原料预热部一体型水蒸气改质器及含其的氢制备系统的制作方法

本发明涉及水蒸气改质器。更具体来讲，涉及由于对流热交换效率高，因此向位于改质器内部的反应管提供均匀的反应热，具有更高的改质转换性能及优异的装置紧凑化效率的水蒸气改质反应器。
背景技术：
：水蒸气改质器是以主要成分为甲烷的天然气为原料制氢的反应器。原料气体与水蒸气在催化剂上转换成氢、一氧化碳、二氧化碳相混合的改质气体(reformedgas)，引起强烈的吸热反应，因此需要另外供应反应热。所述水蒸气改质器上连接有反应所需的水蒸气发生器和对反应物进行预热的预热器以构成整个工程。在此，关于水蒸气发生器和预热器的热，可对催化剂层加热并回收排出的燃烧排气气体或生产的改质气体放出的废热并供应。因此，为了提高包括水蒸气改质器在内的所有工程的效率，需要提高热交换效率。水蒸气改质器处的热交换主要适用辐射传热(radiationheattransfer)方式。在此，燃烧器发生的反应热的向反应管的热通量(heatflux)非常大，因此有利于处理容量极大化，但由于与火焰直接接触等，因此具有反应管局部加热危险，从而无法发生均匀的反应而导致反应稳定性与转换效率下降。并且，由于反应管之间的反应偏差严重，因此具有难以运转、维护及管理，装置内需要高价的耐热材料的问题。这在装置小型化需求上升方面成为更大的阻碍。因此需要研究开发减小装置内反应管排列的中心线的直径等最小化装置体积且能够提高改质器内反应热的热交换效率的技术。技术实现要素：技术问题本发明旨在解决如上所述的问题，目的在于提供一种能够通过减小圆筒形加热结构的反应管排列的中心线的直径提高装置紧凑化率的水蒸气改质器。并且，本发明的目的是提供一种尽管装置小型化但能够抑制反应管的局部加热且降低反应管之间温度偏差以提高反应均匀性的水蒸气改质器。并且，本发明的目的是提供一种降低后续工程的热负荷且能够减少热损失以简化工程构成的水蒸气改质器。技术方案本发明涉及用于生产氢的氢制备反应器的改质管。本发明的一个形态涉及水蒸气改制器，包括：外壳；燃烧器，其在所述外壳的内部中心生成反应热；多个反应管，其以所述燃烧器为中心排列于同心圆；对流传热诱导用套管，其相隔地位于所述反应管的外侧面且包围所述反应管的侧面；以及排气排出管，其连通于所述对流传热诱导用套管排出排气，其中，所述反应管的外侧面与所述对流传热诱导用套管之间的相隔空间的下端开放。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述对流传热诱导用套管可不具有孔。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述对流传热诱导用套管包围从反应管的下端到上端的所述反应管的侧面，并且固定于外壳内侧上端，一侧面可连通于排气排出管。并且，所述对流传热诱导用套管的长度可以是上端位于同一线上的反应管的长度的50至120％。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述排气排出管可位于外壳上端一侧面。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述燃烧器可具有能够垂直向下诱导燃烧热的燃烧引导部。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述外壳还可以包括位于内侧面的原料预热管。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述原料预热管可以是沿着外壳的内侧面下端的外周面向上配置的线圈形态。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述水蒸气改质器的排气排出管可在外壳的一侧面位于所述原料预热管的注入口的下方。