CN101267882A - 通过烃类燃料的脱氢作用制备氢气的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的装置，所述装置包括燃料储存器(1)，其通过燃料供给管(2)与反应器(4)连接，从而向所述反应器(4)提供燃料，反应器(4)具有使脱氢作用产生的残余燃料循环回到燃料储存器(1)的第一出料管(3)，并且反应器(4)任选地与催化剂一起使用，其中第一实施方案的特征在于，燃料储存器(1)通过燃料供给管(2)和第一出料管(3)与热交换器(6)接触；燃料经过热交换器(6)预热，可以通过燃料供给管(2)引入反应器(4)；反应器(4)具有加热设备(5)，其用于将导引入的燃料加热至反应温度(TR)；其中在反应器(4)中脱氢作用产生的残余燃料通过热交换器(6)冷却并且可返回燃料储存器(1)，反应器(4)具有将脱氢作用产生的氢气排出的第二出料管(7)。

Description

通过烃类燃料的脱氢作用制备氢气的装置
技术领域
本发明涉及通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的装置。根据权利要求1的前序部分，根据本发明的装置包括燃料储存器，其通过燃料供给管与反应器连接，以从燃料储存器供给燃料到反应器，其中反应器具有使在供给的燃料脱氢作用过程中产生的残余燃料返回燃料储存器的第一出料管，并且如果需要，反应器与催化剂一起使用。
背景技术
众所周知，氢气尤其是用于燃料电池中的氢气以前是通过提供适当氧化剂例如空气或水使烃类燃料(汽油、柴油、煤油等)重整来生产。该过程产生副产物，特别是一氧化碳和二氧化碳，这导致需要昂贵的净化过程。此外，例如通过蒸汽重整的车载(on board)氢气制备的不利之处在于，必需提供水，因此过程相对复杂，而且水必须一起携带或者车载产生。
从公报EP 1 069 069 A2中已知根据权利要求1的前序部分的装置，其中与传统采用的重整工艺相比，产生相对纯的氢气，而没有产生CO、CO2、NOx或者其它不利的副产物，从而避免了氢气中的污染物。此外，由于氢气不被N2或O2稀释，因此这有利地导致燃料电池或其它氢气消耗器(consumer)的简单运行。
然而，由EP 1 069 069 A2中已知的装置的缺点在于，它具有复杂、笨重的结构设计以及低的能量输出(energy yield)，由此造成低效率。
发明内容
因此，本发明的目的是改善这类装置，尤其用于飞机上的车载氢气制备装置，从而提供能量最优化的布置以提高能量输出和/或效率。另一个目的是尽可能灵活地提供重量轻和体积小的布置。
根据本发明的第一方面，所述目的通过具有权利要求1中的特征的装置来实现。
本发明优选的第一实施方案的特征在于，燃料储存器通过反应器的第一出料管和燃料供给管与热交换器接触，其中液体燃料可以由热交换器预热并且可以通过燃料供给管供给到反应器。所述反应器包含加热器，用于将供给的液体燃料加热至反应温度，在供给到反应器的燃料的脱氢作用过程中所产生的液体残余燃料可以通过热交换器冷却并返回燃料储存器，其中反应器具有将在供给的燃料的脱氢作用过程中所产生的氢气(和包含的任意污染物)移出的第二出料管。
这种布置具有紧凑的结构，这是因为有效地组合和/或结合了几个部件，其中特别是以技术上简单的方式组合了反应器、加热器和用于分离所产生的氢气的单元，而且这种布置能够保证较高的能量输出，这是因为上述布置基于逆流原理，也就是说，用于将燃料供给到反应器的燃料供给管和用于将残余燃料从反应器移除的第一出料管是热交换器的一部分。通过这种方式可以最佳地利用系统中存在的余热。由于燃料储存器也与热交换器相连，还可以利用燃料储存器中储存的冷燃料的冷却性(coldness)。因此，在这种布置中，有利的是全部能量中绝大部分保留在系统中。
