CN221108167U - 太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了制氢反应器技术领域的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，包括外壳和反应腔体，反应腔体内设有固定床，固定床上设有磁性催化剂，反应腔体顶部和底部分别设有第一功能框体和第二功能框体，第一功能框体和第二功能框体靠近于反应腔体一侧均设有第一线圈板，第一线圈板顶部与功能框体之间设有材料腔，材料腔内设有碳基复合相变材料层；其中第一功能框体设有用于为第一功能框内部加热的太阳光伏板和供电网，第二功能框体处设有用于为第二功能框体加热的集热器；反应腔体内还连通有分别装有甲醇和水的第一容器和第二容器。本实用新型结构简单，通过将催化功能和供热功能直接耦合从而科学调控催化剂床层供热。

Description

太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器

技术领域

本实用新型属于制氢反应器技术领域，具体是太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器。

背景技术

氢能作为一种高热值、多来源的绿色能源,是未来重要的能源载体。目前制氢方法可分为以下几类：化学制氢、电解水制氢和生物质制氢等。由于反应条件(温度、压力等)、制氢成本(包括反应物及后续纯化过程成本)、反应过程的安全性等因素的制约，大规模制氢的主流仍然是化学制氢，化学制氢中应用较多的是有机物催化重整技术，这其中甲醇水蒸气重整技术受到重视。其主要原因为：①作为化工生产的基本原料，甲醇的年产量大，超过2500万吨，是仅次于乙烯、氨的第三大商用化学品。煤基多联产***可以产出大量的替代液体燃料甲醇；②甲醇催化重整制氢所需操作条件简单，容易实现。甲醇催化重整制氢的温度为150-300℃，压力为常压到中压，比烃类化合物要低，其转化过程简单高效、经济可行，能产生高体积比的氢气，储存、运输方便，并且后续纯化程序简单。

甲醇水蒸气重整制氢反应是一个强吸热反应，因此反应床需要持续维持一个合适的反应温度，同时具有较快的响应速度，以满足制氢和用氢的集成化应用，现有的甲醇水蒸气重整制氢反应器虽然能够实现制取氢气的需求，但仍有一定的不足。主要的问题如下：1.传统的管式反应器通过燃烧甲醇为甲醇重整制氢反应提供热量，由于燃烧主要在入口段，传入重整通道的热量占比较少，能量利用率低，且温度控制不够精确，受供气影响温度变化范围大，容易造成局部过热使得反应器内的催化剂烧结失活，使用寿命下降，同时存在反应温度冷点的问题；2.传统的重整制氢反应器，其热源往往来自于管壁外，因此在管壁与内部之间的传热中，受到了管壁本身的热阻影响，且该部分热阻也是反应传热缓慢的原因。

例如中国专利公告号为CN209702303U的专利公开了一种甲醇重整制氢反应器，包括蒸发器、重整器和净化储存器，蒸发器用于将甲醇水混合液原料加热气化，形成的甲醇水混合气进入重整器内进行催化重整反应；净化储存器用于将由重整器得到的富氢产品进行氢气净化和氢气存储。重整器内部设置有若干层串联的冷流体腔道和若干层并联的热流体腔道，每层冷流体腔道内均设置有重整催化剂，甲醇水混合气进入重整器的冷流体腔道内，热尾气均匀进入重整器的各层热流体腔道内，所述冷流体腔道和热流体腔道均为层状空腔的结构，且冷流体腔道和热流体腔道在重整器内层层交替设置。

上述装置重整器和蒸发器采用层层换热的方式回收热尾气的热量，大大提升了对热尾气热量的利用率。但是该反应为强吸热反应，反应物及产物处于流动状态，各位置的反应热消耗情况不同，该方案设定的温度调控方式不灵活，可能出现温度冷点和局部烧结；同时多个腔道相互穿插，虽然提高了反应器的温度均匀性和用于重整制氢反应的能量占比，但其流道腔复杂，在反应器扩大后启动时间较长。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，通过将催化功能和供热功能直接耦合从而科学调控催化剂床层供热。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，包括外壳和反应腔体，反应腔***于外壳内，反应腔体内设有固定床，固定床上设有磁性催化剂，反应腔体顶部和底部分别设有第一功能框体和第二功能框体，第一功能框体和第二功能框体靠近于反应腔体一侧均设有第一线圈板，第一线圈板顶部与功能框体之间设有材料腔，材料腔内设有碳基复合相变材料层；

