集成CO选择甲烷化的自热型甲醇重整制氢反应器的制作方法

本发明涉及甲醇重整制氢反应器，具体来说是涉及一种集成co选择甲烷化的自热型甲醇重整制氢反应器。

技术背景

能源，是人类社会赖以生存和不断发展的基础。21世纪以来，我国正面临着严峻的能源危机与环境危机，因而清洁能源的发展势在必行。其中，氢能燃烧热值高且燃烧产物为水，被称为最理想的清洁能源。

氢燃料电池是氢能利用的主要方式之一。由于燃料电池不受卡诺循环的限制，直接发电效率达45%以上，热电联供系统的发电效率可达90%。氢能还具有环境友好、寿命长等特点。在新能源汽车、有轨电车、无人机、分布式电源等领域有着广阔的市场空间。

然而目前氢能经济的商业化进程，却受制于当前移动储氢技术的发展水平。现有的移动储氢技术在质量能量密度、体积能量密度、成本等方面离商业化应用仍有一定差距。移动场合的储氢问题严重阻碍了质子交换膜燃料电池（pemfc）在移动场合的应用。甲醇水蒸气现场重整制氢技术为移动氢能应用的供氢问题提供了有效的解决方案。

中国发明专利（申请号200710159028.x）公开了一种微型化的甲醇自热重整制氢集成装置和制氢方法，使用甲醇自热重整和co选择氧化制备低co含量的富氢气体，无需传统的co水汽变换单元，就可以加产物气中的co含量降低至30ppm以下，产物气中氢气含量大于53%。

中国发明专利（申请号201310340475.0）公开了一种甲醇水制氢系统及方法，该系统甲醇与水蒸气重整器的重整室内,在350-409℃温度，1-5mpa的压力条件下通过催化剂,进行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,再经过分离室的钯膜分离器将h2和co2分离,得到高纯氢气。

上述的两种技术方案，在co选择氧化方案中需要引入氧化剂，增加制氢系统的复杂性；空气作为常用的氧化剂，其中的氮气会稀释产物气中氢气的含量。在钯膜分离技术中，需要在钯膜两侧提供压力差，增加系统的复杂性，对系统的气密性要求较高。现有的甲醇重整制氢装置在co去除和系统集成方面，仍存在改进的空间。

技术实现要素：

为了克服目前制氢装置存在的不足，本发明的目的在于提供一种集成co选择甲烷化的自热型甲醇重整制氢反应器。在通过甲醇自热重整制备富氢重整气后，利用富氢产物气中的氢气，在选择甲烷化反应中将co转化为ch4，无需引入额外的反应物，便于系统的集成和能效提高。

本发明采用的技术方案是：

本发明的反应器从上至下依次为上盖板、上换热板、换热板隔层、蒸发板、第一甲醇催化燃烧板、第一甲醇水汽重整板、第二甲醇催化燃烧板、第二甲醇水汽重整板、co选择甲烷化反应板、下换热板和下盖板；各层同一位置均设有螺栓安装孔，反应物气路通孔和石墨垫片密封槽；第一、第二甲醇水汽重整板结构相同，上表面中部均设有甲醇水汽重整反应腔，腔内分别填充甲醇水汽重整制氢催化剂颗粒；第一、第二甲醇催化燃烧板结构相同，上表面中部均设有甲醇催化燃烧腔，腔内分别填充甲醇催化燃烧催化剂颗粒；

co选择甲烷化反应板上表面中部设有co选择甲烷化反应腔，腔内填充co选择甲烷化催化剂颗粒。

所述第一、第二甲醇催化燃烧板的甲醇催化燃烧腔内设有微通道换热阵列，微通道换热阵列之间填充甲醇催化燃烧催化剂。

所述微通道换热阵列的微通道宽度为1～5mm，间隔为3～5mm。

所述蒸发板内设有蛇形流道蒸发腔。

所述蛇形流道蒸发腔的宽度为5～10mm，深度为3～10mm。

所述上换热板与下换热板中，两侧为三角形导流区，中部为微通道换热翅片。

所述第一、第二甲醇催化燃烧板、第一、第二甲醇水汽重整板和co选择甲烷化反应板的侧面，均设有直径为1mm，深为10mm的测温孔。

所述上盖板上表面的一侧设有甲醇催化燃烧反应物入口、甲醇水汽重整反应物入口和甲醇水汽重整反应物出口；与上盖板上表面的一侧相同的下盖板下表面的一侧设有甲醇催化燃烧反应物出口和co选择甲烷化反应入口，下盖板下表面的另一侧设有co选择甲烷化反应出口。

