專利名稱：分布式天然氣制氫反應器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于制氫設備，特別涉及一種分布式天然氣制氫反應器。
背景技術：
氫能，作為一種清潔、高效、安全、可持續(xù)的能源，被視為本世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ那?潔能源，也被視為解決溫室效應問題、提高能量利用率的有效替代二次能源。氫的來源比較 廣泛，化石燃料、植物和有機廢物中都含有大量的氫，但是自然界中可以直接利用的純氫非 常少，只能通過特定的方法從其他能源中制備。目前世界上90%的氫氣都是通過天然氣水 蒸汽重整反應或者部分氧化生產的。傳統(tǒng)的天然氣大規(guī)模制氫，由于設備投資巨大，技術革新一直比較緩慢；另一方 面，由于氫氣的儲存和運輸比較困難，且隨著近幾年來分布式天然氣制氫技術需求的不斷 發(fā)展，分布式小規(guī)模制氫的技術的研發(fā)獲得了越來越多的支持和關注。申請?zhí)?00710020394. 7的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽?“一種低濃度氣態(tài)烴的燃燒 裝置”，是由薄板狀外壁面和內壁面圍成環(huán)狀進氣通道和排氣通道，形成雙向逆流的氣流通 道，連通位于環(huán)狀通道圈中心的燃燒室；燃燒室內置有多孔材料，多孔材料設置電加熱元 件。該燃燒裝置的反應空間在多孔材料區(qū)域，使得常規(guī)的以煙氣輻射和對流為主的低效率 的換熱方式轉變?yōu)橐愿邷毓腆w介質的輻射為主的高效換熱，其燃燒速率高、燃燒穩(wěn)定、污染 物排放低、燃燒器體積小、結構緊湊、負荷調節(jié)范圍廣。燃燒裝置的外側使用雙向逆流換熱 的進氣通道和排氣通道，使低濃度氣態(tài)烴在到達中心燃燒室之前可以上升到較高的溫度， 同時對側壁的絕熱要求低，提高了燃燒效率，降低了經濟成本。但是，由于從進氣通道中進 入反應器的是燃料和氧化劑的混合物，當反應器的尺寸一旦確定之后，如果進氣成分中的 燃料和氧化劑比例發(fā)生改變的時候，或者更換燃料的類型的時候，進氣可能在未到達中心 燃燒室就已經達到著火點，也有可能在流過了中心燃燒室后才有能夠達到著火點，使得反 應不能夠穩(wěn)定在中心燃燒室中的多孔材料中進行，甚至熄火，使得多孔材料在穩(wěn)定燃燒火 焰、提高燃燒效率、擴展貧燃極限等顯著優(yōu)越性無法得以體現(xiàn)，也就難以達到該裝置的設計 目的，并且，高溫的甲烷和空氣的預混合氣體在進氣通道或排氣通道中快速反應，裝置有爆 炸危險。申請?zhí)?00810184969. 3的中國發(fā)明專利申請?zhí)岢隽?“一種天然氣現(xiàn)場制氫裝置 與方法”，所述的裝置由逆向換熱器、置于逆向換熱器中心的多孔介質和貫穿逆向換熱器換 熱通道的反應盤管組成，在逆向換熱器中通入化學當量比為1的預混燃料氣體，在其中心 的多孔介質區(qū)域燃燒形成高溫環(huán)境；再在反應盤管中通入純天然氣，該股天然氣通過與逆 向換熱器、高溫多孔介質換熱后，達到裂解溫度，反應生成炭和氫氣。該裝置雖然可以產生 純氫，但并非是持續(xù)產氫設備，運行一段時間后，反應生成的炭積聚在反應盤管內部，需要 通入蒸汽來積炭。一方面，積炭與蒸汽反應生成一氧化碳和氫氣，并非是純氫，如若以獲取 純氫為目的，裝置需要切換工況，無法持續(xù)運行；另一方面，蒸汽的通入降低了反應盤管的 溫度，使得天然氣裂解制氫反應無法繼續(xù)，重新啟動時需要時間間隔；同時，通入的水蒸氣與高溫積炭發(fā)生反應的同時，也會使得反應盤管內表面層發(fā)生剝蝕反應，降低了裝置的使 用壽命。

發(fā)明內容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術所存在的不足之處，提供一種分布式天然氣制氫反 應器，以實現(xiàn)天然氣的高效、安全、穩(wěn)定分布式制氫。本發(fā)明解決技術問題采用如下技術方案本發(fā)明分布式天然氣制氫反應器，包括由進氣通道外壁薄板和進氣通道內壁薄 板、以及由排氣通道外壁薄板和排氣通道內壁薄板圍成雙向逆流的環(huán)狀進氣通道和環(huán)狀排 氣通道，置于多股逆流換熱器內中心反應區(qū)的多孔介質和置于多孔介質內的點火棒；其結 構特點是在進氣通道中插入一條環(huán)狀帶型的進氣通道分隔薄板，將所述進氣通道分成第 一股進氣通道和第二股進氣通道。