阅读说明：本技术 集成型重整制氢装置中的热利用机构 (Heat utilization mechanism in integrated reforming hydrogen production device ) 是由 苏红艳 丁桓展 王学圣 唐健 赵亚丽 崔鸿 王朝 于 2019-09-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种集成型重整制氢装置中的热利用机构,包括：外壳,外壳内设置有外筒和内筒,内、外筒之间形成反应室,反应室由下往上依次分隔成重整反应区、水汽转移反应区、选择性甲烷化反应区；重整反应区位置处的内筒中设置有燃烧筒,燃烧筒的外壁与重整反应区位置处内筒的内壁之间形成热辐射通道,燃烧筒的下端口与热辐射通道连通,重整反应区与水汽转移反应区之间设置有蒸汽发生器,蒸汽发生器上方的外筒外设置有三级换热器,蒸汽发生器上方的内筒内设置有二级换热器,二级换热器的输出端与三级换热器的输入端相连通,三级换热器的输出端与蒸汽发生器的输入端相连通。本发明的优点是：充分利用重整反应过程中的热量,又不会增大设备体积。(The invention discloses a heat utilization mechanism in an integrated reforming hydrogen production device, which comprises: the device comprises a shell, wherein an outer barrel and an inner barrel are arranged in the shell, a reaction chamber is formed between the inner barrel and the outer barrel, and the reaction chamber is sequentially divided into a reforming reaction zone, a water vapor transfer reaction zone and a selective methanation reaction zone from bottom to top; be provided with the combustion barrel in the inner tube of reforming reaction district position department, form the heat radiation passageway between the outer wall of combustion barrel and the inner wall of reforming reaction district position department inner tube, the lower port and the heat radiation passageway intercommunication of combustion barrel, be provided with steam generator between reforming reaction district and the steam shift reaction district, the urceolus of steam generator top is provided with tertiary heat exchanger outward, be provided with the second grade heat exchanger in the inner tube of steam generator top, the output of second grade heat exchanger is linked together with the input of tertiary heat exchanger, the output of tertiary heat exchanger is linked together with steam generator's input. The invention has the advantages that: the heat in the reforming reaction process is fully utilized, and the volume of the equipment is not increased.)

集成型重整制氢装置中的热利用机构

技术领域

本发明涉及重整制氢设备技术领域。

背景技术

环境污染与非可再生的化石燃料的不断消耗，是全球关注的焦点。发展清洁、高效、可持续的新能源已成为大家的共识。氢能，因其具有燃烧热值高、燃烧产物水不会对环境造成污染等优点，已经成为被市场认可的清洁能源。

由于天然气资源探明储量的不断增加、以及天然气制氢的技术优势，天然气制氢已经成为当今较为主要制氢方法之一。天然气重整制氢工艺主要包括以下步骤：一、蒸汽重整反应：该反应中，原料甲烷与水蒸气在蒸汽重整反应催化剂的条件下反应制得一次重整气，一次重整气中主要包含氢气和一氧化碳，该步骤中需要吸收大量的热量，温度通常需要维持在800℃～1000℃。二、水汽转移催化反应：该反应中，一次重整气中的一氧化碳与水在水汽转移催化剂的条件下反应，从而去除一次重整气中的一氧化碳制得二次重整气。该反应需要将温度控制在300℃～350℃。三、选择性甲烷化反应：该反应中，在选择性甲烷化反应催化剂的条件下，二次重整气中的一氧化碳进一步反应去除，从而制得纯化的氢气。

目前的重整制氢设备都是比较庞大。为了将氢能源进一步推广，我公司研发了集成型重整制氢装置，该集成型重整制氢装置的体积大大减小，极其适合在安装空间有限的场景下使用，尤其适合家用。进一步地，为了配合该集成型重整制氢装置，我公司研发了该集成型重整制氢装置中的热利用机构。

