CN101040400A - 用于均匀加热的微通道加热器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于均匀加热的具有微通道的加热器，该加热器包括：一具有待加热物料入口、燃料入口以及氧化剂入口的上部板；一具有加热物料出口和排气出口的下部板；以及多块燃烧薄板和多块传热薄板，所述多块燃烧薄板和多块传热薄板在所述上部板与下部板之间交替地分层放置，其中，每块燃烧薄板和每块传热薄板具有在各自相应位置形成的待加热物料入口孔、加热物料出口孔、氧化剂孔、排气孔、燃料孔以及微通道，所述上部板被设置成和与其下表面相接触的燃烧薄板对准，并且所述下部板被设置成和与其上表面相接触的传热薄板对准。

Description

用于均匀加热的微通道加热器
技术领域
总体而言，本发明涉及一种用于均匀加热的具有微通道的加热器，更具体而言，本发明涉及一种具有微通道的加热器，所述加热器是一种分层放置了多层具有微通道的薄金属板的系统，加热中的物料与待加热的物料被分别输送至燃烧薄板和传热薄板以使燃料与空气混和均匀而使反应器的温差最小，从而均匀地产生用于从反应器的整个表面加热所需要的热，待加热的物料置于所述反应器中。
背景技术
随着近来在燃料电池方面的兴趣，人们对用于均匀加热以从碳氢化合物产生氢气的反应器进行了全面研究。
如下述反应1至3所示，可以通过多种方式使用碳氢化合物制备氢气。
在这些反应中，由于产物氢气具有很高的浓度，反应1所示的蒸汽重整反应受到关注。此外，具有快速反应特性的部分氧化反应(反应3)也受到关注。
反应1
Figure A20058003470800031
反应2
Figure A20058003470800032
反应3
Figure A20058003470800033
反应4
Figure A20058003470800041
作为一种用于小的固定式燃料电池(RPG)的氢气制备系统，产生高氢气浓度的蒸汽重整反应被预期比具有快速反应特性的反应更有用，因此对所述蒸汽重整反应已经进行了深入、全面的研究。
然而，由于必须供应上述反应所需的热量，反应1所示的反应会受到损害(suffer)。在所述蒸汽重整反应中，当反应温度不低于750℃时，碳氢化合物(甲烷)的转化效率可以达95％或更高。然而，当保持高温时，必须进行许多努力以供应反应热。
如反应4所示，通过碳氢化合物的燃烧(催化氧化或燃烧)产生反应热。因此，为了有效地实现热传导，需要一种具有高温差(ΔT)、大的接触面积(A)以及高传热系数(k)的材料。
然而，无限地提高加热所需要的火焰温度以获得温差是不可能的。在此种情形下，组成材料可能变劣，并且可能产生氧化氮(NOx)污染物。传热系数也限于组成材料的固有值。
因此，反应器应该被构造成具有尽可能大的传热面积。
为此，已经尝试使用一种包括薄金属板的反应器，在所述薄金属板中形成微通道。多块薄金属板中的每块都被加工成具有微通道，各薄金属板分层放置以获得大的每单位体积的接触面积(韩国第2003-0091280号公开专利)(Korean Patent Laid-open Publication No.2003-0091280)。
然而，由于产生反应热所需要的碳氢化合物(LNG，LPG，乙醇)的燃烧是一种剧烈的反应，该反应产生非常大量的热，因此其可以通过催化燃烧或非催化燃烧完成。
此外，一种包含碳氢化合物和空气的混合物可以通过在预定最低温度(例如，空气中存在的一氧化碳的情形时为650℃)的自发燃烧被氧化。
因此，如果在传送反应物料的位置产生部分燃烧热，那么即使使用具有微通道的反应器，所述反应器的温度也是不均匀的，从而产生不均匀的燃烧催化剂或热部，而引起重整催化剂的活性降低。
发明内容
技术问题
因此，本发明一直紧扣上述现有技术中遇到的问题，本发明的目的在于提供一种具有微通道的加热器，该加热器是一种以下述方式构造的系统：微通道被设置成在含有反应物料的薄板中部的许多点发生碳氢化合物的燃烧反应以产生反应热，并且在相应的薄板设置一用于混合碳氢化合物和燃烧空气的混合部，从而最大程度地抑制部分氧化、实现均匀加热并且使传热时间最少。
