组合式重整器

相关申请的交叉引用

本申请要求2022年7月18日提交的韩国专利申请No.10-2022-0088495和2023年6月20日提交的韩国专利申请No.10-2023-0079217的优先权，上述两个韩国专利申请的全部内容出于所有目的通过参引并入本文中。

技术领域

本发明涉及一种组合式重整器，并且更具体涉及一种能够通过将来自燃烧气体的热依次供应至在不同温度下发生反应的两个或更多个催化剂管来连续进行不同的重整反应的组合式重整器。

背景技术

用于对以甲烷(CH4)为主要成分的天然气进行重整的常规的蒸汽甲烷重整(SMR)设备在结构和工艺方面存在复杂性问题，因为需要额外的预重整器以在重整过程之前将含较高碳含量的烃(CxHy)的气体转化为甲烷。

另外，即使在需要对生物气体进行重整时，由于必须去除生物气体中包含的二氧化碳并且然后将其供应至蒸汽甲烷重整设备，因此存在需要单独的用于去除二氧化碳的设备的问题。

发明内容

本发明旨在提供一种组合式重整器，其能够通过将来自燃烧气体的热依次供应至在不同温度下发生反应的两个或更多个催化剂管来连续进行不同的重整反应。

此外，本发明旨在提供一种能够提高重整效率的组合式重整器，其具有U形第一催化剂管，第一催化剂管包括预热部段和催化剂重整部段，在预热部段中，平行于燃烧气体流动的烃类气体被预热，在催化剂重整部段中发生催化重整。

本发明的技术目的不限于上述内容，并且本领域技术人员可从以下描述中清楚地理解本文中未描述的其他目的。

为了实现上述目的，根据本发明的实施方式的组合式重整器包括：主体；多个第一催化剂管，多个第一催化剂管布置在主体的内部并且在第一温度下发生反应；多个第二催化剂管，多个第二催化剂管布置在主体的内部、连接至多个第一催化剂管并且在高于第一温度的第二温度下发生反应；燃烧部段，燃烧部段向多个第一催化剂管和多个第二催化剂管供热；以及第一分配器，第一分配器连接多个第一催化剂管和多个第二催化剂管，并且将从多个第一催化剂管排放的气体和蒸汽分配至多个第二催化剂管，其中，多个第一催化剂管形成为U形形状，并且每个U形的第一催化剂管设置有预热部段和催化剂重整部段，在预热部段中预重整的烃类气体平行于燃烧气体流动并且被加热，在催化剂重整部段中发生催化重整。

根据实施方式，预热部段可以位于U形管的直线部段中的一个直线部段中，并且催化剂重整部段可以位于U形管的另一直线部段中。

根据实施方式，烃类气体可以在预热部段中沿与燃烧气体相同的方向流动，并且在催化剂重整部段中沿与燃烧气体相反的方向流动。

根据实施方式，第一分配器可以包括第一室，第一室连接多个第一催化剂管的排放端部和多个第二催化剂管的入口端部。

根据实施方式，组合式重整器还可以包括合成气体排放部段，合成气体排放部段布置在第一分配器的径向方向的内侧，从而接纳多个第二催化剂管的排放端部的连接，以排放合成气体。

根据实施方式，组合式重整器还可以包括第二分配器，第二分配器对供应至多个第一催化剂管的烃类气体和蒸汽进行分配，其中，第二分配器可以相对于主体布置在与第一分配器相同的侧部上。

根据实施方式，第二分配器可以包括用于供应烃类气体和蒸汽的一个或更多个供应端口以及连接至多个第一催化剂管的入口端部的第二室。

根据实施方式，合成气体排放部段可以延伸穿过第二分配器的径向方向的内侧。

根据实施方式，燃烧部段可以相对于主体布置在第一分配器和第二分配器的相反侧部上。

根据实施方式，每个U形的第一催化剂管可以沿着主体的纵向方向和周向方向延伸。

根据实施方式，组合式重整器还可以包括螺旋形的导引板，螺旋形的导引板穿过多个第一催化剂管以导引燃烧气体。

根据实施方式，其中，多个第一催化剂管可以插入穿过导引板。

根据实施方式，导引板可以包括多个子板，在穿过每个U形的第一催化剂管的每个部段处被分开。

根据实施方式，多个第一催化剂管可以包括沿纵向方向设置在多个第一催化剂管的外表面上的翅片。

根据实施方式，供应至多个第一催化剂管的烃类气体可以包括碳数为2或更多的烃，其可以通过与多个第一催化剂管中的蒸汽反应而被重整为甲烷，甲烷通过与多个第二催化剂管中的蒸汽反应而被重整为包括氢气和一氧化碳的合成气体。

