甲醇水蒸气重整制氢装置及其启动方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种甲醇水蒸气重整制氢装置及其启动方法，所述甲醇水蒸气重整制氢装置，包括甲醇水蒸气重整反应部，其包括甲醇水蒸气重整催化剂充填床；甲醇水蒸气重整催化剂充填床一侧设有第一甲醇或者甲醇水溶液导入口及第一甲醇或甲醇水溶液导入管道，第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道设有第一甲醇或者甲醇水溶液泵，甲醇水蒸气重整催化剂充填床另一侧连接甲醇水蒸气重整反应产物导出通道，甲醇水蒸气重整催化剂充填床内设有第一温度传感器，甲醇水蒸气重整催化剂充填床一侧还设有第一空气导入口及第一空气导入管道，第一空气导入管道设有第一空气阀门和/或第一空气泵。本发明专利技术实现了在几乎不使用电力条件下甲醇水蒸气重整制氢装置的快速冷启动。整制氢装置的快速冷启动。整制氢装置的快速冷启动。

【技术实现步骤摘要】
甲醇水蒸气重整制氢装置及其启动方法


[0001]本专利技术涉及氢能与燃料电池
，特别涉及一种甲醇水蒸气重整制氢装置及其启动方法。

技术介绍

[0002]氢能与燃料电池由于具有清洁高效的特点，在全球气候变暖、异常气候频发的背景下正在得到大力的发展。以甲醇为原料的甲醇燃料电池汽车不仅清洁高效，还因为具有燃料加注简单快速、不存在续航里程焦虑等优点而备受关注。在开始甲醇水蒸气重整制氢装置的运行之时，首先需要对该装置进行冷启动或者热启动，即将处于环境温度(冷启动)或者高于环境温度(热启动)的各个催化剂充填床加热到所设定的工作温度。现有的甲醇燃料电池汽车的车载甲醇水蒸气重整制氢装置通常采用电加热或者基于燃料燃烧的间接加热的启动方法。可是，电加热法需要配套较大的蓄电池而基于燃料燃烧的间接加热法需要配套燃烧装置，且二者的启动时间都较长，难以满足甲醇燃料电池汽车对于车载甲醇水蒸气重整制氢装置快速冷启动的要求。因此，简单快速的车载甲醇水蒸气重整制氢装置冷启动方法的研发对于甲醇燃料电池汽车非常重要。
[0003]此外，以甲醇为原料的燃料电池系统作为备用电源或者热电联供的固定电站对于甲醇水蒸气重整制氢装置的冷启动时间也有很高的要求。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了基于化学链燃烧原理的甲醇水蒸气重整制氢装置及其启动方法，使用含有铜的催化剂，在进行启动时将各个催化剂作为载氧体，导入空气使空气中的氧气与作为铜基载氧体的催化剂中的铜的还原态即金属铜进行氧化反应，利用该氧化反应的放热对催化剂的充填床进行直接加热，在催化剂充填床升温到一定的温度之后再导入甲醇或者甲醇水溶液使甲醇以及甲醇分解产生的H2和CO与所述氧化反应中生成的铜的氧化态即氧化铜进行还原反应，将氧化铜还原为原来的金属铜的同时，利用该还原反应的放热继续对催化剂充填床进行直接加热。本专利技术利用铜基载氧体具有的、铜的还原态与氧气的氧化反应和铜的氧化态与甲醇的还原反应皆为强放热反应的特性，实现了在几乎不使用电力加热的条件下的甲醇水蒸气重整制氢装置的快速冷启动。
[0005]为达到上述目的，本专利技术主要提供如下技术方案：
[0006]一方面，本专利技术实施例提供了一种甲醇水蒸气重整制氢装置，包括甲醇水蒸气重整反应部，所述甲醇水蒸气重整反应部包括甲醇水蒸气重整催化剂充填床，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的一侧设有第一甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道，所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第一甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或第一甲醇或者甲醇水溶液泵，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的另一侧连接有甲醇水蒸气重整反应产物导出通道，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床内设有第一温度传感器，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的第一
甲醇或者甲醇水溶液导入口侧还设有第一空气导入口，所述第一空气导入口连接有第一空气导入管道，所述第一空气导入管道上设有第一空气阀门和/或者第一空气泵。
[0007]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述甲醇水蒸气重整催化剂含有质量分数25％以上的铜。采用本专利技术的启动方法进行甲醇水蒸气重整制氢装置的冷启动时，所述的第一升温阶段需要甲醇水蒸气重整催化剂中含有足够的金属铜与空气进行氧化反应，以产生足够的反应放热使甲醇水蒸气重整催化剂充填床升温至140～200℃，从而使第二升温阶段甲醇与甲醇水蒸气重整催化剂中的氧化铜的还原反应能够以充分的反应速率进行。由于常用的铜基甲醇水蒸气重整催化剂含有质量分数32～50％的铜，可采用铜基水蒸气重整催化剂作为本专利技术的甲醇水蒸气重整催化剂。
[0008]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的第一甲醇或者甲醇水溶液导入口侧还设有第一空气分布器和/或者第一甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第一空气分布器和第一甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接于所述第一空气导入口和第一甲醇或者甲醇水溶液导入口。设置所述的第一空气分布器和第一甲醇或者甲醇水溶液分布器可以使导入的空气和甲醇或者甲醇水溶液均匀分布于所述的甲醇水蒸气重整催化剂充填床，从而使所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床得到均匀的升温。
