CN102447122A - 一种集成式催化燃烧蒸发器 - Google Patents

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王树东
潘立卫
袁中山
倪长军
曹磊
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Abstract

本发明涉及一种集成式催化燃烧蒸发器，其中：主体部分为套筒式结构，由多个不同的空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔组合而成，相邻的燃烧腔和蒸发腔之间均有导热板相隔；不同腔内部加设有波纹板；可燃气体和空气在燃烧腔内部发生混合，并在燃烧腔内的催化剂床层上发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给蒸发腔，使得流经蒸发腔的物料被迅速气化。本发明的集成式催化燃烧器结构紧凑，可以广泛用于强放热和吸热的耦合反应体系，可实现燃烧蒸发器的小型化。

Description

一种集成式催化燃烧蒸发器
技术领域
本发明涉及一种集成式催化燃烧蒸发器，特别适用于燃料电池制氢***、现场制氢***和集中规模站制氢***中原料的快速预热和气化；还可以广泛用于燃料电池和制氢***的集成体系中，脱除燃料电池阳极尾气中的残余氢气，并回收脱除过程中产生的热量对制氢***中的反应原料进行气化。
背景技术
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，能量转换效率高，对环境污染小。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢为燃料，目前PEMFC供氢技术有两类：一是燃料电池携带纯氢；二是碳氢燃料现场制氢。因为纯氢价格高、安全性差、纯氢的输送储存及加注困难，导致使用纯氢必然限制了燃料电池的规模应用。因此通过现有的化石燃料的储运加注设施，利用燃料重整制氢的方式与PEMFC联合使用成为国际的通用方法。但是PEMFC燃料电池对重整氢气的质量要求高，有害杂质(如CO)含量要求在ppm级，同时由于重整气中氢气含量一般不超过70％，燃料电池不能完全消耗掉所有的氢气，多余的氢气如不加利用而直接以燃烧形式排放掉，将极大地浪费能源。
重整制氢过程的反应温度一般较高，天然气等烃类化合物重整制氢在700-900℃，甲醇重整温度相对较低，但各种甲醇重整技术的反应温度也在300-600℃之间，因此，反应原料(尤其是液体原料)必须气化后进入重整反应器，这就需要加设燃烧锅炉，但PEMFC电源***面对的市场主要在分散式供电***方面，分散式电源***在***小型化和比功率密度方面有严格的要求，加设燃烧锅炉无法满足相关技术的需求，因此，利用燃料电池不能完全消耗掉贫燃气体催化燃烧蒸发反应原料，设计集成式催化燃烧蒸发器就显得尤为重要。
发明内容
本发明目的在于提供一种集成式催化燃烧蒸发器，该催化燃烧蒸发器可以解决：一、可燃气体(包括贫燃气体)的完全燃烧，热量的充分利用；二、催化燃烧反应快速启动，为反应原料的迅速气化提供热量；三、具有高比功率密度，实现***小型化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种集成式催化燃烧蒸发器，主体部分为套筒式结构，由多个不同的空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔组合而成，腔与腔之间均有传热板相隔；从外侧到中间的腔体依次为空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔，每个腔内部均加设有波纹板；
燃烧腔内装有燃烧催化剂，可燃气体和空气在燃烧腔发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给空气预热腔和液体气化腔；
燃烧腔上部设有空气进口、侧壁设有氢气入口；空气预热腔上部设有空气入口、下部设有空气出口，空气出口通过外接管路与燃烧腔上部的空气进口连接；燃烧腔的下部与热交换腔的下部相连通，热交换腔上部设有出口；
液体预气化腔上部设有原料入口，液体预气化腔的下部与液体气化腔的下部相连通，液体气化腔上部设有原料气体出口。
在液体预气化腔的原料入口处设置有液体分布器，使原料可以均匀进入到液体预气化腔。
空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔，相邻两个腔内的物流可以是逆流流动也可以是并流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。
