[发明专利]一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法

说明书

一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统，包括集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体和外围辅助系统；所述的集成式天然气水蒸汽重整制氢反应器主体由原料水蒸发器、天然气预热器、燃烧腔、重整腔、重整气冷却器、燃烧烟气余热冷却器、重整气余热冷却器、燃料燃烧器八个主要部件构成。一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统的制氢方法，原料天然气和水经过多级预热后进入集成反应器内部的重整腔进行水蒸汽重整反应。本发明的优点：提高了整套系统的能量利用合理性和能量利用效率；实现了重整制氢系统的高效、紧凑；操作方式可选择性强、灵活方便。

技术领域

本发明涉及天然气水蒸汽重整制氢领域，特别涉及了一种中小规模分布式天然气水蒸汽重整制氢系统及方法。

背景技术

氢作为一种洁净的载能体，由于具有能与现在所有的能源系统匹配和兼容，能方便地转换成电和热，有较高的能源转化效率和能实现CO₂的集中处理等特点，而有可能实现不依赖化石能源的可持续循环与供给。氢能发展的热潮，起始于上世纪末燃料电池的加速发展。燃料电池的启动速度较快，功率密度较高，环境友好，很适于用作便携电源、小型移动电源、车载电源、备用电源、不间断电源等，可被广泛应用于军事、通讯、计算机、地质、微波站、气象观测站、金融市场、医院及娱乐场所等领域，以满足野外供电、应急供电以及高可靠性、高稳定性供电的需要。作为质子交换膜燃料电池(PEMFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)等的燃料，氢的制备及可持续供给也成为同燃料电池本体技术一样的关注和研究热点。

从氢的来源角度看，近期和中期，氢将主要来自于化石资源，即来自于煤、石油与天然气。目前可以利用的制氢装置大多为工业规模，基于“规模效益”的考虑，制氢装置一般都比较庞大。以天然气水蒸汽重整制氢为例，一般工业上单系列的规模为100000Nm³H₂/h以上。然而，规模化制备的氢气由于目前缺乏必要的运输、储存和加注技术和基础设施，因此目前尚无法满足各种规模的燃料电池对分散氢源的需求，例如燃料电池分散型电站尤其是进入家庭使用的要求。因此通过现有的化石燃料储运加注设施，利用化石燃料分布式现场重整制氢的方式与燃料电池联合使用成为国际的通用方法。天然气作为一种优质、洁净的工业能源，由于其储运加注设施完备，在化石燃料制氢中受到了广泛重视，其小型分布式现场重整制氢系统成为重要的研发方向。

然而，并不能通过简单缩小传统天然气制氢工艺的规模来实现其小型化的目的。除制氢成本无法满足要求外，天然气制氢系统的主体－水蒸汽重整反应转化炉也无法通过简单缩小规模的方式来进行设计。由于天然气水蒸汽重整制氢：CH₄+H₂O→CO+3H₂,ΔH₂₉₈＝206.9kJ/mol；为700-900℃高温下进行的强吸热反应，反应所需热量需要由转化炉反应列管外的高温燃料烟气提供，因此为达到反应所需温度并保持催化剂床层有一定的恒温段，反应列管的长度通常在12-13m左右。这对于中小型的天然气制氢反应器来说显得过于庞大，因此必须通过创新的反应器设计理念来实现制氢反应器小型化的目的。此外，与燃料电池相集成的化石燃料现场制氢氢源系统将完全有别于规模制氢的工厂式生产，它不仅要求体积小、重量轻、启动迅速以及能够耐受频繁的开停工冲击，同时更强调了与燃料电池的能流、物流集成与通讯控制集成，从而使得整个电源系统具有一体化的控制策略和更高的能量效率。显然，简单缩小传统制氢工艺的规模将无法满足这种与燃料电池相集成的氢源系统的非稳态操作和集成控制要求。