根据实施方式，供应至多个第一催化剂管的烃类气体可以包括甲烷和二氧化碳，甲烷通过与多个第一催化剂管中的蒸汽反应并且通过与多个第二催化剂管中的二氧化碳反应而被重整为包括氢气和一氧化碳的合成气体。

为了实现上述目的，根据本发明的另一实施方式的组合式重整器可以包括：主体；多个第一催化剂管，多个第一催化剂管布置在主体的内部并且在第一温度下发生反应；多个第二催化剂管，多个第二催化剂管布置在主体的内部、连接至多个第一催化剂管并且在高于第一温度的第二温度下发生反应；燃烧部段，燃烧部段向多个第一催化剂管和多个第二催化剂管供热；第二分配器，第二分配器将供应至多个第一催化剂管的烃类气体和蒸汽进行分配，其中，多个第一催化剂管形成为U形形状，并且每个U形的第一催化剂管设置有预热部段和催化剂重整部段，在预热部段中预重整的烃类气体平行于燃烧气体流动并且被加热，在催化剂重整部段中发生催化重整。

附图说明

图1是图示了根据本发明的第一实施方式的组合式重整器的前视图；

图2是图示了图1的组合式重整器的立体图，其中省略了主体；

图3是沿着图2中的A-A’线截取的横截面图；

图4是沿着图3中的B-B’线截取的横截面图；

图5是表示当烃类气体经过第一催化剂管的预热部段和催化剂重整部段时，燃烧气体和烃类气体的温度变化的曲线图；

图6是图示了根据本发明的第二实施方式的组合式重整器的立体图，其中省略了主体；

图7是图6的替代性实施方式的立体图；

图8是图示了根据本发明的第三实施方式的组合式重整器的立体图，其中省略了主体；以及

图9是图8的替代性实施方式的立体图。

具体实施方式

下文将参照随附附图来描述本发明的组合式重整器的优选实施方式。

以下术语是考虑到在本发明中的功能性而定义的，并且可以根据用户或操作者的意图或惯例而变化，并且因此，以下实施方式仅是本发明的权利要求中所记载的部件的说明性示例，并且不限制本发明的范围。

为了提供对本发明的清晰的解释，已经省略了不相关的部分，并且在整个说明书中，相同或相似的部件由相同的附图标记表示。在整个说明书中，当一部分被称为“包括”某个部件时，这并不意味着排除了其他部件，而是意味着可以另外包括其他部件，除非有相反的具体指示。

首先，参照图1至图5对根据本发明的第一实施方式的组合式重整器进行描述。

根据本发明的第一实施方式的组合式重整器包括主体100、第一催化剂管200、第一分配器300、第二催化剂管400、燃烧部段500、第二分配器600和合成气体排放部段700。

主体100形成为柱形形状，限定了组合式重整器的整体外观并提供了内部柱形空间，但不限于此。

主体100在其内部配备有两个或更多个催化剂管，这些催化剂管在不同温度下发生反应。具体而言，主体100配备有在第一温度(T1)下发生反应的多个第一催化剂管200以及在高于第一温度(T1)的第二温度(T2)下发生反应的多个第二催化剂管400。第一温度(T1)和第二温度(T2)可以根据在第一催化剂管200和第二催化剂管400中发生的反应而不同地设定。

在该实施方式中，描述的重点在于向第一催化剂管200供应含有碳数为2或更多的烃的烃类气体以及蒸汽的情况，其中碳数为2或更多的烃在第一催化剂管200中与蒸汽进行重整以转化为甲烷，并且甲烷在第二催化剂管400中进一步与蒸汽进行重整以转化为含有氢气和一氧化碳的合成气体。

第一温度(T1)，即第一催化剂管200的反应温度，可以在从大约350℃至550℃的范围内，并且应用能够对碳数为2或更多的烃进行重整的催化剂。例如，使用MgO或Al

反应式(1)-------C

反应式(2)-------CO+3H

第二催化剂管400可以具有大约700℃至900℃的反应温度，并应用能够重整甲烷的催化剂。例如，镍基催化剂也可以应用于第二催化剂管400。因此，在第二催化剂管400中，甲烷可以通过反应式(3)被转化为含有氢气和一氧化碳的合成气体(合成气)。

