一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置

1.本发明属于碳氢燃料重整制氢装置领域，特别是涉及一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置。


背景技术：

2.能源是人类赖以生存的基础，是经济和社会发展的保障。但当今世界能源资源日益紧张，面临着严重的环境污染和能源枯竭问题。现有的很多机械设备的能量利用率有限，化石能源的不充分利用会造成资源的浪费，此外，化石燃料的使用过程还会产生大量温室气体以及有害物质，会对环境造成严重的污染破坏。因此可以将化石燃料使用过程中产生的高温尾气进行收集利用，提高能量利用率。
3.在环境污染严重的今天，大力开发与推广利用新能源势在必行，氢能是一种目前研究较热的新能源，其燃烧热值高，燃烧产物无污染，获取方式容易且多样，是一种较为理想的清洁能源，具有广阔的应用前景，其高效、安全、无污染的特点，将在不远的将来成为新能源的支柱。
4.因氢气常温呈气态，且易燃易爆等问题，导致储存、运输困难，利用碳氢燃料进行现场制氢成为各种设备常用的制氢方式，碳氢燃料重整制氢的方法主要有三种，即水蒸气重整、部分氧化重整及自热重整。在有外部热源的情况下，水蒸气重整产氢量大含量高，条件温和，是当前主流的选择。
5.目前公开的有关机械设备尾气余热利用的重整制氢装置，其结构在余热的利用以及制氢效率上仍存在一定的不足，可以进一步优化设计。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置，以解决现有利用尾气余热的重整制氢装置在余热的利用率低以及制氢效率低的问题。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置，它包括重整腔、多个矩形螺旋外尾气流道单元和多个矩形螺旋气化流道单元，所述重整腔的内部设置有圆柱型内尾气流道，所述多个矩形螺旋外尾气流道单元和多个矩形螺旋气化流道单元均以矩形螺旋流道的形式相互交替盘绕在重整腔的外侧，所述重整腔包括多个重整流道单元，所述多个重整流道单元沿圆周排列设置，所述多个矩形螺旋气化流道单元与多个重整流道单元一一对应，所述矩形螺旋气化流道单元的一端与重整流道单元连通。
8.更进一步的，所述重整腔的两端分别设置有尾气入口和尾气排出通道，所述尾气入口通过圆柱型内尾气流道和多个矩形螺旋外尾气流道单元与尾气排出通道连通。
9.更进一步的，所述尾气排出通道与圆柱型内尾气流道和多个矩形螺旋外尾气流道单元之间设置有内外流道尾气汇集腔。
10.更进一步的，所述多个矩形螺旋外尾气流道单元和多个矩形螺旋气化流道单元的外部设置有燃料缓冲分流腔体，所述燃料缓冲分流腔体靠近尾气排出通道的一侧设置有燃料入口，所述多个矩形螺旋气化流道单元靠近尾气入口的一端均与燃料缓冲分流腔体连通。
11.更进一步的，所述重整流道单元的一端设有重整单元入口，所述多个矩形螺旋气化流道单元的靠近尾气入口的一端均通过气化单元入口通道与燃料缓冲分流腔体连通，另一端均通过重整单元入口通道与重整流道单元连通。
12.更进一步的，所述缓冲分流腔体的一端设置有气体产物汇集腔，气体产物汇集腔上设置有气体产物出口，所述重整流道单元靠近尾气入口的一端设置有重整单元出口通道，所述多个重整流道单元均通过重整单元出口通道与气体产物汇集腔连通。
13.更进一步的，所述重整流道单元靠近尾气入口的一端设置有内外流道尾气分隔体。
14.更进一步的，所述圆柱型内尾气流道的内壁上沿圆周均匀分布有多个内尾气流道翅片。
15.更进一步的，所述重整流道单元内设置有纵向设置的第一肋片和横向设置第二肋片，所述第一肋片与第二肋片交叉设置。
16.更进一步的，所述重整流道单元两侧设有重整单元壁面，所述相邻两重整流道单元之间通过重整单元壁面连接。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.1、本发明的高温尾气流道通道包括矩形螺旋外尾气流道单元和圆柱型内尾气流道两个通道，由内外流道尾气分隔体将进口的高温尾气分按需为两部分，可以充分利用高温尾气的余热；
19.2、本发明的矩形螺旋外尾气流道单元和矩形螺旋气化流道单元以矩形螺旋流道的形式相互交替盘绕在重整流道单元外侧，矩形螺旋外尾气流道单元两侧为矩形螺旋气化流道单元，利用螺旋通道的二次扰流，以及尾气与气化单元交替布置的形式强化换热，提高效率；