其中第一功能框体设有用于为第一功能框内部加热的太阳光伏板和供电网，第二功能框体处设有用于为第二功能框体加热的集热器；反应腔体内还连通有分别装有甲醇和水的第一容器和第二容器。

基础方案的原理及有益效果是：首先水和甲醇输送至反应腔体内进行反应，同时利用太阳光伏板和供电网通电并为第一功能框进行供热，其中太阳能光伏板是在有阳光的时候进行供电，在没有阳光的时候，则采用电网的电进行供电，二者可以通过蓄电池进行转换。有阳光则光能发电给蓄电池存储然后使用，没有阳光且蓄电池的能量耗尽，则使用电网的电，并且在阳光的积累作用下，集热器能够在有阳光的时候将阳光聚焦在相变材料上实现对第二功能框的供热，并实现将光能转化为热能存储起来作为后备能源；

并且在此运行下能够达到的有益效果如下：

1、将催化功能和供热功能直接耦合：磁性催化剂具有催化作用与磁核，而磁核则可以在交变磁场中产生感应电流，从而为催化剂床层自动供热；

2、通过非接触电磁感应释热的方法为重整过程提供内热源以强化床层内的热质传输特性和反应器的产氢性能：热量可以通过直接在催化剂上感应产生，而无需穿过整个反应器，从其外壁到催化剂核心。因此在目标样品上产热几乎是瞬时发生的，没有明显的热惯性，比传统外部加热方案的热效率要高；传统的反应器通常采用外部供热，床层存在温度冷点，过量水汽化需要额外的热量，受传热传质限制时表现为慢反应；

3、相变蓄热介质的加热与重整制氢***多物理场耦合：一方面相变蓄热介质能维持反应的温度恒定；另一方面，也能进一步利用太阳能为相变介质供热，同时也能回收一部分通电导线产生的焦耳热，提高传热效率。

进一步，第一线圈板包括板体，板体上设有若干的固定孔，固定孔内设有线圈，且固定孔处还均设有接线柱，板体还设有若干与线圈位置对应的连接孔，线圈通过连接孔与碳基复合相变材料层连通；

第一线圈板上还设有储热腔体和若干的通电管道。

基础方案的有益效果是：能够实现区域化的独立供热，同时增强了同等条件下的磁场强度，从而增大了磁场强度的变化率，通过在第一功能框体和第二功能框体内铺设的独立供电的线圈，能够强化电磁感应加热效果，增大热流量，加快反应行进并保证反应稳定发生，同时第一功能框体内设置的碳基复合相变材料也进一步利用光热并回收线圈余热。

进一步，反应腔体两侧均设有固定盖板，固定盖板能够将反应腔体和功能框均固定；

固定盖板两侧还设有为反应腔体两侧实现反应电磁感应加热的第二线圈板。

基础方案的有益效果是：增加本装置的稳定性，减少意外情况的发生。

进一步，第一功能框体处连通有气液分离器，气液分离器连通有氢气提纯装置。

基础方案的有益效果是：利用气液分离器对气体和液体进行对应的分离，然后利用氢气提纯装置能够实现对氢气的提取，进而实现氢气制备的全过程。

进一步，本装置除开第一功能框体侧面和第二功能框体底部均铺设有通电导线。

基础方案的有益效果是：能够使本装置内部的线圈均能较为便利的连通电源，并对应的电能的供应下进行对应的反应操作，实现区域化管理。

进一步，反应腔体上连通有第一管，第一管连通有若干分别与第一容器和第二容器连通的第二管，且第一管上设有第一电控阀，第二管上均设有第二电控阀。

基础方案的有益效果是：能够实现对甲醇和水的加入量进行对应的控制，进而对反应时的原料量进行对应的控制，减少原料量过多或者过少进而导致反应不够充分的问题。

进一步，太阳光伏板的集光路径中设有菲涅尔透镜聚光透热，菲涅尔透镜设置于外壳上方。

基础方案的有益效果是：当太阳光线通过菲涅尔透镜时，透镜的凸出部分会将光线聚焦在透镜的焦点上。这个聚焦点可以非常热，因此所有太阳光的能量都被集中到一个小区域，聚焦点的高温可用于多种集热应用；进而实现对反应装置上方集热，使得上方的碳基复合相变材料吸收光热。

