专利名称：用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢方法及装置的制作方法
技术领域：
本专利涉及一种常压的天然气蒸汽重整制氢，特别是涉及天然气蒸汽重整制氢方法及装置，其装置用于为千瓦级质子交换膜燃料电池热电联产系统提供富氢合成气。
背景技术：
氢能是一种新型的高效清洁能源，被视为解决温室效应问题，提高能量利用率的有效替代能源。但氢气不是自然界中大量存在的一次资源，并且其密度低，易燃易爆，储存和运输的费用高，危险性大，如何便捷地获取氢气是氢能得以广泛利用的瓶颈之一。天然气蒸汽重整技术是目前工业上最普遍采用的生产氢气及合成气的技术方法，典型的反应温度为800-900°C，压力为2. 5-3. 5MPa。随着天然气的大量开发，尤其是管道天然气在城镇中普及，为分布式氢气生产提供了充足的、廉价的天然气原料。燃料电池是公认的将化学能转化为电能的高效率能量转换装置，是利用氢能源以 缓解化石能源危机的理想技术。对于家庭以及小型商业用户而言，燃料电池的产电功率只需要千瓦，就足以满足其需求，我们把这种功率比较小的燃料电池称为微型燃料电池。同时在从天然气生产氢气以及氢气通过燃料电池发电的过程中，有一部分热量可以收集再利用，我们把这种能同时生产电能以及热能以供利用的系统称为热电联产。对于家庭以及小型商业用户而言，热能一般通过产生热水的方式进行再利用。虽然天然气重整制氢技术在工业上已经得到普遍应用，但是该技术在小型化分布式制氢中还有很多问题需要解决。该反应是强吸热反应，传热以及能量利用是该反应的一个瓶颈问题，工业上常用的反应器体积庞大，不适合用于家庭及小型商业用户的千瓦级燃料电池系统中分布式氢气生产的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有反应器的技术缺点，为千瓦级小型燃料电池热电联产系统提供一种快速，安全，高效的制氢装置，该装置采用城市管道天然气为原料来源，结构紧凑，方便操作，体积小，易于安装。本发明另一目的在提供应用上述装置的天然气蒸汽重整制氢方法。本发明的目的通过如下技术方案实现一种用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢装置，包括上端盖，反应器主体，反应器上部法兰，反应器外筒，燃烧器和预热盘管；预热盘管包括天然气预热管、水预热管和混合气预热管；上端盖和反应器外筒为空心圆筒结构；预热盘管设置在上端盖内；反应器主体设置在反应器外筒内；燃烧器置于反应器主体的下部；反应器主体与反应器外筒和上端盖通过法兰连接；所述反应器上部法兰外环均匀分布多个孔眼，内环均匀分布多个孔眼；反应器主体在与反应器上部法兰对应的位置同样分布同等数量的孔眼，通过螺栓将反应器上部法兰与反应器主体连接；混合气进气口位于反应器上部法兰左侧，合成气出气口位于反应器上部法兰右侧；混合气进气口与混合气预热管连接；合成气出气管与合成气出气口连接，向上由上端盖上部伸出；烟道气出气管从上端盖上部伸出；所述反应器主体为中空环形结构，中心为空心，空心外周为环形空腔，环形空腔设有两块挡板；两块挡板将环形空腔分为左腔和右腔，挡板下部有空隙；催化剂颗粒分布于左腔和右腔内，催化剂颗粒为镍基催化剂；在反应器主体顶部设有两弧状的通道，弧状的通道位于反应器主体上法兰外侧和反应器外筒内侧之间；反应器主体和反应器上部法兰中心设有通孔； 天然气预热管和水预热管从上端盖上部进入上端盖空腔内，在上端盖空腔内天然气预热管设置水预热管内侧，螺旋状结构旋转向下，天然气预热管和水预热管经三通与混合气预热管连接，混合气预热管采用螺旋结构。为进一步实现本发明目的，所述环形空腔的外环与内环的半径差为环形空腔的宽度L = aW，其中W为催化剂颗粒的宽度，为4-6mm ；a为并排装催化剂的个数，取4_6 ;环形空腔的外环直径R2和内环直径R1以及环形空腔高度H同时满足 A = PH(R^R2) = (I. 2 I. 5) Q/KDT 少=(1.05 ~ 1.3死=— R' )H
