[发明专利]一种集成式催化燃烧蒸发器

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成式催化燃烧蒸发器，特别适用于燃料电池制氢系统、现场制氢系统和集中规模站制氢系统中原料的快速预热和气化；还可以广泛用于燃料电池和制氢系统的集成体系中，脱除燃料电池阳极尾气中的残余氢气，并回收脱除过程中产生的热量对制氢系统中的反应原料进行气化。

背景技术

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能通过电极反应直接转化为电能的发电装置，能量转换效率高，对环境污染小。质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氢为燃料，目前PEMFC供氢技术有两类：一是燃料电池携带纯氢；二是碳氢燃料现场制氢。因为纯氢价格高、安全性差、纯氢的输送储存及加注困难，导致使用纯氢必然限制了燃料电池的规模应用。因此通过现有的化石燃料的储运加注设施，利用燃料重整制氢的方式与PEMFC联合使用成为国际的通用方法。但是PEMFC燃料电池对重整氢气的质量要求高，有害杂质(如CO)含量要求在ppm级，同时由于重整气中氢气含量一般不超过70％，燃料电池不能完全消耗掉所有的氢气，多余的氢气如不加利用而直接以燃烧形式排放掉，将极大地浪费能源。

重整制氢过程的反应温度一般较高，天然气等烃类化合物重整制氢在700-900℃，甲醇重整温度相对较低，但各种甲醇重整技术的反应温度也在300-600℃之间，因此，反应原料(尤其是液体原料)必须气化后进入重整反应器，这就需要加设燃烧锅炉，但PEMFC电源系统面对的市场主要在分散式供电系统方面，分散式电源系统在系统小型化和比功率密度方面有严格的要求，加设燃烧锅炉无法满足相关技术的需求，因此，利用燃料电池不能完全消耗掉贫燃气体催化燃烧蒸发反应原料，设计集成式催化燃烧蒸发器就显得尤为重要。

发明内容

本发明目的在于提供一种集成式催化燃烧蒸发器，该催化燃烧蒸发器可以解决：一、可燃气体(包括贫燃气体)的完全燃烧，热量的充分利用；二、催化燃烧反应快速启动，为反应原料的迅速气化提供热量；三、具有高比功率密度，实现系统小型化。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种集成式催化燃烧蒸发器，主体部分为套筒式结构，由多个不同的空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔组合而成，腔与腔之间均有传热板相隔；从外侧到中间的腔体依次为空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔，每个腔内部均加设有波纹板；

燃烧腔内装有燃烧催化剂，可燃气体和空气在燃烧腔发生催化燃烧反应，放出大量热，热量大部分通过导热板传递给空气预热腔和液体气化腔；

燃烧腔上部设有空气进口、侧壁设有氢气入口；空气预热腔上部设有空气入口、下部设有空气出口，空气出口通过外接管路与燃烧腔上部的空气进口连接；燃烧腔的下部与热交换腔的下部相连通，热交换腔上部设有出口；

液体预气化腔上部设有原料入口，液体预气化腔的下部与液体气化腔的下部相连通，液体气化腔上部设有原料气体出口。

在液体预气化腔的原料入口处设置有液体分布器，使原料可以均匀进入到液体预气化腔。

空气预热腔、热交换腔、液体预气化腔、燃烧腔和液体气化腔，相邻两个腔内的物流可以是逆流流动也可以是并流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。

除了液体预气化腔和燃烧腔之间的物流呈并流流动外，其余相邻两个腔内的物流均呈逆流流动，即空气预热腔与热交换腔、热交换腔与液体预气化腔，燃烧腔与液体气化腔的物流均呈逆流流动，也可以根据实际需要，任意改变相邻两个腔内物流的流动方向。

为了燃烧更加充分和完全，燃烧腔上部空间设有可燃气体的混合空间；氢气入口通过分布管进入混合空间；

在燃烧腔上部的空气进口处设有空气分布器，空气均匀吹入到混合空间，在此空气和氢气充分混合，并进入到燃烧腔，在催化剂表面上进行催化燃烧反应，温度可以通过进入燃烧腔的空气量或氢气量调节；进入燃烧腔的空气在进入燃烧腔前先进入到空气预热腔，预热后的空气再经过燃烧腔入口分布器，气流可均匀进入到燃烧腔；进入燃烧腔的可燃气体分别通过相应的气体分布器进入燃烧腔，并在燃烧腔前端进行充分混合，燃烧腔内的催化燃烧反应温度可控。