一种制氢反应器的制作方法

本发明涉及热交换，尤其是涉及一种制氢反应器。

背景技术：

1、采用催化氧化燃料为制氢反应器提供热源，是为了进一步缩小反应器体积、减少辅助设备投入和降低结构成本。

2、在使用和开发制氢反应器过程中，发现采用导热系数高的铝和铝合金材料，在催化氧化提供热源的通道，也存在热量集中的现象。出现热量集中短期内不能体现，但是在制氢反应器在运行大约200~500小时后，制氢反应器开始出现主体焊缝热裂，连接管焊缝撕裂等问题。根据分析，出现以上问题主要原因为温差较大，由于热膨胀差异存在，致使主体或连接处出现热裂现象。上述问题本质在于局部冷热区的出现。

3、反应器吸热和供热区之间是使用金属材质隔离，根据试验现象分析，供热区存在高温源集中，吸热区存在低温源集中。由于金属的导热系数由材料决定，且导热系数随温度变化不会太大，进而金属材料的热通量存在上限，由此可判定，在满足金属强度要求前提下，金属最高温度也会被限制在一个最大值，由此限定了反应器在使用过程中的最大温差，进而金属材质单位面积的热通量也存在上限。当制氢反应器工作时，由低负荷运行切换至额定运行时，吸热区需求热量增加，要求供热区提供更多的热量。但是燃料集中由供热区入口进入，这样绝大部分催化氧化就发生在接近入口的一小段距离，所以随着供热区的燃料增加，催化氧化因温度上升会发生更强烈的催化氧化放热效应。由于金属材料的单位面积热通量存在最大值，进而在供热区的燃料入口催化氧化放热剧烈去会出现热集中，进而在热集中去出现高温，高温会使金属强度减弱，导致其固有结构更容易被破坏。吸热区入口是强吸热状态，进而在吸热区会出现局部相对低温区。在吸热区和放热区热通量增加的前提下，会增加高温区和低温区温度差增加，且在有压力差的通道的系统中，就很容易引起反应器的结构被破坏、连接处和焊缝出现裂缝或结构热裂等。温度高温区和低温区如图6所示。

4、吸热区和供热区的化学反应速率很快，几乎在瞬间完成。当原料逐渐增加时，强吸热区吸收热量逐渐增加，同时要求供热区燃料增加，以满足反应所需热量。这样的现象就导致氧化剧烈区温度逐渐升高，强吸热区温度逐渐降低。根据热学基础理论分析，热区和冷区本应该形成热量传递的动态热平衡，降低强吸热区和放热氧化剧烈区温差，但是这样就要求金属材料在满足强度的前提下有足够的热传导能力。由于金属的热传导系数存在上限，且随温度的变化不会由有大的变化，故在同样的热通量面积下，高热通量也就意味着高的温差。基于以上原理，在反应器中就很容易形成冷、热温区。这样的因素很容易导致反应器的焊缝结构被撕裂，让反应器丧失运行能力，严重还会导致产生的热交换反应器发生泄露，发生安全事故。

5、此外，经测试发现，在正常反应温度240~280℃区间运行时，反应器结构最容易损坏的部位是吸热区。推测原料在强吸热区前端，大部分吸热已经反应完成，在后端吸热量很少，但是供热区在入口会释放大量热量，由于金属的热通量限制，会有较多的剩余热量无法被消耗，进而随供热去气流转移至通道后端，这就造成在吸热区后端会出现局部温度高，从而减弱了反应器的耐压性能，进而破坏反应器内部结构。主要表现为氧化供热区和反应吸热区隔离的金属壁面出现严重变形或出现裂痕。同时由于高温致使金属强度减弱，增加了合成气对金属材质的腐蚀速率，降低了反应器的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明为解决在进行热交换反应过程中出现局部热量集中，造成制氢反应器内部通道结构被破坏的问题，提供一种制氢反应器，采用分布式催化氧化供热的反应器结构，精确控制燃料在不同区段的加入量，消除低温吸热和高温供热源的温差，进而延长反应器寿命。

2、本发明采用的技术方案是：

3、一种制氢反应器，包括从下往上依次设置在反应器壳体内部的重整模块、预热模块和热回收模块；

4、所述重整模块内竖直设有第一供热通道，所述重整模块的外侧壁上沿所述第一供热通道的轴线方向设有多个与其连通的第一燃料进口；位于所述第一供热通道的两侧均设有吸热通道，位于所述第一供热通道一侧的所述吸热通道至少包括二组，位于同一侧相邻的两组所述吸热通道首尾相连，位于最后一组的所述吸热通道与另一侧的第一组所述吸热通道连通，所述吸热通道的进口位于所述重整模块靠近所述预热模块一端，其出口位于所述重整模块的底部侧壁上，位于所述第一供热通道两侧的所述吸热通道的流向相反；

