CN109748241A - 一种甲烷自热重整的高效重整器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于甲烷自热重整的高效重整器，包括外筒体和内筒体；外筒体和内筒体为同心设置的圆柱筒；外筒体和内筒体之间的环形空间包括位于上部用于燃烧供热的燃烧腔和位于下部的燃烧缓冲腔；内筒体内部的圆柱形空间包括位于上部的重整缓冲腔和位于重整缓冲腔下部用于重整制氢的重整腔。该反应器外燃烧腔截面小，重整腔截面大，既减小了燃烧腔向重整腔传热热阻，又增加了重整气在重整腔停留时间，充分吸收燃烧强热量，而且相对于一般内燃烧外重整形式来说，还增加了燃烧腔和重整腔换热面积，使得换热效率更高。
Description
技术领域
本发明属于甲烷制氢技术领域，特别涉及一种甲烷自热重整的高效重整器。
背景技术
氢燃料电池由于具有与传统发电厂相当的效率，低噪音和高纯度废气等优点，因此对固定式发电厂而言是一项很有前途的技术。尽管固定式燃料电池的终端燃料是氢气，但供给燃料可以是甲烷，天然气，生物气体或合成气。燃料灵活性需要将原始燃料转化为氢气。蒸汽重整是从甲烷气体生产氢气，一氧化碳和其他有用产物的一种方法。与其他甲烷转化相比，蒸汽转化具有高生产效率的优点。生产氢气的最具成本效益和工业化方法之一是通过蒸汽甲烷重整(SMR)，占全球氢气产量的40％以上。
在目前的甲烷制氢研究中，由于甲烷制氢是吸热反应，大多研究采用外部电加热或者火炉加热的方式为重整器提供热量，这种方式既增加了装置的复杂性，也增加了成本投入，不利于能源节约。吸放热耦合是一种相对于外部电加热或者火炉加热而言，比较理想的选择，在吸放热耦合方式中，大部分采用内部燃烧，外部重整的结构，然后这种结构并不能达到很好的重整效果。
发明内容
本发明的目的在于提供一种甲烷自热重整的高效重整器，以解决上述技术问题。本发明重整器结构更加紧凑、高效、简洁、实用；本发明重整器可以实现甲烷重整的自热，无需反应过程中外部热量供应，能够有效的提高甲烷重整的效率。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案予以实现：
一种用于甲烷自热重整的高效重整器，包括外筒体和内筒体；外筒体和内筒体为同心设置的圆柱筒；外筒体和内筒体之间的环形空间包括位于上部用于燃烧供热的燃烧腔和位于下部的燃烧缓冲腔；内筒体内部的圆柱形空间包括位于上部的重整缓冲腔和位于重整缓冲腔下部用于重整制氢的重整腔。
进一步的，燃烧缓冲腔的底部两端设有燃烧原料入口；燃烧原料入口连通燃烧缓冲腔；燃烧供热的燃烧腔上方设有连通燃烧腔的燃烧气出口。
进一步的，燃烧原料入口的入口方向垂直于外筒体的轴线方向；燃烧气出口的出口方向平行于外筒体的轴线方向。
进一步的，重整缓冲腔上方设有连通重整缓冲腔的重整原料入口；重整腔的底部重整出口。
进一步的，重整腔设置多个出口，沿圆环均匀布置；重整腔的出口穿过燃烧缓冲腔至外筒体外侧；重整原料入口的入口方向平行于外筒体的轴线方向。
进一步的，燃烧腔和重整腔内装填有催化剂。
进一步的，重整缓冲腔和和重整腔通过带多孔的隔板相连，使重整原料气能够均匀进入重整腔；燃烧缓冲腔和和燃烧腔通过带多孔的隔板相连，使燃烧原料气能够均匀进入燃烧腔。
进一步的，所述用于甲烷自热重整的高效重整器中燃烧气流动方向与重整气流动方向相反。进一步的，燃烧腔截面积小于重整腔截面积。
进一步的，重整原料从重整入口由上至下进入重整缓冲腔，然后在重整缓冲腔中充分混合，之后由重整缓冲腔与重整腔中间隔板小孔均匀进入重整腔进行甲烷蒸汽重整，再之后通过重整出口流出；燃烧原料从燃烧入口进入，然后在燃烧缓冲腔中充分混合，之后由燃烧缓冲腔中间隔板小孔由下至上均匀进入燃烧腔进行催化燃烧供热，所放出热量传给重整腔，再之后通过顶部的燃烧出口流出。
燃烧腔催化燃烧进行供热，重整腔吸热重整制氢。
进一步的，燃烧原料从反应器一侧进入，重整原料从反应器另一侧进入，使得燃烧气体与重整气体逆向流动，提高甲烷转化率。
进一步的，重整腔出口不在管中间，而在靠近管壁处，以引导流动，强化传热。
进一步的，重整腔设置多个出口，沿圆环均匀布置，以引导流动，强化传热。
进一步的，燃烧腔设置多个出口，沿圆环均匀布置，以引导流动，强化传热。
