CN101588861A - 用于将气体燃料和氧化剂转化成重整产物的重整器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及使燃料和氧化剂反应成重整产物的重整器，其包含重整区(12)，所述重整区(12)可以接收供应的燃料、来自上游氧化区的氧化剂和至少部分氧化的燃料的混合物，用于催化反应形成重整产物。为了提高重整效率，提出重整区(12)在气流的流动方向上包含第一催化反应区(32)和第二催化反应区(48)，它们各自分别设置，并且中间插入非催化活性均化区(44)，用于均化来自第一反应区(32)的气体组分。根据本发明的设置可以实现在第一部分重整之后，将气体均化以实现更有效的第二部分重整。

Description

用于将气体燃料和氧化剂转化成重整产物的重整器
本发明涉及使气体燃料和氧化剂反应形成重整产物的重整器，其包含重整区，所述重整区接收供应的燃料、来自上游氧化区的氧化剂和至少部分氧化的燃料的混合物，用于催化反应形成重整产物。
本发明还涉及将燃料和氧化剂反应成重整产物的重整器，其包含重整区，所述重整区接收供应的燃料、来自上游氧化区的氧化剂和至少部分氧化的燃料的混合物，用于催化反应形成重整产物，所述燃料和混合物可以通过重整区上游的常用送料器供给。
德国专利DE 103 95 205A1公开了权利要求1的前序部分所述的重整器。
一般的重整器具有很多不同的应用，它们特别用于供应燃料电池富氢的气体混合物，所述气体混合物基于电化学反应可以产生电能。这种燃料电池用于例如结合电能和热能，并在汽车工程中作为辅助供电设备(APU)。
在重整器中，燃料，特别是以含烃气体形式存在的燃料或由液体或固体原料制备的含烃气体在部分催化氧化的范围内在吸热反应中分解，特别是用于得到氢气和一氧化碳，氢气和一氧化碳一起称为合成气。在制备吸热反应所需的热量时，特别已知利用从来自上游氧化区的燃料的上游放热氧化得到的能量，在所述上游氧化区中至少部分燃料被氧化剂氧化。热燃料排出气仍然含有未消耗的氧化剂，例如，氧气与新鲜燃料一起供给重整区，在重整区中催化产生合成气。
这种已知的重整器的缺点在于合成气不能完全反应，特别是当使用结构紧凑的重整器时，虽然可以通过使用较大的重整区使反应效率更高，但较大的尺寸是不理想的，在汽车工程中尤其如此。
从德国专利DE 102 30 149A1可知重整区填充有多孔材料的重整器，其内表面增强催化反应，而减小气体流过重整区的速度。尽管这可以使重整效果较高，但仍需要改进。
从德国专利DE 199 47 312A1可知根据权利要求6的前序部分的重整器，其中首先将燃料和来自氧化区的燃烧排出气(即燃料氧化剂混合物)在重整区的送料器上游混合，然后一起喷入重整区中。这使待重整的气体混和物更均匀，使重整效率提高。
然而，该已知送料器的缺点在于喷射装置的复杂的设计需要复杂的用于控制的机械和电子特征，不理想地增加了成本。
本发明基于得到使燃料和氧化剂反应成重整产物的重整器的目的，至少部分地避免了所述问题，并实现了效率的提高，特别是避免了增加尺寸和成本的缺点。
该目的可由独立权利要求中所述的特征实现。
本发明的有利实施方案可从从属权利要求得知。
本发明是对权利要求1的前序部分中提到的重整器的改进，其中重整区在气流的流动方向上包含第一和第二催化反应区，它们各自分别设置，并且中间插入非催化活性均化区，用于均化来自第一反应区的气体组分。
本发明基于以下发现：重整效率低的至少部分原因是重整区中气体缺乏均匀性。甚至对于引入重整区的均化非常好的输出混合物也存在这种问题，因为重整区本身中的重整过程的进行在空间上不均匀，导致在重整区中缺乏均匀性。这是为何根据本发明要至少部分地首先在第一反应区中重整，然后均化得到的气体组分，即通过将该均化的气体混合物供应到第二反应区来输入合成气和待重整的燃料以及燃料/氧化剂混合物，来进行最终的重整。
优点是，至少一个反应区，但优选两个反应区都填充有催化活性整料(katalytisch aktivierten Monolithen)。将重整区中的反应区设置为催化活性整料的优点从现有技术已知，这特别涉及增大反应区中的催化活性表面。通过在气流的流动方向上按顺序在两个多孔介质的设置中插入没有多孔介质的区可以特别有利地实现本发明，因为在多孔介质和插入的均匀区中存在完全不同的流动条件是非常自然的，使在均化区的第一反应中气体组分有效地的混合。
为了进一步提高效率，有利地将多孔介质的内表面用催化活性材料涂布，促进输出气体转化产生合成气。
