CN117239193A - 一种紧凑式sofc***用耦合换热重整一体化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，包括燃烧内壳体和壳体，燃烧内壳体的下端设有燃烧器，燃烧内壳体的上端侧壁设有燃烧烟气出口；壳体套设于燃烧内壳体的外侧；重整组件包括由上至下依次连通的混合室和重整部，混合室连通有天然气入口管和水蒸汽入口管，重整部设于燃烧内壳体内，混合室内天然气和水蒸气的混合气进入重整部内；水蒸发及过热组件设于壳体和燃烧内壳体之间，经水蒸发及过热组件预热后的水蒸气进入水蒸汽入口管。本发明外部夹层做烟气换热腔，内部夹层做燃烧加热腔，燃烧器、重整组件，水蒸发及过热组件集成一个独立的部件，提高了整体装置的紧凑性，提高重整效率和余热利用率。
Description
技术领域
本发明涉及燃料电池技术领域，特别涉及一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置及方法。
背景技术
固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell，简称SOFC)在高温下可以通过化学反应将储存在燃料和氧化剂中的化学能转化为电能，固体氧化物燃料电池的工作温度一般可达600-1000℃。高工作温度使得其具有燃料适用范围广、尾气排放温度高等特点，固体氧化物燃料电池的尾气中含有大量可以被进一步回收利用的余热。由于SOFC发电的排气有很高的温度，可以提供天然气重整所需热量，也可以用来生产蒸汽。
为保证固体氧化物燃料电池正常工作，避免因温差过大和温度不均匀产生的热应力导致电池开裂，燃料和氧化剂在进入电池前一般需要被预热至550℃及以上；天然气重整为吸热反应，为保证反应正常进行及较高的转化率，反应物一般需要被预热至400-500℃，且反应过程需要外部热源不断提供热量。基于此，有必要研究用于固体氧化物燃料电池的重整、换热装置。但是现有重整、换热装置还存在结构不够紧凑、预热温度不够高等问题。
因此，为进一步提高固体氧化物燃料电池***紧凑型，确保***安全、长寿命、高效率工作，急需设计设计一款紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置。
发明内容
本申请的目的在于提供一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
本发明的一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，包括：
燃烧内壳体，所述燃烧内壳体的下端设有燃烧器，所述燃烧器用于接入阳极尾气和补燃空气，所述燃烧内壳体的上端侧壁设有燃烧烟气出口；
壳体，所述壳体套设于所述燃烧内壳体的外侧；
重整组件，所述重整组件包括由上至下依次连通的混合室和重整部，所述混合室连通有天然气入口管和水蒸汽入口管，所述重整部设于所述燃烧内壳体内，所述混合室内天然气和水蒸气的混合气进入所述重整部内；
水蒸发及过热组件，所述水蒸发及过热组件设于所述壳体和燃烧内壳体之间，经所述水蒸发及过热组件预热后的水蒸气进入所述水蒸汽入口管。
进一步地，所述重整部包括由上至下依次连通的多个重整管道、收集腔和螺旋换热管道，多个所述重整管道的上端均与所述混合室连通，所述重整管道内设有重整催化剂，所述重整催化剂含量遵循从上到下依次增多的原则。
进一步地，所述重整管道为由上至下渐扩的结构。
进一步地，所述混合室呈倒漏斗状，所述收集腔呈漏斗状。
进一步地，所述螺旋换热管道的下端连通有重整气出口管，所述重整气出口管的下端伸出所述燃烧内壳体。
进一步地，所述水蒸汽入口管上设有泄压阀。
进一步地，所述水蒸发及过热组件包括由下至上依次连通的供水管道、多个换热直管、汽水分离器和水蒸气过热螺旋管道，所述水蒸气过热螺旋管道的上端与所述水蒸汽入口管连通。
进一步地，所述供水管道呈圆环状，所述供水管道与去离子水入口管连通，所述去离子水入口管上设有水泵。
进一步地，所述水蒸气过热螺旋管道采用上密下疏结构，所述壳体的下端设有烟气出口管。
本发明的一种基于前述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置的换热重整方法，包括以下步骤：
阳极尾气和补燃空气分别经阳极尾气入口管和补燃空气入口管进入燃烧器内预混燃烧；
阳极尾气被完全氧化产生高温烟气，高温烟气在燃烧内壳体内部形成的燃烧加热腔内从下往上流动，重整组件中从上而下流动的天然气和水蒸气混合气与高温烟气换热催化重整产生重整氢气通入到电堆之中，高温烟气产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需；