5、所述预热模块内设有与所述第一供热通道连通的第二供热通道，所述预热模块内设有原料预热通道，所述原料预热通道与所述吸热通道连通；

6、所述热量回收模块内设有烟气通道、出料通道和原料进料通道，所述烟气通道与所述第二供热通道连通，所述出料通道的一端与所述吸热通道连通，所述出料通道的另一端与外部连通，所述原料进料通道与所述原料预热模块连通。

7、可选地，至少三根管道组成一组所述吸热通道。

8、可选地，所述重整模块与所述预热模块设有连接件，所述连接件将所述第一供热通道和所述第二供热通道连通。

9、可选地，所述连接件上设有第二燃料进口。

10、可选地，位于所述重整模块的底部一侧设有混合燃料进口，所述混合燃料进口与所述第一供热通道连通。

11、可选地，所述热量回收模块通道的两侧均设有所述原料预热通道。

12、可选地，所述吸热通道内填充有催化剂。

13、可选地，所述第一供热通道内填充有催化氧化催化剂。

14、可选地，所述预热模块内设有第三燃料进口，所述第三燃料进口与所述第二供热通道连通。

15、可选地，所述第一供热通道和所述吸热通道呈波浪形。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、1、重整区域内采用顶部进料，然后利用单列高温管道放热，使得设置在高温管道两侧的吸热通道内的原料均匀受热。

18、2、在预热区域内进行补充热量，提高预热的温度，使得进入重整区域内的原料可快速反应，提高工作效率。

19、3、重整区域的底部补充混合气体，进一步保证热交换的热量，同时使得刚进入热交换区域内的混合气体反应充分。

20、4、在第一供热通道的两侧设置首尾相连的多组吸热通道，是为了避免第一供热通道和吸热通道在使用过程中由于温差造成损坏。

21、5、采用分布式催化氧化供热的反应器结构，精确控制燃料在第一供热通道内不同区段的加入量，消除模块区域动态温差（动态温差即在反应器运行过程中，第一供热通道和吸热通道之间达到热量传递平衡状态的温差），使模块内部消除冷热集中，进而延长反应器寿命和提高反应器性能。

技术特征：

1.一种制氢反应器，包括从下往上依次设置在反应器壳体内部的重整模块、预热模块和热回收模块；其特征在于，

2.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，至少三根管道组成一组所述吸热通道。

3.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述重整模块与所述预热模块设有连接件，所述连接件将所述第一供热通道和所述第二供热通道连通。

4.根据权利要求3所述的制氢反应器，其特征在于，所述连接件上设有第二燃料进口。

5.根据权利要求4所述的制氢反应器，其特征在于，位于所述重整模块的底部一侧设有混合燃料进口，所述混合燃料进口与所述第一供热通道连通。

6.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述热量回收模块通道的两侧均设有所述原料预热通道。

7.根据权力要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述吸热通道内填充有催化剂。

8.根据权力要求5所述的制氢反应器，其特征在于，所述第一供热通道内填充有催化氧化催化剂。

9.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述预热模块内设有第三燃料进口，所述第三燃料进口与所述第二供热通道连通。

10.根据权利要求1所述的制氢反应器，其特征在于，所述第一供热通道和所述吸热通道呈波浪形。

技术总结
本发明提供了一种制氢反应器，涉及热交换技术领域，目的是解决在进行热交换反应过程中出现局部热量集中，造成制氢反应器内部通道结构被破坏的问题。提供一种制氢反应器，包括从下往上依次设置在反应器壳体内部的重整模块、预热模块和热回收模块，所述重整模块内竖直设有第一供热通道和吸热通道，所述重整模块的外侧壁上沿所述第一供热通道的轴线方向设有多个与其连通的第一燃料进口；位于所述第一供热通道的两侧均设有吸热通道。本发明采用分布式催化氧化供热的反应器结构，精确控制燃料在第一供热通道内不同区段的加入量，消除模块区域动态温差，使模块内部消除局部冷热集中，进而延长反应器寿命和提高反应器性能。

技术研发人员：王业勤,段小刚,杨文杰
受保护的技术使用者：四川亚联氢能科技股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13