專利名稱：用于對(duì)燃料尤其是燃油進(jìn)行重整的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于對(duì)燃料，尤其是燃油或其它液體燃料，進(jìn)行重整的方法，優(yōu)選是為了通過(guò)高溫燃料電池獲得電能和熱能。本發(fā)明還涉及用于實(shí)施該方法的設(shè)備，此外還涉及一種采用了本發(fā)明方法的具有燃料電池的設(shè)備。
當(dāng)空氣或其它包括一種惰性組分的和一種由氧分子O2構(gòu)成的組分的含氧氣體混合到碳?xì)浠衔镏袝r(shí)，發(fā)生一種并行于該吸熱重整過(guò)程的部分氧化，該部分氧化是發(fā)熱的，故水作為反應(yīng)物生成。由該部分氧化形成的水作為該重整的一種離析物。因此不再需要水的混合物或只是部分需要，這是有利的，因?yàn)樵诳紤]到需要對(duì)水進(jìn)行純化時(shí)，水是昂貴的。然而，當(dāng)該重整與一種部分氧化一起進(jìn)行時(shí)，出現(xiàn)了問題，如下文所述該重整過(guò)程是在一個(gè)具有均勻結(jié)構(gòu)的催化反應(yīng)室中通過(guò)一種多相催化作用實(shí)施的。該催化反應(yīng)室包括一種催化劑載體，在該載體的表面上涂敷有催化活性材料，也就是鉑材料(尤其是鉑、銠或鈀)、鎳或此類材料的混合物。同時(shí)發(fā)生的氧化反應(yīng)比吸熱重整反應(yīng)迅速得多；故其發(fā)生在該催化反應(yīng)室的一個(gè)入口區(qū)域，在該區(qū)域由于氧化放熱而產(chǎn)生高溫。該溫度可導(dǎo)致催化活性材料的無(wú)效，例如通過(guò)汽化，并由此損害該催化反應(yīng)室。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于燃料，特別是燃油或其它液體燃料重整的方法，其中一種部分氧化反應(yīng)與該重整同時(shí)進(jìn)行，但在其中避免了該放熱過(guò)程對(duì)催化反應(yīng)室的損害作用。該目的通過(guò)權(quán)利要求1所定義的方法而實(shí)現(xiàn)，其中通過(guò)合成氣體的回流的指定措施，該催化反應(yīng)室入口區(qū)域的溫度能夠被降低，從而避免了熱損傷。
用于燃料，特別是燃油或其它液體燃料重整的方法，通過(guò)使用了一種含氧氣體而實(shí)現(xiàn)。該方法包括如下步驟-通過(guò)在含氧氣體的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；-加上回流的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；-該氣體混合物借助于部分氧化、還有通過(guò)多相催化的重整過(guò)程而生成合成氣體；-該產(chǎn)生的合成氣體分路成一個(gè)產(chǎn)物流和一個(gè)用于一種再循環(huán)的回流；和-從該回流按規(guī)定抽走熱量，以便建立一個(gè)催化劑載體的一個(gè)預(yù)定溫度，多相催化以該溫度進(jìn)行。
從屬權(quán)利要求2至5涉及本發(fā)明方法的有利實(shí)施例。權(quán)利要求6至9的主題是用于實(shí)施此方法的裝置。權(quán)利要求10涉及一個(gè)具有一個(gè)高溫燃料電池的電池組的設(shè)備，該設(shè)備根據(jù)本發(fā)明進(jìn)行操作對(duì)燃油進(jìn)行重整。
該雙材料噴嘴2設(shè)置在遠(yuǎn)離該催化反應(yīng)室10一定距離處，由于這個(gè)與一個(gè)進(jìn)入表面100足夠大的距離，從而在進(jìn)入前燃油的汽化有充分長(zhǎng)的滯留時(shí)間，并且分散在整個(gè)進(jìn)入表面100上的混合物都進(jìn)入該催化反應(yīng)室10中。該催化反應(yīng)室10位于一個(gè)第一圓柱形管11中。一個(gè)第二圓柱形管12構(gòu)成裝置1的外壁的一部分。催化產(chǎn)生的合成氣體在一個(gè)輸出表面101下分路為產(chǎn)物流3a和回流3b。該產(chǎn)物流3a經(jīng)一個(gè)輸出管29離開裝置1。受壓降驅(qū)動(dòng)的回流3b被向上引導(dǎo)經(jīng)過(guò)一個(gè)在兩個(gè)管11和12之間是一個(gè)環(huán)形空間的回流間隙，其中該壓降由于噴嘴13處的低壓而產(chǎn)生。通過(guò)換熱器6將熱量從該回流3b抽走。通過(guò)熱量的規(guī)定抽走可以如此影響催化反應(yīng)室10的溫度Tk，例如，平均溫度采用一預(yù)定值。