壳体与燃烧内壳体之间形成烟气换热腔，重整催化换热之后的烟气经燃烧烟气出口进入烟气换热腔，烟气在烟气换热腔内从上往下流动，水蒸发及过热组件中自下而上流动的水与烟气换热使水蒸发及过热，水蒸发及过热组件形成的水蒸气经水蒸汽入口管进入混合室。
综上，本发明的技术效果和优点：
本发明从外到内设有两层腔体结构：外部夹层做烟气换热腔，内部夹层做燃烧加热腔，燃烧器、重整组件，水蒸发及过热组件集成一个独立的部件，大幅度简化了***的复杂性，提高了整体装置的紧凑性；
燃烧加热腔走高温烟气，气流从下往上走；烟气换热腔走烟气，气流从上往下走；阳极尾气经燃烧器被完全氧化产生高温烟气，高温烟气包围着重整部，燃烧产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需，烟气经燃烧烟气出口进入烟气换热腔，烟气包围着水蒸发及过热组件，燃烧产生的热量最后供应去离子水蒸发和过热所需，能够进一步提高重整效率和余热利用率；
水蒸发及过热组件和重整组件均为多个部件组合而成，其中水蒸发及过热组件包括供水管道、换热直管、汽水分离器以及水蒸气过热螺旋管道，保证去离子水达到重整反应所需温度；重整部包括重整管道、收集腔和螺旋换热管道，提高重整效率和余热利用率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例中紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置的结构示意图；
图2为本发明一实施例中紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置的半剖图；
图3为本发明一实施例中紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置省略壳体后的结构示意图；
图4为本发明一实施例中水蒸发及过热组件的结构示意图；
图5为本发明一实施例中紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置省略壳体和水蒸发及过热组件后的装结构示意图；
图6为本发明一实施例中重整组件的结构示意图。
其中，1、壳体；2、水蒸发及过热组件；21、供水管道，22、换热直管；23、汽水分离器；24、水蒸气过热螺旋管道；3、燃烧内壳体；4、重整组件；41、重整管道；42、收集腔；43、螺旋换热管道；44、混合室；5、天然气入口管；6、水蒸汽入口管；7、燃烧烟气出口；8、去离子水入口管；9、重整气出口管；10、燃烧器；11、烟气出口管；12、泄压阀；13、水泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实施例提出一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，集水蒸发器、燃烧、重整器为一体的组合件，可用于固体氧化物燃料电池***，方便了固体氧化物燃料电池***余热利用区的集成。利用固体氧化物燃料电池***的高温气体的余热以及剩余未反应燃料的能量进行重整制氢，且预热进入重整器中的去离子水，是提高天然气重整效率的一个重要途径。本实施例将水蒸发器、燃烧器以及重整器集合成为一个独立的部件即可完成热区的集成。如图1-6所示，装置包括壳体1、水蒸发及过热组件2、燃烧内壳体3和重整组件4。燃烧内壳体3的下端设有燃烧器10，燃烧器10用于接入阳极尾气和补燃空气；燃烧内壳体3的上端侧壁设有燃烧烟气出口7。本实施例中燃烧器10采用套管式燃烧器10，其上设有阳极尾气入口管和补燃空气入口管。壳体1套设于燃烧内壳体3的外侧。燃烧内壳体3内部空间形成燃烧加热腔，壳体1与燃烧内壳体3之间的空间形成烟气换热腔。重整组件4包括由上至下依次连通的混合室44和重整部，混合室44连通有天然气入口管5和水蒸汽入口管6，水蒸汽入口管6上设有泄压阀12；重整部设于燃烧内壳体3内，混合室44内天然气和水蒸气的混合气进入重整部内；水蒸发及过热组件2设于壳体1和燃烧内壳体3之间，经水蒸发及过热组件2预热后的水蒸气进入水蒸汽入口管6。本实施例的燃烧内壳体3下端设置套管式燃烧器10连通阳极尾气入口管和补燃空气入口管预混式燃烧，上端侧壁设有燃烧烟气出口7通入烟气换热腔来完成水的蒸发和过热。
本实施例优选的，壳体1和燃烧内壳体3均为圆筒状结构，并且均采用绝热处理。
具体地，重整部包括由上至下依次连通的多个重整管道41、收集腔42和螺旋换热管道43，多个重整管道41的上端均与混合室44连通，重整管道41内设有重整催化剂，重整催化剂含量遵循从上到下依次增多的原则。
进一步地，重整管道41为由上至下渐扩的结构。混合室44呈倒漏斗状，收集腔42呈漏斗状。螺旋换热管道43的下端连通有重整气出口管9，重整气出口管9的下端伸出燃烧内壳体3。
