一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器

1.本发明涉及一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，属于太阳能高温热化学反应、甲烷催化重整和可再生能源制氢等相关领域。


背景技术：

2.氢能有着悠久的历史。自20世纪中期以来，它已经是能源工业不可分割的一部分，且自1975年以来，工业上对氢的需求已经增长了三倍多，未来这种增长的趋势还将持续下去。
3.目前现有的氢能市场建立在氢气的以下属性中：密度小，可储存，反应性好，单位质量的能量含量高，可以很容易地在工业规模上生产。
4.当前，人们对氢能广泛用于清洁能源系统的兴趣日益浓厚，这主要取决于氢能的两个额外特点，一是氢的使用不会直接排放出空气污染物或温室气体；二是它可以由多种低碳能源制成。如果结合碳捕获、使用和碳存储，化石燃料的低碳制氢也是可能实现的，并且在化石燃料提取和供应过程中的碳排放的问题也会得到缓解。
5.目前每天约有7000万吨专用氢气被生产出来，其中76％来自天然气，其余23％几乎全部来自于煤炭。天然气作为制氢的主要来源，氢气的生产每年消耗约2050亿立方米天然气，而使用天然气的甲烷重整反应器是合成氨、甲醇工业和炼油厂专用制氢的主力设备。甲烷蒸汽重整(smr)是大规模从天然气中生产氢的最广泛的技术，在smr中，天然气既是燃料又是原料。通常情况下，30％-40％的天然气被燃烧作为重整过程的燃料，而剩余的天然气被重整过程分解成氢气和二氧化碳。由于smr具有良好的经济效益，而且目前有大量smr装置在运行，因此在近期内，smr可能仍将是大规模制氢的主导技术。smr需要非常高的能量输入，太阳能作为一种高密度清洁能源，取之不尽用之不竭，且能够在聚光系统的配合下提供smr所需要的高温环境，因此甲烷蒸汽重整反应器常通过碟式太阳能聚光器聚焦太阳辐射，然后太阳光经过石英窗口进入腔内驱动重整反应。
6.在传统的甲烷蒸汽重整反应器中，温度较低的反应物料由进口导管直接输送到反应器的反应区域，与接收太阳辐射的高温多孔介质催化剂进行换热，但是由于太阳光辐射通量呈高斯分布，在经过碟式聚光器汇聚后，被多孔介质吸收并升温至800℃左右，导致反应器内存在较大的热应力，给反应器结构的稳定性造成了挑战，流固换热温差大会引起较大的不可逆损失，同时降低了反应区域的平均温度，这会导致反应物料的转化率降低、氢气产量降低以及能量利用效率的降低。
7.因此，现需考虑优化甲烷重整反应器内的温度场分布，缓解流固温差过大引起的不可逆损失等问题。若利用出口高温气体的余热与进口的低温物料进行换热，回收利用合成气体的高温余热，从而预热进口物料，再利用部分太阳辐射加热进口物料，进一步提升其温度，将有效改善甲烷重整反应器内的温度场分布，提高反应区域的温度，提高氢气产量和进口物料的转化率，提升能量利用效率。


