專(zhuān)利名稱：利用蒸氣重整反應(yīng)的氫氣產(chǎn)生裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及利用蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的裝置，并且更具體地說(shuō)，涉及借助蒸氣重整反應(yīng)利用烴(碳?xì)浠衔?原料產(chǎn)生氫氣的結(jié)合有熱交換器的氫氣產(chǎn)生裝置，其中， 在各個(gè)填充有催化劑的反應(yīng)管與原料配送器或重整后氣體配送器之間安裝有使原料的供 應(yīng)壓力下降的降壓裝置，從而人為地使壓降大到足以消除由催化床導(dǎo)致的壓降不均勻的影 響，由此可以防止將烴原料不均一地配送至反應(yīng)管或防止不均勻地排出含氫氣的重整后氣 體。
背景技術(shù)：
通常，燃料電池是這樣一種發(fā)電系統(tǒng)其通過(guò)氫氣和氧氣之間的電化學(xué)反應(yīng)來(lái)將 化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能，從而產(chǎn)生電和作為副產(chǎn)品的水。由于這種燃料電池具有優(yōu)良的能量效率，因此人們期望用這種燃料電池來(lái)代替內(nèi) 燃機(jī)，因而可以認(rèn)為必須實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的氫氣供應(yīng)才能在不遠(yuǎn)的將來(lái)使用燃料電池作為替代能源。為燃料電池供應(yīng)氫氣的方法包括通過(guò)電解水產(chǎn)生氫氣的方法、以及通過(guò)利用蒸氣 對(duì)含氫的原料進(jìn)行重整(蒸氣重整反應(yīng))而產(chǎn)生氫氣的方法。這里，可以使用包括天然氣、LPG(液化石油氣)、石腦油、揮發(fā)油和煤油在內(nèi)的多 種烴作為原料。此外，蒸氣重整反應(yīng)在高溫且存在催化劑的情況下發(fā)生。因此，需要在發(fā)生蒸氣重整反應(yīng)的位置使用催化劑，并且必須提供蒸氣重整反應(yīng) 所需的熱能。在現(xiàn)有技術(shù)中使用了這樣的方法即，在單獨(dú)的位置產(chǎn)生蒸氣重整反應(yīng)所需的熱 能，并隨后將生成的熱能傳遞至氫氣產(chǎn)生裝置。然而，這種方法具有使用不便和管理困難的 問(wèn)題。因此，近年來(lái)，氫氣產(chǎn)生裝置的內(nèi)部由管狀金屬件或板狀金屬件分為兩個(gè)部分，從 而可以將一個(gè)部分用作蒸氣重整部分(重整部分)，并將另一部分用作用于產(chǎn)生蒸氣重整 反應(yīng)所需的熱能的部分(燃燒部分)。也就是說(shuō)，通過(guò)將在燃燒部分中產(chǎn)生的熱能傳遞至重整部分(蒸氣重整部分)而 向氫氣產(chǎn)生裝置傳遞蒸氣重整反應(yīng)所需的熱能。這里，在多數(shù)情況下，重整部分中的催化劑位于小直徑的催化反應(yīng)管中，并且根據(jù) 氫氣產(chǎn)生裝置的容量和尺寸圍繞熱源對(duì)稱設(shè)置多個(gè)催化反應(yīng)管。然而，在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的這種氫氣產(chǎn)生裝置中，原料配送不均一的可能性較高。如 果發(fā)生了原料配送不均一的情況，那么原料供應(yīng)量較小的反應(yīng)管會(huì)由于反應(yīng)熱沒(méi)有被吸收 而溫度升高，從而由于高溫變形而導(dǎo)致發(fā)生異?，F(xiàn)象。下面將對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)描述。在將由諸如球狀丸或圓柱狀丸等顆粒構(gòu)成的催化劑填入反應(yīng)管的過(guò)程中，催化劑 顆粒是隨機(jī)填入的，結(jié)果，不可避免地，在各個(gè)催化反應(yīng)管之中，催化床的前端和催化床的后端之間的壓力差是不同的。