一种天然气重整制氢转化炉的余热利用装置的制作方法

本实用新型涉及一种余热利用装置，特别是一种天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，属于天然气重整制氢转化炉技术领域。

背景技术：

氢能和燃料电池作为21世纪清洁高效的能源利用新技术。2016年4月，我国国家发改委和国家能源局联合发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》（发改能源〔2016〕513号），规划了能源技术革命重点创新行动路线图，部署了15项具体任务，“氢能与燃料电池技术创新”位列其中，氢能已经纳入了我国能源战略。氢能产业内涵丰富，按产业链顺序划分为氢能产业基础设施、燃料电池和燃料电池车辆、燃料电池发电（含热电联产）以及其他应用领域等。现燃料电池紧锣密鼓研发中，小型化制氢系统解决氢气的来源，也给现有的加氢站气源的补充（现有加氢站基本为外送氢气）。当前，我国氢气来源是以煤、天然气及石油等化石燃料制氢为主，约占97%，其中以天然气水蒸气重整制氢为主，也最为清洁。因转化炉体积的制约，天然气重整制氢规模较大，热效率较低。现在微小型装置逐渐成为研发热点。

传统的天然气重整制氢转化炉的余热利用装置的体积较大，同时由于转化炉的烟气热量较大，使得各余热利用功能及利用次序也不相同，而设计方式也较多。当天然气重整制氢转化炉小型化以后，烟气量以及所含有的热量也相应减小，而余热利用装置的小型化也是转化炉小型化以后所带来的另一要求。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种小型化的天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，通过余热利用过程以及换热形式的设计，实现余热利用装置的小型、高效。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，该余热利用装置包括沿天然气重整制氢转化炉烟气流向依次设置于烟气管道的蒸汽发生器、第一预热器和第二预热器，所述蒸汽发生器为螺旋管式换热器，第一预热器为螺旋管式换热器，第二预热器为板式换热器。

进一步的，所述第一预热器与天然气管道连接对天然气进行预热。

进一步的，所述第二预热器与空气管道连接对空气进行预热。

进一步的，还包括与烟气管道连接的天然气重整制氢转化炉。

进一步的，所述烟气管道沿竖直方向布置，并在该竖直方向上依次设置蒸汽发生器、第一预热器和第二预热器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

本实用新型的天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，通过对余热利用过程的设计，以及换热结构的设计，实现了在小、微型天然气重整制氢转化炉中的余热高效再利用，同时该余热利用装置具有结构小巧的优点，可与小、微型天然气重整制氢转化炉匹配，实现装置整体的小型化。

附图说明

图1是本实用新型余热利用装置的结构示意图；

图2是本实用新型余热利用装置具有转化炉的结构示意图；

图3是本实用新型图2转化炉的燃烧嘴结构示意图。

图中标记：1-烟气管道、2-蒸汽发生器、21-进水口、22-蒸汽出口、3-第一预热器、31-第一预热器预热物料进口、32-第一预热器预热物料出口、4-第二预热器、41-第二预热器预热物料进口、42-第二预热器预热物料出口、5-炉体、6-炉管、61-膨胀节、7-绝热材料、8-燃烧腔、9-总烟道、10-分支烟道、11-燃烧嘴、111-燃烧空气进管、112-燃烧气进管、113-喉部、114-蜂窝状板体、115-燃烧催化剂、116-挡板、117-螺旋导流板、118-安装板、119-绝热材料层、1110-包裹层、12-烟气出口、13-转化气出口。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实用新型的天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，该余热利用装置包括沿天然气重整制氢转化炉烟气流向依次设置于烟气管道1的蒸汽发生器2、第一预热器3和第二预热器4，所述蒸汽发生器2为螺旋管式换热器，第一预热器3为螺旋管式换热器，第二预热器4为板式换热器。本实用新型中，首先利用蒸汽发生器2进行蒸汽的产生，对高品位的烟气余热进行利用，其次在通过两次预热过程对余热利用达到对烟气热量的完全利用，在本实用新型中，结合小、微型天然气重整制氢转化炉的烟气热量特点，选用螺旋管式换热器形式的蒸汽发生器2和第一预热器3，和板式换热器形式的第二预热器4设计，有利于保证该余热利用装置的小型化和热回收的高效。

