一种重整制氢系统技术方案

本发明专利技术公开了一种重整制氢系统，具体地讲涉及一种高效传质传热的套筒式富氢燃料重整制氢系统。该系统包括供热单元、重整器、ＣＯ净化脱除单元，重整器的出口通过换热器与ＣＯ净化脱除单元入口连通，ＣＯ净化脱除单元出口通过换热器与燃料电池的氢气入口相通；供热单元为两层套筒式结构，外腔为燃烧供热腔，内腔为原料加热腔，所述燃烧供热腔上设有富氢燃料入口、氧化剂气体入口和氢气入口，所述燃料电池的尾气出口与燃烧供热腔上的氢气入口连通；所述原料加热腔的出口与重整器的入口连通；所述原料加热腔内壁轴向排布至少两组肋片。该系统结构合理，燃烧和加热均匀，催化剂不易烧结，传质传热性能好，能量利用率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种重整制氢系统，具体地讲涉及一种高效传质传热的富氢燃料套筒式富氢 燃料重整制氢系统。
技术介绍
随着燃料电池工业的迅猛发展，推动了对氢能的研究和开发的热潮。要广泛的利用这种 新型能源动力，首先必须具有可靠稳定的氢源。工业规模的煤和天然气制氢技术虽然成熟， 但是经过氢气的压縮、储存和运输等环节将导致氢气价格大幅上升，同时，现阶段氢能利用 配套基础设施也未建立，因此规模制氢目前尚无法满足各种规模的燃料电池对分散氢源的需 求。而以烃类、醇类等富氢燃料通过现场程中制氢的方式为燃料电池提供氢源成为目前最现 实的燃料电池氢源解决方案之一 。富氢燃料重整制取氢气是燃料电池分布式热电联供系统中关键的一项H2燃料供给技术。 富氢燃料包括醇、醚、天然气、汽油和柴油等。目前研究比较成熟的是甲醇和天然气的重整 制氢技术。醇类、烃类等富氢液体燃料通过重整方式制氢为燃料电池提供氢源具有能量密度大、能 量转换效率高、便于运输和携带等优点，摆脱了氢气的压縮、储运以及安全性方面的不足， 在民用和军用等方面都有广阔的应用前景，是目前公认的燃料电池制氢的研究重点之一。同 时为了满足燃料电池分布式发电的特点，这种重整制氢氢源系统将完全有别于规模化的工厂 式生产，它必须具有体积小、重量轻、启动迅速和能够频繁启停的特点。专利CN1567637专利技术了一种燃料电池燃料供给装置，该燃料供给装置包括燃料罐、重整 器、反应堆、电力变换器、压縮机以及控制装置，具有能量利用效率高的特点，但是该系统 在催化反应单元的温度调节方面缺乏一定的灵活性，同时热量不能在颗粒催化剂床层及时传 递。专利CN1284721专利技术了一种甲醇重整制氢系统，该系统中重整反应器采用了板翅式结构 ，耦合了催化燃烧供热、蒸发和重整反应等过程，具有高效、紧凑的优点，但是该系统在启 动阶段，催化燃烧单元采用H2作为燃料，这样就需要另外储存H2。同时催化燃烧单元有可能存在局部燃料和氧化剂(空气或氧气)集中的现象，这样就有可能在局部剧烈放出大量的热 量，使翅片被烧穿。专利CN2668600利用了板翅式的重整反应器，并且使用板翅式的热交换 器，但是对于供热装置，该专利采用加热器，无法保证反应器和换热器使用的安全性，较薄 的翅片还是容易被烧穿，另外，整个系统的设计相对于能量的充分利用来说，还有提高的余 地。
技术实现思路
本专利技术提供的重整制氢系统，结构合理，燃烧和加热均匀，催化剂不易烧结，传质传热 性能好，能量利用率高，系统稳定、可靠，可以广泛应用于重整制氢过程。 为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下一种重整制氢系统，包括供热单元、重整器、CO净化脱除单元，重整器的出口通过换热 器与CO净化脱除单元入口连通，CO净化脱除单元出口通过换热器与燃料电池的氢气入口相通 ;供热单元为两层套筒式结构，外腔为燃烧供热腔，内腔为原料加热腔，所述燃烧供热腔上 设有富氢燃料入口、氧化剂气体入口和氢气入口，所述燃料电池的尾气出口与燃烧供热腔上的氢气入口连通；所述原料加热腔的出口与重整器的入口连通；所述原料加热腔内壁轴向排 布至少两组肋片。