进一步，第一线圈板上还对称设有储热腔。

基础方案的有益效果是：通过储能腔的设计，能够实现对热能的存储。

附图说明

图1为本实用新型实施例中太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器的正向示意图。

图2为本实用新型实施例中太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器的正视图。

图3为图1中的第一线圈板俯向剖视图。

图4为图1中的储能腔俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：反应腔体1、第一功能框体2、第一线圈板201、材料腔202、连接孔203、接线柱204、储热腔205、通电管道206、第二功能框体3、外壳4、固定盖板5、固定床6、磁性催化剂7、菲涅尔透镜8、集热器9、第一容器10、第二容器11、第二管12、第二电控阀13、第一电控阀15、第一管16、气液分离器17、氢气提纯装置18。

实施例1

基本如附图1至图4所示：太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，包括外壳4和反应腔体1，反应腔体1位于外壳4内，反应腔体1内设有固定床6，固定床6上设有磁性催化剂7，反应腔体1顶部和底部分别设有第一功能框体2和第二功能框体3，第一功能框体2和第二功能框体3靠近于反应腔体1一侧均设有第一线圈板201，第一线圈板201顶部与功能框体之间设有材料腔202，材料腔202内设有碳基复合相变材料层；第一线圈板201上还对称设有储热腔205；

其中第一功能框体2设有用于为第一功能框内部加热的太阳光伏板和供电网，第二功能框体3处设有用于为第二功能框体3加热的集热器9；反应腔体1内还连通有分别装有甲醇和水的第一容器10和第二容器11。

具体实施过程如下：进行重整制氢时，首先水和甲醇输送至反应腔体1内进行反应，同时利用太阳光伏板和供电网通电为第一功能框进行供热，并且在阳光的积累作用下，集热器9能够在有阳光的时候将阳光聚焦在相变材料上实现对第二功能框3的供热，并实现将光能转化为热能存储起来作为后备能源；

在第一功能框体2和第二功能框体3进行加热时，将会为内部的反应腔体1内进行供热，其中磁性催化剂7具有催化作用与磁核，而磁核则可以在交变磁场中产生感应电流，从而为催化剂床层供热；

并且热量可以通过直接在催化剂上感应产生，而无需穿过整个反应器，从其外壁到催化剂核心。因此在目标样品上产热几乎是瞬时发生的，没有明显的热惯性，比传统外部加热方案的热效率要高；传统的反应器通常采用外部供热，床层存在温度冷点，过量水汽化需要额外的热量，受传热传质限制时表现为慢反应，同时一方面相变蓄热介质能维持反应的温度恒定；另一方面，也能进一步利用太阳能为相变介质供热，同时也能回收一部分通电导线产生的焦耳热，提高能量利用率。

由此本实用新型通过充分利用太阳能光热、光电效应，引入电磁感应加热模式，解决甲醇水蒸气重整制氢过程中存在的外部热量供应需求量大、反应动态响应慢等问题，解决磁性催化剂7分布对强吸热的甲醇水蒸气重整制氢过程的优化；并且能够实现磁性催化剂的磁核的电磁感应加热效应和催化剂本身的催化作用，由此实现催化功能和供热功能直接耦合。

实施例2

与上述实施例不同之处在于，第一线圈板201包括板体，板体上设有若干的固定孔，固定孔内设有线圈，且固定孔处还均设有接线柱204，板体还设有若干与线圈位置对应的连接孔203，线圈通过连接孔203与碳基复合相变材料层连通；

第一线圈板201上还设有储热腔体和若干的通电管道206。

具体实施过程如下：线圈独立设置于每个固定孔内，能够实现区域化的独立供热，同时为了增强了同等条件下的磁场强度，从而增大磁场强度的变化率，通过在第一功能框体2和第二功能框体3内铺设独立供电的线圈，能够强化电磁感应加热效果，增大热流量加快反应行进并保证反应稳定发生，同时第一功能框体2内设置的复合相变材料也进一步利用光热并回收线圈余热。

