一种天然气重整制氢的转化炉的制作方法

本实用新型涉及一种天然气重整制氢的转化炉，特别是一种基于催化燃烧的小型天然气重整制氢的转化炉，属于天然气重整制氢转化炉技术领域。

背景技术：

氢能和燃料电池作为21世纪清洁高效的能源利用新技术。2016年4月，我国国家发改委和国家能源局联合发布的《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》（发改能源〔2016〕513号），规划了能源技术革命重点创新行动路线图，部署了15项具体任务，“氢能与燃料电池技术创新”位列其中，氢能已经纳入了我国能源战略。氢能产业内涵丰富，按产业链顺序划分为氢能产业基础设施、燃料电池和燃料电池车辆、燃料电池发电（含热电联产）以及其他应用领域等。现燃料电池紧锣密鼓研发中，小型化制氢系统解决氢气的来源，也给现有的加氢站气源的补充（现有加氢站基本为外送氢气）。当前，我国氢气来源是以煤、天然气及石油等化石燃料制氢为主，约占97%，其中以天然气水蒸气重整制氢为主，也最为清洁。因转化炉体积的制约，天然气重整制氢规模较大，热效率较低。现在微小型装置逐渐成为研发热点。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种结构紧凑的可小型化设计的天然气重整制氢的转化炉，以提高混合气的吸热效率，提高转化率，并保证重整反应稳定。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种天然气重整制氢的转化炉，包括炉体和分布于炉体内的炉管，所述炉体内填充有绝热材料，以及由绝热材料填充而形成的用于燃料气燃烧的燃烧腔、用于燃烧烟气通过的总烟道和若干分布于炉体内的分支烟道，所述燃烧腔连通至总烟道，总烟道再连通至各分支烟道，各炉管位于对应的分支烟道内，燃烧腔内设置有燃烧嘴，各分支烟道通过炉管后汇合于炉体的烟气出口，各炉管汇合于炉体的转化气出口。

进一步的，所述燃烧腔位于炉内的中心，分支烟道以燃烧腔为中心沿环周分布。

进一步的，所述炉管从炉体的顶部进入炉内，沿分支烟道路径穿过炉内而汇合于炉体下部的转化气出口，所述燃烧嘴从炉体的底部进入炉内的燃烧腔，总烟道在炉内的顶部位置与各分支烟道连通，烟气出口口位于炉体的底部。

进一步的，所述绝热材料为高铝陶纤毯。

进一步的，所述燃烧嘴包括燃烧空气进管和燃烧气进管，所述燃烧气进管共轴心套设于燃烧空气进管内，燃烧空气进管管路的出口端具有一个内径先减小再增大的喉部，燃烧气进管的出口位于该喉部的小径位置，喉部的出口装填有燃烧催化剂。

进一步的，所述喉部的出口设置有一蜂窝状板体，燃烧催化剂设置在蜂窝状板体的后端。

进一步的，所述燃烧催化剂的后端还设置有用于限定催化剂位置的挡板。

进一步的，所述喉部前端的燃烧空气进管内设置有用于空气导流的螺旋导流板。

进一步的，所述烟气出口设置有余热利用装置。

进一步的，该余热利用装置包括沿烟气流向依次设置的蒸汽发生器，天然气预热器和空气预热器。

进一步的，所述蒸汽发生器为螺旋管管式换热器，天然气预热器为螺旋管管式换热器，空气预热器为板式换热器。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、该结构的转化炉，能有效的缩小天然气重整制氢转化炉的大小，减小制氢系统规模，适合于为燃料电池提供氢源，适合于～60KW的燃料电池的氢源系统；

2、转化炉中采用新型的烟道设计以及烟道与炉管布置结构设计，能有效的减小吸热过程和放热过程的传热阻力，提高传热效率，各分支烟道能降低烟气流速，提高单位时间内提供的热量，提高换热效率和经济性，在实际工作中烟气与炉管内混合气同向流通，保证炉管的壁温上下均匀，减少由于反应不平衡所造成的局部析碳和过热，能够有效的提高转化率、保证反应的稳定；

