CN111661818A - 一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中蒸发单元含有空气进管、加热棒、热电偶和蒸发体，其保证燃料的正常汽化；催化反应单元含有反应筒、催化剂载体、加热环和热电偶，其保证燃料催化反应的正常进行；混合与热交换单元内设有反应产物流动通道、液态燃料混合封闭空间，其实现燃料的混合及预热；液气分离单元内设有集液腔和排液孔，用于液态与气态反应产物的分离。本发明具有集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的特点，并且具有提高反应***热利用率的优点。

Description

一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器

技术领域

本发明涉及燃料电池领域，具体涉及一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器。

背景技术

燃料电池作为直接将化学能转换为电能的发电装置，具有高能量转换效率、零排放、低噪音等特点。质子交换膜燃料电池因其工作温度低、启动迅速、工作电流高、比功率比能量密度大、无腐蚀、零噪音、零污染、寿命长等优点，成为了移动式电源的最佳选择。

目前燃料电池一般采用直接储氢的方式，但直接储氢存在能量密度低、体积庞大、储存运输危险等问题，严重限制了燃料电池的发展。现场制氢被认为可以有效解决直接储氢问题的方式之一，即采用高能量密度的液态碳氢化合物通过反应***现场产生氢气供给燃料电池使用。目前，制氢方法呈现多样化的格局，将碳氢化合物重整制备氢气是该领域的研究热点。

典型的碳氢化合物重整反应制氢可分为三种：水蒸气重整、部分氧化重整和自热重整，

水蒸气重整法能够得到较高纯度的氢气，但是该反应为吸热反应，需要外部热源且热效率低。部分氧化重整法是放热反应，能够在较低温度进行反应，但氢气的纯度相对较低。自热重整法是把水蒸气重整和部分氧化重整结合在一起，可以实现反应启动后不需要外部供热即可获得较高纯度的氢气，因此自热重整反应制氢是一个研究热点。

由于碳氢化合物自热重整反应包括混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离等过程，目前大部分的重整制氢反应器各个功能模块是独立的，导致整个反应***体积庞大，并且反应过程热量损失严重。本发明针对这个问题，提出一种集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的碳氢化合物自热重整制氢反应器，结构紧凑的同时还提高了反应***的热利用率。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺点与不足，本发明提供一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，本发明集混合、蒸发、催化反应、热交换及液气分离功能于一体。

本发明采用如下技术方案：

一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中：

所述蒸发单元包括空气进管、加热棒及蒸发体，所述加热棒设置在蒸发体内，所述蒸发体设有预热液态燃料进口、空气与预热燃料混合通道和混合气态燃料出口，所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，所述预热液态燃料进口、燃料蒸发微通道、空气与预热燃料混合通道及混合气态燃料出口依次连通形成燃料混合蒸发流动通道；

所述催化反应单元包括反应筒、催化剂载体及加热环，所述反应筒内设有反应腔，反应腔的外侧设置加热环，反应腔内的底部设置催化剂载体，反应筒的一侧设有预热液态燃料运输通道，并与预热液态燃料进口连通，所述反应筒的顶部设有混合气态燃料进口并与蒸发单元的混合气态燃料出口连通，所述反应筒的底部设置开有高温反应产物出口的反应筒下板；

所述混合与热交换单元包括换热套筒，所述换热套筒两端设置换热上板及换热下板，所述换热套筒内设置由多根导流管构成的反应产物流动通道，所述换热上板设有混合液态燃料出口及反应产物流动通道的进口，所述反应产物流通通道的进口与催化反应单元的高温反应产物出口连通，所述混合液态燃料出口与催化反应单元的预热液态燃料运输通道连通，所述换热下板设置反应产物流通通道出口，所述换热套筒的两侧设置碳氢化合物进口和水的进口，所述换热套筒和导流管之间的空间构成碳氢化合物和水的混合空间；

所述液气分离单元包括冷却反应产物出口、集液腔和外腔，所述集液腔和外腔分别与混合与热交换单元对应的反应产物流通通道连通，所述集液腔设有排液孔，用于分离出来的液态产物流出，所述冷却反应产物出口与外腔连通。

所述蒸发体及反应筒内均设有热电偶。

所述蒸发体上端设置蒸发上板，所述蒸发上板和蒸发体之间设置蒸发体上垫片用于密封，所述蒸发体和催化反应单元之间设置蒸发体下垫片用于密封，所述混合气态燃料出口设置在蒸发体下垫片的中心位置。

