專利名稱：小型圓柱形重整裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及小型圓柱形重整裝置，該裝置適用于從化石燃料生產(chǎn)氫供給小型燃料電池發(fā)電裝置，該重整裝置中，將重整反應(yīng)器、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(高溫或低溫)、燃燒器、熱交換器、蒸汽發(fā)生器等整合在一個容器內(nèi)，形成一個優(yōu)化的熱交換網(wǎng)，使熱損失最小并優(yōu)化熱交換效率，從而將該重整裝置設(shè)計(jì)成容易加工和制造，并具有緊湊尺寸，達(dá)到效率高、重量輕和方便批量生產(chǎn)。
背景技術(shù)：
目前，隨著消耗的燃料類型逐漸轉(zhuǎn)向高氫/碳原子比和低污染水平的潔凈型燃料，企盼基于氫作為無害潔凈燃料的工業(yè)化社會的迅速出現(xiàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，氫已經(jīng)被應(yīng)用于氨合成、甲醇合成、石油煉制(脫氫、氫化等)、通用和精細(xì)化學(xué)工業(yè)、電子和半導(dǎo)體工業(yè)、食品和金屬加工工業(yè)等。此外，在能源領(lǐng)域，氫用作供家用或發(fā)電裝置的燃料電池的燃料，以及燃料電池汽車用的動力供應(yīng)源的燃料，能夠同時解決涉及不使用內(nèi)燃機(jī)的航天飛機(jī)的推進(jìn)器、電能供應(yīng)和能效率的問題，以及環(huán)境污染問題。
目前可采用的氫制備方法包括，例如水蒸汽重整、化石燃料(煤、石油、天然氣、丙烷、丁烷)的部分氧化或自熱重整以及水電解。雖然可以從石油重整過程的副產(chǎn)物氣體中獲得氫，但是，水蒸汽重整法被認(rèn)為是一種經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用方法，而在工業(yè)上廣泛采用。
在采用水蒸氣重整法大規(guī)模生產(chǎn)氫的情況，重整反應(yīng)器在高壓(15-25巴)和高溫(850℃或更高)下操作。從而按照要求生產(chǎn)氫，但是其總效率較低。此外，當(dāng)小規(guī)模生產(chǎn)氫時，設(shè)備成本急劇增加。此外，為穩(wěn)定操作可能需要放大設(shè)備，并且每一過程可能是分開進(jìn)行的，因此，由于燃燒熱的限制而難以提高熱效率。
在此，為了解決家用或小型工業(yè)燃料電池系統(tǒng)的重整器的上述缺陷，試圖組合各步驟，研制出適用于小型燃料電池系統(tǒng)的催化劑，采用熱流量分析來優(yōu)化該重整器，簡化重整器結(jié)構(gòu)，以提高可加工性和生產(chǎn)率，并整合重整器的部件來減小其尺寸，以縮短最初啟動時間和降低熱損失，提高熱效率。
這方面，美國專利5,932,181公開一種使用圓柱形燃燒催化劑的氫發(fā)生器，該發(fā)生器包括脫硫反應(yīng)器、重整反應(yīng)器、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器、壓力轉(zhuǎn)換吸收單元等。此專利的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)闇p少設(shè)備部件數(shù)量，使構(gòu)建該設(shè)備的所需空間減小，來使發(fā)生器小型化，并且顯著減少制造成本，通過與脫硫反應(yīng)器熱交換還提高了效率并改進(jìn)啟動時間。上述發(fā)生器中，將脫硫反應(yīng)器、重整反應(yīng)器、蒸汽發(fā)生器和燃燒器產(chǎn)生的熱量合并在一起，但并未合并水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器和隨后的部分產(chǎn)生的熱量，因此，降低了總熱效率和增加該裝置的尺寸。
此外，美國專利6,117,578公開一種用于燃料電池發(fā)電裝置的重整器，該發(fā)電裝置使用兩個燃燒催化劑或燃燒器的熱量供應(yīng)源，在該重整器的器壁上提供有燃燒催化劑或重整催化劑，使催化劑效率最大，因此這種重整器甚至可以在低溫下操作。但是，由于缺少后處理的組合，而難以達(dá)到高熱效率。
韓國專利公開No.2002-82061公開一種使用圓柱形金屬纖維燃燒器的緊湊型水蒸汽重整器，其中整合了反應(yīng)器、熱交換器和蒸汽發(fā)生器，實(shí)現(xiàn)了緊湊的水蒸汽重整器。此外，作為重整所需的熱量供應(yīng)源，圓柱形金屬纖維燃燒器用來均勻加熱，從而減小重整反應(yīng)器的催化劑層中的溫度梯度，使重整效率最大。由于使用燃燒廢氣來產(chǎn)生水蒸汽，因此提高了能效率，并且不再需要另外的水蒸汽發(fā)生器，得到大大簡化的系統(tǒng)，并縮小設(shè)備和降低了成本。但是，在上述重整器中，未達(dá)到最佳熱汽化，并且在操作期間要精確控制廢氣流。此外，消耗過多燃料，水煤氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)器和優(yōu)先氧化反應(yīng)器產(chǎn)生的熱量未回收，降低了熱效率。而且，廢氣和水蒸汽之間的熱交換導(dǎo)致不利的放大的重整器。
近來，美國專利6,481,207公開一種使熱效率最大的圓柱形重整器，在該重整器的中心上部有一個燃燒器，并從最高溫度區(qū)到最低溫度區(qū)徑向連續(xù)設(shè)置多個圓柱體，最大抑制熱損失。此外，嘗試將這些圓柱體整合，同時通過在圓柱體之間進(jìn)行熱交換來提高熱效率。將該重整器設(shè)計(jì)成反應(yīng)器軸向放置，使圓柱形重整反應(yīng)器能承受熱變形。在上述重整器中，有預(yù)熱層和熱回收層，以進(jìn)行有效熱交換。但是，沒有預(yù)熱空氣的裝置，并且結(jié)構(gòu)中還存在許多容液體停滯的空間，因此，當(dāng)水不能完全蒸發(fā)時會出現(xiàn)許多問題或使產(chǎn)物冷凝。此外，上述重整器由于其復(fù)雜結(jié)構(gòu)而不易制造。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明一直關(guān)注于現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的小型重整器的上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種小型圓柱形重整器，該重整器包括整合在一個容器內(nèi)的重整反應(yīng)器、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(高溫或低溫)、燃燒器、熱交換器、水蒸汽發(fā)生器等，形成能展示優(yōu)良性能的優(yōu)化熱交換網(wǎng)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種小型圓柱形重整器，其結(jié)構(gòu)能使熱損失最小，并顯示優(yōu)化的熱交換效率，從而該重整器具有高熱效率但是具有緊湊的尺寸，容易加工和制造，并簡化其中的流體流動，使停滯空間最小，達(dá)到效率高、重量輕和易于批量生產(chǎn)。