本發(fā)明分布式天然氣制氫反應器的結構特點也在于所述的中心反應區(qū)的體積為整個反應器的體積的10% 50%，在所述中心反應 區(qū)中，以1 5塊隔板將中心反應區(qū)分隔成“之”字形折流通道。所述的環(huán)狀進氣通道和環(huán)狀排氣通道的圈數(shù)為3 20，形狀為盤旋的圓環(huán)狀或盤 旋的方環(huán)狀。所述的點火棒置于中心反應區(qū)的氣流初始流入?yún)^(qū)域，所述氣流初始流入?yún)^(qū)域為第 二股進氣通道的第二股進氣出口處。所述多孔介質由蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。所述多孔介質的外表面涂覆有催化劑層。與已有技術相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、本發(fā)明中進氣通道分隔薄板的加入，可以使參與反應的燃料氣體和氧化氣體 (如空氣、氧氣等)以非預混合狀態(tài)分開輸送至反應器中心多孔介質區(qū)域，在反應氣體進入 中心反應區(qū)之前不會因混合、升溫而提前發(fā)生反應，并借助導熱率和熱容量大，蓄熱效率高 的多孔介質，完全將反應穩(wěn)定限制在中心反應區(qū)，避免了燃料氣體和氧化氣體在進入多孔 介質之前因預混合而發(fā)生燃燒火焰漂移問題，也避免了由此而引發(fā)的爆炸的危險。2、本發(fā)明通過多股逆流換熱器的間壁式熱交換，可以使燃料氣體和氧化氣體的溫 度得以升高到較高水平，高于燃料氣體的著火點，同時又極限回收了排氣的高溫熱量，顯著 降低了排氣的溫度水平，實現(xiàn)了系統(tǒng)的熱量自我循環(huán)利用，提高了中心反應區(qū)的溫度水平， 有助于反應速度的提升；另外，反應器外壁溫度較低，散熱損失少，也降低了保溫要求。因 此，整體裝置的能量利用率達到最大化，燃料氣體的反應效率得以大大提升。3、本發(fā)明整體結構緊湊、集反應氣體高效預熱、高溫反應、極限余熱回收、設備自 我保溫等功能于一身，集成度高，可實現(xiàn)小型化連續(xù)生產，設備投資成本、運行費用低，可滿 足分布式制氫的要求。


圖1為本發(fā)明實施例1的結構示意圖。圖2為本發(fā)明實施例2的結構示意圖。
圖3為本發(fā)明實施例3的結構示意圖。圖中標號1第一股氣體入口，2第二股氣體入口，3進氣通道外壁薄板，4進氣通道 分隔薄板，5進氣通道內壁薄板，6第一股進氣通道出口，7第二股進氣通道出口，8點火棒，9 多孔介質，10第一股進氣通道，11第二股進氣通道，12排氣通道，13排氣出口，14排氣通道 內壁薄板，15排氣通道外壁薄板，16排氣通道入口，17中心反應區(qū)，18多股逆流換熱器，19 隔板。
具體實施例方式實施例1 圖1給出了多股逆流換熱器18為螺旋圓環(huán)狀、進氣通道和排氣通道12的圈數(shù)均 為3圈、中心反應區(qū)17無分隔情形下的本實施例結構示意圖。該分布式天然氣制氫反應器，包括由進氣通道外壁薄板3和進氣通道內壁薄板 5，以及由排氣通道外壁薄板15和排氣通道內壁薄板14圍成雙向逆流的環(huán)狀進氣通道和排 氣通道12、置于多股逆流換熱器18內中心反應區(qū)17的多孔介質9和和置于多孔介質9內 的點火棒8。具體實施中，環(huán)狀進氣通道和環(huán)狀排氣通道12的圈數(shù)可以為3 20道、形狀為盤 旋的圓環(huán)狀或為盤旋的方環(huán)狀。在進氣通道中插入一條環(huán)狀帶型進氣通道分隔薄板4，將進 氣通道分成第一股進氣通道10和第二股進氣通道11。流向相同的第一股進氣通道10、第 二股進氣通道11和流向相異的排氣通道12構成了多股逆流換熱器18。中心反應區(qū)17的體積為整個反應器的10% 50%，其中布置的多孔介質9由導 熱率和熱容量大，蓄熱效率高的蜂窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。多 孔介質9的外表面可以涂覆催化劑層，催化劑可以使用Co-Mo、Ni、Rh或Pt中的一種或多 種。點火棒8置于中心反應區(qū)17的氣流初始流入?yún)^(qū)域，氣流初始流入?yún)^(qū)域是兩股進氣 進入中心反應區(qū)17的交匯混合區(qū)域，即為第二股進氣通道11的第二股進氣通道出口 7 (也 可以是在第一股進氣通道出口 6)的氣體流場下游附近，用于反應器的點火啟動。