所述原料加热腔的出口与重整器的入口之间设有气体均匀分布器。所述富氢燃料为甲醇、甲烷、二甲醚、氢气、乙醇、天然气、城市煤气、液化石油气、 汽油、煤油或柴油。所述氧化剂气体为氧气或空气。所述燃烧供热腔内的燃烧为催化燃烧或点火燃烧，优选为催化燃烧。所述原料加热腔中的原料为富氢燃料和水，所述富氢燃料为甲醇、甲烷、甲醇溶液、二 甲醚、乙醇、天然气、城市煤气、液化石油气、汽油、煤油或柴油。在所述重整器与CO净化脱除单元之间设有CO变换反应单元，包括高、低温变换反应器、 分别设于高、低温变换反应器入口的换热器。所述CO净化脱除单元包括至少一组CO脱除反应器，CO脱除反应器的入口设有换热器，所 述CO脱除反应器为CO选择性氧化反应器或CO甲烷化反应器。所述燃烧供热腔的尾气出口经换热器后排空。所述原料管路与各换热器的冷料入口并联连通，各换热器的冷料出口并联通过原料加热 腔与重整器连通。所述CO净化脱除单元之后的换热器与燃料电池的氢气入口之间可设有气液分离装置。所述至少两组肋片为三组，每组至少两片，组与组之间沿腔体中轴径向递次错开，优选 为每组为八片，各组之间相邻的肋片之间沿腔体中轴径向呈15°角递次错开，这样可以避免 气流只能轴向流动，使气流能够径向和轴向错流混合均匀。所述每片肋片上可开有至少一个孔，开孔面积为肋片面积的10-60%，这样可以使气流混 合更加均匀，传质效果更好。所述肋片间可填充蓄热材料，所述蓄热材料为钢珠或石英砂，使得热量尽可能的集中在 原料加热腔内，增大传热面积和传热速率，气体经过时传热效果更好。反应操作启动阶段，供热单元通过催化燃烧供热，系统稳定运行后，燃料为燃料电池阳 极尾气剩余氢气，室温下就可以进行催化燃烧反应。催化燃烧容易控制，燃烧尾气的温度可 以通过含氧气气体和燃料的摩尔比例进行调节。为了减少燃烧单元的热量损失，提高系统的 能量利用效率，从燃烧供热腔出来的高温尾气进入换热器，与流经换热器的原料换热，为重 整制氢反应提供所需求的热量，在催化剂作用下原料蒸汽发生重整反应，反应产生富氢气体如果富氢气体中C0的浓度高于2。/。，那么从重整器出来的富氢气体可以通过CO高、低 温变换反应单元，将CO浓度降至P/。以下。CO高温变换反应催化剂为颗粒或结构型催化剂，从 重整器出来的富氢气体通过换热器进行热交换，将气体温度降低至CO高温变换反应催化剂的 活性温度区间内(450-55CTC);从CO高温变换反应出来的富氢气体通过换热器进行热交换 ，将气体温度降低至CO低温变换反应催化剂的活性温度区间内(140-17CTC)。CO净化脱除单元应用CO选择性氧化反应或者CO甲烷化反应，将CO的体积浓度由1%-2%降 低至10ppm。催化剂为颗粒或者结构型催化剂，从CO低温变换反应单元出来的富氢气体通过 换热器进行热交换，将气体温度降低至CO净化脱除催化剂的活性温度区间内(80-20CTC)。从CO净化脱除单元出来的富氢气体经过换热器和气液分离装置后，变为温度为6(TC-70 'C之间的含饱和水蒸气富氢气体，富氢气体供给燃料电池进行发电。从燃料电池阳极出来的 尾气氢气进入燃烧换热腔燃烧，使能量能到充分的利用。本专利技术具有下述优点1.本专利技术采用两层套筒式结构为重整反应提供热源，使用富氢燃料燃烧后的高温尾气6为重整原料加热，使重整反应过程中供热及时；另外，在原料加热腔内设置肋片以及在肋 片上开孔，传质传热效果更好，解决了供热与重整一体式重整反应系统易出现的局部温升 过高，催化剂易烧结的问题；2. 