3、转化炉主体部分采用圆筒式结构以及炉管、燃烧腔环形分布设计，烟道隔热材料采用高铝陶纤毯填充，有利于减少炉体的热损失，并有效的减小转化炉尺寸；

4、本实用新型中采用了无火催化燃烧的燃烧设计，其无光形式的能量，能减少能量损失，提高能量利用率，减少燃烧反应而形成毒性污染物NOx排放，保护环境，同时重新设计的无火催化燃烧嘴结构，使得其结构紧凑，方便拆卸换取催化剂，相比于传统燃烧嘴设计，可使得炉体的体积得到有效降低，减少制氢系统规模，另外空气设置引流管、烧嘴呈锥型以及设置蜂窝状板体，使尾气和空气充分混合，燃烧均匀、稳定；

5、该转化炉中，烟气余热利用分别用于产蒸汽、天然气预热、空气预热，蒸汽、天然气预热换热器采用螺旋管管式换热器，空气预热器采用板式换热器，可以减小换热器尺寸，缩小制氢系统装置规模，同时减小系统压降，减少能量损失，减小流速、增大传热系数，提高换热效率和经济性。

附图说明

图1是本实用新型转化炉的结构示意图；

图2是本实用新型转化炉图1的A-A向剖面示意图；

图3是本实用新型转化炉的燃烧嘴结构示意图。

图中标记：1-炉体、2-炉管、21-膨胀节、3-绝热材料、4-燃烧腔、5-总烟道、6-分支烟道、7-燃烧嘴、71-燃烧空气进管、72-燃烧气进管、73-喉部、74-蜂窝状板体、75-燃烧催化剂、76-挡板、77-螺旋导流板、78-安装板、8-烟气出口、9-转化气出口、10-余热利用装置、101-蒸汽发生器、102-天然气预热器、103-空气预热器。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作详细的说明。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例

本实用新型的天然气重整制氢的转化炉，其整体结构如图1所示，包括采用耐火砖制成的炉体1，以及分布于炉体1内的炉管2，炉管2内可装填重整制氢的催化剂。炉体1内填充有绝热材料3，以及由绝热材料3填充而形成的用于燃料气燃烧的燃烧腔4、用于燃烧烟气通过的总烟道5和若干分布于炉体内的分支烟道6。燃烧腔4连通至总烟道5，总烟道5再连通至各分支烟道6，各炉管2是位于对应的分支烟道6内的，即每个分支烟道6内仅设置一根炉管2，燃烧腔4内设置有燃烧嘴7，各分支烟道6通过炉管2后汇合于炉体1的烟气出口8，各炉管2汇合于炉体1的转化气出口9。转化炉中采用新型的烟道设计以及烟道与炉管布置结构设计，能有效的减小吸热过程和放热过程的传热阻力，提高传热效率，各分支烟道设计能降低烟气流速，提高单位时间内提供的热量，增加换热效率，提高换热效率和经济性。

基于上述设计结构，在具体实施中，燃烧腔4是位于炉内的中心，分支烟道6以燃烧腔4为中心沿环周分布，如图2所示。这样的设计一方面使得形成有效的绝热分支烟道6，另一方面有利于整体结构的小型化，有效的降低炉体的体积。燃烧腔4位于炉体内的下部，总烟道5共轴线位于燃烧腔4上方，燃烧腔4直径大于总烟道5直径，变径部分通过锥形结构过渡，如图1所示。

在具体实施中炉管2是从炉体1的顶部进入炉内的，各独立的炉管2进入炉体1，沿其对应的分支烟道6路径穿过炉内并延伸至炉体1底部，最后汇合于炉体1下部的转化气出口9。各炉管2的进气总管位于炉体1外部，还包括位于炉体1外部的各炉管2上的膨胀节21。燃烧嘴7是从炉体1的底部进入炉内的燃烧腔4的，总烟道5在炉内的顶部位置与各分支烟道6连通，烟气出口8口位于炉体1的底部。

该结构下的转化炉工作中物料流向如下：原料气通过进气总管进入各炉管2，沿炉管2下行至炉内，分支烟道6与炉管2间形成环形通道内的高温燃烧气对炉管进行加热，在催化剂作用下原料气实现反应，反应后的气体汇总于炉体底部的转化气出口9排出；燃烧气在燃烧嘴7位置进入燃烧腔4，在燃烧腔内燃烧，高温烟气进入总烟道5，沿总烟道5上升，再在炉体的顶部位置进入各分支烟道6，烟气沿分支烟道6下行对炉管2进行加热。在该工作过程中，烟气与炉管内混合气同向流通，保证炉管的壁温上下均匀，减少由于反应不平衡所造成的局部析碳和过热，能够有效的提高转化率、保证反应的稳定，且在该结构设计中，采用了单管程的原料气流向设计，无需在炉管间设置膨胀节、猪尾管，能够有效的简化炉内结构设计，降低经济成本。

