專利名稱：一種用于固體氧化物燃料電池的天然氣裂解反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提出一種用于固體氧化物燃料電池的天然氣裂解反應(yīng)器，具體地說(shuō)，是用于燃料氣生產(chǎn)的中小型反應(yīng)器，該燃料氣用于固體氧化物燃料電池。
背景技術(shù)：
天然氣裂解反應(yīng)器生產(chǎn)的燃料氣主要成分即合成氣。生產(chǎn)合成氣的反應(yīng)器及方法是人們所熟知的。早期的天然氣轉(zhuǎn)化制合成氣大多采用非催化部分氧化工藝，后來(lái)逐步被水蒸氣轉(zhuǎn)化工藝取代，由于蒸汽轉(zhuǎn)化工藝的能耗較大，又發(fā)展了聯(lián)合自供熱轉(zhuǎn)化工藝及催化部分氧化工藝，而催化部分氧化仍未應(yīng)用于大規(guī)模的工業(yè)的生產(chǎn)。
固體氧化物燃料電池(SOFC)是第四代燃料電池，合成氣作為燃料氣直接應(yīng)用于SOFC是可行的。鑒于SOFC的燃料特點(diǎn)和高溫條件，燃料氣在高溫情況下直接進(jìn)入SOFC負(fù)極。但是蒸汽重整需要大量能耗提供蒸汽和供給反應(yīng)吸熱，且產(chǎn)品氣中有大量水蒸氣，進(jìn)入SOFC負(fù)極會(huì)影響電極性能及電池效率。自供熱重整氣中亦有大量的水蒸氣。非催化部分氧化的反應(yīng)溫度很高，對(duì)反應(yīng)器材質(zhì)要求苛刻。催化部分氧化是溫和的放熱反應(yīng)，催化部分氧化制富氫燃料氣，與其相比效率高，能耗低，具有明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種可以滿足中小型中溫固體氧化物燃料電池燃?xì)庑枨蟮姆磻?yīng)器。該反應(yīng)器的特點(diǎn)是列管式(多根管)，保持管內(nèi)徑向溫度一致。本發(fā)明的另一特點(diǎn)是電加熱啟動(dòng)。反應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)后停止電加熱，依靠反應(yīng)的自身放熱，使得反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明主要由反應(yīng)爐支架1、接線柱2、反應(yīng)列管3、熱電偶4、左封頭5、右封頭6、原料進(jìn)氣口9、產(chǎn)品出氣口10、絕熱材料12、內(nèi)筒體13、外筒體14、左側(cè)小管板15、左側(cè)大管板16、右側(cè)小管板17、右側(cè)大管板18組成，其中應(yīng)爐支架1通過(guò)焊接與反應(yīng)器外筒體14連接，用于支撐反應(yīng)器，并放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。反應(yīng)列管3左端與反應(yīng)器左側(cè)小管板15浮動(dòng)連接，與左側(cè)大管板16固定連接； 反應(yīng)列管3右端與反應(yīng)器的右側(cè)小管板17浮動(dòng)連接，與右側(cè)大管板18固定連接，反應(yīng)列管3的高溫加熱區(qū)11內(nèi)填裝催化劑，用作催化部分氧化反應(yīng)。電加熱絲埋于內(nèi)筒體13內(nèi)，用于給反應(yīng)列管3加熱，其纏繞的長(zhǎng)度比高溫加熱區(qū)11稍長(zhǎng)，電熱絲由位于反應(yīng)器的外筒體14右下端的接線柱2引出，外接溫度控制器，熱電偶4安裝在反應(yīng)器的外筒體14的上方中間部位，用于測(cè)定溫度，熱電偶4直接測(cè)定的溫度為列管表面溫度，由于管內(nèi)徑較小，可忽略徑向溫差，測(cè)得溫度即為管內(nèi)催化劑床層溫度，原料氣進(jìn)口9安裝在左封頭5的中心部位，產(chǎn)品氣出口10安裝在右封頭6的中心部位，左封頭5和右封頭6與反應(yīng)器的外筒體14通過(guò)法蘭密封連接，形成左氣室7]和右氣室8，絕熱材料12具有良好的絕熱效果，可使反應(yīng)器表面溫度低于100℃。反應(yīng)列管3在內(nèi)筒體13內(nèi)成正三角形排列。反應(yīng)爐支架1成鞍型，兩個(gè)接線柱2焊接于外筒體14上，分別是由內(nèi)筒體13引出的電熱絲的正極和負(fù)極，兩接線柱2外接于外電源的正負(fù)極。
下面詳細(xì)敘述本發(fā)明工作原理以天然氣為例，進(jìn)入反應(yīng)器前，天然氣首先與氧氣混合。啟動(dòng)反應(yīng)器，程序升溫控制反應(yīng)器溫度到500℃左右時(shí)，向反應(yīng)器中通入天然氣氧氣混合燃料氣，反應(yīng)器繼續(xù)升溫至700℃?；旌先剂蠚庥稍蠚膺M(jìn)口9進(jìn)入左氣室7，再進(jìn)入反應(yīng)管3，可經(jīng)過(guò)一段從左側(cè)大管板16到高溫加熱區(qū)11的預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)區(qū)。在高溫加熱區(qū)11內(nèi)，混合燃料氣在催化劑上發(fā)生部分氧化反應(yīng)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。產(chǎn)品氣經(jīng)右氣室8由右封頭6上的產(chǎn)品氣出口10引出，進(jìn)入SOFC的負(fù)極。待反應(yīng)進(jìn)行一段時(shí)間穩(wěn)定后，停止電加熱，反應(yīng)本身放出的熱量使得反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。
