專利名稱：分布式天然氣制氫反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于制氫設(shè)備，特別涉及一種分布式天然氣制氫反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
氫能，作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源，被視為本世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ那?潔能源，也被視為解決溫室效應(yīng)問題、提高能量利用率的有效替代二次能源。氫的來源比較 廣泛，化石燃料、植物和有機(jī)廢物中都含有大量的氫，但是自然界中可以直接利用的純氫非 常少，只能通過特定的方法從其他能源中制備。目前世界上90%的氫氣都是通過天然氣水 蒸汽重整反應(yīng)或者部分氧化生產(chǎn)的。傳統(tǒng)的天然氣大規(guī)模制氫，由于設(shè)備投資巨大，技術(shù)革新一直比較緩慢；另一方 面，由于氫氣的儲(chǔ)存和運(yùn)輸比較困難，且隨著近幾年來分布式天然氣制氫技術(shù)需求的不斷 發(fā)展，分布式小規(guī)模制氫的技術(shù)的研發(fā)獲得了越來越多的支持和關(guān)注。申請(qǐng)?zhí)?00710020394. 7的中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽?“一種低濃度氣態(tài)烴的燃燒 裝置”，是由薄板狀外壁面和內(nèi)壁面圍成環(huán)狀進(jìn)氣通道和排氣通道，形成雙向逆流的氣流通 道，連通位于環(huán)狀通道圈中心的燃燒室；燃燒室內(nèi)置有多孔材料，多孔材料設(shè)置電加熱元 件。該燃燒裝置的反應(yīng)空間在多孔材料區(qū)域，使得常規(guī)的以煙氣輻射和對(duì)流為主的低效率 的換熱方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐愿邷毓腆w介質(zhì)的輻射為主的高效換熱，其燃燒速率高、燃燒穩(wěn)定、污染 物排放低、燃燒器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍廣。燃燒裝置的外側(cè)使用雙向逆流換熱 的進(jìn)氣通道和排氣通道，使低濃度氣態(tài)烴在到達(dá)中心燃燒室之前可以上升到較高的溫度， 同時(shí)對(duì)側(cè)壁的絕熱要求低，提高了燃燒效率，降低了經(jīng)濟(jì)成本。但是，由于從進(jìn)氣通道中進(jìn) 入反應(yīng)器的是燃料和氧化劑的混合物，當(dāng)反應(yīng)器的尺寸一旦確定之后，如果進(jìn)氣成分中的 燃料和氧化劑比例發(fā)生改變的時(shí)候，或者更換燃料的類型的時(shí)候，進(jìn)氣可能在未到達(dá)中心 燃燒室就已經(jīng)達(dá)到著火點(diǎn)，也有可能在流過了中心燃燒室后才有能夠達(dá)到著火點(diǎn)，使得反 應(yīng)不能夠穩(wěn)定在中心燃燒室中的多孔材料中進(jìn)行，甚至熄火，使得多孔材料在穩(wěn)定燃燒火 焰、提高燃燒效率、擴(kuò)展貧燃極限等顯著優(yōu)越性無法得以體現(xiàn)，也就難以達(dá)到該裝置的設(shè)計(jì) 目的，并且，高溫的甲烷和空氣的預(yù)混合氣體在進(jìn)氣通道或排氣通道中快速反應(yīng)，裝置有爆 炸危險(xiǎn)。申請(qǐng)?zhí)?00810184969. 3的中國發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)岢隽?“一種天然氣現(xiàn)場(chǎng)制氫裝置 與方法”，所述的裝置由逆向換熱器、置于逆向換熱器中心的多孔介質(zhì)和貫穿逆向換熱器換 熱通道的反應(yīng)盤管組成，在逆向換熱器中通入化學(xué)當(dāng)量比為1的預(yù)混燃料氣體，在其中心 的多孔介質(zhì)區(qū)域燃燒形成高溫環(huán)境；再在反應(yīng)盤管中通入純天然氣，該股天然氣通過與逆 向換熱器、高溫多孔介質(zhì)換熱后，達(dá)到裂解溫度，反應(yīng)生成炭和氫氣。該裝置雖然可以產(chǎn)生 純氫，但并非是持續(xù)產(chǎn)氫設(shè)備，運(yùn)行一段時(shí)間后，反應(yīng)生成的炭積聚在反應(yīng)盤管內(nèi)部，需要 通入蒸汽來積炭。