螺旋管式换热器的本身结构小巧；当介质处于层流状态或低流率时，螺旋管式换热器传相比于管壳式换热器更经济；同时螺旋管式换热器中环形区的压降低。以上优点使得螺旋管式换热器特别适合于用于小型天然气重整制氢转化炉的余热利用。在本实用新型中，螺旋管式换热器蒸汽发生器2、第一预热器3的被加热物料（水、空气）均在螺旋管的管程内被加热。结合在本实施例中，所述第一预热器3与天然气管道连接对天然气进行预热。所述第二预热器4与空气管道连接对空气进行预热。使得该余热装置整体上能够提供蒸汽、预热后的天然气、预热后的空气，满足转化炉各物料的加热需要，实现转化炉的高效率运行，同时保证整个转化装置的热效率。

具体的，如图2所示，在天然气重整制氢转化炉的烟气出口12位置连接该余热利用装置，即烟气出口12与烟气管道1连接，如图1和图2所示。烟气管道1至少在蒸汽发生器2段竖直设置，其上的螺旋管式换热器的蒸汽发生器2也竖直设置，此段烟气管道1内的烟气至下而上流动，蒸汽发生器2的进水口21位于下方，而蒸汽出口22位于上方。在烟气管道1通过蒸汽发生器2后，继续进入第一预热器3内，在烟气管道1的烟气流向上，依次为第一预热器3的第一预热器预热物料出口32和第一预热器预热物料进口31，即第一预热器3为逆流传热。在烟气管道1通过第一预热器3后，进入第二预热器4，第二预热器4上分别设置有第二预热器预热物料进口41和第二预热器预热物料出口42。

本实用新型中还对天然气重整制氢转化炉进行设计，如图2所示，天然气重整制氢转化炉包括炉体5和分布于炉体5内的炉管6；所述炉体5内填充有绝热材料7，以及由绝热材料7填充而形成的位于炉内中心的用于燃料气燃烧的燃烧腔8、用于燃烧烟气通过的总烟道9和若干以燃烧腔8、总烟道9为中心沿环周分布于炉内的分支烟道10；所述燃烧腔8位于炉内的下部，燃烧腔8下部设置有燃烧嘴11，燃烧腔8连通至炉内上部的总烟道9，总烟道9在炉内的顶部位置与各分支烟道10间连通，各炉管6位于对应的分支烟道10内，炉管6从炉体5的顶部进入炉内，沿分支烟道10路径穿过炉内而汇合于炉体5底部的转化气出口13，各分支烟道10通过炉管6后汇合于炉体5底部的烟气出口12，所述烟气出口12与烟气管道1连通。

本实施例中，炉体5是竖直安装的，烟气出口12水平方向采出。

作为的烟气管道1布置结构示意图，如图2所示，烟气管道1是沿竖直方向布置的，并在该竖直方向上依次设置蒸汽发生器1、第一预热器2和第二预热器3。具体的，烟气管道1上具有一个90°的弯头使竖直的烟气管道1与水平的烟气出口12连接。这样的烟气管道1竖直设置结构，配合螺旋管式换热器的蒸汽发生器1、螺旋管式换热器的第一预热器2和板式换热器的第二预热器3，能够有效的降低余热利用装置的本身体积，同时配合上述天然气重整制氢转化炉的设计，可以实现整体装置的小型化，同时余热利用装置高效、分配合理，有利于高温烟气余热的充分利用。

在上述转化炉中，炉体5顶部外侧部分的炉管6上还设置有膨胀节61。

该转化炉中采用新型的烟道设计以及烟道与炉管布置结构设计，能有效的减小吸热过程和放热过程的传热阻力，提高传热效率，各分支烟道设计能降低烟气流速，提高单位时间内提供的热量，增加换热效率，提高换热效率和经济性。同时，配合本实用新型中的余热利用装置后，能够实现转化炉整体及附属装置的小型化，以及整个转化装置热利用的高效率。