上述由催化床引起的壓降不均勻?qū)е铝鹘?jīng)反應(yīng)器的流體的量不同。在本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中眾所周知的是在填充有催化劑的反應(yīng)器中存在壓降，例 如，如歐根公式(Ergun Equation)所示的壓降。本發(fā)明的目的在于人為地造成相當(dāng)于由催化床引起的壓降的數(shù)倍的壓降，從而使 在整個(gè)反應(yīng)器的總壓降之中由催化床引起的壓降的影響最小，由此防止各個(gè)反應(yīng)管中的流 量不均勻。與本發(fā)明相似的在先日本專(zhuān)利示出了以下實(shí)例其中，設(shè)置直徑為0.4mm的孔作 為降壓裝置，以使氫氣產(chǎn)生裝置的各個(gè)反應(yīng)管中的流量均勻。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題
然而，在該在先日本專(zhuān)利中，需要對(duì)孔進(jìn)行精密加工，并且孔的性能受到在催化床 的前端產(chǎn)生的灰塵的影響的可能性較高。另外，由于熱分布不均勻以及高溫操作過(guò)程中的 熱膨脹，會(huì)導(dǎo)致孔的尺寸改變。因此，可以預(yù)見(jiàn)到，孔的性能不能滿足期望。因此，為了解決現(xiàn)有技術(shù)中產(chǎn)生的上述問(wèn)題而做出本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在 于降低供應(yīng)至各個(gè)反應(yīng)管的原料的供應(yīng)壓力，從而防止將原料不均一地配送至反應(yīng)管，并 且同時(shí)抑制反應(yīng)管中的異常溫度上升，從而可以實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)地產(chǎn)生氫氣。本發(fā)明的一個(gè)目的在于提供一種利用蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的裝置，在該裝置 中，在各個(gè)填充有催化劑的反應(yīng)管與原料配送器或重整后氣體配送器之間安裝有用于降低 原料的供應(yīng)壓力的降壓裝置，從而人為地使壓降大到足以消除由催化床引起的壓降不均勻 的影響，由此可以防止將烴原料不均一地配送至反應(yīng)管，或防止含有氫氣的重整后氣體不 均勻地排出。本發(fā)明的另一目的在于提供一種用于氫氣產(chǎn)生裝置的降壓裝置，該降壓裝置易于 制造和安裝，能夠容易地控制壓降的程度，受反應(yīng)管中產(chǎn)生的灰塵的影響不大，并且可以彈 性地應(yīng)對(duì)由高溫操作導(dǎo)致的熱變形。本發(fā)明的另一目的在于提供一種利用蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的裝置，該裝置能夠 抑制某些反應(yīng)管中的異常溫度上升，從而能平穩(wěn)地產(chǎn)生氫氣，并提高裝置的操作安全性。技術(shù)方案為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的裝置，所述裝 置包括重整部分，其內(nèi)部安裝有用于進(jìn)行蒸氣重整反應(yīng)的多個(gè)填充有催化劑的反應(yīng)管，所 述蒸氣重整反應(yīng)利用蒸氣對(duì)烴原料進(jìn)行重整來(lái)產(chǎn)生氫氣；燃燒部分，其內(nèi)部安裝有熱源，所 述熱源用于產(chǎn)生在所述反應(yīng)管中發(fā)生的所述蒸氣重整反應(yīng)所需的熱能；以及配送裝置，其 用于向所述反應(yīng)管供應(yīng)所述烴原料，并排出通過(guò)所述蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，其中，在所 述配送裝置和各個(gè)所述反應(yīng)管之間安裝有能夠人為地降低所述烴原料的供應(yīng)壓力的降壓 裝置，從而向各個(gè)所述反應(yīng)管均一地配送所述烴原料。