第一实施方案的其它优点在于，通过第二出料管直接从反应器中移除的氢气通常具有一定的余热，这些余热通常可用于以后的应用中，例如在燃料电池中。
在本发明的第二实施方案中，燃料储存器也通过燃料供给管和第一出料管与热交换器接触，燃料由热交换器预热并通过燃料供给管供给到反应器，其中反应器也具有加热器，用于将供给的液态燃料加热至反应温度。与第一实施方案不同，第二实施方案的特征在于，在供给到反应器的燃料的脱氢作用过程中所产生的氢气和残余燃料的反应混合物可以通过第一出料管供给到热交换器中来冷却，这样通过冷凝氢气和残余燃料可由于不同的聚集态而彼此分离，其中第一出料管还可以具有在热交换器下游的出口，用来排出所产生的氢气，该氢气潜在包含气态污染物。
除了前面已经讨论的涉及通过连接燃料储存器和热交换器改善能量输出以提高效率和通过将加热器与反应器结合来使得装置的结构更紧凑的优点之外，第二实施方案尤其具有下列优点，供给到反应器的燃料或脱氢过程中产生的残余燃料的不同聚集态不成为问题，因为通过第一出料管和热交换器移除产生的反应混合物，可以通过冷凝容易地分离氢气和气态或液态的残余燃料。此外，第二实施方案的优点在于，经过热交换器之后从出口排出的氢气比第一实施方案中直接从反应器移除的氢气更冷。例如较冷的氢气可以适当车载储存。
本发明利用的烃类燃料的脱氢作用基于下面的吸热反应：
CnHx→H2+CnHx-2。
上式表示已经在技术上实施的氢化作用的逆反应，并且基本上可以产生纯氢气和不饱和烃，其中不饱和烃可以再次供给到燃料储存器。不是所有的烃都在反应过程中转化，而是只有一部分，即不完全的转化已经足够了。这对于在例如飞机、直升机、机动车或其它运输工具中的车载氢气制备过程中的辅助凝聚(Hilfsaggregaten)的操作是有吸引力的，因为相对低的需求使得定量反应不那么重要，未反应的烃类燃料部分以及饱和烃的残余物或反应产物可以返回到燃料储存器(或直接到驱动单元或发动机)，并且仅仅导致烃类燃料(＝不同烃类的混合物)中的少且完全无害的化学变化。
由于第一和第二实施方案中产生的氢气通常包含气态污染物，有利的是将上述含污染物的氢气通入净化单元来除去污染物，下面将更详细说明。
在本发明的另一个有利的实施方案中，可以将第一和第二实施方案组合，以在反应器中提供第二出料管以及在热交换器下游的出口，分别用于移除氢气，其中反应器的第二出料管和出口典型地通过适当的阀开关来彼此连接，使得两个管中的任一个可与净化单元连通。
这产生了用于烃类燃料的脱氢作用的特定的可变装置，从而可以根据需要移取具有一定余热的氢气或冷的氢气。例如，如果将经预热的气态燃料供给到反应器，或者在脱氢过程中除了氢气之外还产生气态残余燃料，也不必对所述装置进行进一步改进。通过打开或者关闭阀开关可以分别将所产生的氢气和其中包含的任意污染物输送到净化单元来去除污染物。
优选在净化单元中使用膜方法以分离出供给到净化单元中的氢气中的污染物。当然，为此也可以使用其它适合的方法。随后，分离的污染物流优选通过污染物出口排出，纯的氢气通过氢气出口排出。
通过净化单元的污染物出口排出的污染物流可以有利地再次用于加热反应器。这可以通过焚烧所述污染物流和利用在该过程中产生的热加热反应器来实现。此外，可以将所述污染物流供应通过涡轮，这里所提及的仅仅是一些实例。
本发明的装置优选用于飞机、直升机、机动车或其它运输工具中的车载氢气制备。
根据本发明的一种装置特别设计用于飞机中车载氢气制备，其中反应器可以优选通过飞机上的引气(Bleed-Air)来加热，或者通过来自涡轮的废热和/或燃料电池的废热来加热。这使得可以以特别有效的方式来加热反应器，这是因为利用了飞机上已经存在的热流。
另外，在飞机或直升机中使用时，有利的是，利用地面上和空中的压力和/或温度差来分级蒸馏烃类燃料，而不需要额外的费用来分离燃料的易挥发组分和难挥发组分。特别地，燃料的难挥发组分可用于脱氢作用，这有利地导致质流的降低。
根据本发明的第二方面，本发明的目的通过具有权利要求13的特征的方法来实现。
