本发明专利技术公开了一种天然气自热重整制氢的装置，包括自热重整反应器、燃烧室外壁、燃烧器、内换热盘管、外换热盘管、燃烧尾气出口、法兰和混合阀；燃烧室外壁为空心圆管，空心圆管内设有自热重整反应器；外换热盘管包括天然气换热管及水换热管，都分别呈螺旋状从下到上缠绕在燃烧室外壁外部；内换热盘管从上到下呈螺旋状缠绕在反应器管上，原料进气管位于反应器管侧面底部，一端接入反应器管，另一端与内换热盘管通过耐高温接头连接。本发明专利技术自热重整制氢，启动速度快，无需更多额外的能量来保证反应的进行，系统能量消耗小，安装和拆卸方便易行，装置体积小，占地面积少，可置于阳台，屋檐下等闲置的空间。
【技术实现步骤摘要】
本专利涉及一种常压的天然气自热重整制氢装置，用于为千瓦级质子交换膜燃料 电池热电联产系统提供富氢合成气。
技术介绍
氢能是一种新型的高效清洁能源，被视为解决温室效应问题，提高能量利用率的 有效替代能源。但氢气不是自然界中大量存在的一次资源，并且其密度低，易燃易爆，储存 和运输的费用高，危险性大，如何便捷地获取氢气是氢能得以广泛利用的瓶颈之一。天然气 水蒸气重整技术是目前工业上最普遍采用的生产氢气及合成气的技术方法，典型的反应温 度为800-900°C，压力为2. 5-3. 5MPa。随着天然气的大量开发，尤其是管道天然气在城镇中 普及，为分布式氢气生产提供了充足的、廉价的天然气原料。虽然天然气重整制氢技术在工业上已经得到普遍应用，但是该技术在小型化分布 式制氢中还有很多问题需要解决。该反应是强吸热反应，能量供应和传热是该反应的一个 瓶颈问题，工业上常用的反应器体积庞大，不适合用于家庭及小型商业用户的千瓦级燃料 电池系统中分布式氢气生产的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有的技术缺点，为千瓦级小型燃料电池热电联产系统提 供一种快速，安全，高效的制氢装置，该装置采用城市管道天然气为原料来源，结构紧凑，方 便操作，体积小，易于安装。本专利技术的目的通过如下技术方案实现一种天然气自热重整制氢的装置，包括自热重整反应器、燃烧室外壁、燃烧器、内 换热盘管、外换热盘管、燃烧尾气出口、法兰和混合阀；燃烧室外壁为空心圆管，空心圆管内 设有自热重整反应器；外换热盘管包括天然气换热管及水换热管，都分别呈螺旋状从下到 上缠绕在燃烧室外壁外部，预热天然气及水；在燃烧室外壁上端设有混合阀，混合阀的入口 端分别连接天然气换热管及水换热管，出口端与内换热盘管进料管连接，内换热盘管进料 管与内换热盘管连接；自热重整反应器和燃烧室外壁通过法兰与石墨垫片密封，石墨垫片 设置在法兰与燃烧室外壁之间以及法兰与自热重整反应器之间；自热重整反应器为固定床 催化反应器，包括反应器管、空气分布管、多点热电偶、原料进气管、催化剂和反应合成气出 气管；催化剂装填于反应器管中；反应器管顶部的法兰上设有重整合成气出口、空气分布 管插口和多点热电偶接口 ；空气分布管从空气分布管插口插入反应器管中，空气分布管为 圆形空心长管，在圆形空心长管上设有多个小孔；多点热电偶从反应器顶部多点热电偶接 口插入反应器中；内换热盘管从上到下呈螺旋状缠绕在反应器管上，原料进气管位于反应 器管侧面底部，一端接入反应器管，另一端与内换热盘管通过耐高温接头连接；反应器管与 燃烧室外壁形成空腔为燃烧室；燃烧室的顶部的法兰上有燃烧烟气出口及内换热盘管进料 管；燃烧器置于燃烧室外壁的下方。为进一步实现本专利技术目的，所述空气分布管的小孔在圆形空心长管上呈螺旋状分 布，小孔直径选为2-3mm，相邻两小孔的中心距为20_30mm。所述空气分布管采用无缝不锈钢管制作。所述燃烧室外壁被保温材料包裹，该保温材料为陶瓷纤维，保温材料的厚度大于 10厘米。所述燃烧室外壁下端设有支架，支撑保温材料。所述催化剂为镍基催化剂，以α -Al2O3为载体、金属镍为活性组分，呈蜂窝煤状。所述燃烧室外壁比反应器管长25%。所述燃烧室外壁采用耐高温不锈钢制作。所述的外换热盘管缠绕圈数为8-15圈；内换热盘管缠绕圈数优选为6-10圈。所述的内换热盘管、天然气换热管及水换热管的材质为铜材料。本专利技术的工作原理为天然气与水蒸汽及空气中的氧气发生自热重整反应，其中主 要的反应过程包括CH4+H20 = C0+3H2 ΔΗ= 206. 2kJ/mol (蒸汽重整)CH4+2H20 = C02+4H2 ΔΗ= 164. 9kJ/mol (蒸汽重整)CH4+0. 502 = C0+2H2 ΔΗ = -35. 7kJ/mol (部分氧化)CH4+202 = C02+2H20 ΔΗ = -802. 7kJ/mol (完全氧化)系统工作时先启动燃烧器，给整个装置预热。当重整反应器内温度达到120°C左 右时，通入工艺天然气(流量为5. 2L/min)和工艺水(流量为10. 4mL/min)，两路原料分别 经过外换热盘管预热，混合(水碳比约为2. 