一种高性能重整反应器的制作方法

本发明涉及制氢技术领域，具体涉及一种高性能重整反应器。

背景技术：

氢能是清洁的二次能源。近年来，随着氢能应用技术发展逐渐成熟，以及全球应对气候变化压力的持续增大，氢能产业的发展在世界各国备受关注，美国、德国、日本等发达国家相继将发展氢能产业提升到国家能源战略高度。而且“氢能与燃料电池技术创新”位列国家在能源技术革命创新行动计划当中，标志着氢能产业已被纳入中国国家能源战略，氢燃料电池可高效清洁地把化学能直接转化为电能，是比常规热机更为先进的转化技术，燃料电池技术的快速发展，为能源动力的变革带来重大契机。

而且随着科技的发展，对能源和备用电池要求也越来越严格，例如移动通讯基站、微站、应急车、机场牵引车、物流车、医院备电、数据中心备电、军事等等诸多领域都迫切需要一种清洁、无噪音以及无干扰的能源或备用电池。但是如果直接采用氢气发电则存在“制、储、运”等安全技术瓶颈，在这种背景下采用甲醇水制氢后再进行发电的技术路线越来越受到重视，因此一种采用甲醇水制氢后并发电的产业就这样诞生了。

而甲醇水制氢过程需经过高温重整，因此重整反应器是甲醇水制氢过程的核心部件。甲醇水制氢过程的原理为：甲醇水燃料经过加压和吸热气化后，进入重整室与催化剂一起进行重整反应，进而获得富含杂质的氢气(富氢)，氢气经过提纯器之后产生高纯度的氢气(达到99.99％的高纯度的氢气(h2)，且co含量≤1ppm)。氢气经过换热变为常温，经过减压进入电堆发生电化学反应，生成电能。其中制氢反应机理如下：

ch3oh(g)→co+2h2，δ＝-90.64kj/mol，

co+h2o(g)→co2+h2，δ＝-41.00kj/mol。

其中制氢反应为强吸热反应，需持续供给热量以维持反应进行。传统重整反应器的设计思路之一是利用电加热使得温度达到重整反应的温度，再利用提纯后的分流气体引入燃烧，这种设计的缺陷是要消耗大量的电能，而且受不能大功率电加热影响(本身是在缺电条件下发电)，以及成本限制，因此常规温度下利用电加热的方式使得重整制氢装置达到重整反应的温度属于冷启动，而冷启动时间一般超过10小时，而且现有重整制氢装置中使用的氢气提纯器具有冷启动使用次数寿命限制，进而影响整个设备的使用寿命，而为了避免冷启动设备，一般情况下重整制氢装置不得不一直处于热待机条件下，长期如此则会消耗大量电能。传统重整反应器的设计思路之二采用圆筒式重整室，将钯管至于其中，利用火焰给重整室及钯管直接加热，其缺陷是受热不均，热平衡得不到管控，催化剂效率底下，钯管性能下降寿命短，虽可以快速冷启动(30～60分钟)，但钯管只有10余次冷启动寿命，不能作为即时备用电池使用。传统反应器的设计思路之三为保障重整室与重整反应盘管的受热均匀采用铝浇铸工艺，缺点是做工复杂，人工成本高昂，且为一次性。传统反应器的设计思路之四，其采用钯膜片提纯方式，缺点是成本极其高昂，占整个反应器成本的80％，其提纯的纯度和效率与钯管式比较没有突破，提纯器的加热靠整个反应器的热传导和电加热，尤其是电加热必须持续，造成本身内耗过高。

技术实现要素：

本发明目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供了一种高性能重整反应器，具有启动快速、效率高、热平衡、使用寿命长、可快速响应以及成本低等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种高性能重整反应器，包括密封箱体，密封箱体内设有燃烧室、重整室和提纯室，燃烧室、重整室和提纯室依次由下至上层叠设置，燃烧室用于对重整室和提纯室加热；

密封箱体上设有甲醇水进水口和进风口，密封箱体进风口通过管道与燃烧室相连通而提供空气；

重整室包括由金属材质制成的重整壳体，重整壳体的底面设有沟槽，沟槽内嵌有用于汽化的盘管，重整壳体内设有反应列管，反应列管内置有用于重整反应的催化剂，重整壳体内嵌有电加热棒，盘管的进口端与甲醇水进水口相连通，盘管的出口端与反应列管的进口端相连通；

