[发明专利]一种紧凑式天然气重整制氢反应器

说明书

技术领域

本发明涉及一种紧凑式水蒸汽重整制氢反应器，将碳氢化合物(烷烃、天然气等)转化为富氢气体，可以广泛用于强放热和强吸热的耦合反应体系，特别适用于1-10kW的燃料电池分布式电源的氢源系统。

背景技术

我国天然气资源丰富，大部分主要分布在西部、西北部等偏远地区，导致其压缩、运输、储存、利用等成本较高。目前，为了实现天然气的经济利用，通常把天然气作为初始原料进行加工，生产多碳烃和醇等化合物，主要分两步完成：首先将甲烷转化成CO和H₂(即合成气)，然后将合成气转化成多碳烃和醇类化合物，如采用F-T合成等方式。几乎含碳化合物均可制备合成气，如煤、天然气等，制备合成气的成本可变，主要由H₂/CO比、原料、制备工艺过程、规模、系统集成度和其他一些等因素决定。合成气用途广泛，可作工业原料生产氨气、氢气、甲醇等。

近年来制氢过程引起了越来越多的关注，应用的目标主要是固定式和移动式的供热、供电系统。天然气制氢过程有四种主要途径：水蒸汽重整、CO₂重整、部分氧化和自热重整，各反应过程分别如下：

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q.------(1)

CH_4(g)+CO_2(g)→2CO_(g)+2H_2(g)+Q------(2)

CH_4(g)+0.5O_2(g)→CO_(g)+2H_2(g)-Q------(3)

CH_4(g)+2O_2(g)→CO_2(g)+2H₂O_(g)-Q₀-----(4-0)

CH_4(g)+H₂O_(g)→CO_(g)+3H_2(g)+Q₁------(4-1)

其中水蒸汽重整制氢过程技术最成熟，产氢量最高，应用最广泛。如方程(1)所示，甲烷水蒸汽重整制氢是一个吸热过程，因此需要提供足够的外供热才能保障甲烷水蒸汽重整过程的顺利进行。外供热的提供可以采取多种方式，含碳化合物的燃烧放热就是其中的一种。

当重整制氢过程用于固定式和移动式的供热、供电系统时，成本较低的工业规模重整制氢反应器笨重的劣势就很明显，尤其是当规模制氢技术应用于小型分布式现场制氢时，其固定成本要占到制氢总成本的90％以上，因此，简单缩小传统制氢工艺规模将不能满足制氢的成本要求。因此，一些学者对紧凑式重整制氢反应器进行了研究，如何提高放热源和吸热源之间的传热效率就是一个核心问题。

在甲烷水蒸汽重整制氢反应器中，通常以烃类或醇类化合物燃烧放热作为供热源。由于甲烷热值高、便于反应器的物流管理，作为供热燃料是比较适合的。在甲烷水蒸汽重整制氢反应器中，对于热量的有效控制和管理，尤其是当多个反应同时进行时吸热反应和放热反应的合理匹配耦合，是非常重要的，将直接影响到反应温度、甲烷的转化率、反应器效率等。例如在同一反应器中，当重整反应吸热量和外供热量不平衡时，就会表现为反应温度不稳定，温度过高会导致局部形成热点，而温度过低时又会造成甲烷重整速率降低直至反应停止。

在甲烷水蒸汽重整反应和甲烷燃烧反应集成的紧凑式制氢反应器中，温度的控制是至关重要的。通常重整反应最高温度不要超过950℃，以避免对催化剂造成明显的损害，在此基础上还要尽量提高重整出口温度，以保证甲烷转化率和产氢率，当重整反应出口温度过低时，容易产生副反应，降低甲烷转化率。同时作为供热源的燃烧反应温度又不能降得太低，除去系统散热之外，还得保证重整反应顺利进行。

由于紧凑式甲烷水蒸汽重整制氢反应器的内部空间相对较小，加工工艺很复杂，加工难度较大，如何设计在有限空间内即能保障一定规模的制氢反应顺利进行又易于加工的重整制氢反应器，是研究紧凑式重整制氢反应器的一个核心问题。

发明内容