為完成上述目標(biāo)，本發(fā)明提供一種小型圓柱形重整器，包括燃燒反應(yīng)單元，包括燃燒從空氣/燃料進(jìn)口供給的空氣和燃料的燃燒部分、分配在燃燒部分燃燒后的燃燒氣體的燃燒氣體分配器、以及第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道，將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口進(jìn)行排放；燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元，包括兩個各自具有重整催化劑的重整反應(yīng)部分，重整從原料/水進(jìn)口供給的原料和水，制備重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物，以及在兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，降低重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度，制備水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物，其中，燃燒反應(yīng)單元和燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元通過6根圓柱形管完整地構(gòu)造，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化熱交換效率。


結(jié)合附圖，由下面的詳細(xì)說明能更清楚地理解本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，其中圖1所示是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖；圖2所示是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖；圖3所示是根據(jù)本發(fā)明第三實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖；圖4A所示是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的橫截面圖，圖4B所示是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的橫截面圖；圖5所示是本發(fā)明還包括熱交換器的小型圓柱形重整器的示意圖。
具體實(shí)施例方式
下面，結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明。
圖1所示是根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖。圖2和圖3所示分別是根據(jù)本發(fā)明第二和第三實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的[內(nèi)部結(jié)構(gòu)的]縱向剖面圖。圖4A和圖4B所示分別是根據(jù)本發(fā)明第一和第二實(shí)施方式的小型圓柱形重整器的橫截面圖。圖5所示是本發(fā)明還包括小型熱交換器的小型圓柱形重整器的示意圖。
參見圖1，具體說明根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施方式的小型圓柱形重整器。該小型圓柱形重整器包括兩個單元，即燃燒反應(yīng)單元和燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元。燃燒反應(yīng)單元包括燃燒從空氣/燃料進(jìn)口1供給的空氣和燃料的燃燒部分、分配在燃燒部分燃燒后的燃燒氣體的燃燒氣體分配器15、以及第一和第二燃燒氣體通道20和21，將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口2進(jìn)行排放。此外，燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元由兩個重整反應(yīng)部分和一個水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分組成，兩個重整反應(yīng)部分各自包含一種重整催化劑，重整從原料/水進(jìn)口3供給的原料和水，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分在兩個重整反應(yīng)部分之間形成，用來進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，以降低通過重整反應(yīng)獲得的重整產(chǎn)物中的一氧化碳濃度。
而且，燃燒反應(yīng)單元和燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元通過6根圓柱管完整地構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化熱交換效率。從而獲得優(yōu)化熱交換效率的網(wǎng)絡(luò)。此外，燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元還包括一個在其外部的優(yōu)先氧化反應(yīng)器，將從水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分排放的一氧化碳濃度降低到預(yù)定水平或更低。
在這樣構(gòu)造的小型燃料重整器中，燃燒部分包括第一空氣/燃料預(yù)熱通道10、燃燒室14和在第一空氣/燃料預(yù)熱通道10周圍的空氣預(yù)熱管13，以預(yù)熱空氣。第一空氣/燃料預(yù)熱通道10是這樣的空間，從空氣/燃料進(jìn)口1供給的空氣和燃料在通入燃燒室14之前，在該通道內(nèi)預(yù)熱。這樣，該預(yù)熱過程使燃燒室14所需的熱量最小。這樣的預(yù)熱過程用在第一空氣/燃料預(yù)熱通道10周圍的空氣預(yù)熱管13進(jìn)行，通過第一燃燒氣體通道20將燃燒室14中的燃燒過的燃燒氣體通向外部排放，獲得儲存在空氣預(yù)熱管13內(nèi)的熱量。