所述燃料蒸发微通道包括环形微通道及直微通道。

所述混合气态燃料进口及高温反应产物出口具有锥形开口。

所述反应产物流动通道由以换热套筒中心向外布置的导流管构成，所述导流管竖向放置，位于换热套筒中心的导流管为一根，其顶部与反应产物流动通道的进口连通，其它导流管以位于热套筒中心的导流管为对称，向两侧均匀排列，导流管之间首尾连通，最后一组导流管与反应产物流动通道出口连通。

所述换热上板设有一个环形凹槽，所述换热下板设有圆形凹槽。

所述蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元均设有法兰结构。

优选的，导流管分为三组，设置中心的导流管为第一组，沿着中心一侧向外分别为第二组及第三组，所述第一组的下端通过换热下板的圆形凹槽与第二组的下端连通，所述第二组的上端通过换热上板的环形凹槽与第三组上端连通。

优选的，集液腔与第一组及第二组导流管的下端连通，外腔与第三组导流管下端连通。

本发明的工作过程为：混合与热交换单元中的液态碳氢化合物燃料A与水B在混合与热交换单元内混合，并且进一步通过与气态反应产物D进行热交换使得混合液态燃料A和B预热，预热后的混合液态燃料A和B流入蒸发单元内，加热棒加热使得预热混合液态燃料A和B汽化，并且与空气C混合，所得混合气态燃料A、B和C最后流入催化反应单元内；加热环把催化反应单元加热到预设的反应温度，此时催化反应单元内的混合气态燃料A、B和C在温度和催化剂的共同作用下发生自热重整制氢反应产生氢气和少量副产物，当自热重整反应进行时停止加热环的供热，所得的气态反应产物D流入混合与热交换单元内；

混合与热交换单元内气态反应产物D与混合液态燃料A和B进行热交换，热交换后的气态反应产物D流入液气分离单元，部分反应产物遇冷后液化流入液气分离单元的集液腔内，气态反应产物D最终通过液气分离单元外腔，最后经冷却反应产物出口排出。

本发明的有益效果：

(1)本发明自热重整制氢产生纯度高杂质少的氢气，现场产生现场使用，浓度不会达到***极限，有较好的安全性，解决了氢气储存问题。

(2)本发明回收反应产物余热以进行燃料的预热，对液态燃料升温的同时冷却了反应产物，提高反应***的热利用率。

(3)整个自热重整制氢反应器体积紧凑，集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体，并且可根据需求增加或减少各单元的数量，能够适应规模扩大与缩小。

附图说明

图1是本发明一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器的结构示意图；

图2是本发明实施例中混合与热交换单元的结构示意图；

图3是本发明实施例中混合与热交换单元换热上板的俯视图；

图4是本发明实施例中混合与热交换单元换热下板的仰视图；

图5是本发明实施例中蒸发单元的结构示意图；

图6是本发明实施例中蒸发单元蒸发体的俯视图；

图7是本发明实施例中蒸发单元蒸发体的仰视图；

图8是本发明实施例中催化反应单元的结构示意图；

图9是本发明实施例中催化反应单元反应筒的俯视图；

图10是本发明实施例中液气分离单元的俯视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

参见图1所示，一种一体化碳氢化合物自热重整制氢反应器，是集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体，主要包括依次连接的蒸发单元1、催化反应单元2、混合与热交换单元3及液气分离单元4。

参见图1、图5、图6和图7，所述蒸发单元1包括空气进管11、热电偶连接短管12、热电偶连接长管13、加热棒18、蒸发上板14、蒸发体上垫片16、蒸发体15和蒸发体下垫片17。所述蒸发上板14，蒸发体15均采用法兰结构，四周设有连接螺栓用的通孔106，用于与催化反应单元2之间的连接。蒸发上板14和蒸发体15之间放置蒸发体上垫片16用于密封，蒸发体15和催化反应单元2之间放置蒸发体下垫片17用于密封。所述蒸发体下垫片17中心设有混合气态燃料出口102。所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，包括环形微通道及直微通道。所述蒸发体15设有预热液态燃料进口101、空气与预热燃料混合通道103和催化反应测温孔109，预热液态燃料进口101通过入口凹槽107与环形微通道104连通，环形微通道104另一端通过出口凹槽108与空气与预热燃料混合通道103连通，空气与预热燃料混合通道103下端与直微通道105连通。所述空气进管11、蒸发体15、蒸发体上垫片16和蒸发体下垫片17之间的封闭流道构成混合燃料的蒸发通道。所述热电偶连接短管12与蒸发上板14焊接固定，短热电偶***后可监测与控制蒸发体15温度；所述热电偶连接长管13与蒸发上板14焊接固定，长热电偶***后通过催化反应测温孔109伸入催化反应单元2的反应腔201内，可监测与控制催化反应单元2温度。

