本技術涉及重整制氫，具體涉及一種頂燒式沼氣重整制氫裝置。

背景技術：

1、能源是人類社會賴以生存和發展的重要物質基礎，在人類文明發展以及延續的歷史長河中，每一次重大的社會變革無不伴隨著能源開發和利用技術的更迭。從能源使用結構來看，目前的能源以煤炭、石油、天然氣等化石能源為主，在使用時會排放大量co2，而造成嚴重的溫室效應。氫能作為一種高效、無污染的可再生能源，未來將成為能源結構中最為重要的部分之一，在助力碳減排、加速能源轉型方面起著重要的作用。

2、現有的制氫技術主要包括煤氣化制氫、電解水制氫以及蒸汽重整制氫。煤氣化制氫是在高溫高壓下使煤炭中的有機物質在氣化劑的作用下轉化為氫氣，煤氣化制氫技術成熟、成本低，但污染物排放量大，氣體產物純度低；電解水制氫是在充滿電解液的電解槽中通入直流電，水分子在電極上發生電化學反應，分解成氫氣和氧氣，該方法產物純度高、雜質少，但是電解水制氫成熟度低、能耗高；蒸汽重整制氫是甲烷、甲醇等與水蒸氣在催化劑的作用下，發生重整反應生成氫氣和一氧化碳的制氫技術，蒸汽重整制氫技術碳排放量遠低于煤氣化制氫，且在成本上低于電解水制氫，擁有生產效率高、耗水量少等優點，是目前最具潛力的制氫技術。

3、沼氣作為常見的可再生清潔能源，其主要成分為甲烷和二氧化碳，可作為蒸汽重整制氫的原料氣。沼氣重整制氫技術的關鍵是重整制氫裝置。現有的沼氣重整制氫裝置多存在加熱效率低、裝置內部溫度場不均勻、催化劑裝卸困難等問題，影響沼氣重整制氫技術的發展，因此，亟需開發一種內部溫度均勻、催化劑裝卸簡單的高效重整制氫裝置，充分發揮沼氣重整制氫技術的優勢。

技術實現思路

1、(一)要解決的技術問題

2、鑒于現有技術的上述缺點和不足，本實用新型提供了一種頂燒式沼氣重整制氫裝置，以解決現有裝置存在的加熱效率低、裝置內部溫度場不均勻、催化劑裝卸困難等問題。

3、(二)技術方案

4、為了達到上述目的，本實用新型的頂燒式沼氣重整制氫裝置包括：

5、爐體，所述爐體為內含爐腔且上下兩端均封閉的圓筒結構，所述爐體的頂部開設有通孔和環繞所述通孔間隔分布的多個反應管孔；

6、多個反應管，所述反應管均包括一一對應設置于所述反應管孔內的管身、設置于所述管身內的催化劑支撐架、設置于所述管身的頂端上的法蘭蓋以及設置于所述法蘭蓋上的進氣管、進水管和出氣管；所述管身為探入所述爐腔內的直管且底端為半球形封頭，所述出氣管經所述法蘭蓋的中心延伸至靠近所述反應管的底端；所述進氣管和所述進水管基于所述出氣管對稱分布于所述法蘭蓋上；

7、燃燒器，所述燃燒器包括設置于所述通孔內的煙氣管、布置于所述煙氣管內的燃氣管和設置于所述燃氣管內的點火電極；所述煙氣管探入所述爐腔內，所述煙氣管的底端為開口端且延伸至接近所述反應管的底端，所述煙氣管上靠近所述爐腔內頂面處還開有多個排煙口，所述煙氣管的頂端從所述爐體的頂部延伸出預定高度，所述點火電極從所述燃氣管的底端開口伸出。

8、可選地，所述爐體的頂部外還覆蓋有爐蓋，所述爐蓋設有與所述反應管孔一一對應同心布置的煙氣套管；多個所述反應管分別一一對應同心設置于所述煙氣套管內。

9、可選地，所述管身的頂端設有端口法蘭，所述法蘭蓋通過所述端口法蘭安裝于所述管身的頂端；

10、所述管身在所述端口法蘭下方的預定位置設有定位法蘭，所述定位法蘭連接所述管身與所述煙氣套管。

11、可選地，所述定位法蘭安裝于所述煙氣套管后，所述反應管的底端到所述爐腔的內底面的距離為50～100mm。

12、可選地，所述爐體上設置有溫度檢測口、壓力檢測口和觀火孔，所述壓力檢測口位于所述通孔與所述反應管孔之間，所述溫度檢測口和所述觀火孔設置于所述爐體的側壁靠近爐底位置。

13、可選地，所述爐體的爐壁從外向內依次包括金屬保護殼、保溫層以及耐火層。

14、可選地，所述催化劑支撐架包括同心設置于所述管身內的金屬網管和沿軸向間隔分布于所述金屬網管上的多個支架，所述支架包括與所述金屬網管相連的支撐環以及一端與所述支撐環相連且另一端延伸至所述反應管內表面的限位桿。

15、可選地，所述煙氣管的底端到所述爐腔的內底面的距離為150～200mm；

16、排煙口到所述爐腔內頂面的距離為0～50mm。

17、可選地，所述煙氣管上端還設有多個與所述煙氣套管相連的匯流煙管；

18、所述煙氣管靠近頂部位置還設有煙氣出口，所述煙氣出口與所述煙氣管垂直相連。

19、可選地，所述燃氣管的底端探入所述排煙口下方10～30mm處；所述燃氣管的頂端設有第一燃料氣入口、第二燃料氣入口和空氣入口，所述第一燃料氣入口、所述第二燃料氣入口和所述空氣入口分別與所述燃氣管垂直相連。

