[實用新型]一種天然氣自熱重整制氫的設備

無效

• 申請號: 201020551121.2
• 申請日: 2010-09-29
• 公開（公告）號: CN201809162U
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發明（設計）人: 解東來;彭昂
• 申請（專利權）人: 華南理工大學
• 主分類號: C01B3/38
• 分類號: C01B3/38
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 李衛東

技術領域

本專利涉及一種常壓的天然氣自熱重整制氫設備，用于為千瓦級質子交換膜燃料電池熱電聯產系統提供富氫合成氣。

技術背景

氫能是一種新型的高效清潔能源，被視為解決溫室效應問題，提高能量利用率的有效替代能源。但氫氣不是自然界中大量存在的一次資源，并且其密度低，易燃易爆，儲存和運輸的費用高，危險性大，如何便捷地獲取氫氣是氫能得以廣泛利用的瓶頸之一。天然氣水蒸氣重整技術是目前工業上最普遍采用的生產氫氣及合成氣的技術方法，典型的反應溫度為800-900℃，壓力為2.5-3.5MPa。隨著天然氣的大量開發，尤其是管道天然氣在城鎮中普及，為分布式氫氣生產提供了充足的、廉價的天然氣原料。

雖然天然氣重整制氫技術在工業上已經得到普遍應用，但是該技術在小型化分布式制氫中還有很多問題需要解決。該反應是強吸熱反應，能量供應和傳熱是該反應的一個瓶頸問題，工業上常用的反應器體積龐大，不適合用于家庭及小型商業用戶的千瓦級燃料電池系統中分布式氫氣生產的要求。

實用新型內容

本實用新型的目的在于克服現有的技術缺點，為千瓦級小型燃料電池熱電聯產系統提供一種快速，安全，高效的制氫設備，該設備采用城市管道天然氣為原料來源，結構緊湊，方便操作，體積小，易于安裝。

本實用新型的目的通過如下技術方案實現：

一種天然氣自熱重整制氫的設備，包括自熱重整反應器、燃燒室外壁、燃燒器、內換熱盤管、外換熱盤管、燃燒尾氣出口、法蘭和混合閥；燃燒室外壁為空心圓管，空心圓管內設有自熱重整反應器；外換熱盤管包括天然氣換熱管及水換熱管，都分別呈螺旋狀從下到上纏繞在燃燒室外壁外部，預熱天然氣及水；在燃燒室外壁上端設有混合閥，混合閥的入口端分別連接天然氣換熱管及水換熱管，出口端與內換熱盤管進料管連接，內換熱盤管進料管與內換熱盤管連接；自熱重整反應器和燃燒室外壁通過法蘭與石墨墊片密封，石墨墊片設置在法蘭與燃燒室外壁之間以及法蘭與自熱重整反應器之間；自熱重整反應器為固定床催化反應器，包括反應器管、空氣分布管、多點熱電偶、原料進氣管、催化劑和反應合成氣出氣管；催化劑裝填于反應器管中；反應器管頂部的法蘭上設有重整合成氣出口、空氣分布管插口和多點熱電偶接口；空氣分布管從空氣分布管插口插入反應器管中，空氣分布管為圓形空心長管，在圓形空心長管上設有多個小孔；多點熱電偶從反應器頂部多點熱電偶接口插入反應器中；內換熱盤管從上到下呈螺旋狀纏繞在反應器管上，原料進氣管位于反應器管側面底部，一端接入反應器管，另一端與內換熱盤管通過耐高溫接頭連接；反應器管與燃燒室外壁形成空腔為燃燒室；燃燒室的頂部的法蘭上有燃燒煙氣出口及內換熱盤管進料管；燃燒器置于燃燒室外壁的下方。

為進一步實現本實用新型目的，所述空氣分布管的小孔在圓形空心長管上呈螺旋狀分布，小孔直徑選為2-3mm，相鄰兩小孔的中心距為20-30mm。

所述空氣分布管采用無縫不銹鋼管制作。

所述燃燒室外壁被保溫材料包裹，該保溫材料為陶瓷纖維，保溫材料的厚度大于10厘米。

所述燃燒室外壁下端設有支架，支撐保溫材料。

所述催化劑為鎳基催化劑，以α-Al₂O₃為載體、金屬鎳為活性組分，呈蜂窩煤狀。

所述燃燒室外壁比反應器管長25％。

所述燃燒室外壁采用耐高溫不銹鋼制作。

所述的外換熱盤管纏繞圈數為8-15圈；內換熱盤管纏繞圈數優選為6-10圈。

所述的內換熱盤管、天然氣換熱管及水換熱管的材質為銅材料。

本實用新型的工作原理為天然氣與水蒸汽及空氣中的氧氣發生自熱重整反應，其中主要的反應過程包括：

CH₄+H₂O＝CO+3H₂ΔH＝206.2kJ/mol(蒸汽重整)

CH₄+2H₂O＝CO₂+4H₂ΔH＝164.9kJ/mol(蒸汽重整)

CH₄+0.5O₂＝CO+2H₂ΔH＝-35.7kJ/mol(部分氧化)

CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂OΔH＝-802.7kJ/mol(完全氧化)