4其中Q为蒸汽反应所需热量，Q = nDH, η为反应所需的天然气的摩尔量，DH为单位摩尔天然气与水蒸气反应所需要的热量；Κ为反应气与烟道气之间的换热系数；DT为反应气与烟道气对数换热温差；A为反应器的换热面积'N为反应器环形部分的体积J1为催化剂的装填体积。所述镍基催化剂装填量^ =!，其中F为原料气中天然气的体积流量^为催化剂
η
的碳空速，催化剂的碳空速为500 MOOh'所述挡板优选采用不锈钢制作，与反应器主体内外环焊接在一起；所述空隙的高度优选为反应器主体高度的1/10。所述弧状的通道的宽度优选为I. 5 3cm。所述预热管的直径优选为4 8mm，预热管材料的材质优选为铜材料。所述天然气预热管和水预热管螺旋状结构盘绕圈数优选为5-10圈；混合气预热管螺旋状结构盘绕圈数优选为7-12圈。所述反应器外筒的直径R3 = R2+(6 12) cm,长度比反应器主体长20-30% ；R2为环形空腔的外环直径。所述上端盖和反应器外筒外周包覆保温材料，保温材料为陶瓷纤维，保温材料的厚度大于10厘米。应用所述装置的天然气蒸汽重整制氢方法，其特征是包括以下步骤第一步，保持反应器内压力为常压，启动燃烧器，预热反应器主体，直至反应器主体中催化剂温度达到150 200°C ；第二步，经水预热管通入水，燃烧器继续加热，至反应器主体中催化剂温度到500 800。。；第三步，通过天然气预热管通入天然气，控制水的摩尔流量与天然气预热管内天然气的摩尔流量的比为2 4 ;水和天然气分别进过各自预热管道预热后经混合气预热管合并为混合气，预热到反应所需温度500 800°C，进入反应器主体左腔内发生重整反应，然后经过挡板下部空隙进入反应器主体右腔接着反应，最后反应产生的富氢气体通过合成气出气管引出。本发明的工作原理为天然气与水蒸气发生蒸汽重整反应，其中主要的反应过程包括CH4+H20 = C0+3H2 ΔΗ = 206. 2kJ/molCH4+2H20 = C02+4H2 ΔΗ = 164. 9kJ/mol本发明燃烧器功率的选择由反应以及预热所需要的热量决定，燃烧器采用大气式燃烧器，所用燃料为天然气，产生烟道气先与反应器主体换热，为反应提供热量，然后与预热管换热，为原料预热提供热量，最后通过烟道气出气管引出进行下一步热量利用。本发明与现有技术相比，具有以下优点 I)预热器，反应器，燃烧器结合在一起，烟道气直接梯级利用，加热、保温及换热效果好，提高了能量利用率，并确保了反应所需的温度条件；2)反应器采用了中空环形结构，中间以及与外壁之间的空腔同时流通烟道气保证了足够的换热面积；3)反应器环形空间中挡板的使用将原本环形空间分为两个半环形，降低了进料位置对反应气体进行分布的影响，从而减少了环形结构中沟流与死区的产生；4)反应在常压下操作，运行安全可靠；5)反应器的结构简单，安装和拆卸方便易行，装置体积小，占地面积少，可置于阳台，屋檐下等闲置的空间。
图I是用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢装置的结构示意图。图2是图I中反应器上部法兰的俯视图。图3是图I中反应器主体上部结构俯视图。图4是反应器主体水平截面图。图5是图4中A-A向的竖直截面图。图6是图4中B-B向竖直截面图。
具体实施例方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，下述具体实施方式
