CN105174214A - 一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置 - Google Patents

一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置 Download PDF

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解东来
王炳淇
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Abstract

本发明公开了一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置，包括燃烧室本体、置于燃烧室本体下方的燃烧器、装有催化剂的反应管、分别呈螺旋状缠绕在燃烧室本体外壁的天然气换热管和水换热管、呈螺旋状缠绕在燃烧室本体内壁的内换热盘管；通入天然气换热管的天然气以及通入水换热管的水，分别自下而上进入混合阀内混合，混合后再进入进料管，然后自上而下螺旋式经过内换热盘管，最后流入反应管内。本制氢工艺及装置的换热系数高，温度均匀，无局部热点，催化剂催化效率提高，床层压力降减少，可适用于低压天然气，而且含氢合成气中CO含量低，消耗小，安装和拆卸方便易行，体积小，占地面积少，可置于阳台，屋檐下等闲置的空间。

Description

一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置
技术领域
本发明涉及制氢装置，尤其涉及一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置。
背景技术
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℃，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，工业上常用的固定床反应器体积庞大，不适合用于家庭及小型商业用户的千瓦级燃料电池***中分布式氢气生产的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的方法及装置，其快速、安全、高效，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。
本发明通过下述技术方案实现：
一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，包括燃烧室本体2、置于燃烧室本体2下方的燃烧器3、装有催化剂16的反应管1、分别呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2外壁的天然气换热管5和水换热管6、呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2内壁的内换热盘管4；
所述反应管1置于燃烧室本体2内部，燃烧室本体2及反应管1的上端开口均通过一盖板8密封；
所述天然气换热管5和水换热管6的出口端分别接混合阀14的两个入口端，混合阀14出口端通过进料管13连通内换热盘管4的上端口，内换热盘管4的下端口通过反应管1底部的下密封头17连通反应管1的内部；
所述反应管1的外壁与燃烧室本体2的内壁之间的空隙形成燃烧室7；
在对应于燃烧室7的盖板8上设有燃烧室尾气出口12，在对应于反应管1的盖板8上设有反应合成气出气管10；
通入天然气换热管5的天然气以及通入水换热管6的水，分别自下而上进入混合阀14内混合，混合后再进入进料管13，然后自上而下螺旋式经过内换热盘管4，最后由反应管1的底部流入反应管1内。
所述反应管1的下端与下密封头17的之间设置有分布器15，催化剂16填充在分布器15的上方空间内。
所述内换热盘管4的管径大于天然气换热管5和水换热管6的管径。
所述反应管1的下密封头17为圆弧封头，内换热盘管4的下端口通过原料进气管9连接在圆弧封头的侧边。
所述反应合成气出气管10的进口端设有尾气过滤器10-1。
所述反应管1内设有多点热电偶11，多点热电偶11贯穿盖板8并固定在其上。
所述天然气换热管5和水换热管6的缠绕圈数为8～15圈；内换热盘管4的缠绕圈数为6～10圈。
所述燃烧器3为大气式燃烧器。
所述催化剂16为镍基催化剂。
应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢方法如下：
(1)、启动燃烧器3，先对反应管1、燃烧室7、内换热盘管4进行加热；
(2)、当反应管1内部测温点温度在110℃～120℃以上时，先向水换热管6内通水，水流自下而上经螺旋状进入水换热管6、混合阀14、进料管13后，再自上而下螺旋状进入内换热盘管4加热后变成过热水蒸汽，并通过原料进气管9进入反应管1内，用于吹扫反应管1及管路；