所述蒸发单元的工作过程为：经混合与热交换单元3预热的混合液态燃料A和B经预热液态燃料进口101进入，经入口凹槽107流入环形微通道104，在加热棒18的加热作用下预热混合液态燃料A和B，将之汽化成气态燃料A和B，然后经出口凹槽108流入空气与预热燃料混合通道103；同时，空气C经空气进管11流入空气与预热燃料混合通道103，与气态燃料A和B混合成混合气态燃料A、B和C，然后经直微通道105从蒸发体下垫片17的混合气态燃料出口102流出，混合液态燃料A和B在蒸发单元1内的流动路径为d→e→f。

参见图1、图8和图9所示，所述催化反应单元2包括反应筒21、催化剂载体22、反应筒下板23和加热环24，所述反应筒21、反应筒下板23均采用法兰结构，沿圆周均匀分布连接螺栓用的通孔205，用于与蒸发单元1和混合与热交换单元3连接，反应筒21和反应筒下板23之间放置垫片用于密封，并通过螺栓固定连接。所述反应筒21设有预热液态燃料运输通道202；所述反应筒21内部空间为反应腔201，反应腔201外侧安装有加热环24，反应腔201内的底部安装有催化剂载体22，该反应腔201的顶部设有混合气态燃料进口203，该混合气态燃料进口203具有开口朝下的锥形部分，有利于混合气态燃料A、B和C流入时能迅速分散使其均匀流过催化剂载体22。长热电偶通过混合气态燃料进口203伸入反应腔201内，可监测与控制催化反应单元2的温度。所述反应筒下板23设有预热液态燃料运输通道202和高温反应产物出口204，该高温反应产物出口204具有开口朝上的锥形部分，有利于自热重整制氢反应所获得的气态反应产物D迅速收集并流出。

参见图8、图9，所述催化反应单元2的工作过程是：加热环24预先将反应腔201内的温度预先加热到所设定的反应温度，然后混合气态燃料A、B和C从混合气态燃料进口203进入反应腔201，在温度和催化剂的共同作用下，混合气态燃料A、B和C发生自热重整反应产生氢气和少量副产物，当自热重整反应进行时停止加热环24的供热，而所获得的气态反应产物D经高温反应产物出口204流出。另一方面，混合液态燃料A和B流经催化反应单元2的预热液态燃料运输通道202。

参见图1、图2、图3和图4，所述混合与热交换单元3包括换热上板31、换热套筒32、换热下板34和导流管33。其中，所述换热上板31上设有混合液态燃料出口303；所述换热上板31和换热下板34采用法兰结构，四周设有均匀分布的用于连接螺栓用的通孔306，分别用于与催化反应单元2和液气分离单元4连接。所述换热套筒32内设有由多根导流管33连接而成的反应产物流动通道304，用于气态反应产物D的流动。所述换热套筒32与导流管33之间的混合封闭空间302用于碳氢化合物液态燃料A和水B的混合。所述换热套筒32的两侧设有液态碳氢化合物进口301和水进口307，两进口成180°分布。

参见图2、图3和图4，在混合与热交换单元3中，所述反应产物流动通道304由三组从换热套筒32的中心向外布置的竖向导流管构成，从中心向外分别为第一组、第二组和第三组，其中，位于中心的一组包括一根导流管，其余各组包括多根沿圆周方向均匀排列的导流管33，并且，靠近中心的导流管的直径大于靠近外侧的导流管的直径。所述多组导流管33之间沿上、下方向首尾依次连通构成反应产物流动通道304，使得气态反应产物D能够在竖直方向上来回流动，延长流动路径，实现充分换热。具体的，所述换热上板31中心设有一个用于安装导流管33的通孔，相应的导流管33的端部***该通孔内并焊接固定；换热上板31上表面设有一个环形凹槽3101，环形凹槽3101的底部设有多个用于安装导流管33的通孔，相应的导流管33的端部***该通孔内并焊接固定。所述换热下板34下表面中心设有一个圆形凹槽3401，该圆形凹槽3401底部设有多个用于安装导流管33的通孔，相应的导流管33的端部***该通孔内并焊接固定；换热下板34的圆形凹槽3401外一圈设有多个用于安装导流管33的通孔，相应的导流管33的端部***该通孔内并焊接固定。所述第一组导流管的上端构成反应产物流动通道进口305，下端通过换热下板34上的圆形凹槽3401与第二组导流管的下端连通，所述第二组导流管的上端通过换热上板31上的环形凹槽3101与第三组导流管的上端连通，所述第三组导流管下端构成反应产物流动通道出口308，从而构成所述反应产物流动通道304。