20、(三)有益效果

21、本實用新型技術方案提供了一種頂燒式沼氣重整制氫裝置，克服了現有重整制氫裝置加熱效率低、內部溫度場不均勻、催化劑裝卸困難的缺陷，該裝置結構緊湊、拆裝簡易、裝置內部溫度場均勻、煙氣與反應管之間換熱效率高，能夠有效實現蒸汽重整制氫。具體地，本裝置具有以下有益效果：

22、(1)采用一個頂燒式燃燒器為多組反應管供熱的形式，結構緊湊，占地面積小，反應效率高。燃氣燃燒產生的火焰首先在煙氣管的束縛下向下傳播，煙氣管一方面接收煙氣熱量并以輻射形式傳遞給反應管，另一方面煙氣管可以束縛火焰使其均勻向下傳播，防止其對外擴散；當火焰傳播至爐腔底部被阻礙再向四周均勻擴散，然后向上運動，直接接觸并加熱反應管，并最終從排煙口再次進入煙氣管，最終從煙氣出口排出。此結構設計精巧，使得一個燃燒器產生的火焰可以均勻加熱多根反應管，傳熱速率快，反應管溫度均勻，沼氣轉化效率高。

23、(2)本裝置精巧設計反應管的結構，通過在反應管內設置出氣管分隔原料氣和轉化氣，原料氣從上至下進入反應管環隙參與轉化，產生的轉化氣從下至上從中心的出氣管排出，原料氣和轉化氣二者互不干擾，且二者流動過程中轉化氣可以將熱量傳遞給原料氣，預熱原料氣，從而可降低轉化氣排出溫度，并提高熱效率。

24、(3)巧妙設計了催化劑支撐架，便于將催化劑裝載在反應管與催化劑支撐架之間的環隙，防止催化劑填滿反應管而使得出氣管無法安裝。反應管設計為可拆裝結構，方便催化劑的裝填與更換。

技術特征：

1.一種頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述爐體(1)的頂部外還覆蓋有爐蓋(17)，所述爐蓋(17)設有與所述反應管孔(13)一一對應同心布置的煙氣套管(18)；多個所述反應管(2)分別一一對應同心設置于所述煙氣套管(18)內。

3.根據權利要求2所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述管身(21)的頂端設有端口法蘭(23)，所述法蘭蓋(24)通過所述端口法蘭(23)安裝于所述管身(21)的頂端；

4.根據權利要求3所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述定位法蘭(22)安裝于所述煙氣套管(18)后，所述反應管(2)的底端到所述爐腔(12)的內底面的距離為50～100mm。

5.根據權利要求1-4任意一項所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述爐體(1)上設置有溫度檢測口(15)、壓力檢測口(16)和觀火孔(19)，所述壓力檢測口(16)位于所述通孔(14)與所述反應管孔(13)之間，所述溫度檢測口(15)和所述觀火孔(19)設置于所述爐體(1)的側壁靠近爐底位置。

6.根據權利要求1-4任意一項所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述爐體(1)的爐壁(11)從外向內依次包括金屬保護殼、保溫層以及耐火層。

7.根據權利要求1-4任意一項所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述催化劑支撐架(25)包括同心設置于所述管身(21)內的金屬網管和沿軸向間隔分布于所述金屬網管上的多個支架(251)，所述支架(251)包括與所述金屬網管相連的支撐環(2511)以及一端與所述支撐環(2511)相連且另一端延伸至所述反應管(2)內表面的限位桿(2512)。

8.根據權利要求1-4任意一項所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述煙氣管(31)的底端到所述爐腔(12)的內底面的距離為150～200mm；

9.根據權利要求2-4任意一項所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述煙氣管(31)上端還設有多個與所述煙氣套管(18)相連的匯流煙管(312)；

10.根據權利要求9所述的頂燒式沼氣重整制氫裝置，其特征在于，所述燃氣管(32)的底端探入所述排煙口(311)下方10～30mm處；所述燃氣管(32)的頂端設有第一燃料氣入口(321)、第二燃料氣入口(322)和空氣入口(323)，所述第一燃料氣入口(321)、所述第二燃料氣入口(322)和所述空氣入口(323)分別與所述燃氣管(32)垂直相連。

技術總結
本技術涉及重整制氫技術領域，具體涉及一種頂燒式沼氣重整制氫裝置，其包括爐體、反應管和燃燒器；爐體整體為中空圓筒結構，頂部中心開有通孔用于安裝燃燒器，環繞通孔間隔分布的反應管孔用于安裝反應管；反應管為一端帶半球形封頭的直管結構，另一端設有進氣管(用于進沼氣)、進水管和出氣管；燃燒器為同心套管結構，煙氣管與燃氣管之間的環隙為煙氣通道，燃氣管內部能夠通入燃料氣及空氣。在本技術中，沼氣重整裝置的頂部中心位置布置燃燒器，燃燒器產生的火焰向下傳播，然后碰到爐底折返回來直接加熱反應管，傳熱速度快、效率高。該頂燒式沼氣重整制氫裝置結構緊湊、拆裝方便，內部受熱均勻、換熱效率高。

技術研發人員：馮冰,蔣鋒,潘寧,傅國志,陳冠英
受保護的技術使用者：中國華電科工集團有限公司
技術研發日：20240625
技術公布日：2025/4/28