一種天然氣重整制氫的轉化爐的製作方法

2023-04-24 01:25:47 1

本實用新型涉及一種天然氣重整制氫的轉化爐，特別是一種基於催化燃燒的小型天然氣重整制氫的轉化爐，屬於天然氣重整制氫轉化爐技術領域。

背景技術：

氫能和燃料電池作為21世紀清潔高效的能源利用新技術。2016年4月，我國國家發改委和國家能源局聯合發布的《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》（發改能源〔2016〕513號），規劃了能源技術革命重點創新行動路線圖，部署了15項具體任務，「氫能與燃料電池技術創新」位列其中，氫能已經納入了我國能源戰略。氫能產業內涵豐富，按產業鏈順序劃分為氫能產業基礎設施、燃料電池和燃料電池車輛、燃料電池發電（含熱電聯產）以及其他應用領域等。現燃料電池緊鑼密鼓研發中，小型化制氫系統解決氫氣的來源，也給現有的加氫站氣源的補充（現有加氫站基本為外送氫氣）。當前，我國氫氣來源是以煤、天然氣及石油等化石燃料制氫為主，約佔97%，其中以天然氣水蒸氣重整制氫為主，也最為清潔。因轉化爐體積的制約，天然氣重整制氫規模較大，熱效率較低。現在微小型裝置逐漸成為研發熱點。

技術實現要素：

本實用新型的發明目的在於：針對上述存在的問題，提供一種結構緊湊的可小型化設計的天然氣重整制氫的轉化爐，以提高混合氣的吸熱效率，提高轉化率，並保證重整反應穩定。

本實用新型採用的技術方案如下：

一種天然氣重整制氫的轉化爐，包括爐體和分布於爐體內的爐管，所述爐體內填充有絕熱材料，以及由絕熱材料填充而形成的用於燃料氣燃燒的燃燒腔、用於燃燒煙氣通過的總煙道和若干分布於爐體內的分支煙道，所述燃燒腔連通至總煙道，總煙道再連通至各分支煙道，各爐管位於對應的分支煙道內，燃燒腔內設置有燃燒嘴，各分支煙道通過爐管後匯合於爐體的煙氣出口，各爐管匯合於爐體的轉化氣出口。

進一步的，所述燃燒腔位於爐內的中心，分支煙道以燃燒腔為中心沿環周分布。

進一步的，所述爐管從爐體的頂部進入爐內，沿分支煙道路徑穿過爐內而匯合於爐體下部的轉化氣出口，所述燃燒嘴從爐體的底部進入爐內的燃燒腔，總煙道在爐內的頂部位置與各分支煙道連通，煙氣出口口位於爐體的底部。

進一步的，所述絕熱材料為高鋁陶纖毯。

進一步的，所述燃燒嘴包括燃燒空氣進管和燃燒氣進管，所述燃燒氣進管共軸心套設於燃燒空氣進管內，燃燒空氣進管管路的出口端具有一個內徑先減小再增大的喉部，燃燒氣進管的出口位於該喉部的小徑位置，喉部的出口裝填有燃燒催化劑。

進一步的，所述喉部的出口設置有一蜂窩狀板體，燃燒催化劑設置在蜂窩狀板體的後端。

進一步的，所述燃燒催化劑的後端還設置有用於限定催化劑位置的擋板。

進一步的，所述喉部前端的燃燒空氣進管內設置有用於空氣導流的螺旋導流板。

進一步的，所述煙氣出口設置有餘熱利用裝置。

進一步的，該餘熱利用裝置包括沿煙氣流向依次設置的蒸汽發生器，天然氣預熱器和空氣預熱器。

進一步的，所述蒸汽發生器為螺旋管管式換熱器，天然氣預熱器為螺旋管管式換熱器，空氣預熱器為板式換熱器。

綜上所述，由於採用了上述技術方案，本實用新型的有益效果是：

1、該結構的轉化爐，能有效的縮小天然氣重整制氫轉化爐的大小，減小制氫系統規模，適合於為燃料電池提供氫源，適合於～60KW的燃料電池的氫源系統；

2、轉化爐中採用新型的煙道設計以及煙道與爐管布置結構設計，能有效的減小吸熱過程和放熱過程的傳熱阻力，提高傳熱效率，各分支煙道能降低煙氣流速，提高單位時間內提供的熱量，提高換熱效率和經濟性，在實際工作中煙氣與爐管內混合氣同向流通，保證爐管的壁溫上下均勻，減少由於反應不平衡所造成的局部析碳和過熱，能夠有效的提高轉化率、保證反應的穩定；