仅仅是示意性的而不是限定性的，其他人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。如图I所示，一种用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢装置，包括上端盖4，反应器主体6，反应器上部法兰5，反应器外筒10，燃烧器9和预热盘管；预热盘管包括天然气预热管I、水预热管2和混合气预热管12 ;上端盖4和反应器外筒10为空心圆筒结构；预热盘管设置在上端盖4内；反应器主体6设置在反应器外筒10内；燃烧器9置于反应器主体6的下部；反应器主体6与反应器外筒10和上端盖4通过法兰连接；如图3-6所示，反应器主体6为中空环形结构，中心为空心，空心外周为环形空腔，环形空腔设有两块挡板19 ;两块挡板19将环形空腔分为左腔20和右腔21，挡板19下部有空隙22 ;挡板19优选采用不锈钢制作，与反应器主体内外环焊接在一起；空隙22的高度优选为反应器主体高度的1/10。环形空腔的外环与内环的半径差为环形空腔的宽度L = aff,其中W为催化剂颗粒的宽度，取为4-6mm;a为并排装催化剂的个数，取4-6 ;环形空腔的外环直径R2和内环直径R1以及环形空腔高度H同时满足A = pH( + ) = (I. 2 I. 5) Q/KDT ；V = (1.05 13)V. = Ρ{^ ~ 穴丨)Η
4其中Q为蒸汽反应所需热量，Q = nDH, η为反应所需的天然气的摩尔量，DH为单位摩尔天然气与水蒸气反应所需要的热量；Κ为反应气与烟道气之间的换热系数，由反应器材料，烟道气与反应气的流动特性以及催化剂的传热性能决定，为了简化计算，K取值为50W · m_2 · Γ1 ；DT为反应气与烟道气对数换热温差，反应气的温度取反应所需温度500-800°C，烟道气根据所选燃烧器的不同取900-1100°C;A为反应器的换热面积；V为反应 器环形部分的体积W1为催化剂的装填体积。催化剂颗粒11分布于左腔20和右腔21内，催化剂颗粒11为镍基催化剂，优选由山东齐鲁石化科力化工研究所生产的重整制氢催化剂，该催化剂以a -Al2O3为载体，金属
镍为活性组分。所述镍基催化剂装填量K =I，其中F为原料气中天然气的体积流量j为
催化剂的碳空速，催化剂的碳空速为500 ΙδΟΟΙΓ1。如图2所示，反应器上部法兰5外环均匀分布8个孔眼，内环均匀分布6个孔眼；反应器主体6在与反应器上部法兰5对应的位置同样分布同等数量的孔眼(见图3从中心开始计算的第一、第二两圈孔)；通过不锈钢螺栓贯穿内外孔眼将反应器上部法兰5与反应器主体6的内外两部分连接，同时两者中间垫石墨垫片保证反应器主体6内部环形空间的密封。混合气进气口 16位于反应器上部法兰5左侧，合成气出气口 17位于反应器上部法兰5右侧；混合气进气口 16与混合气预热管12连接；合成气出气管14与合成气出气口 17连接，向上由上端盖4上部伸出；烟道气出气管15从上端盖4上部伸出。如图3所示，在反应器主体6顶部设有两弧状的通道18，弧状的通道18位于反应器主体6上法兰5外侧和反应器外筒10内侧之间，弧状的通道18的宽度优选为I. 5 3cm ;两弧状的通道18将上端盖4和反应器外筒10内部空腔连通；同时反应器主体6和反应器上部法兰5中心设有通孔，该通孔也将上端盖4和反应器外筒10内部空腔连通；反应器主体6的中心空腔，环形空腔与反应器外筒10之间的通道为第一通道7 ;上端盖4内部预热盘管的外周构成第二通道13 ;燃烧的高温烟气通过第一通道7给反应器主体6加热，换热后的烟气经过两弧状的通道18以及反应器主体6和反应器上部法兰5中心设有的通孔进入上端盖4内，经第二通道13预热原料，烟气经过烟道气出气管15排出，排烟温度维持在300°C左右。如图3中所示，反应器主体6最外一圈孔是用于反应器主体6与反应器外筒10、上端盖4和法兰连接的孔，在上端盖4、反应器外筒10和法兰对应处设有相同的孔；优选为8个孔；8个不锈钢螺栓贯通8个孔眼，将反应器主体6与反应器外筒10、上端盖4和法兰连接在一起。天然气预热管I和水预热管2从上端盖4上部进入上端盖4空腔内，在上端盖4空腔内天然气预热管I设置水预热管2内侧，螺旋状结构旋转向下，天然气预热管I和水预热管2螺旋状结构盘绕圈数优选为5-10圈，天然气预热管I和水预热管2经三通3与混合气预热管12连接，混合气预热管12也采用螺旋结构，盘管缠绕圈数优选为7-12圈。