將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法
【專利說明】將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法
[0001]分案串請
[0002]本申請是申請?zhí)枮?00880130143.7的中國專利申請的分案申請，上述申請的申請日為2008年7月2日，發(fā)明名稱為“將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的重整反應器及方法”。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及一種重整反應器以及使用該重整反應器將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法，該重整反應器通過自熱反應將烴類燃料轉(zhuǎn)化為用于燃料電池和/或排放處理應用的富氫氣體。
【背景技術(shù)】
[0004]在現(xiàn)有技術(shù)中，已熟知通過對例如汽油或柴油燃料的烴類燃料進行重整來生產(chǎn)用于運輸裝置中的燃料電池的富氫氣體。傳統(tǒng)上，氫氣是在大型工業(yè)設備中生產(chǎn)，然后儲存在運輸裝置上。近來開發(fā)的小型車載氫源(所謂的重整反應器)提供了按需生產(chǎn)氫氣而無需儲藏氫氣的可能性。
[0005]通常，有三種已知的方法將氣態(tài)或液態(tài)烴類燃料重整為氫氣:催化蒸汽重整、部分氧化重整和自熱重整。
[0006]在催化蒸汽重整過程中，蒸汽和烴類燃料的混合物在高溫下(700°C到1000°C之間)被暴露于合適的催化劑，例如鎳。該反應是高度吸熱的，并且需要外部熱源和蒸汽源。
[0007]在部分氧化重整過程中，氫氣燃料和含氧氣體(如環(huán)境空氣)被作為原料氣送入反應室中，優(yōu)選存在有催化劑。所使用的催化劑通常由貴金屬或鎳制成，并且溫度在700°C到1700°C之間。該反應是高度放熱的，并且一旦啟動就產(chǎn)生足夠的熱量以自我維持。為了促進氧化反應，有必要減少反應器內(nèi)的溫度變化。
[0008]自熱重整過程是蒸汽重整和部分氧化重整的結(jié)合。來自部分氧化重整反應的廢熱被用于對吸熱的蒸汽重整反應進行加熱。
[0009]所有這些重整過程的自然副產(chǎn)物是一氧化碳和二氧化碳。但是，由于并未將烴類燃料設計作為產(chǎn)生氫的原料，因此還存在其它副產(chǎn)物，如硫磺。這些副產(chǎn)物可能對燃料電池有害，因此，應該在重整反應器外部通過后續(xù)步驟進行移除。另外，如果在反應器中混合不充分，則烴類燃料(尤其是柴油)會在催化劑中產(chǎn)生作為副產(chǎn)物的煙灰。同樣，煙灰顆粒對燃料電池非常有害，因此必須注意避免在重整器中形成煙灰。
[0010]從現(xiàn)有技術(shù)的專利申請US 6，770, 106中，已知一種用于對含有烴或甲烷、氧氣和水的原料氣進行重整的部分氧化重整器，其中，通過被原料氣的通道覆蓋的反應器實現(xiàn)了溫度變化的減少，該原料氣由反應器內(nèi)的反應熱加熱，因此熱隔絕該反應器。因此，能夠減小該反應器內(nèi)的溫度變化。為了加熱原料氣，反應熱能夠通過熱交換器進行回收。
[0011]另外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn):原料氣到氫氣的成功有效轉(zhuǎn)化取決于反應物(即烴類燃料和氧化劑)的成功混合。已知的現(xiàn)有技術(shù)的缺點是:由于反應物的混合是在另外的、布置在外部的混合器中進行，所以不能提供在重整器的反應室內(nèi)的燃料不冷凝的情況下的、烴類燃料和氧化劑的完全霧化或汽化。
