基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及甲醇水重整制氫系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氫，是一種21世紀最理想的能源之一，在燃燒相同重量的煤、汽油和氫氣的情況下，氫氣產(chǎn)生的能量最多，而且它燃燒的產(chǎn)物是水，沒有灰渣和廢氣，不會污染環(huán)境；而煤和石油燃燒生成的主要是COjPSO2，可分別產(chǎn)生溫室效應和酸雨。煤和石油的儲量是有限的，而氫主要存于水中，燃燒后唯一的產(chǎn)物也是水，可源源不斷地產(chǎn)生氫氣，永遠不會用完。氫的分布很廣泛，水就是氫的大“倉庫”，其中含有11%的氫。泥土里約有1.5%的氫；石油、煤炭、天然氣、動植物體內(nèi)等都含有氫。氫的主體是以化合物水的形式存在的，而地球表面約70%為水所覆蓋，儲水量很大，因此可以說，氫是“取之不盡、用之不竭”的能源。如果能用合適的方法從制取氫，那么氫也將是一種價格相當便宜的能源。
[0003]目前，世界上氫的年產(chǎn)量約為3600萬噸，制氫方法主要有兩種:其一、絕大部分氫是從石油、煤炭和天然氣中制取，這種方法需要消耗本來就很緊缺的礦物燃料；其二、約有4%的氫是用電解水的方法制取，這種方法消耗電能大，很不劃算。隨著技術(shù)的進步，采用甲醇和水重整制氫的技術(shù)漸漸得到發(fā)展，其能減少化工生產(chǎn)中的能耗和降低成本，并有望替代電能消耗特別在的電解水制氫工藝。利用先進的甲醇水蒸氣重整技術(shù)制取4與0)2的混合氣體，再經(jīng)鈀膜分離器分離，可分別得到HjP CO 2。
[0004]參照中國發(fā)明申請201310340475.0 (申請人:上海合既得動氫機器有限公司)，該專利公開了一種甲醇水制氫系統(tǒng)，甲醇與水蒸氣在重整器的重整室內(nèi)，在350-570°C溫度下1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統(tǒng)。反應方程如下:(I) CH3OH — C0+2H2； (2) H 20+C0 — C02+H2； (3) CH 30H+H20 — C02+3H2，重整反應生成的 H2^PCO2,再經(jīng)過分離室的鈀膜分離器將HjP CO 2分離，得到高純氫氣。
[0005]甲醇與水蒸氣的重整制氫反應的過程中，由于重整器內(nèi)需要維持350_570°C溫度，因此，在重整器啟動之后，一部分生成的H2需要與O2燃燒，產(chǎn)生熱量，以維持重整器的運行。在現(xiàn)有技術(shù)中，02直接來源于從外界扇進重整器的空氣，具體參照中國發(fā)明申請201410311217.4 (申請人:廣東合即得能源科技有限公司)，重整器安裝有進風蓋板，該進風蓋板設(shè)有風道，外界空氣可經(jīng)該風道進入至重整器內(nèi)。重整器設(shè)有排氣裝置(氣筒)，外界空氣中的N2、C02等未燃燒的氣體，02與H2燃燒后產(chǎn)生的水汽，均從排氣裝置(氣筒)中排出，與此同時，甲醇水重整反應生成的比和CO2，經(jīng)過分離室的鈀膜分離器分離出氫氣后，剩下的CO2以及未反應的水汽也從排氣裝置(氣筒)中排出。這些排出的余氣(包括水汽、CO 2、N2等氣體)具有的特性是:貧氧、富水汽、熱量高，其溫度通常在300-600°C之間。