参见图2、图3和图4，上述混合与热交换单元3的工作过程为：一方面，经催化反应单元2自热重整反应获得的氢气等混合的气态反应产物D经换热上板31的反应产物流动通道进口305进入，经第一组导流管流入换热下板34中心的圆形凹槽3401，然后经第二组导流管流回换热上端板的环形凹槽3101，经第三组导流管最后流到换热下板34后流出，气态反应产物D在混合与热交换单元3内的流动路径为g→h→i→j；与此同时，碳氢化合物液态燃料A与水B分别从换热套筒32的液态碳氢化合物进口301和水进口307进入混合封闭空间302内进行混合，由于所述导流管33浸泡在混合液态燃料A和B中，以使流经导流管33内的高温重整气热量传递给温度较低的混合液态燃料A和B进行预热，为后续混合液态燃料A和B在蒸发单元1内的汽化做准备，最后预热后的混合液态燃料A和B从混合液态燃料出口303流出，碳氢化合物液态燃料A和水B在混合与热交换单元3内的流动路径为a1、a2→b→c。

参见图10，所述液气分离单元4设置成法兰结构，四周设有用于与混合与热交换单元3连接螺栓用的通孔405。所述液气分离单元4设有集液腔402和外腔403，所述集液腔402设有排液孔404，用于分离出来的液态产物流出；所述液气分离单元4侧面设有冷却反应产物出口401，与外腔403连通。

参见图1-图10，组成本实施例的集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的碳氢化合物自热重整制氢反应器中，所述空气进管11与蒸发单元1的空气与预热燃料混合通道103连通；所述混合与热交换单元3的混合封闭空间302依次与催化反应单元2的预热液态燃料运输通道202、蒸发单元1的预热液态燃料进口101、催化反应单元2的反应腔201、混合与热交换单元3的反应产物流动通道304和液气分离单元4的集液腔402及外腔403连通，具体地，各个单元的叠合关系和对齐方式如下：

蒸发单元1安装在催化反应单元2上面，蒸发单元1的预热液态燃料进口101与催化反应单元2的预热液态燃料运输通道202对齐连通；蒸发单元1的混合气态燃料出口102与催化反应单元2的混合气态燃料进口203对齐连通；蒸发单元1上的多个连接螺纹用的通孔106分别与催化反应单元2的连接螺纹用的通孔205分别对齐连通，并用螺栓锁紧两单元(图中未标出)。

催化反应单元2安装在蒸发单元1和混合与热交换单元3之间，催化反应单元2的预热液态燃料运输通道202与混合与热交换单元3的混合液态燃料出口303对齐连通；催化反应单元2的高温反应产物出口204与混合与热交换单元3的反应产物流动通道进口305对齐连通；催化反应单元2的多个连接螺纹用的通孔205分别与混合与热交换单元3的多个连接螺纹用的通孔306对齐连通，并用螺栓锁紧两单元，两单元之间放置石墨垫片密封(图中未标出)。

混合与热交换单元3安装在催化反应单元2和液气分离单元4之间，混合与热交换单元3的液态碳氢化合物进口301与液气分离单元4的冷却反应产物出口401在同一侧对齐，混合与热交换单元3的多个连接螺纹用的通孔306分别与液气分离单元4的多个连接螺纹用的通孔405对齐连通，用于连接螺栓锁紧两单元，两单元之间放置石墨垫片密封(图中未标出)。

