CN113351144B - 基于余热利用的燃料催化重整器 - Google Patents

基于余热利用的燃料催化重整器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于余热利用的燃料催化重整器，包括换热蒸发器、旋流器、混合室、收集槽、催化反应室以及壳体，换热蒸发器包括第一流道以及第二流道；壳体的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器、混合室、催化反应室且旋流器、混合室、催化反应室的外壁与壳体之间形成第一容纳空间，高温废气通过高温废气进口进入第一容纳空间并经中温废气连接口进入第一流道的顶部后并从第一流道的底部经低温废气出口排出；液态水经液态水进口进入第二流道的底部并从第二流道的顶部进入旋流器、混合室、催化反应室后从重整气出口排出，本发明利用废气余热进行重整，换热效率高，可抑制积碳焦化现象，体积小。

Description

基于余热利用的燃料催化重整器
技术领域
本发明涉及燃料催化重整技术领域，具体地，涉及一种基于余热利用的燃料催化重整器。
背景技术
发动机拥有较高的废气温度，满足燃料催化重整温度要求，因此可以利用高温废气余热提供催化重整所需热能。燃料催化重整主要包括水蒸气重整、部分氧化重整以及自热重整等方式。部分氧化重整以及自热重整引入的氧气是燃料积碳的一个重要因素。而利用废气余热供热，使得燃料与水蒸气发生催化重整反应，形成高温富氢重整气，然后重新注入燃烧室中燃烧，或用于燃料电池中转化为电能的技术手段，相比于其他重整燃烧技术具有重整气热值高，不易积碳焦化等优点。
基于余热利用的燃料催化重整器可以在不改变基础燃烧***、不提供额外供热装置的情况下，利用余热生成高温富氢裂解气。但现有的重整设备换热效率低导致能源利用效率低，体积大，且常伴随有积碳焦化等现象。
专利文献CN1887691A公开了一种利用内燃机余热的甲醇催化重整制氢装置及控制方法,属于内燃机余热应用领域。该装置主要包括有设置在重整器壳体(5)的前部、中部和后部的甲醇水溶液气化腔(17)、催化反应腔(16)、重整气产物腔(15)。在重整器壳体(5)的中部为多孔蜂窝陶瓷(8),多孔蜂窝陶瓷(8)的内部为催化反应腔(16),在催化反应腔(16)的内壁设置有蜂窝状的小孔,小孔内壁涂敷了重整催化剂,换热管(7)轴向穿过多孔蜂窝陶瓷(8)，但该设计重整器壳体内部增加蜂窝陶瓷，增加了设备的复杂性。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于余热利用的燃料催化重整器。
根据本发明提供的一种基于余热利用的燃料催化重整器，包括换热蒸发器、旋流器、混合室、收集槽、催化反应室以及壳体；
所述换热蒸发器包括第一流道以及第二流道；
所述壳体的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器、混合室、催化反应室且旋流器、混合室、催化反应室的外壁与壳体之间形成第一容纳空间；
高温废气通过高温废气进口进入第一容纳空间的底部并流动至第一容纳空间的顶部变为中温废气并经中温废气连接口进入第一流道的顶部后并从第一流道的底部经低温废气出口排出；
液态水经液态水进口进入第二流道的底部并从第二流道的顶部进入旋流器、混合室、催化反应室后从重整气出口排出，所述混合室上连接有燃料进口；
其中，第一流道中的中温废气与第二流道中的液态水逆流进行热传递进而使中温废气变为低温废气，液态水变为水蒸气。
优选地，所述换热蒸发器采用管壳式换热结构，其中，第一流道为壳程，第二流道为管程，所述第二流道的数量为一个或多个。
优选地，所述第二流道沿周向延伸出多级肋片。
优选地，所述燃料进口通过压力旋流雾化喷嘴将燃料喷入到所述混合室中。
优选地，所述压力旋流雾化喷嘴将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室中。
优选地，所述旋流器采用如下任一种结构：
-采用旋流出口为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；
-包括旋流出口总管以及固定轴，旋流出口总管和固定轴之间依次均匀布置有多个旋叶片，相邻的两个旋叶片之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。
优选地，所述混合室上设置有高沸点残留收集槽。
优选地，从混合室到催化反应室内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置。
优选地，所述收缩段上设置有扰流柱。
优选地，所述换热蒸发器沿壳体的周向布置。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用废气余热进行重整，换热效率高，重整气热值升高，相比其他重整方式，该水蒸气重整方式同时可抑制积碳焦化现象的产生。
2、本发明通过设计布局集成到一个整体圆柱形重整器中，从而使得整体结构紧凑一体化，占用空间小。
3、本发明中的蒸发器充分利用外层换热面积进行水蒸气的生成，内层进行换热强化，使热量损失小，提高了换热效率，更充分利用了废气余热。