技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种用于均匀加热的具有微通道的加热器，包括：一上部板，所述上部板包括一待加热物料入口、一燃料入口以及一氧化剂入口；一下部板，所述下部板包括一加热物料出口和一排气出口；以及多块燃烧薄板和多块传热薄板，所述多块燃烧薄板和多块传热薄板在所述上部板与下部板之间交替地分层放置，其中，每块燃烧薄板和每块传热薄板具有在各自相应位置形成的一待加热物料入口孔、一加热物料出口孔、一氧化剂孔、一排气孔、一燃料孔以及微通道，所述燃烧薄板的排气孔和燃料孔通过微通道连接，所述传热薄板的待加热物料入口孔和加热物料出口孔通过微通道连接，所述燃烧薄板还具有一燃料进料部，所述燃料进料部和与传热薄板的燃料孔相连接的燃料进料孔连接，以将燃料传送至该处，所述上部板以及与所述上部板的下表面相接触的燃烧薄板被设置成使所述上部板的待加热物料入口、燃料入口、氧化剂入口分别与所述燃烧薄板的待加热物料入口孔、燃料孔、氧化剂孔对准，并且所述下部板以及与所述下部板的上表面相接触的传热薄板被设置成使所述下部板的加热物料出口以及排气出口分别与所述传热薄板的加热物料出口孔和排气孔对准。
本发明所述加热器的特征在于，所述燃烧薄板的微通道涂覆有一种氧化催化剂。
本发明所述加热器的特征在于，所述传热薄板的微通道涂覆有一种碳氢化合物重整催化剂。
有益效果
如上所述，本发明提供了一种用于均匀加热的具有微通道的加热器。根据本发明，由于碳氢化合物及/或氧化物的燃烧可以在反应器中均匀地进行，降低了反应器中不同位置之间的温差，从而提高加热效率。
此外，本发明的加热器不但可应用于通过碳氢化合物的重整制备氢气的反应系统而且可用于使用燃烧热的加热系统或蒸发系统。
在本发明的具有分层放置的微通道的加热器中，可以在多个部分进行氧化反应，从而在反应器的入口抑制燃料的燃烧。因此，除了上述系统外，该加热器还可以有多种应用。
尤其是，本发明的加热器适合用于氢气的燃烧，当氢气与氧气共存时，具有爆炸的危险，并且适合用于作为氢气精制(hydrogen refining)反应的选择性的一氧化碳氧化反应(PrOx)中，当通过多个步骤输送氧气时，该加热器表现出高性能。
附图说明
图1示出的是本发明的一种加热器的各个部件的分解透视图；
图2示出的是本发明的部件的透视图；以及
图3示出的是图1中的燃烧薄板与加热薄板的放大的横截面图。
<附图中指示数字的描述>
100：上部板
110：待加热物料的入口管
111：待加热物料入口
120：燃料入口管
121：燃料入口
130：氧化剂入口管
131：氧化剂入口
200：燃烧薄板
211，311：待加热物料入口孔
221，321：燃料孔
231，331：氧化剂孔
252，352：排气孔
262，362：加热物料出口孔
271：混合槽
275：燃料进料孔
381：燃料进料导进槽
291，391：微通道
300：传热薄板
400：下部板
450：排气出口管
452：排气出口
460：加热物料出口管
462：加热物料出口
具体实施方式
现参照附图，其中所有不同附图中的相同的指示数字用于表示相同的或类似的部件。
图1示出的是本发明的一种加热器的各个部件的分解透视图，所述加热器的特征在于：为了使待加热物料与加热介质的接触面积最大化，在上部板100与下部板400之间交替地分层放置多块燃烧薄板200和多块传热薄板300。
上部板100设置有一待加热物料入口管110、一燃料入口管120以及一氧化剂入口管130。
在本发明中，待加热物料入口管110、燃料入口管120以及氧化剂入口管130设置在上部板100的上表面上。
下部板400设有一加热物料出口管460以及一排气出口管450。
在本发明中，加热物料出口管460以及排气出口管450设置在下部板400的下表面上。
在燃烧薄板200和传热薄板300中，在各自相应的位置分别设有五个孔以及微通道291、391，即待加热物料的入口孔211、311，加热物料出口孔262、362，氧化剂孔231、331，排气孔252、352，燃料孔221、321，并且微通道291、391分别具有相应的大小、形状以及位置。
在本发明中，待加热物料的入口孔211、311，氧化剂孔231、331，加热物料出口孔262、362以及排气孔252、352被有序地设置以组成相应的矩形薄板的四个角，而微通道291、391设置在相应的矩形薄板的中央位置。此外，燃料孔221、321被设置在待加热物料的入口孔211、311与氧化剂孔231、331之间。
燃烧薄板200具有用于将氧化剂孔231、微通道291以及排气孔252彼此连接的槽。尤其是，一燃料进料孔275形成于一用于氧化剂孔231与微通道291相连接的混合槽271中。
