高汽化率乙醇重整反应器的制作方法

本实用新型涉及重整制氢技术领域，特别是一种高汽化率乙醇重整反应器。

背景技术：

以目前全球对是由消耗的速度计算，地球的石油储量能够维持20a。煤的储量能够维持70a。因此，化石能源将逐渐被非化石能源取代。在众多的新能源中，氢能将会成为21世纪最理想的能源。在燃烧相同的煤、汽油和氢气的情况下，氢气产生的能量最多，而且它燃烧的产物是水，没有灰渣和废气，不会污染环境。

燃料电池是把氢能转化为电能的最佳载体。目前燃料电池的氢气来源的四种基本方式（电解水、气化、重油的部分氧化和醇类重整反应）中，醇类燃料由于其独特的优点而倍受瞩目。但甲醇的毒性和不可再生性使乙醇作为无毒和可再生能源，呈现出优势。与燃料电池的其他燃料相比，乙醇具有独特的优点：第一，从原料来源看，乙醇既可从化石资源中获取，还可从自然界中直接获取，如通过谷物和糖类的发酵制取，通过生物质降解等，因此，化石资源耗尽后，仍可利用地球表面植被和农作物来获得乙醇作为燃料；第二，是乙醇在存储和处理上的安全性。乙醇常温常压下为液态，还可处理成固态，利于存储和运输。乙醇毒性非常低，使其在处理和使用上安全性提高。第三，乙醇在催化剂上具有热扩散性，在高活性的催化剂上，乙醇重整在低温范围发生；第四是乙醇的比能量远远高于甲醇和氢气。

乙醇低温水蒸气重整在300-550℃范围内，高温水蒸气重整在650-930℃范围内。乙醇高温水蒸气重整反应的有害副产物主要为一氧化碳，但经过后续步骤的水汽转换和一氧化碳的选择性氧化，浓度可低于几十个10^-5。但在高温下会有碳的析出。析出的碳覆盖堆积在催化剂的表面将会引起催化的失活，因此高温时生产的碳是重整制氢的另一个有害副产物。由于PEMFC燃料电池对重整氢气的质量有求高，此外，要求制氢系统小型化和具有高的比功率，这就成为燃料电池制氢技术中的关键技术难点。

此外，蒸发器组成重整反应器的重要部件，现有的蒸发器大都是盘管结构，这种结构的蒸发器传热效率有限，有时其内的介质不能够完全汽化，影响了最终产品性能。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高汽化率乙醇重整反应器，至少达到工作安全、稳定且结构小型化的目的，另外一个目的就是解决现有高汽化率乙醇重整反应器的蒸发器热量利用率低、汽化不彻底的问题。

为解决以上技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种高汽化率乙醇重整反应器，包括燃烧室、重整反应室、蒸发器以及用于容置燃烧室、重整反应室和蒸发器的壳体，燃烧室和重整反应室均为空腔柱体，燃烧室设置在壳体内中部，重整反应室设置在燃烧室下部，燃烧室顶部连接燃料乙醇输入管和助燃剂输入管，燃烧室顶部还安装有点火装置；蒸发器为一排的若干个U形管依次连接后卷成筒状体，每个U形管的内管壁上均布有翅片，位于首端的一个U形管上设有输入端口、位于尾端的一个U形管上设有输出端口，蒸发器的输入端口位于蒸发器顶部并与原料乙醇输入管和原料水输入管相连，蒸发器的输出端口位于蒸发器底部并与重整反应室相连，蒸发器整体套装于燃烧室外侧；重整反应室上设原料混合气输入端口和重整合成气输出端口，原料混合气输入端口与蒸发器的输出端口连接，重整反应室内设两层催化剂固定床，第一催化剂固定床内固定载Pd催化剂，第二催化剂固定床内固定Ni基催化剂。

高汽化率乙醇重整反应器启动时，燃料乙醇与助燃剂空气或氧气混合，喷到燃烧室中，在点火器的作用下迅速燃烧产生热。燃烧室产生的热量迅速向蒸发器和重整反应室内腔传导，原料乙醇和水在蒸发器内汽化形成原料混合气体，热的混合气体进入重整反应室在催化剂的作用下发生重整反应产生富氢气体。

进一步地，重整反应室外侧设置有空腔结构的CO净化反应室,CO净化反应室的输入端口连接重整反应室的重整合成气输出端口。富氢气体进一步经过CO净化反应室降低CO含量，然后可输送至燃料电池产生电力，没有完全使用的转化产物会送回燃烧室为反应提供热量。

本实用新型中，蒸发器由一排的若干个U形管依次连接后卷制成筒状体而成，而且每个U形管内管壁上设有增大热传导率的翅片，这样就极大地增加了热交换的有效长度，使得原料乙醇和水能够在热交换器内尽可能流经更长距离、停留更长时间的，使得原料乙醇和水能够更充分的吸热汽化，最终进一步的提高了热交换效率。