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述外壳具有所述反应管能够贯通的孔，所述孔上设置有支撑反应管的支撑部件，所述反应管的注入原料气体的原料气体注入管及排出改质气体的改质气体排出管可露在所述支撑部件的上端。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器，所述外壳可含有选自陶瓷纤维断热材料及微孔断热材料中任意一种以上的断热材料。根据本发明的另一实施形态，提供一种氢制备反应器，包括上述水蒸气改质器。技术效果本发明的水蒸气改质器能够通过圆筒形加热结构显著减小反应管排列的中心线的直径，因此具有能够显著提高装置紧凑化率的优点。尤其，尽管装置小型化但能够抑制反应管的局部加热且降低所述反应管之间的反应温度偏差，因此具有能够实施整体均匀的反应且增进耐久性的优点。并且，本发明具有降低后续工程的热负荷且减少热损失使得具有卓越的热交换效率的优点。附图说明图1示出本发明的一个实现例的水蒸气改质器的剖面；图2示出本发明的一个实现例的包括原料预热管的水蒸气改质器的剖面；图3示出本发明的一个实现例的水蒸气改质器的平面图；图4放大示出本发明的实施例中数值解析对象部分；图5是本发明的实施例2、实施例4及实施例5的cfd分析曲线图，示出对应于各套筒长度的生成气体氢分率的轮廓线(contour)。附图标记说明1：水蒸气改质器100：燃烧器101：燃烧引导部102：燃料供应管103：燃烧空气供应管110：燃烧腔体120：热交换流路200：反应管201：原料气体注入管202：改质气体排出管203：对流传热诱导用套管204：排气排出孔300：外壳301：排气排出管302：第一断热层303：第二断热层304：预热原料注入管305：预热原料排出管306：原料预热管具体实施方式以下通过附图及具体例对本发明的水蒸气改质器进行更具体的说明。但下述具体例或实施例只是用于详细说明本发明的一个参照而已，本发明并不局限于此，可以以多种形态实现。并且，无其他定义的情况下所有技术术语与科学术语具有与本发明所属
技术领域：
的任一技术人员通常理解的意思相同的意思。本申请的说明过程中使用的术语只是为了有效记载特定具体例，目的并非限定本发明。并且，以下介绍的附图是为了向本领域的技术人员充分说明本发明的思想而作为例子提供的。因此本发明不限于以下公开的附图，可以具体化为其他形态，以下公开的附图为了明确本发明的思想而可能夸张示出。并且说明书全文中相同的附图标记表示相同的构成要素。并且说明书及技术方案中使用的单数形态在文中无特别指示的前提下还可以包括复数形态。本发明中的术语‘反应管’表示位于氢制备装置内用于执行改质反应的反应器，水蒸气改质器内的多个改质反应管配置成具有刺刀(bayonet)形态。本发明中的术语‘原料’是包括碳化合物及水的液态或气态物质的总称。本发明中的术语‘包括’、‘具有’或‘有’在没有特别记载的情况下表示可内在相应构成要素，因此应解释为并非除外其他构成要素，而是还可以包括其他构成要素。包括技术或科学术语在内的所有术语在无其他定义的前提下，具有与本发明所属
技术领域：
的一般技术人员的通常理解相同的意思。本发明涉及具有多个对原料气体进行改质的反应管的水蒸气改质器。图1示出本发明的一个实现例的水蒸气改质器的剖面图。如图1所示，本发明的一个实现例的水蒸气改质器1包括至少一个以上对原料气体进行改质的改质反应管。具体地，包括外壳300、位于所述外壳300的内部中心生成反应热的燃烧器100、以所述燃烧器100为中心同心圆排列的多个反应管200、相隔地位于所述反应管200外侧面且包围所述反应管200的侧面且下端开放的对流传热诱导用套管203及连通于所述对流传热诱导用套管203且排出排气的排气排出孔204及排气排出管301。所述外壳300的内部提供能够设置燃烧器100等各种构成部件的空间。所述外壳300的内部中心具有燃烧器100。