[0009]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述甲醇水蒸气重整制氢装置还包括CO低温变换反应部，所述CO低温变换反应部与所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道相连接，所述CO低温变换反应部包括CO低温变换催化剂充填床，所述CO低温变换催化剂充填床连接有CO低温变换反应产物导出通道，所述CO低温变换催化剂充填床内设有第二温度传感器，所述CO低温变换催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第二空气导入口和第二甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第二空气导入口连接有第二空气导入管道，所述第二甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第二甲醇或者甲醇水溶液导入管道，所述第二空气导入管道上设有第二空气阀门和/或者第二空气泵，所述第二甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第二甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液泵。
[0010]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述CO低温变换催化剂含有质量分数25％以上的铜。采用本专利技术的启动方法进行甲醇水蒸气重整制氢装置的冷启动时，所述的第一升温阶段需要CO低温变换催化剂中含有足够的金属铜与空气进行氧化反应，以产生足够的反应放热使CO低温变换催化剂充填床升温至140～175℃，从而使第二升温阶段甲醇与CO低温变换催化剂中的氧化铜的还原反应能够以充分的反应速率进行。由于常用的铜基CO低温变换催化剂含有质量分数32％左右的铜，可采用铜基CO低温变换催化剂作为本专利技术的CO低温变换催化剂。
[0011]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述CO低温变换催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第二空气分布器和第二甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第二空气分布器和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接于所述第二空气导入口和第二甲醇或者甲醇水溶液导入口。设置所述的第二空气分布器和第二甲醇或者甲醇水溶液分布器可以使导入的空气和甲醇或者甲醇水溶液均匀分布于所述的CO低温变换催化剂充填床，从而使所述CO低温变换催化剂充填床得到均匀的升温。
[0012]优选地，前述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其中所述的甲醇水蒸气重整制氢装置还包括CO深度脱除反应部，所述CO深度脱除反应部与所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道相连接，所述CO深度脱除反应部包括CO深度脱除催化剂充填床，所述CO深度脱除催化剂充填床连接有CO深度脱除反应产物通道，所述CO深度脱除催化剂充填床内设有第三温度传感器，所述CO深度脱除催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第三空气导入口和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第三空气导入口连接有第三空气导入管道，所述第三空气导入管道上设有第三空气阀门和/或者第三空气泵，所述第三甲本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种甲醇水蒸气重整制氢装置，包括甲醇水蒸气重整反应部，所述甲醇水蒸气重整反应部包括甲醇水蒸气重整催化剂充填床，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的一侧设有第一甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道，所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第一甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或第一甲醇或者甲醇水溶液泵，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的另一侧连接有甲醇水蒸气重整反应产物导出通道，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床内设有第一温度传感器，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的第一甲醇或者甲醇水溶液导入口侧还设有第一空气导入口，所述第一空气导入口连接有第一空气导入管道，所述第一空气导入管道上设有第一空气阀门和/或者第一空气泵。2.根据权利要求1所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整催化剂含有质量分数25％以上的铜。3.