[发明专利]一种吸放热耦合的制氢反应器

说明书

本发明涉及一种吸放热耦合的制氢反应器。该反应器为同心圆式的多层圆筒结构，由外层到内层依次为低温反应原料腔，高温反应原料腔，制氢反应腔，燃烧反应腔，燃烧分布腔，燃烧混合腔及缓冲腔。本发明反应器充分利用了气流分布设计、不同反应的有效匹配，来保证反应器的高传热效率和反应温度的均匀分布，有效地实现了系统热量的合理分布及系统的稳定运行。通过原料的缓冲腔、分布腔、混合腔和分布腔的设计，解决了小型反应空间内的物料分布不均匀的问题。通过设计阀门组提高了制氢反应器的能量效率。综上，本发明的制氢反应器具有紧凑、小型的外型特点，具有高的燃烧效率和传热效率，减小吸热过程和放热过程的传热阻力，具有良好的应用前景。

技术领域

本发明属于氢能源的技术领域，具体涉及一种吸放热耦合的制氢反应器，通过强放热和强吸热的匹配，将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体。

背景技术

随着社会的发展，能源短缺、环境污染和温室效应等诸多问题已成为世界各国政府关注的焦点。为了保护人类赖以生存的环境并使经济持续发展，开发洁净的新能源和可再生能源正在成为世界各国经济发展的共同选择。氢能作为一种零碳或低碳能源，既可以存储又可以方便输运，以它为核心的“氢经济”可能带来能源结构的重大改变，从而减少或消除以争夺石油为目的的政治、军事冲突，有利于世界和平。

作为洁净高效的“氢经济”利用新技术，氢能源的制备和燃料电池的应用已成为此领域的两个重要核心问题。随着氢能与燃料电池技术研发的深入，小型分布式和便携式燃料电池电源系统逐步成为新的产业增长点，将进一步拓展氢能及燃料电池技术应用的领域。然而，氢能制备的环节严重制约了目前氢能技术的进一步发展。尽管工业规模制氢技术的应用比较成熟，但将其简单缩小却远远不能满足燃料电池技术商品化对燃料氢的成本和接口相应技术的要求。

因此，诸多研究人员对小型制氢反应器进行了研究：为了减小反应器体积，将传热、传质、不同反应过程综合进行的多功能反应器是研究的热点之一。在所有关于小型化烃类、醇类重整制氢反应器的研究中，最核心的关键问题就是提高放热源和吸热源之间的传热效率。一般采用错位间接耦合方式，即催化燃烧或者其它放热反应作为热源，利用热交换的方式为制氢吸热反应供热，可以最大程度提高产品气中氢气浓度。由于此类吸放热耦合的制氢反应器中涉及强放热反应和强吸热反应以及强放热反应和蒸发的耦合，其中热量的系统安排将直接影响到反应的性能。一旦热量在整个反应体系中的分布不合理，将导致多种负面影响，如反应转化率低、催化剂失活以及反应副产物多等，更为严重的是这种情况可能损坏反应器及其与反应器相连的管线。热量分布不合理的负面影响中最典型的就是反应器温度不好控制，使得催化剂的选择性和产率均较低。另外，对于将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体的制氢过程，是通过给整个制氢反应过程输入足够的能量，让含氢原料中的碳氢键和碳碳键等断裂，形成氢、一氧化碳、二氧化碳等小分子物质。其中，最常见的输入能量的方式就是采用燃烧部分将含氢原料，通过其燃烧反应为制氢过程提供能量。对于这类吸热反应和放热反应同时进行的反应器，当吸热和放热的数量及速度不一致时，就会直接通过反应温度的变化而表现出来，放热速率过快，则会在吸热反应的区域表现为反应温度过高，更有可能出现局部过热严重，从而导致催化剂提前失活、副反应增多、产品气不合格等后果；而放热速率过慢，则会导致吸热反应的反应温度过低，直接导致反应转化率下降，甚至无法正常进行。

由于未来对小型分布式和便携式燃料电池电源系统的市场需求和技术要求，一般此类制氢反应器内部空间相对较小，如何保证物料在较小空间内的混合与分布也是此类小型制氢反应器的核心问题之一。

发明内容

为弥补现有技术的不足，本发明要解决的技术问题之一是如何提高燃烧效率和传热效率，减小吸热过程和放热过程的传热阻力；本发明要解决的另一个技术问题就是如何提高整个制氢反应器的集成度，实现反应器的小型化。基于此本发明提供一种吸放热耦合的制氢反应器，通过强放热和强吸热的匹配，将含氢原料(醇、烷烃等)转化为富氢气体。通过采用多级混合、多段折流等方式，以保证反应物流的均匀分布及不同物流之间的充分混合。