预热管的直径选取4 8mm，预热管材料的材质为铜材料，以起到良好的换热作用，预热管的长度取决于烟道气的温度以及所需预热到的温度，如上所述，水预热管保证水变为水蒸气盘绕圈数优选为5-10圈；天然气预热管盘绕圈数优选为5-10圈；混合气预热管保证达到反应温度盘管缠绕圈数优选为7-12圈。反应器外筒的直径R3 = R2+(6 12) cm，长度比反应器主体长20-30%，反应器外筒10比反应器主体6优选长25%。上端盖4，反应器主体6，反应器上部法兰5，反应器外筒10，挡板19均采用耐高温不锈钢制作。上端盖4，反应器外筒10被保温材料包裹，该保温材料为陶瓷纤维，保温材料的厚度大于10厘米。使保温材料表面温度低于50°C。反应器外筒10上设支架8，用来支撑整个反应器，支架由四个不锈钢条制成。燃烧器9为大气式燃烧器，位于反应器外筒10下方，在大气式燃烧器中心还安装 自动点火及熄火保护装置。燃烧器9使用天然气作为燃料，通过燃烧器的进料阀门调节进气量和火力大小。优选上端盖的直径与反应器外筒的直径相同。应用上述装置的天然气蒸汽重整制氢方法，其特征是包括以下步骤第一步，保持反应器内压力为常压，启动燃烧器9，预热反应器主体6，直至反应器主体6中催化剂温度达到150 200°C ；第二步，经水预热管2通入水，燃烧器继续加热，至反应器主体6中催化剂温度到500 800。。；第三步，通过天然气预热管I通入天然气，控制水的摩尔流量与天然气预热管I内天然气的摩尔流量的比为2 4 ;水和天然气分别进过各自预热管道预热后经混合气预热管12合并为混合气，预热到反应所需温度500 800°C，进入反应器主体左腔内发生重整反应，然后经过挡板下部空隙进入反应器主体右腔接着反应，最后反应产生的富氢气体通过合成气出气管14引出。燃烧器功率的选择由反应以及预热所需要的热量决定，燃烧器采用大气式燃烧器，所用燃料为天然气，产生烟道气先与反应器主体换热，为反应提供热量，然后与预热管换热，为原料预热提供热量，最后通过烟道气出气管引出进行下一步热量利用。实施例I催化剂颗粒11选取山东齐鲁石化科力化工研究所生产的重整制氢催化剂，该催化剂以a -Al2O3为载体，金属镍为活性组分，颗粒直径为5mm，装填量为O. 9L ;反应器主体6的内环直径R1 = 160mm,外环直径R2 = 196mm以及高度H = 200mm,挡板19上空隙22的高度为20mm ;反应器主体6上部与反应器上部法兰5结合处外部两侧弧状通道的宽度为3cm ;反应器外筒10的直径R3 = 300mm，长度为240mm，四个不锈钢制作的钢条支架的长度为12cm，上端盖4的直径为300mm，高度为200mm ;保温材料为陶瓷纤维，其厚度为12cm ;天然气预热管I、水预热管2和混合气预热管12的直径选6mm，天然气预热管I的盘绕直径为IOcm,盘绕圈数为5圈,水预热管2的盘绕直径为20cm,盘绕圈数为5圈,混合气预热管的盘绕直径为16cm，盘绕圈数为8圈；燃烧器9选择额定功率的4KW大气式燃烧器，燃料选用天然气。
在装置启动后，先启动燃烧器9，空烧重整反应装置。当反应器主体6中催化剂温度达到150°C时，打开水预热管2上设置的阀门，通入水，水的摩尔流量为35mol/h。水流先后经水预热管2、三通3、混合气预热管12加热后变成过热水蒸气，通过混合气进气口 16进入反应器主体6，用于吹扫反应器主体6，包括各个进料管道。当反应器主体温度达到500°C时，打开天然气预热管I上设置的阀门，向天然气预热管I中通入天然气，其流量取14mol/h，经三通3将天然气和水蒸气混合；混合气经混合气预热管12，混合气进气口 16进入反应器主体6 ;当反应器主体6内中催化剂温度在500 800°C，水与天然气在催化剂6的作用发生蒸汽重整制氢反应(CH4+H20 = C0+3H2)。反应达到稳态是指天然气的流量为315L/H，水碳比为2. 