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供一种新型的更加紧凑、高效、简洁、实用的甲烷自热重整的高效重整器，通过外部腔发生燃烧反应供热，内部腔发生重整反应吸热，外部腔截面积小，内部腔截面积大，外部腔小的截面有利于燃烧腔热量的传递，内部腔大的截面有利于重整腔流速的降低，停留时间增加，从而增加热量的吸收，而且还保证了较大的内外传热面积。提高了热量传递效率。
经过模拟计算，本发明所设计的甲烷自热重整的高效重整器，外部腔发生燃烧反应供热，内部腔发生重整反应吸热；这种同心圆筒结构是一种高效的结构形式，原因如下：(1)对于燃烧侧来说，截面过大不利于热量的传递，因此尽量使截面更加的狭小，使得催化燃烧的热量更多的通过固体壁传入重整侧，而且小的燃烧截面可以使得燃烧温度更高，增加传热温差，获得更好的传热效果；(2)重整侧需要吸收热量进行重整反应，过流截面越大，可以使得重整气体流速更慢，在重整腔内停留更长的时间，获得更多的热量，因此要使得重整侧截面越大；(3)重整侧和燃烧侧用导热材料相隔，导热固体直径越大，可以使得燃烧和重整侧传热面积更大，提高传热效率，改善重整效果。(4)重整截面和燃烧截面比值可以为5-7，具体比值根据总截面大小而定。经过计算，在管外径一定时，随着重整截面与燃烧截面面积比值的增加，重整侧甲烷转化率不断提高，燃烧测供热温度不断提高。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是一种甲烷自热重整的吸放热耦合的高效重整器的结构示意图。
图2重整出口甲烷转化率随内外径比值变化示意图。
图中：1、2为燃烧原料入口，3为重整原料入口，4为重整气出口，5、6为燃烧气出口，7为燃烧缓冲腔，8为燃烧腔，9重整腔，10为重整缓冲腔。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。
请参阅图1所示，本发明提供的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，包括外筒体100和内筒体200；外筒体100和内筒体200为同心设置的圆柱筒。
外筒体100和内筒体200之间的环形空间包括位于上部用于燃烧供热的燃烧腔8和位于下部的燃烧缓冲腔7；内筒体200内部的圆柱形空间包括位于上部的重整缓冲腔10和位于重整缓冲腔10下部用于重整制氢的重整腔9。
燃烧缓冲腔7的底部两端设有燃烧原料入口1、2；燃烧原料入口1、2的入口方向垂直于外筒体100的轴线方向；燃烧原料入口1、2连通燃烧缓冲腔7；燃烧供热的燃烧腔8上方设有燃烧气出口5、6；燃烧气出口5、6的出口方向平行于外筒体100的轴线方向。
重整缓冲腔10上方设有连通重整缓冲腔10的重整原料入口3；重整原料入口3的入口方向平行于外筒体100的轴线方向。重整腔9的底部设有重整出口4。重整腔9的底部沿圆环均匀布置有多个圆管41；圆管41一端连通重整腔9，另一端穿过燃烧缓冲腔7至外筒体100外侧；圆管41的底部连通有汇集圆管42，汇集圆管42底部中心连通有出口管43，多个圆管41汇集通过出口管43排出。多个圆管41位于内筒体200的底部管壁处，以引导重整腔9内气体靠近内筒体200管壁流动，强化传热。本发明中，重整出口4也可以只设置若干圆管41，圆管41一端连通重整腔9，另一端穿过燃烧缓冲腔7至外筒体100外侧排出，不设置汇集圆管42和出口管43，直接排出。
重整原料从重整入口3由上至下进入重整缓冲腔10，然后在重整缓冲腔10中充分混合，之后由重整缓冲腔10与重整腔9中间隔板小孔均匀进入重整腔9进行甲烷蒸汽重整，再之后通过重整出口4流出。燃烧原料从燃烧入口1、2进入，然后在燃烧缓冲腔7中充分混合，之后由燃烧缓冲腔7与燃烧腔8中间隔板小孔由下至上均匀进入燃烧腔8进行催化燃烧供热，所放出热量传给重整腔9，再之后通过顶部的燃烧出口5、6流出。
应用例1