5)，及内换热盘管预热，从重整反应器底部进入 重整反应器，此时燃烧器继续加热，进一步提高重整反应器温度到500 600°C，此时天然 气与水蒸汽在催化剂的作用下发生重整反应。此时通入工艺空气(流量为12.4L/min，氧 碳比约为0. 5)，空气经过分布管中的分布孔渗出，与天然气发生氧化反应，为重整反应提供 热量，发生自热重整，产生富氢合成气(流量为30L/min，其中氢气干基含量为45%左右)。 通入空气后，适当调小燃烧器负荷，使工艺水经过外换热盘管后温度稳定在100°C左右。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点1)重整反应器置于燃烧炉中，反应装置结构紧凑，加热、保温及换热效果好，确保 了反应所需的温度条件，并通过保温层减少热能损失；2)采用自热重整制氢，启动速度快，无需更多额外的能量来保证反应的进行，系统 能量消耗小，并且对运行过程中供热与供电负荷变化的适应能力强；3)反应过程采用分布式供氧方式，避免局部温度过高而形成热点，降低对催化剂 的损坏；4)反应在常压下操作，运行安全可靠；5)反应器的结构简单，安装和拆卸方便易行，装置体积小，占地面积少，可置于阳 台，屋檐下等闲置的空间。附图说明图1为一种天然气自热重整制氢的装置的结构示意图。图2为图1的重整反应器及内换热盘管的结构示意图。图3为图1顶部密封法兰的俯视图。图4-1为图3的A-A向剖视图。图4-2为图3的B-B向剖视图。图5为图1的燃烧室外壁及外换热盘管的结构示意图。图6为图1的空气分布管结构示意图。具体实施例方式以下结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的实施方式不限 于此。如图1、2、3、5所示，一种天然气自热重整制氢的装置，包括自热重整反应器、燃烧 室外壁2、燃烧器3、内换热盘管4、外换热盘管、燃烧尾气出口 14、法兰8和混合阀16 ；燃烧 室外壁2为空心圆管，空心圆管内设有自热重整反应器；外换热盘管包括天然气换热管5-1 及水换热管5-2，都分别从下到上呈螺旋状缠绕在燃烧室外壁2外部，用于预热天然气及 水；所述的外换热盘管缠绕圈数优选为8-15圈；在燃烧室外壁2上端设有混合阀16，混合 阀16的入口端分别连接天然气换热管5-1及水换热管5-2，出口端与内换热盘管进料管15 连接，将预热后的天然气及水混合成一路，并与内换热盘管连接；天然气和水在燃烧室外壁 底部流进，盘绕若干圈到顶部流出，通过天然气换热管5-1及水换热管5-2的管道出口的混 合阀16将水蒸汽和天然气混合，进入内换热盘管进料管15。自热重整反应器和燃烧室外壁 2通过法兰8与石墨垫片19密封，石墨垫片19设置在法兰8与燃烧室外壁2之间以及法 兰8与自热重整反应器之间，起到密封作用。自热重整反应器为固定床催化反应器，包括反 应器管1、空气分布管6、多点热电偶13、原料进气管9、催化剂17和反应合成气出气管10。 催化剂17装填于反应器管1中；如图3、4-1、4-2所示，反应器管1顶部的法兰8上设有重 整合成气出口 10、空气分布管插口 11、多点热电偶本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
一种天然气自热重整制氢的装置，其特征在于，包括自热重整反应器、燃烧室外壁、燃烧器、内换热盘管、外换热盘管、燃烧尾气出口、法兰和混合阀；燃烧室外壁为空心圆管，空心圆管内设有自热重整反应器；外换热盘管包括天然气换热管及水换热管，都分别呈螺旋状从下到上缠绕在燃烧室外壁外部，预热天然气及水；在燃烧室外壁上端设有混合阀，混合阀的入口端分别连接天然气换热管及水换热管，出口端与内换热盘管进料管连接，内换热盘管进料管与内换热盘管连接；自热重整反应器和燃烧室外壁通过法兰与石墨垫片密封，石墨垫片设置在法兰与燃烧室外壁之间以及法兰与自热重整反应器之间；自热重整反应器为固定床催化反应器，包括反应器管、空气分布管、多点热电偶、原料进气管、催化剂和反应合成气出气管；催化剂装填于反应器管中；反应器管顶部的法兰上设有重整合成气出口、空气分布管插口和多点热电偶接口；空气分布管从空气分布管插口插入反应器管中，空气分布管为圆形空心长管，在圆形空心长管上设有多个小孔；多点热电偶从反应器顶部多点热电偶接口插入反应器中；内换热盘管从上到下呈螺旋状缠绕在反应器管上，原料进气管位于反应器管侧面底部，一端接入反应器管，另一端与内换热盘管通过耐高温接头连接；反应器管与燃烧室外壁形成空腔为燃烧室；燃烧室的顶部的法兰上有燃烧烟气出口及内换热盘管进料管；燃烧器置于燃烧室外壁的...
【专利技术属性】
技术研发人员：解东来，彭昂，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：81
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。