基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及甲醇水重整制氢系统技术领域，特别涉及一种基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统及方法。
【背景技术】
[0002]氢，是一种21世纪最理想的能源之一，在燃烧相同重量的煤、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；而煤和石油燃烧生成的主要是COjPSO2，可分别产生温室效应和酸雨。煤和石油的储量是有限的，而氢主要存于水中，燃烧后唯一的产物也是水，可源源不断地产生氢气，永远不会用完。氢的分布很广泛，水就是氢的大“仓库”，其中含有11%的氢。泥土里约有1.5%的氢；石油、煤炭、天然气、动植物体内等都含有氢。氢的主体是以化合物水的形式存在的，而地球表面约70%为水所覆盖，储水量很大，因此可以说，氢是“取之不尽、用之不竭”的能源。如果能用合适的方法从制取氢，那么氢也将是一种价格相当便宜的能源。
[0003]目前，世界上氢的年产量约为3600万吨，制氢方法主要有两种:其一、绝大部分氢是从石油、煤炭和天然气中制取，这种方法需要消耗本来就很紧缺的矿物燃料；其二、约有4%的氢是用电解水的方法制取，这种方法消耗电能大，很不划算。随着技术的进步，采用甲醇和水重整制氢的技术渐渐得到发展，其能减少化工生产中的能耗和降低成本，并有望替代电能消耗特别在的电解水制氢工艺。利用先进的甲醇水蒸气重整技术制取4与0)2的混合气体，再经钯膜分离器分离，可分别得到HjP CO 2。
[0004]参照中国发明申请201310340475.0 (申请人:上海合既得动氢机器有限公司)，该专利公开了一种甲醇水制氢系统，甲醇与水蒸气在重整器的重整室内，在350-570°C温度下1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统。反应方程如下:(I) CH3OH — C0+2H2； (2) H 20+C0 — C02+H2； (3) CH 30H+H20 — C02+3H2，重整反应生成的 H2^PCO2,再经过分离室的钯膜分离器将HjP CO 2分离，得到高纯氢气。
[0005]甲醇与水蒸气的重整制氢反应的过程中，由于重整器内需要维持350_570°C温度，因此，在重整器启动之后，一部分生成的H2需要与O2燃烧，产生热量，以维持重整器的运行。在现有技术中，02直接来源于从外界扇进重整器的空气，具体参照中国发明申请201410311217.4 (申请人:广东合即得能源科技有限公司)，重整器安装有进风盖板，该进风盖板设有风道，外界空气可经该风道进入至重整器内。重整器设有排气装置(气筒)，外界空气中的N2、C02等未燃烧的气体，02与H2燃烧后产生的水汽，均从排气装置(气筒)中排出，与此同时，甲醇水重整反应生成的比和CO2，经过分离室的钯膜分离器分离出氢气后，剩下的CO2以及未反应的水汽也从排气装置(气筒)中排出。这些排出的余气(包括水汽、CO 2、N2等气体)具有的特性是:贫氧、富水汽、热量高，其温度通常在300-600°C之间。
[0006]承上，基于以上技术情况，其带来的缺陷是:其一、排出的余气，浪费了大量的热能，使得甲醇水重整制氢系统的甲醇水原料利用率不高，不利于节能减排；其二、排出的余气，具有较高的温度(通常在300-600°C之间)，影响甲醇水重整制氢系统各部分设备运转，例如当控制装置若受到高温气体影响，其寿命和稳定性将明显降低，甚至出现严重烧坏问题；其三、重整器内燃烧需要的O2直接来源于从外界扇进重整器的空气，空气温度为常温，常温空气直接进入重整器后，其助燃效果不佳。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术中的不足，提供一种基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统，该余气换热助燃系统能充分回收重整器所排出的余气中的热量，使外界空气在进入重整器之前得到升温，进而使升温后的外界空气助燃效果非常好。为此，本发明还要提供一种所述余气换热助燃系统的方法。
[0008]为解决上述第一个技术问题，本发明的技术方案是:
一种基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统，包括重整器、换热管及进风装置，其中:
重整器，重整器设有重整室、分离装置、燃烧腔及排气囱口，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳混合气体，所述分离装置用于分离出制得的氢气，所述燃烧腔用于部分制得的氢气与外界空气中的氧气燃烧，为重整器的运行提供热量；所述分离装置分离之后的二氧化碳、燃烧腔内氢气氧气燃烧产生的水汽以及外界空气中的未燃烧气体混合成余气，从所述排气囱口排向换热管之第一输送通道；