有益效果根據(jù)本發(fā)明的上述構(gòu)造，降壓裝置安裝在原料配送器和各個(gè)反應(yīng)管之間，以便人 為地降低烴原料的供應(yīng)壓力，從而將烴原料均一地配送至關(guān)于熱源同心布置的各個(gè)反應(yīng)管中。因此，可以抑制由于烴原料的配送不均一而導(dǎo)致的反應(yīng)管中的異常溫度上升，從 而能平穩(wěn)地產(chǎn)生氫氣，并且大大地提高了氫氣產(chǎn)生裝置的操作安全性。此外，根據(jù)本發(fā)明的降壓裝置易于制造和安裝，能夠容易地控制烴原料的供應(yīng)壓 力，受反應(yīng)管中產(chǎn)生的灰塵的影響不大，可以彈性地應(yīng)對(duì)由高溫操作導(dǎo)致的熱變形，因此該 降壓裝置可以大大地提高氫氣產(chǎn)生裝置在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的生產(chǎn)率和使用方便性。


圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置的構(gòu)造的剖視圖。圖2是示出內(nèi)部安裝有降壓裝置的氫氣產(chǎn)生裝置的構(gòu)造的示意圖。圖3是示出壓力閥的實(shí)例的剖視圖。圖4是示出降壓管的實(shí)例的局部剖視圖。在附圖中使用的主要附圖標(biāo)記的說(shuō)明1 氫氣產(chǎn)生裝置； 2 燃燒部分；3 重整部分；10 熱源；20:反應(yīng)管；30:降壓裝置。
具體實(shí)施例方式下面，參考附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置的實(shí)施例的剖視圖，并且示出了結(jié)合有熱 交換器的氫氣產(chǎn)生裝置的總體構(gòu)造和元件組合，該氫氣產(chǎn)生裝置包括燃燒部分、填充有催 化劑的反應(yīng)管等等。圖2是示出設(shè)置有降壓裝置的氫氣產(chǎn)生裝置的構(gòu)造的示意圖，并且示出了安裝在 原料配送器和各個(gè)反應(yīng)管之間的用于降低烴原料的供應(yīng)壓力的降壓裝置。圖3是示出降壓裝置的實(shí)例的剖視圖，并且示出了內(nèi)部形成有原料流量控制通道 的壓力閥的構(gòu)造。圖4是示出降壓管的實(shí)例的局部剖視圖，并且示出了具有盤(pán)繞形狀的降壓管的構(gòu) 造，該降壓管的內(nèi)徑足夠小并且長(zhǎng)度足夠長(zhǎng)，從而能利用反應(yīng)管的壁側(cè)使壓力降低。具體地說(shuō)，如圖1所示，根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置1分為設(shè)置有熱源10的燃燒 部分2以及用于利用蒸氣對(duì)烴原料進(jìn)行重整的重整部分3。雖然主要使用燃燒器(burner)作為安裝在燃燒部分2中的熱源，但是應(yīng)當(dāng)理解本 發(fā)明的范圍不必局限于此，而是可以將諸如燃燒器等用于產(chǎn)生蒸氣重整反應(yīng)所需的熱能的 所有已知加熱裝置應(yīng)用于本發(fā)明。因此，由于在氫氣產(chǎn)生裝置1中安裝有起到這種作用的熱源10，所以在熱源10的 周?chē)贾媚突鸩牧蟻?lái)防止高溫火焰與熱源10的金屬材料直接接觸，并且同時(shí)使熱源10的 熱損耗最小，從而提高熱源10的效率。在容納有耐火材料13的氫氣產(chǎn)生裝置1中設(shè)置火焰引導(dǎo)件14，從而在氫氣產(chǎn)生裝 置1內(nèi)限定用于產(chǎn)生重整反應(yīng)所需的熱能的燃燒部分2，并且使燃燒部分2中產(chǎn)生的廢氣流 向重整部分3，來(lái)傳遞重整反應(yīng)所需的熱能。