空氣和燃料通過第一空氣/燃料預(yù)熱通道10供給燃燒室14進(jìn)行燃燒。用在燃燒室14上部的燃燒氣體分配器15，將獲得的燃燒氣體均勻分配到第一燃燒氣體通道20和第二燃燒氣體通道21。該燃燒氣體分配器15為片形，以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)分配到第一燃燒氣體通道20和第二燃燒氣體通道21。
分配的燃燒氣體通過第一燃燒氣體通道20和第二燃燒氣體通道21導(dǎo)入廢氣出口2，然后被排放。第一燃燒氣體通道20和第二燃燒氣體通道21的功能是將熱量轉(zhuǎn)移到在兩個通道之間形成的兩個重整反應(yīng)部分。具體地，第一燃燒氣體通道20用來將熱量轉(zhuǎn)移到空氣預(yù)熱管13，除了將熱量轉(zhuǎn)移到重整反應(yīng)部分，還最大地利用了排放的燃燒氣體的熱量。此外，第二燃燒氣體通道21中有燃燒氣體通過，該通道與形成重整器的第四管18直接接觸。在此，用Al合金或復(fù)合金屬材料，將Al2O3沉積在第四管18的內(nèi)表面上，或?qū)⑻沾刹牧瞎潭ㄔ谏厦?，用于高溫區(qū)的絕熱。從而使熱損失最小或防止燃燒氣體引起的氧化腐蝕。
第一空氣/燃料預(yù)熱通道10和第一燃燒氣體通道20和第二燃燒氣體通道21在它們之間具有可變的空間，以進(jìn)行適當(dāng)熱交換。這樣，可以插入由金屬按照使壓降很小的方式形成的熱轉(zhuǎn)移增強(qiáng)材料，來提高熱交換效率。此外，可插入支撐件來保持上述空間達(dá)到預(yù)定水平并提高熱轉(zhuǎn)移。金屬支撐件可以由球形金屬、具有預(yù)定格尺寸的金屬網(wǎng)、或編織的金屬形成，防止氣流產(chǎn)生不平衡溝流，以引導(dǎo)平穩(wěn)流體。這樣，可以選擇在高溫下不變形、不熱膨脹和不會由于表面氧化而腐蝕的金屬材料，較好的，使用不銹鋼制成的產(chǎn)品。
重整器的燃料轉(zhuǎn)化的催化反應(yīng)單元由兩個重整反應(yīng)部分、在兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分和優(yōu)選的氧化反應(yīng)器組成。這些部分中，首先說明重整反應(yīng)部分。即兩個重整反應(yīng)部分各自包括原料/水預(yù)熱器32，以預(yù)熱從原料/水進(jìn)口3供給的原料和水，原料/水過熱器33使預(yù)熱的原料和水過熱，而重整反應(yīng)器36對過熱的原料和水進(jìn)行重整反應(yīng)。
具體地，從原料/水進(jìn)口3供給的原料和水通過原料/水通道30和31通入重整管，在原料和水向上運(yùn)動的同時，用原料/水預(yù)熱器32和原料/水過熱器33使它們預(yù)熱和過熱。該預(yù)熱和過熱過程通過與在重整反應(yīng)部分周圍形成的第一和第二燃燒氣體通道20和21的熱交換，再通過與在兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的熱交換來進(jìn)行。原料/水預(yù)熱器32和原料/水過熱器33中填充有陶瓷球，其直徑應(yīng)使壓降很小。陶瓷填料形狀為球形、薄片或圓柱體。較好地，為了穩(wěn)定流體流動，可以使用球形陶瓷填料，其直徑在填充空間的1/10至1/3尺寸范圍，不超過10％的誤差范圍。此外，考慮到熱交換效率，較好地，可以使用只由一種主要組分如氧化鋁、氧化硅或氧化鎂，或由含選自氧化鋁、氧化硅、氧化鎂和它們的組合的主要組分的混合物，與輔助組分組成的填料產(chǎn)品。原料/水預(yù)熱器32和原料/水過熱器33與第一和第二燃燒氣體通道20和21以及水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分進(jìn)行兩次熱交換，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化熱交換效率。
將通過過熱器33的原料供給重整反應(yīng)器36，并與反應(yīng)器中的水蒸汽重整催化劑接觸，進(jìn)行重整反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為含氫、一氧化碳、二氧化碳和水的重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物。引起上述反應(yīng)的重整催化劑包括例如Ni-基水蒸汽重整催化劑或含至少0.01重量％貴金屬如Pt或Ru的Ni-基水蒸汽重整催化劑。考慮到壓降以及管中反應(yīng)性，該重整催化劑的粒徑較好在限定重整反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。
將通過這兩個重整反應(yīng)部分形成的重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物供給在兩個管之間的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分包括第一重整反應(yīng)產(chǎn)物通道37和第二重整反應(yīng)產(chǎn)物通道38，進(jìn)行有效的熱交換，使通過重整反應(yīng)部分的重整反應(yīng)產(chǎn)物的溫度下降到預(yù)定溫度，還包括水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39，將上述重整反應(yīng)產(chǎn)物的一氧化碳濃度降低到預(yù)定水平或更低。
第一重整反應(yīng)產(chǎn)物通道37和第二重整反應(yīng)產(chǎn)物通道38的作用類似于兩個重整反應(yīng)部分中的預(yù)熱器和過熱器，用來通過合適的熱交換降低通過重整反應(yīng)部分產(chǎn)生的重整反應(yīng)產(chǎn)物的溫度，因此，這兩個通道中填充有陶瓷球，如原料/水預(yù)熱器32和原料/水過熱器33，陶瓷球直徑應(yīng)使壓降很小。陶瓷填料形狀為球形、薄片或圓柱體。具體地，為了穩(wěn)定流體流動，可以優(yōu)選使用球形陶瓷填料，其直徑在填充空間的1/10至1/3尺寸范圍，不超過10％的誤差范圍?？紤]到熱交換效率，較好地，可以使用只由一種主要組分如氧化鋁、氧化硅或氧化鎂，或由含選自氧化鋁、氧化硅、氧化鎂和它們的組合的主要組分的混合物，與輔助組分組成的填料產(chǎn)品。使用這樣的內(nèi)部材料能夠使熱轉(zhuǎn)移效率提高，熱量被儲存或溫度均勻保持在預(yù)定范圍。