該溫度Tk具有如圖2的圖表中定性所示的曲線。X軸，即

圖1中所示的方向，沿催化反應(yīng)室10的主流方向延伸。該圖表中左手邊的線100′相應(yīng)于進(jìn)入表面100，右手邊的線101′相應(yīng)于輸出表面101。如已經(jīng)述及的，該溫度由于發(fā)熱過(guò)程在輸入?yún)^(qū)域中具有最大值。重整的吸熱過(guò)程導(dǎo)致該溫度在該最大值后的遞減。所示的溫度間隔ΔT必需在這樣一個(gè)間隔之間，即其限值由一個(gè)約700℃的所需最小溫度和一個(gè)約1000℃的最大允許溫度所給定。沒有本發(fā)明的措施，該條件不能被滿足。
由于該回流3b，該溫度曲線的溫度間隔ΔT較小，并且平均溫度可以設(shè)置得較低。ΔT的減小源于兩個(gè)原因a)燃油蒸汽的部分壓力通過(guò)回流的氣體(惰性氣體的比例增加)而減小。b)用于重整過(guò)程的水(在該過(guò)程中產(chǎn)生的水)在催化反應(yīng)室的輸入?yún)^(qū)域已經(jīng)是可得到的，并由此產(chǎn)生熱壑。這兩個(gè)原因也具有有利的影響，即抑制了催化反應(yīng)室10中油煙的形成。
考慮到回流，該填料應(yīng)具有產(chǎn)生盡可能最小的流阻的結(jié)構(gòu)。有序填料的優(yōu)點(diǎn)在于其結(jié)構(gòu)為一種帶有平行流道的蜂窩結(jié)構(gòu)或一種帶有波形薄片和開放的交叉流道的結(jié)構(gòu)(“交叉式流道結(jié)構(gòu)”)。一種網(wǎng)狀泡沫結(jié)構(gòu)或一種三維編織物結(jié)構(gòu)也是可以的。
圖3中所示的設(shè)備9包括一個(gè)電池組9′和一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的用于燃油重整的裝置1，其中該電池組9′是一組疊置的平面環(huán)形線高溫燃料電池90。除這些燃料電池90之外還可見下面的部件一個(gè)未示出內(nèi)部結(jié)構(gòu)的套筒93，在操作中環(huán)境空氣(入口92)通過(guò)該套筒被預(yù)熱并均勻分散到電池堆中；一個(gè)位于電池堆9′和套筒93之間的后燃空間94，廢熱從該空間中通過(guò)換熱器95導(dǎo)出(例如將熱量Q傳遞給循環(huán)水)；一個(gè)電扇96，廢氣由該電扇抽出并排入煙囪中；將電能E傳遞給用電設(shè)備的電極98。
由泵4泵入的含氧氣體隨兩個(gè)部分流21′和22′輸入裝置1中。來(lái)自燃料電池組9′的后燃階段的環(huán)境空氣5a和/或廢氣5b用作該含氧氣體。在混合裝置5中產(chǎn)生理想比例的環(huán)境空氣5a和廢氣5b的混合。該產(chǎn)生的用于重整的氣體通過(guò)管線29被送入電池組9′的中心分散通道91中。
圖4示出了一個(gè)特殊的雙材料噴嘴2。其包括一個(gè)熱載體25(電連接件25a)，燃油通過(guò)該熱載體被預(yù)熱到400-420℃，從而有利于汽化或執(zhí)行操作。
圖5中示出了本發(fā)明裝置的第二實(shí)施例。為了回流3b，在包含催化反應(yīng)室10的第一管11上增加了第二管7，該第二管7被制成一個(gè)噴氣壓縮機(jī)。第二部分流22′和含氧氣體被用作驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。合成氣體通過(guò)驅(qū)動(dòng)噴嘴71經(jīng)管70而吸入。一個(gè)接在其后的下游管件72制成相應(yīng)于圖1中實(shí)施例的換熱器6的換熱器72，其中在管件72中發(fā)生從驅(qū)動(dòng)介質(zhì)到合成氣體的動(dòng)量轉(zhuǎn)換。在一個(gè)接在其后的擴(kuò)散器73中，去離子水80通過(guò)噴嘴8而噴射到回流3b中，以便將該輸入的水80用作重整過(guò)程的反應(yīng)組分并用于冷卻回流的合成氣體。借助于噴氣壓縮機(jī)7輸送的回流3b被分散到裝置1的上部，即圍繞一個(gè)雙材料噴嘴2的、外壁11a和截頭圓錐狀的壁13′之間的部分中。回流3b的氣體經(jīng)由噴嘴23處的環(huán)形間隙與來(lái)自噴嘴2的燃油/氣體混合物相結(jié)合，并被提供給催化反應(yīng)室10。該噴嘴2也可以是圖4中所示的類型。
