一种SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置及发电系统

摘要

本发明提供了一种SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置，所述装置包括燃气-空气预混器、燃烧室和位于燃烧室外围的重整腔，还包括预重整烟气辐射腔和预重整腔。其中，所述的燃烧室与燃气-空气预混器相连通，所述的预重整烟气辐射腔与燃烧室相连通，并且所述的预重整腔位于预重整烟气辐射腔的外围，且预重整腔与重整腔相连通。所述装置还包括水-甲烷预混器和汽化预热腔，所述的汽化预热腔与预重整烟气辐射腔相连通，所述的水-甲烷预混器位于汽化预热腔之内并与预重整腔相连通。燃烧室产生的热能依次经过重整腔、预重整腔和水-甲烷预混器进行多次梯级热交换，使燃烧能量实现梯级利用，简化整个装置的结构，并提高装置集成度。

说明书

技术领域

本发明涉及热处理技术及催化领域，具体地，本发明涉及一种SOFC系统用 燃烧能量梯级利用的重整反应装置，以及应用此重整反应装置的SOFC发电系统。

背景技术

固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel cell）系统，即SOFC发电系统， 是一种新型发电装置，属于第三代燃料电池，是一种在中高温下直接将储存在 燃料和氧化剂中的化学能高效、环境友好地转化成电能的全固态化学发电装 置。

SOFC发电系统作为将燃料从化学能转变成电能和热能的能量转换装置，其 高效率、无污染、全固态结构等优点，已经使其成为最具有潜力的重要能量转 换工具之一。SOFC发电系统在燃料效率、排放、维修和噪声污染方面都有很大 优势。

典型的SOFC热电联产系统包括燃料处理系统、SOFC本体发电系统、直交 流电转化系统、余热回收系统，所需要的设备包括压缩机、蒸汽发生器、重整 反应器、换热器以及燃烧器等。

气体燃料或液体燃料在进入电池堆发生电化学反应之前，一般都需要转化 为H₂和CO的合成气，以天然气为原料的燃料电池，通常选用水蒸气重整的方 式(CH₄+H₂O→CO+3H₂）实时制取氢气，该反应是一个强吸热反应（△H298K=+226 kJ/mol)，其反应所需的热量则来自于燃烧器。燃烧器通过燃烧从SOFC电堆出 来的阳极尾气来为整个系统提供热量，而对于SOFC系统来说，重整反应是这 个能量的主要消费者。

根据重整反应发生在电池内部或外部，可以分为内重整和外重整。内重整 容易造成电极各处温度分布不均且有积碳反应发生，从而导致电池功率密度大 幅度下降。通过在电池外部附加专门的重整反应器的外重整技术发展的较为成 熟，是世界上已有燃料电池应用系统最主流的制氢方式。

目前的重整反应装置主要是由分立式的重整反应器和尾气燃烧器组成，通 过SOFC电堆尾气燃烧所产生的高温烟气冲刷重整反应器的壁面完成热交换， 进而对重整反应进行供热。这种换热方式的瓶颈在于高温烟气冲刷重整反应器 壁面的换热系数较低，为达到预期的换热效果，就必须有较大的换热面积，从 而造成这种分立式的重整反应装置体积庞大，系统集成度低，且易与装置系统 中其它部件产生结构干涉。

另一方面，重整反应所需的原料为天然气和水蒸汽。为了使重整反应能够 达到较高的反应效率，原料在进入重整器进行反应之前还需要经过原料预混 器，使天然气和水蒸汽充分地混合预热。另外，还需要通过蒸汽发生器将液态 水加热产生所需的水蒸汽。

综上所述，本领域迫切需要开发一种体积小，装置简易，高效率的重整反 应装置。

发明内容

本发明提供了一种体积小、热效率高的重整反应装置。

本发明的第一方面，提供了一种固体氧化物燃料电池（solid oxide fuel  cell,SOFC）系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置，所述装置包括燃气-空气 预混器、燃烧室和位于燃烧室外围的重整腔，还包括：预重整烟气辐射腔和预重整 腔；