5左右，反应温度约为700°C。在此条件下氢气产量约为800L/H，满足了用于家庭及小型商业用户的I千瓦级燃料电池系统中分布式氢气生产的要求，同时实现了能量的梯级利用，提高了能量利用效率。实施例2催化剂颗粒11选取山东齐鲁石化科力化工研究所生产的重整制氢催化剂，该催化剂以Ci-Al2O3为载体，金属镍为活性组分，颗粒直径为5_，装填量为I. 8L;反应器主体6 的内环直径R1 = 160mm,外环直径R2 = 196mm以及高度H = 400mm,挡板19空隙的高度为40mm ;反应器主体6上部与反应器上部法兰5结合处外部两侧弧状通道的宽度为3cm ;反应器外筒10的直径R3 = 300mm,长度为480mm，四个不锈钢制作的钢条支架的长度为20cm，上端盖4的直径为300mm，高度为200mm ;保温材料为陶瓷纤维，其厚度为12cm ;天然气预热管
I、水预热管2和混合气预热管12的直径选6_，天然气预热管I螺旋状盘绕的直径为10cm，盘绕圈数为10圈，水预热管2的螺旋状盘绕的直径为20cm，盘绕圈数为10圈，混合气预热管的螺旋状盘绕的直径为17cm，盘绕圈数为11圈；燃烧器9选择额定功率的8KW大气式燃烧器，燃料选用天然气。在装置启动后，先启动燃烧器9，空烧重整反应装置。当反应器主体6中催化剂温度达到150°C时，打开水预热管2上设置的阀门，通入水，水的摩尔流量为70mol/h。水流先后经水预热管2、三通3、混合气预热管12加热后变成过热水蒸气，通过混合气进气口 17进入反应器主体6，用于吹扫反应器主体6，包括各个进料管道。当反应器主体中催化剂温度达到500°C时，打开天然气预热管I上设置的阀门，向天然气预热管I中通入天然气，其流量取28mol/h，经三通3将天然气和水蒸气混合；混合气经混合气预热管12，混合气进气口 16进入反应器主体6 ;当反应器主体6内温度在500 800°C，水与天然气在催化剂6的作用发生蒸汽重整制氢反应(CH4+H20 = C0+3H2)。反应达到稳态是指天然气的流量为630L/H，水碳比为2. 5左右，反应温度约为700°C。在此条件下氢气产量约为1600L/H，满足了用于家庭及小型商业用户的2千瓦级燃料电池系统中分布式氢气生产的要求，同时实现了能量的梯级利用，提高了能量利用效率。
权利要求
1.一种用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢装置，其特征在于包括上端盖，反应器主体，反应器上部法兰，反应器外筒，燃烧器和预热盘管；预热盘管包括天然气预热管、水预热管和混合气预热管；上端盖和反应器外筒为空心圆筒结构；预热盘管设置在上端盖内；反应器主体设置在反应器外筒内；燃烧器置于反应器主体的下部；反应器主体与反应器外筒和上端盖通过法兰连接； 所述反应器上部法兰外环均匀分布多个孔眼，内环均匀分布多个孔眼；反应器主体在与反应器上部法兰对应的位置同样分布同等数量的孔眼，通过螺栓将反应器上部法兰与反应器主体连接；混合气进气口位于反应器上部法兰左侧，合成气出气口位于反应器上部法兰右侧；混合气进气口与混合气预热管连接；合成气出气管与合成气出气口连接，向上由上端盖上部伸出；烟道气出气管从上端盖上部伸出； 所述反应器主体为中空环形结构，中心为空心，空心外周为环形空腔，环形空腔设有两块挡板；两块挡板将环形空腔分为左腔和右腔，挡板下部有空隙；催化剂颗粒分布于左腔和右腔内，催化剂颗粒为镍基催化剂；在反应器主体顶部设有两弧状的通道，弧状的通道位于反应器主体上法兰外侧和反应器外筒内侧之间；反应器主体和反应器上部法兰中心设有通孔； 天然气预热管和水预热管从上端盖上部进入上端盖空腔内，在上端盖空腔内天然气预热管设置水预热管内侧，螺旋状结构旋转向下，天然气预热管和水预热管经三通与混合气预热管连接，混合气预热管采用螺旋结构。