在具体的实施中，绝热材料3采用高铝陶纤毯。为了进一步增加其隔热系数，减少热损失，减小转化炉尺寸，高铝陶纤毯可压缩后进行填充。

本实施例中还对分支烟道6与总烟道5间的连通方式进行示例和描述，如图1所示：在炉体1的顶壁位置，填充的绝热材料3上端与炉体1的顶壁间具有一个未填充段，利用该未填充段的空间形成总烟道5与分支烟道6的连通通道，这样的连通结构设计，相比于通过各自独立或对应的孔道连通，有利于提提高各分支烟道6间高温烟气分布的均匀性，以及在分支烟道6环形空间内各位置分布的均匀性。

在具体实施中，炉体可采用传统燃烧嘴7结构设计和燃烧方式设计，但为了进一步降低燃烧嘴体积，保证燃烧效率，本实施例中燃烧嘴7采用无火催化燃烧，无光形式的能量，能减少能量损失，提高能量利用率，减少燃烧反应而形成毒性污染物NOx排放，保护环境。重新设计的燃烧嘴7如图3所示，包括燃烧空气进管71和燃烧气进管72，所述燃烧气进管72共轴心套设于燃烧空气进管71内，燃烧空气进管71管路的出口端具有一个内径先减小再增大的喉部73，燃烧气进管72的出口位于该喉部73的小径位置，喉部73的出口装填有燃烧催化剂75，该燃烧催化剂75是催化剂活性组分通过蜂窝状的载体负载而成的。重新设计的无火催化燃烧嘴结构，使得其结构紧凑相比于传统燃烧嘴设计，可使得炉体的体积得到有效降低，减少制氢系统规模，同时燃烧原料气的混合程度高，有效的提高燃烧效率。

另外，为了增加燃烧原料气混合的均匀性，喉部73的出口还增加设置有一陶瓷材料制成的蜂窝状板体74，燃烧催化剂75设置在蜂窝状板体74的后端使燃烧均匀、稳定。

为了保证在使用中燃烧催化剂装填的稳定性，燃烧催化剂75的后端还设置有用于限定催化剂位置的挡板76。该挡板为一环形的结构，设置在燃烧催化剂75后端的燃烧腔腔壁位置。

在燃烧嘴7另一实施方式中，其喉部73前端的燃烧空气进管71内设置有用于空气导流的螺旋导流板77，使得在燃烧空气进管71的环形腔内形成螺旋路径的通道，空气进入后形成螺旋气流，提高在喉部73与燃料气均和的均匀性。

本实施例中，还对炉体1设计及燃烧嘴7的安装方式做进一步优化，炉体1不具有耐火材料制成的底部，而是采用绝热材料3填充而形成底部，如图1所示，同时燃烧嘴7设置在一个安装板78上，安装板78与炉体1底部通过螺栓相连接实现燃烧嘴7的装配，使得方便燃烧催化剂的更换。另外在安装板78上还可设置一层绝热材料。

为了提高该转化炉能量利用率和利用的合理性，烟气出口8设置有余热利用装置10，如图1所示，该余热利用装置10包括沿烟气流向依次设置的蒸汽发生器101，天然气预热器102和空气预热器103。蒸汽发生器101为螺旋管管式换热器，天然气预热器102为螺旋管管式换热器，空气预热器103为板式换热器。烟气余热利用分别用于产蒸汽、天然气预热、空气预热，蒸汽、天然气预热换热器采用螺旋管管式换热器，空气预热器采用板式换热器，可以减小换热器尺寸，缩小制氢系统装置规模，同时减小系统压降，减少能量损失，减小流速、增大传热系数，提高换热效率和经济性。

在上述各具体实施方式的基础上，本转化炉的炉管有效转化长度为1500mm，炉体1的外径为800mm，燃烧腔4的内径为125mm，炉管2的数量为6根，其规格为φ57×5,采用ZG40Ni35Cr25Nb材料制成，炉管2所形成的圆直径为350mm，各分支烟道6的内径为80mm，该转化炉可实现10-40Nm³d/h的天然气制氢。在该小型的体积下，能满足于～60KW的燃料电池的氢源系统。

本实施例的转化炉，能有效的缩小天然气重整制氢转化炉的大小，减小制氢系统规模，适合于为燃料电池提供氢源。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。