該重整反應(yīng)產(chǎn)生的重整反應(yīng)產(chǎn)物通過第一重整反應(yīng)產(chǎn)物通道37和第二重整反應(yīng)產(chǎn)物通道38后溫度降低，將它們供給水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39。上述重整產(chǎn)物在與水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑接觸時進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，使該重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度從7-15％下降到0.3-1.0％。這樣，引起上述反應(yīng)的水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑包括例如Fe-Cr-基高溫轉(zhuǎn)換催化劑、Cu-Zn-基低溫轉(zhuǎn)換催化劑、或含至少0.01重量％貴金屬如Pt或Pd的水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑?？紤]到壓降以及管中反應(yīng)性，該催化劑的粒徑在限定水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。
通過水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分產(chǎn)生的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通過第一和第二水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通道40和41合并為一股流體向外排出，通過水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物/空氣通道42與用于優(yōu)先氧化所需的空氣混合，達(dá)到適合優(yōu)先氧化的溫度，然后通入優(yōu)先氧化反應(yīng)器43。供給的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物與優(yōu)先氧化反應(yīng)器43中的優(yōu)先氧化催化劑接觸時，發(fā)生優(yōu)先氧化，使從水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器排出的重整產(chǎn)物中一氧化碳濃度從0.3-1.0％下降到10ppm或更低。此時，優(yōu)先氧化催化劑含有至少0.05重量％的一種或兩種選自Pt、Ru和Au的組分，考慮到壓降以及管中反應(yīng)性，催化劑的粒徑在限定水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。由此獲得的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通過出口5排出。
本發(fā)明中，重整裝置還包括在其外部的熱交換器，用其供給的水進(jìn)行熱交換，因此，從最后排出的廢氣2回收熱量。從而增加總的熱效率。即，將6個圓柱管整合，因此實(shí)現(xiàn)了用于優(yōu)化熱交換的網(wǎng)。這樣的結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是因?yàn)樵谌紵糠趾椭卣糠譀]有形成熱流的停滯空間，因此提高了效率。
此外，結(jié)合

本發(fā)明的重整裝置的操作。
圖1所示是本發(fā)明第一實(shí)施方式的小型圓柱形重整裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的小型圓柱形重整裝置中進(jìn)行兩個過程，即燃燒過程和重整過程。對燃燒過程，從進(jìn)口1供給的空氣和燃料被預(yù)熱，用燃燒器11在燃燒室14內(nèi)燃燒，產(chǎn)生熱量，然后通過燃燒氣體分配器15均勻分配到第一和第二燃燒氣體通道20和21。在通過上述通道20和21的同時，燃燒氣體將熱量傳遞到重整反應(yīng)器36、原料/水過熱器33、水預(yù)熱器32以及第一空氣/燃料預(yù)熱通道10，然后通過廢氣出口2排出。
對重整過程，從進(jìn)口3供給的原料和水通過第一和第二廢氣通道30和31通入原料/水預(yù)熱器32，從廢氣以及從水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器回收熱量，通入原料/水過熱器33，從廢氣以及通過重整反應(yīng)獲得的重整反應(yīng)產(chǎn)物回收熱量，然后供給重整反應(yīng)器36，進(jìn)行重整反應(yīng)。隨后，由此獲得的重整反應(yīng)產(chǎn)物在通過第一和第二重整反應(yīng)產(chǎn)物通道37和38的同時被冷卻到合適溫度，并供給水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39，進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，以獲得水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物，然后將該產(chǎn)物通過第一和第2水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通道40和41被排出，通過水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物/空氣通道42與優(yōu)先氧化所需的空氣混合，供給優(yōu)先氧化反應(yīng)器43，除去殘余的一氧化碳，最后通過水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物出口5排出。
下面詳細(xì)描述上述過程。將燃料裝入空氣/燃料進(jìn)口1時，最初使用化石燃料用于重整，然后與空氣混合。操作期間，主要使用燃料電池層疊中的廢氣，而化石燃料是輔助用品，用來控制熱量。