技术实现要素：

8.本发明为解决现有太阳能甲烷重整反应器的物料进入反应区时温度较低，流固换热温差过大，降低了反应区的平均温度和物料的转化率等问题提供了一种解决方案，本发明的目的在于提供一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，能够利用出口高温气体的余热提高物料进入反应区的温度，从而提高反应区平均温度，降低出口平均温度，优化反应器温度场，提高物料转化率和能量利用效率。
9.为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：
10.一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，该太阳能甲烷重整反应器具有以锥形隔板分隔的内外两侧物料进口腔体，包括椭球形石英窗口、内侧物料进口腔体、内侧多孔介质、外侧物料进口腔体、多孔介质反应腔体、反应腔体多孔介质催化剂、内侧物料气输入导管、外侧物料气输入导管、合成气输出导管、内侧锥形隔板、外侧锥形隔板、保温层、内侧法兰、外侧法兰、螺栓、螺母、垫片、黑体空腔，支撑结构，空隙区域，其中：所述黑体空腔为圆柱结构，内部空腔，顶部设置有用以安装椭球形石英窗口的光孔，接收太阳入射辐射，黑体空腔底部连接法兰，外侧对称安装物料气输入导管，所述导管连通外侧物料进口腔体，黑体空腔的内部以内侧锥形隔板形成内侧物料进口腔体和多孔介质反应腔体；
11.所述内侧物料进口腔体为锥形空腔结构，底部连接内侧物料气输入导管，顶部填充内侧多孔介质，外侧通过支撑结构与多孔介质反应腔体连接；
12.所述多孔介质反应腔体为锥形空腔结构，底部连接合成气输出导管，顶部填充反应腔体多孔介质催化剂，外部通过法兰连接黑体空腔。
13.上述方案中，多孔介质反应腔体与外侧物料进口腔体以外侧锥形隔板分隔，以强化预热，提高内侧进口物料温度。
14.上述方案中，外侧物料进口腔体与内侧物料进口腔体的物料流向相同，与多孔介质反应腔体的物料流向相反，通过采用内外两侧入口的结构和逆流布置，强化预热。
15.上述方案中，黑体空腔顶部的椭球形石英窗口与内侧、外侧物料进口腔体和多孔介质反应腔体存在空隙区域，以引导内外侧进口物料在空隙处混合后进入多孔介质反应区进行重整反应，有效提高外侧进口物料温度。
16.从上述技术方案可看出，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
17.(1)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，基于温度场与浓度场协同的原理，充分利用太阳能与出口气体余热等不同品味的热能，提高能量利用效率。
18.(2)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，通过采用双入口逆流的结构布置，实现进口物料的预热，提高反应区域的温度，提高化学反应速率，降低流固换热温差，减少不可逆损失。
19.(3)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，通过设置内外两侧物料进口腔体的结构，可调节内外进口流量的比例，有效利用了出口气体的余热强化换热，实现余热回收。
20.(4)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，通过采用锥形回转式腔体的结构，增大反应腔体对太阳辐射的吸收和多孔介质催化剂的体积，增加反应体积，提高氢气产量。
21.(5)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，通过在椭球形石英窗口底部设置空隙区域，使内外两侧物料在进入反应区域前混合，提高了外侧物料的温度和整体物料的温度均匀性，使物料能够在多孔介质反应区进行高效重整反应。
22.(6)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，将内侧物料进口腔体设计为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0-7
°
之间。其顶部窄底部宽的结构在增大内侧物料进口腔体换热面积的同时，有利于增大多孔介质反应腔体的体积，提高物料转化率。
23.(7)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，将多孔介质反应腔体设计为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0-7
°
之间。其顶部宽底部窄的结构在增大外侧物料进口腔体换热面积的同时，有利于增大多孔介质反应腔体的体积，提高物料转化率。
24.(8)本发明提供的太阳能甲烷重整反应器，在总质量流量一定的情况下，通过设置内侧物料进口腔体和外侧物料进口腔体两个进口腔体，可以调节二者流量分布，达到最佳预热强化的效果。
附图说明
25.图1为本发明整体结构的主视图；
26.图2为本发明整体结构的左视图；
27.图3为本发明整体结构的俯视图；
28.图4为图2中沿a-a线的剖视图；
29.图5为本发明整体结构的等轴测视图；
30.图6为传统甲烷重整反应器沿a-a线的剖视图；
31.图7(a)为本发明和传统甲烷反应器在设定工艺条件下的甲烷转化率，(b)为本发明和传统甲烷反应器在设定工艺条件下的氢气产量；
32.附图中的标记说明：
33.1-椭球形石英窗口、2-内侧物料进口腔体、3-内侧多孔介质、4-外侧物料进口腔体、5-多孔介质反应腔体、6-反应腔体多孔介质催化剂、7-内侧物料气输入导管、8-外侧物料气输入导管、9-合成气输出导管、10-内侧锥形隔板、11-外侧锥形隔板、12-保温层、13-内侧法兰、14-外侧法兰、15-螺栓、16-螺母、17-垫片、18-黑体空腔，19-支撑结构，20-空隙区域。
具体实施方式
34.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，下面结合附图对本发明进一步详细说明，并不限制发明。
35.参照图1至图4，它是本发明一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器三视图及沿a-a线的剖视图，包括椭球形石英窗口1、内侧物料进口腔体2、内侧多孔介质3、外侧物料进口腔体4、多孔介质反应腔体5、反应腔体多孔介质催化剂6、内侧物料气输入导管7、外侧物料气输入导管8、合成气输出导管9、内侧锥形隔板10、外侧锥形隔板11、保温层12、内侧法兰13、外侧法兰14、螺栓15、螺母16、垫片17、黑体空腔18，支撑结构19，空隙区域20；所述内侧物料进口腔体2为锥形空腔结构，其底部管径设计为内直径26mm，顶部管径设计为内直径12mm，其母线与中心线所夹锐角在0-7
°
之间，底部连接内侧物料气输入导管7，顶部填充内侧多孔介质3，外侧通过支撑结构19与多孔介质反应腔体5连接；所述多孔介质反应腔体5为锥形空腔结构，其底部管径设计为内直径68mm，顶部管径设计为内直径54mm,其母线与中心线所夹锐角在0-7
°
之间，底部连接合成气输出导管9，顶部填充反应腔体多孔介质催
化剂6，外部通过法兰13连接黑体空腔18。
36.黑体空腔内部管径设计为直径82mm，保温层厚度设计为5mm，锥形隔板厚度设计为1mm，外侧物料气输入导管的内径设计为直径5mm。
37.下面将通过具体实施例进一步说明本发明一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器：实施方式以常压进行操作，将物料气按照一定比例混合后(ch4:h2o＝1:2)分别从内外侧物料进口腔体通入，总质量流量控制在0.3kg/h至0.9kg/h的区间内，内外侧物料质量流量分别占总流量的40％和60％。
38.采用太阳直射辐射强度(dni)为700w/m2。太阳辐射由聚光比为1000的碟式聚光器汇聚后，透过石英窗口，被多孔介质吸收并升温。质量流量为0.3kg/h的物料气经过进口腔体的预热后在黑体空腔的顶部空隙区域混合，进入多孔介质反应区进行重整反应，其中水蒸汽与甲烷在太阳辐射所提供的高温环境中，在多孔介质催化剂的作用下，生成氢气与一氧化碳的合成气，合成气从输出导管排出，进行后续分离操作，计算出甲烷的转化率和氢气产量。增大物料气的质量流量，继续进行相同操作，直到进口质量流量增至0.9kg/h。设置对照组为传统甲烷重整反应器，将多孔介质反应腔体以底部直径为基准调整为圆柱形空腔；将内侧进口腔体、内侧锥形隔板等结构去除，合并为反应腔体，其结构如图6所示；使物料气全部从外侧物料气输入导管进入腔体，其他工艺条件相同。
39.通过商用软件的模拟计算，本发明在每一种设定工艺条件下的甲烷转化率以及氢气产量均高于传统甲烷重整反应器，计算结果如图7所示。在质量流量从0.3kg/h增大到0.9kg/h的工况下，随着质量流量的增大，锥形反应器的甲烷转化率和氢气产量的提升比例也增大，表明锥形反应器更能适配不同的工况，尤其在大流量下，表现出更好的整体性能。