本發(fā)明的主要優(yōu)點(diǎn)是采用埋入式電熱絲真空成型加熱器給列管整體加熱，且溫度布控均勻，熱電偶測(cè)溫自動(dòng)控制。加熱區(qū)長(zhǎng)短可根據(jù)原料氣組成及合成氣用量確定。對(duì)于同一種原料，操作條件不變時(shí)，改變催化劑的用量，可改變?nèi)細(xì)猱a(chǎn)量。原料轉(zhuǎn)化率及產(chǎn)氣量因催化劑的不同而不同。


圖1為本發(fā)明原理結(jié)構(gòu)圖。
圖2為圖1沿I-I線的剖面圖。
圖3為圖1沿II-II線的的左視圖。
具體實(shí)施例方式根據(jù)千瓦級(jí)中溫固體氧化物燃料電池需要的燃?xì)饬?，以天然氣為原料，以需要燃?xì)獾淖畲罅?10L/min H2+CO)；產(chǎn)率最低量(甲烷轉(zhuǎn)化率80％，H2、CO選擇性分別為90％和85％)為條件進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)確定反應(yīng)器的工藝尺寸，爐管總長(zhǎng)為550mm，加熱區(qū)150mm，排列7根管，內(nèi)徑為8mm，外徑10mm。列管材質(zhì)選用具有抗氧化性和抗CH4、H2、CO腐蝕性的Cr25Ni20。
生產(chǎn)試驗(yàn)中增加催化劑的用量，或改變催化劑性能，即可增加產(chǎn)氣量。滿足固體氧化物燃料電池放大的需要。該反應(yīng)器生產(chǎn)的燃料氣，可以使千瓦級(jí)中溫固體氧化物燃料電池穩(wěn)定運(yùn)行1000h，其電池效率均在70％以上。
權(quán)利要求
1.一種用于固體氧化物燃料電池的天然氣裂解反應(yīng)器，其特征在于主要由反應(yīng)爐支架[1]、接線柱[2]、反應(yīng)列管[3]、熱電偶[4]左封頭[5]、右封頭[6]、原料進(jìn)氣口[9]、產(chǎn)品出氣口[10]、絕熱材料[12]、內(nèi)筒體[13]、外筒體[14]、左側(cè)小管板[15]、左側(cè)大管板[16]、右側(cè)小管板[17]、右側(cè)大管板[18]組成，其中反應(yīng)爐支架[1]通過(guò)焊接與反應(yīng)器外筒體[14]連接，用于支撐反應(yīng)器，并放置于實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，反應(yīng)列管[3]左端與反應(yīng)器左側(cè)小管板[15]浮動(dòng)連接，與左側(cè)大管板[16]固定連接，反應(yīng)列管[3]的右端與反應(yīng)器的右側(cè)小管板[17]浮動(dòng)連接，與右側(cè)大管板[18]固定連接，在反應(yīng)列管[3]的高溫加熱區(qū)[11]內(nèi)填裝催化劑，電加熱絲埋于內(nèi)筒體[13]內(nèi)，用于給反應(yīng)列管[3]加熱，其纏繞的長(zhǎng)度比高溫加熱區(qū)[11]稍長(zhǎng)，電熱絲由位于反應(yīng)器的外筒體[14]左下端的接線柱[2]引出，外接溫度控制器，熱電偶[4]安裝在反應(yīng)器外筒體[14]上方的中間部位，原料氣進(jìn)口[9]安裝在左封頭[5]的中心部位，產(chǎn)品氣出口[10]安裝在右封頭[6]的中心部位，左封頭[5]和右封頭[6]與反應(yīng)器的外筒體[14]通過(guò)法蘭密封連接，形成左氣室[7]和右氣室[8]，反應(yīng)列管[3]在內(nèi)筒體[13]內(nèi)成正三角形排列，反應(yīng)爐支架[1]成鞍型，兩個(gè)接線柱[2]焊接于外筒體[14]上，分別是由內(nèi)筒體[13]引出的電熱絲的正極和負(fù)極，兩接線柱[2]外接于外電源的正負(fù)極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的反應(yīng)器，其特征在于反應(yīng)列管[3]為若干根。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于固體氧化物燃料電池的天然氣裂解反應(yīng)器，該反應(yīng)器是用于燃料氣生產(chǎn)的中小型反應(yīng)器。本發(fā)明反應(yīng)爐支架安裝在反應(yīng)器外筒體的下方，反應(yīng)列管位于反應(yīng)器中間部位，兩端分別與左側(cè)大小管板和右側(cè)大小管板相連接，左右封頭分別與外筒體通過(guò)法蘭密封連接，原料進(jìn)氣口安裝在左封頭上，產(chǎn)品出氣口安裝在右封頭上。本發(fā)明采用埋入式電熱絲真空成型，具有反應(yīng)器內(nèi)溫場(chǎng)均勻，操作簡(jiǎn)便，投資費(fèi)用少，易于放大等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明適用于多種石化燃料重整制備合成氣，原料可采用甲烷、天然氣、裂化石油氣等，為千瓦級(jí)中溫固體氧化物燃料電池提供燃料氣。
文檔編號(hào)H01M8/22GK1663908SQ20041001359
公開(kāi)日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2004年3月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月3日
發(fā)明者孫克寧, 喬金碩, 周宏余, 方杰 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)