預(yù)熱的空氣和熱量用燃燒器11進(jìn)行燃燒，該燃燒器能夠安全燃燒化石燃料和燃料電池層疊的廢氣，產(chǎn)生二氧化碳和水，首先將輻射熱量轉(zhuǎn)移到外圍的重整反應(yīng)器，然后通過燃燒氣體分配器15適當(dāng)分配。由圖4A所示的本發(fā)明小型圓柱形重整裝置的橫截面圖可以清楚知道，主反應(yīng)器由6個圓柱形管構(gòu)成，包括限定出燃燒室的第一管12、包圍了整個反應(yīng)器的第四管18、徑向位于第一管12和第四管18之間的第二管16、第五管34、第六管35和第三管17。將第一燃燒氣體通道20限定在第一管12和第二管16之間的空間內(nèi)，將第二燃燒氣體通道21限定在第三管17和第四管18之間的空間內(nèi)。在此，燃燒氣體通過上述通道20和21轉(zhuǎn)移熱量至環(huán)境空氣、重整反應(yīng)器36、原料/水過熱器33以及原料/水預(yù)熱器32后，通過廢氣出口排出。由圖1可見，燃燒氣體通過第一和第二燃燒氣體通道20和21合并為一股流體，通過廢氣連接通道22，然后通過廢氣通道23排出。
此外，從進(jìn)口3供給的原料和水在兩個原料/水預(yù)熱器32之間被分開，通過第一和第二原料/水通道30和31，一部分供給至第二管16和第五管34之間的預(yù)熱器，其余供給至第三管17和第六管35之間的預(yù)熱器。因此，可以從燃燒氣體以及水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39回收熱量。
預(yù)熱后的原料供入原料/水過熱器33，以從燃燒氣體和從重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物回收熱量，并將過熱的原料供入重整反應(yīng)器36，在與加入的水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑接觸時進(jìn)行重整反應(yīng)，并轉(zhuǎn)變?yōu)榘瑲?、一氧化碳、二氧化碳、未反?yīng)的原料和過量水的重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物。該重整反應(yīng)產(chǎn)物在通過第一重整反應(yīng)產(chǎn)物通道37和第二重整反應(yīng)產(chǎn)物通道38時將熱量轉(zhuǎn)移到重整反應(yīng)器36和原料/水過熱器33，從而降低其溫度。
將適當(dāng)冷卻到水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)所需溫度的重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物供給水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39，在與反應(yīng)器中的水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑接觸同時進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)。使上述重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度從7-15％下降到0.3-1.0％。由水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39產(chǎn)生的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通過第一和第二水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物通道40和41合并為一股流體，然后向外排出。排出的重整產(chǎn)物通過水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物/空氣通道42與用于優(yōu)先氧化所需的空氣4混合，達(dá)到適合優(yōu)先氧化的溫度，然后通入優(yōu)先氧化反應(yīng)器43。
隨后，供給的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物與優(yōu)先氧化反應(yīng)器43中的優(yōu)先氧化催化劑接觸時，發(fā)生優(yōu)先氧化，使由水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器獲得的轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度從0.3-1.0％下降到10ppm或更低，然后通過水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物出口5排出。
圖2所示是本發(fā)明第二實(shí)施方式的小型圓柱形重整裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖，其中，優(yōu)先氧化反應(yīng)器43的位置不同于圖1，以提高空間使用和熱交換效率。
即，圖1中優(yōu)先氧化反應(yīng)器43在重整裝置的外部，而在圖2中位于第一空氣/燃料預(yù)熱通道10之間。在第一空氣/燃料預(yù)熱通道10之間形成優(yōu)先氧化反應(yīng)器43時，加速了在優(yōu)先氧化反應(yīng)器43和第一空氣[/燃料]預(yù)熱通道10之間的熱交換，因此提高了系統(tǒng)的總效率。
圖4B是根據(jù)第二實(shí)施方式的小型圓柱形重整裝置的橫截面圖。如圖4B所示，當(dāng)通入的空氣和燃料被供給至第一管12、第七管44和第八管45中的預(yù)熱區(qū)時，然后通過空氣/燃料預(yù)熱通道10，從優(yōu)先氧化反應(yīng)器43以及廢氣中回收熱量。上述通道可以被控制在它們的空間內(nèi)，用于適當(dāng)?shù)臒峤粨Q，在這些通道中可插入能提高熱交換效率同時又不會降低壓力的金屬材料。
即，使用水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器39產(chǎn)生的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物合并成一股流體，通過通道40和41，然后供給優(yōu)先氧化反應(yīng)器43。供給的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物在裝有優(yōu)先氧化催化劑的優(yōu)先氧化反應(yīng)器43中進(jìn)行優(yōu)先氧化，使轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度從0.3-1.0％下降到10ppm或更低，然后通過重整產(chǎn)物出口5排出。