除了液体预气化腔和燃烧腔之间的物流呈并流流动外，其余相邻两个腔内的物流均呈逆流流动，即空气预热腔与热交换腔、热交换腔与液体预气化腔，燃烧腔与液体气化腔的物流均呈逆流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。
为了燃烧更加充分和完全，燃烧腔上部空间设有可燃气体的混合空间；氢气入口通过分布管进入混合空间；
在燃烧腔上部的空气进口处设有空气分布器，空气均匀吹入到混合空间，在此空气和氢气充分混合，并进入到燃烧腔，在催化剂表面上进行催化燃烧反应，温度可以通过进入燃烧腔的空气量或氢气量调节；进入燃烧腔的空气在进入燃烧腔前先进入到空气预热腔，预热后的空气再经过燃烧腔入口分布器，气流可均匀进入到燃烧腔；进入燃烧腔的可燃气体分别通过相应的气体分布器进入燃烧腔，并在燃烧腔前端进行充分混合，燃烧腔内的催化燃烧反应温度可控。
本催化燃烧蒸发器的多层套筒的横截面可以是圆形的，也可根据实际需求设计为正方形、长方形或其他几何形状。本催化燃烧蒸发器的燃烧腔内装填有用于催化燃烧的催化剂，也可以将催化剂直接壁载在燃烧腔内部的波纹板表面；催化燃烧蒸发器可以采用富燃料气，也可以采用可燃组分含量低的贫燃料气，还可以采用液体燃料；整个催化燃烧蒸发器的启动和运行过程均不需要外界的任何能量而稳定运行。不同腔内部加设的波纹板截面形状可以是圆形、三角形、楔形、正方形、长方形、梯形、正弦曲线形等多种不同的几何形状。
本发明的优点在于：
一、利用高效的催化燃烧催化剂，结合可燃气体充分混合和合理分布；二、采用了高效和集成的多层套筒式结构，将多个吸热、放热过程集成在同一催化燃烧蒸发器中，极大程度提高催化燃烧蒸发器的集成度和比功率密度；同时内置波纹板的设计强化传热，减少传热阻力；三、合理匹配放热腔和吸热腔之间的吸放热过程，使得催化燃烧蒸发器的蒸发效果极佳。
附图说明
图1是集成式催化燃烧蒸发器装配示意图；
图2是催化燃烧蒸发器的剖面图；
图3是催化燃烧蒸发器在不同蒸汽生产量下的能量效率。
具体实施方式
一种集成式催化燃烧蒸发器，其中：主体部分为套筒式结构，由多个不同的空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔组合而成，相邻的燃烧腔和蒸发腔之间均有导热板相隔；不同腔内部加设有波纹板；可燃气体和空气在燃烧腔内部发生混合，并在燃烧腔内的催化剂床层上发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给蒸发腔，使得流经蒸发腔的物料被迅速气化。本发明的集成式催化燃烧器结构紧凑，可以广泛用于强放热和吸热的耦合反应体系，可实现燃烧蒸发器的小型化。
如图1所示的集成式催化燃烧蒸发器，本实施例以燃料电池制氢***中所需的催化燃烧蒸发器为例。本发明的集成式催化燃烧蒸发器中用于燃烧的可燃气体为氢气，其设计量为单位催化燃烧蒸发器可气化水80ml/min。图1所示的催化燃烧蒸发器主体为套筒式结构，从外到内共有5个腔，包括空气预热腔11、热交换腔12、液体预气化腔13、燃烧腔14和液体气化腔15，每个腔内均设置有波纹板。除了液体预气化腔13和燃烧腔14之间的物流呈并流流动外，其余相邻两个腔内的物流均呈逆流流动。也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。燃烧腔14内装有燃烧催化剂，为了燃烧更加充分和完全，燃烧腔14上部空间设有可燃气体的混合空间16。
本设计方案采用了如下描述的流程，氢气由入口1a通过分布管17进入混合空间16，充分保证可燃气体的分布均匀；空气由入口1b进入到空气预热腔11，空气在和热交换腔12内的燃烧尾气换热后由出口1c流出，并通过外接管路的连接再次由入口1d进入到催化燃烧蒸发器中，通过空气分布器18，空气均匀吹入到混合空间16，在此空气和氢气充分混合，并进入到燃烧腔14，在催化剂表面上进行催化燃烧反应，温度可以通过进入燃烧腔的空气量或氢气量调节。氢氧混合气在燃烧腔14内完全反应后，其高温的燃烧尾气进入热交换腔12，在此热交换腔中，高温燃烧尾气分别与空气预热腔11中的室温空气、液体预气化腔13中的室温液体进行换热，经过换热后的燃烧尾气以较低的温度由出口1e排出外部。
需要气化的原料(本实施例中采用水为代表原料)先由入口1f进入催化燃烧蒸发器，并通过设置在液体预气化腔13入口处的液体分布器19均匀进入到液体预气化腔13，在液体预气化腔13内室温的液体通过和相邻高温腔体之间的换热得到初步的预热，预热后的液体最终进入液体气化腔15，原料液在此得到充分气化，气化到达的温度可以根据要求通过燃烧腔燃烧气体的量来调节，气化后的原料气体由出口1g排出催化燃烧蒸发器。
按上述设计方案设计制造的催化燃烧蒸发器体积约为5L，燃烧催化剂装添量约为280mL。实验中催化燃烧蒸发器能量效率保持在70％以上(见图3)，本发明完全达到设计要求。