本实用新型使用乙醇作为燃料和重整原料，乙醇在存储和处理上的安全性。在启动时乙醇燃烧产生热，提供重整反应所需要的温度，与传统重整反应器相比，一方面，直接使用液体燃料简化结构，另一方面点燃后即可快速加热至所需的反应温度，减少了启动时间，工作稳定，可靠性强。此外，重整反应室内，乙醇首先经过第一催化剂固定床，在载Pd催化剂作用下转化为甲烷、碳氧化物和氢，然后再经过第二催化剂固定床，在Ni基催化剂作用下进行甲烷水蒸气重整把上述混合物转化为合成气，采用两层催化剂的重整反应时可以防止焦炭的形成并能提供接近平衡气的合成气。

附图说明

此处的附图用来提供对本实用新型的进一步说明，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用来解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型中蒸发器的展开示意图。

图中，1-燃烧室，2-重整反应室，3-蒸发器，3-1-U形管，4-壳体，5-燃料乙醇输入管，6-助燃剂输入管，7-原料乙醇输入管，8-原料水输入管，9-法兰，10-第一催化剂固定床，11-第二催化剂固定床，12-CO净化反应室。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好的理解本实用新型，以下结合参考附图并结合实施例对本实用新型作进一步清楚、完整的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

如图1所示的高汽化率乙醇重整反应器包括燃烧室1、重整反应室2、蒸发器3以及用于容置燃烧室1、重整反应室2和蒸发器3的壳体4，燃烧室1和重整反应室2均为空腔柱体，优选为空腔圆柱体，燃烧室1设置壳体4内在中部，重整反应室2设置在燃烧室1下部，重整反应室2内填充重整反应催化剂。

燃烧室1顶部连接燃料乙醇输入管5和助燃剂输入管6，燃烧室1顶部还安装有点火装置，上述燃料乙醇输入管5、助剂输入管6以及点装置均固定在法兰9上，该法兰9与燃烧室1顶部螺栓连接。燃烧室1为重整反应提供热量，燃料为乙醇，助燃剂为空气和氧气中的至少一种，燃烧产物是CO₂和H₂O，燃烧过程中放出热量，燃烧室1内有喷嘴、点火器以及空气分布管。该反应能够迅速燃烧产生热，从而使燃烧室1和重整反应室2迅速升温到所需的温度。燃料乙醇输入管5和助燃剂输入管6分别用于向燃烧室1内输入燃料乙醇和助燃剂。

蒸发器3为一排的若干个U形管3-1依次连接后卷成筒状体，每个U形管3-1的内管壁上均布有翅片，位于首端的一个U形管3-1上设有输入端口、位于尾端的一个U形管3-1上设有输出端口，蒸发器3的输入端口位于蒸发器3顶部并与原料乙醇输入管7和原料水输入管8相连，蒸发器3的输出端口位于蒸发器3底部并与重整反应室2相连，蒸发器3整体套装于燃烧室1外侧；。蒸发器3为原料乙醇和水的汽化场所，原料乙醇和水分别通过原料乙醇输入管7和原料水输入管8从蒸发器3的输入端口输入蒸发器3内的各U形管3-1内，汽化后的混合气体从蒸发器3的输出端口输出至重整反应室2。

重整反应室2上设原料混合气输入端口和重整合成气输出端口，原料混合气输入端口与蒸发器3的输出端口连接。重整反应室内设两层催化剂固定床，第一催化剂固定床10内固定载Pd催化剂，第二催化剂固定床11内固定Ni基催化剂。重整反应室2中乙醇和水反应生成重整合成气，重整反应室内，乙醇首先经过第一催化剂固定床10，在载Pd催化剂作用下转化为甲烷、碳氧化物和氢，然后再经过第二催化剂固定床11，在Ni基催化剂作用下进行甲烷水蒸气重整把上述混合物转化为合成气，采用两层催化剂的重整反应时可以防止焦炭的形成并能提供接近平衡气的合成气。

乙醇重整制氢反应器启动时，燃料乙醇通过蠕动泵、燃料乙醇输入管5进入燃烧室顶部的喷嘴，与助燃剂空气或氧气混合，喷到燃烧室1中，在点火器的作用下迅速燃烧产生热，其启动时间短，操作和装置都很简单。燃烧室1产生的热量迅速向蒸发器3和重整反应室2内腔传导，原料乙醇和水在蒸发器内汽化形成原料混合气体，热的混合气体进入重整反应室2在催化剂的作用下发生重整反应产生富氢气体。

来自重整反应室2的富氢气体包含CO。因氢燃料电池的电极材料为Pt，CO不仅会毒化Pt电极而且极易吸附于催化剂表面，阻碍燃料的催化氧化。大量的研究表明极微量的CO就能是电池性能严重下降。作为优选的实施例，重整反应室2外侧设置有空腔结构的CO净化反应室10，CO净化反应室10的输入端口连接重整反应室2的重整合成气输出端口。CO净化反应室10内设置与CO去除方法相对应的吸附剂、膜、催化剂等或进行相应的结构设置。经过CO净化后的富氢气体进入质子交换膜燃料电池产生电力，没有完全使用的转化产物会送回高汽化率乙醇重整反应器的燃烧室为反应提供热量。

本实用新型要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本实用新型可以有多种变形和更改，凡在本实用新型的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本实用新型的保护范围之内。