并且，所述外壳300的内部具有多个执行改质反应的反应管200，可以稠密配置所述反应管200且为了装置的小型化而使其形状为圆筒形，但不受此限制。所述燃烧器100供应改质反应所需的反应热。所述燃烧器100可执行从外部获得空气和燃料并使之燃烧的工程。所述燃烧器100可以是燃烧炉(burner)，但不受此限制。所述燃烧器100发生的燃烧气体在经过形成于反应管200和对流传热诱导用套管203之间的热交换流路120的过程中向所述反应管200传递热，通过为了连通热交换流路120和排气排出管301而构成的排气排出孔204及排气排出管301向外部排气。所述燃烧器100的燃烧引导部101可位于所述燃烧器100的下端以确保能够垂直向下引导燃烧气体。所述燃烧器100发生的燃烧气体作为一个例子可通过燃烧以火焰形态喷射热。喷射的火焰可局部加热与燃烧器100相邻的反应管200的部分侧面。所述燃烧引导部101可通过阻止所述火焰与个别反应管200直接接触以防止这种局部加热。所述燃烧引导部101相隔地位于外壳300的中心部使得燃烧气体能够在配置有反应管200的内部空间流动。即，所述燃烧引导部101接合于作为燃烧器100的下端的外壳300的内部中心上侧面，燃烧气体能够通过所述燃烧引导部从外壳的下端面，即，反应管下端流动。所述燃烧引导部101在确保高温时并不因热膨胀而变形或不被氧化腐蚀的范围内其材质不受限制，但可以是金属或陶瓷材质。多个所述反应管200以位于外壳300的内部中心的燃烧器100为中心排列于同心圆，用于执行改质反应。具体地，可以以燃烧器100为中心基准在预定半径的位置形成多个所述反应管200。在此，反应管200的个数及配置结构并不受太大限制，但优选的是为了水蒸气改质器1的紧凑化及有效的热交换而调节。在所述反应管200发生作为反应原料的碳化合物原料气体和水蒸气转换为含氢的改质气体的改质反应。所述反应管的形态并不受太大限制，但可以是刺刀管形态。所述反应管200可具有由内管与外管构成的双重管结构。可以是外管的下端部闭合且内管的下端部开放的形态。所述内管及外管之间形成有填充有改质催化剂的催化剂层。所述催化剂层包括催化剂用于使供应过来的原料气体发生改质反应。所述催化剂的种类并不受太大限制，但可包括选自金、银、铁、钴、镍、铜、锰、铝、锌、钛、铪、铂、铑、钌、锇、铱、钯、锆及镧系金属的一种以上金属或其氧化物及其复合物构成的群组的任意一种以上。所述反应管200可以仅上端部固定于水蒸气改质器。即，可以只把反应管200上端部固定于外壳300上端面。所述反应管200外侧面接触从燃烧器100发生的燃烧气体而被传递热。传递的热用于在反应管200进行的作为吸热反应的改质反应。在所述反应管200中，从上端的原料气体注入管201供应得到的原料气体在通过填充于内管与外管之间的催化剂层的过程中进行改质反应。通过所述催化剂层的过程中改质的改质气体从反应管下端出来排出到改质气体排出管202。在此，所述改质气体排出管202在内部垂直向上配置，能够将所述改质气体携带的热传递到催化剂层。尤其，这种所述垂直向上结构的改质气体排出管202配置在现有反应管外管侧面，结构上来讲具有弯折的结构，从而具有能够防止弯折部分因热应力而发生管损伤的特性。并且，通过最小化与相邻管之间的干涉使得水蒸气改质器1内能够设置更多数量的反应管。即，具有水蒸气改质器1内反应管的稠密度上升且作业性提高的效果。本发明的一个实现例的水蒸气改质器1的特征在于具有包围所述反应管200侧面的对流传热诱导用套管203。其具有能够防止与燃烧器发生的火焰直接接触而可能发生的局部加热的特性。在此，所述对流传热诱导用套管203和所述反应管200的外侧面隔着预定间隔的热交换流路120相隔，所述套管的下端部完全开放，因此具有燃烧排气的热交换流体在通过反应管下端外廓面与套管下端内面之间的空间的过程中有效地引导对流热交换的特性。具体地，所述对流传热诱导用套管203包围从反应管200的下端到上端的所述反应管200的侧面，并且可固定于外壳300的内侧上端。