運行時，首先從第一股氣體入口 1和第二股氣體入口 2分別通入化學當量比為1 的天然氣和空氣(或富氧氣體)，啟動點火棒8，使天然氣在中心反應區(qū)17的多孔介質9中 發(fā)生著火、燃燒反應，多孔介質9的溫度迅速升高，產生的燃燒產物經排氣通道入口 16和排 氣通道12后由排氣出口 13排出，流出過程中與第一股進氣通道10和第二股進氣通道11 中的的天然氣和空氣(或富氧氣體)發(fā)生間壁式熱交換，在降低自身溫度的同時使得天然 氣和空氣(或富氧氣體)的溫度水平顯著上升，從而進一步提升了中心反應區(qū)17的反應溫 度。當中心反應區(qū)17的溫度高于800°C以上時，根據(jù)實際設計計算調節(jié)改變第一股進 氣通道10和第二股進氣通道11中天然氣和空氣的進氣比例，一般情形下天然氣制氫的合 適化學當量比范圍為2. 0 3. 0，使得天然氣和空氣在多孔介質9中發(fā)生制氫反應，生成一 氧化碳和氫氣。本反應器也可以用于包括煤礦通風瓦斯氣、天然氣、沼氣、石油生產中的油層氣或 化工生產中排放的可燃廢氣在內的低濃度可燃氣體的燃燒反應裝置。
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實施例2 圖2給出了多股逆流換熱器18為螺旋圓環(huán)狀、進氣通道和排氣通道12的圈數(shù)均 為三道、中心反應區(qū)17布置有兩塊隔板19情形下的實施例結構示意圖。本實施例中，中心反應區(qū)17中增加的兩塊隔板19將中心反應區(qū)17分隔成“之”字 形折流通道。其余結構特征與實施例1相同，運行操作方法亦與實施例1相同。實施例3 圖3給出了多股逆流換熱器18為盤旋的方環(huán)狀、進氣通道和排氣通道12的圈數(shù) 均為三道、中心反應區(qū)17布置有兩塊隔板19情形下的實施例結構示意圖。本實施例中的其它結構形式與實施例2相同，運行操作方法與實施例1相同。
權利要求
分布式天然氣制氫反應器，包括由進氣通道外壁薄板(3)和進氣通道內壁薄板(5)、以及由排氣通道外壁薄板(15)和排氣通道內壁薄板(14)圍成雙向逆流的環(huán)狀進氣通道和環(huán)狀排氣通道(12)，置于多股逆流換熱器(18)內中心反應區(qū)(17)的多孔介質(9)和置于多孔介質(9)內的點火棒(8)；其特征在于在進氣通道中插入一條環(huán)狀條帶的進氣通道分隔薄板(4)，將所述進氣通道分成第一股進氣通道(10)和第二股進氣通道(11)。
2.根據(jù)權利要求1所述的分布式天然氣制氫反應器，其特征是所述的中心反應區(qū)(17) 的體積為整個反應器的體積的10% 50%，在所述中心反應區(qū)(17)中，以1 5塊隔板 (19)將中心反應區(qū)(17)分隔成“之”字形折流通道。
3.根據(jù)權利要求1所述的分布式天然氣制氫反應器，其特征是所述的環(huán)狀進氣通道和 環(huán)狀排氣通道(12)的圈數(shù)為3 20，形狀為盤旋的圓環(huán)狀或盤旋的方環(huán)狀。
4.根據(jù)權利要求1所述的分布式天然氣制氫反應器，其特征是所述的點火棒(8)置于 中心反應區(qū)(17)的氣流初始流入?yún)^(qū)域，所述氣流初始流入?yún)^(qū)域為第二股進氣通道(11)的 第二股進氣出口(7)處。
5.根據(jù)權利要求1所述的分布式天然氣制氫反應器，其特征是所述多孔介質(9)由蜂 窩形陶瓷蓄熱體、陶瓷蓄熱小球或泡沫陶瓷堆積而成。
6.根據(jù)權利要求1所述的分布式天然氣制氫反應器，其特征是所述多孔介質(9)的外 表面涂覆有催化劑層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式天然氣制氫反應器，包括由進氣通道外壁薄板和進氣通道內壁薄板、以及由排氣通道外壁薄板和排氣通道內壁薄板圍成雙向逆流的環(huán)狀進氣通道和環(huán)狀排氣通道，其特征是在進氣通道中插入一條環(huán)狀條帶的進氣通道分隔薄板，將所述進氣通道分成第一股進氣通道和第二股進氣通道。本發(fā)明可以使參與反應的燃料氣體和氧化氣體以非預混合狀態(tài)進入反應器中心，避免了燃料氣體和氧化氣體在進入多孔介質之前因預混合而發(fā)生火焰漂移問題，也避免了預混爆炸危險，可廣泛應用于包括煤礦通風瓦斯氣、天然氣、沼氣、石油生產中的油層氣或化工生產中排放的可燃廢氣在內的低濃度可燃氣體的燃燒反應裝置。
文檔編號C01B3/34GK101913560SQ20101025926
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月16日 優(yōu)先權日2010年8月16日
發(fā)明者唐志國, 程建萍, 馬培勇 申請人:合肥工業(yè)大學