发明内容

本发明的目的是：提供一种集成型重整制氢装置中的热利用机构，其能充分利用重整制氢过程中的热量，并且不会增大重整制氢装置的体积。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：集成型重整制氢装置中的热利用机构，包括：封闭的外壳，外壳内设置有外筒，外筒内设置有内筒，内、外筒之间的夹层形成反应室，反应室顶部封闭，反应室由下往上依次分隔成放置重整反应催化剂的重整反应区、放置水汽转移反应催化剂的水汽转移反应区、放置选择性甲烷化反应催化剂的选择性甲烷化反应区；重整反应区位置处的内筒中设置有燃烧筒，燃烧筒的外壁与重整反应区位置处内筒的内壁之间形成热辐射通道，燃烧筒的下端口与热辐射通道连通，重整反应区与水汽转移反应区之间的反应室中设置有蒸汽发生器，蒸汽发生器上方的外筒外设置有三级换热器，蒸汽发生器上方的内筒内设置有二级换热器，二级换热器的输出端与三级换热器的输入端相连通，三级换热器的输出端与蒸汽发生器的输入端相连通。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，反应室的顶部设置有换热腔室，换热腔室的顶部设置有氢气排出管，换热腔室的底部与选择性甲烷化反应区的顶部连通，换热腔室中设置一级换热器，一级换热器的输出端与二级换热器的输入端相连通。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，所述的蒸汽发生器、三级换热器、二级换热器、一级换热器均为盘管式换热器。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，热辐射通道区域内筒的内壁和外壁上均间隔设置有若干热辐射导向槽，内筒的内壁和外壁上的每个热辐射导向槽均沿内筒的高度方向设置，内筒内壁或外壁上的每个热辐射导向槽均向着内筒的本体方向凹陷。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，蒸汽发生器的安装结构包括：在重整反应区与水汽转移反应区之间的内筒的外壁上设置有向外筒方向凸出的安装筒体，蒸汽发生器安装在安装筒体的外壁上。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，燃烧筒上方的内筒中设置有第一套筒、第二套筒、第三套筒，第一套筒、第二套筒、第三套筒由外及里依次套设，第一套筒、第二套筒、第三套筒均顶端封闭、下端敞口，第一套筒与内筒之间夹层的顶部密封，第一套筒与第二套筒之间的夹层形成排气通道，排气通道的下端与热辐射通道的顶端连通，排气通道的顶部设置有排气管；第二套筒与第三套筒之间的夹层形成第一进气通道；第一进气通道的底部设置有烟气腔室，烟气腔室的结构包括：封板，封板固定在第三套筒底部的内壁上，燃烧筒的顶部外边缘与第二套筒的内壁之间密封，燃烧筒的顶部开设有若干布风口，封板、封板下方的第二套筒的内壁、以及燃烧筒的顶部之间形成烟气腔室；第一进气通道的下端与烟气腔室连通。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，所述的二级换热器设置在第一套筒与内筒之间的夹层中。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，蒸汽发生器安装区域的内筒与第一套筒之间的夹层中填充有保温隔热材料。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，内筒中还设置有点火装置，点火装置的结构包括：点火筒，点火筒的下端口为点火口，点火筒设置在第三套筒中、且点火筒的上端依次穿过第三套筒、第二套筒、第一套筒的顶部伸出壳体，点火筒的点火口与烟气腔室的顶部连通，点火筒中设置有点火电极和引火棒，点火电极的点火端以及引火棒的引火端均位于燃烧筒顶部上方的点火口中，点火筒体中设置有引燃气体通道，引燃气体通道的出口与点火口相连通，点火筒体上设置有引燃气体输入管。

进一步地，前述的集成型重整制氢装置中的热利用机构，其中，外壳与外筒之间填充有保温隔热材料。

本发明的优点是：一、在集成型重整制氢装置中设置蒸汽发生器101、三级换热器、二级换热器、一级换热器，这充分利用了反应室中各反应区的热量，从而降低制氢装置的使用成本。二、蒸汽发生器设置在安装筒体上、三级换热器和二级换热器分别设置在外筒外和内筒内，这样的安装结构紧凑巧妙，能有效减小整个重整制氢装置的体积，从而为重整制氢装置的小型化提供可靠保障。