特征在于所述对流传热诱导用套管203的下端开放。‘开放’的意思是所述套管与反应管之间相隔使得空间敞开确保从燃烧器发生的燃烧排气能够从所述反应管的下端面接触流动。这不同于完全包围反应管的外面，在能量效率及装置紧凑化方面更有效。并且，根据本发明的一个实现例，所述对流传热诱导用套管可不包括孔(hole)。例如，用反应管的下端面不开放且形成有孔的套管完全包围所述反应管的外面的结构使热交换流体通过所述孔流入的情况下难以均匀地供应热，热效率可能会下降。具体地，根据所述结构，反应管配置成与燃烧器发生的火焰的高度相同且相邻的情况下，向直接面向火焰的孔的热传递和通过未直接面向火焰的反侧反应管侧的孔的热传递量互异。其具有无法利用燃烧器发生的排气向反应管均匀地供热，因温度偏差而导致热效率下降的问题。因此，反应管和燃烧器无法设置在同一线上。并且，只能在反应管的下端面配置另外的燃烧空间且将燃烧器设置成燃烧气体无关于燃烧器的火焰位置地从反应管下端部向上端部均匀地供应。而这需要另外设置燃烧炉(burner)，因此将导致装置的体积增大。根据本发明的一个实现例，所述对流传热诱导用套管与反应管相隔使得下端开放的结构缓解燃烧器的直接辐射热，因此即使在狭窄的空间稠密地设置反应管也能够防止反应管表面被燃烧器局部升温。进一步地，通过向反应管均匀、顺畅地供热具有能够提高反应效率的效果。即，所述对流传热诱导用套管203能够将来自燃烧气体的热均匀地供应到各反应管200，具有能够最大化整个水蒸气改质器内通过对流传热的热传递效率的效果。根据本发明的一个实现例，所述对流传热诱导用套管203可以是其下端和反应管的最下端线的高度一致或与所述反应管的最下端线相差反应管整体长度的10％以内的范围。所述对流传热诱导用套管203可通过调节与反应管200相隔的距离即热交换流路120的间隔调节排气的流速。关于排气的流速，从提高热效率的侧面来讲可调节到5至30m/s，优选为10至25m/s。在所述范围内时能够有效地向反应管均匀地供热、提高水蒸气改质器内整体热效率及改质反应效率。并且，所述反应管200的外面与对流传热诱导用套管203的内面之间的间隔，即热交换流路120的间隔为2至10mm，优选为3至7mm的情况下有利于提高生成气体的氢分率。更优选为4至6mm的情况下能够在不过多增加排气的压力损失的范围内更有效地提高对流传热热交换。并且，为了装置内有效的热传递反应，可以以反应管的长度为基准调节所述对流传热诱导用套管203的长度。具体地，所述套管的长度可以以上端位于同一线上的反应管长度为基准在50％至120％，具体为60％至120％、80％至120％、60％至110％、80％至110％，更具体地，可以是60％至100％、80％至100％。在所述范围时能够提高对流热传递效率，能够通过提高对催化剂层的热传递效率有效地提高反应器整体效率，但这是非限定的一个例子而已，不受所述数值范围的限制。所述反应管长度表示到反应管的最下端的长度，即以所述套管的上端与反应管的上端位于同一线上为基准，从反应管的上端到反应管的最下端部的长度，最下端为反应管内进行改质的改质部的底端，即表示到填充于改质部的改质催化剂层的长度。并且，所述反应管的上端表示与所述对流传热诱导用套管的上端位于相同高度。所述对流传热诱导用套管203通过形成于上部的排气排出孔204连通于排气排出管301，通过所述排气排出管301排出排气。具体地，对排气流动路径来讲，如图1所示，从燃烧器100生成的燃烧气体通过燃烧引导部101向外壳300下端面垂直向下后，通过设置于反应管200外廓的对流传热诱导用套管203流动的过程中对反应管200加热，依次通过形成于套管203上部的排气排出孔204和设置于外壳300的一侧面的排气排出管301后向外部排出。所述排气排出管301可位于外壳300上端一侧面。所述对流传热诱导用套管203能够向位于水蒸气改质器1内的多个反应管200均匀地供热以防止发生局部加热。