本发明专利技术公开了一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，该反应器包括用于接收太阳能辐射的椭球形石英窗口；外侧物料进口腔体；内侧物料进口腔体，所述腔体包含多孔介质，以吸收太阳辐射提高进口物料温度；多孔介质反应腔体，所述腔体介于内外侧物料进口腔体之间，通过多孔介质吸收太阳辐射，通过锥形隔板与内外侧腔体流入的物料换热，强化预热；所述反应腔体包含涂覆催化剂的多孔介质，物料流入所述腔体后进行重整反应。该反应器引导物料通过内外两侧流入反应腔体，同时在内侧物料进口腔体填充多孔介质，强化预热过程和尾部热量回收，提高反应腔体温度，降低出口气体温度，实现甲烷的高效重整。甲烷的高效重整。甲烷的高效重整。
【技术实现步骤摘要】
一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器
[0001]本专利技术涉及一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，属于太阳能高温热化学反应、甲烷催化重整和可再生能源制氢等相关领域。
技术介绍
[0002]氢能有着悠久的历史。自20世纪中期以来，它已经是能源工业不可分割的一部分，且自1975年以来，工业上对氢的需求已经增长了三倍多，未来这种增长的趋势还将持续下去。
[0003]目前现有的氢能市场建立在氢气的以下属性中：密度小，可储存，反应性好，单位质量的能量含量高，可以很容易地在工业规模上生产。
[0004]当前，人们对氢能广泛用于清洁能源系统的兴趣日益浓厚，这主要取决于氢能的两个额外特点，一是氢的使用不会直接排放出空气污染物或温室气体；二是它可以由多种低碳能源制成。如果结合碳捕获、使用和碳存储，化石燃料的低碳制氢也是可能实现的，并且在化石燃料提取和供应过程中的碳排放的问题也会得到缓解。
[0005]目前每天约有7000万吨专用氢气被生产出来，其中76％来自天然气，其余23％几乎全部来自于煤炭。天然气作为制氢的主要来源，氢气的生产每年消耗约2050亿立方米天然气，而使用天然气的甲烷重整反应器是合成氨、甲醇工业和炼油厂专用制氢的主力设备。甲烷蒸汽重整(SMR)是大规模从天然气中生产氢的最广泛的技术，在SMR中，天然气既是燃料又是原料。通常情况下，30％
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40％的天然气被燃烧作为重整过程的燃料，而剩余的天然气被重整过程分解成氢气和二氧化碳。由于SMR具有良好的经济效益，而且目前有大量SMR装置在运行，因此在近期内，SMR可能仍将是大规模制氢的主导技术。SMR需要非常高的能量输入，太阳能作为一种高密度清洁能源，取之不尽用之不竭，且能够在聚光系统的配合下提供SMR所需要的高温环境，因此甲烷蒸汽重整反应器常通过碟式太阳能聚光器聚焦太阳辐射，然后太阳光经过石英窗口进入腔内驱动重整反应。
[0006]在传统的甲烷蒸汽重整反应器中，温度较低的反应物料由进口导管直接输送到反应器的反应区域，与接收太阳辐射的高温多孔介质催化剂进行换热，但是由于太阳光辐射通量呈高斯分布，在经过碟式聚光器汇聚后，被多孔介质吸收并升温至800℃左右，导致反应器内存在较大的热应力，给反应器结构的稳定性造成了挑战，流固换热温差大会引起较大的不可逆损失，同时降低了反应区域的平均温度，这会导致反应物料的转化率降低、氢气产量降低以及能量利用效率的降低。
[0007]因此，现需考虑优化甲烷重整反应器内的温度场分布，缓解流固温差过大引起的不可逆损失等问题。若利用出口高温气体的余热与进口的低温物料进行换热，回收利用合成气体的高温余热，从而预热进口物料，再利用部分太阳辐射加热进口物料，进一步提升其温度，将有效改善甲烷重整反应器内的温度场分布，提高反应区域的温度，提高氢气产量和进口物料的转化率，提升能量利用效率。
技术实现思路
[0008]本专利技术为解决现有太阳能甲烷重整反应器的物料进入反应区时温度较低，流固换热温差过大，降低了反应区的平均温度和物料的转化率等问题提供了一种解决方案，本专利技术的目的在于提供一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，能够利用出口高温气体的余热提高物料进入反应区的温度，从而提高反应区平均温度，降低出口平均温度，优化反应器温度场，提高物料转化率和能量利用效率。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：
[0010]一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，该太阳能甲烷重整反应器具有以锥形隔板分隔的内外两侧物料进口腔体，包括椭球形石英窗口、内侧物料进口腔体、内侧多孔介质、外侧物料进口腔体、多孔介质反应腔体、反应腔体多孔介质催化剂、内侧物料气输入导管、外侧物料气输入导管、合成气输出导管、内侧锥形隔板、外侧锥形隔板、保温层、内侧法兰、外侧法兰、螺栓、螺母、垫片、黑体空腔，支撑结构，空隙区域，其中：所述黑体空腔为圆柱结构，内部空腔，顶部设置有用以安装椭球形石英窗口的光孔，接收太阳入射辐射，黑体空腔底部连接法兰，外侧对称安装物料气输入导管，所述导管连通外侧物料进口腔体，黑体空腔的内部以内侧锥形隔板形成内侧物料进口腔体和多孔介质反应腔体；
[0011]所述内侧物料进口腔体为锥形空腔结构，底部连接内侧物料气输入导管，顶部填充内侧多孔介质，外侧通过支撑结构与多孔介质反应腔体连接；
[0012]所述多孔介质反应腔体为锥形空腔结构，底部连接合成气输出导管，顶部填充反应腔体多孔介质催化剂，外部通过法兰连接黑体空腔。