其中，所述的燃烧室与燃气-空气预混器相连通；

所述的预重整烟气辐射腔与燃烧室相连通；并且

所述的预重整腔位于预重整烟气辐射腔的外围，且预重整腔与重整腔相连通。

在另一优选例中，所述装置还包括水-甲烷预混器和汽化预热腔。

在另一优选例中，所述的汽化预热腔与预重整烟气辐射腔相连通；所述的水- 甲烷预混器位于汽化预热腔之内并与预重整腔相连通。

在另一优选例中，所述装置还具有以下一个或多个特征：

所述的燃烧室位于燃气-空气预混器之上；

所述的预重整烟气辐射腔位于燃烧室之上；和/或

预重整腔位于重整腔之上。

在另一优选例中，所述的燃烧室还包括填充的多孔介质体。

在另一优选例中，所述的多孔介质体的孔径和分布密度按燃气-空气混合气流 自上游至下游的流向由小到大渐变分布。

在另一优选例中，所述的多孔介质体的孔径为30-120mm，和/或所述的多孔介 质体的孔分布密度为60PPI-10PPI。

在另一优选例中，所述多孔介质体的四周是经封边处理的。

在另一优选例中，所述的多孔介质体包括SiC、ZrO₂或Al₂O₃泡沫陶瓷。

在另一优选例中，在所述的多孔介质体和燃烧室外壁之间的空隙处填充有SiC 或Al₂O₃质浆料。

在另一优选例中，所述的预重整腔和重整腔内部设有分流翅片。

在另一优选例中，所述的分流翅片沿重整反应原料气流自上游至下游的流向 呈纵向分布，所述分流翅片将预重整腔和重整腔内部纵向分隔为n个气流隔室，其 中n=4-16的正整数。

