DE10084774B4 - Kompakte Brennstoffgas-Reformeranordnung mit Brennerwandungs-Temperatursteuerung - Google Patents

Kompakte Brennstoffgas-Reformeranordnung mit Brennerwandungs-Temperatursteuerung Download PDF

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Abstract

Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, aufweisend: a) wenigstens eine Prozessgaspassage (6), wobei die Prozessgaspassage (6) ein Einlassende und ein Auslassende aufweist und wobei die Prozessgaspassage (6) betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, eine Strömung aus einer Brennstoffgas- und Dampf-Mischung in Kontakt mit einer Katalysatoroberfläche zu bringen und durch die Anordnung hindurchzuleiten; b) wenigstens eine Brennergaspassage (4), die in Wärmeübertragungsbeziehung zu der Prozessgaspassage (6) angeordnet ist, wobei die Brennergaspassage (4) ein Einlassende und ein Auslassende aufweist und wobei die Brennergaspassage (4) betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, eine Brennergasströmung in einer zu der Strömungsrichtung der Brennstoffgas- und Dampf-Mischung gegenläufigen Richtung durch die Anordnung zu leiten, wobei diese an den Brennerwänden katalytisch verbrennen; und c) eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrippen (14), die in der Brennergaspassage (4) angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsrippen (14) in einem Rippendichte-Populationsgefälle vorhanden sind, das von dem Brennergaspassageneinlass zu dem Brennergaspassagenauslass zunimmt, wobei das Rippendichte-Populationsgefälle eine erste Wärmeübertragungskapazität von dem Brennergas auf Wände der Brennergaspassage...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, die aus einer Mehrzahl von sich wiederholenden Unteranordnungen gebildet ist. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, die kompakt und in ihrem Gewicht leichter ist als herkömmliche Dampf-Reformeranordnungen, die in Brennstoffzellen-Kraftanlagen verwendet werden, und die ferner mit niedrigeren Brennergaspassagen-Wandtemperaturen arbeiten.
  • Einschlägiger Stand der Technik
  • Brennstoffzellen-Kraftanlagen beinhalten Brennstoffgas-Dampf-Reformer, die betriebsmäßig dazu ausgebildet sind, ein Brennstoffgas, beispielsweise Erdgas, katalytisch in eine Gasströmung umzuwandeln, die in erster Linie Wasserstoff und Kohlendioxid enthält. Die Umwandlung beinhaltet das Hindurchleiten einer Mischung aus dem Brennstoffgas und Dampf durch ein katalytisches Bett, das auf eine Reformiertemperatur von ca. 482°C (900°F) bis ca. 871°C (1600°F) erwärmt ist. Die Differenz zwischen der Temperatur der Reaktionsgasmasse und der Temperatur der Reaktorwände kann bis zu 204°C (400°F) bis 260°C (500°F) betragen. Typischerweise verwendete Katalysatoren sind Nickelkatalysatoren, die auf Aluminiumoxidpellets aufgebracht sind. Ein typischer Reformer besteht aus einer Mehrzahl von Reaktionsrohren, die in einem Gehäuse enthalten sind, das zur Wärmerückhaltung isoliert ist. Die Reaktionsrohre werden durch Verbrennen von überschüssigem Brennstoffgas in dem Gehäuse und durch Leiten der Brennergase über die Reaktionsrohre erwärmt. Die einzelnen Reaktionsrohre beinhalten typischerweise eine zentrale Ausströmpassage, die von einer ringförmigen Eintrittspassage umgeben ist. Die Eintrittspassage ist mit den katalysierten Aluminiumoxidpellets gefüllt, und eine Brennstoffgas-Dampf-Verteileranordnung ist betriebsmäßig dazu ausgebildet, die Brennstoffgas-Dampf-Mischung an den Boden einer jeden Eintrittspassage zu leiten, von wo die Brennstoffgas-Dampf-Mischung durch die Katalysatorbetten strömt. Die resultierende, erwärmte wasserstoffreiche Gasströmung strömt dann durch die zentralen Ausstrompassagen in jedes Rohr, um so das Erwärmen der inneren Bereiche eines jeden der ringförmigen Katalysatorbetten zu unterstützen, und strömt dann von dem Reformer weg zur weiteren Verarbeitung und Verwendung.