如上所述，没有多孔介质的均化区用于充分混合来自第一反应区的气体组分。与烃燃料相比，在引入第一反应区之前，与均化不同，混合由合成气体组分(即氢气和一氧化碳)的较大的扩散系数支持。为了进一步促进均化区中的混合，本发明的一个有利方面是所述均化区包含一个或多个气体导流件，以增加湍流，从产生湍流的流动技术可知，基本上任何气体导流件都适合此目的。
已发现当提供环形节流板(Ringblende)作为气体导流件(Gasleitelement)时特别有利，因为一方面，环形节流板简单且设计成本低，另一方面，除了增强混合，环形节流板加速气体流动，从而促进流体进入第二反应区。
本发明还是权利要求6的前序部分的重整器的改进，其中将送料器设置为环形混合室，其输出端与重整区结合，混合室通过其输入端的进口供应有燃料或混合物，并通过其壳表面的进口供应有混合物或燃料。
常用的燃料和燃料/氧化剂混合物的这种设置的设计特别简单，因此在成本和所用尺寸方面特别有利。特别地，在其中重整区中流过热燃烧排出气的反向流的实施方案中，通过混合室的壳表面的进口引入混合物是有利的，因为这可以通过输入端的进口输入新鲜燃料。在混合区中混合特别有效，因为两股气流充分地在垂直方向上组合，因此通过输入端的进口引入的气流充分地在轴向上取向，而通过壳表面的进口引入的气流充分地在径向上向内取向。混合区的这种环形设置也确保了任何方位的混合区部分的端部较小，利于混合物的有效混合。将混合区设置为简单的管状会在混合区接近和远离轴的部分中形成强的浓度梯度。
优选地，从输入端到输出端减小混合室的内径(bore)。换句话说可以将混合区设置为环形喷嘴，增大气流进入混合区的出口的速率，进而提高混合效率，同时确保进入重整区的较好的进给。
由于当混合新鲜燃料与氧化剂以产生可以燃烧的气体时在混合室中总是存在自发燃烧的危险，使系统被熏黑，有利地，混合室的尺寸非常小，因而气体组分仅在其中停留数微秒，反映出在这种情况下反应时间对于相关的氧化反应是典型的。简单地通过控制其物理性质的均衡法则(equatinglaws)，本领域技术人员可以根据气流通过的速度调节混合室的长度。
优选将涉及环形混合室的本发明后一方面与涉及由均化区分成两个反应区的重整区本发明前一方面相组合。可以理解，通过特别有利地实现所述目的，所有所述实施方案和方面可以组合以确保进一步增大效率。
下面将结合附图通过优选实施方案详细说明本发明，附图中：
图1是沿本发明的重整器系统的纵向中心线观察的剖面图；
图2是沿图1中所示的系统中的重整器的混合室中心体的剖面图的放大视图；且
图3是图2中所示的混合室中心体的俯视图。
参考图1，图1显示了本发明的重整器系统10的剖面图。重整器系统10包含重整器12、由燃烧排出气管道16围封的上游混合室14。在所示的实施方案中，重整器12和其上游混合室14设计为充分呈圆柱形，这是包含重整器12和上游混合室14的第一圆柱壳18围封的组件。第一圆柱壳18同轴地设置在直径较大的第二圆柱壳20中。所述壳18和20之间的燃烧排出气管道与氧化区(未显示)的出口相连，传导来自氧化区的燃烧排出气流。将重整器包封在热燃烧排出气流中使得在燃烧排出气和重整器12之间发生热交换，从而可以利用燃烧排出气的热能来支持吸热催化重整。
在连接燃烧排出气管道的端盖22的附近，混合室14充分气密，所示实施方案中的混合室14包含第一圆柱壳18的一部分和混合室中间体24(图2中详细显示)。混合室中间体24包含用作封闭第一圆柱壳18的输入端并形成混合室14的输入端的堵板26。如图3中明显可见，堵板26包含内部进口28，所述内部进口28在所述实施方案中设计为钻孔，而在其他实施方案中它们可以设计为例如槽。与堵板26并置的是形状为截锥或管状截锥的锥体30，锥体30的底部形成与重整器12的第一反应区32的输入表面结合的混合室14的输出端的内部部分。底部锥体30的直径小于第一圆柱壳18的直径，因而小于混合室14的直径。因而，堵板26、重整器系统10和第一圆柱壳18形成内径朝其出口呈锥形的环形混合室14。在锥体30的区域中，第一圆柱壳18包含一个或多个进口34，通过进口34，混合室14与燃烧排出气管道气体交换接触。这种气体交换只可能在蒸发室的方向上发生。
利用覆盖元件36使具有进口28的堵板26的内部部分与燃烧排出气管道之间气密封，从而在堵板26的上游形成短的气体分布室38，在所示实施方案中气体分布室38的体积被堵板26的内部部分中的圆形凹口40增大。在该实施方案中，进口28位于圆形凹口40的区域内，而在锥体30外。