[0013]上述方案中，多孔介质反应腔体与外侧物料进口腔体以外侧锥形隔板分隔，以强化预热，提高内侧进口物料温度。
[0014]上述方案中，外侧物料进口腔体与内侧物料进口腔体的物料流向相同，与多孔介质反应腔体的物料流向相反，通过采用内外两侧入口的结构和逆流布置，强化预热。
[0015]上述方案中，黑体空腔顶部的椭球形石英窗口与内侧、外侧物料进口腔体和多孔介质反应腔体存在空隙区域，以引导内外侧进口物料在空隙处混合后进入多孔介质反应区进行重整反应，有效提高外侧进口物料温度。
[0016]从上述技术方案可看出，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0017](1)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，基于温度场与浓度场协同的原理，充分利用太阳能与出口气体余热等不同品味的热能，提高能量利用效率。
[0018](2)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，通过采用双入口逆流的结构布置，实现进口物料的预热，提高反应区域的温度，提高化学反应速率，降低流固换热温差，减少不可逆损失。
[0019](3)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，通过设置内外两侧物料进口腔体的结构，可调节内外进口流量的比例，有效利用了出口气体的余热强化换热，实现余热回收。
[0020](4)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，通过采用锥形回转式腔体的结构，增大反应腔体对太阳辐射的吸收和多孔介质催化剂的体积，增加反应体积，提高氢气产量。
[0021](5)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，通过在椭球形石英窗口底部设置空隙区域，使内外两侧物料在进入反应区域前混合，提高了外侧物料的温度和整体物料的温度均匀性，使物料能够在多孔介质反应区进行高效重整反应。
[0022](6)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，将内侧物料进口腔体设计为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0
‑7°
之间。其顶部窄底部宽的结构在增大内侧物料进口腔体换热面积的同时，有利于增大多孔介质反应腔体的体积，提高物料转化率。
[0023](7)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，将多孔介质反应腔体设计为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0
‑7°
之间。其顶部宽底部窄的结构在增大外侧物料进口腔体换热面积的同时，有利于增大多孔介质反应腔体的体积，提高物料转化率。
[0024](8)本专利技术提供的太阳能甲烷重整反应器，在总质量流量一定的情况下，通过设置本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于强化预热的锥形太阳能甲烷重整反应器，其特征在于，该太阳能甲烷重整反应器具有以锥形隔板分隔的内外两侧物料进口腔体，包括椭球形石英窗口(1)、内侧物料进口腔体(2)、内侧多孔介质(3)、外侧物料进口腔体(4)、多孔介质反应腔体(5)、反应腔体多孔介质催化剂(6)、内侧物料气输入导管(7)、外侧物料气输入导管(8)、合成气输出导管(9)、内侧锥形隔板(10)、外侧锥形隔板(11)、保温层(12)、内侧法兰(13)、外侧法兰(14)、螺栓(15)、螺母(16)、垫片(17)、黑体空腔(18)，支撑结构(19)，空隙区域(20)，黑体空腔(18)底部连接法兰(13)，外侧对称安装物料气输入导管(8)，所述外侧物料气输入导管(8)连通外侧物料进口腔体(4)，黑体空腔(18)的内部以内侧锥形隔板(10)形成内侧物料进口腔体(2)和多孔介质反应腔体(5)；所述内侧物料进口腔体(2)为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0
‑7°
之间，底部连接内侧物料气输入导管(7)，顶部填充内侧多孔介质(3)，外侧通过支撑结构(19)与多孔介质反应腔体(5)连接，多孔介质反应腔体(5)底部连接合成气输出导管(9)，顶部填充反应腔体多孔介质催化剂(6)，外部通过法兰(13)连接黑体空腔(18)。2.根据权利要求1所述的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于，所述黑体空腔(18)为圆柱结构，内部空腔，顶部设置有用以安装椭球形石英窗口(1)的光孔，接收太阳入射辐射。3.根据权利要求1所述的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于，所述多孔介质反应腔体(5)为锥形空腔结构，其母线与中心线所夹锐角在0
‑7°
之间。4.根据权利要求1所述的太阳能甲烷重整反应器，其特征在于，所述黑体空腔(18)中多孔介质反应腔体(5)强化了反应区域流体对...
【专利技术属性】
技术研发人员：杨卫卫，窦培原，唐鑫源，白晓帅，张凯然，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：
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