本实施例的重整管道41为6个，渐扩的重整管道41能够增强重整效率，漏斗状收集腔42以及螺旋换热管道43再热进一步保证送入电堆的重整气的温度。而渐扩的重整管道41的优点在于：由于烟气的温度随着烟气流向逐渐降低，重整管道41内发生的重整反应也会在烟气流向上具有差异性，烟气温度较高的一侧发生的重整反应更为频繁，此处催化剂需求量更大，使用也更为频繁，渐扩的重整管道41可以使得所布置的催化剂的量也遵循从上到下依次增多的原则，以适应重整反应在烟气流向上的不均匀性，同时渐扩的重整管道41会降低待重整气(天然气与水蒸气的混合气)的流速，增加其在重整管道41内停留时间，进一步提高重整效率。
具体地，水蒸发及过热组件2包括由下至上依次连通的供水管道21、多个换热直管22、汽水分离器23和水蒸气过热螺旋管道24，水蒸气过热螺旋管道24的上端与水蒸汽入口管6连通。进一步地，供水管道21呈圆环状，供水管道21与去离子水入口管8连通，去离子水入口管8上设有水泵13，水泵13可以是立式水泵。
本实施例通过换热直管22的加热，圆柱环状汽水分离器23的加热及汽水分离，使得去离子水源源不断的蒸发成水蒸气，并通过依照烟气流向和温度分布而设计的上密下疏的水蒸气过热螺旋管道24的设计进一步加热使其达到重整段入口所需水蒸气温度。壳体1的下端设有烟气出口管11。水蒸发及过热组件2对去离子水两步预热，供水管道21连接去离子水入口管8，上部接数根换热直管22将去离子水加热至100℃，而后通入圆柱环状的汽水分离器23，汽水分离器23上部接水蒸气过热螺旋管道24将水蒸气过热，水蒸气过热螺旋管道24采用上密下疏的设计，下端接汽水分离器23，上端接水蒸汽入口管6进入混合室44。
本实施例装置的安装方法，包括以下步骤：
首先将重整催化剂填充到渐扩的重整管道41中，然后上端连接倒漏斗状混合室44，下端连接漏斗状收集腔42，漏斗状收集腔42底部连接螺旋换热管道43，重整组件4顶部仅留天然气入口管5和水蒸汽入口管6两个通路，重整组件4下端连通重整气出口管9；
接着在重整组件4外部焊接燃烧内壳体3，燃烧内壳体3与重整组件4之间空置，作为燃烧加热腔；燃烧内壳体3下端设置套管式燃烧器10连通阳极尾气入口管和补燃空气入口管，上端侧壁设置燃烧烟气出口7通至烟气换热腔；
然后在燃烧内壳体3外部焊接壳体1，壳体1下端连通烟气出口管11；
壳体1与燃烧内壳体3之间设置水蒸发及过热组件2，从下到上依次为环形供水管道21、换热直管22、圆柱环状汽水分离器23以及水蒸气过热螺旋管道24，壳体1上端连接管道通入水蒸气入口管6，下端壁面开孔连接去离子水入口管8。
本发明的一种基于前述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置的换热重整方法，包括以下步骤：
阳极尾气和补燃空气分别经阳极尾气入口管和补燃空气入口管进入燃烧器10内预混燃烧；
阳极尾气被完全氧化产生高温烟气，高温烟气在燃烧内壳体3内部形成的燃烧加热腔内从下往上流动，重整组件4中从上而下流动的天然气和水蒸气混合气与高温烟气换热催化重整产生重整氢气通入到电堆之中，高温烟气产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需；
壳体1与燃烧内壳体3之间形成烟气换热腔，重整催化换热之后的烟气经燃烧烟气出口7进入烟气换热腔，烟气在烟气换热腔内从上往下流动，水蒸发及过热组件2中自下而上流动的水与烟气换热使水蒸发及过热，水蒸发及过热组件2形成的水蒸气经水蒸汽入口管6进入混合室44。
本实施例从外到内设有两层腔体结构：外部夹层做烟气换热腔，内部夹层做燃烧加热腔，燃烧器10、重整组件4，水蒸发及过热组件2集成一个独立的部件，大幅度简化了***的复杂性，提高了整体装置的紧凑性；燃烧加热腔走高温烟气，气流从下往上走；烟气换热腔走烟气，气流从上往下走；阳极尾气经燃烧器10被完全氧化产生高温烟气，高温烟气包围着重整部，燃烧产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需，烟气经燃烧烟气出口7进入烟气换热腔，烟气包围着水蒸发及过热组件2，燃烧产生的热量最后供应去离子水蒸发和过热所需，能够进一步提高重整效率和余热利用率；水蒸发及过热组件2和重整组件4均为多个部件组合而成，其中水蒸发及过热组件2包括供水管道21、换热直管22、汽水分离器23以及水蒸气过热螺旋管道24，保证去离子水达到重整反应所需温度；重整部包括重整管道41、收集腔42和螺旋换热管道43，提高重整效率和余热利用率。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，包括：
燃烧内壳体，所述燃烧内壳体的下端设有燃烧器，所述燃烧器用于接入阳极尾气和补燃空气，所述燃烧内壳体的上端侧壁设有燃烧烟气出口；