  • Dampfreformer benötigen ein großes Maß an Oberfläche in dem Katalysatorbett, um ein hohes Maß an Katalysator-Brennstoffmischung-Wechselwirkung zu schaffen, und eine große Wärmetransferoberfläche, um die Menge an Wasserstoff zu erzeugen, die erforderlich ist, um die Brennstoffzellen im Bereich des Wirkungsgradmaximums zu betreiben. Diese Notwendigkeit einer großen Katalysatorbett- und Wärmetransfer-Oberfläche – wenn diese durch die Verwendung von katalysatorbeschichteten Pellets in rohrförmigen Reformern erfüllt wird – führt zu unerwünscht großen und schweren Reformeranordnungen. Beispielsweise hat eine im Handel erhältliche 200 kW-Säure-Brennstoffzellen-Kraftanlage eine Dampfreformer-Komponente, die ein Volumen von ca. 4,25 bis 4,95 m3 (150 bis 175 Kubikfuß) hat und ca. 1588 kg (3500 lbs.) wiegt. Es wäre äußerst wünschenswert, einen Dampfreformer zu schaffen, der zur Verwendung in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage geeignet ist, wobei der Reformer die erforderliche Oberfläche liefert, jedoch kompakt ausgebildet ist und ein geringes Gewicht aufweist.
  • Das US-Patent Nr. 5 733 347 , das am 31. März 1998 für R. R. Lesieur erteilt wurde, beschreibt einen kompakten, leichten Brennstoffgas-Reformer, der einander benachbarte Brennergaspassagen und Brennstoffgaspassagen aufweist. Die Brenner- und Brennstoffgaspassagen enthalten beide Wärmeübertragungsrippen, die sich über die gesamte Länge der Passagen erstrecken. Wenn die in dem genannten Patent dargestellte Konstruktion bei Temperaturen über 816°C (1500°F) mit ihrer Gegenstrom-Anordnung von Brennergas und Prozessgas betrieben wird, können unerwünscht hohe Brennerpassagen-Wandtemperaturen aufgrund des hohen Wärmetransfers durch die Rippen in Richtung auf den vorderen und den mittleren Bereich der Brennergaspassagen auftreten, wobei dieser hohe Wärmetransfer nicht durch eine hohe Wärmeabsorptionsrate in der Prozessgasströmung kompensiert wird. Nach der Mitte der Brennergaspassagen sinken die Wandtemperaturen aufgrund der höheren Wärmeabsorption durch das einströmende Prozessgas ab, jedoch kann die erzeugte übermäßig Wärme die Reformerwände beschädigen.
  • Es wäre wünschenswert, eine kompakte, leichte Reformeranordnung der in dem vorstehend genannten Patent dargestellten Art zu schaffen, die jedoch nicht dem vorstehend geschilderten Überhitzungsproblem unterliegt.
  • Das US-Patent No. 4,049,051 offenbart eine Wärmetauscheranordnung für Gasturbinen, die mit heißem Turbinengas beaufschlagt wird und die darin enthaltene Wärme an die Umgebungsluft abgibt. Die Abgabe soll in möglichst gleichen Portionen über die einzelnen Stufen des Wärmetauschers hinweg erfolgen, was dadurch erreicht wird, dass in dem Wärmetauscher Bereiche mit unterschiedlicher Dichte an Wärmeübertragungsrippen vorgesehen werden. Auf diese Weise wird die Wärme des in den Wärmetauscher eintretenden Turbinenabgases über die Länge des Wärmetauschers hinweg sukzessive abgegeben.