如下所述，燃料进料孔275与燃料进料导进槽381连接。
因此，待加热物料入口孔211与加热物料出口孔262隔开。
用于产生碳氢化合物的燃烧热的燃烧薄板200涂覆有作为氧化催化剂载体的Al、Ti、Si和Zr中的至少一种，以及包括Ce、Co、La或Sn的一种稳定剂，其作为一种添加助剂以提高高温耐热性以及氧化力，干燥，然后烧结。此后，涂覆后的薄板外表面再涂覆至少一种具有氧化力的贵金属，其选自包括Pt、Pd、Rh以及Ru的组，干燥，烧结，然后还原，从而完成涂覆氧化催化剂的过程。
所述氧化催化剂涂覆过程包括：输送涂覆溶液至图1中的氧化剂入口孔131中，使用高压空气将涂覆材料传送至相应的薄板，同时使用部分过量的涂覆溶液以防止微通道阻塞。此后，所述过量的涂覆溶液通过排气出口孔452被排出。
传热薄板300具有用于连接待加热物料入口孔311、微通道391以及加热物料出口孔362的槽。尤其是，与燃料孔321相连接的燃料进料导进槽381被设置成与燃料进料孔275相连接。
这样，燃料可以通过燃料孔321、燃料进料导进槽381以及燃料进料孔275被输送至混合槽271中。
氧化剂孔331与排气孔352隔开。
燃料进料孔275被设置成具有小直径以便于燃料的扩散。
用于加热物料的通过路径(flow path)需要涂覆一种重整催化剂以易于产生氢气。
例如，下面描述了甲醇的蒸汽重组。甲醇的重组催化剂没有特别的限制，可以使用诸如Cu-Zn、Pd-Zn、Pt-Ce等文献中已知的任何催化剂。建议优选地使用一种贵金属催化剂以确保热稳定性以及氧稳定性。
催化剂涂覆过程与所述燃烧催化剂涂覆过程相同。微通道291涂覆载体，然后涂覆活性金属，干燥，烧结，然后还原。
涂覆材料通过待加热物料入口孔111输送，使用高压气体压缩将其输送至相应的薄板，然后通过加热物料出口孔462向外排出过量的涂覆材料残留物。
作为本发明的加热器的四个部件以如下顺序分层放置：上部板100，燃烧薄板200，传热薄板300以及下部板400。多对燃烧薄板200以及多对传热薄板300也分层放置。
随着分层放置的成对薄板的数量的增加，更易于实现均匀加热，但是对设计本身产生限制。因此，板的数量的控制取决于所需的条件。
尤其是，上部板100的待加热物料入口111、燃料入口121、氧化剂入口131分别与燃烧薄板200的待加热物料的入口孔211、燃料孔221、氧化剂入口231对准，所述燃烧薄板200设置为与上部板100的下表面接触。
因此，与上部板100的下表面接触的燃烧薄板200的加热物料出口孔252以及排气孔262的上部是关闭的。
此外，下部板400的加热物料出口462以及排气出口452分别与传热薄板300的加热物料出口孔362以及排气孔352对准，所述传热薄板300设置为与下部板的上表面接触。
因此，与下部板400的上表面接触的传热薄板300的待加热物料入口孔311、燃料孔321以及氧化剂入口孔331的下部是关闭的。
这样，当完成本发明的加热器的装配过程时，多块成对的燃烧薄板200和传热薄板300的五个孔起长管的作用。
即，多个成对的待加热物料入口孔211、311，加热物料出口孔262、362，氧化剂孔231、331，排气孔252、352和燃料孔221、321被分层放置以分别形成管子。在此种情形，待加热物料入口孔211、311，氧化剂孔231、331以及燃料孔221、321设置为底部封闭的管子(bottom-closedpipe)的形式，而加热物料出口孔262、362以及排气孔252、352设置为顶部封闭的管子(top-closed pipe)的形式。
上部板100、燃烧薄板200、传热薄板300以及下部板400应该相互接触以防止气体逸出。为此，优选地，所述板的接触表面被非常精细地处理并且使用密封剂密封分层放置的板的侧面。
此外，虽然燃烧薄板200与传热薄板300可以相反地设置，但是氧化反应应该在相应的薄板上进行。
燃烧薄板200与传热薄板300的厚度是不受限制的。
然而，为了确保相同体积的大的表面积，应该考虑微通道的宽度和深度确定传热薄板300的厚度。
此外，薄板的厚度需要根据在其上发生的反应的类型而确定。
例如，当甲醇湿法重整反应吸热较少时，为了使用颗粒状催化剂而不是涂覆在薄板上的催化剂，所述薄板可以设置成具有1～5mm的厚度。
此外，用于碳氢化合物燃烧的薄板优选地设置成具有0.1～1mm的厚度，并且然后涂覆一种氧化催化剂以获得(complete)希望的加热系统。
