混氣體進氣口 14，排煙通道4的出口側設置為排煙口 15。在巻式換熱器2的中心柱狀腔內， 進氣通道3的底部埠設置為氣流入口 5，排煙通道4的頂部埠設置為煙氣出口 12，在巻 式換熱器2的中心柱腔由網狀格柵9隔出上部反應腔7和下部預混腔6，反應腔7的高度為 預混腔6的高度的5 15倍，本實施例取為10倍；氣流入口 5處在預混腔6內，煙氣出口 12處在反應腔7內。
圖1所示，在預混腔6中設置水蒸氣霧化噴嘴8，其噴出的水蒸氣指向多孔介質l。
在反應腔7中設置空隙率漸變的多孔介質1,多孔介質1的空隙率沿著預混腔6到煙氣 出口12逐漸增大，變化範圍O. l—0.9之間，本實施例取0.5;多孔介質l採用蜂窩形陶瓷 蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷，也可以是其他顆粒或者三維網絡骨架型的多孔材料，本 實施例具體採用蜂窩形陶瓷蓄熱體。
電加熱元件13是由巻式換熱器2的中心柱腔的頂部插入多孔介質1中，插入深度要達 到反應腔7高度1/2 — 9/10，本實施例取為4/5。
在整個設備的上下兩端面11的內側均勻塗敷保溫層10。
運行時，首先啟動電加熱元件13，對反應腔7中的多孔介質1進行加熱，當其溫度達 到65(TC 75(TC的時候，從進氣口 14中通入天然氣和空氣或者氧氣或者富氧空氣的預混氣 體，預混氣體通過進氣通道3、氣流入口5、預混腔6、網狀格柵9後進入反應腔7，被其中 的多孔介質l加熱升溫。經過一段時間的加熱，當預混氣體在反應腔7中著火後，關閉電加 熱元件13的電源。保持其燃燒，當反應腔7中的溫度達到100(TC的時候，通過水蒸氣霧化 噴嘴8向預混腔6中噴入水蒸氣，水蒸氣巻吸和空氣或者氧氣或者富氧空氣的預混氣體，通 過網狀格柵9進入反應腔7中發生甲烷自熱重整制氫反應，並將制氫的反應溫度穩定最佳反 應溫度，約90(TC左右。生成的富氫氣體通過煙氣出口 12和排煙通道4後經排煙口 15排出。
實施例2:
參見圖3，本實施例中的設備整體呈長方體結構，其它與實施例l相同。
權利要求
1、小型高效自熱式天然氣制氫設備，具有卷式換熱器(2)，在卷式換熱器的中心柱腔內放置多孔介質(1)，多孔介質(1)中設置電加熱元件(13)，所述卷式換熱器(2)由相鄰的進氣通道(3)和排煙通道(4)組成，進氣通道(3)的進氣側設置為天然氣和空氣或氧氣的預混氣體進氣口(14)，排煙通道(4)的出口側設置為排煙口(15)；其特徵是在所述卷式換熱器(2)的中心柱腔內，與進氣通道(3)連通的氣流入口(5)位於中心柱腔側壁的底部，與所述排煙通道(4)連通的煙氣出口(12)位於中心柱腔側壁的頂部；所述中心柱腔由網狀格柵(9)分隔為上部反應腔(7)和下部預混腔(6)，所述氣流入口(5)處在預混腔(6)中，所述煙氣出口(12)處在反應腔(7)中；在所述預混腔(6)中設置水蒸氣霧化噴嘴(8)；放置在反應腔(7)中的多孔介質(1)自下而上空隙率漸大。
2、 根據權利要求1所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵是所述的巻式換熱 器(2)的高經比為1 10。
3、 根據權利要求1所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵在於所述的巻式換 熱器(2)中反應腔(7)的高度為預混腔(6)的高度的5 15倍。
4、 根據權利要求1所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵在於所述電加熱元 件(13)是由巻式換器(2)的中心柱腔頂部中心插入多孔介質(1)中，插入深度達到反應 腔(7)的高度的1/2_9/10。
5、 根據權利要求1所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵是所述自下而上空 隙率漸大的多孔介質(1)，其空隙率變化範圍為O. 1—0.9。
6、 根據權利要求5所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵是所述多孔介質(l) 為蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷。
7、 根據權利要求1所述的小型高效自熱式天然氣制氫設備，其特徵在於所述的巻式換 熱器(2)上設置的進氣通道(3)和排煙通道(4)的圈數為1 5。
全文摘要
小型高效自熱式天然氣制氫設備，具有卷式換熱器，其特徵是在卷式換熱器的中心柱腔內，與進氣通道連通的氣流入口位於中心柱腔側壁的底部，與排煙通道連通的煙氣出口位於中心柱腔側壁的頂部；中心柱腔由網狀格柵分隔為上部反應腔和下部預混腔，氣流入口處在預混腔中，煙氣出口處在反應腔中；在預混腔中設置水蒸氣霧化噴嘴；放置在反應腔中的多孔介質自下而上空隙率漸大。本發明使得制氫反應區域的溫度場更加均勻，氣化制氫的效率得以大大提升；反應生成物的能量得以極限利用，整體裝置的能量利用率達到最大化。
文檔編號C01B3/00GK101531336SQ20091011656
公開日2009年9月16日 申請日期2009年4月17日 優先權日2009年4月17日
發明者唐志國, 抒 孟, 王旭迪, 程建萍, 陳長琦 申請人:合肥工業大學