在另一优选例中，所述分流翅片的数量为4-16片。

在另一优选例中，预重整腔和重整腔内部还含有催化剂，较佳地所述催化剂 为颗粒式催化剂，并填充分布于分流翅片之间。

在另一优选例中，所述的预重整腔还设有气体分流盘，且所述的气体分流盘 用于收集所述空气预混腔中的混合气体并将混合气体沿所述分流翅片流入所述预 重整腔。

在另一优选例中，所述的气体分流盘设于预重整腔的内部，且所述的气体分 流盘连通各个气流隔室。

在另一优选例中，所述的重整腔还设有气体集流盘。

在另一优选例中，所述的重整腔还设有重整产物输出管。

在另一优选例中，所述的气体集流盘设于重整腔的内部，且所述的气体集流 盘连通各个气流隔室并与重整产物输出管相连接。

在另一优选例中，所述的水-甲烷预混器包括水输入管、甲烷输入管和汽化预 热管。

在另一优选例中，所述的水输入管和甲烷输入管均与所述的汽化预热管相连 接。

在另一优选例中，液态水和甲烷分别通过所述水输入管和所述甲烷输入管通 入所述汽化预热管。

在另一优选例中，所述的汽化预热管盘绕分布于汽化预热腔的内部。

在另一优选例中，所述的水-甲烷预混器还设有预热缓冲腔。

在另一优选例中，所述的预热缓冲腔与汽化预热管相连通。

在另一优选例中，所述的汽化预热管盘绕于预热缓冲腔的外围。

在另一优选例中，所述的水-甲烷预混器还设有分流管，分流管连通预热缓冲 腔和预重整腔。

在另一优选例中，所述的分流管的数量为4-16个。

在另一优选例中，所述的预热缓冲腔的形状为圆柱体。

在另一优选例中，所述的预热缓冲腔内填充有导热材料，其中所述的导热材 料包括泡沫金属、金属网、多孔介质材料。

在另一优选例中，所述的汽化预热管的管径相同或不同。

在另一优选例中，所述的汽化预热管包括汽化预热细盘管和汽化过热粗盘管。

在另一优选例中，所述的汽化预热细盘管设于水-甲烷混合气流流向的上游， 所述的汽化过热粗盘管设于水-甲烷混合气流流向的下游。

在另一优选例中，所述的汽化过热粗盘管盘绕于预热缓冲腔的外围，且汽化 预热粗盘与预热缓冲腔相连通。

在另一优选例中，所述的汽化预热细盘管盘绕于汽化过热粗盘管的外围。

在另一优选例中，所述的汽化预热细盘管、汽化过热粗盘管和预热缓冲腔之 间设有空隙。

在另一优选例中，所述的燃气-空气预混器包括燃气输入管、空气输入管和燃 气-空气预混腔。

在另一优选例中，所述的燃气-空气预混腔还包括一级圆柱形预混腔和二级圆 锥形预混腔，所述的一级圆柱形预混腔与二级圆锥形预混腔相连通。

在另一优选例中，所述的燃气输入管、空气输入管和与所述的一级圆柱形预 混腔相连通。

在另一优选例中，所述的燃气输入管由外向内伸入一级圆柱形预混腔中。

在另一优选例中，所述的燃气输入管位于一级圆柱形预混腔中的端部封闭， 和/或所述燃气输入管位于一级圆柱形预混腔之内的管道侧壁上设有喷射孔。

在另一优选例中，所述的二级圆锥形预混腔和燃烧室之间还设有防回火直孔 陶瓷板。

在另一优选例中，所述的防回火直孔陶瓷板的直孔孔径与孔隙率根据回火极 限理论确定。

本发明第二方面，提供了一种燃料发电系统，具有本发明第一方面所述的 SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置以及燃料电池、空压机，分水器及 水箱、计量泵、各类阀控及温控装置。

应理解，在本发明范围内中，本发明的上述各技术特征和在下文(如实施 例)中具体描述的各技术特征之间都可以互相组合，从而构成新的或优选的技 术方案。限于篇幅，在此不再一一累述。

附图说明

图1为本发明的重整反应中燃烧能量梯级利用的示意图。

图2为本发明的实施例装置的外观示意图。

图3为本发明的实施例装置的内部结构示意图。

图4为本发明的实施例装置中水-甲烷预混器与预重整腔相连通的分流管部位 的结构示意图。

图5为本发明的实施例装置中预重整腔与预重整烟气辐射腔在P1-P1所示剖 面的示意图。

图中，1—燃气输入管；2—空气输入管；3—一级圆柱形预混腔；4—预混腔 监测热电偶；5—二级圆锥形预混腔；6—螺栓；7—绝热垫；8—防回火直孔陶瓷板； 9—重整产物输出管；10—气体集流盘；11—催化剂下孔板；12—颗粒式催化剂； 13—燃烧室；14—火花塞；15—预重整烟气辐射腔；16—反应装置外壳；17—预重 整烟气辐射腔外壁；18—分流翅片；19—催化剂上孔板；20—气体分流盘；21—分 流管；22—螺栓；23—汽化预热细盘管；24—汽化过热粗盘管；25—预热缓冲腔； 26—预热缓冲腔外壁；27—汽化预热腔外壳；28—排烟口；29—水输入管；30—甲 烷输入管；31—温控仪。

具体实施方式

本发明人经过长期而深入的研究，首次将重整反应装置中的重整腔设于燃烧 室外围，集成重整反应器、尾气燃烧器、原料预混器和蒸汽发生器的为一体化装 置，并结合多孔介质燃烧技术，从而实现燃烧室产生的高温烟气依次经过重整腔、 预重整腔和水-甲烷预混器进行多次梯级热交换。