尤其水蒸气改质器1为圆筒形加热结构，因此能够显著减小反应管200排列的同心圆的直径，从而具有能够有效提高装置紧凑化率的效果。即，能够实现水蒸气改质器1的小型化且抑制反应管200的局部加热，并且能够降低所述反应管200之间反应温度偏差，因此能够确保反应均匀、热效率及长期耐久性高。并且，易于全面控制装置内反应管，因此更有利于维护管理。所述外壳300的内侧可以由钢筋结构构成，可构成为其外侧被含断热材料的构件包围的结构。在此，所述钢筋结构内部也可以具有断热材料。所述断热材料的材质并不受太大限制，但具体来讲位于内部的断热材料为陶瓷纤维断热材料，位于外部的断热材料可以是微孔断热材料，但不受此限制。作为一个例子，所述陶瓷纤维断热材料可以是cerakwool，所述微孔断热材料可以是迈科萨(microtherm)，但不限于此。图2示出本发明的一个实现例的包括原料预热管的水蒸气改质器的剖面。如图2所示，本发明的一个实现例的水蒸气改质器1的所述外壳300可包括第一断热层302及第二断热层303。具体地，所述外壳300可以由陶瓷纤维断热材料构成的第一断热层302及微孔断热材料构成的第二断热层303构成，但不受此限制。并且，所述水蒸气改质器1还可以包括位于外壳300的内侧面的原料预热管306。所述原料预热管306可预热原料，预热前的原料注入到预热原料注入管304通过预热原料排出管305排出。所述原料预热管306可以是沿着外壳300的内侧面下端的第一断热层302的外周面向上配置的线圈形态。所述原料预热管306设置成包围外壳300内部侧面且传导热，具有进一步提高热效率的效果。在此，卷绕位置、次数等不受限制，所述原料预热管306可被外壳300内部，即，断热材料包围。并且，所述原料预热管306能够回收热，因此能够减少后续工程的热负荷。其减少热损失，因此不另外设置预热器也无妨，通过一体化包括所述原料预热管306的预热器，能够简化工程构成。在包括所述原料预热管306的水蒸气改质器1中，比作为所述原料预热管306的注入口的原料预热注入管304的位置靠下的外壳300下端一侧面可具有排气排出管301。根据本发明的一个实现例，所述外壳300具有反应管200能够贯通的孔，反应管200固定于所述孔。所述反应管200可被与所述孔接合的支撑部件固定。所述反应管200的注入原料气体的原料气体注入管201及排出改质气体的改质气体排出管202可露在所述支撑部件的上端，因此为了露出的部位断热，可以在外壳300的外部增设外壳或利用断热材料对露出部位断热。图3示出本发明的一个实现例的水蒸气改质器的平面图。如图3所示，外壳300的内部中心配置有燃烧器100，与所述燃烧器100相距预定距离的同心圆上设置有多个反应管200。在此，所述反应管的侧面设置有原料气体注入管201，上端面设置有凸出的改质气体排出管202。并且，外壳300的一侧面设置有排气排出管301。本发明提供包括上述水蒸气改质器1的氢生成装置。根据本发明的一个实现例的水蒸气改质器1，向位于内部中心的燃烧器100供应空气和燃料实施燃烧以发生高温的排气。所述排气通过形成于通过燃烧引导部101以内部中心为基准相隔预定距离的同心圆结构上排列的个别反应管200的外侧面与对流传热诱导用套管203之间的热交换流路120。在此，排气的热均匀地传递到包括反应管200内催化剂层在内的所有部分。之后，在所述反应管200中，原料气体与改质催化剂接触进行改质反应，发生氢、一氧化碳、二氧化碳、未反应物及多余的水构成的改质气体，反应管200内改质气体通过改质气体排出管202向外部排出。所述改质反应可实施如以下反应式所示的反应。[反应式1]ch4+h2o→co+3h2[反应式2]co+h2o→co2+h2在此，反应温度为500至900℃，优选为600至850℃，反应压力可以是0.2至1.5mpa，优选为0.7至1.0mpa的范围，但这只是非限定的一个例子而已，不受所述数值范围的限制。