(3)、当反应管1的测温点温度达到500℃～600℃时，向天然气换热管5中通入天然气，天然气自下而上螺旋状经天然气换热管5后流入混合阀14，并在混合阀14内与水混合后一同经进料管13再自上而下螺旋状进入内换热盘管4，经过燃烧器3加热后变成过热水蒸气与天然气的混合物进入反应管1，此时天然气与水蒸汽在反应管1内催化剂16的作用下发生重整反应，产生富氢合成气，富氢合成气再经过尾气过滤器10-1，最后由反应合成气出气管10输出。
本发明天然气换热管5和水换热管6呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2外壁，内换热盘管4呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2内壁；通入天然气换热管5的天然气以及通入水换热管6的水，分别自下而上进入混合阀14内混合，混合后再进入进料管13，然后自上而下螺旋式经过内换热盘管4，最后由反应管1的底部流入反应管1内。与现有固定床反应器相比，本制氢装置的换热系数大大提高，床层温度均匀，无局部热点，催化剂催化效率提高，床层压力降减少，可适用于低压天然气。
本发明的反应管1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，为了进一步减少热能损失，可在燃烧室本体2外部增加保温层，则使用效果更好。
综上所述，本发明技术手段简便易行，含氢合成气中CO含量低，消耗小，安装和拆卸方便易行，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为本发明整体结构示意图。
图2为图1燃烧室本体2外壁螺旋缠绕的天然气换热管5和水换热管6的局部结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。
实施例
如图1、2所示。本发明一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，包括燃烧室本体2(可采用空心管状)、置于燃烧室本体2下方的燃烧器3、装有催化剂16的反应管1、分别呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2外壁的天然气换热管5和水换热管6、呈螺旋状缠绕在燃烧室本体2内壁的内换热盘管4；所述天然气换热管5和水换热管6的缠绕圈数为8～15圈；内换热盘管4的缠绕圈数为6～10圈。
所述反应管1置于燃烧室本体2内部，燃烧室本体2及反应管1的上端开口均通过一盖板8密封；燃烧室本体2及反应管1的上端开口与盖板8之间衔接处可增加石墨垫片，已提高密封性能。
所述天然气换热管5和水换热管6的出口端分别接混合阀14的两个入口端，混合阀14出口端通过进料管13连通内换热盘管4的上端口，内换热盘管4的下端口通过反应管1底部的下密封头17连通反应管1的内部；
所述反应管1的外壁与燃烧室本体2的内壁之间的空隙形成燃烧室7；
在对应于燃烧室7的盖板8上设有燃烧室尾气出口12，在对应于反应管1的盖板8上设有反应合成气出气管10；反应合成气出气管10的进口端设有尾气过滤器10-1。
通入天然气换热管5的天然气(工艺天然气)以及通入水换热管6的水(工艺水)，分别自下而上进入混合阀14内混合，混合后再进入进料管13，然后自上而下螺旋式经过内换热盘管4，最后由反应管1的底部流入反应管1内。
所述反应管1的下端与下密封头17的之间设置有分布器15，催化剂16填充在分布器15的上方空间内。反应管1与下密封头17之间、以及分布器15与反应管1之间的衔接部位增加石墨垫片，已提高密封性能。
所述内换热盘管4的管径大于天然气换热管5和水换热管6的管径。
所述反应管1的下密封头17为圆弧封头，内换热盘管4的下端口通过原料进气管9连接在圆弧封头的侧边。
所述反应管1内设有多点热电偶11，多点热电偶11贯穿盖板8并固定在其上。
所述燃烧器3为大气式燃烧器。大气式燃烧器中心还安装自动点火及熄火保护装置。通过燃烧器的进料阀门调节进气量和火力大小。换热后的烟气经过燃烧室尾气出口12排放，排烟温度维持在500℃左右。
所述催化剂16为镍基催化剂。优选由山东齐鲁石化科力化工研究所生产的重整制氢催化剂，该催化剂以α-Al2O3为载体、金属镍为活性组分，催化剂平均粒径60微米。
应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢方法，可通过如下步骤实现：
(1)、启动燃烧器3，先对反应管1、燃烧室7、内换热盘管4进行加热；
(2)、当反应管1内部测温点温度在110℃～120℃以上时，先向水换热管6内通水，水流自下而上经螺旋状进入水换热管6、混合阀14、进料管13后，再自上而下螺旋状进入内换热盘管4加热后变成过热水蒸汽，并通过原料进气管9进入反应管1内，用于吹扫反应管1及管路；
(3)、当反应管1的测温点温度达到500℃～600℃时，向天然气换热管5中通入天然气，天然气自下而上螺旋状经天然气换热管5后流入混合阀14，并在混合阀14内与水混合后一同经进料管13再自上而下螺旋状进入内换热盘管4，经过燃烧器3加热后变成过热水蒸气与天然气的混合物(混合物中水与碳的摩尔比为2～3:1)进入反应管1，此时天然气与水蒸汽在反应管1内催化剂16的作用下发生重整反应，产生富氢合成气，富氢合成气再经过尾气过滤器10-1，最后由反应合成气出气管10输出。