燃气-空气预混器

燃气-空气预混器包括燃气输入管、空气输入管、一级圆柱形预混腔、二级 圆锥形预混腔、预混腔温度监测热电偶和防回火直孔陶瓷板。

其中，所述燃气输入管、空气输入管与一级圆柱形预混腔相连通。通常， 所述燃气输入管伸入一级圆柱形预混腔内。在另一优选例中，为了将燃气与空 气更充分地混合，燃气输入管内伸入一级圆柱形预混腔内的一端的端部为封闭 结构，且燃气输入管位于一级预混腔内的管道侧壁上设有若干喷射孔。燃气从 燃气输入管侧壁上的小孔360度喷射入一级圆柱形预混腔内，与由空气输入管 通入的空气发生有效的强制混合，随后预混气被通入二级圆锥形预混腔进一步 完成彻底混合，混合完全的预混气再通过防回火直孔陶瓷板进行整流，通入燃 烧室内进行燃烧。

可用于本发明的燃气输入管的直径没有特殊限制，可以为任何与SOFC阳 极尾气流量、压力相适应，并能与预混腔相对应的大小，优选的直径为6-12mm。

可用于本发明的空气输入管的直径没有特殊限制，可以为任何能够满足与 SOFC阳极尾气流量配比相适应，并能与预混腔相对应的大小，优选的直径为 10-20mm。

可用于本发明的防回火装置没有特殊限制，可以为任何能够起到隔离燃烧 火焰的装置。

通常，防回火装置的材料可为陶瓷板、堇青石、耐火砖、莫来石板等导热 性较小的材料。其直径可与多孔介质体的直径相同，优选小于多孔介质体的最 小直径，为了更好地达到防回火的效果，陶瓷板的厚度优选不小于10mm。

在另一优选例中，所述的陶瓷板可以为直孔陶瓷板，且直孔板上均布若干 个小孔，孔径不大于1mm，并根据预混气体的最小流速设置其孔隙率，使气流 通过直孔板后的速度始终高于火焰的传播速度，从而防止回火的发生，同时起 到对预混气体整流的作用。此外，在二级圆柱形预混腔上可设置一个热电偶来 监测预混腔的温度，以保证燃烧火焰稳定在多孔介质体内不回火。

在本发明中，燃气-空气预混器与燃烧室-重整腔之间采用的连接方式没有特 殊限制，可以为任何牢固、紧密、耐高温的连接。通常，燃气-空气预混器与燃 烧室-重整腔之间可以采用螺栓连接。

此外，重整腔与预混腔之间连接处优选需要设置隔热垫，以尽量减少燃烧 室与重整腔的热传导至预混腔，防止预混气在预混腔内发生自燃。

本发明对燃气-空气预混器所设的位置和连通燃烧室的方式没有特别的限定。 燃气-空气预混器可以设于燃烧室以下位置，也可以是与整个重整反应装置相分离 的独立装置。

重整腔和燃烧室

在本发明中，重整腔设于燃烧室的外围，由此，燃烧产生的热量通过燃烧 室的外壁直接传递到重整腔内部。由于水蒸汽甲烷重整反应一般在500度以上， 提高温度（700度以上）有利于提高甲烷的转化率，因此燃烧室的高品质热量 优先提供给重整腔，进行重整反应。

本发明中，重整腔包括气体集流盘、催化剂下孔板、颗粒式催化剂、分流 翅片、重整产物出输出管和一部分反应装置外壳。

可用于本发明燃烧室中的填料没有特殊限制，为了燃气更充分的燃烧以及 热量的充分利用，燃烧室中可以填充多孔介质体。

多孔介质燃烧技术是一种将预混气体燃料的燃烧稳定在既耐高温又具有 良好导热和辐射性能的多孔介质孔隙中，利用多孔介质的蓄热性能将燃烧热量 储存在多孔介质内部，用来预热未燃的预混气体，使得预混燃烧火焰温度大于 绝热火焰混度。当燃气-空气预混气经防回火装置整流后进入燃烧室，由火花 塞点燃后在多孔介质体内发生燃烧。

