一种电磁加热的甲醇制氢膜催化反应器

本发明涉及甲醇制氢，尤其涉及一种电磁加热的甲醇制氢膜催化反应器。

背景技术：

1、氢能作为未来能源体系的重要组成部分，是用能终端实现绿色低碳转型的重要载体。甲醇作为重要的液态氢载体，具有氢含量高、c-h键易断裂以及储存运输方便等特点，在制氢便利性、安全性和经济性等方面具有显著优势。甲醇水蒸气重整制氢反应由于具有温和的反应条件和较高的产氢率等优点，在分布式/移动式用氢终端具有较大的应用潜力。

2、目前工业上的甲醇水蒸气重整反应器主要依赖固定床反应器进行制氢，其催化剂的时空得率低，导致固定床反应器体积庞大，限制了其在空间紧凑的分布式/移动式用氢终端的应用。在固定床反应器中，通常采用的是催化粉料造粒成型后的大颗粒催化剂。这种大颗粒催化剂不可避免地会引起内、外扩散效应，从而影响甲醇重整制氢速率。此外，由大颗粒催化剂堆积而成的催化床层，其孔隙的非均匀性会导致反应器内流动的非均匀分布，从而严重影响反应器内反应停留时间以及温度的均匀分布。反应器内各种场的非均匀分布也将影响甲醇重整制氢过程中氢气的选择性。

3、若采用内壁涂覆催化剂层的方式用于催化甲醇重整制氢反应，则会由于催化剂通过涂覆的办法固载于管壁上，存在催化材料活性位点被包埋的问题，传热、传质阻力大；且这种方式下，反应流体的流动通道尺寸大，热、质传递距离长，效率低下。

4、若采用催化剂固载于陶瓷的蜂窝孔道内的方式用于催化甲醇重整制氢反应，这种结构也会由于各个多孔陶瓷之间相互重叠，使得反应器内流动不均匀，从而严重影响反应器内反应停留时间以及温度的均匀分布，系统能量效率不高。

5、此外，甲醇水蒸气重整制氢为吸热反应，通常通过甲醇部分氧化燃烧产生高温气体对反应物甲醇水溶液的汽化和重整供热，但由于气体的比热少，燃料热气进出口存在较大温差，使得反应器受热不均导致整体效率低下。也有利用燃烧或电加热导热油的方式进行供热，这种加热方式通常结构复杂，体积较大，电效率低。

6、因此，现有技术存在的弊端是，现有的甲醇制氢固定床反应器体积庞大、催化剂质量比活小。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种电磁加热的甲醇制氢膜催化反应器，旨在解决现有的甲醇制氢固定床反应器体积庞大、催化剂质量比活小的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供的一种电磁加热的甲醇制氢膜催化反应器，包括由内到外依次设置的多孔催化膜管、电磁感应管件以及隔热外壳，所述电磁感应管件呈电磁感应线圈状绕设于所述多孔催化膜管外；所述多孔催化膜管为磁性件；

3、所述反应器设置有富氢重整气的出口，所述多孔催化膜管与所述电磁感应管件连通；

4、所述电磁感应管件用于通过电磁感应产生的焦耳热对通入所述电磁感应管件内部的甲醇水溶液进行预热和汽化，以得到甲醇水蒸气；

5、所述电磁感应管件还用于对所述多孔催化膜管进行电磁加热，以使进入所述多孔催化膜管的所述甲醇水蒸气升温；

6、所述多孔催化膜管壁上有贯穿管壁的膜孔道，所述膜孔道内原位固载有催化剂颗粒，用于使所述甲醇水蒸气进入所述膜孔道与所述催化剂颗粒产生甲醇重整制氢反应，并经所述膜孔道流出至所述多孔催化膜管外部，以使所述富氢重整气从所述反应器的所述出口流出，以用于制取氢气。

7、可选地，所述膜孔道为微纳尺度膜孔。

8、可选地，所述多孔催化膜管为金属管。

9、可选地，所述反应器设置有用于连接所述电磁感应管件进口端的第一连接孔，用于连接所述电磁感应管件出口端的第二连接孔；所述反应器还设置有用于连接所述多孔催化膜管的第三连接孔，所述多孔催化膜管伸出所述第三连接孔的一端与所述电磁感应管件出口端连通。