甲醇水在重整室内发生重整反应生成富氢，富氢由反应列管的出口端输送至提纯室，提纯室对富氢进行提纯得到纯氢；

重整壳体的侧面设有竖向的导火槽，导火槽将提纯室和燃烧室之间相导通，导火槽用于将燃烧室产生火苗引导至提纯室从而对提纯室进行加热，提纯室上设有电加热片。

由上可知，本发明利用甲醇水在重整室内发生重整反应生成富氢，富氢由反应列管的出口端输送至提纯室，提纯室对富氢进行提纯得到纯氢。而且本发明在重整反应过程中是先将甲醇水先在盘管进行汽化，汽化后的甲醇水蒸汽再进入反应列管，在催化剂的作用下发生重整反应并产生富氢(h2,co,co2),富氢进入提纯室，提纯室对富氢进行提纯分离出高纯度氢气。

而且，本发明重整室采用的是由金属材质制成的重整壳体，然后将甲醇水的汽化过程和重整反应过程分开在两个阶段进行，甲醇水汽化过程选择在盘管中进行，盘管通过内嵌在重整壳体底面沟槽的方式，利用燃烧室和电加热棒直接对盘管进行加热，这是因为甲醇水汽化需要大量的热量，从而高效地满足甲醇水汽化加热要求，而且采用燃烧室、重整室和提纯室依次由下至上层叠设置的方式，能够降低设备体积和占用空间，使得重整反应制氢设备轻便化和增大了适用范围；利用燃烧室同时对重整室和提纯室加热，同时开启电加热片对提纯室加热，大约20～25分钟即可达到重整室与提纯室的工作温度，即重整反应的工作温度和提纯工作温度，可以实现快速启动，而传统重整反应器都只是通过电加热重整室与提纯室，由于制氢发电设备一般应用于野外环境，存在缺电少电情况，电加热片或电加热棒的功率都较小，受功耗影响，启动时间会非常缓慢，大约10～24小时才能到达反应温度的条件；而重整反应过程是属于需求热量较低的过程，因此通过直接设在重整壳体内的反应列管中进行，因此本发明既能高效地满足了甲醇水汽化的加热要求，又能减低能耗；与此同时，现有技术重整室与重整反应盘管的受热均匀采用铝浇铸工艺而成，复杂铝浇铸的工艺大大增加了设备的成本，而且材料成本也较高，而本发明在重整壳体中塞入反应列管，反应列管内放置催化剂，而重整壳体底面设计有沟道，只需将盘管嵌入即可，这就能避免了铝浇铸复杂的工艺及高昂的人工成本，大大地提高了工作效率和经济效益；重整壳体的侧面设有竖向的导火槽，导火槽用于将燃烧室产生火苗引导至提纯室从而对提纯室进行加热，避免长期对提纯室电加热，降低内耗，整体性能更高；当不需要产生氢气时，中断甲醇水，间歇式开启电加热棒或加热片维护整个反应器需要的温度，从而可以做到快速响应。

作为本发明的一种改进，所述反应列管包括若干个钢管，所述钢管穿插在重整壳体的两侧壁之间，重整壳体侧壁外侧在钢管的进口端设有与若干个钢管的进口端相通的进气室、在钢管的出口端设有与若干个钢管的出口端相通的出气室，进气室上设有进气口，盘管的出口端与进气室的进气口相连通，出气室上设有出气口，富氢由出气室的出气口输送至提纯室。

作为本发明的一种改进，所述重整壳体的底面设有将盘管固定密封在沟槽内的金属盖板。

作为本发明的一种改进，所述提纯室包括由金属材质制成的提纯壳体，提纯壳体内设有钯管提纯器，提纯壳体上设有用于加热钯管提纯器的电加热片，提纯壳体内在填充有作为传热介质的铝合金粉末，反应列管的出口端与钯管提纯器的进口端相连通，所述密封箱体上设有氢气出口，氢气出口与钯管提纯器的纯氢出口端相连通。

作为本发明的一种改进，所述燃烧室包括燃烧器，燃烧器设有向上敞开的燃烧凹腔，所述燃烧凹腔内设有火焰分布器和点火器，火焰分布器上设有均匀分布的若干个火焰孔和燃料进料管，燃烧器在燃烧凹腔的底部设有空气入口，空气入口与鼓风机的出口相连通。