3、轉化爐主體部分採用圓筒式結構以及爐管、燃燒腔環形分布設計，煙道隔熱材料採用高鋁陶纖毯填充，有利於減少爐體的熱損失，並有效的減小轉化爐尺寸；

4、本實用新型中採用了無火催化燃燒的燃燒設計，其無光形式的能量，能減少能量損失，提高能量利用率，減少燃燒反應而形成毒性汙染物NOx排放，保護環境，同時重新設計的無火催化燃燒嘴結構，使得其結構緊湊，方便拆卸換取催化劑，相比於傳統燃燒嘴設計，可使得爐體的體積得到有效降低，減少制氫系統規模，另外空氣設置引流管、燒嘴呈錐型以及設置蜂窩狀板體，使尾氣和空氣充分混合，燃燒均勻、穩定；

5、該轉化爐中，煙氣餘熱利用分別用於產蒸汽、天然氣預熱、空氣預熱，蒸汽、天然氣預熱換熱器採用螺旋管管式換熱器，空氣預熱器採用板式換熱器，可以減小換熱器尺寸，縮小制氫系統裝置規模，同時減小系統壓降，減少能量損失，減小流速、增大傳熱係數，提高換熱效率和經濟性。

附圖說明

圖1是本實用新型轉化爐的結構示意圖；

圖2是本實用新型轉化爐圖1的A-A向剖面示意圖；

圖3是本實用新型轉化爐的燃燒嘴結構示意圖。

圖中標記：1-爐體、2-爐管、21-膨脹節、3-絕熱材料、4-燃燒腔、5-總煙道、6-分支煙道、7-燃燒嘴、71-燃燒空氣進管、72-燃燒氣進管、73-喉部、74-蜂窩狀板體、75-燃燒催化劑、76-擋板、77-螺旋導流板、78-安裝板、8-煙氣出口、9-轉化氣出口、10-餘熱利用裝置、101-蒸汽發生器、102-天然氣預熱器、103-空氣預熱器。

具體實施方式

下面結合附圖，對本實用新型作詳細的說明。

為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

實施例

本實用新型的天然氣重整制氫的轉化爐，其整體結構如圖1所示，包括採用耐火磚製成的爐體1，以及分布於爐體1內的爐管2，爐管2內可裝填重整制氫的催化劑。爐體1內填充有絕熱材料3，以及由絕熱材料3填充而形成的用於燃料氣燃燒的燃燒腔4、用於燃燒煙氣通過的總煙道5和若干分布於爐體內的分支煙道6。燃燒腔4連通至總煙道5，總煙道5再連通至各分支煙道6，各爐管2是位於對應的分支煙道6內的，即每個分支煙道6內僅設置一根爐管2，燃燒腔4內設置有燃燒嘴7，各分支煙道6通過爐管2後匯合於爐體1的煙氣出口8，各爐管2匯合於爐體1的轉化氣出口9。轉化爐中採用新型的煙道設計以及煙道與爐管布置結構設計，能有效的減小吸熱過程和放熱過程的傳熱阻力，提高傳熱效率，各分支煙道設計能降低煙氣流速，提高單位時間內提供的熱量，增加換熱效率，提高換熱效率和經濟性。

基於上述設計結構，在具體實施中，燃燒腔4是位於爐內的中心，分支煙道6以燃燒腔4為中心沿環周分布，如圖2所示。這樣的設計一方面使得形成有效的絕熱分支煙道6，另一方面有利於整體結構的小型化，有效的降低爐體的體積。燃燒腔4位於爐體內的下部，總煙道5共軸線位於燃燒腔4上方，燃燒腔4直徑大於總煙道5直徑，變徑部分通過錐形結構過渡，如圖1所示。

在具體實施中爐管2是從爐體1的頂部進入爐內的，各獨立的爐管2進入爐體1，沿其對應的分支煙道6路徑穿過爐內並延伸至爐體1底部，最後匯合於爐體1下部的轉化氣出口9。各爐管2的進氣總管位於爐體1外部，還包括位於爐體1外部的各爐管2上的膨脹節21。燃燒嘴7是從爐體1的底部進入爐內的燃燒腔4的，總煙道5在爐內的頂部位置與各分支煙道6連通，煙氣出口8口位於爐體1的底部。

該結構下的轉化爐工作中物料流向如下：原料氣通過進氣總管進入各爐管2，沿爐管2下行至爐內，分支煙道6與爐管2間形成環形通道內的高溫燃燒氣對爐管進行加熱，在催化劑作用下原料氣實現反應，反應後的氣體匯總於爐體底部的轉化氣出口9排出；燃燒氣在燃燒嘴7位置進入燃燒腔4，在燃燒腔內燃燒，高溫煙氣進入總煙道5，沿總煙道5上升，再在爐體的頂部位置進入各分支煙道6，煙氣沿分支煙道6下行對爐管2進行加熱。在該工作過程中，煙氣與爐管內混合氣同向流通，保證爐管的壁溫上下均勻，減少由於反應不平衡所造成的局部析碳和過熱，能夠有效的提高轉化率、保證反應的穩定，且在該結構設計中，採用了單管程的原料氣流向設計，無需在爐管間設置膨脹節、豬尾管，能夠有效的簡化爐內結構設計，降低經濟成本。