圖3所示是本發(fā)明第三實(shí)施方式的小型圓柱形重整裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的縱向剖面圖。這一小型圓柱形重整裝置包括燃燒反應(yīng)單元和燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元，所述燃燒反應(yīng)單元包括燃燒從空氣/燃料進(jìn)口1供給的空氣和燃料的燃燒部分，分配在燃燒部分中燃燒的燃燒氣體的燃燒氣體分配器15，第一和第二燃燒氣體通道20和21，將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口2進(jìn)行排出，所述燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元包括兩個各自有重整催化劑的重整反應(yīng)部分，對從原料/水進(jìn)口3供給的原料和水進(jìn)行重整，以及在兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，進(jìn)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，降低重整反應(yīng)產(chǎn)生的重整反應(yīng)產(chǎn)物的一氧化碳濃度，所述燃燒反應(yīng)單元和燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元通過6個圓柱形管完整地構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的熱交換效率。
在上述重整裝置的下部，設(shè)計(jì)了供應(yīng)通過水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物到優(yōu)先氧化反應(yīng)器的路徑，以及從原料/水進(jìn)口3供給原料和水至重整反應(yīng)部分的路徑，這兩個路徑相互交迭，以提高熱轉(zhuǎn)移效率。此外，優(yōu)先氧化反應(yīng)器43位于上述路徑的下部，用來降低通過水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度至預(yù)定水平或更低，以提高與空氣/燃料進(jìn)口1連通的第二空氣/燃料預(yù)熱通道52的熱交換效率。
即，在本發(fā)明第三實(shí)施方式的重整裝置中，預(yù)期通過將優(yōu)先氧化反應(yīng)器43放置在該重整裝置的下部來提高熱轉(zhuǎn)移效率。這樣，對獲得高熱轉(zhuǎn)移效率的目標(biāo)，應(yīng)在優(yōu)先氧化反應(yīng)器43和第二空氣/燃料預(yù)熱通道52之間提供多個空氣/燃料分配器51以有效分配熱量。
此外，在重整裝置下部形成的優(yōu)先氧化反應(yīng)器43可以和第二空氣/燃料預(yù)熱通道52組合在一起，因此，能更容易地進(jìn)行這種小型燃料重整裝置的裝配。
圖5是本發(fā)明包括熱交換器的一種重整裝置的示意圖。即，圖1所示的重整裝置中還提供一個小型熱交換器53，以達(dá)到在排放的廢氣2和供給的水54之間的熱交換，由此提高總的熱效率。同樣，還可以在圖2或圖3所示的重整裝置中提供一個小型熱交換器53，以達(dá)到在排放的廢氣2和供給的水54之間的熱交換，由此提高總的熱效率。
本發(fā)明中，為了優(yōu)化的熱交換網(wǎng)，將各構(gòu)成部件如催化劑反應(yīng)器、燃燒器、熱交換器等整合在一個容器內(nèi)，由此制造出小型圓柱形重整裝置。這樣的重整裝置操作時，甲烷的轉(zhuǎn)化率達(dá)到94％或更高，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)后CO含量小于或等于0.7％，PROX后CO含量小于或等于10ppm。并且實(shí)現(xiàn)了高熱交換效率。
此外，在熱交換效率方面，通過在適合各反應(yīng)的催化劑存在下進(jìn)行燃燒反應(yīng)的同時，在兩種或更多種流體間的熱交換，獲得最佳熱效率。這些構(gòu)成部件可以整合在一個反應(yīng)器內(nèi)，因此成品設(shè)備的結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，同時使熱損失最小。此外，構(gòu)成該設(shè)備的6個管可設(shè)計(jì)成整合在一起，因此容易加工和制造。
如上面所述，本發(fā)明提供一種小型圓柱形重整裝置。根據(jù)本發(fā)明用于燃料電池發(fā)電裝置的小型圓柱形重整裝置，可以將重整反應(yīng)器、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(高溫或低溫)、燃燒器、熱交換器、水蒸汽發(fā)生器等整合在一個容器內(nèi)，因此制造一種能體現(xiàn)各構(gòu)成部件的最大性能的優(yōu)化的熱交換網(wǎng)。因此，制成的重整裝置的優(yōu)點(diǎn)是，它的構(gòu)造使其具有最小熱損失和最佳熱交換效率。同樣，這種重整裝置設(shè)計(jì)成具有緊湊尺寸，并易于加工和制造，同時具有高的熱效率。此外，簡化了流體流，使停滯空間最小?？紤]到所用材料由于頻繁開啟和停止所產(chǎn)生的膨脹和收縮，易于實(shí)現(xiàn)效率高、重量輕以及批量生產(chǎn)，并具有耐久性。在此，將該重整裝置應(yīng)用于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)時，可以提高總的能效率。而且，由于該重整裝置為輕質(zhì)的，能根據(jù)最初的啟動時間或操作容量變化來迅速操作。通過容易實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和耐久性的設(shè)計(jì)，還能使重整裝置實(shí)施工業(yè)化。
雖然為說明的目的公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，在不偏離權(quán)利要求書揭示的本發(fā)明的范圍和精神下，可以進(jìn)行各種修改、增加和替代。
權(quán)利要求