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung mit den Merkmalen, wie sie im unabhängigen Anspruch 1 angegeben sind. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dampfreformerkonstruktion, die die erforderliche katalysierte Oberfläche und Wärmeübertragungsoberfläche liefert, im Wesentlichen kleiner und leichter als herkömmliche Dampfreformer ist und bei niedrigeren Wandtemperaturen betrieben werden kann. Die Dampfreformerkonstruktion der vorliegenden Erfindung ist aus einer Reihe von im Wesentlichen aus flachen Platten gebildeten Reformerkomponenten gebildet. Jede der Reformerkomponenten beinhaltet äußere Reformerpassagen, die um eine Mehrzahl von zentralen Regenerator-/Wärmetauscherpassagen sandwichartig angeordnet sind.
  • Die Grundkonfiguration des katalysierten Reformers besteht aus sich wiederholenden Modulen von Brenner-Reformer-Regenerator-Reformer-Brenner-Elementen. Die Gase in den Brenner- und Regenerator-Abschnitten strömen in der einen Richtung, und die Brennstoffgase strömen in der entgegengesetzten Richtung durch die Reformerpassagen. Dies ist eine wünschenswerte Konfiguration eines Reformers, bei dem das reformierte Gas gegenläufig zu der Reformer-Reaktionsmittelströmung strömt, so dass es seine Wärme auf die Reaktionsmittelströmung übertragen kann.
  • Wärme wird durch die Verbrennung der Brennergase erzeugt, wenn diese die Brennerkammer durchströmen und an den Brennerwänden katalytisch verbrennen. Die Reformier-Reaktion ist sehr endotherm und benötigt aufgrund des dynamischen Gleichgewichts auch hohe Temperaturen zum Erzielen einer hohen Umwandlung. Mit einer großen katalytischen Oberfläche in dem Brenner würde die Brennergas-Verbrennung in dem oberen Bereich des Reaktors stattfinden. Jedoch hat an diesem Ort der größte Teil der Reformierung bereits stattgefunden, so dass eine unzulängliche Kühlung von der endothermen Reformer-Reaktion vorhanden wäre, um die Temperatur der Wände innerhalb eines angemessenen Bereichs zu halten, d. h. unter ca. 871°C (1600°F). Zum Halten der Wandtemperatur innerhalb des akzeptablen Bereichs an dem Eintrittsende der Brennergaspassagen sind in diesem Bereich Wärmeübertragungsrippen eliminiert. Die Systemkonfiguration, die hohe Brennerwandtemperaturen eliminiert, besteht aus einem Einlassbereich, der keine Wärmeübertragungsrippen aufweist, einem mittleren Bereich mit einer niedrigen Dichte an Wärmeübertragungsrippen sowie einem Auslassbereich mit einer höheren Dichte an Wärmeübertragungsrippen. Die Rippen-”Dichte” bezieht sich auf die Anzahl der Rippen pro 2,54 cm der Brennerpassage in der zu der Brennergas-Strömungsrichtung quer verlaufenden Richtung. Die Wandtemperatur erreicht immer noch Spitzenwerte, wird jedoch auf Niveaus gehalten, die niedriger sind als 871°C (1600°F). Alle anderen Metalltemperaturen sind niedriger als 816°C (1500°F). Es ist zu erkennen, dass mit einer geeigneten Systemkonfiguration die Temperatur derart manipuliert werden kann, dass die Wände relativ kühl bleiben und somit eine längere Lebensdauer erzielbar ist. Eine hohe Rippendichte wird insgesamt sowohl durch die Reformerpassagen als auch die Regeneratorpassagen aufrecht erhalten, so dass das Reformergas zwangsweise sehr nahe an die Reformerwandtemperaturen herangebracht wird, wodurch für eine Brennstoffumwandlung auf der Reformerseite sowie niedrige Regenerator-(Prozess-)Austrittstemperaturen gesorgt wird.
