CN103964379A - 一种集成式变换反应器 - Google Patents

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Abstract

一种集成式变换反应器，集高温变换反应器和低温变换反应器于一体。反应器主体部分为套筒式结构，由多个不同反应腔体组合而成，包括高温变换反应腔、换热腔、低温变换反应腔和隔热腔，大大提高了反应器的紧凑度，降低了反应器的加工难度，并具有体积较小、集成度高、热量利用合理、CO变换效果好等优点。本发明的反应器可以广泛用于含不同浓度CO的混合气体进行CO变换反应，CO浓度范围较宽，最高可达20%左右。特别适用于烃类化合物进行重整制氢反应后产生的重整尾气，经本发明的反应器变换反应后，产品气中CO浓度可控制在0.8%以下。

Description

一种集成式变换反应器
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种集成式变换反应器。
背景技术
燃料电池具有能量转化效率高以及零排放等优点，作为固定式电源和移动式电源具有广阔的应用前景，被认为是本世纪理想的发电形式之一。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)最适宜作为移动电源和动力电源。PEMFC的工作原理是：氧气和氢气分别在电池的阴阳极发生电化学反应产生电能，其中氧气可以用空气代替，而氢气则可以用纯氢或者富氢的重整气，主要有三个方面的来源：钢瓶压缩氢气、金属储氢以及富氢燃料的现场制氢。以天然气等烃类富氢燃料通过现场重整的方式为燃料电池提供氢源是近期乃至中期最现实的燃料电池氢源解决方案。
重整过程将烃类化合物转化为富氢气体，其中约含4～20%左右的CO，由于CO对PEMFC电极的Pt催化剂有毒化作用，要求氢源中只能允许ppm级的CO存在，为满足低CO浓度的要求，一般在重整反应后必须经过进一步处理，才能达到PEMFC所需氢源的要求。目前较为合理的工艺是用CO水气变换反应，可以将4~20%左右的CO转化到1%以下，同时产生出等体积的H2，既大大减轻了后续CO净化工序的负担，又增加了气体中的氢含量，提高了整个制氢***的效率。
CO+H2O→CO2+H2---------------(Q-1)
ΔH298.15=-41.2kJ/mol
如Q-1所示，CO变换反应是微放热反应，受热力学控制，但当CO浓度较高时，放出的热量仍然很大，容易在中、低温变换催化剂床层上产生飞温出现热点，导致催化剂烧结失活。因此，针对CO含量较高的重整尾气，通常采用高温变换反应和低温变换反应相结合的办法，先通过高温变换反应器将CO浓度降低至3%以下，之后通过低温变换反应器将CO浓度降低至1%以下，这样就可以避免低温变换反应催化剂烧结失活的问题。
变换反应器是制氢***中的关键组成部分。在实际应用过程中，高温变换反应器和低温变换反应器各自以独立单元***形式存在，高温变换反应器内装填Fe基催化剂或Pt基催化剂，反应温度在350~500℃之间，而低温变换反应器内装填Cu基催化剂或Pt基催化剂，反应温度在180~280℃之间，需要将高温变换反应器出口尾气温度降低至180~280℃之间，才适合进入低温变换反应器内进行反应。高温变换反应器和低温变换反应器之间不发生直接热量交换，仅仅简单的通过换热器降低高温变换反应器出口尾气温度，因此热量回收利用效率较低。通常受高温变换反应器和低温变换反应器构型及相互之间接口技术的限制，反应器内物料分布很难均匀，会产生较大的径向温度梯度和浓度梯度，导致反应不易控制，对反应产生一定的影响，降低催化剂的利用率。
目前存在的主要问题有三点：（1）高温、低温变换反应器的总体体积较大，集成度较差，不利于整个制氢***的体积比功率的提升；（2）高温、低温变换反应器之间的热量回收利用效率较差，不利于整个***能量效率的提升；（3）变换反应器有限空间内的物料分布需加强。因此，如何提高高温变换、低温变换反应器之间的热量利用效率就是一个核心问题，如何设计在有限空间内即能保障物料分布均匀、变换反应顺利进行又易于加工的变换反应器，是研究集成式变换反应器的另一个核心问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种集成式变换反应器，该变换反应器可以：（1）改进传统高温变换反应器和低温变换反应器作为两个独立单元直接串联引起的体积较大、集成度较差等问题；（2）提高高温变换反应器放出的热量的回收利用效率；（3）改进集成反应器中有限空间内的物料分布不均匀的问题。
本发明提供了一种集成式变换反应器，该反应器的主体部分为套筒式结构，集高温变换反应器和低温变换反应器于一体，包括高温变换反应腔（A）、换热腔（B）、低温变换反应腔（C）、隔热腔（D）、换热器（E）、物料分布器（S-1）和（S-2）。其中，高温变换反应腔（A）位于反应器内腔；低温变换反应腔（C）处于反应器外腔；换热腔（B）位于反应器顶部，连通A、C两腔；B腔内安装换热器（E）；隔热腔（D）位于A、C两腔之间，并与A、B、C三腔均不连通；物料分布器（S-1）安装在高温变换反应腔（A）进口处；物料分布器（S-2）安装在低温变换反应腔（C）进口处。原料气经过物料分布器（S-1）均匀进入高温变换反应腔（A），发生高温变换反应，反应尾气进入B腔进行换热降温，之后经过物料分布器（S-2）进入C腔，发生低温变换反应，最终得到合格的变换反应产品气。
本发明提供的集成式变换反应器，所述高温变换反应腔（A）和低温变换反应腔（C）均采用圆形套筒。高温变换反应腔（A）和低温变换反应腔（C）也可根据实际实验需求改为方形套筒或其它形状套筒。
本发明提供的集成式变换反应器，所述物料分布器（S-1）安装在高温变换反应腔（A）进口处，物料分布器（S-1）为筛板型，根据实际情况设置一层或者多层筛板，以保证原料气均匀进入高温变换反应腔（A）进行反应，提高高温变换反应腔（A）高温变换催化剂的利用效率；筛板形式采用圆孔型或栅格型。