為了燃油的完全汽化，該回流氣體必須足夠的熱，即達(dá)到約250-300℃的溫度。當(dāng)氣體以900℃的溫度回流時(shí)，該回流與產(chǎn)物流的比例達(dá)到約1∶4?；亓髀蔬x擇得越高，催化反應(yīng)室中的溫度曲線就越均勻。但是出于經(jīng)濟(jì)原因，大于1的比例是不明智的，因?yàn)樵摶亓鞯尿?qū)動(dòng)由于動(dòng)量輸入的要求高而變得昂貴。
該回流所需的動(dòng)量可借助于不同方式的反應(yīng)空氣而得到。該反應(yīng)空氣可通過(guò)該雙材料噴嘴而整體輸入，這導(dǎo)致與相對(duì)較大能量需求有關(guān)的精細(xì)霧化。該反應(yīng)空氣可分為主空氣和次空氣輸入，該主空氣在該雙材料噴嘴中，該次空氣例如在一個(gè)噴氣壓縮機(jī)中。但是，該第二方式是更為昂貴的裝置方式。
當(dāng)進(jìn)行其中水被用作除空氣之外的反應(yīng)劑的自供熱重整時(shí)，該水可被用于反應(yīng)溫度的調(diào)節(jié)；然后該水被噴入該回流間隙中。
本發(fā)明的方法也可以實(shí)施于液體燃料，例如甲醇、乙醇或“生物柴油機(jī)”(植物油)。此外，當(dāng)本發(fā)明的方法略做修改(無(wú)燃料汽化)時(shí)，可以使用氣體燃料(天然氣、液化氣、沼氣)。由于這些燃料具有比燃油低的絕熱溫度增量，故通過(guò)例如向該回流間隙供熱而改進(jìn)轉(zhuǎn)換或轉(zhuǎn)化。
權(quán)利要求
1.用于燃料特別是燃油(20′)或其它液體燃料重整的方法，使用了一種包括一種惰性組分和一種由氧O2構(gòu)成的組分的含氧氣體(5a、5b、21′、22′)，該方法包括如下步驟-通過(guò)在含氧氣體(21′)的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；-加上回流(3b)的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；-該氣體混合物借助于部分氧化、還有通過(guò)多相催化的重整過(guò)程而生成合成氣體；-該產(chǎn)生的合成氣體分路成一個(gè)產(chǎn)物流(3a)和一個(gè)用于再循環(huán)的回流(3b)；和-從該回流按規(guī)定抽走熱量，以便建立一個(gè)催化劑載體(10)的一個(gè)預(yù)定溫度，多相催化以該溫度進(jìn)行。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該催化劑載體(10)是一種有序的填料或由具有高特效表面的物體的散裝填充物制成；燃料/氣體混合物借助于一個(gè)雙材料噴嘴(2)供給，該噴嘴(2)如此形成和設(shè)置，從而在噴嘴(23)的端部產(chǎn)生低壓并由此形成壓降，該壓降被至少部分地用作該回流(3b)的驅(qū)動(dòng)力，考慮到該再循環(huán)，該填料具有一種產(chǎn)生盡可能低的流阻的結(jié)構(gòu)，即，一種帶有平行流道的蜂窩結(jié)構(gòu)、一種帶有波形薄片和交叉流道的結(jié)構(gòu)、一種網(wǎng)狀泡沫結(jié)構(gòu)或一種三維編織物結(jié)構(gòu)。
3.按權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于去離子水(80)被噴射到回流(3b)中，以便將該輸入的水用作重整過(guò)程的反應(yīng)組分并冷卻回流的合成氣體。