一方面，積炭與蒸汽反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣，并非是純氫，如若以獲取 純氫為目的，裝置需要切換工況，無法持續(xù)運(yùn)行；另一方面，蒸汽的通入降低了反應(yīng)盤管的 溫度，使得天然氣裂解制氫反應(yīng)無法繼續(xù)，重新啟動(dòng)時(shí)需要時(shí)間間隔；同時(shí)，通入的水蒸氣與高溫積炭發(fā)生反應(yīng)的同時(shí)，也會(huì)使得反應(yīng)盤管內(nèi)表面層發(fā)生剝蝕反應(yīng)，降低了裝置的使 用壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種分布式天然氣制氫反 應(yīng)器，以實(shí)現(xiàn)天然氣的高效、安全、穩(wěn)定分布式制氫。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明分布式天然氣制氫反應(yīng)器，包括由進(jìn)氣通道外壁薄板和進(jìn)氣通道內(nèi)壁薄 板、以及由排氣通道外壁薄板和排氣通道內(nèi)壁薄板圍成雙向逆流的環(huán)狀進(jìn)氣通道和環(huán)狀排 氣通道，置于多股逆流換熱器內(nèi)中心反應(yīng)區(qū)的多孔介質(zhì)和置于多孔介質(zhì)內(nèi)的點(diǎn)火棒；其結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)是在進(jìn)氣通道中插入一條環(huán)狀帶型的進(jìn)氣通道分隔薄板，將所述進(jìn)氣通道分成第 一股進(jìn)氣通道和第二股進(jìn)氣通道。本發(fā)明分布式天然氣制氫反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)也在于所述的中心反應(yīng)區(qū)的體積為整個(gè)反應(yīng)器的體積的10% 50%，在所述中心反應(yīng) 區(qū)中，以1 5塊隔板將中心反應(yīng)區(qū)分隔成“之”字形折流通道。所述的環(huán)狀進(jìn)氣通道和環(huán)狀排氣通道的圈數(shù)為3 20，形狀為盤旋的圓環(huán)狀或盤 旋的方環(huán)狀。所述的點(diǎn)火棒置于中心反應(yīng)區(qū)的氣流初始流入?yún)^(qū)域，所述氣流初始流入?yún)^(qū)域?yàn)榈?二股進(jìn)氣通道的第二股進(jìn)氣出口處。所述多孔介質(zhì)由蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。所述多孔介質(zhì)的外表面涂覆有催化劑層。與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明中進(jìn)氣通道分隔薄板的加入，可以使參與反應(yīng)的燃料氣體和氧化氣體 (如空氣、氧氣等)以非預(yù)混合狀態(tài)分開輸送至反應(yīng)器中心多孔介質(zhì)區(qū)域，在反應(yīng)氣體進(jìn)入 中心反應(yīng)區(qū)之前不會(huì)因混合、升溫而提前發(fā)生反應(yīng)，并借助導(dǎo)熱率和熱容量大，蓄熱效率高 的多孔介質(zhì)，完全將反應(yīng)穩(wěn)定限制在中心反應(yīng)區(qū)，避免了燃料氣體和氧化氣體在進(jìn)入多孔 介質(zhì)之前因預(yù)混合而發(fā)生燃燒火焰漂移問題，也避免了由此而引發(fā)的爆炸的危險(xiǎn)。2、本發(fā)明通過多股逆流換熱器的間壁式熱交換，可以使燃料氣體和氧化氣體的溫 度得以升高到較高水平，高于燃料氣體的著火點(diǎn)，同時(shí)又極限回收了排氣的高溫?zé)崃?，顯著 降低了排氣的溫度水平，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的熱量自我循環(huán)利用，提高了中心反應(yīng)區(qū)的溫度水平， 有助于反應(yīng)速度的提升；另外，反應(yīng)器外壁溫度較低，散熱損失少，也降低了保溫要求。因 此，整體裝置的能量利用率達(dá)到最大化，燃料氣體的反應(yīng)效率得以大大提升。3、本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)緊湊、集反應(yīng)氣體高效預(yù)熱、高溫反應(yīng)、極限余熱回收、設(shè)備自 我保溫等功能于一身，集成度高，可實(shí)現(xiàn)小型化連續(xù)生產(chǎn)，設(shè)備投資成本、運(yùn)行費(fèi)用低，可滿 足分布式制氫的要求。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例3的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào)1第一股氣體入口，2第二股氣體入口，3進(jìn)氣通道外壁薄板，4進(jìn)氣通道 分隔薄板，5進(jìn)氣通道內(nèi)壁薄板，6第一股進(jìn)氣通道出口，7第二股進(jìn)氣通道出口，8點(diǎn)火棒，9 多孔介質(zhì)，10第一股進(jìn)氣通道，11第二股進(jìn)氣通道，12排氣通道，13排氣出口，14排氣通道 內(nèi)壁薄板，15排氣通道外壁薄板，16排氣通道入口，17中心反應(yīng)區(qū)，18多股逆流換熱器，19 隔板。