[0012]為了解決該問題，例如，在現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提出了在重整器中將燃料和氧化劑混合，優(yōu)選地，甚至通過預熱與該燃料混合的輸入空氣流或者通過預熱用于接收燃料噴霧的重整器表面來使注入的燃料汽化。由于現(xiàn)有技術(shù)的方法都不能完全成功地提供所注入的烴類燃料的可靠、完全的汽化，所以在歐洲專利申請EP 1 927 579中已經(jīng)提出了在反應器的反應室內(nèi)設置金屬元件，以為燃料汽化提供高溫和大的表面積。
[0013]這種已知的燃料蒸發(fā)器例如可以是導電金屬材料，它是噴灑有燃料的泡沫或紗布/織布纖維的形式，或者甚至是沿著反應器的內(nèi)壁縱向布置的柱形元件的形式。
[0014]這種已知的重整器的缺陷在于:必須精心挑選用于形成蒸發(fā)器的材料。一方面，它必須具備適度的歐姆電阻，以使該蒸發(fā)器能被快速加熱到期望溫度，但另一方面，它又必須對反應器的運行環(huán)境是化學惰性的。對柱形蒸發(fā)器的材料要求不那么苛求，但這種蒸發(fā)器的缺陷在于:隨著蒸發(fā)器完全暴露于也作為冷卻劑的、輸入空氣和燃料空氣混合物時，熱負荷會增加。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]因此，本發(fā)明的目的是提供一種將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的重整反應器及方法，其提供了烴類燃料向氧化劑的容易且與材料無關(guān)的霧化。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種通過自熱反應將烴類燃料轉(zhuǎn)化為用于燃料電池和/或排氣處理應用的富氫氣體的方法，該方法使用如下的重整反應器，該重整反應器具有:殼體，該殼體具有兩個側(cè)表面，這兩個側(cè)表面形成重整反應器的反應室；燃料入口，該燃料入口設置在所述兩個側(cè)表面中的一個側(cè)表面中，以將烴類燃料提供到反應室中；以及氧化劑入口，該氧化劑入口用于將氧化劑提供到反應室中，所述方法包括如下步驟:將氧化劑預熱到與烴類燃料的沸點基本相等或高于沸點的溫度；將烴類燃料預熱到比烴類燃料的沸點略低的溫度；以及將烴類燃料和氧化劑引入到反應室中。
[0017]根據(jù)本發(fā)明，通過在引入并使烴類燃料與氧化劑混合之前將烴類燃料預熱，能夠獲得基本理想的燃料霧化及隨后的氣體混合物。這樣的預熱能夠通過布置在重整器的反應室外部的預熱裝置來實現(xiàn)。優(yōu)選地，該預熱裝置是布置在燃料入口上游的、單獨的裝置，但也可以將燃料入口和預熱裝置集成成單個裝置。特別地，在優(yōu)選情況下，當燃料噴射器用作燃料入口時，有利的是加熱該噴射器，由此來預熱燃料。因此，如果燃料入口與反應室的側(cè)壁處于導熱接觸，則更優(yōu)，從而該反應室內(nèi)產(chǎn)生的熱量能夠傳遞給噴射器，以預熱燃料。
[0018]在更優(yōu)選的實施例中，把被預熱燃料的溫度調(diào)整為接近但低于燃料的最低沸點，由此提供了實現(xiàn)基本理想的霧化或汽化所需的優(yōu)選的熱量。
[0019]根據(jù)更有利的實施例，氧化劑在與烴類燃料混合之前也先被預熱，優(yōu)選被預熱到與預熱燃料的溫度處于相同范圍的溫度或更高溫度。這基本阻止了燃料或氧化劑的不需要的冷凝，該冷凝會導致重整器的壽命縮短。
[0020]優(yōu)選地，氧化劑的預熱能夠通過使用具有內(nèi)壁和外壁的重整反應器來執(zhí)行，該內(nèi)壁和外壁之間形成有空間，其中，所述空間被設計為氧化劑通道，該氧化劑通道位于在外壁中設置的氧化劑供給口與在內(nèi)壁中設置的氧化劑入口之間。內(nèi)壁被反應室內(nèi)發(fā)生的反應的熱量加熱，由此，通過從內(nèi)壁至氧化劑的熱傳遞，氧化劑又被內(nèi)壁預熱。