覆盖元件38与燃料送料器管道42气密连接，通过燃料送料器管道42可以将气体新鲜燃料送入气体分布室38，然后通过进口28进入混合室40中。在操作中，通过进口34将燃烧排出气引入混合室14，在混合室14中燃烧排出气与新鲜燃料混合。由锥体30制成的内径的减小使气流加速通过混合室14进入重整器12的第一重整区中，在这里供应到混合室14的气体组分至少部分地转化成合成气。为了提高该转化的效率，所示实施方案中的第一反应区32填充有多孔介质，其内表面涂布催化金属，在催化金属上产生合成气。在第一反应区32的下游设有均化区44。该空间特别地不填充多孔介质，所有来自第一反应区32的气体组分都在这里混和。得到的气体的均化进一步由在均化区44中同轴设置环形节流板46来促进，其作用是实现湍流涡(turbulent vortex)，并加速均化区44后的第二反应区48的方向上的气流。在所示的实施方案中，第二反应区48同样填充有具有催化表面涂层的多孔介质，发生气体组分转化成所需的合成气。在所示的实施方案中，第二反应区48延伸的部分在轴向上比第一反应区32长。
图1中未显示第二反应区48的出口，在本发明的有利实施方案中，第二反应区48的出口连接排出管，以排出得到的合成气，特别地将合成气供应至下游燃料电池。
当然应当理解，在说明书中讨论和在附图中显示的实施方案只是本发明的示例性实施例，本领域技术人员可由此得到很多属于这里公开的教导的范围内的不同的可能变化。更具体地，对于具体应用的特定要求，会要求本领域技术人员调整本发明的各元件的绝对和相对尺寸，并选择材料。在选择燃料时，本领域技术人员可以利用很多燃料，这包括例如天然气、液化气、甲烷等。当然，本领域技术人员可以为安装感应元件(例如λ传感器或温度感应元件)而提供一个或多个进口。在图1所示的一个实施方案中，在端盖22上设置了一个这样的进口，并以数字50标记。
应当理解，上述说明书、附图以及权利要求中披露的本发明特征对于实现本发明本身或任何组合是至关重要的。
附图标记
10 重整器系统
12 重整器
14 混合室
16 燃烧排出气管道
18 第一圆柱壳
20 第二圆柱壳
22 20的堵板
24 混合室中心体
26 24的堵板
28 26中的钻孔
30 24的锥体
32 12的第一反应区
34 18中的进口
36 覆盖元件
38 气体分布室
40 26中的凹口
42 燃料送料器管道
44 均化区
46 环形节流板
48 第二重整区
50 λ传感器支架
52 燃烧气
54 燃烧排出气

Claims (13)

1.使燃料和氧化剂反应形成重整产物的重整器，其包含重整区(12)，所述重整区(12)可以接收供应的燃料、来自上游氧化区的氧化剂和至少部分氧化的燃料的混合物，用于催化反应形成重整产物，其特征在于所述重整区(12)在气流的流动方向上包含第一催化反应区(32)和第二催化反应区(48)，它们各自分别设置，并且中间插入非催化活性均化区(44)，用于均化来自第一反应区(32)的气体组分。
2、权利要求1的重整器，其特征在于所述反应区(32；34)中的至少一个主要由多孔介质填充。
3、权利要求2的重整器，其特征在于所述多孔介质的内表面用催化活性材料涂布。
4、前述权利要求任一项的重整器，其特征在于所述均化区(44)包含一个或多个气体导流件，以形成湍流。
5、权利要求4的重整器，其特征在于提供环形节流板(46)作为所述气体导流件。
6、使燃料和氧化剂反应形成重整产物的重整器，其包含重整区(12)，所述重整区(12)可以接收供应的燃料、来自上游氧化区的氧化剂和至少部分氧化的燃料的混合物，用于催化反应形成重整产物，所述燃料和所述混合物可以通过重整区(12)的上游的常用送料器(14)供给，其特征在于将送料器设置为环形混合室(14)，其输出端与重整区(12)结合，混合室通过其输入端的进口(28)供应燃料或混合物，并通过其壳表面的进口(34)供应混合物或燃料。
7、权利要求6的重整器，其特征在于所述混合室(14)的内径从输入端到输出端减小。
8、权利要求6或7的重整器，其特征在于调节混合室(14)的长度使之适应气体的流速，从而气体组分在混合室(14)中的停留时间平均仅为数微秒。
9、权利要求6-8任一项的重整器，其特征在于所述重整区(12)在气流的流动方向上包含第一催化反应区(32)和第二催化反应区(48)，它们各自分别设置，并且中间插入非催化活性均化区(44)，用于均化来自第一反应区(32)的气体组分。
10、权利要求9的重整器，其特征在于所述反应区(32、48)中的至少一个主要填充多孔介质。
11、权利要求10的重整器，其特征在于所述多孔介质的内表面用催化活性材料涂布。
12、权利要求9-11任一项的重整器，其特征在于所述均化区(44)包含一个或多个气体导流件(46)，以形成湍流。
13、权利要求12的重整器，其特征在于提供环形节流板(46)作为气体导流件。
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