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 圖1給出了多股逆流換熱器18為螺旋圓環(huán)狀、進(jìn)氣通道和排氣通道12的圈數(shù)均 為3圈、中心反應(yīng)區(qū)17無分隔情形下的本實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。該分布式天然氣制氫反應(yīng)器，包括由進(jìn)氣通道外壁薄板3和進(jìn)氣通道內(nèi)壁薄板 5，以及由排氣通道外壁薄板15和排氣通道內(nèi)壁薄板14圍成雙向逆流的環(huán)狀進(jìn)氣通道和排 氣通道12、置于多股逆流換熱器18內(nèi)中心反應(yīng)區(qū)17的多孔介質(zhì)9和和置于多孔介質(zhì)9內(nèi) 的點(diǎn)火棒8。具體實(shí)施中，環(huán)狀進(jìn)氣通道和環(huán)狀排氣通道12的圈數(shù)可以為3 20道、形狀為盤 旋的圓環(huán)狀或?yàn)楸P旋的方環(huán)狀。在進(jìn)氣通道中插入一條環(huán)狀帶型進(jìn)氣通道分隔薄板4，將進(jìn) 氣通道分成第一股進(jìn)氣通道10和第二股進(jìn)氣通道11。流向相同的第一股進(jìn)氣通道10、第 二股進(jìn)氣通道11和流向相異的排氣通道12構(gòu)成了多股逆流換熱器18。中心反應(yīng)區(qū)17的體積為整個(gè)反應(yīng)器的10% 50%，其中布置的多孔介質(zhì)9由導(dǎo) 熱率和熱容量大，蓄熱效率高的蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。多 孔介質(zhì)9的外表面可以涂覆催化劑層，催化劑可以使用Co-Mo、Ni、Rh或Pt中的一種或多 種。點(diǎn)火棒8置于中心反應(yīng)區(qū)17的氣流初始流入?yún)^(qū)域，氣流初始流入?yún)^(qū)域是兩股進(jìn)氣 進(jìn)入中心反應(yīng)區(qū)17的交匯混合區(qū)域，即為第二股進(jìn)氣通道11的第二股進(jìn)氣通道出口 7 (也 可以是在第一股進(jìn)氣通道出口 6)的氣體流場(chǎng)下游附近，用于反應(yīng)器的點(diǎn)火啟動(dòng)。運(yùn)行時(shí)，首先從第一股氣體入口 1和第二股氣體入口 2分別通入化學(xué)當(dāng)量比為1 的天然氣和空氣(或富氧氣體)，啟動(dòng)點(diǎn)火棒8，使天然氣在中心反應(yīng)區(qū)17的多孔介質(zhì)9中 發(fā)生著火、燃燒反應(yīng)，多孔介質(zhì)9的溫度迅速升高，產(chǎn)生的燃燒產(chǎn)物經(jīng)排氣通道入口 16和排 氣通道12后由排氣出口 13排出，流出過程中與第一股進(jìn)氣通道10和第二股進(jìn)氣通道11 中的的天然氣和空氣(或富氧氣體)發(fā)生間壁式熱交換，在降低自身溫度的同時(shí)使得天然 氣和空氣(或富氧氣體)的溫度水平顯著上升，從而進(jìn)一步提升了中心反應(yīng)區(qū)17的反應(yīng)溫 度。當(dāng)中心反應(yīng)區(qū)17的溫度高于800°C以上時(shí)，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算調(diào)節(jié)改變第一股進(jìn) 氣通道10和第二股進(jìn)氣通道11中天然氣和空氣的進(jìn)氣比例，一般情形下天然氣制氫的合 適化學(xué)當(dāng)量比范圍為2. 0 3. 0，使得天然氣和空氣在多孔介質(zhì)9中發(fā)生制氫反應(yīng)，生成一 氧化碳和氫氣。本反應(yīng)器也可以用于包括煤礦通風(fēng)瓦斯氣、天然氣、沼氣、石油生產(chǎn)中的油層氣或 化工生產(chǎn)中排放的可燃廢氣在內(nèi)的低濃度可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)裝置。
