一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及天然气水蒸汽重整制氢领域，特别涉及了一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法。
【背景技术】
[0002]氢作为一种洁净的载能体，由于具有能与现在所有的能源系统匹配和兼容，能方便地转换成电和热，有较高的能源转化效率和能实现CO2的集中处理等特点，而有可能实现不依赖化石能源的可持续循环与供给。氢能发展的热潮，起始于上世纪末燃料电池的加速发展。燃料电池的启动速度较快，功率密度较高，环境友好，很适于用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，可被广泛应用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等的燃料，氢的制备及可持续供给也成为同燃料电池本体技术一样的关注和研究热点。
[0003]从氢的来源角度看，近期和中期，氢将主要来自于化石资源，即来自于煤、石油与天然气。目前可以利用的制氢装置大多为工业规模，基于“规模效益”的考虑，制氢装置一般都比较庞大。以天然气水蒸汽重整制氢为例，一般工业上单系列的规模为100000Nm3H2/h以上。然而，规模化制备的氢气由于目前缺乏必要的运输、储存和加注技术和基础设施，因此目前尚无法满足各种规模的燃料电池对分散氢源的需求，例如燃料电池分散型电站尤其是进入家庭使用的要求。因此通过现有的化石燃料储运加注设施，利用化石燃料分布式现场重整制氢的方式与燃料电池联合使用成为国际的通用方法。天然气作为一种优质、洁净的工业能源，由于其储运加注设施完备，在化石燃料制氢中受到了广泛重视，其小型分布式现场重整制氢系统成为重要的研发方向。
[0004]然而，并不能通过简单缩小传统天然气制氢工艺的规模来实现其小型化的目的。除制氢成本无法满足要求外，天然气制氢系统的主体一水蒸汽重整反应转化炉也无法通过简单缩小规模的方式来进行设计。由于天然气水蒸汽重整制氢:CH4+H20 —C0+3H2，AH298 =206.9kJ/mol ?’为700-900°C高温下进行的强吸热反应，反应所需热量需要由转化炉反应列管外的高温燃料烟气提供，因此为达到反应所需温度并保持催化剂床层有一定的恒温段，反应列管的长度通常在12-13m左右。这对于中小型的天然气制氢反应器来说显得过于庞大，因此必须通过创新的反应器设计理念来实现制氢反应器小型化的目的。此外，与燃料电池相集成的化石燃料现场制氢氢源系统将完全有别于规模制氢的工厂式生产，它不仅要求体积小、重量轻、启动迅速以及能够耐受频繁的开停工冲击，同时更强调了与燃料电池的能流、物流集成与通讯控制集成，从而使得整个电源系统具有一体化的控制策略和更高的能量效率。显然，简单缩小传统制氢工艺的规模将无法满足这种与燃料电池相集成的氢源系统的非稳态操作和集成控制要求。
[0005]目前，对利用天然气水蒸汽重整制备氢气的分布式装置和系统已经进行了较多的研究。这方面走在前列的是日本，东京燃气、大阪燃气、东邦燃气、西部燃气、新日本石油等能源公司均已经推出了各自的基于天然气重整制氢与PEMFC或SOFC联用的微型燃料电池热电联供系统(Micro-CHP)。这方面的专利如 US 2013/0065144A1、US 2013/0065145A1、US 6481207B2、US 2011/0318660A1、US2011/0117461A1 等等。但是上述专利中涉及的Micro-CHP的功率只有700-750W左右，属于微型燃料电池热电联供系统，所需的氢气燃料量较小(小于INm3H2A规模)，因此反应器规模较小，在这种规模下采用上述专利中的单层、多层套筒式或平板式结构设计在集成度、传热效率、加工装配难度等方面是合理的。而对于中小规模(10-1000Nm3H2/h规模)的旨在为PEMFC、SOFC提供氢源以及加氢站使用的天然气重整制氢系统来说，继续采用上述单层、多层套筒式或平板式结构设计在传热效率、反应床层温度分布、反应器局部热点控制、放大加工难度、安全性等方面则存在诸多局限性。四川亚联高科技股份有限公司和清华大学合作，开发了一种小型天然气水蒸汽转化装置，通过将长的转化炉管分段设计为进气段、中间段和出气段，有效降低了转化炉管的长度，但整个装置仍有3-4m高度，对于一个50Nm3H2/h规模的制氢系统来说仍略显庞大。
[0006]本专利针对中小规模的天然气水蒸汽重整制氢，提出了一种刺刀管式(Bayonettube)的集成式天然气水蒸汽重整反应器设计，在此基础上，根据不同的应用场合和使用目的，将该集成反应器与换热系统和CO净化纯化系统相连接，可以为分散发电的PEMFC、S0FC提供氢源或在中小型加氢站使用。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是提供了一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法。本专利申请吸收了工业规模天然气水蒸汽重整制氢列管式反应炉管设计和Micro-CHP系统多层套筒式结构设计的优点，针对中小规模的天然气水蒸汽重整制氢，提出了一种刺刀管式的集成式天然气水蒸汽重整反应器设计，反应器集原料蒸发器、天然气预热器、燃烧腔、重整腔、重整气冷却器、燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器于一体，结构紧凑，集成度高；同时克服燃烧气以及重整气的高温产生的热应力，提高了操作安全性和可靠性。在此基础上，根据不同的应用场合和使用目的，将该集成反应器与换热系统和CO净化纯化系统相连接，构建中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，为分散发电的PEMFC、SOFC提供氢源或在中小型加氢站使用。
[0008]本发明提供了一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，其特征在于:所述的中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，包括集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体和外围辅助系统；
[0009]所述的集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体由原料水蒸发器、天然气预热器、燃烧腔、重整腔、重整气冷却器、燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器、燃料燃烧器八个主要部件构成；其主体为两段式的三层套筒结构，两段之间由横向的中间筛板隔开；
[0010]在两段式集成反应器的下半段，最内层中心腔体的内部装有顶端固定在中间筛板上的刺刀式反应列管，即重整腔；刺刀式反应列管内部中心位置装有重整产品气收集管；在刺刀式反应列管与中心收集管之间的环隙装有颗粒状的甲烷水蒸汽重整制氢催化剂，在收集管内部装有甲烷水蒸汽重整催化剂。
[0011]两段式集成反应器的上半段最内层中心腔体为管壳式的重整气冷却器；
[0012]在集成式重整反应器的上、下两段中心腔体内部壳程均装有一组或多组折流板；
[0013]集成式重整反应器的上、下两段中间层，包括燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器；最外层，包括原料水蒸发器、天然气预热器；均为耦合性匹配结构，中间由导热性的隔板隔开，其耦合形式是板翅式结构、套筒翅片式、金属蜂窝以及列管换热器式等一种或几种的组合体；
[0014]其中优先采用带有管翅结构的隔热板；两侧流体的流动方式为对流、并流或错流，优选对流和错流方式。
[0015]在集成式重整