本发明具有的有益效果是：

1)反应器内集成了co选择甲烷化反应，实现对富氢重整气的co去除，省去了常规的水汽逆变换过程。co选择甲烷化过程可以直接利用重整气中的氢气完成，无需引入额外的反应物，不会增加系统集成的复杂程度。

2)甲醇水汽反应重整制备的重整气，在经过co选择甲烷化处理后，co含量降低至10ppm以下，可以满足商用pemfc的供氢要求。

3)反应器在进行co去除过程中，未引入其他反应物，最终产物气中的氢气含量高，在70%以上。

4)通过合理安排各反应板的层叠顺序与连接气路，可以实现反应器内温度的梯度分布，使两种不同的催化剂均处于最适工作温度内。

5)反应器在上下两端设计了换热板进行预热回收，提高反应器的能量利用率。

附图说明

图1是本发明的三维爆炸示意图。

图2是本发明上盖板的上下二等角轴测图。

图3是本发明下盖板的上下二等角轴测图。

图4是本发明两块甲醇水汽重整板的俯视图。

图5是本发明co选择甲烷化反应板的俯视图。

图6是本发明两块甲醇催化燃烧板的俯视图。

图7是本发明蒸发板的俯视图。

图8是本发明换热板的上下二等角轴测图。

图中：1、上盖板，2、上换热板，3、换热板隔层，4、蒸发板，5、甲醇催化燃烧板，6、甲醇水汽重整板，7、co选择甲烷化反应板，8、下换热板，9、下盖板，10、螺栓安装孔，11、甲醇催化燃烧反应物入口，12、甲醇水汽重整反应物入口，13、甲醇水汽重整反应物出口，14、甲醇催化燃烧反应物出口，15、co选择甲烷化反应入口，16、co选择甲烷化反应出口，17、反应物气路通孔，18、石墨垫片密封槽，19、甲醇水汽重整反应腔，20、甲醇催化燃烧腔，21、co选择甲烷化反应腔，22、微通道换热阵列，23、蛇形流道蒸发腔，24、三角形导流区，25、微通道换热翅片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明的反应器从上至下依次为上盖板1、上换热板2、换热板隔层3、蒸发板4、第一甲醇催化燃烧板5、第一甲醇水汽重整板6、第二甲醇催化燃烧板5、第二甲醇水汽重整板6、co选择甲烷化反应板7、下换热板8和下盖板9；

各层同一位置均设有螺栓安装孔10，反应物气路通孔17和石墨垫片密封槽18。

如图4所示，第一、第二甲醇水汽重整板6结构相同，上表面中部均设有甲醇水汽重整反应腔19，腔内分别填充甲醇水汽重整制氢催化剂颗粒。

如图6所示，第一、第二甲醇催化燃烧板结构相同，上表面中部均设有甲醇催化燃烧腔20，腔内分别填充甲醇催化燃烧催化剂颗粒。

如图5所示，co选择甲烷化反应板7上表面中部设有co选择甲烷化反应腔21，腔内填充co选择甲烷化催化剂颗粒。

如图6所示，所述第一、第二甲醇催化燃烧板5的甲醇催化燃烧腔20内设有微通道换热阵列22，微通道换热阵列22之间填充甲醇催化燃烧催化剂。

所述微通道换热阵列22的微通道宽度为1～5mm，间隔为3～5mm。

如图7所示，所述蒸发板4内设有蛇形流道蒸发腔23。

所述蛇形流道蒸发腔23的宽度为5～10mm，深度为3～10mm。

如图8所示，所述上换热板2与下换热板8中，两侧为三角形导流区24，中部为微通道换热翅片25。

为了实现对反应器的温度测控，所述第一、第二甲醇催化燃烧板5、第一、第二甲醇水汽重整板6和co选择甲烷化反应板7的侧面，均设有直径为1mm，深为10mm的测温孔(图中未标出)。

如图2、图3所示，所述上盖板1上表面的一侧设有甲醇催化燃烧反应物入口11、甲醇水汽重整反应物入口12和甲醇水汽重整反应物出口13；与上盖板1上表面的一侧相同的下盖板9下表面的一侧设有甲醇催化燃烧反应物出口14和co选择甲烷化反应入口15，下盖板9下表面的另一侧设有co选择甲烷化反应出口16。