在具體的實施中，絕熱材料3採用高鋁陶纖毯。為了進一步增加其隔熱係數，減少熱損失，減小轉化爐尺寸，高鋁陶纖毯可壓縮後進行填充。

本實施例中還對分支煙道6與總煙道5間的連通方式進行示例和描述，如圖1所示：在爐體1的頂壁位置，填充的絕熱材料3上端與爐體1的頂壁間具有一個未填充段，利用該未填充段的空間形成總煙道5與分支煙道6的連通通道，這樣的連通結構設計，相比於通過各自獨立或對應的孔道連通，有利於提提高各分支煙道6間高溫煙氣分布的均勻性，以及在分支煙道6環形空間內各位置分布的均勻性。

在具體實施中，爐體可採用傳統燃燒嘴7結構設計和燃燒方式設計，但為了進一步降低燃燒嘴體積，保證燃燒效率，本實施例中燃燒嘴7採用無火催化燃燒，無光形式的能量，能減少能量損失，提高能量利用率，減少燃燒反應而形成毒性汙染物NOx排放，保護環境。重新設計的燃燒嘴7如圖3所示，包括燃燒空氣進管71和燃燒氣進管72，所述燃燒氣進管72共軸心套設於燃燒空氣進管71內，燃燒空氣進管71管路的出口端具有一個內徑先減小再增大的喉部73，燃燒氣進管72的出口位於該喉部73的小徑位置，喉部73的出口裝填有燃燒催化劑75，該燃燒催化劑75是催化劑活性組分通過蜂窩狀的載體負載而成的。重新設計的無火催化燃燒嘴結構，使得其結構緊湊相比於傳統燃燒嘴設計，可使得爐體的體積得到有效降低，減少制氫系統規模，同時燃燒原料氣的混合程度高，有效的提高燃燒效率。

另外，為了增加燃燒原料氣混合的均勻性，喉部73的出口還增加設置有一陶瓷材料製成的蜂窩狀板體74，燃燒催化劑75設置在蜂窩狀板體74的後端使燃燒均勻、穩定。

為了保證在使用中燃燒催化劑裝填的穩定性，燃燒催化劑75的後端還設置有用於限定催化劑位置的擋板76。該擋板為一環形的結構，設置在燃燒催化劑75後端的燃燒腔腔壁位置。

在燃燒嘴7另一實施方式中，其喉部73前端的燃燒空氣進管71內設置有用於空氣導流的螺旋導流板77，使得在燃燒空氣進管71的環形腔內形成螺旋路徑的通道，空氣進入後形成螺旋氣流，提高在喉部73與燃料氣均和的均勻性。

本實施例中，還對爐體1設計及燃燒嘴7的安裝方式做進一步優化，爐體1不具有耐火材料製成的底部，而是採用絕熱材料3填充而形成底部，如圖1所示，同時燃燒嘴7設置在一個安裝板78上，安裝板78與爐體1底部通過螺栓相連接實現燃燒嘴7的裝配，使得方便燃燒催化劑的更換。另外在安裝板78上還可設置一層絕熱材料。

為了提高該轉化爐能量利用率和利用的合理性，煙氣出口8設置有餘熱利用裝置10，如圖1所示，該餘熱利用裝置10包括沿煙氣流向依次設置的蒸汽發生器101，天然氣預熱器102和空氣預熱器103。蒸汽發生器101為螺旋管管式換熱器，天然氣預熱器102為螺旋管管式換熱器，空氣預熱器103為板式換熱器。煙氣餘熱利用分別用於產蒸汽、天然氣預熱、空氣預熱，蒸汽、天然氣預熱換熱器採用螺旋管管式換熱器，空氣預熱器採用板式換熱器，可以減小換熱器尺寸，縮小制氫系統裝置規模，同時減小系統壓降，減少能量損失，減小流速、增大傳熱係數，提高換熱效率和經濟性。

在上述各具體實施方式的基礎上，本轉化爐的爐管有效轉化長度為1500mm，爐體1的外徑為800mm，燃燒腔4的內徑為125mm，爐管2的數量為6根，其規格為φ57×5,採用ZG40Ni35Cr25Nb材料製成，爐管2所形成的圓直徑為350mm，各分支煙道6的內徑為80mm，該轉化爐可實現10-40Nm3d/h的天然氣制氫。在該小型的體積下，能滿足於～60KW的燃料電池的氫源系統。

本實施例的轉化爐，能有效的縮小天然氣重整制氫轉化爐的大小，減小制氫系統規模，適合於為燃料電池提供氫源。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。