Claims (8)

1.一种集成式催化燃烧蒸发器，主体部分为套筒式结构，由多个不同的空气预热腔(11)、热交换腔(12)、液体预气化腔(13)、燃烧腔(14)和液体气化腔(15)组合而成，腔与腔之间均有传热板相隔；从外侧到中间的腔体依次为空气预热腔(11)、热交换腔(12)、液体预气化腔(13)、燃烧腔(14)和液体气化腔(15)，每个腔内部均加设有波纹板；
燃烧腔(14)内装有燃烧催化剂，可燃气体和空气在燃烧腔(14)内发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给液体预气化腔(13)和液体气化腔(15)；
燃烧腔(14)上部设有空气进口(1d)、侧壁设有氢气入口(1a)；空气预热腔(11)上部设有空气入口(1b)、下部设有空气出口(1c)，空气出口(1c)通过外接管路与燃烧腔(14)上部的空气进口(1d)连接；燃烧腔(14)的下部与热交换腔(12)的下部相连通，热交换腔(12)上部设有出口(1e)；
液体预气化腔(13)上部设有原料入口(1f)，液体预气化腔(13)的下部与液体气化腔(15)的下部相连通，液体气化腔(15)上部设有原料气体出口(1g)。
2.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：
在液体预气化腔(13)的原料入口(1f)处设置有液体分布器(19)，使原料可以均匀进入到液体预气化腔(13)。
3.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：空气预热腔(11)、热交换腔(12)、液体预气化腔(13)、燃烧腔(14)和液体气化腔(15)的相邻两个腔内的物流可以是逆流流动也可以是并流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。
4.根据权利要求3所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：
除了液体预气化腔(13)和燃烧腔(14)之间的物流呈并流流动外，其余相邻两个腔内的物流均呈逆流流动，即空气预热腔(11)与热交换腔(12)、热交换腔(12)与液体预气化腔(13)，燃烧腔(14)与液体气化腔(15)的物流均呈逆流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。
5.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：
为了燃烧更加充分和完全，燃烧腔(14)上部空间设有可燃气体的混合空间(16)；氢气入口(1a)通过分布管(17)进入混合空间(16)；
在燃烧腔(14)上部的空气进口(1d)处设有空气分布器(18)，空气均匀吹入到混合空间(16)，在此空气和氢气充分混合，并进入到燃烧腔(14)，在催化剂表面上进行催化燃烧反应，温度可以通过进入燃烧腔(14)的空气量或氢气量调节；进入燃烧腔(14)的空气在进入燃烧腔(14)前先进入到空气预热腔(11)，预热后的空气再经过燃烧腔(14)入口处的空气分布器(18)，气流可均匀进入到燃烧腔(14)；进入燃烧腔(14)的可燃气体分别通过相应的气体分布器进入燃烧腔(14)，并在燃烧腔(14)前端进行充分混合，燃烧腔(14)内的催化燃烧反应温度可控。
6.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：所述的催化燃烧蒸发器的多层套筒的横截面可以是圆形的，也可根据实际需求设计为正方形、长方形或其他几何形状。
7.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：所述的催化燃烧蒸发器的燃烧腔(14)内装填有用于催化燃烧的催化剂，也可以将催化剂直接壁载在燃烧腔(14)内部的波纹板表面；催化燃烧蒸发器可以采用富燃料气，也可以采用可燃组分含量低的贫燃料气，还可以采用液体燃料；整个催化燃烧蒸发器的启动和运行过程均不需要外界的任何能量而稳定运行。
8.根据权利要求1所述的催化燃烧蒸发器，其特征在于：不同腔内部加设的波纹板截面形状可以是圆形、三角形、楔形、正方形、长方形、梯形、正弦曲线形等多种不同的几何形状。
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