在利用根据本发明的装置来制备氢气的方法中，控制供给到反应器中的烃类燃料的脱氢作用，使得一方面产生氢气，另一方面产生可以与燃料储存器中储存的烃类燃料混合的残余燃料，其特征在于，在供给的燃料的脱氢过程中在反应器中产生的氢气通过第二出料管直接从反应器中移除，和/或在供给的燃料的脱氢作用过程中在反应器中产生的残余燃料和氢气所组成的反应混合物通过第一出料管移除，并且通过热交换器冷却，从而使氢气与残余燃料分离，其中分离的氢气以及其中包含的任意污染物通过出口排出，所述出口提供在第一出料管中并位于热交换器下游。
通过上述方法不仅能够能量有效地制备氢气而不产生有害成分例如CO、CO2或NOx，而且还可以根据需要容易地移除仍具有余热的氢气或已经冷却的氢气，由此能够实现高的灵活性。
附图说明
下面依据附图举例说明本发明，附图中示出：
图1是本发明的第一实施方案的示意图；
图2是本发明的第二实施方案的示意图；和
图3是本发明的第三实施方案的示意图。
附图中相同或类似的部件使用相同的附图标记。附图中的图示只是本发明的实施方案的示意图，而不是按比例绘制。
具体实施方式
图1为本发明的第一实施方案的示意图。通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的装置包括烃类燃料(柴油、汽油或煤油等)的燃料储存器1。当用于飞机中车载氢气制备时，燃料储存器1中储存的燃料是液态煤油，例如该煤油在飞行期间通常具有约-60℃的温度。燃料储存器1通过燃料供给管2与反应器4连接，以将燃料从燃料储存器1供给到反应器4。同时，燃料储存器1通过燃料供给管2与热交换器6连接，使得燃料经过预热后被供给到反应器4，即，预热至低于反应温度TR的温度。因此，燃料通过热交换器6加热并供应到反应器4，其中供给的预热燃料通常是液态聚集态。反应器4还包括加热器5，用于将供给的液态燃料加热至反应温度TR，通常为约400℃。加热通常局部进行，即只将加热器5中的燃料加热至反应温度TR，以制备气态氢，其中供给到反应器4的其它燃料保持液态聚集态并且具有较低的温度(＜TR)。因此，根据反应方程式CnHx→H2+CnHx-2，在反应器4中产生由氢气和液体残余燃料组成的两相混合物。这表示部分或不完全的脱氢作用，因为只有部分燃料被转化，而其它(不饱和)烃作为残余组分而产生。烃类向氢气的这种有意识的不完全转化对于所要求的目标而言完全足够，因为对于期望的大燃料储存器，氢气的高产量并不重要。与先前使用的重整工艺不同，有利的是不产生有害组分，比如CO、CO2或NOx。另外，上面的反应可以利用催化剂(例如金属和/或金属氧化物)来支持。
由于反应组分、氢气和残余燃料以不同的聚集态存在，因此气态的氢可以通过在反应器4上提供的第二出料管7容易地移除。移除的氢气通常包含污染物，该污染物通过净化单元8去除。例如这可以在净化单元8中利用膜方法实现。当然，还可以使用其它已知的净化方法。净化单元8具有用于移除净化的氢气的出口8a以及用于移除污染物的第二出口8b。在脱氢过程中保留在反应器4中的液态残余燃料通过第一出料管3冷却并返回燃料储存器1，第一出料管3与燃料供给管2一样是热交换器6的一部分。燃料供给管2和第一出料管3都是热交换器6的一部分，这使得能够进行有效的能量交换，其中热交换器6根据逆流原理运行。由于燃料储存器1也与热交换器6接触，因此也可以有效地利用燃料储存器1的冷却性来冷却通过第一出料管3供给到燃料储存器1的残余燃料。这也可以有助于改善系统的能量输出。