4、本发明中的旋流器，利用切向形成旋流的方案，使得水蒸气与燃料的接触更加充分，强化了对流换热及蒸发混合的效果，同时将高沸点残留分离出去，避免了蒸发残留积聚在催化剂表面，对后续重整反应模组产生影响。
5、本发明中采用压力旋流雾化喷嘴，利用压力旋流雾化原理形成微小液滴，强化燃料蒸发效果。
6、本发明采用扩张-收缩-扩张混合腔室，通过流道的尺寸设计以改变流动状态，强化湍流及涡流，使流动混合更加充分均匀。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的结构示意图；
图2为一个优选例中旋流器的结构示意图；
图3为一个变化例中旋流器的结构示意图。
图中示出：
液态水进口1 中温废气连接口11
换热蒸发器2 低温废气出口12
旋流器3 壳体13
燃料进口4 第一容纳空间14
压力旋流雾化喷嘴5 第一流道15
混合室6 第二流道16
收集槽7 旋流出口17
催化反应室8 旋流出口总管18
重整气出口9 固定轴19
高温废气进口10 旋叶片20
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明提供了一种基于余热利用的燃料催化重整器，如图1所示，包括换热蒸发器2、旋流器3、混合室6、收集槽7、催化反应室8以及壳体13，所述换热蒸发器2包括第一流道15以及第二流道16，所述壳体13的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器3、混合室6、催化反应室8且旋流器3、混合室6、催化反应室8的外壁与壳体13之间形成第一容纳空间14。所述换热蒸发器2沿壳体13的周向布置，使得热量吸收效率更高。
进一步地，高温废气通过高温废气进口10进入第一容纳空间14的底部并流动至第一容纳空间14的顶部变为中温废气并经中温废气连接口11进入第一流道15的顶部后并从第一流道15的底部经低温废气出口12排出。液态水经液态水进口1进入第二流道16的底部并从第二流道16的顶部进入旋流器3、混合室6、催化反应室8后从重整气出口9排出，所述混合室6上连接有燃料进口4，所述燃料进口4通过压力旋流雾化喷嘴5将燃料喷入到所述混合室6中，所述压力旋流雾化喷嘴5优选将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室6中。其中，第一流道15中的中温废气与第二流道16中的液态水逆流进行热传递进而使中温废气变为低温废气，液态水变为水蒸气。
具体地，所述换热蒸发器2采用管壳式换热结构，其中，第一流道15为壳程，第二流道16为管程，所述第二流道16的数量为一个或多个。在一个优选例中，第二流道16的数量为多个，所述第二流道16沿周向延伸出多级肋片。
换热蒸发器2出口与旋流器3的入口相接，旋流器3出口即为混合气，燃料通过旋流雾化的方法喷入混合室中。工作时先通入高温废气，在换热蒸发器2中水蒸气与废气换热蒸发，产生高温水蒸气，而后通过旋流器3进入混合室；燃料经喷嘴雾化后喷入高温蒸气中，二者相互换热并充分混合。混合气进入催化区反应后，生成重整混合气。
上述燃料催化重整器，整体优选采用一圆柱形装置，采用分层式设计使结构紧凑一体化。换热蒸发器2、旋流器3、混合室6依次可通过连接管路将不同腔室连接。
具体地，所述换热蒸发器2，利用管壳式换热方式，将蒸发室中通入的水转变为高温水蒸气；中温废气降温后排出。换热蒸发器2位于最外层，包裹其中的旋流器3、混合室6，同时可利用强化换热手段以提高换热效率。
具体地，旋流器3可将高温水蒸气转变为旋流气进入混合室中，旋流的存在使蒸发混合更均匀，同时旋流产生的离心力可分离燃料中未蒸发的高沸点残留。旋流器3位于内层上端，可通过改变旋流强度改善蒸发混合效果。
压力旋流雾化喷嘴5将燃料雾化成小液滴，使得燃料迅速吸热蒸发，避免接触过热避免，导致积碳焦化。压力旋流雾化喷嘴5位于旋流器3出口，混合室6入口处，喷射方向沿中轴线指向混合室6，同时可通过调节喷射压力及喷射角度等多种方式来改善混合效果。
混合室6燃料雾化后直接喷入高温蒸汽中进行蒸发，沿腔室与旋流水蒸气充分混合，形成混合气。混合器以中轴线呈中心对称，沿流动方向设计腔室，改变流动状态，可改善混合效果及流量分布。
本发明中的蒸发混合过程均在高温高压下进行，燃料为液体燃料，主要能量为利用发动机废气余热完成。
具体地，所述旋流器3能够采用多种结构，在一个优选例中，如图2所示，旋流器3采用旋流出口17为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；在一个变化例中，旋流器3包括旋流出口总管18以及固定轴19，旋流出口总管18和固定轴19之间依次均匀布置有多个旋叶片20，相邻的两个旋叶片20之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。
本发明中，为改善混合效果，从混合室6到催化反应室8内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置，扩张段上扩张式的设计结构使得燃料蒸发完全，同时如果需要，所述收缩段上优选设置有扰流柱，收缩式的设计及扰流柱改善了流动性质，强化了回流及涡流对流动的影响，增加了混合室内的气体停留时间，使得混合更为充分，流量更加均匀。混合均匀的燃料-水蒸汽进入催化室8中进行催化重整反应