具体说，天然气与水蒸汽在反应管1内催化剂16的作用下发生重整反应(CH4+H2O＝CO+3H2)，当反应达到稳态时，天然气的流量为330L/H，水碳比为2.5左右，反应温度约为700℃。在此条件下氢气产量约为800L/H。
如上所述，便可较好地实现本发明。
本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：包括燃烧室本体(2)、置于燃烧室本体(2)下方的燃烧器(3)、装有催化剂(16)的反应管(1)、分别呈螺旋状缠绕在燃烧室本体(2)外壁的天然气换热管(5)和水换热管(6)、呈螺旋状缠绕在燃烧室本体(2)内壁的内换热盘管(4)；
所述反应管(1)置于燃烧室本体(2)内部，燃烧室本体(2)及反应管(1)的上端开口均通过一盖板(8)密封；
所述天然气换热管(5)和水换热管(6)的出口端分别接混合阀(14)的两个入口端，混合阀(14)出口端通过进料管(13)连通内换热盘管(4)的上端口，内换热盘管(4)的下端口通过反应管(1)底部的下密封头(17)连通反应管(1)的内部；
所述反应管(1)的外壁与燃烧室本体(2)的内壁之间的空隙形成燃烧室(7)；
在对应于燃烧室(7)的盖板(8)上设有燃烧室尾气出口(12)，在对应于反应管(1)的盖板(8)上设有反应合成气出气管(10)；
通入天然气换热管(5)的天然气以及通入水换热管(6)的水，分别自下而上进入混合阀(14)内混合，混合后再进入进料管(13)，然后自上而下螺旋式经过内换热盘管(4)，最后由反应管(1)的底部流入反应管(1)内。
2.根据权利要求1所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述反应管(1)的下端与下密封头(17)的之间设置有分布器(15)，催化剂(16)填充在分布器(15)的上方空间内。
3.根据权利要求1所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述内换热盘管(4)的管径大于天然气换热管(5)和水换热管(6)的管径。
4.根据权利要求1至3中任一项所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述反应管(1)的下密封头(17)为圆弧封头，内换热盘管(4)的下端口通过原料进气管(9)连接在圆弧封头的侧边。
5.根据权利要求4所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述反应合成气出气管(10)的进口端设有尾气过滤器(10-1)。
6.根据权利要求4所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述反应管(1)内设有多点热电偶(11)，多点热电偶(11)贯穿盖板(8)并固定在其上。
7.根据权利要求4所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述天然气换热管(5)和水换热管(6)的缠绕圈数为8～15圈；内换热盘管(4)的缠绕圈数为6～10圈。
8.根据权利要求4所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述燃烧器(3)为大气式燃烧器。
9.根据权利要求4所述应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置，其特征在于：所述催化剂(16)为镍基催化剂。
10.一种应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢方法，其特征在于：采用权利要求1至9中任一项所述的应用流化床的天然气水蒸汽重整制氢的装置实现，实现步骤如下：
(1)、启动燃烧器(3)，先对反应管(1)、燃烧室(7)、内换热盘管(4)进行加热；
(2)、当反应管(1)内部测温点温度在110℃～120℃以上时，先向水换热管(6)内通水，水流自下而上经螺旋状进入水换热管(6)、混合阀(14)、进料管(13)后，再自上而下螺旋状进入内换热盘管(4)加热后变成过热水蒸汽，并通过原料进气管(9)进入反应管(1)内，用于吹扫反应管(1)及管路；
(3)、当反应管(1)的测温点温度达到500℃～600℃时，向天然气换热管(5)中通入天然气，天然气自下而上螺旋状经天然气换热管(5)后流入混合阀(14)，并在混合阀(14)内与水混合后一同经进料管(13)再自上而下螺旋状进入内换热盘管(4)，经过燃烧器(3)加热后变成过热水蒸气与天然气的混合物进入反应管(1)，此时天然气与水蒸汽在反应管(1)内催化剂(16)的作用下发生重整反应，产生富氢合成气，富氢合成气再经过尾气过滤器(10-1)，最后由反应合成气出气管(10)输出。
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