图2为本发明的第二实施方案的示意图。如第一实施方案，提供燃料储存器1，该燃料储存器1通过燃料供给管2和热交换器6与反应器4连接。如第一实施方案，利用加热器5将通过燃料供给管2从燃料储存器1中供给到反应器4的烃类燃料加热至反应温度TR。然而，第二实施方案中，燃料储存器1中储存的烃类燃料既可以是液态也可以是气态形式，即使在使用典型的烃类燃料例如煤油、汽油或柴油的过程中它们通常为液态聚集态。在此，预热的供给到反应器4中的燃料既可以是液态也可以是气态形式。在反应器4中利用加热器5加热至反应温度TR(约400℃)的燃料随后根据前述反应方程式脱氢，以产生氢气和残余燃料。根据供给的燃料是否只是局部达到反应温度TR(如第一实施方案)，或者在整个反应器4中达到反应温度TR，残余燃料可以具有气态或液态的聚集态。与第一实施方案不同，在此所产生的氢气和残余燃料的反应混合物通过第一出料管3移除，并且通过热交换器6冷却。通过冷却可以使氢气与残余燃料分离，其中第一出料管3具有在热交换器6下游的出口9，产生的氢气和其中包含的任意污染物通过出口9排出。如果在燃料储存器1中储存液体燃料，则冷凝的液体残余燃料再次返回燃料储存器1。在燃料储存器1中储存的燃料是气态的情况下，则不可能再次返回或者为此需要其它步骤。由于通过出口9排出的氢气通常含有污染物，出口9又可与如上所述分离污染物的净化单元8连接，使得纯氢气从出口8a排出，污染物从出口8b排出。
与第一实施方案相比，第二实施方案中更多的能量被回收用于该工艺，并且通过出口9或出口8a排出的氢气可以例如先贮存起来以备后用，例如用于燃料电池中，这是因为它比第一实施方案中产生的氢气更冷。
当然上述两个实施方案(图1和图2)可以组合，构成图3中示出的本发明第三实施方案。从图3可知，反应器4包括用来直接从反应器4中移除在脱氢过程中产生的氢气的第二出料管7以及在第一出料管3中提供的位于热交换器6下游的出口9。第二出料管7和出口9通过阀设备10连接，使得各个管中只有一个与净化单元8连通。净化单元8具有与上述的相同的结构和功能。通过这种布置，可以将第一和第二实施方案各自的优点结合起来，从而可以根据需要从装置中移取仍含有余热的氢气或冷的氢气。
本发明优选用于飞行器(即飞机和直升机)、机动车或其它运输工具中的车载氢气制备。用于飞机中时，反应器优选利用飞机中存在的引气来加热。作为选择，还可以使用来自涡轮和/或燃料电池的余热来加热反应器。因此，飞机中存在的热源可以有效地用于车载氢气制备。另外，净化单元8中产生的污染物流还可以用来加热反应器。为此，焚烧污染物流，所产生的热可以用来加热反应器4。作为选择，污染物流还可以用于驱动涡轮。
在飞机或直升机中应用根据本发明的装置过程中，为了减少脱氢作用所必需的总质流，可以利用地面上和空中的压力和/或温度差来分级蒸馏煤油，从而将煤油的易挥发组分与难挥发组分分离，其中之后只将燃料的难挥发组分用于脱氢作用，由此减少质流。
附图标记
1  燃料储存器
2  燃料供给管
3  反应器的第一出料管
4  反应器
5  加热器
6  热交换器
7  反应器的第二出料管
8  净化单元
8a 氢气出口
8b 污染物出口
9  第一出料管的出口
10 阀设备
TR 反应温度
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1. 一种通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的装置，所述装置包括烃类燃料的燃料储存器(1)，所述燃料储存器(1)通过燃料供给管(2)与反应器(4)连接，以将燃料从所述燃料储存器(1)供给到所述反应器(4)，其中所述反应器(4)具有使在所供给的燃料脱氢过程中所产生的残余燃料返回所述燃料储存器(1)的第一出料管(3)，并且如果需要，所述反应器(4)与催化剂一起使用，其特征在于，
-所述燃料储存器(1)通过所述燃料供给管(2)和所述第一出料管(3)与热交换器(6)接触；
-储存在所述燃料储存器(1)中的液体燃料由所述热交换器(6)预热并可以通过所述燃料供给管(2)供给到所述反应器(4)；
-所述反应器(4)具有用于将供给的液体燃料加热至反应温度(TR)加热器(5)，其中在脱氢过程中在所述反应器(4)中产生两相混合物；和