实施例3

与上述实施例不同之处在于，反应腔体1两侧均设有固定盖板5，固定盖板5能够将反应腔体1和功能框均固定。固定盖板5采用保温隔热材料制成；

固定盖板5两侧还设有为反应腔体两侧实现反应电磁感应加热的第二线圈板。

具体实施过程如下：固定盖板5的设计能够对功能腔体和第一功能框体2和第二功能框体3进行对应的固定，进而增加本装置的稳定性，减少意外情况的发生。

实施例4

与上述实施例不同之处在于，第一功能框体2处连通有气液分离器17，气液分离器17连通有氢气提纯装置18。

具体实施过程如下：生成的产物利用气液分离器17对气体和液体进行对应的分离，然后利用氢气提纯装置18能够实现对氢气的提取，进而实现氢气制备的全过程。

实施例5

与上述实施例不同之处在于，本装置除开第一功能框体2侧面和第二功能框体3底部均铺设有通电导线。

具体实施过程如下：通过通电导线的全部铺设，能够使本装置内部的线圈均能较为便利的连通电源，实现区域化管理。

实施例6

与上述实施例不同之处在于，反应腔体1上连通有第一管16，第一管16连通有若干分别与第一容器10和第二容器11连通的第二管12，且第一管16上设有第一电控阀15，第二管12上均设有第二电控阀13。

具体实施过程如下：利用灵活的开启第一电控阀和第二电控阀13能够实现对甲醇和水的加入量进行对应的控制，进而对反应时的原料量进行对应的控制，减少原料量过多或者过少进而导致反应不够充分的问题。

实施例7

与上述实施例不同之处在于，太阳光伏板的集光路径中设有菲涅尔透镜8聚光集热，菲涅尔透镜8设置于外壳上方。

具体实施过程如下：菲涅尔透镜8由一系列具有特殊形状的透镜环组成，每个环都有一个凸出的透镜部分，类似于常规透镜的透镜面。这些透镜环通过其凸出的部分将太阳光线折射并聚焦在一个点上；当太阳光线通过菲涅尔透镜8时，透镜的凸出部分会将光线聚焦在透镜的焦点上。这个聚焦点可以非常热，因为所有太阳光的能量都被集中到一个小区域，聚焦点的高温可用于多种集热应用。例如，可以在焦点附近放置热敏感的材料或液体，以将太阳能转化为热能。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本实用新型的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前实用新型所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本实用新型结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本实用新型的保护范围，这些都不会影响本实用新型实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：包括外壳和反应腔体，反应腔***于外壳内，反应腔体内设有固定床，固定床上设有磁性催化剂，反应腔体顶部和底部分别设有第一功能框体和第二功能框体，第一功能框体和第二功能框体靠近于反应腔体一侧均设有第一线圈板，第一线圈板顶部与功能框体之间设有材料腔，材料腔内设有碳基复合相变材料层；

其中第一功能框体设有用于为第一功能框内部加热的太阳光伏板和供电网，第二功能框体处设有用于为第二功能框体加热的集热器；反应腔体内还连通有分别装有甲醇和水的第一容器和第二容器。

2.根据权利要求1所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：第一线圈板包括板体，板体上设有若干的固定孔，固定孔内设有线圈，且固定孔处还均设有接线柱，板体还设有若干与线圈位置对应的连接孔，线圈通过连接孔与碳基复合相变材料层连通；

第一线圈板上还设有储热腔体和若干的通电管道。

3.根据权利要求2所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：反应腔体两侧均设有固定盖板，固定盖板能够将反应腔体和功能框均固定；

固定盖板两侧还设有为反应腔体两侧实现反应电磁感应加热的第二线圈板。

4.根据权利要求3所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：第一功能框体处连通有气液分离器，气液分离器连通有氢气提纯装置。

5.根据权利要求4所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：本装置除开第一功能框体侧面和第二功能框体底部均铺设有通电导线。

6.根据权利要求5所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：反应腔体上连通有第一管，第一管连通有若干分别与第一容器和第二容器连通的第二管，且第一管上设有第一电控阀，第二管上均设有第二电控阀。

7.根据权利要求6所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：太阳光伏板的集光路径中设有菲涅尔透镜聚光集热，菲涅尔透镜设置于外壳上方。

8.根据权利要求7所述的太阳能集蓄热耦合电磁感应加热燃料重整制氢反应器，其特征在于：第一线圈板上还对称设有储热腔。