本发明提供的集成式变换反应器，所述物料分布器（S-2）安装在低温变换反应腔（C）进口（F-3）处，物料分布器（S-2）为筛板型，筛板上的孔洞开孔尺寸由内向外逐渐缩小，开孔尺寸和开孔层数可根据实际情况而定，以保证高温变换反应尾气均匀进入低温变换反应腔（C）进行反应，提高低温变换催化剂的利用效率。
本发明提供的集成式变换反应器，所述换热器（E）为列管换热器、盘管换热器或板翅式换热器；通过换热器（E）可降低并控制高温变换反应尾气的温度，使其达到低温变换反应要求的温度范围。以外引冷水为换热冷流介质，可以回收一定的热量，进而提高反应器的能量效率。
本发明提供的集成式变换反应器，所述隔热腔（D）用于控制高温变换反应腔（A）向低温变换反应腔（C）的传热量，并对C腔有强制保温作用。D腔内可以采用中空形式，并与外界保持连通，也可以填充隔热介质，同样需要与外界保持连通。
本发明提供的集成式变换反应器，所述高温变换反应腔（A）、换热腔（B）、低温变换反应腔（C）和隔热腔（D）内均安装热电偶，以监测反应器各腔室的温度变化，为实验操作提供信息反馈。
本发明提供的集成式变换反应器，所述A腔内发生高温变换反应，放出大量的热，通过隔热腔（D）以热传导形式向低温变换反应腔（C）传热，同时起到供热和保温的作用，可大大提高热量利用率。
本发明提供的集成式变换反应器，所述反应器进口原料气中CO浓度范围较宽，最高可达20%。反应器出口产品气中CO浓度可控制在0.8%以下。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：（1）将高温变换反应器、换热器和低温变换反应器集成于一体，使得反应器结构紧凑，体积较小，易于加工，反应易于操作；（2）对两个变换反应腔之间能量的补给和交换进行合理控制和管理，极大提高了全***的能量回收效率；（3）通过合理设置物料分布器改进集成变换反应器有限空间内的物料分布不均匀的问题，有利于提高变换催化剂的利用效率。
附图说明
图1是本发明集成式变换反应器示意图；
图2是高温变换反应腔入口物料分布器示意图；
图3是低温变换反应腔入口物料分布器示意图；
图4是反应器内各腔热电偶布控示意图；
图5是反应器内反应物流走向示意图。
具体实施方式
下面的实施例将对本发明予以进一步的说明，但并不因此而限制本发明。
本发明的集成式变换反应器，主体部分为套筒式结构，集高温变换反应器和低温变换反应器于一体，主要由四部分组成，包括高温变换反应腔（A）、换热腔（B）、低温变换反应腔（C）及隔热腔（D），如图1所示，其中，高温变换反应腔（A）位于反应器最中心的部位；低温变换反应腔（C）处于反应器最外侧；A、C两腔内物料以逆流形式存在；换热腔（B）位于反应器顶部，连通A、C两腔，B腔内安装换热器（E）；隔热腔（D）位于A、C两腔之间，并与A、B、C三腔均不连通。本集成变换反应器具有结构紧凑、体积较小、热量利用合理、物料分布均匀等优点，适用于CO浓度最高可达20%的含CO混合气体进行变换反应。
如图5所示，本设计方案采用了如下描述的流程：
原料气经由集成变换反应器入口（F-1）经过物料分布器（S-1）均匀进入A腔，反应器入口的形状和接口尺寸，主要取决于上游反应器的形状及具体实验情况。物料分布器（S-1）采用筛板形式，如图2所示，圆孔型或栅格型均可。在实际应用过程中，首先采用CFD软件（例如Fluent等）模拟计算并预测反应物料流场分布情况，初步确定筛板的形式和层数，然后在单元部件上进行实验测试，最终结合模拟计算和实验测试结果，确定S-1部件的类型、层数及开孔尺寸，以保证原料气均匀进入A腔进行反应，提高A腔高温变换催化剂的利用效率。
原料气经S-1部件后均匀进入A腔内并发生高温变换反应，A腔内设置热电偶监测催化剂床层的温度分布（如图4所示）。高温变换反应放出大量的热，其中一部分热量以热传导的形式传递到C腔，同时起到为C腔供热和强制保温的作用，以维持C腔内发生低温变换反应所需要的温度窗口，此部分热量的利用有助于集成反应器能量效率的提升。剩余的热量随高温变换反应尾气进入换热腔（B）内。
高温变换反应尾气通过A腔出口（F-2）进入B腔，与换热器（E）进行换热降温，通过E部件可降低并控制高温变换反应尾气的温度，使其达到低温变换反应要求的温度范围，通过B腔内设置的热电偶监测换热效果（图4）。E部件的类型不限，如列管换热器、盘管换热器、板翅式换热器等。在实际应用过程中，首先根据A腔出口反应尾气的温度和流量，通过能量衡算核定A、B、C三腔单元部件的能量输入输出量，确定各个单元过程间的换热量及需回收的热量，计算所需换热面积，最终设计合理的换热器。
E部件冷流介质为外引冷水，通过入口（H-1）进入E部件中，与高温变换反应后的高温尾气进行换热，之后由出口（H-2）流出。通过调节冷水的流量控制入口F-3处高温变换反应尾气的温度，用热电偶进行监测（图4），并通过温度信息反馈来调整换热冷水流量。同时以回收热水的形式回收***的一部分热量，进而提高***的能量利用率。
在入口F-3处设置物料分布器（S-2），采用环状圆孔筛板形式，如图3所示。在实际应用过程中，为预测和确定反应物料的流场分布情况，同样采用CFD模拟计算和实验测试相结合的方式，进而确定筛板上的孔洞开孔数量和尺寸，以及筛板的使用层数，以保证经换热后的高温变换反应尾气均匀进入C腔进行反应，提高低温变换催化剂的利用效率。在本发明中的S-2部件上，开孔尺寸由内向外逐渐缩小。
A、C腔之间的隔热腔（D）内可以是中空的，也可以填充隔热介质，具体视A、C腔之间的导热效果而定，以确保C腔温度窗口适合、反应顺利进行为原则。D腔必须与外界空气保持连通，以防止因集成变换反应器温度升高造成D腔内部压力升高而导致反应器损坏。
经换热后达到一定温度的混合气体，由入口F-3处的S-2部件均匀进入C腔，发生低温变换反应，用热电偶监测温度分布（图4）。维持C腔内的热量供给主要有三部分：入口气体带来的热量、反应放出的热量及A腔通过D腔传导过来的热量。入口F-3处原料气经充分反应后最终得到变换反应产品气，CO浓度控制在0.8%以下，并从集成反应器总出口（F-4）流出进入下一单元。