[0021]霧化燃料與氧化劑混合以及燃料預熱的結(jié)合得到了基本完全均勻的反應混合物，而且氧化劑的預熱防止了冷凝。由此實現(xiàn)的基本均勻的混合物允許烴類燃料的基本完全的轉(zhuǎn)化，這又允許從重質(zhì)烴燃料高效生產(chǎn)出燃料電池級氫氣。
[0022]上述通過從重整器內(nèi)壁到氧化劑的熱傳遞對氧化劑進行預熱的有益的附帶效果是:熱傳遞也將內(nèi)壁冷卻到如下溫度，在該溫度下基本防止了由于與內(nèi)壁接觸的燃料顆粒燃燒而形成的煙灰。
[0023]總的來說，可以提供具有外部冷卻裝置的反應器，但這增大了該反應器的尺寸，并且為由燃料電池提供能量的系統(tǒng)增加了又一個耗能裝置。因此，優(yōu)選實施例利用相對冷的氧化劑來冷卻反應器的內(nèi)壁。同時，這意味著可以不必考慮內(nèi)壁的隔熱，由此使反應器的尺寸進一步減小。
[0024]冷卻該內(nèi)壁的另一優(yōu)點在于:反應室內(nèi)的溫度能夠保持恒定，并且能夠控制氧化劑的溫度。
[0025]如本發(fā)明的另一優(yōu)選實施例所示，設置在殼體內(nèi)壁中的氧化劑入口形成為多個孔口，尤其是多個孔或微縫。這便于氧化劑在反應室內(nèi)大致均勻地分布。優(yōu)選地，所述多個孔口的尺寸、形狀和/或位置可以根據(jù)所使用的氧化劑、所使用的烴類燃料和/或它們的溫度而改變。最優(yōu)選地，該氧化劑入口設置在燃料入口附近。
[0026]另一優(yōu)選實施例在反應室內(nèi)設有用于自熱反應的催化劑，以加速烴類燃料向富氫氣體的轉(zhuǎn)化。由于預混合是以具有創(chuàng)造性的方式進行的，因此能夠?qū)⒒就耆鶆虻幕旌衔锓胖贸膳c催化劑接觸，并且基本防止了冷凝也就基本防止了催化劑的失活，由此延長了重整器的壽命。優(yōu)選地，該催化劑可以是陶瓷單片或金屬格柵。
[0027]優(yōu)選地，對所述孔口的尺寸以及這些孔口與燃料入口之間的距離進行設計，以實現(xiàn)最佳的紊流混合，并使氧化劑/燃料混合物在與催化劑接觸之前是基本完全均勻的?；旌蠀^(qū)(孔口的位置)與催化劑之間的距離也被構(gòu)造為使得氧化劑實現(xiàn)了混合物穩(wěn)定性，而不會引起氧化劑/燃料混合物的自動氧化。
[0028]在從屬權(quán)利要求中限定了其它優(yōu)選實施例及優(yōu)點。
【附圖說明】
[0029]在下文中，將借助于附圖來討論根據(jù)本發(fā)明的重整反應器的優(yōu)選實施例。該描述應當視為本發(fā)明原理的示例，并非旨在限制權(quán)利要求的范圍。
[0030]圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的所述重整反應器的優(yōu)選實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0031]圖1中的重整反應器1包括殼體2，該殼體2具有內(nèi)壁4、外壁6以及側(cè)壁8a、8b。內(nèi)壁4和側(cè)壁8a、8b限定了反應室10，烴類燃料20和氧化劑14被一起送入該反應室10中，且該反應室10中能夠發(fā)生自熱反應。
[0032]內(nèi)壁4和外壁6限定了位于它們之間的空間12?？臻g12又形成了位于氧化劑供給口 16與氧化劑入口 18之間的、用于氧化劑14的通道。
[0033]另外，重整反應器1包括用于對反應室10中的自熱反應進行催化的催化劑28。催化劑28使自熱反應加速，但也可以在無催化劑的情況下使用根據(jù)本發(fā)明的重整反應器。優(yōu)選地，催化劑28是金屬格柵或陶瓷單片，但也可以使用適合于催化劑28的設計的任何其它基材。
[0034]氧化劑入口 18形成為多個孔口，尤其是多個孔或微縫，所述多個孔口的尺寸、形狀和位置可根據(jù)所使用的氧化劑14、所使用的烴類燃料20以及它們的溫度而變化。所述多個孔口