根据权利要求1所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的第一甲醇或者甲醇水溶液导入口侧还设有第一空气分布器和/或者第一甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第一空气分布器和/或者第一甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接于所述第一空气导入口和第一甲醇或者甲醇水溶液导入口。4.根据权利要求1～3任一项所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，还包括CO低温变换反应部，所述CO低温变换反应部与所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道相连接，所述CO低温变换反应部包括CO低温变换催化剂充填床，所述CO低温变换催化剂充填床连接有CO低温变换反应产物导出通道，所述CO低温变换催化剂充填床内设有第二温度传感器，所述CO低温变换催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第二空气导入口和第二甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第二空气导入口连接有第二空气导入管道，所述第二甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第二甲醇或者甲醇水溶液导入管道，所述第二空气导入管道上设有第二空气阀门和/或者第二空气泵，所述第二甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第二甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液泵。5.根据权利要求4所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO低温变换催化剂含有质量分数25％以上的铜。6.根据权利要求4所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO低温变换催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第二空气分布器和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第二空气分布器和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接所述第二空气导入口和第二甲醇或者甲醇水溶液导入口。7.根据权利要求1～3任一项所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，还包括CO深度脱除反应部，所述CO深度脱除反应部与所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道相连接，所述CO深度脱除反应部包括CO深度脱除催化剂充填床，所述CO深度脱除催化剂充填床连接有CO深度脱除反应产物通道，所述CO深度脱除催化剂充填床内设有第三温度传感器，所述CO深度脱除催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧设有第三空气导入口和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第三空气导入口连接有第三空气导入管道，所述第三空气导入管道上设有第三空气阀门和/或者第三空气泵，所述第三甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第三甲醇或者甲醇水溶
液导入管道，所述第三甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第三甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液泵。8.根据权利要求7所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂充填床在所述甲醇水蒸气重整反应部的甲醇水蒸气重整反应产物通道侧还设有第三空气分布器和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第三空气分布器和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接所述第三空气导入口和第三甲醇或者甲醇水溶液导入口。9.根据权利要求7或8所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂含有质量分数15％以上的铜。10.根据权利要求9所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂为选择性甲烷化催化剂。11.根据权利要求4～6任一项所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，还包括CO深度脱除反应部，所述CO深度脱除反应部与所述CO低温变换反应部的CO低温变换反应产物通道相连接，所述CO深度脱除反应部包括CO深度脱除催化剂充填床，所述CO深度脱除催化剂充填床连接有CO深度脱除反应产物通道，所述CO深度脱除催化剂充填床内设有第三温度传感器，所述CO深度脱除催化剂充填床在所述CO低温变换反应部的CO低温变换反应产物通道侧设有第三空气导入口和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液导入口，所述第三空气导入口连接有第三空气导入管道，所述第三空气导入管道上设有第三空气阀门和/或者第三空气泵，所述第三甲醇或者甲醇水溶液导入口连接有第三甲醇或者甲醇水溶液导入管道，所述第三甲醇或者甲醇水溶液导入管道上设有第三甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液泵。12.