参见图1-图10，集混合、蒸发、催化反应、热交换、液气分离功能于一体的碳氢化合物自热重整制氢反应器的工作方式如下：

实施时，碳氢化合物液态燃料A和水B分别从混合与热交换单元3的液态碳氢化合物进口301和水进口307进入，并在混合封闭空间302内进行混合；混合与热交换单元3的导流管浸泡在混合液态燃料A和B中，以使后续流经混合与热交换单元3导流管内的气态反应产物D的热量传递给温度较低的混合液态燃料A和B；接着预热后的混合液态燃料A和B从混合与热交换单元3的混合液态燃料出口303流经催化反应单元2的预热液态燃料运输通道202，通过蒸发单元1的预热液态燃料进口101进入，在加热棒18加热的作用下，混合液态燃料A和B在环形微通道104内汽化，在空气与预热燃料混合通道103内与空气C充分混合，混合气态燃料A、B和C经混合气态燃料出口102流出后，经催化反应单元2的混合气态燃料进口203进入反应腔201，在加热环24加热和催化剂载体22的共同作用下，发生自热重整反应产生氢气和少量副产物，当自热重整反应进行时停止加热环24的供热；高温的气态反应产物D经过催化反应单元2的高温反应产物出口204流入混合与热交换单元3的反应产物流动通道进口305；经第一组导流管流入液气分离单元4内，在集液腔402进行液气分离，分流后的气体又经第二组导流管流入换热上板31，经换热上板31的环形凹槽3101分流后又经过第三组导流管流入液气分离单元4的外腔403内，最终从液气分离单元4的冷却反应产物出口401流出。最初的碳氢化合物液态燃料A和水B变化为最终的气态反应产物D在本反应器内所经过的路径如图1中：a1、a2→b→c→d→e→f→g→h→i→j→k。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的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)

1.一种一体化的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，包括依次连接的蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元，其中：

所述蒸发单元包括空气进管、加热棒及蒸发体，所述加热棒设置在蒸发体内，所述蒸发体设有预热液态燃料进口、空气与预热燃料混合通道和混合气态燃料出口，所述蒸发体的两端设置燃料蒸发微通道，所述预热液态燃料进口、燃料蒸发微通道、空气与预热燃料混合通道及混合气态燃料出口依次连通形成燃料混合蒸发流动通道；

所述催化反应单元包括反应筒、催化剂载体及加热环，所述反应筒内设有反应腔，反应腔的外侧设置加热环，反应腔内的底部设置催化剂载体，反应筒的一侧设有预热液态燃料运输通道，并与预热液态燃料进口连通，所述反应筒的顶部设有混合气态燃料进口并与蒸发单元的混合气态燃料出口连通，所述反应筒的底部设置开有高温反应产物出口的反应筒下板；

所述混合与热交换单元包括换热套筒，所述换热套筒两端设置换热上板及换热下板，所述换热套筒内设置由多根导流管构成的反应产物流动通道，所述换热上板设有混合液态燃料出口及反应产物流动通道的进口，所述反应产物流通通道的进口与催化反应单元的高温反应产物出口连通，所述混合液态燃料出口与催化反应单元的预热液态燃料运输通道连通，所述换热下板设置反应产物流通通道出口，所述换热套筒的两侧设置碳氢化合物进口和水的进口，所述换热套筒和导流管之间的空间构成碳氢化合物和水的混合空间；

所述液气分离单元包括冷却反应产物出口、集液腔和外腔，所述集液腔和外腔分别与混合与热交换单元对应的反应产物流通通道连通，所述集液腔设有排液孔，用于分离出来的液态产物流出，所述冷却反应产物出口与外腔连通。

2.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述蒸发体及反应筒内均设有热电偶。

3.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述蒸发体上端设置蒸发上板，所述蒸发上板和蒸发体之间设置蒸发体上垫片用于密封，所述蒸发体和催化反应单元之间设置蒸发体下垫片用于密封，所述混合气态燃料出口设置在蒸发体下垫片的中心位置。

4.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述燃料蒸发微通道包括环形微通道及直微通道。

5.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述混合气态燃料进口及高温反应产物出口具有锥形开口。

6.根据权利要求1所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述反应产物流动通道由以换热套筒中心向外布置的导流管构成，所述导流管竖向放置，位于换热套筒中心的导流管为一根，其顶部与反应产物流动通道的进口连通，其它导流管以位于热套筒中心的导流管为对称，向两侧均匀排列，导流管之间首尾连通，最后一组导流管与反应产物流动通道出口连通。

7.根据权利要求6所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，换热上板设有一个环形凹槽，所述换热下板设有圆形凹槽。

8.根据权利要求1-7任一项所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，所述蒸发单元、催化反应单元、混合与热交换单元及液气分离单元均设有法兰结构。

9.根据权利要求7所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，导流管分为三组，设置中心的导流管为第一组，沿着中心一侧向外分别为第二组及第三组，所述第一组的下端通过换热下板的圆形凹槽与第二组的下端连通，所述第二组的上端通过换热上板的环形凹槽与第三组上端连通。

10.根据权利要求9所述的碳氢化合物自热重整制氢反应器，其特征在于，集液腔与第一组及第二组导流管的下端连通，外腔与第三组导流管下端连通。

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