在氫氣產(chǎn)生裝置1中的由火焰引導(dǎo)件14限定的重整部分3中，設(shè)置有多個(gè)填充有 催化劑的反應(yīng)管20。在填充到反應(yīng)管20中的催化劑的作用下，利用蒸氣對(duì)烴原料進(jìn)行重整 來(lái)產(chǎn)生氫氣。雖然如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的反應(yīng)管20呈圓形形狀，分為兩個(gè)部分并且使用上接 合板21設(shè)置在重整部分3中，但是應(yīng)當(dāng)理解這僅是一個(gè)實(shí)例，本發(fā)明的范圍不一定局限于 此。此外，反應(yīng)管20相對(duì)于熱源10大體上同心地布置，從而反應(yīng)管20可以在最小的 空間內(nèi)有效地利用熱能。氫氣產(chǎn)生裝置1基本上由外殼體15遮蓋，從而使氫氣產(chǎn)生裝置1免受外部環(huán)境或 外部影響的作用。具體地說(shuō)，在外殼體15的內(nèi)表面上附著有隔熱材料16等，以防止產(chǎn)生熱 損耗。此外，如圖1所示，在氫氣產(chǎn)生裝置1的上端和下端安裝有上蓋件17和下蓋件 17a。在上蓋件17的下方設(shè)置有用于向反應(yīng)管20供應(yīng)原料并排出由蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生的 氫氣的配送裝置。
這里，配送裝置包括用于向反應(yīng)管20供應(yīng)烴原料的原料配送器18、以及用于排出 由蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣的重整后氣體配送器19。在如圖1和圖2所示的本發(fā)明的實(shí)施 例中，原料配送器18布置在上蓋件17的下方，并且重整后氣體配送器19與原料配送器18 相鄰地設(shè)置或相對(duì)地設(shè)置。各個(gè)原料配送器18和重整后氣體配送器19具有供烴原料或氫氣移動(dòng)的通道，從 而原料配送器18和重整后氣體配送器19允許將烴原料供應(yīng)至反應(yīng)管20或者允許將重整 反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣平穩(wěn)地排出到需要的位置。因此，由于根據(jù)本發(fā)明的氫氣產(chǎn)生裝置1以上述方式來(lái)構(gòu)造，所以烴原料通過(guò)原 料配送器18供應(yīng)至各個(gè)反應(yīng)管20，并且由安裝在燃燒部分2中的熱源10所產(chǎn)生的熱能供 應(yīng)至重整部分3，從而使烴原料和熱能彼此進(jìn)行熱交換。在這個(gè)過(guò)程中，由蒸氣和催化劑的作用引發(fā)蒸氣重整反應(yīng)，通過(guò)蒸氣重整反應(yīng)在 反應(yīng)管20中產(chǎn)生氫氣，并最終通過(guò)重整后氣體配送器19將氫氣排到外部，以將氫氣用于燃 料電池等。同時(shí)，在用于供應(yīng)烴原料的原料配送器18與該烴原料供應(yīng)到其中的各個(gè)反應(yīng)管 20之間安裝有降壓裝置30，從而降壓裝置30可以降低烴原料的供應(yīng)壓力，以防止將烴原料 不均一地配送至各個(gè)反應(yīng)管20。這里，雖然可以在各個(gè)反應(yīng)管20與用于將蒸氣重整反應(yīng)所產(chǎn)生的氫氣排到外部 的重整后氣體配送器19之間附加地安裝降壓裝置30，但是應(yīng)當(dāng)理解，將根據(jù)降壓裝置30安 裝在原料配送器18與各個(gè)反應(yīng)管20之間的情況來(lái)描述本發(fā)明的以下實(shí)施例。