-由供给到所述反应器(4)的液体燃料的脱氢作用所产生的液体残余燃料可以通过热交换器(6)以冷却的状态返回到所述燃料储存器(1)，其中所述反应器(4)具有用于移除所述氢气和其中的任意污染物的第二出料管(7)；和/或
-在供给到所述反应器(4)的液体燃料的脱氢作用过程中所产生的液体残余燃料和氢气的反应混合物可以通过所述第一出料管(3)供给到所述热交换器(6)以冷却，从而将所述氢气与所述液体残余燃料分离，其中所述第一出料管(3)具有在所述热交换器(6)下游的出口(9)，用于排出所产生的氢气和其中的任意污染物。
2. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第二出料管(7)或在所述热交换器(6)下游的出口(9)与净化单元(8)连通。
3. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第二出料管(7)或在所述热交换器(6)下游的出口(9)可以通过阀设备(10)连接到净化单元(8)，使得所述第二出料管(7)或者所述出口(9)与所述净化单元(8)连通。
4. 根据权利要求2或3的装置，其特征在于，所述净化单元(8)用于使通过所述第二出料管(7)或所述出口(9)供给的氢气与其中所包含的任意污染物分离。
5. 根据权利要求4的装置，其特征在于，所述净化单元(8)具有用于纯氢气的氢气出口(8a)和用于排出分离的污染物的污染物出口(8b)。
6. 根据权利要求5的装置，其特征在于，通过所述污染物出口(8b)排出的污染物流可用于加热所述反应器(4)。
7. 根据权利要求1～6任一项的装置，其特征在于，所述烃类燃料的脱氢作用基于以下的吸热反应：CnHx→H2+CnHx-2。
8. 根据权利要求1～7任一项的装置，其特征在于，所述燃料供给管(2)和所述第一出料管(3)是所述热交换器(6)的一部分。
9. 根据权利要求1～8任一项的装置，其特征在于，所述热交换器(6)根据逆流原理运行。
10. 根据权利要求1～9任一项的装置的用途，用于在飞行器、机动车或其它运输工具中车载氢气制备。
11. 根据权利要求1～9任一项的装置，用于在飞机中车载氢气制备，其特征在于，所述反应器(4)可以通过飞机上的引气来加热，或者通过来自涡轮的废热和/或来自燃料电池的废热来加热。
12. 根据权利要求11的装置，其特征在于，可以利用飞机在地面上和空中的压力和/或温度差来分级蒸馏所述烃类燃料，以将所述燃料的易挥发组分与难挥发组分分离，其中所述燃料的难挥发组分可以用于脱氢作用。
13. 一种利用根据权利要求1～9任一项的装置通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的方法，其中控制供给到反应器(4)中的烃类燃料的脱氢作用，使得一方面产生氢气，另一方面产生可以与燃料储存器(1)中储存的烃类燃料混合的残余燃料，其特征在于，
-在所述反应器(4)中通过脱氢作用产生两相混合物；
-在所供给的液体燃料的脱氢过程中在所述反应器(4)中所产生的氢气通过第二出料管(7)直接从所述反应器(4)中移除；和/或
-在所供给的液体燃料的脱氢过程中在所述反应器(4)中所产生的液体残余燃料和氢气的反应混合物通过第一出料管(3)移除，并且通过热交换器(6)冷却以将所述液体残余燃料与所述氢气分离，其中分离的氢气以及其中的任意污染物通过出口(9)排出，所述出口(9)提供在所述第一出料管(3)中并且位于所述热交换器(6)下游。

Claims (13)

1. 一种通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的装置，所述装置包括烃类燃料的燃料储存器(1)，所述燃料储存器(1)通过燃料供给管(2)与反应器(4)连接，以将燃料从所述燃料储存器(1)供给到所述反应器(4)，其中所述反应器(4)具有使在所供给的燃料脱氢过程中所产生的残余燃料返回所述燃料储存器(1)的第一出料管(3)，并且如果需要，所述反应器(4)与催化剂一起使用，其特征在于，