壳体，所述壳体套设于所述燃烧内壳体的外侧；
重整组件，所述重整组件包括由上至下依次连通的混合室和重整部，所述混合室连通有天然气入口管和水蒸汽入口管，所述重整部设于所述燃烧内壳体内，所述混合室内天然气和水蒸气的混合气进入所述重整部内；
水蒸发及过热组件，所述水蒸发及过热组件设于所述壳体和燃烧内壳体之间，经所述水蒸发及过热组件预热后的水蒸气进入所述水蒸汽入口管。
2.根据权利要求1所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述重整部包括由上至下依次连通的多个重整管道、收集腔和螺旋换热管道，多个所述重整管道的上端均与所述混合室连通，所述重整管道内设有重整催化剂，所述重整催化剂含量遵循从上到下依次增多的原则。
3.根据权利要求2所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述重整管道为由上至下渐扩的结构。
4.根据权利要求2所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述混合室呈倒漏斗状，所述收集腔呈漏斗状。
5.根据权利要求2-4任一项所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述螺旋换热管道的下端连通有重整气出口管，所述重整气出口管的下端伸出所述燃烧内壳体。
6.根据权利要求1所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸汽入口管上设有泄压阀。
7.根据权利要求1所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸发及过热组件包括由下至上依次连通的供水管道、多个换热直管、汽水分离器和水蒸气过热螺旋管道，所述水蒸气过热螺旋管道的上端与所述水蒸汽入口管连通。
8.根据权利要求7所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述供水管道呈圆环状，所述供水管道与去离子水入口管连通，所述去离子水入口管上设有水泵。
9.根据权利要求7或8所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置，其特征在于，所述水蒸气过热螺旋管道采用上密下疏结构，所述壳体的下端设有烟气出口管。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述的紧凑式SOFC***用耦合换热重整一体化装置的换热重整方法，其特征在于，包括以下步骤：
阳极尾气和补燃空气分别经阳极尾气入口管和补燃空气入口管进入燃烧器内预混燃烧；
阳极尾气被完全氧化产生高温烟气，高温烟气在燃烧内壳体内部形成的燃烧加热腔内从下往上流动，重整组件中从上而下流动的天然气和水蒸气混合气与高温烟气换热催化重整产生重整氢气通入到电堆之中，高温烟气产生的热量先供应重整再热所需，再供应重整初反应所需；
壳体与燃烧内壳体之间形成烟气换热腔，重整催化换热之后的烟气经燃烧烟气出口进入烟气换热腔，烟气在烟气换热腔内从上往下流动，水蒸发及过热组件中自下而上流动的水与烟气换热使水蒸发及过热，水蒸发及过热组件形成的水蒸气经水蒸汽入口管进入混合室。
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| CN202311284038.1A CN117239193A (zh) | 2023-10-07 | 2023-10-07 | 一种紧凑式sofc***用耦合换热重整一体化装置及方法 |
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| CN117239193A true CN117239193A (zh) | 2023-12-15 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311284038.1A Pending CN117239193A (zh) | 2023-10-07 | 2023-10-07 | 一种紧凑式sofc***用耦合换热重整一体化装置及方法 |
Country Status (1)
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| CN (1) | CN117239193A (zh) |
-
2023
- 2023-10-07 CN CN202311284038.1A patent/CN117239193A/zh active Pending
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