[0006]承上，基于以上技術(shù)情況，其帶來的缺陷是:其一、排出的余氣，浪費了大量的熱能，使得甲醇水重整制氫系統(tǒng)的甲醇水原料利用率不高，不利于節(jié)能減排；其二、排出的余氣，具有較高的溫度(通常在300-600°C之間)，影響甲醇水重整制氫系統(tǒng)各部分設(shè)備運轉(zhuǎn)，例如當控制裝置若受到高溫氣體影響，其壽命和穩(wěn)定性將明顯降低，甚至出現(xiàn)嚴重燒壞問題；其三、重整器內(nèi)燃燒需要的O2直接來源于從外界扇進重整器的空氣，空氣溫度為常溫，常溫空氣直接進入重整器后，其助燃效果不佳。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)，該余氣換熱助燃系統(tǒng)能充分回收重整器所排出的余氣中的熱量，使外界空氣在進入重整器之前得到升溫，進而使升溫后的外界空氣助燃效果非常好。為此，本發(fā)明還要提供一種所述余氣換熱助燃系統(tǒng)的方法。
[0008]為解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)，包括重整器、換熱管及進風裝置，其中:
重整器，重整器設(shè)有重整室、分離裝置、燃燒腔及排氣囪口，所述重整室用于甲醇與水蒸汽發(fā)生重整制氫反應制得氫氣和二氧化碳混合氣體，所述分離裝置用于分離出制得的氫氣，所述燃燒腔用于部分制得的氫氣與外界空氣中的氧氣燃燒，為重整器的運行提供熱量；所述分離裝置分離之后的二氧化碳、燃燒腔內(nèi)氫氣氧氣燃燒產(chǎn)生的水汽以及外界空氣中的未燃燒氣體混合成余氣，從所述排氣囪口排向換熱管之第一輸送通道；
換熱管，換熱管具有雙層同軸心的第一輸送通道及第二輸送通道，在換熱管的一端，第一輸送通道與所述排氣囪口相連通，第二輸送通道與重整器之燃燒腔進風口相連通；在換熱管的另一端，第一輸送通道設(shè)有余氣排出口，第二輸送通道連接進風裝置；所述進風裝置輸入的外界空氣在第二輸送通道中，與第一輸送通道中的余氣進行換熱，外界空氣溫度升高，進入重整器之燃燒腔助燃，余氣溫度降低，從第一輸送通道的余氣排出口排出。
[0009]所述基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)還設(shè)有氣水分離器，該氣水分離器包括分離器主體及設(shè)置于分離器主體上的氣水輸入口、出氣口及出水口，其中，該氣水輸入口連通所述第一輸送通道的余氣排出口，該出氣口連接排氣風扇。
[0010]所述氣水分離器的出水口連接有凈水器，該凈水器中設(shè)有RO膜凈水裝置，經(jīng)凈水器凈化后的凈水輸出至凈水水箱。
[0011]所述基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)還包括甲醇水儲存輸送裝置，該甲醇水儲存輸送裝置包括甲醇水儲存容器及輸送泵，所述甲醇水儲存容器內(nèi)儲存有液態(tài)的甲醇和水原料，所述輸送泵用于將甲醇水儲存容器中的甲醇和水原料輸送至重整器；所述氣水分離器輸出的水或者凈水水箱輸出的水作為水原料供應給甲醇水儲存容器。
[0012]所述甲醇水儲存輸送裝置與重整器之間的輸送管道上設(shè)有換熱器，低溫的甲醇和水原料在換熱器中，與重整室輸出的高溫氫氣進行換熱，甲醇和水原料溫度升高、汽化；所述分離裝置的產(chǎn)氣端輸出的氫氣，經(jīng)換熱器后溫度降低。
[0013]所述換熱管呈螺旋狀環(huán)繞于重整器之外殼上，所述換熱管的上端，為連通重整器之排氣囪口及重整器之燃燒腔進風口的一端，所述換熱管的下端，為連接進風裝置及余氣排出口的一端。
[0014]所述換熱管為雙層同軸心的鈦合金波紋管、鎂合金波紋管、鋁質(zhì)波紋管、銅質(zhì)波紋管、不銹鋼波紋管中的任意一種。
[0015]為解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)的方法，包括以下步驟:
(1)重整器在運行過程中，從排氣囪口排出貧氧、含水汽、高熱量的余氣，該余氣從換熱管一端進入換熱管的第一輸送通道；與此同時，進風裝置工作，從進風裝置進入的外界空氣，從換熱管另一端進入換熱管的第二輸送通道；
(2)外界空氣在第二輸送通道中，與第一輸送通道中的余氣進行換熱，外界空氣溫度升高，變成高熱量空氣，并進入重整器之燃燒腔助燃；與此同時，余氣溫度降低，變成低熱量的余氣，而余氣中的水汽則冷凝成冷凝水，均從第一輸送通道的余氣排出口排出。
[0016]所述第一輸送通道的余氣排出口排出的余氣和冷凝水均進入氣水分離器，經(jīng)氣水分離器分離后，余氣經(jīng)排氣風扇排出至外界，冷凝水作為重整器運行的水原料使用。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:
其一、本發(fā)明通過設(shè)置雙層同軸心的換熱管，使重整器排出的余氣中的大量熱能能夠回收利用，使得甲醇水重整制氫系統(tǒng)的甲醇水原料利用率大幅提高，有利于節(jié)能減排；
其二、從重整器之排氣囪口排出的余氣，其溫度通常在300-600°C之間，經(jīng)換熱管換熱后，溫度通常將降至50°C以下，這樣低的余氣溫度很難再影響到甲醇水重整制氫系統(tǒng)的各部分設(shè)備運轉(zhuǎn)，因而能避免高溫余氣降低甲醇水重整制氫系統(tǒng)的壽命和穩(wěn)定性的問題，以及避免出現(xiàn)嚴重燒壞設(shè)備的問題；
其三、外界空氣在換熱管中與高溫余氣換熱后，外界空氣溫度迅速升高，其溫度通常能達到200-500°C的高溫，當高溫空氣進入重整器之燃燒腔后，不但高溫空氣能為重整室提供一部分熱量，以減少氫氣燃燒量，而且高溫空氣中的氧氣能與氫氣更好地燃燒，使氧氣助燃效果非常好；
此外，在本發(fā)明的進一步優(yōu)選方式中，本發(fā)明還設(shè)置氣水分離器，氣水分離器的氣水輸入口連通所述換熱管的余氣排出口，當貧氧、含水汽、高熱量的余氣通過換熱管換熱后，大部分水汽遇冷冷凝成冷凝水，這部分冷凝水經(jīng)氣水分離器分離后，從氣水分離器的出水口流出，從而制得甲醇水重整制氫反應所需要的水原料，或作其它用；在一些使用甲醇水重整制氫系統(tǒng)的水資源缺乏地域，例如高山通信基站、制氫站等等，制水作用尤其顯著。
【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)方框示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明一優(yōu)選實施例的縱剖視結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明另一優(yōu)選實施例的縱剖視結(jié)構(gòu)原理示意圖。
[0021]圖4為換熱管的橫截面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理和工作原理作進一步詳細說明。
[0023]如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明為一種基于甲醇水重整制氫系統(tǒng)的余氣換熱助燃系統(tǒng)，包括重整器1、換熱管2及進風裝置3，其中:
重整器1，重整器設(shè)有重整室、分離裝置、燃燒腔及排氣囪口 11，所述重整室用于甲醇與水蒸汽發(fā)生重整制氫反應制得氫氣和二氧化碳混合氣體，重整室內(nèi)的溫度為300-570°C溫度，重整室內(nèi)設(shè)有催化劑，在重整室內(nèi)，甲醇與水蒸氣在1-5M Pa的壓力條件下通過催化劑，在催化劑的作用下，發(fā)生甲醇裂解反應和一氧化碳的變換反應，生成氫氣和二氧化碳，這是一個多組份、多反應的氣固催化反應系統(tǒng)，反應方程為:(l)CH3OH — CO+2H