多孔介质体的孔径和分布密度没有特别限制，均可以增强燃气燃烧的热量利 用。当然，优选的方式是按燃气-空气混合气流自上游至下游的流向由小到大渐变 分布。其孔径可设为30-120mm之间，其孔分布密度可以从60PPI逐渐过渡到 10PPI。

多孔介质体的材料可由SiC、ZrO₂或Al₂O₃泡沫陶瓷构成。此外，为了使气 体稳定在介质体内部燃烧以及为了强化多孔介质体与燃烧室的外壁之间的换 热，还可以优选对多孔介质体四周进行封边处理并在多孔介质体和燃烧室的外 壁之间的空隙内填充SiC或Al₂O₃质浆料。

本发明所对燃烧室和重整腔的形状没有特别的限定。通常情况下，燃烧室的 形状为圆柱形，重整腔设于燃烧室的外围，为圆环柱形，如本实施例所提供的 技术方案。燃烧室也可以是四角形柱体、五角形柱体、六角形柱体等多种形状， 重整腔也可以是设于燃烧室外围的多种形状。

预重整腔和预重整烟气辐射腔

在本发明中，预重整腔设于预重整烟气辐射腔的外围。燃烧产生的热量通 过燃烧室外壁直接传递到重整腔内部之后，燃烧还产生了大量的高温烟气。高 温烟气排出燃烧室后进入预重整烟气辐射腔，通过预重整烟气辐射腔外壁与预重 整腔进行热交换。这一过程是燃烧能量的二级利用。

本本发明中，预重整腔包括气体分流盘、催化剂上孔板、颗粒式催化剂、 分流翅片和一部分反应装置外壳。预重整腔与重整腔在催化剂上孔板与催化剂 下孔板之间的内部结构基本相同，并且预重整腔与重整腔的内部互相连通。经 过水-甲烷预混器处理的水蒸气和甲烷混合气由分流管进入预重整腔，通过气体 分流盘和催化剂上孔板均匀地分流到各分流翅片之间的各个独立隔室内，进而 进入燃烧室外围的重整腔进行反应。重整反应完成后生成的重整产物气体经催 化剂下孔板流至气体集流盘，最后经重整产物出输出管流出重整腔，完成反应。

如图5所示为预重整腔在P1-P1方向的剖视示意图，分流翅片沿重整反应 原料气流自上游至下游的流向呈纵向分布，4-16个分流翅片将环形的预重整腔 分为若干独立的气流隔室，水-甲烷预混气由气体分流盘和催化剂上孔板流入 预重整腔后，被均匀地分流入催化剂间各隔室内；同时，分流翅片还起到增加 多孔介质体和重整腔之间的换热面积，强化换热效果的作用。在重整腔和预重 整腔内设置了若干温控仪，用来显示腔内上下多个位置温度温度，通过控制燃 烧功率来控制重整反应的温度。

预重整腔所接受到的热量比重整腔接受到的热量小，水蒸气和甲烷混合气 在进入重整腔进行反应之前先经过预重整的过程，加热并活化，从而提高下一 步重整反应的效率。

本实施例中的预重整烟气辐射腔为一个圆柱形空腔，燃烧室所产生的高温 烟气排入预重整烟气辐射腔之内，通过预重整烟气辐射腔外壁与预重整腔进行热 交换。

本发明对预重整烟气辐射腔和预重整腔的形状没有特别的限定。通常情况 下，预重整烟气辐射腔和预重整腔分别与燃烧腔和重整腔相连通且形状相一 致，可以为圆柱形。预重整烟气辐射腔也可以是四角形柱体、五角形柱体、六 角形柱体等多种形状，预重整腔也可以是设于预重整烟气辐射腔外围且形状相 对应的多种形状。

本发明所对分流翅片的分布方式和分流翅片的数量没有特别的限定，只要能 够起到使气体均匀分流且使换热面积增加。通常情况下，分流翅片沿重整反应原料 气流自上游至下游的流向呈纵向分布。分流翅片也可以螺旋形或呈交错分布排列。 分流翅片的数量可以为一片或多片。优选的，分流翅片与分流管的位置和数量相对 应。