20.3、本发明的燃料气化单元为矩形螺旋通道，两侧为矩形螺旋外尾气流道，内侧为重整腔，一个气化单元连接一个重整单元，进行多单元重整制氢，紧凑的换热结构以及多单元气化重整可以利用余热提高热效率；
21.4、本发明的重整流道单元内布置有第一肋片与第二肋片，将重整单元内部进一步分为四个区域，强化传热加快反应速率。外侧为矩形螺旋外尾气流道与矩形螺旋气化流道，内侧为带有多组导热翅片的圆柱型内尾气流道，圆柱型内尾气流道壁面布置有多组导热的内尾气流道翅片，环形内外布置可以减少热量损失，增强传热性能；
22.5、本发明所设计的内外流道高温尾气分隔体呈三角形圆环状，与重整单元出口壁面设计为一体，可将尾气按需分为两部分，分别进入矩形螺旋外尾气流道和圆柱型内尾气流道；
23.6、本发明的燃料缓冲分流腔体位于整个反应装置外部，可储存少量燃料，通过暂存一定量燃料的缓冲作用使气化单元入口通道流量均匀。
附图说明
24.构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
25.图1为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置的整体结构示意图；
26.图2为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置所做截面切面位置示意图；
27.图3为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置截面(a-a)的结构示意图；
28.图4为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置截面(b-b)的结构示意图；
29.图5为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置截面(c-c)的结构示意图；
30.图6为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置截面(d-d)的结构示意图；
31.图7为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置截面(e-e)的结构示意图；
32.图8为本发明所述的一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置的重整流道单元的重整流道单元的截面结构示意图。
33.1-尾气入口，2-内外流道尾气分隔体，3-矩形螺旋外尾气流道，4-圆柱型内尾气流道，5-内外流道尾气汇集腔，6-尾气排出通道，7-燃料入口，8-燃料缓冲分流腔体，9-气化单元入口通道，10-矩形螺旋气化流道单元，11-重整单元入口通道，12-重整流道单元，13-重整流道内置肋片，14-重整单元出口通道，15-气体产物汇集腔，16-气体产物出口，17-内尾气流道翅片，18-重整单元壁面，19-第一肋片，20-第二肋片。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.参见图1-8说明本实施方式，一种高效余热利用的分流夹层式多单元重整制氢反应装置，它包括重整腔、多个矩形螺旋外尾气流道单元3和多个矩形螺旋气化流道单元10，所述重整腔的内部设置有圆柱型内尾气流道4，所述多个矩形螺旋外尾气流道单元3和多个矩形螺旋气化流道单元10均以矩形螺旋流道的形式相互交替盘绕在重整腔的外侧，所述重整腔包括多个重整流道单元12，所述多个重整流道单元12沿圆周排列设置，所述多个矩形螺旋气化流道单元10与多个重整流道单元12一一对应，所述矩形螺旋气化流道单元10的一端与重整流道单元12连通，高温尾气分别通过矩形螺旋外尾气流道单元3和矩形螺旋气化流道单元10，进入矩形螺旋外尾气流道单元3的燃料与矩形螺旋外尾气流道单元3的高温尾气进行换热，并将燃料气化，气化后的燃料进入到重整流道单元12中进行重整，圆柱型内尾气流道4中的高温尾气为进入重整流道单元12的气化燃料的重整提供所需的热量。
36.本实施例中所述重整腔的两端分别设置有尾气入口1和尾气排出通道6，所述尾气入口1通过圆柱型内尾气流道4和多个矩形螺旋外尾气流道单元3与尾气排出通道6连通，高温尾气从尾气入口1进入到圆柱型内尾气流道4和矩形螺旋外尾气流道单元3进行换热，换热后的高温尾气从尾气排出通道6排出。