进一步地，所述提纯壳体上设有尾气排出口，尾气排出口通过回流管与火焰分布器的燃料进料管相连通，回流管上设有限流阀和电磁阀。

作为本发明的一种改进，所述密封箱体内在燃烧室的下方设有预热底座，所述预热底座上设有汽化器，汽化器包括汽化管、上金属块和下金属块，汽化管内嵌在上金属块和下金属块之间，上金属块或下金属块上内嵌有预热电热棒，汽化管的进口端与甲醇水进水口相连通，汽化管的出口端与燃料进料管相连通，预热底座在燃烧室的空气入口对应位置开有进风通道，进风通道的出口端与空气入口相对接连通，进风通道的进口端通过管道与鼓风机的出口相连通。

作为本发明的一种改进，所述密封箱体内设有筛网过滤器，筛网过滤器包括过滤壳体，过滤壳体上设有进气口和出气口，过滤壳体内在进气口处设有滤芯、在出气口处设有出口筛网，过滤壳体的进气口与反应列管的出口端相连通，过滤壳体的出气口与钯管提纯器的进口端相连通。

进一步地，所述过滤壳体底部设有维护堵头。

作为本发明的一种改进，所述密封箱体由不锈钢金属制成，密封箱体外围包覆有隔热棉。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明将甲醇水的汽化过程和重整反应过程分开在两个阶段进行，能高效地满足甲醇水汽化加热要求，而且采用燃烧室、重整室和提纯室依次由下至上层叠设置的方式，能够降低设备体积和占用空间，使得重整反应制氢设备轻便化和增大了适用范围；

利用燃烧室同时对重整室和提纯室加热，同时开启电加热片对提纯室加热，大约20～25分钟即可达到重整室与提纯室的工作温度，即重整反应的工作温度和提纯工作温度，可以实现快速启动，而传统重整反应器都只是通过电加热重整室与提纯室，由于制氢发电设备一般应用于野外环境，存在缺电少电情况，电加热片或电加热棒的功率都较小，受功耗影响，启动时间会非常缓慢，大约10～24小时才能到达反应温度的条件；

而重整反应过程是属于需求热量较低的过程，因此通过直接设在重整壳体内的反应列管中进行，因此本发明既能高效地满足了甲醇水汽化的加热要求，又能减低能耗；

与此同时，现有技术重整室与重整反应盘管的受热均匀采用铝浇铸工艺而成，复杂铝浇铸的工艺大大增加了设备的成本，而且材料成本也较高，而本发明在重整壳体中塞入反应列管，反应列管内放置催化剂，而重整壳体底面设计有沟道，只需将盘管嵌入即可，这就能避免了铝浇铸复杂的工艺及高昂的人工成本，大大地提高了工作效率和经济效益；

重整壳体的侧面设有竖向的导火槽，导火槽用于将燃烧室产生火苗引导至提纯室从而对提纯室进行加热，避免长期对提纯室电加热，降低内耗，整体性能更高；

当不需要产生氢气时，中断甲醇水，间歇式开启电加热棒或加热片维护整个反应器需要的温度，从而可以做到快速响应。

附图说明

图1为本发明高性能重整反应器的示意图；

图2为本发明高性能重整反应器燃烧室的示意图；

图3为本发明高性能重整反应器重整室的示意图；

图4为本发明高性能重整反应器提纯室的示意图；

图5为本发明高性能重整反应器过滤器的示意图；

图6为本发明高性能重整反应器预热底座的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

实施例

请参考图1至图6，一种高性能重整反应器，包括密封箱体10，密封箱体10内设有燃烧室20、重整室30和提纯室40，燃烧室20、重整室30和提纯室40依次由下至上层叠设置，燃烧室20用于对重整室30和提纯室40加热；

密封箱体10上设有甲醇水进水口和进风口，密封箱体10进风口通过管道与燃烧室20相连通而提供空气；

重整室30包括由金属材质制成的重整壳体31，重整壳体31的底面设有沟槽32，沟槽32内嵌有用于汽化的盘管33，重整壳体31内设有反应列管34，反应列管34内置有用于重整反应的催化剂，重整壳体31内嵌有电加热棒35，盘管33的进口端与甲醇水进水口相连通，盘管33的出口端与反应列管34的进口端相连通；