水-甲烷预混器和汽化预热腔

可用于本发明的汽化预热腔位于预重整烟气辐射腔之上，并与之相连通，汽 化预热腔内集成了一个水-甲烷预混器，使预重整过程后剩余的燃烧热量被进一 步利用，进行水-甲烷混合气的汽化预热，最终烟气从最上方的排烟口排出。这 一过程是燃烧能量的第三级利用。

本发明中，水-甲烷预混器包括液态水输入管、重整甲烷输入管、汽化预热 管、预热缓冲腔及分流管。

可用于本发明的汽化预热管可以设为垂直管、螺旋盘管或其它任何的形 式。优选的，为了液态水更充分地汽化以及与甲烷更均匀地混合，汽化预热管 可以以盘管的形式设于水-甲烷预混器的内部。此外，汽化预热管的管径可以 自进气端至混合端相同或不同，优选的，汽化预热管可以设为汽化预热细盘管 和汽化过热粗盘管。

在另一优选例中，当1-160g/min的液态水由液态水输入管、1-65SLM的重 整甲烷由重整甲烷输入管进入外层直径2-6mm的汽化预热细盘管进行初步混 合、预热和汽化，汽化膨胀后的混合气体再进入内层直径6-16mm的汽化过热 粗盘管进一步汽化和过热，随后进入中间直径在50-102mm的预热缓冲腔完成充 分混合，由分流管通入预重整腔。

为了提高燃烧烟气与盘管之间的换热效率，外层的汽化预热细盘管与汽化 预热腔外壳之间、内外层盘管之间的可以存在间隙。在另一优选例中，所述的 间隙宜设置在不小于0.25倍盘管外径并不大于0.25倍盘管外径加上2mm之间。

为了使水-甲烷预混气在进入预重整腔前得到充分混合并起到稳定和缓冲 气流的作用，预热缓冲腔的空间应设置可大于汽化盘管的管径。

此外，所述预热缓冲腔可以任意的设有导热填充物。优选的，所述预热缓 冲墙的内部填充泡沫金属、金属网、或导热性好的多孔介质材料，以强化换热 效果。

在本发明中，重整反应的水碳比可以通过调节液态水的进水量来调节，并 通过温控仪显示温度调节燃烧功率来控制水蒸气和甲烷的预热温度。

本发明中，如图4所示，水-甲烷预混气分流管由4-16根以预重整腔中心 均布的直径在4-15mm的分流管组成，由预热缓冲腔流出的水-甲烷预混气由此 分流管流入预重整腔中的气体分流盘。设置此分流管的目的在于使混合气能均 匀地流入预重整腔内各隔室之间，同时起到缓冲压力的作用。当然，可用于本 发明的分流管的管径和数量没有特别限制，可以为两根或多根与分流盘相通并 或与分流翅片位置相对应的、能够起到均匀分流混合气体作用的分流管。

本发明的有益效果

本发明提供了一种SOFC系统用燃烧能量梯级利用的重整反应装置。该装置通 过将重整腔设于燃烧室外围，将预重整腔设于预重整烟气辐射腔的外围，并将水- 甲烷预混器设于汽化预热腔之内，且汽化预热腔与预重整烟气辐射腔相连通，使燃 烧室产生的热能依次经过重整腔、预重整腔和水-甲烷预混器进行多次梯级热交换， 将燃烧、汽化、预热、混合、重整等多功能集成于一体，且结构简单，能够满 足小型化的要求，省去了蒸汽发生器，提高装置的集成度；同时，通过利用多孔 介质燃烧技术的强化燃烧和换热的特性，大大强化了传热效果。燃烧室的高品 质热量首先被用于为外围的重整反应供热，剩余的热量则被进一步用于预热甲 烷并汽化水，实现了能量的梯级利用，实现了系统效率最大化。

在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献 被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述讲授内容之后， 本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申 请所附权利要求书所限定的范围。