反应式(3)-------CH

尽管甲烷的湿法重整反应被描述为发生在第二催化剂管400中，但是一些反应也可能发生在第一催化剂管200中，这是因为甲烷的湿法重整可在宽的温度范围内发生。

多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400通过第一分配器300连接，允许供应至多个第一催化剂管200的烃类气体和蒸汽经由第一分配器300分配并依次流经多个第二催化剂管400。此处，通过第一分配器300从多个第一催化剂管200排放的气体和蒸汽可以被均匀地供应至多个第二催化剂管400，并且其详细配置将在后面详细地描述。

因此，即使供应至第一催化剂管200的烃类气体包含大量碳数为2或更多的烃，该烃类气体也可以在依次流经第一催化剂管200和第二催化剂管400时通过蒸汽重整反应被重整为合成气体。也就是说，碳数为2或更多的高级烃可以在第一催化剂管200中转化为甲烷，并且在第一催化剂管200中所转化的甲烷可以被引入到第二催化剂管400中并且被进一步转化为合成气体。特别地，供应至第一催化剂管200的烃类气体可以是由废料热解产生的热解气体。例如，该烃类气体可以是由废塑料热解产生的热解气体，该热解气体含有大量碳数为2或更多的烃。

如图中所示，在主体100的下部中央处安装有燃烧部段500，以向多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400供热，并且燃烧部段500使烃类气体燃烧，从而产生燃烧气体。产生的燃烧气体被排放到主体100的中央部分。

因为与第一催化剂管200相比，第二催化剂管400在更高的温度下发生反应，所以对于从燃烧部段500排放的燃烧气体在向多个第一催化剂管200供热之前，向多个第二催化剂管400供热可能是有效的。为了实现这一点，与多个第一催化剂管200相比，多个第二催化剂管400定位在主体100的径向方向的内侧。

然而，该配置不限于此，并且根据实施方式，也可以通过将多个第一催化剂管200与多个第二催化剂管400相比定位在主体100的径向方向的内侧，使燃烧气体在向多个第一催化剂管200供热之后向多个第二催化剂管400供热。

具体而言，如图2和图4中所示，多个第一催化剂管200沿着主体100的周向方向间隔地布置。同样地，多个第二催化剂管400也沿着主体100的周向方向间隔地布置，位于多个第一催化剂管200的径向方向的内侧。多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400的数量可以根据诸如重整器尺寸之类的因素进行调整。多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400两者均可以沿着主体100的纵向方向竖向地延伸。

本文中，多个第一催化剂管200中的每个第一催化剂管均形成为U形形状。具体而言，多个第一催化剂管200中的每个第一催化剂管可以从主体100的上侧竖向地延伸，然后穿过U形转弯部段220，并且再次朝向上侧竖向地延伸。如图2中所示，每个U形第一催化剂管200可以沿着主体100的长度方向和圆周方向延伸。

每个U形第一催化剂管200设置有预热部段202和催化剂重整部段204，在预热部段202中，预重整的烃类气体平行于燃烧气体流动并且被加热，在催化剂重整部段204中发生催化重整。如图2中所示，预热部段202可以位于U形管的直线部段中的一个直线部段中，而催化剂重整部段204可以位于U形管的另一直线部段中。也就是说，催化材料可以仅填充在与U形第一催化剂管200的催化剂重整部段204相对应的直线部段中。

在主体100的内侧，存在第一壁120，第一壁120导引从燃烧部段500排放的燃烧气体的流动，以有效地向多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400供热。第一壁120定位在多个第一催化剂管200与多个第二催化剂管400之间，从主体100的下部部分向上竖向地延伸。因此，从燃烧部段500排放的燃烧气体在第一壁120的内侧向上流动，向多个第二催化剂管400供热，并且稍微冷却的燃烧气体在第一壁120的外侧向下流动，向多个第一催化剂管200供热。在向多个第一催化剂管200和多个第二催化剂管400供热之后，燃烧气体被排放至主体100的外侧。

因此，穿过U形第一催化剂管200的预热部段202的烃类气体与燃烧气体沿相同方向流动，而穿过催化剂重整段204的烃类气体与燃烧气体沿相反方向流动。图5示出了当烃类气体穿过预热部段202和催化剂重整部段204时燃烧气体和烃类气体的温度变化。将烃类气体在预热部段202中预热至接近催化反应温度范围的温度允许在催化剂重整部段204中立即进行催化重整反应，使从燃烧气体吸收的热量最大化并提高重整效率。

类似地，多个第二催化剂管400也形成为U形形状。具体而言，多个第二催化剂管400中的每个第二催化剂管可以从主体100的上侧竖向地延伸，然后穿过U形转弯部段420，并且再次朝向上侧竖向地延伸。如图3中所示，每个U形第二催化剂管400可以沿着主体100的长度方向和圆周方向延伸。U形转弯部段420的数量可以基于催化剂所需的反应时间来调整，并且随着催化剂所需的反应时间增加，U形转弯部段420的数量可以增加。