甲醇水在重整室30内发生重整反应生成富氢，富氢由反应列管34的出口端输送至提纯室40，提纯室40对富氢进行提纯得到纯氢；

重整壳体31的侧面设有竖向的导火槽36，导火槽36将提纯室40和燃烧室20之间相导通，导火槽36用于将燃烧室20产生火苗引导至提纯室40从而对提纯室进行加热，提纯室40上设有电加热片70。

由上可知，本发明利用甲醇水在重整室内发生重整反应生成富氢，富氢由反应列管的出口端输送至提纯室，提纯室对富氢进行提纯得到纯氢。而且本发明在重整反应过程中是先将甲醇水先在盘管进行汽化，汽化后的甲醇水蒸汽再进入反应列管，在催化剂的作用下发生重整反应并产生富氢(h2,co,co2),富氢进入提纯室，提纯室对富氢进行提纯分离出高纯度氢气。

而且，本发明重整室采用的是由金属材质制成的重整壳体，然后将甲醇水的汽化过程和重整反应过程分开在两个阶段进行，甲醇水汽化过程选择在盘管中进行，盘管通过内嵌在重整壳体底面沟槽的方式，利用燃烧室和电加热棒直接对盘管进行加热，这是因为甲醇水汽化需要大量的热量，从而高效地满足甲醇水汽化加热要求，而且采用燃烧室、重整室和提纯室依次由下至上层叠设置的方式，能够降低设备体积和占用空间，使得重整反应制氢设备轻便化和增大了适用范围；利用燃烧室同时对重整室和提纯室加热，同时开启电加热片对提纯室加热，大约20～25分钟即可达到重整室与提纯室的工作温度，即重整反应的工作温度和提纯工作温度，可以实现快速启动，而传统重整反应器都只是通过电加热重整室与提纯室，由于制氢发电设备一般应用于野外环境，存在缺电少电情况，电加热片或电加热棒的功率都较小，受功耗影响，启动时间会非常缓慢，大约10～24小时才能到达反应温度的条件；而重整反应过程是属于需求热量较低的过程，因此通过直接设在重整壳体内的反应列管中进行，因此本发明既能高效地满足了甲醇水汽化的加热要求，又能减低能耗；与此同时，现有技术重整室与重整反应盘管的受热均匀采用铝浇铸工艺而成，复杂铝浇铸的工艺大大增加了设备的成本，而且材料成本也较高，而本发明在重整壳体中塞入反应列管，反应列管内放置催化剂，而重整壳体底面设计有沟道，只需将盘管嵌入即可，这就能避免了铝浇铸复杂的工艺及高昂的人工成本，大大地提高了工作效率和经济效益；重整壳体的侧面设有竖向的导火槽，导火槽用于将燃烧室产生火苗引导至提纯室从而对提纯室进行加热，避免长期对提纯室电加热，降低内耗，整体性能更高；当不需要产生氢气时，中断甲醇水，间歇式开启电加热棒或加热片维护整个反应器需要的温度，从而可以做到快速响应。

在本实施例中，所述反应列管34包括若干个钢管341，所述钢管341穿插在重整壳31体的两侧壁之间，重整壳体30侧壁外侧在钢管341的进口端设有与若干个钢管341的进口端相通的进气室342、在钢管341的出口端设有与若干个钢管341的出口端相通的出气室344，进气室342上设有进气口343，盘管33的出口端与进气室342的进气口343相连通，出气室344上设有出气口345，富氢由出气室344的出气口345输送至提纯室40。反应列管采用若干个钢管的形式，有利于增大重整反应面积，即提高单位时间的富氢产量，而进气室可以对进入到钢管的汽化甲醇水进行均匀分布，出气室再对重整反应后富氢进行统一聚集后输出。在本实施例中，密封箱体和重整壳体都是采用铝材制成。