附图说明

图1是本发明所述的集成型重整制氢装置中的热利用机构的结构示意图。

图2是图1中点火装置以及进气通道和排气通道的放大结构示意图。

图3是图1中热辐射通道区域内筒内壁上的热辐射导向槽的布置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1、图2、图3所示，集成型重整制氢装置中的热利用机构，包括：封闭的外壳1，外壳1内设置有外筒2，外筒2内设置有内筒3，为了防止热量流失，本实施例中外壳1与外筒2之间填充有保温隔热材料，所述的保温隔热材料主要采用二氧化硅。内筒3与外筒2之间的夹层形成反应室4，反应室4顶部封闭，本实施例中反应室4顶部的外筒2与内筒3之间采用第一法兰40密封固定。反应室4由下往上依次分隔成放置重整反应催化剂的重整反应区41、放置水汽转移反应催化剂的水汽转移反应区42、放置选择性甲烷化反应催化剂的选择性甲烷化反应区43。重整反应区41位置处的内筒3中设置有燃烧筒62，燃烧筒62的外壁与重整反应区41位置处内筒3的内壁之间形成热辐射通道11，燃烧筒62的下端口与热辐射通道11连通。重整反应区41与水汽转移反应区42之间的反应室4中设置有蒸汽发生器101，蒸汽发生器101上方的外筒2外设置有三级换热器102，蒸汽发生器101上方的内筒3内设置有二级换热器103，二级换热器103的输出端与三级换热器102的输入端相连通，三级换热器102的输出端与蒸汽发生器101的输入端相连通。本实施例中，为了进一步利用输出的氢气的热量，反应室4的顶部设置有换热腔室104，换热腔室104的顶部设置有氢气排出管105，换热腔室104的底部与选择性甲烷化反应区43的顶部连通，换热腔室104中设置一级换热器106，一级换热器106的输出端与二级换热器103的输入端相连通。所述的蒸汽发生器101、三级换热器102、二级换热器103、一级换热器106均为盘管式换热器。采用盘管式换热器的优点在于：能够有效节约空间，换热效率高。

所述的蒸汽发生器101的安装结构包括：在重整反应区41与水汽转移反应区42之间的内筒3的外壁上设置有向外筒2方向凸出的安装筒体301，盘管式的蒸汽发生器101安装在安装筒体301的外壁上。

本实施例中，热辐射通道11区域位置内筒3的内壁和外壁上都间隔设置有若干热辐射导向槽31，内筒3的内壁和外壁上的每个热辐射导向槽31均沿内筒3的高度方向设置，内筒3内壁或外壁上的每个热辐射导向槽31均向着内筒3的本体方向凹陷。内筒3的内壁进而外壁都均匀间隔设置热辐射导向槽31，其目的在于：内筒3的内壁和外壁上热辐射导向槽31有效增加热辐射面积，从而提高热传递效率，同时对热量进行引导，使得热量的传递更加均匀。

所述的燃烧筒62上方的内筒3中设置有第一套筒7、第二套筒8、第三套筒9，第一套筒7、第二套筒8、第三套筒9由外及里依次套设。第一套筒7、第二套筒8、第三套筒9均顶端封闭、下端敞口。第一套筒7与内筒3之间夹层的顶部密封，本实施例中第一套筒7与内筒3之间夹层的顶部采用第二法兰71密封固定。

第一套筒7与第二套筒8之间的夹层形成排气通道100，排气通道100的下端与热辐射通道11的顶端连通，排气通道100的顶部设置有排气管1001，排气管1001将排气通道100中的废气向壳体1外排出。第二套筒8与第三套筒9之间的夹层形成第一进气通道200，第一通道的200的顶部设置有进气管2001。第一进气通道200的底部设置有烟气腔室12，烟气腔室12的结构包括：封板121，封板121固定在第三套筒9底部的内壁上，燃烧筒62的顶部外边缘与第二套筒8的内壁之间密封，燃烧筒62的顶部开设有若干布风口621，封板121、封板121下方的第二套筒8的内壁、以及燃烧筒62的顶部之间形成烟气腔室12；第一进气通道200的下端与烟气腔室12连通。