10、可选地，所述反应器外依次连接有料液存储装置、流量泵和换热器；所述反应器的出口用于连通所述换热器，以将所述富氢重整气输入所述换热器作为热源；所述电磁感应管件进口端连通所述换热器，所述流量泵用于将所述料液存储装置内存储的甲醇水溶液输送至所述换热器，以在甲醇水溶液回收所述富氢重整气的热量后，输入所述电磁感应管件进口端。

11、可选地，所述多孔催化膜管与所述电磁感应管件共轴线设置；和/或，所述多孔催化膜管与所述隔热外壳共轴线设置。

12、可选地，所述多孔催化膜管包括沿管长方向设置的非催化重整段和催化重整段，所述催化重整段开设有所述膜孔道，所述非催化重整段不开设所述膜孔道；所述甲醇水蒸气自所述非催化重整段进入所述催化重整段；所述非催化重整段的长度采用如下公式计算：

13、；

14、其中，为非催化重整段的长度，为多孔催化膜管的厚度， l为多孔催化膜管长度，为多孔催化膜管的相对磁导率，为电源频率，为多孔催化膜管电阻率。

15、可选地，所述换热器连接气液分离装置，以用于将回收热量后的所述富氢重整气进行气液分离；所述气液分离装置包括气相出口和液相出口，所述液相出口连接料液存储装置，所述气相出口连接后续氢能加工单元。

16、可选地，所述多孔催化膜管数量为至少一根，当为多根时，各多孔催化膜管并列设置。

17、可选地，还包括通信连接的控制系统和温度检测单元，所述温度检测单元用于检测所述多孔催化膜管的外表面温度，所述控制系统用于根据所述温度检测单元的温度检测结果，调节所述电磁感应管件的功率。

18、本发明的技术方案中，反应器内部集合了原料预热区、原料汽化区和重整反应区。其中，原料预热区和原料汽化区，是由电磁感应管件实现，具体的：电磁感应管件作为电磁感应线圈，以线圈的形式环绕在多孔催化膜管外，并设置于多孔催化膜管和隔热外壳之间，电磁感应管件内部可以通入甲醇水溶液，在电磁感应的过程中，电磁感应管件产生线圈焦耳热，甲醇水溶液在电磁感应管件内吸收线圈焦耳热，实现了原料预热和汽化，从而得到甲醇水蒸气，并且，也实现了电磁感应管件的冷却，无需额外设置线圈冷却装置；预热汽化得到的甲醇水蒸气通入多孔催化膜管。重整反应区是由多孔催化膜管实现，具体的：采用电磁感应管件对磁性的多孔催化膜管进行电磁加热，进入多孔催化膜管内的甲醇水蒸气升温，并与膜孔道内的催化剂颗粒产生甲醇重整制氢反应，并经所述膜孔道流出至所述多孔催化膜管外部，以使所述富氢重整气从所述反应器的所述出口流出，通过分离氢气与二氧化碳，得到氢气，从而实现了制取氢气。

19、因此，相比于现有技术方案，本发明具有以下优势：

20、（1）反应器结构紧凑：将原料预热区、原料汽化区和重整区整合到同一结构中，相当于采用一套电磁加热装置实现三方面的效果，且加热装置仅需要一套电源，一组线圈及控制系统，电磁感应线圈也不需要额外设置冷却装置，占地面积小，装备移动方便。

21、（2）催化剂微颗粒均匀固载于多孔催化膜管的微纳尺度孔道内，当反应流体穿流通过催化膜的微纳尺度孔道时发生重整反应，传质距离可比常规反应器缩短3-4个数量级，催化剂质量比活大。

22、（3）重整区受热均匀：将多孔催化膜管整体放入作为电磁感应线圈的电磁感应管件内，由于金属具有较低的磁阻，在电磁感应的作用下，电磁感应线圈内部产生的磁通将优先选择通过金属多孔催化膜管，并在金属多孔催化膜管内产生涡流进而产生热量。由于感应加热能实现膜管的径向和周向方向均匀地产生热量，消除了多孔催化膜管在径向和周向方向的温度梯度。

23、（4）为了进一步提高催化效率，本发明还在多孔催化膜管的进口端设置一定范围的非催化重整区。

24、（5）能量利用效率高：感应加热具有较高的加热效率，启动和加热速度快，同时采用甲醇水溶液通入电磁感应线圈的方式替代循环水移除电磁感应线圈上产生的焦耳热，并利用这部分热能对甲醇水溶液进行预热和汽化，从而提升装置整体的能量利用效率。此外，重整尾气的余热也可用于甲醇水溶液的预热。