Claims (10)

1.一种集成式变换反应器，其特征在于：该反应器的主体部分为套筒式结构，集高温变换反应器和低温变换反应器于一体，包括高温变换反应腔（A）、换热腔（B）、低温变换反应腔（C）、隔热腔（D）、换热器（E）、物料分布器（S-1）和（S-2）；
其中，高温变换反应腔（A）位于反应器内腔；低温变换反应腔（C）处于反应器外腔；换热腔（B）位于反应器顶部，连通A、C两腔；B腔内安装换热器（E）；隔热腔（D）位于A、C两腔之间，并与A、B、C三腔均不连通；物料分布器（S-1）安装在高温变换反应腔（A）进口处；物料分布器（S-2）安装在低温变换反应腔（C）进口处；
原料气经过物料分布器（S-1）均匀进入高温变换反应腔（A），发生高温变换反应，反应尾气进入换热腔（B）进行换热降温，之后经过物料分布器（S-2）进入低温变换反应腔（C），发生低温变换反应，最终得到合格的变换反应产品气。
2.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述高温变换反应腔（A）和低温变换反应腔（C）根据实际实验需求采用方形套筒、圆形套筒或其它形状套筒。
3.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述物料分布器（S-1）安装在高温变换反应腔（A）进口处，物料分布器（S-1）为筛板型，根据实际情况设置一层或者多层筛板，筛板形式采用圆孔型或栅格型。
4.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述物料分布器（S-2）安装在低温变换反应腔（C）进口（F-3）处，物料分布器（S-2）为筛板型，筛板上的孔洞开孔尺寸由内向外逐渐缩小，开孔尺寸和开孔层数可根据实际情况而定。
5.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述换热器（E）为列管换热器、盘管换热器或板翅式换热器。
6.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述隔热腔（D）采用中空形式，并与外界保持连通；或者填充隔热介质，同样需要与外界保持连通。
7.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述高温变换反应腔（A）、换热腔（B）、低温变换反应腔（C）和隔热腔（D）内均安装热电偶，以监测反应器各腔室的温度变化，为实验操作提供信息反馈。
8.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述高温变换反应腔（A）内发生高温变换反应，放出大量的热，通过隔热腔（D）以热传导形式向低温变换反应腔（C）传热，同时起到供热和保温的作用，可大大提高热量利用率。
9.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述原料气中CO浓度范围较宽，最高可达20%。
10.按照权利要求1所述集成式变换反应器，其特征在于：所述最终得到的产品气中CO浓度可控制在0.8%以下。
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