1.一種小型圓柱形重整裝置，它包括燃燒反應(yīng)單元，所述燃燒反應(yīng)單元包括用于燃燒從空氣/燃料進(jìn)口供給的空氣和燃料的燃燒部分，用于分配在所述燃燒部分中燃燒的燃燒氣體的燃燒氣體分配器，以及第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道，用于將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口排出；燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元，所述燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元包括兩個各自具有重整催化劑以重整從原料/水進(jìn)口供給的原料和水的重整反應(yīng)部分，用于制備重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物，以及在所述兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，用于降低所述重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物中一氧化碳的濃度，制備水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物，其中，所述燃燒反應(yīng)單元和燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元通過6個圓柱形管完整地構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的熱交換效率。
2.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，所述燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元還包括在其外部的優(yōu)先氧化反應(yīng)器，將從水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分排出的水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度降低到預(yù)定水平或更低。
3.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，所述燃燒部分包括第一空氣/燃料預(yù)熱通道、燃燒室以及在空氣/燃料預(yù)熱通道周圍的空氣預(yù)熱管，以預(yù)熱空氣。
4.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，所述燃燒氣體分配器為片形，將在燃燒室燃燒的燃燒氣體均勻分配到第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道。
5.如權(quán)利要求3或4所述的重整裝置，其特征在于，為優(yōu)化熱交換，第一空氣預(yù)熱通道、第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道在它們之間具有可變空間，在這些通道中插入金屬形成的提高熱交換的材料，該材料應(yīng)使壓降很小，以提高熱交換效率，并且提供支撐件以保持預(yù)定空間和提高熱交換效率。
6.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，兩個重整反應(yīng)部分各自包括原料/水預(yù)熱器，預(yù)熱從原料/水進(jìn)口供給的原料和水；原料/水過熱器，使預(yù)熱的原料和水過熱；和重整反應(yīng)器，對過熱的原料和水進(jìn)行重整反應(yīng)。
7.如權(quán)利要求6所述的重整裝置，其特征在于，重整反應(yīng)部分的重整催化劑包括Ni-基水蒸汽重整催化劑或含至少0.01重量％Pt或Ru的貴金屬的Ni-基水蒸汽重整催化劑，考慮到壓降以及管中反應(yīng)性，該重整催化劑的粒徑在限定重整反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。
8.如權(quán)利要求6所述的重整裝置，其特征在于，原料/水預(yù)熱器和原料/水過熱器填充有陶瓷球，陶瓷球的直徑為使壓降很小的直徑。
9.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，所述水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分包括第一重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物通道和第二重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物通道，將通過重整反應(yīng)部分獲得的重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物溫度降低到預(yù)定水平，以進(jìn)行有效熱交換；和水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，將重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物的一氧化碳濃度降低到預(yù)定水平或更低。
10.如權(quán)利要求9所述的重整裝置，其特征在于，水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑包括Fe-Cr-基高溫轉(zhuǎn)換催化劑、Cu-Zn-基低溫轉(zhuǎn)換催化劑、或含至少0.01重量％Pt或Pd的貴金屬的水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑，考慮到壓降以及管中反應(yīng)性，該催化劑的粒徑在限定水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。
11.如權(quán)利要求9所述的重整裝置，其特征在于，第一重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物通道和第二重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物通道填充有陶瓷球，陶瓷球的直徑為使壓降很小的直徑。
12.如權(quán)利要求2所述的重整裝置，其特征在于，優(yōu)先氧化反應(yīng)器的功能是混合水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物與從空氣進(jìn)口供給的空氣，進(jìn)行優(yōu)先氧化，使水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物中的一氧化碳濃度從0.3-1.0％下降到10ppm或更低，優(yōu)先氧化催化劑含有至少0.05重量％的一種或兩種選自Pt、Ru和Au的組分，考慮到壓降以及管中反應(yīng)性，催化劑的粒徑在限定水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分的空間的1/10至1/3尺寸范圍。
13.如權(quán)利要求1所述的重整裝置，其特征在于，形成重整器的第四管由Al合金或Al復(fù)合金屬材料構(gòu)成，將Al2O3沉積在第四管的內(nèi)表面，或由陶瓷材料構(gòu)成，用于高溫區(qū)的絕熱。