重整腔入口流量为0.0001kg/s，燃烧腔入口流量为0.0001kg/s，重整腔入口气体组分为2.6％氢气，21.28％甲烷，71.45％水蒸汽，3.48％氮气1.19％二氧化碳；燃烧腔入口气体组分为9.1％甲烷，90.9％空气，本发明提供的一种用于甲烷自热重整的高效重整器重整出口甲烷转化率随内外径比值变化如图2所示，由图可知，保持外径为0.12m时。在内燃外重整反应形式下，随着内外径比值增加，即燃烧腔截面增加，重整腔截面减小，重整腔出口甲烷转化率不断减小，且在同一内外径比值下，逆向流动甲烷转化率高于同向流动甲烷转化率；在外燃内重整反应形式下，随着内外径比值增加，即燃烧腔截面减小，重整腔截面增加，重整腔出口甲烷转化率不断增加，且在同一内外径比值下，逆向流动甲烷转化率高于同向流动甲烷转化率，外燃内重整形式与内燃外重整形式甲烷转化率都在燃烧腔截面较小时达到最大值，外燃形式下重整转化率高于内燃形式下，很好的体现了本发明中外燃烧、内重整，逆向流动，且燃烧腔截面小，重整腔截面大设计的合理性。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (10)
1.一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，包括外筒体(100)和内筒体(200)；外筒体(100)和内筒体(200)为同心设置的圆柱筒；外筒体(100)和内筒体(200)之间的环形空间包括位于上部用于燃烧供热的燃烧腔(8)和位于下部的燃烧缓冲腔(7)；内筒体(200)内部的圆柱形空间包括位于上部的重整缓冲腔(10)和位于重整缓冲腔(10)下部用于重整制氢的重整腔(9)。
2.根据权利要求1所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，燃烧缓冲腔(7)的底部两端设有燃烧原料入口(1、2)；燃烧原料入口(1、2)连通燃烧缓冲腔(7)；燃烧供热的燃烧腔(8)上方设有连通燃烧腔(8)的燃烧气出口(5、6)。
3.根据权利要求2所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，燃烧原料入口(1、2)的入口方向垂直于外筒体(100)的轴线方向；燃烧气出口(5、6)的出口方向平行于外筒体(100)的轴线方向。
4.根据权利要求2所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，重整缓冲腔(10)上方设有连通重整缓冲腔(10)的重整原料入口(3)；重整腔(9)的底部设有出口。
5.根据权利要求4所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，重整腔(9)设置多个出口，沿圆环均匀布置；重整腔(9)的出口穿过燃烧缓冲腔(7)至外筒体(100)外侧；重整原料入口(3)的入口方向平行于外筒体(100)的轴线方向。
6.根据权利要求4所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，燃烧腔(8)和重整腔(9)内装填有催化剂。
7.根据权利要求4所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，重整缓冲腔(10)和重整腔(9)通过带多孔的隔板相连，使重整原料气能够均匀进入重整腔(9)；燃烧缓冲腔(7)和和燃烧腔(8)通过带多孔的隔板相连，使燃烧原料气能够均匀进入燃烧腔。
8.根据权利要求1所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，所述用于甲烷自热重整的高效重整器中燃烧气流动方向与重整气流动方向相反。
9.根据权利要求1所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，燃烧腔(8)截面积小于重整腔(9)截面积。
10.根据权利要求4所述的一种用于甲烷自热重整的高效重整器，其特征在于，重整原料从重整入口(3)由上至下进入重整缓冲腔(10)，然后在重整缓冲腔(10)中充分混合，之后由重整缓冲腔(10)与重整腔(9)中间隔板小孔均匀进入重整腔(9)进行甲烷蒸汽重整，再之后通过重整腔的出口流出；燃烧原料从燃烧入口(1、2)进入，然后在燃烧缓冲腔(7)中充分混合，之后由燃烧缓冲腔(70与燃烧腔(8)中间隔板小孔由下至上均匀进入燃烧腔(8)进行催化燃烧供热，所放出热量传给重整腔(9)，再之后通过顶部的燃烧出口(5、6)流出。
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