本发明的工作原理如下：

本发明集成co选择甲烷化的自热型甲醇重整制氢反应器内共有3条气路：甲醇催化燃烧、甲醇水汽重整、co选择甲烷化。

第1路气路为甲醇催化燃烧，甲醇与空气从上盖板1的甲醇催化燃烧反应物入口11经上换热板2、换热板隔层3和蒸发板4后进入甲醇催化燃烧板5，在催化燃烧反应中释放的热量，为反应器中吸热反应供热，并维持反应器所需的工作温度。

第2路气路为甲醇水汽重整，甲醇水溶液从上盖板1的甲醇水汽重整反应物入口12进入换热板2，经隔板3进入蒸发板4，完成反应物的汽化与预热；之后经甲醇催化燃烧板5进入甲醇水汽重整板6，在甲醇水汽重整板中发生甲醇水汽重整反应，反应生成燃料电池所需的富氢重整气；在甲醇水汽重整的过程中，因为副反应的存在，会生成0.5-2%的co杂质气体；生成的富氢重整气被通入洗气瓶，除去未反应的少量甲醇和水。

第3路气路为co选择甲烷化，水洗后的富氢重整气从下盖板9的甲醇水汽重整反应物入口12进入下换热板8，经催化燃烧反应板5进入co选择甲烷化反应板7，利用重整气中的氢气，通过选择甲烷化反应将产物气的co含量降低至10ppm以下，并保持产物气氢气含量大于70%。涉及的主要反应为：

（1）甲醇催化燃烧：

（2）甲醇水汽反应：

（3）co选择甲烷化反应：

在反应器的层叠安排上，从上往下依次为上盖板1、上换热板2、换热板隔板3、蒸发板4、甲醇催化燃烧板5、甲醇水汽重整板6、co选择甲烷化反应板7、下换热板8、下盖板9。采用串联设计，随着催化燃烧反应物的消耗，甲醇催化燃烧板释放的热量逐渐减少，可以实现反应器内温度的梯度分布，使甲醇水蒸气重整腔19和co选择甲烷化反应腔21的温度均处于催化剂的最佳工作温度范围。

在反应器结构设计上，在甲醇催化燃烧板5中，采用了催化剂分段布置的形式，使甲醇催化燃烧反应逐步进行，提高反应腔内温度分布的均匀性；在甲醇催化燃烧板5中设置了微通道换热阵列22，增强反应腔的传热能力。在co选择甲烷化反应板中7使用蛇形流道设计，避免流速分布不均造成的反应不充分现象。为提高反应器整体能效，在反应器的上下两端设计了上换热板2和下换热板8，用于回收产物气中的余热。上换热板2的冷端为甲醇水溶液，热端为高温富氢重整气；下换热板8的冷端为水洗后的富氢重整气，热端为高温的甲醇催化燃烧尾气。

在反应器的启动阶段，仅甲醇催化燃烧气路进行工作。使用蠕动泵向甲醇催化燃烧板5泵入甲醇，使用主气泵向甲醇催化燃烧板5泵入空气。甲醇催化燃烧5反应释放热量，使反应器升温。当甲醇水汽重整板6的温度达到设定温度时，启动阶段结束，进入稳定工作阶段。

在稳定工作阶段，在甲醇水汽重整气路中，甲醇水溶液首先经上盖板1的入口进入上换热板2，与反应生成的高温富氢重整气进行热交换；之后进入反应器的蒸发板3，在蒸发腔中预热与汽化，通向甲醇水汽重整板6；甲醇水汽重整腔19内，在催化剂的作用下，甲醇与水反应生成富氢重整气，该过程中副反应会生成0.5-2%的co；富氢重整气通往上换热板2，与甲醇水溶液换热后离开反应器，进入洗气瓶；富氢重整气通过水洗，去除未反应的甲醇和部分水蒸气，随后进入选择甲烷化气路；水洗后的富氢重整气在进入下换热板8，与甲醇催化燃烧尾气进行热交换，之后通往co选择甲烷化反应板7；co选择甲烷化反应腔中21，在催化剂的作用下，co与重整气中的氢气反应，转化为ch4，实现co的去除；完成co去除的富氢重整气排出反应器，为燃料电池提供氢源。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，即依本发明保护范围及说明书内容所作的等效的变化与修饰，都应落入本发明的保护范围。