含通过所述两种反应生成的氢、二氧化碳及一氧化碳的混合物的改质气体沿着中心部的改质气体排出管垂直上升排出，排出时温度高于导入时的温度，因此能够提高接触改质反应流路、通过热传导保持催化剂的活性温度的热交换。即，可通过保持催化剂活性温度促进催化反应，具有能够提高改质反应效率的效果。通过所述改质反应生成的改质气体为氢气和一氧化碳的混合物，进一步经过将一氧化碳转换成二氧化碳的所述反应式2的工程。之后，含转换的二氧化碳的氢气混合物通过吸附氢气以外的物质的工程分离收取氢气。尤其，本发明的一个实现例的水蒸气改质器能够通过与所述反应管的外侧面相隔预定距离的对流传热诱导用套管避免从燃烧器发生的燃烧热的局部加热，因此能够减小反应管以燃烧器为中心排列的中心线的直径。这能够提高装置紧凑化率。并且，本发明实现装置小型化且降低反应管间温度偏差且提高反应均匀性，从而具有能够提高热交换效率及改质效率的效果。利用数值解析程序(computationalfluiddynamics，cfd)分析了本发明的一个实现例的水蒸气改质器运转时生成气体氢分率。在此，运转条件为氢生产量100kg/day级容量，如下表1所示。【表1】区分设定条件备注反应压力[mpag]0.7原料供应量[kg/秒]0.0070h2/ch4＝0.75/0.25s/c比[-]3.0燃烧炉过盈空气比[-]1.1排气温度[k]1373原料供应温度[k]769改质温度[k]969燃烧炉燃料供应量[kg/秒]0.000667ch4100％燃烧炉空气供应量[kg/秒]0.012o2＝20％，n2＝80％(实施例1)将如图4所示的水蒸气改质器内反应管200外面与套管203的内面之间的间隔即热交换流路120调节为3mm后按照所述表1所示的运转条件实施反应运转。其结果，生成气体组成变化及压力损失如下表2所示。(实施例2)除了将实施例1中水蒸气改质器内反应管200外面与套管203的内面之间的间隔即热交换流路120变更为5mm之外其余按照与实施例1相同的方法实施，其生成气体组成变化及压力损失如下表2所示。(实施例3)除了将实施例1中水蒸气改质器内反应管200外面与套管203的内面之间的间隔即热交换流路120变更为7mm之外其余按照与实施例1相同的方法实施，其生成气体组成变化及压力损失如下表2所示。【表2】(实施例4)除了将实施例2中套管缩减到至反应管的最下端的长度的80％之外按照与实施例2相同的方法实施后检测生成气体组成变化及压力损失如下表3所示。(实施例5)除了将实施例2中套管缩减到至反应管的最下端的长度的60％之外按照与实施例2相同的方法实施后检测生成气体组成变化及压力损失如下表3所示。【表3】如所述表2所示，反应管外面与套管内面之间的间隔越窄则燃烧气体线速越大，因此对流热交换增加且向催化剂层的热传递提高，因此催化剂层出口温度增大，生成气体的氢分率也呈更高的值。根据本发明的一个实施例，所述反应管外面与套管内面之间的间隔为2至8mm，优选为3至7mm的情况下能够有效提高生成气体的氢分率且抑制压力损失。更优选为4至6mm的情况下能够在类似的生成气体的氢分率更有效地减少排气的压力损失。图5是本发明的实施例2、4及5的cfd分析曲线图，示出套筒长度所对应的各生成气体氢分率的轮廓线(contour)。如所述图5所示，实施例2、4及5均在未大幅增大压力损失的情况下呈现出优异的改质转换性能，尤其实施例2及4在生成气体分率方面更有效。更佳的是实施例2的向催化剂层的热传递进一步上升，从而能够进一步提高氢分率，从而呈现更优选的结果。这可以通过所述表3确认。以上说明只是例示说明本发明的技术思想，本发明所属
技术领域：
的普通技术人员应当理解：其依然可以在不脱离本发明的本质特性的范围内进行多种修正及变形。因此，本发明公开的实施例并非用于限定本发明的技术思想，而是用于说明，本发明的技术思想的范围不受这些实施例的限定。因此应根据技术方案解释本发明的范围，应解释与其相同的范围内的所有技术思想包含于本发明的范围。当前第1页12