14.一種小型圓柱形重整裝置，它包括燃燒反應(yīng)單元，所述燃燒反應(yīng)單元包括用于燃燒從空氣/燃料進(jìn)口供給的空氣和燃料的燃燒部分，用于分配在所述燃燒部分中燃燒的燃燒氣體的燃燒氣體分配器，以及第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道，用于將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口排出；燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元，所述燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元包括兩個各自具有重整催化劑以重整從原料/水進(jìn)口供給的原料和水的重整反應(yīng)部分，用于制備重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物，以及在所述兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，用于降低所述重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物中一氧化碳的濃度，制備水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物，其中，所述燃燒反應(yīng)單元和燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元通過6個圓柱形管完整地構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的熱交換效率，在所述燃燒部分中的第一空氣/燃料預(yù)熱通道之間提供優(yōu)先氧化反應(yīng)器，以將所述水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物中一氧化碳的濃度降至預(yù)定的水平或更低。
15.如權(quán)利要求14所述的重整裝置，其特征在于，在第一空氣/燃料預(yù)熱通道間提供的優(yōu)先氧化反應(yīng)器包括預(yù)定數(shù)量的管子，以提高熱轉(zhuǎn)移效率。
16.一種小型圓柱形重整裝置，它包括燃燒反應(yīng)單元，所述燃燒反應(yīng)單元包括用于燃燒從空氣/燃料進(jìn)口供給的空氣和燃料的燃燒部分，用于分配在所述燃燒部分中燃燒的燃燒氣體的燃燒氣體分配器，以及第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道，用于將分配的燃燒氣體導(dǎo)入出口排出；燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元，所述燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元包括兩個各自具有重整催化劑以重整從原料/水進(jìn)口供給的原料和水的重整反應(yīng)部分，用于制備重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物，以及在所述兩個重整反應(yīng)部分之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分，用于降低所述重整反應(yīng)的重整產(chǎn)物中一氧化碳的濃度，制備水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物，其中，所述燃燒反應(yīng)單元和燃料-轉(zhuǎn)化催化反應(yīng)單元通過6個圓柱形管完整地構(gòu)造，以實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的熱交換效率，用于將所述水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物供給到優(yōu)先氧化反應(yīng)器中的路徑，以及用于從所述原料/水進(jìn)口供給原料和水進(jìn)入所述重整反應(yīng)部分的路徑設(shè)計(jì)為在所述重整裝置的下部相互交迭，以提高熱轉(zhuǎn)移效率，在上述路徑的下部提供所述優(yōu)先氧化反應(yīng)器，以將所述水煤氣轉(zhuǎn)換重整產(chǎn)物中一氧化碳的濃度降至預(yù)定的水平或更低，從而提高與所述空氣/燃料進(jìn)口連通的空氣/燃料預(yù)熱通道的熱轉(zhuǎn)移效率。
17.如權(quán)利要求16所述的重整裝置，其特征在于，優(yōu)先氧化反應(yīng)器包括片形空氣/燃料分配器，用于和自空氣/燃料進(jìn)口供給的空氣和燃料進(jìn)行熱交換。
18.如權(quán)利要求16所述的重整裝置，其特征在于，在小型重整裝置下部提供的優(yōu)先氧化反應(yīng)器和空氣/燃料預(yù)熱通道是可拆卸地固定在小型重整裝置上的。
19.如權(quán)利要求1、14或16所述的重整裝置，還包括在所述重整裝置外部提供的熱交換器，用供給的水進(jìn)行熱交換，從最后排放的廢氣中回收熱量，提高總熱效率。
20.如權(quán)利要求1、14或16所述的重整裝置，其特征在于，兩個重整反應(yīng)部分與它們之間形成的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)部分以及第一燃燒氣體通道和第二燃燒氣體通道進(jìn)行雙重?zé)峤粨Q，顯示優(yōu)化熱交換效率。
全文摘要
本文公開一種小型圓柱形重整裝置，適用于從化石燃料生產(chǎn)氫，供給小型燃料電池發(fā)電裝置。本發(fā)明的小型圓柱形重整裝置中，重整反應(yīng)器、水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器(高溫或低溫)、燃燒器、熱交換器、水蒸氣發(fā)生器等整合在一個容器內(nèi)，形成優(yōu)化熱交換網(wǎng)，使熱損失最小并優(yōu)化熱交換效率。從而將重整裝置設(shè)計(jì)成易于加工和制造，具有緊湊尺寸，因此實(shí)現(xiàn)效率高、重量輕以及易于批量生產(chǎn)。
文檔編號H01M8/04GK1787268SQ20051012940
公開日2006年6月14日 申請日期2005年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月7日
發(fā)明者禹泰羽, 尹永植, 李誠浩, 金一洙, 崔根燮 申請人:Sk株式會社