如图2和图3中所示，第一分配器300连接至多个第一催化剂管200的排放端部以及多个第二催化剂管400的入口端部。具体而言，第一分配器300可以形成为环形形状，其内部具有第一室320，第一室320连接多个第一催化剂管200的排放端部和多个第二催化剂管400的入口端部。这允许从多个第一催化剂管200排放的气体和蒸汽聚集在第一室320中，并且被均匀地供应至多个第二催化剂管400。

此外，在第一分配器300的径向方向的内侧可以布置有合成气体排放部段700，在合成气体排放部段700处连接有多个第二催化剂管400的排放端部以用于排放合成气体。由于第二催化剂管400具有在主体100的径向方向上延伸的U形转弯部段420，因此合成气体排放部段700优选地形成在第一分配器300的径向方向的内侧，从而允许组合式重整器的更紧凑的构型。具体而言，合成气体排放部段700可以包括第三室720以及在第三室720内的排放管道740，第三室720通过连接至多个第二催化剂管400的排放端部来收集合成气体，排放管道740将所收集的合成气体释放至外部。

此外，该组合式重整器还包括第二分配器600，第二分配器600负责分配供应至多个第一催化剂管200的烃类气体和蒸汽。在本发明中，由于第一催化剂管200形成为U形形状，如图2中所示，第二分配器600相对于主体100而言定位在与第一分配器300相同的一侧。此外，燃烧部段500相对于主体100而言定位在与第一分配器300和第二分配器600相反的一侧。

如图2和图3中所示，第二分配器600包括一个或更多个供应端口640以及第二室620，一个或更多个供应端口640用于供应烃类气体和蒸汽，第二室620连接至多个第一催化剂管200的入口端部。因此，从一个或更多个供应端口640供应的烃类气体和蒸汽聚集在第二室620中，并且均匀地供应至多个第一催化剂管200。为了实现组合式重整器的紧凑结构，合成气体排放部段700可以延伸穿过第二分配器600的径向方向的内侧。在该实施方式中，合成气体排放部段的第三室720延伸穿过第二分配器600的内侧，从而产生第三室720形成在中央处并且被第一室320和第二室620环绕的结构。

尽管在该实施方式中，组合式重整器已经被描述为包括第一分配器300和第二分配器600两者，但是也可以仅包括第一分配器300或仅包括第二分配器600。

根据实施方式，第一催化剂管200可以被供应含有甲烷和二氧化碳的烃类气体(例如，生物气体)以及蒸汽。在下文中，描述了当生物气体和蒸汽被供应至第一催化剂管200时，在第一催化剂管200和第二催化剂管400中发生的重整反应。除了重整反应之外，组合式重整器的结构与上面描述的结构相同。

当生物气体和蒸汽被供应至第一催化剂管200时，甲烷根据反应式(3)与蒸汽反应，以重整为含有氢气和一氧化碳的合成气体(湿法重整)，而甲烷可以通过在第二催化剂管400中根据反应式(4)与二氧化碳反应而重整为含有氢气和一氧化碳的合成气体(干法重整)。

反应式(3)-------CH

反应式(4)-------CH

在这种情况下，第一催化剂管200可以具有范围从大约450℃到650℃的反应温度，被表示为第一温度(T1)，并且可以应用适于甲烷湿法重整的催化剂。第二催化剂管400可以具有范围从大约650℃到850℃的反应温度，被表示为第二温度(T2)，并且可以应用适于甲烷干法重整的催化剂。

尽管甲烷的湿法重整反应被描述为发生在第一催化剂管200中，但是一些重整反应也可以发生在第二催化剂管400中，这是因为甲烷的湿法重整可以在宽的温度范围内发生。

通过这种方式，烃类气体(在这种情况下，包含甲烷和二氧化碳的生物气体)和蒸汽可以依次流经第一催化剂管200和第二催化剂管400，进行湿法重整反应和干法重整反应两者，以被转化为合成气体。在这种情况下，不需要单独的二氧化碳去除装置，这是因为在将生物气体供应至重整器之前，不需要从生物气体去除二氧化碳。

类似地，在U形第一催化剂管200中，通过预热部段202的烃类气体(生物气体)可以与燃烧气体沿相同方向流动，并且通过催化剂重整部段204的烃类气体(生物气体)可以与燃烧气体沿相反方向流动。因此，当烃类气体(生物气体)在到达催化剂重整部段204时被预热至接近催化反应所需的温度范围的温度时，催化重整反应可以立即发生，使从燃烧气体吸收的热量最大化并提高重整效率。