-所述燃料储存器(1)通过所述燃料供给管(2)和所述第一出料管(3)与热交换器(6)接触；
-所述燃料由所述热交换器(6)预热并且可以通过所述燃料供给管(2)供给到所述反应器(4)；
-所述反应器(4)具有用于将供给的燃料加热至反应温度(TR)的加热器(5)；和
-来自供给到所述反应器(4)的燃料的脱氢作用的残余燃料可以通过热交换器(6)以冷却的状态返回到所述燃料储存器(1)，其中所述反应器(4)具有用于移除所述氢气和其中的任意污染物的第二出料管(7)；和/或
-在供给到所述反应器(4)的燃料的脱氢作用过程中所产生的残余燃料和氢气的反应混合物可以通过所述第一出料管(3)供给到所述热交换器(6)以冷却，从而将所述氢气与所述残余燃料分离，其中所述第一出料管(3)具有在所述热交换器(6)下游的出口(9)，用于排出所产生的氢气和其中的任意污染物。
2. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第二出料管(7)或在所述热交换器(6)下游的出口(9)与净化单元(8)连通。
3. 根据权利要求1的装置，其特征在于，所述第二出料管(7)或在所述热交换器(6)下游的出口(9)可以通过阀设备(10)连接到净化单元(8)，使得所述第二出料管(7)或者所述出口(9)与所述净化单元(8)连通。
4. 根据权利要求2或3的装置，其特征在于，所述净化单元(8)用于使通过所述第二出料管(7)或所述出口(9)供给的氢气与其中所包含的任意污染物分离。
5. 根据权利要求4的装置，其特征在于，所述净化单元(8)具有用于纯氢气的氢气出口(8a)和用于排出分离的污染物的污染物出口(8b)。
6. 根据权利要求5的装置，其特征在于，通过所述污染物出口(8b)排出的污染物流可用于加热所述反应器(4)。
7. 根据权利要求1～6任一项的装置，其特征在于，所述烃类燃料的脱氢作用基于以下的吸热反应：CnHx→H2+CnHx-2。
8. 根据权利要求1～7任一项的装置，其特征在于，所述燃料供给管(2)和所述第一出料管(3)是所述热交换器(6)的一部分。
9. 根据权利要求1～8任一项的装置，其特征在于，所述热交换器(6)根据逆流原理运行。
10. 根据权利要求1～9任一项的装置的用途，用于在飞行器、机动车或其它运输工具中车载氢气制备。
11. 根据权利要求1～9任一项的装置，用于在飞机中车载氢气制备，其特征在于，所述反应器(4)可以通过飞机上的引气来加热，或者通过来自涡轮的废热和/或来自燃料电池的废热来加热。
12. 根据权利要求11的装置，其特征在于，可以利用飞机在地面上和空中的压力和/或温度差来分级蒸馏所述烃类燃料，以将所述燃料的易挥发组分与难挥发组分分离，其中所述燃料的难挥发组分可以用于脱氢作用。
13. 一种利用根据权利要求1～9任一项的装置通过烃类燃料的脱氢作用来制备氢气的方法，其中控制供给到反应器(4)中的烃类燃料的脱氢作用，使得一方面产生氢气，另一方面产生可以与燃料储存器(1)中储存的烃类燃料混合的残余燃料，其特征在于，
-在所供给的燃料的脱氢过程中在所述反应器(4)中所产生的氢气通过第二出料管(7)直接从所述反应器(4)中移除；和/或
-在所供给的燃料的脱氢过程中在所述反应器(4)中所产生的残余燃料和氢气的反应混合物通过第一出料管(3)移除，并且通过热交换器(6)冷却以将所述残余燃料与所述氢气分离，其中分离的氢气以及其中的任意污染物通过出口(9)排出，所述出口(9)提供在所述第一出料管(3)中并且位于所述热交换器(6)下游。
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