在本实施例中，所述重整壳体31的底面设有将盘管33固定密封在沟槽32内的金属盖板37。金属盖板可以提高盘管在被燃烧室加热时的受热均匀性。

在本实施例中，所述提纯室40包括由金属材质制成的提纯壳体41，提纯壳体41内设有钯管提纯器42，提纯壳体41上设有用于加热钯管提纯器的电加热片70，提纯壳体41内在填充有作为传热介质的铝合金粉末43，反应列管34的出口端与钯管提纯器42的进口端44相连通，所述密封箱体10上设有氢气出口，氢气出口与钯管提纯器42的纯氢出口端45相连通。其中所述金属材质为铝材，本发明提纯壳体内采用填充铝合金粉末作为导热材料，不仅让钯管提纯器受热均匀、快速；同时避免火焰直接加热或其它硬性接触(热胀冷缩)对钯管造成的伤害，不仅可以让钯管受热均匀，大大改善了钯管的加热方式，采用传统的火焰加热方式，钯管提纯器钯管的寿命约半年，而采用本发明加热方式，钯管提纯器钯管使用寿命为3至5年；而且提纯壳体内采用填充铝合金粉末的方式，可以降低设备材料的成本和加工成本，提高了经济效益。

在本实施例中，所述燃烧室20包括燃烧器21，燃烧器21设有向上敞开的燃烧凹腔22，所述燃烧凹腔22内设有火焰分布器24和点火器27，火焰分布器24上设有均匀分布的若干个火焰孔25和燃料进料管26，燃烧器21在燃烧凹腔22的底部设有空气入口23，空气入口23与鼓风机90的出口相连通。火焰分布器通过均匀分布的若干个火焰孔能使火焰均匀地对重整室进行加热。

在本实施例中，所述提纯壳体41上设有尾气排出口46，尾气排出口46通过回流管14与火焰分布器24的燃料进料管26相连通，回流管14上设有限流阀15和电磁阀16。提纯室产生的尾气(h2,co,co2)经过回流管进入燃烧室燃烧，燃烧产生的热量供给反应器作为后续的热源。

在本实施例中，所述密封箱体10内在燃烧室20的下方设有预热底座60，所述预热底座60上设有汽化器80，汽化器0包括汽化管83、上金属块82和下金属块81，汽化管83内嵌在上金属块82和下金属块81之间，上金属块82或下金属块81上内嵌有预热电热棒84，汽化管83的进口端与甲醇水进水口相连通，汽化管83的出口端与燃料进料管26相连通，预热底座60在燃烧室20的空气入口23对应位置开有进风通道61，进风通道61的出口端与空气入口23相对接连通，进风通道61的进口端通过管道与鼓风机90的出口相连通。利用甲醇水作为燃烧室的燃料，而汽化器可以对甲醇水进行加热，使得甲醇水无需完全汽化即可进入到燃烧室燃烧，目的是冷启动开机时用火焰快速加热重整室与提纯器达到其工作需要的温度，这个过程只需要20～25分钟，大大降低了启动时间。在本实施例中，预热底座采用陶瓷材料制成，陶瓷材料具有传热性能好、成本低等优点。

在本实施例中，甲醇水进水口包括第一甲醇水进水口和第二甲醇水进水口，第一甲醇水进水口与盘管33的进口端相连通，第二甲醇水进水口与汽化管83的进口端相连通，第一甲醇水进水口和第二甲醇水进水口上分别设有甲醇水进水管12，甲醇水进水管12上设有电磁阀13。

在本实施例中，所述密封箱体10内设有筛网过滤器50，筛网过滤器50包括过滤壳体51，过滤壳体51上设有进气口52和出气口53，过滤壳体51内在进气口52处设有滤芯54、在出气口53处设有出口筛网55，过滤壳体51的进气口52与反应列管34的出口端相连通，过滤壳体51的出气口53与钯管提纯器42的进口端44相连通。重整室产生的富氢经过筛网过滤器滤除可能存在的催化剂粉尘后再进入钯管提纯器。其中，所述过滤壳体底部设有维护堵头，可拆卸，用于维护(视催化剂质量，1～2年维护一次)，过滤壳体提取的粉尘可用于催化剂的分析及改善。

在本实施例中，所述密封箱体10由不锈钢金属制成，密封箱体10外围包覆有隔热棉11。高温隔热棉阻止热量散失，能有效降低启动时间。

在本实施例中，密封箱体10的氢气出口与钯管提纯器42的纯氢出口端45之间设有甲烷化反应器80，通过甲烷化反应器进一步将纯氢中可能存在的co和co2转化为甲烷，进一步提高纯氢的纯度。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。