接下来，参照图6对本发明的第二实施方式的组合式重整器进行描述。

第二实施方式中的组合式重整器包括与第一实施方式中的组合式重整器相同的部件，并且可以另外地包括穿过所述多个第一催化剂管200以导引燃烧气体的螺旋形的导引板900。

导引板900——该导引板900形成为围绕第一壁120以导引燃烧气体在第一壁120与主体100之间流动的螺旋形的板——可以接纳多个第一催化剂管200的插入。为此，导引板900可以具有设置成接纳多个第一催化剂管200的穿透孔，并且第一催化剂管200可以在被插入到穿透孔中之后通过焊接被牢固地固定。

因此，当燃烧气体沿着螺旋形的导引板900从而穿过所有第一催化剂管200流动时，这通过提高穿过第一催化剂管200的燃烧气体速度并增强外部传热系数，减少了多个第一催化剂管之间的吸热变化，并且提升了第一催化剂管的吸热能力。

然而，在该实施方式中，多个第一催化剂管200与单个导引板900的联接可能会使第一催化剂管在必要时难以触及和维修。

为了解决该问题，在另一实施方式中，导引板900可以包括多个子板900a，多个子板900a针对穿过的每个U形第一催化剂管200被分开，如图7所示。也就是说，为每个U形第一催化剂管200安装子板900a，以共同形成封围整个第一壁120的螺旋形的板。在这种情况下，优选的是使相邻子板900a之间的距离最小化。

接下来，参照图8对根据本发明的第三实施方式的组合式重整器进行描述。

除了沿纵向方向在多个第一催化剂管200的外表面上增加了翅片之外，第三实施方式的组合式重整器与第一实施方式的组合式重整器相同。在该实施方式中，可以沿着纵向方向在第一催化剂管200的外表面上设置有螺旋形的翅片242。

然而，构型不限于此，并且翅片的形状可以不同。例如，在另一个实施方式中，多个翅片244沿纵向方向在第一催化剂管200的外表面上平行于彼此对准，如图9所示。

因此，第一催化剂管200的增加的传热表面面积有利于与燃烧气体的热交换，从而允许更有效的热吸收和改进的重整效率。

根据本发明，通过将来自燃烧气体的热依次供应至在不同温度下发生反应的两个或更多个催化剂管，可以连续进行不同的重整反应。作为一个示例，当供应热解气体和蒸汽时，碳数为2或更多的烃可以通过与蒸汽反应被重整为甲烷，并且甲烷可以通过与蒸汽反应被重整为合成气体。在这种情况下，可以简化结构和工艺，因为不需要安装单独的预重整器。作为另一示例，当供应生物气体和蒸汽时，甲烷可以通过与蒸汽反应而被重整为合成气体(湿法重整)，并且同时甲烷可以通过与二氧化碳反应而被重整为合成气体(干法重整)。在这种情况下，不需要单独的二氧化碳去除装置，因为在将生物气体供应至重整器之前，不需要将二氧化碳从生物气体中去除。

另外，通过包括用以将从多个第一催化剂管排放的气体和蒸汽分配至多个第二催化剂管的第一分配器，气体和蒸汽可以均匀地供应至多个第二催化剂管。

另外，通过包括用以将供应至多个第一催化剂管的烃类气体和蒸汽进行分配的第二分配器，烃类气体和蒸汽可以均匀地供应至多个第一催化剂管。

另外，通过使第一催化剂管形成为U形形状，其中，第一催化剂管具有预热部段和催化剂重整部段，在预热部段中烃类气体平行于燃烧气体流动并且在重整前被预热，在催化剂重整部段中发生催化重整，可以使从燃烧气体的热吸收最大化，从而提高重整效率。

应当理解的是，本发明的优点不限于上述内容，而是包括可以从说明书的具体实施方式部分中或者从权利要求中规定的构型中推断出的所有优点。

本发明不限于上述特定实施方式和描述，并且在不脱离本发明的实质的情况下，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行各种修改，其中，这些修改落入本发明的保护范围内。

附图标记说明

100：主体

120：第一壁

200：第一催化剂管

202：预热部段

204：催化剂重整部段

220：U形转弯部段

242、244：翅片

300：第一分配器

320：第一室

400：第二催化剂管

420：U形转弯部段

500：燃烧部段

600：第二分配器

620：第二室

640：供应端口

700：合成气体排放部段

720：第三室

740：排放管道

900：导引板

900a：子板