2.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述环形空腔的外环与内环的半径差为环形空腔的宽度L = aW，其中W为催化剂颗粒的宽度，为4-6mm ;a为并排装催化剂的个数，取4-6 ;环形空腔的外环直径R2和内环直径R1以及环形空腔高度H同时满足 . οOA = PH(R^R2) = (I. 2 I. 5) Q/KDT ；F = (1.05 1.3)F, =P、R: — R' )" 4 其中Q为蒸汽反应所需热量，Q = nDH, η为反应所需的天然气的摩尔量，DH为单位摩尔天然气与水蒸气反应所需要的热量；Κ为反应气与烟道气之间的换热系数；DT为反应气与烟道气对数换热温差；A为反应器的换热面积；V为反应器环形部分的体积J1为催化剂的装填体积。
3.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述镍基催化剂装填量R=△，其中F为原 η料气中天然气的体积流量为催化剂的碳空速，催化剂的碳空速为500 KOOh'
4.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述挡板采用不锈钢制作，与反应器主体内外环焊接在一起；所述空隙的高度为反应器主体高度的1/10。
5.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述弧状的通道的宽度为I.5 3cm。
6.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述预热管的直径为4 8_，预热管材料的材质为铜材料。
7.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述天然气预热管和水预热管螺旋状结构盘绕圈数为5-10圈；混合气预热管螺旋状结构盘绕圈数为7-12圈。
8.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述反应器外筒的直径R3= R2+(6 12)cm，长度比反应器主体长20-30% ；R2为环形空腔的外环直径。
9.根据权利要求I所述装置，其特征在于所述上端盖和反应器外筒外周包覆保温材料，保温材料为陶瓷纤维，保温材料的厚度大于10厘米。
10.应用权利要求I所述装置的天然气蒸汽重整制氢方法，其特征是包括以下步骤 第一步，保持反应器内压力为常压，启动燃烧器，预热反应器主体，直至反应器主体中催化剂温度达到150 200°C ； 第二步，经水预热管通入水，燃烧器继续加热，至反应器主体中催化剂温度到500 800 0C ； 第三步，通过天然气预热管通入天然气，控制水的摩尔流量与天然气预热管内天然气的摩尔流量的比为2 4 ;水和天然气分别进过各自预热管道预热后经混合气预热管合并为混合气，预热到反应所需温度500 80(TC，进入反应器主体左腔内发生重整反应，然后 经过挡板下部空隙进入反应器主体右腔接着反应，最后反应产生的富氢气体通过合成气出气管引出。
全文摘要
本发明公开了用于微型燃料电池的天然气蒸汽重整制氢方法及装置。该装置包括上端盖，反应器主体，反应器上部法兰，反应器外筒，燃烧器和预热盘管；预热盘管包括天然气预热管、水预热管和混合气预热管；上端盖和反应器外筒为空心圆筒结构；预热盘管在上端盖内；反应器主体设置在反应器外筒内；燃烧器置于反应器主体的下部；反应器主体与反应器外筒和上端盖通过法兰连接；反应器主体为中空环形结构，中心为空心，空心外周为环形空腔，环形空腔设有两块挡板；两块挡板将环形空腔分为左腔和右腔，挡板下部有空隙；催化剂颗粒分布于左腔和右腔内；本发明用于天然气蒸汽重整制取合成气，启动速度快，安装和拆卸方便易行，装置体积小，占地面积小。
文档编号C01B3/38GK102826507SQ20121030652
公开日2012年12月19日 申请日期2012年8月24日 优先权日2012年8月24日
发明者解东来, 张二涛 申请人:华南理工大学