37.本实施例中所述尾气排出通道6与圆柱型内尾气流道4和多个矩形螺旋外尾气流道单元3之间设置有内外流道尾气汇集腔5，完成重整的气体产物通过内外流道尾气汇集腔5进行收集和排出。
38.本实施例中所述多个矩形螺旋外尾气流道单元3和多个矩形螺旋气化流道单元10的外部设置有燃料缓冲分流腔体8，所述燃料缓冲分流腔体8靠近尾气排出通道6的一侧设置有燃料入口7，所述多个矩形螺旋气化流道单元10靠近尾气入口1的一端均与燃料缓冲分流腔体8连通，所述重整流道单元12的一端设有重整单元入口通道11，所述多个矩形螺旋气化流道单元10的靠近尾气入口1的一端均通过气化单元入口通道9与燃料缓冲分流腔体8连通，另一端均通过重整单元入口通道11与重整流道单元12连通，燃料从燃料入口7进入燃料缓冲分流腔体8，燃料缓冲分流腔体8位于整个反应装置外部，可储存少量燃料，通过暂存一定量燃料的缓冲作用使气化单元入口通道9流量均匀，燃料通过气化单元入口通道9从燃料缓冲分流腔体8流入矩形螺旋气化流道单元10后与矩形螺旋外尾气流道单元3进行换热，将燃料气化，气化后的燃料从重整单元入口通道11进入重整流道单元12。
39.本实施例中所述燃料缓冲分流腔体8的一端设置有气体产物汇集腔15，气体产物汇集腔15上设置有气体产物出口16，所述重整流道单元12靠近尾气入口1的一端设置有重整单元出口通道14，所述多个重整流道单元12均通过重整单元出口通道14与气体产物汇集腔15连通，在重整流道单元12内完成重整的气体产物通过重整单元出口通道14进入到气体产物汇集腔15进行收集并从气体产物出口16排出。
40.本实施例中所述重整流道单元12靠近尾气入口1的一端设置有内外流道尾气分隔体2，内外流道高温尾气分隔体2呈三角形圆环状，与重整流道单元12的重整单元出口通道14的壁面设计为一体，可将尾气按需分为两部分，分别进入矩形螺旋外尾气流道单元3和圆柱型内尾气流道4。
41.本实施例中所述圆柱型内尾气流道4的内壁上沿圆周均匀分布有多个内尾气流道翅片17，内尾气流道翅片17的作用为导热，并且增强圆柱型内尾气流道4的传热性能。
42.本实施例中所述重整流道单元12内设置有纵向设置的第一肋片19和横向设置第二肋片20，所述第一肋片19与第二肋片20交叉设置，重整流道单元内12布置有第一肋片19与第二肋片20，将重整流道单元12内部通过第一肋片19与第二肋片20进一步的分为四个区域，强化传热加快反应速率。
43.本实施例中所述重整流道单元12两侧设有重整单元壁面18，所述相邻两重整流道单元12之间通过重整单元壁面18连接。
44.本实施例的工作原理如下：
45.高温尾气在通过尾气入口1进入后，被内外流道尾气分隔体2分成两部分，一部分进入矩形螺旋外尾气流道3与矩形螺旋气化流道单元10中的燃料进行换热，另一部分进入圆柱型内尾气流道4，为重整流道单元12提供热量，碳氢燃料从燃料入口7通入燃料缓冲分流腔体8中，燃料通过燃料缓冲分流腔体8缓冲后通过气化单元入口通道9均匀的进入矩形
螺旋气化流道单元10，矩形螺旋外尾气流道3与矩形螺旋气化流道单元10以矩形螺旋流道的形式相互交替盘绕在重整流道单元12外部，矩形螺旋外尾气流道3两侧为矩形螺旋燃料气化单元10，通过螺旋壁面进行热量传递，将矩形螺旋气化流道单元10内的燃料气化，气化后的燃料从重整单元入口通道11进入到重整流道单元12中进行重整，圆柱型内尾气流道4中的高温尾气为进入重整流道单元12的气化燃料的重整提供所需的热量，完成重整的气体产物通过气体产物汇集腔15进行收集并从气体产物出口16排出。
46.本实施例中高温尾气流道通道包括矩形螺旋外尾气流道单元3和圆柱型内尾气流道4两个通道，由内外流道尾气分隔体2将进口的高温尾气分按需为两部分，可以充分利用高温尾气的余热。
47.本实施例中所述的矩形螺旋外尾气流道单元3和矩形螺旋气化流道单元10以矩形螺旋流道的形式相互交替盘绕在重整流道单元12外侧，矩形螺旋外尾气流道单元3两侧为矩形螺旋气化流道单元10，利用螺旋通道的二次扰流，以及尾气与气化单元交替布置的形式强化换热，提高效率。
48.本实施例中所述的矩形螺旋气化流道单元10为矩形螺旋通道，两侧为矩形螺旋外尾气流道单元3，内侧为重整腔，一个矩形螺旋气化流道单元10连接一个重整流道单元12，进行多单元重整制氢，紧凑的换热结构以及多单元气化重整可以利用余热提高热效率。
49.以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。