本实施例的天然气重整制氢转化炉的燃烧嘴，其结构示意如图3所示，燃烧嘴包括燃烧空气进管111和燃烧气进管112，燃烧气进管112共轴心套设于燃烧空气进管111内，在共轴心套设段的前端，燃烧空气进管111和燃烧气进管112为两根独立的管体用于与燃烧气供应管道和燃烧空气供应管道连接。燃烧空气进管111管路的出口端具有一个内径先减小再增大的喉部113，燃烧气进管112的出口位于该喉部113的小径位置，喉部113的出口装填有燃烧催化剂115。该燃烧催化剂115是催化剂活性组分通过蜂窝状的载体负载而成的。本实用新型的燃烧嘴采用了无火催化燃烧的燃烧设计，其无光形式的能量，能减少能量损失，提高能量利用率，减少燃烧反应而形成毒性污染物NOx排放，保护环境，同时燃烧气进管、燃烧空气进管共轴心结构设计，使得其结构紧凑，能有效的缩小燃烧嘴本身的体积，从而使炉体的体积得到有效降低，减少制氢系统规模，燃烧空气通过独立的燃烧空气进管引流至及喉部的小径处混合，使燃烧气和空气充分混合，燃烧均匀、稳定、燃烧效率高。

在燃烧嘴中，作为燃烧气进管112的进一步优化，燃烧气进管112的出口采用锥形结构使燃烧气形成喷射状态进入，提高与空气混合的均匀程度，有助于提高燃烧效率。

基于上述的燃烧嘴结构设计，在另一实施例中，喉部113的出口还设置有一蜂窝状板体114，蜂窝状板体114位于喉部113和燃烧催化剂115间，该蜂窝状板体114的存在可以进一步加强空气与燃烧气的混合，同时还起到均布的作用，使得在整个燃烧催化剂115截面上混合气体分布均匀，提高催化燃烧效率。该蜂窝状板体114采用耐高温材质制成，如本实施例中的陶瓷材质。

为了保证燃烧催化剂在气流下的稳定性，燃烧催化剂115的后端还设置有用于限定催化剂位置的挡板116，用于阻挡催化剂，防止随气流发生错位。本实施例中，挡板116是环形的结构。

在燃烧空气进管111和燃烧气进管112的共轴心结构基础上，燃烧气进管112的燃气和燃烧空气进管111内的空气在喉部113的小径处进行混合，喉部113的后端的扩大空间使得混合更加均匀，进一步的在另一个实施方式中，喉部113前端的燃烧空气进管111内设置有用于空气导流的螺旋导流板117，使得在混合位置上燃烧空气形成螺旋线行进方向，有利于提高混合气的混合效率，该结构也可以促进整体喉部结构的小型化。具体的，螺旋导流板117从燃烧空气进管111、燃烧气进管112的共轴心起点延伸至喉部113的，如图3所示。

在本实施例中，燃烧嘴还包括用于燃烧嘴安装的安装板118，燃烧嘴通过燃烧空气进管111固定于安装板118上，安装板118用于燃烧嘴与炉体5底部的安装，同时安装板118上开设有螺栓孔用于与炉体间的可拆卸连接。为了保证安装板118的隔热作用，安装板118在另一实施方式中其上还覆盖有绝热材料层119，绝热材料层119在本实施例中采用压缩或的高铝陶纤毯制成。

在本实施例中，如图3所示，喉部113出口的内径是大于燃烧空气进管111的内径的，使得在喉部113出口的出口具有充分的混合空间，有利于提高混合气混合的均匀，并且降低混合气的流速，提高催化燃烧的效果。

基于上述整体的燃烧嘴结构设计，本实施例中还提供一种可拆卸的燃烧嘴结构设计，燃烧空气进管111和喉部113处的外侧包裹有包裹层1110，使燃烧空气进管111和喉部113处的外径一致。而燃烧空气进管111和喉部113的分支位置位于安装板118之下，如图3所示，这样的结构设计使得在安装板118之上的部分（燃烧空气进管111和喉部113）的外径相等，使得整个燃烧嘴可方便的拆卸，以及进行催化剂的更换操作。包裹层1110采用耐高温材质，如高铝陶纤毯等。

该结构的燃烧嘴与重整制氢转化炉装配后，结构如图2所示。

该天然气重整制氢转化炉的燃烧嘴，结构紧凑，能有效的缩小燃烧嘴本身的体积，能够用于微型的天然气重整制氢转化炉上，能减少制氢系统规模，且具有燃烧均匀、稳定、燃烧效率高的优点。

本实用新型的天然气重整制氢转化炉的余热利用装置，通过对余热利用过程的设计，以及换热结构的设计，实现了在小、微型天然气重整制氢转化炉中的余热高效再利用，同时该余热利用装置具有结构小巧的优点，可与小、微型天然气重整制氢转化炉匹配，实现装置整体的小型化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。