根据权利要求11所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂充填床在所述CO低温变换反应部的CO低温变换反应产物通道侧还设有第三空气分布器和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液分布器，所述第三空气分布器和/或者第三甲醇或者甲醇水溶液分布器分别连接所述第三空气导入口和第三甲醇或者甲醇水溶液导入口。13.根据权利要求11或12所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂含有质量分数15％以上的铜。14.根据权利要求13所述的甲醇水蒸气重整制氢装置，其特征在于，所述CO深度脱除催化剂为选择性甲烷化催化剂。15.一种权利要求1～3任一项所述的甲醇水蒸气重整制氢装置的启动方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.第一升温阶段：在进行所述甲醇水蒸气重整制氢装置的启动时，开启第一空气阀门和/或者第一空气泵，经所述第一空气导入管道向所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床导入空气，使空气中的氧气与所述甲醇水蒸气重整催化剂中的金属铜发生氧化反应，金属铜转化为氧化铜，利用所述氧化反应的放热加热所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床；当第一温度传感器测得的甲醇水蒸气重整催化剂充填床温度升至140～200℃时，第一升温阶段结束；S2.第二升温阶段：调节导入所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的空气的流量，开启第一甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第一甲醇或者甲醇水溶液泵，经所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道向甲醇水蒸气重整催化剂充填床导入甲醇或者甲醇水溶液，在所述的空
气与所述甲醇水蒸气重整催化剂中的金属铜发生氧化反应的同时，使甲醇与所述甲醇水蒸气重整催化剂中的氧化铜发生还原反应，氧化铜转化为金属铜，在本阶段中，利用所述的氧化反应放热和还原反应放热继续加热所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床；当第一温度传感器测定的温度升至所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的设定工作温度时，关闭第一空气阀门和/或者第一空气泵，停止空气的导入，第二升温阶段结束，启动完成。16.根据权利要求13所述的甲醇水蒸气重整制氢装置的启动方法，其特征在于，所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的设定工作温度为220～300℃，第一升温阶段导入甲醇水蒸气重整催化剂充填床的空气的气体体积空速为2500～5500h
‑1，第二升温阶段导入甲醇水蒸气重整催化剂充填床的空气的气体体积空速为150～1500h
‑1，第二阶段导入甲醇水蒸气重整催化剂充填床的甲醇或者甲醇水溶液的液体体积空速为1.0～3.0h
‑1。17.一种权利要求4～6任一项所述的甲醇水蒸气重整制氢装置的启动方法，其特征在于，包括如下步骤：S1.第一升温阶段：在进行所述甲醇水蒸气重整制氢装置的启动时，开启第一空气阀门和/或者第一空气泵和第二空气阀门和/或者第二空气泵，经所述第一空气导入管道和第二空气导入管道分别向所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床和CO低温变换催化剂充填床导入空气，使空气中的氧气分别与所述甲醇水蒸气重整催化剂和CO低温变换催化剂中的金属铜发生氧化反应，金属铜转化为氧化铜，利用所述氧化反应的放热分别加热所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床和CO低温变换催化剂充填床；当第一温度传感器测得的甲醇水蒸气重整催化剂充填床温度升至140～200℃，第二温度传感器测得的CO低温变换催化剂充填床温度升至140～175℃时，第一升温阶段结束；S2.第二升温阶段：调节导入所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床的空气的流量，开启第一甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第一甲醇或者甲醇水溶液泵，经所述第一甲醇或者甲醇水溶液导入管道向甲醇水蒸气重整催化剂充填床导入甲醇或者甲醇水溶液，在所述的空气与所述甲醇水蒸气重整催化剂中的金属铜发生氧化反应的同时，使甲醇与所述甲醇水蒸气重整催化剂中的氧化铜发生还原反应，氧化铜转化为金属铜，在本阶段中，利用所述的氧化反应放热和还原反应放热继续加热所述甲醇水蒸气重整催化剂充填床；调节导入所述CO低温变换催化剂充填床的空气的流量，开启第二甲醇或者甲醇水溶液阀门和/或者第二甲醇或者甲醇水溶液泵，经所述第二甲醇或者甲醇水溶液导入管道向CO低温变换催化剂充填床导入甲醇或者甲醇水溶液，在所述的空气与所述CO低温变换催化剂中的金属铜发生氧化反应的同时，使甲醇与所述CO低温变换催化剂充填床中的氧化铜发生还原反应，氧化铜转化为金属铜，在本阶段中，利用所述的氧化反应放热和还原反应放热继续加热所述CO低温变换催化剂充填床；当第一温度传感器测...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏庆泉，李永胜，罗春欢，
申请(专利权)人：北京联力源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：