本发明的工作原理如下：
高温废气由壳体13底端高温废气进口10通入第一容纳空间14的底部，高温废气进入催化反应区域，与催化剂模组进行换热，提供水蒸气重整所需热量，催化重整所得重整气从重整气出口9排出，经过催化反应换热后，高温废气转变为400℃左右中温废气。
高温废气经过换热降温后得到的中温废气从中温废气连接口11进入换热蒸发器2，与从液态水进口1通入的液态水进行换热，液态水生成水蒸气；换热蒸发器2采用管壳式逆流换热的方法，同时为提高换热效率，增加强化换热的多级肋片，同时可在管壳外利用其他方式辅助供热；之后的高温水蒸气通过管路进入旋流器3中。
蒸发室生成的水蒸气进入旋流器3中，旋流器3俯视图如图2所示。可以通过图2中四根切向管道，水蒸气沿切向流入旋流器3中生成旋流的水蒸汽，也可以通过图3中布置与轴向夹角的旋叶片20的轴向旋流生成水蒸气的方法。生成的旋流再进入混合室6中。
在混合室6中，采用压力旋流雾化喷嘴5将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴，喷入旋流高温水蒸气中进行换热蒸发，并沿流道充分混合，同时，所述混合室6上设置有高沸点残留收集槽7，未蒸发的高沸点残留在高沸点残留收集槽7中被收集。为改善混合效果，采用扩张段-收缩段-扩张段式腔室，扩张式的设计使得燃料蒸发完全，同时如果需要，可在收缩段添加扰流柱，收缩式的设计及扰流柱改善了流动性质，强化了回流及涡流对流动的影响，增加了混合室内的气体停留时间，使得混合更为充分，流量更加均匀。混合均匀的燃料-水蒸汽进入催化反应室8中进行催化重整反应。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (9)

1.一种基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，包括换热蒸发器(2)、旋流器(3)、混合室(6)、收集槽(7)、催化反应室(8)以及壳体(13)；
所述换热蒸发器(2)包括第一流道(15)以及第二流道(16)；
所述壳体(13)的内部从上到下依次设置有依次连接的旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)且旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)的外壁与壳体(13)之间形成第一容纳空间(14)；
高温废气通过高温废气进口(10)进入第一容纳空间(14)的底部并流动至第一容纳空间(14)的顶部变为中温废气并经中温废气连接口(11)进入第一流道(15)的顶部后并从第一流道(15)的底部经低温废气出口(12)排出；
液态水经液态水进口(1)进入第二流道(16)的底部并从第二流道(16)的顶部进入旋流器(3)、混合室(6)、催化反应室(8)后从重整气出口(9)排出，所述混合室(6)上连接有燃料进口(4)，从混合室(6)到催化反应室(8)内部形成从扩张段到收缩段再到扩张段的腔室空间布置；
其中，第一流道(15)中的中温废气与第二流道(16)中的液态水逆流进行热传递进而使中温废气变为低温废气，液态水变为水蒸气。
2.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述换热蒸发器(2)采用管壳式换热结构，其中，第一流道(15)为壳程，第二流道(16)为管程，所述第二流道(16)的数量为一个或多个。
3.根据权利要求2所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述第二流道(16)沿周向延伸出多级肋片。
4.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述燃料进口(4)通过压力旋流雾化喷嘴(5)将燃料喷入到所述混合室(6)中。
5.根据权利要求4所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述压力旋流雾化喷嘴(5)将燃料雾化成10-30μm直径大小的液滴喷入到所述混合室(6)中。
6.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述旋流器(3)采用如下任一种结构：
-采用旋流出口(17)为多根均沿顺时针或均沿逆时针切向均匀或非均匀布置的出口管；
-包括旋流出口总管(18)以及固定轴(19)，旋流出口总管(18)和固定轴(19)之间依次均匀布置有多个旋叶片(20)，相邻的两个旋叶片(20)之间形成旋流通道，所述水蒸气通过所述旋流通道形成旋转气流。
7.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述混合室(6)上设置有高沸点残留收集槽(7)。
8.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述收缩段上设置有扰流柱。
9.根据权利要求1所述的基于余热利用的燃料催化重整器，其特征在于，所述换热蒸发器(2)沿壳体(13)的周向布置。
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