[发明专利]小型高效自热式天然气制氢设备

说明书

技术领域

本发明属于制氢设备，特别涉及一种小型自热式天然气制氢设备。

背景技术

氢能作为一种清洁的新二次能源，被认为是未来最有希望的能源之一。然而自然界中不存在纯氢，只能通过从其它化学物质中转化、分解/分离得到。使用天然气制氢是化石燃料制氢工艺中最为经济与合理的，因而以甲烷作原料制备氢气的工艺在当前发挥着重要的作用。

目前甲烷制氢技术主要有甲烷水蒸气重整、甲烷催化裂解、甲烷二氧化碳重整、甲烷部分氧化重整、绝热转化制氢和甲烷自热重整六种方式。甲烷水蒸气重整工业化应用最早，但反应启动慢，需要外供热，目前也是天然气制氢技术中最昂贵的；甲烷催化裂解过程可以制得纯氢，但催化剂易结炭，需要间歇再生；甲烷二氧化碳重整技术生产的合成气中H₂/CO之比为1，因此该技术主要应用于F-T合成制备液体燃料；甲烷部分氧化重整反应存在爆炸危险，工业化应有受到一定限制；甲烷绝热转化制氢是甲烷经高温催化分解为纯氢和碳，不需要后续的水气置换反应和二氧化碳去除过程，但是如何收集反应器中的积碳却是一大难点；甲烷自热重整制氢工艺在反应器中耦合了放热的甲烷部分氧化反应和强吸热的甲烷水蒸气重整反应，反应体系可实现自热运行，系统集成度高，可实现小型化生产，设备投资费用低。因此，甲烷自热重整制氢是主要的车载制氢路线。

申请号200710020394.7的中国发明专利申请提出了“一种低浓度气态烃的燃烧装置”，是由薄板状外壁面和内壁面围成环状进气通道和排气通道，形成双向逆流的气流通道，连通位于环状通道圈中心的燃烧室；燃烧室内置有多孔材料，多孔材料设置电加热元件。该燃烧装置的反应空间在多孔材料区域，使得常规的以烟气辐射和对流为主的低效率的换热方式转变为以高温固体介质的辐射为主的高效换热，其燃烧速率高、燃烧稳定、污染物排放低、燃烧器体积小、结构紧凑、负荷调节范围广。燃烧装置的外侧使用双向逆流换热的进气通道和排气通道，使低浓度气态烃在到达中心燃烧室之前可以上升到较高的温度，同时对侧壁的绝热要求低，提高了燃烧效率，降低了经济成本。采用该装置可以通入化学当量比大于1的天然气与空气或者氧气的混合气，过量的天然气在高温条件下裂解生成氢气，但这属于甲烷部分氧化重整反应，存在有爆炸危险，而且会在反应器内部，特别是在多孔材料上出现严重的积碳，堵塞了气流通道，降低了多孔材料在燃烧反应中的重要作用；如果通入的是化学当量比大于1的天然气与空气(或者氧气)、水蒸气的混合气，由于水蒸气即使在常压是100℃，这使得装置的最外侧通道中流入的100℃左右的混合气，热量损失严重，而且这也必然使得排气的温度远大于100℃，降低了装置的经济性；另外，由于反应器中心多孔材料中的气流流动方向是水平流动，为了延长气体在反应器中心的反应时间，必然需要加大反应器的水平半径，使得反应器的经高比加大。其结果是使得反应器的上下两个侧面的面积加大，透过其向环境的散热严重，即使有保温措施，仍然有能量散失，破坏了甲烷自热重整制氢的能量平衡，需要补充氧量对系统供热，这也必然消耗额外的甲烷，引起不必要的物质和能量损耗，降低了设备的经济性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种小型高效自热式天然气制氢设备，以实现天然气的高效制氢。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明小型高效自热式天然气制氢装置，具有卷式换热器，在卷式换热器的中心柱腔内放置多孔介质，多孔介质中设置电加热元件，卷式换热器由相邻的进气通道和排烟通道组成，进气通道的进气侧设置为天然气和空气或氧气的预混气体进气口，排烟通道的出口侧设置为排烟口。

本发明结构特点是在卷式换热器的中心柱腔内，与进气通道连通的气流入口位于中心柱腔侧壁的底部，与排烟通道连通的烟气出口位于中心柱腔侧壁的顶部；中心柱腔由网状格栅分隔为上部反应腔和下部预混腔，气流入口处在预混腔中，烟气出口处在反应腔中；在预混腔中设置水蒸气雾化喷嘴；放置在反应腔中的多孔介质自下而上空隙率渐大。

本发明的结构特点也在于：

所述的卷式换热器的高经比为1～10。

所述的卷式换热器中反应腔的高度为预混腔的高度的5～15倍。

所述电加热元件是由卷式换器的中心柱腔顶部中心插入多孔介质中，插入深度达到反应腔的高度的1/2-9/10。

所述自下而上空隙率渐大的多孔介质，其空隙率变化范围为0.1-0.9。

所述多孔介质为蜂窝形陶瓷蓄热体、陶瓷蓄热小球或泡沫陶瓷。

所述的卷式换热器上设置的进气通道和排烟通道的圈数为1～5。