具體地說(shuō)，如圖2所示，在原料配送器18與各個(gè)反應(yīng)管20之間安裝有降壓裝置 30，從而可以人為地降低原料的供應(yīng)壓力。因此，降壓裝置30可以以多種形式來(lái)設(shè)置。具體地說(shuō)，為了進(jìn)一步提高配送性能， 將降壓裝置30設(shè)置成如下形式其易于制造和安裝，能夠容易地控制烴原料的供應(yīng)壓力， 受反應(yīng)管20中產(chǎn)生的灰塵的影響不大，并且可以彈性地應(yīng)對(duì)由高溫操作導(dǎo)致的熱變形。在圖3中示出了滿足這種條件的降壓裝置30的實(shí)例。如該圖所示，壓力閥31在內(nèi)部可控地形成有原料流量控制通道33并用于連接各個(gè)反應(yīng)管20和原料配送器18，從而 使由原料配送器18供應(yīng)的原料的供應(yīng)壓力降低。具體地說(shuō)，由原料配送器18供應(yīng)的烴原料經(jīng)過(guò)形成于壓力閥31中的原料流量控 制通道33，當(dāng)根據(jù)各個(gè)催化床的填充程度而產(chǎn)生不均勻的壓降時(shí)，利用壓力控制把手34來(lái) 縮窄原料流量控制通道33，從而可以使由催化床導(dǎo)致的不均勻流量變得均勻，并且由此向 各個(gè)反應(yīng)管20施加均勻的壓力。因此，即使當(dāng)各流體的流量由于催化床而改變時(shí)，壓力閥31也可以通過(guò)控制原料 流量控制通道33來(lái)根據(jù)催化劑在反應(yīng)管20中的填充量來(lái)降低烴原料的供應(yīng)壓力。在這種 狀態(tài)下，可以將烴原料均一地配送至反應(yīng)管20，從而防止產(chǎn)生以下異常現(xiàn)象S卩，在吸收由 熱源10產(chǎn)生的熱能的過(guò)程中因缺乏烴原料而導(dǎo)致反應(yīng)管20過(guò)度地吸收熱能，從而由高溫 變形導(dǎo)致的異?，F(xiàn)象。在圖4中示出滿足上述條件的降壓裝置30的另一實(shí)例。如圖所示，降壓裝置30 包括直徑小于反應(yīng)管20的直徑的降壓管35，從而烴原料的供應(yīng)壓力在經(jīng)過(guò)降壓管35的過(guò) 程中降低。此外，降壓管35設(shè)置為盤(pán)繞形式，從而可以彈性地吸收由氫氣產(chǎn)生裝置1的高溫 操作過(guò)程中的熱膨脹導(dǎo)致的變形。對(duì)于降壓管35的最優(yōu)選實(shí)例，當(dāng)壓強(qiáng)為8kg/cm2的流體流經(jīng)IM長(zhǎng)的催化床中的 填充有尺寸 為2mm-5mm的催化劑的反應(yīng)管20時(shí)，將直徑為3mm的降壓管35以約IM的長(zhǎng)度 安裝在原料配送器18和各個(gè)反應(yīng)管20之間。在這種情況下，降壓管35人為地降低烴原料 的供應(yīng)壓力，從而將烴原料總是均一地配送至反應(yīng)管20。具體地說(shuō)，當(dāng)使用上述降壓管35將原料配送器18與各個(gè)反應(yīng)管20相連時(shí)，由原 料配送器18供應(yīng)的烴原料在經(jīng)過(guò)降壓管35的過(guò)程中供應(yīng)壓力降低，并且該烴原料在這種 狀態(tài)下供應(yīng)至反應(yīng)管20，并由此將烴原料均一地配送至各個(gè)反應(yīng)管20。對(duì)于最優(yōu)選的形式，在原料配送器18和各個(gè)反應(yīng)管20之間安裝具有不同長(zhǎng)度的 降壓管35，從而即使催化劑在反應(yīng)管20中的填充不均勻，也總是能夠?qū)N原料均一地配送 至反應(yīng)管20。具體地說(shuō)，將根據(jù)催化劑填充量而改變長(zhǎng)度的降壓管35與原料配送器18相連，從 而使原料總是能夠均一地配送至各個(gè)反應(yīng)管20。因此，由于起到這種作用的降壓管35基本上具有相同的長(zhǎng)度，或優(yōu)選具有不同的 長(zhǎng)度，并且將原料配送器18與各個(gè)反應(yīng)管20相連，因此降壓管35使原料的供應(yīng)壓力降低， 從而將原料均一地配送至各個(gè)反應(yīng)管20。同時(shí)，如上所述，根據(jù)本發(fā)明的降壓裝置30安裝在重整后氣體配送器19和各個(gè)反 應(yīng)管20之間以均勻地控制各個(gè)反應(yīng)管20的重整后氣體的壓力，由此達(dá)到與上述相同的效^ ο