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實(shí)施例2 圖2給出了多股逆流換熱器18為螺旋圓環(huán)狀、進(jìn)氣通道和排氣通道12的圈數(shù)均 為三道、中心反應(yīng)區(qū)17布置有兩塊隔板19情形下的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中，中心反應(yīng)區(qū)17中增加的兩塊隔板19將中心反應(yīng)區(qū)17分隔成“之”字 形折流通道。其余結(jié)構(gòu)特征與實(shí)施例1相同，運(yùn)行操作方法亦與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3 圖3給出了多股逆流換熱器18為盤旋的方環(huán)狀、進(jìn)氣通道和排氣通道12的圈數(shù) 均為三道、中心反應(yīng)區(qū)17布置有兩塊隔板19情形下的實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖。本實(shí)施例中的其它結(jié)構(gòu)形式與實(shí)施例2相同，運(yùn)行操作方法與實(shí)施例1相同。
權(quán)利要求
分布式天然氣制氫反應(yīng)器，包括由進(jìn)氣通道外壁薄板(3)和進(jìn)氣通道內(nèi)壁薄板(5)、以及由排氣通道外壁薄板(15)和排氣通道內(nèi)壁薄板(14)圍成雙向逆流的環(huán)狀進(jìn)氣通道和環(huán)狀排氣通道(12)，置于多股逆流換熱器(18)內(nèi)中心反應(yīng)區(qū)(17)的多孔介質(zhì)(9)和置于多孔介質(zhì)(9)內(nèi)的點(diǎn)火棒(8)；其特征在于在進(jìn)氣通道中插入一條環(huán)狀條帶的進(jìn)氣通道分隔薄板(4)，將所述進(jìn)氣通道分成第一股進(jìn)氣通道(10)和第二股進(jìn)氣通道(11)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式天然氣制氫反應(yīng)器，其特征是所述的中心反應(yīng)區(qū)(17) 的體積為整個(gè)反應(yīng)器的體積的10% 50%，在所述中心反應(yīng)區(qū)(17)中，以1 5塊隔板 (19)將中心反應(yīng)區(qū)(17)分隔成“之”字形折流通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式天然氣制氫反應(yīng)器，其特征是所述的環(huán)狀進(jìn)氣通道和 環(huán)狀排氣通道(12)的圈數(shù)為3 20，形狀為盤旋的圓環(huán)狀或盤旋的方環(huán)狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式天然氣制氫反應(yīng)器，其特征是所述的點(diǎn)火棒(8)置于 中心反應(yīng)區(qū)(17)的氣流初始流入?yún)^(qū)域，所述氣流初始流入?yún)^(qū)域?yàn)榈诙蛇M(jìn)氣通道(11)的 第二股進(jìn)氣出口(7)處。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式天然氣制氫反應(yīng)器，其特征是所述多孔介質(zhì)(9)由蜂 窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式天然氣制氫反應(yīng)器，其特征是所述多孔介質(zhì)(9)的外 表面涂覆有催化劑層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式天然氣制氫反應(yīng)器，包括由進(jìn)氣通道外壁薄板和進(jìn)氣通道內(nèi)壁薄板、以及由排氣通道外壁薄板和排氣通道內(nèi)壁薄板圍成雙向逆流的環(huán)狀進(jìn)氣通道和環(huán)狀排氣通道，其特征是在進(jìn)氣通道中插入一條環(huán)狀條帶的進(jìn)氣通道分隔薄板，將所述進(jìn)氣通道分成第一股進(jìn)氣通道和第二股進(jìn)氣通道。本發(fā)明可以使參與反應(yīng)的燃料氣體和氧化氣體以非預(yù)混合狀態(tài)進(jìn)入反應(yīng)器中心，避免了燃料氣體和氧化氣體在進(jìn)入多孔介質(zhì)之前因預(yù)混合而發(fā)生火焰漂移問題，也避免了預(yù)混爆炸危險(xiǎn)，可廣泛應(yīng)用于包括煤礦通風(fēng)瓦斯氣、天然氣、沼氣、石油生產(chǎn)中的油層氣或化工生產(chǎn)中排放的可燃廢氣在內(nèi)的低濃度可燃?xì)怏w的燃燒反應(yīng)裝置。
文檔編號(hào)C01B3/34GK101913560SQ20101025926
公開日2010年12月15日 申請(qǐng)日期2010年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月16日
發(fā)明者唐志國, 程建萍, 馬培勇 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)