换热管，换热管具有双层同轴心的第一输送通道及第二输送通道，在换热管的一端，第一输送通道与所述排气囱口相连通，第二输送通道与重整器之燃烧腔进风口相连通；在换热管的另一端，第一输送通道设有余气排出口，第二输送通道连接进风装置；所述进风装置输入的外界空气在第二输送通道中，与第一输送通道中的余气进行换热，外界空气温度升高，进入重整器之燃烧腔助燃，余气温度降低，从第一输送通道的余气排出口排出。
[0009]所述基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统还设有气水分离器，该气水分离器包括分离器主体及设置于分离器主体上的气水输入口、出气口及出水口，其中，该气水输入口连通所述第一输送通道的余气排出口，该出气口连接排气风扇。
[0010]所述气水分离器的出水口连接有净水器，该净水器中设有RO膜净水装置，经净水器净化后的净水输出至净水水箱。
[0011]所述基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统还包括甲醇水储存输送装置，该甲醇水储存输送装置包括甲醇水储存容器及输送泵，所述甲醇水储存容器内储存有液态的甲醇和水原料，所述输送泵用于将甲醇水储存容器中的甲醇和水原料输送至重整器；所述气水分离器输出的水或者净水水箱输出的水作为水原料供应给甲醇水储存容器。
[0012]所述甲醇水储存输送装置与重整器之间的输送管道上设有换热器，低温的甲醇和水原料在换热器中，与重整室输出的高温氢气进行换热，甲醇和水原料温度升高、汽化；所述分离装置的产气端输出的氢气，经换热器后温度降低。
[0013]所述换热管呈螺旋状环绕于重整器之外壳上，所述换热管的上端，为连通重整器之排气囱口及重整器之燃烧腔进风口的一端，所述换热管的下端，为连接进风装置及余气排出口的一端。
[0014]所述换热管为双层同轴心的钛合金波纹管、镁合金波纹管、铝质波纹管、铜质波纹管、不锈钢波纹管中的任意一种。
[0015]为解决上述第二个技术问题，本发明的技术方案是:
一种基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统的方法，包括以下步骤:
(1)重整器在运行过程中，从排气囱口排出贫氧、含水汽、高热量的余气，该余气从换热管一端进入换热管的第一输送通道；与此同时，进风装置工作，从进风装置进入的外界空气，从换热管另一端进入换热管的第二输送通道；
(2)外界空气在第二输送通道中，与第一输送通道中的余气进行换热，外界空气温度升高，变成高热量空气，并进入重整器之燃烧腔助燃；与此同时，余气温度降低，变成低热量的余气，而余气中的水汽则冷凝成冷凝水，均从第一输送通道的余气排出口排出。
[0016]所述第一输送通道的余气排出口排出的余气和冷凝水均进入气水分离器，经气水分离器分离后，余气经排气风扇排出至外界，冷凝水作为重整器运行的水原料使用。
[0017]本发明的有益效果是:
其一、本发明通过设置双层同轴心的换热管，使重整器排出的余气中的大量热能能够回收利用，使得甲醇水重整制氢系统的甲醇水原料利用率大幅提高，有利于节能减排；
其二、从重整器之排气囱口排出的余气，其温度通常在300-600°C之间，经换热管换热后，温度通常将降至50°C以下，这样低的余气温度很难再影响到甲醇水重整制氢系统的各部分设备运转，因而能避免高温余气降低甲醇水重整制氢系统的寿命和稳定性的问题，以及避免出现严重烧坏设备的问题；
其三、外界空气在换热管中与高温余气换热后，外界空气温度迅速升高，其温度通常能达到200-500°C的高温，当高温空气进入重整器之燃烧腔后，不但高温空气能为重整室提供一部分热量，以减少氢气燃烧量，而且高温空气中的氧气能与氢气更好地燃烧，使氧气助燃效果非常好；
此外，在本发明的进一步优选方式中，本发明还设置气水分离器，气水分离器的气水输入口连通所述换热管的余气排出口，当贫氧、含水汽、高热量的余气通过换热管换热后，大部分水汽遇冷冷凝成冷凝水，这部分冷凝水经气水分离器分离后，从气水分离器的出水口流出，从而制得甲醇水重整制氢反应所需要的水原料，或作其它用；在一些使用甲醇水重整制氢系统的水资源缺乏地域，例如高山通信基站、制氢站等等，制水作用尤其显著。
【附图说明】
[0018]图1为本发明的整体结构方框示意图。
[0019]图2为本发明一优选实施例的纵剖视结构原理示意图。
[0020]图3为本发明另一优选实施例的纵剖视结构原理示意图。
[0021]图4为换热管的横截面结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
[0023]如图1、图2和图3所示，本发明为一种基于甲醇水重整制氢系统的余气换热助燃系统，包括重整器1、换热管2及进风装置3，其中:
重整器1，重整器设有重整室、分离装置、燃烧腔及排气囱口 11，所述重整室用于甲醇与水蒸汽发生重整制氢反应制得氢气和二氧化碳混合气体，重整室内的温度为300-570°C温度，重整室内设有催化剂，在重整室内，甲醇与水蒸气在1-5M Pa的压力条件下通过催化剂，在催化剂的作用下，发生甲醇裂解反应和一氧化碳的变换反应，生成氢气和二氧化碳，这是一个多组份、多反应的气固催化反应系统，反应方程为:(l)CH3OH — CO+2H