所述的二级换热器103设置在第一套筒7与内筒3之间的夹层中。

蒸汽发生器101安装区域的内筒3与第一套筒7之间的夹层中填充有保温隔热材料，在此区域设置保温隔热材料的目的在于防止热量向内筒3的内部传递。

本实施例中，内筒3中还设置有点火装置6，点火装置6的结构包括：点火筒601，点火筒601的下端口为点火口602，点火筒601设置在第三套筒9中、且点火筒601的上端依次穿过第三套筒9、第二套筒8、第一套筒7的顶部伸出壳体1，点火筒601的点火口601与烟气腔室12的顶部连通，点火筒601中设置有点火电极603和引火棒604，点火电极603的点火端以及引火棒604的引火端均位于燃烧筒62顶部上方的点火口602中，点火筒601中设置有引燃气体通道604，引燃气体通道604的出口与点火口602相连通，点火筒601上设置有引燃气体输入管605。将点火电极603的点火端以及引火棒604设置在点火口602中，能有效减缓积碳现象的产生，从而延长点火电极603与引火棒604的使用寿命。

工作原理如下：用于燃烧的甲烷气体和空气的混合气体经进气管2001、第一进气通道200进入至烟气腔室12中，烟气腔室12中的气体从布风口621进入燃烧筒62中。引燃气体通过引燃气体通道604进入至点火口602中，点火电极603的点火端与引火棒604的引火端点火引燃后，引燃后的气体通过点火口602喷入至燃烧筒62中，燃烧筒62中的气体燃烧释放大量能量，燃烧筒62内燃烧的温度可达1100℃左右。带着大量热量的烟气向下经燃烧筒62的底部进入至热辐射通道11中，在热辐射通道11内外两侧的热辐射导向槽31的引导下，热量迅速传递至重整反应区41，从而为重整反应区41的反应提供充足的热量，热辐射通道11中的气体向上运动经排气通道100、排气管1001后向壳体1外排出。在排气通道100中的烟气会将热量传递给第一套筒7与内套筒3之间夹层的二级换热器103中。

重整反应区41反应生成含氢气、一氧化碳的重整气体，重整反应区41温度高达800℃～1000℃。重整气体温度高达达600℃～800℃，重整气体向上运将热量传递给蒸汽发生器101，然后进入至水汽转移反应区42，水汽转移反应区42反应除去重整气体中的大量的一氧化碳，水汽转移反应区42中除去大量的一氧化碳后的气体继续向上运动进入选择性甲烷化反应区43进一步除一氧化碳，选择性甲烷化反应区43中纯化后的氢气继续向上输出。三级换热器102和二级换热器103起到很好的温度调节作用，使得水汽转移反应区42反应温度控制在300℃～350℃，选择性甲烷化反应区43反应温度控制在160℃～190℃。水汽转移反应区42中输出的氢气进入换热腔室104然后经氢气排出管105排出。氢气的热量传递至一级换热器106中。

外部供水，通常为去离子水，从一级换热器106的输入端进入，去离子水吸收了氢气中的热量后，得到预热。一级换热器106中预热后的去离子水从一级换热器106的输出端进入至二级换热器103中，二级换热器103中的去离子水进一步吸收热量后温度得到提高，二级换热器103中的去离子在进入至三级换热器102中。三级换热器102中的去离子水温度不断升高并进入至蒸汽发生器101中。蒸汽发生器101中的去离子水吸收热量后形成水蒸汽，蒸汽发生器101输出端输出的水蒸汽通常用作重整反应区41反应用的水蒸气。当然蒸汽发生器101输出端输出的水蒸汽也可以向外供应。

本发明的优点在于：一、在集成型重整制氢装置中设置蒸汽发生器101、三级换热器102、二级换热器103、一级换热器106，这充分利用了反应室4中各反应区的热量，从而降低制氢装置的使用成本。二、蒸汽发生器101设置在安装筒体301上、三级换热器102和二级换热器103分别设置在外筒2外和内筒3内，这样的安装结构紧凑巧妙，能有效减小整个重整制氢装置的体积，从而为重整制氢装置的小型化提供可靠保障，为洁净能源向更多领域推广提供条件。