4.按權(quán)利要求1至2中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于含氧氣體(5a、5b)借助于泵(4)并通過(guò)至少兩個(gè)氣體流(21′、22′)輸入該過(guò)程中；該第一氣體流(21′)在分散中并且特別是在燃油(20′)的噴射中被直接使用，該第二氣體流(22′)通過(guò)至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)噴嘴(13、71)被輸入該回流(3b)中。
5.按權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于來(lái)自一個(gè)燃料電池(9′)的后燃階段(94)的環(huán)境空氣(5a)和/或廢氣(5b)用作該含氧氣體(21′、22′)。
6.用于實(shí)施要權(quán)利要求1至5中任一項(xiàng)所述方法的裝置(1)，其特征在于一個(gè)催化反應(yīng)室(10)包括一種陶瓷或金屬載體結(jié)構(gòu)和一種涂敷于其上的催化活性物質(zhì)，該催化反應(yīng)室(10)位于一個(gè)第一圓柱形管(11)中；用于生成燃油/氣體混合物(20′、21′、22′)的一個(gè)雙材料噴嘴(2)設(shè)置在距離該催化反應(yīng)室的一個(gè)進(jìn)入表面(100)一定距離處，由于該距離足夠大，從而在進(jìn)入前燃油(20′)的汽化有充分長(zhǎng)的滯留時(shí)間，并且分散在整個(gè)進(jìn)入表面上的混合物都進(jìn)入該催化反應(yīng)室中。
7.按權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于回流(3b)被引導(dǎo)經(jīng)過(guò)一個(gè)在該第一管(11)和一個(gè)第二圓柱形管(12)之間的一個(gè)環(huán)形空間中。
8.按權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于一個(gè)第二管(7)用于該回流(3b)并被設(shè)置在該第一管(11)的外側(cè)，由于該第二管能夠被制作為一個(gè)噴氣壓縮機(jī)(71、72、73)，故該含氧氣體的一部分(22′)可被用作驅(qū)動(dòng)介質(zhì)。
9.按權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其特征在于該雙材料噴嘴(2)是一個(gè)用于燃料的中心噴嘴和一個(gè)用于該含氧氣體(21′)的環(huán)形噴嘴的組合，由此可將一個(gè)用于該燃油的預(yù)熱或汽化的熱載體(25)并入該中心噴嘴中。
10.具有多個(gè)高溫燃料電池(90)的電池組(9′)的設(shè)備(9)和一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求6至9任一項(xiàng)所述的裝置(1)，其特征在于該裝置和該電池組通過(guò)一個(gè)用于該裝置的產(chǎn)物流(3a)的管線(29)相連接；為了生成電能，該產(chǎn)物流的氫和一氧化碳被用作電化學(xué)過(guò)程的還原反應(yīng)物。
全文摘要
用于燃料特別是燃油(20′)或其它液體燃料重整的方法，通過(guò)使用了一種含氧氣體(5a、5b、21′、22′)而實(shí)現(xiàn)。該方法包括如下步驟1.通過(guò)在含氧氣體(21′)的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；2.加上回流(3b)的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；3.該氣體混合物借助于部分氧化、還有通過(guò)多相催化的重整過(guò)程而生成合成氣體；4.該產(chǎn)生的合成氣體分路成一個(gè)產(chǎn)物流(3a)和一個(gè)用于再循環(huán)的回流(3b)；和6.從該回流按規(guī)定抽走熱量，以便建立一個(gè)催化劑載體(10)的一個(gè)預(yù)定溫度，多相催化以該溫度進(jìn)行。
文檔編號(hào)B01J19/24GK1407065SQ02127878
公開日2003年4月2日 申請(qǐng)日期2002年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者T·蔡林格, A·舒勒 申請(qǐng)人:蘇舍赫克希斯公司