權(quán)利要求
一種利用蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣的裝置，所述裝置包括重整部分，其內(nèi)部安裝有用于進(jìn)行蒸氣重整反應(yīng)的多個(gè)填充有催化劑的反應(yīng)管，所述蒸氣重整反應(yīng)利用蒸氣對(duì)烴原料進(jìn)行重整來(lái)產(chǎn)生氫氣；燃燒部分，其內(nèi)部安裝有熱源，所述熱源用于產(chǎn)生在所述反應(yīng)管中發(fā)生的所述蒸氣重整反應(yīng)所需的熱能；以及配送裝置，其用于向所述反應(yīng)管供應(yīng)所述烴原料，并排出通過(guò)所述蒸氣重整反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，其中，在所述配送裝置和各個(gè)所述反應(yīng)管之間安裝有能夠人為地降低所述烴原料的供應(yīng)壓力的降壓裝置，從而向各個(gè)所述反應(yīng)管均一地配送所述烴原料。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述降壓裝置是包括可控的原料流量控制通道的壓力閥。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中，所述降壓裝置包括降壓管，所述降壓管由直徑小并且長(zhǎng)度大的管形成，從而使所述烴 原料的供應(yīng)壓力在所述烴原料經(jīng)過(guò)所述降壓管的過(guò)程中下降。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述降壓管設(shè)置為盤(pán)繞形式，從而能吸收由高溫操作中的熱膨脹導(dǎo)致的變形。
5.如權(quán)利要求3所述的裝置，其中，所述降壓管形成為直徑是3mm，并且所述降壓管以約IM的長(zhǎng)度安裝在原料配送器和各 個(gè)所述反應(yīng)管之間。
6.如權(quán)利要求1至權(quán)利要求4中任一項(xiàng)所述的裝置，其中，在原料配送器和所述反應(yīng)管之間安裝有具有不同長(zhǎng)度的降壓管。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種通過(guò)蒸氣重整反應(yīng)利用烴原料產(chǎn)生氫氣的氫氣產(chǎn)生裝置，在該氫氣產(chǎn)生裝置中，在原料配送器和各個(gè)反應(yīng)管之間安裝有降壓裝置，以防止將原料不均一地配送至反應(yīng)管。在該氫氣產(chǎn)生裝置中，用于人為地降低原料的供應(yīng)壓力的降壓裝置安裝在原料配送器和各個(gè)關(guān)于熱源同心布置的反應(yīng)管之間。因此，當(dāng)原料的配送不均勻時(shí)，該降壓裝置能夠抑制某些反應(yīng)管中的異常溫度上升，從而能平穩(wěn)地產(chǎn)生氫氣，并大大地提高氫氣產(chǎn)生裝置的操作安全性。
文檔編號(hào)C01B3/26GK101842315SQ200880114285
公開(kāi)日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2008年10月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月2日
發(fā)明者方塡皖, 金明俊, 金榮大 申請(qǐng)人:Sk能源株式會(huì)社