燃烧器主体采用两种燃料分段燃烧的方式反应操作启动阶段，燃烧原料为富氢燃 料；系统稳定运行后，切断富氢燃料供给，燃料改为燃料电池阳极尾气剩余氢气。这样既 节约成本，又提高了系统的利用率；3. 原料加热采用蓄热体增加热传导面积，改变流体流动方式，从而达到充分换热的效果；4. 重整产品气中CO浓度经过高效的CO净化催化剂脱除后，C0浓度降至10ppm，有效保障 了燃料电池的发电性能；5. 各换热器的余热回收，有效地避免了能源的浪费。 附图说明图l为本专利技术的重整制氢系统的结构示意图2为本专利技术的燃本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种重整制氢系统，包括供热单元、重整器（６）、ＣＯ净化脱除单元，重整器（６）的出口通过换热器（１２）与ＣＯ净化脱除单元入口连通，ＣＯ净化脱除单元出口通过换热器（１６）与燃料电池（１７）的氢气入口相通；其特征在于，供热单元为两层套筒式结构，外腔为燃烧供热腔（２），内腔为原料加热腔（１），所述燃烧供热腔（２）上设有富氢燃料入口（４）、氧化剂气体入口（２０）和氢气入口（５），所述燃料电池（１７）的尾气出口（１８）与燃烧供热腔（２）上的氢气入口（５）连通；所述原料加热腔（１）的出口与重整器（６）的入口连通；所述原料加热腔（１）内壁轴向排布至少两组肋片（３）。

【技术特征摘要】
1.一种重整制氢系统，包括供热单元、重整器(6)、CO净化脱除单元，重整器(6)的出口通过换热器(12)与CO净化脱除单元入口连通，CO净化脱除单元出口通过换热器(16)与燃料电池(17)的氢气入口相通；其特征在于，供热单元为两层套筒式结构，外腔为燃烧供热腔(2)，内腔为原料加热腔(1)，所述燃烧供热腔(2)上设有富氢燃料入口(4)、氧化剂气体入口(20)和氢气入口(5)，所述燃料电池(17)的尾气出口(18)与燃烧供热腔(2)上的氢气入口(5)连通；所述原料加热腔(1)的出口与重整器(6)的入口连通；所述原料加热腔(1)内壁轴向排布至少两组肋片(3)。2.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于所述原料加热腔(1) 的出口与重整器(6)的入口之间设有气体均匀分布器(7)。3.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于所述富氢燃料为 甲醇、甲烷、二甲醚、氢气、乙醇、天然气、城市煤气、液化石油气、汽油、煤油或柴油。4.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于所述氧化剂气体 为氧气或空气。5.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于所述燃烧供热腔(2) 内的燃烧为催化燃烧或点火燃烧。6.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于所述原料加热腔 (1)中的原料为富氢燃料和水。7.根据权利要求6所述的重整制氢系统，其特征在于所述富氢燃料为 甲醇、甲烷、甲醇溶液、二甲醚、乙醇、天然气、城市煤气、液化石油气、汽油、煤油或柴 油。8.根据权利要求l所述的重整制氢系统，其特征在于在所述重整器( 6)与CO净化脱除单元之间设有CO变换反应单元，包括高、低温变换反应器(9、 11)、分别 设于高、低温变换反应器入口的换热器...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖钢，王义，周帅林，
申请(专利权)人：汉能科技有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]