然而，不论上述情形如何，用于分别输送用作燃料的碳氢化合物、氢气或一氧化碳以及用作氧化剂的氧气的管子必须被设置成使得混合上述反应物料的混合部被设置在涂覆有燃烧催化剂的薄板中。
因此，薄板可以使用焊接、扩散或螺栓连接。
本发明的系统的操作描述如下。
本发明的加热器包括上部板100、下部板400、燃烧薄板200以及传热薄板300，通过其形成：用于输送、加热待加热物料、然后排放加热物料的加热物料通过路径，用于输送燃料的燃料通过路径以及用于输送氧化剂以使从上述燃料通过路径传送的燃料燃烧、然后排放废气的燃烧通过路径。
本发明中，为了混合系统中的燃料与氧化剂，独立地设置燃料通过路径和燃烧通过路径。
如果在系统外混合燃料和氧化剂、然后输送入系统中，气体混合入口的温度升高，这样在上述入口引起加热反应，所述入口与待加热物料发生吸热反应的位置隔开。
此外，当在入口发生剧烈的加热反应时，可能发生系统的热变形。
因此，为了达到克服本发明的系统中温度不均匀的目的，该系统应该被构造成使燃烧热一产生就被用于吸热反应。
加热物料通过路径依次包括：待加热物料入口111、待加热物料入口孔311、微通道391、传热薄板300的加热物料出口孔362以及加热物料出口462。
燃烧通过路径依次包括：氧化剂入口131、氧化剂孔231、微通道291、加热薄板200的排气孔252以及排气出口452。
最后，燃料通过路径依次包括：燃料入口121、燃料孔321、燃料进料导进槽381以及燃料进料孔275。燃料在混合槽271中与氧化剂混合。
因此，CH4、水蒸汽及/或空气被输送至待加热物料入口111中，而碳氢化合物燃料(CH4、LNG、汽化汽油、汽化轻油)、乙醇、一氧化碳以及氢气被单独输送或混合输送至燃料入口121中。此外，空气或高浓度的含氧空气被输送入氧化剂入口131中。
被输送至待加热物料入口111中的水蒸汽或空气起冷却介质的作用以防止待加热物料过热。
输送的燃料通过燃料通过路径到达混合槽271，然后在混合槽271中与通过氧化剂入口131输送的氧化剂混合。混合物被输送至微通道291中以引发燃烧反应。
虽然氧化反应主要地在微通道291中进行，但是其也可能在加热一段时间后的混合槽271中发生。
通过氧化反应由燃烧薄板200产生的反应热起加热设置在燃烧薄板的上、下表面上的传热薄板300的作用。尤其是，上述反应热用作输送至加热物料通过路径的微通道391中的待加热物料的反应热。
由燃烧反应产生的气体(二氧化碳、水、氮气)通过微通道291、排气孔252、352以及下部板400的排气出口452向外排放。
待加热物料通过待加热物料入口111被输送入系统中，经过待加热物料入口孔211、311，然后在微通道391中加热，此后，通过加热物料出口孔362和下部板400的加热物料出口462向外排放加热物料。

Claims (3)

1.一种用于均匀加热的具有微通道的加热器，包括：
一上部板，所述上部板包括待加热物料入口、燃料入口以及氧化剂入口；
一下部板，所述下部板包括加热物料出口和排气出口；以及
多块燃烧薄板和多块传热薄板，所述多块燃烧薄板和多块传热薄板在所述上部板与下部板之间交替地分层放置，
其中，每块燃烧薄板和传热薄板具有在各自相应位置形成的一待加热物料入口孔、一加热物料出口孔、一氧化剂孔、一排气孔、一燃料孔以及微通道，
所述燃烧薄板的排气孔和燃料孔通过微通道连接，
所述传热薄板的待加热物料的入口孔和加热物料出口孔通过微通道连接，
所述燃料薄板还具有一燃料进料部，所述燃料进料部和与传热薄板的燃料孔相连接的燃料进料孔连接，以将燃料传送至该处，
所述上部板以及与所述上部板的下表面相接触的燃烧薄板被设置成使所述上部板的待加热物料入口、燃料入口、氧化剂入口分别与所述燃烧薄板的待加热物料入口孔、燃料孔、氧化剂孔对准，并且
所述下部板以及与所述下部板的上表面相接触的传热薄板被设置成使所述下部板的加热物料出口、排气出口分别与所述传热薄板的加热物料出口孔、排气孔对准。
2.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述燃烧薄板的微通道涂覆有一种氧化催化剂。
3.根据权利要求1所述的加热器，其特征在于，所述传热薄板的微通道涂覆有一种碳氢化合物重整催化剂。
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