  • Auf der Grundlage des Reformer-Modells wurde ein Konstruktionsmodell eines 200 kW-Reformers mit 198 m3 an H2/h (7000 Kubikfuß an H2/h) gebildet. Dieses bestand aus zehn Elementen, wobei jedes Element einen Brenner, zwei Reformerabschnitte und einen Regeneratorabschnitt besaß. Das Brennergas wurde zu dem Boden des Reformers hin freigesetzt, der Prozessgasaustritt erfolgte nach links und der Prozessgaseintritt nach rechts. Diese Weise der Konfiguration vereinfacht alle Verteilereinrichtungen. Die Gesamtdicke jedes Elements betrug ca. 3,8 cm (1,5 Inch). Die axiale Welligkeit der Rippen erhöht die Festigkeit der Elemente und steigert ferner die Oberfläche sowie die Wärmeübertragungseigenschaften durch Erhöhen der Gasströmungsturbulenz. Die ersten 40% der Brennergaspassagen waren frei von Wärmeübertragungsrippen; die nächsten 10% der Brennergaspassagen waren mit einer Konstruktion mit niedriger Rippendichte versehen, d. h. ca. eine Rippe pro 2,54 cm und die übrigen 50% der Brennergaspassagen waren mit einer Konstruktion mit höherer Rippendichte versehen, d. h. ca. 10 Rippen pro 2,54 cm.
  • Unter Verwendung der vorstehend genannten Rippendichten-Anordnung wurden Reformergas-Spitzentemperaturen von ca. 816°C (1500°F) erzielt, während die Brennerwandungs-Spitzentemperaturen bei ca. 871°C (1600°F) gehalten wurden. Dies ist vergleichbar mit Reformergastemperaturen, wie sie mit der Konstruktion des Standes der Technik erzielt wurden, sowie mit Brennergaspassagen-Wandtemperaturen von über 927°C (1700°F).
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht somit in der Schaffung einer verbesserten Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung zur Verwendung in einer Brennstoffzellen-Kraftanlage.
  • Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Reformeranordnung der beschriebenen Art, die aufgrund der Temperatursteuerung der Brennergaspassagenwände der Anordnung eine höhere Lebensdauer aufweist.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Reformeranordnung der beschriebenen Art, bei der die höchste in der Anordnung auftretende Wandtemperatur niedriger ist als 927°C (1700°F) und vorzugsweise ca. 871°C (1600°F) beträgt.
  • Noch ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Reformeranordnung der beschriebenen Art, die eine serpentinenförmige Gasströmung sowie Wärmeübertragungsrippen in den Gaspassagen verwendet, wobei die Rippen in ihrer Anordnungsdichte in unterschiedlichen Bereichen der Anordnung variieren.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Diese und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit den Begleitzeichnungen noch deutlicher; darin zeigen:
  • 1 eine schematische, fragmentarische Perspektivansicht einer einzelnen Reformereinheitskomponente einer Reformeranordnung, die gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist;
  • 2 ein Gasströmungs- und Wandtemperaturprofil einer Reformeranordnung, die nicht mit der modifizierten Wärmeübertragungsrippenkonstruktion der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist;
  • 3 eine Seitenaufrissansicht von einer der Brennergaspassagen, von der eine Seitenwand entfernt ist, um eine spezielle variierte Anordnung der Wärmeübertragungsrippen-Populationsdichte freizulegen, die zur Erzeugung eines Wärmeübertragungsprofils führt, das die geeigneten Reformergas-Reaktionstemperaturen liefert, während es die Brennerpassagenwandtemperaturen auf akzeptable Maximalwerte begrenzt; und
  • 4 ein der 2 ähnliches Temperaturprofil, jedoch unter Darstellung des Temperaturprofils einer Reformeranordnung, die mit der Version der modifizierten Wärmeübertragungsrippenkonstruktion der vorliegenden Erfindung, wie sie in 3 gezeigt ist, ausgestattet ist.
  • Spezielle Ausführungsform zum Ausführen der Erfindung
  • Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen zeigt 1 ein Ausführungsbeispiel eines Brennstoffgas-/Dampf-Reformermoduls, der allgemein mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist und gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist. Der Modul 2 beinhaltet äußerste Brennergasströmungspassagen 4, diesen zur Mitte hin benachbarte innere Reformergaspassagen 6 sowie eine innerste Brennstoffgas-Regeneratorpassage 8. Die Gasmischung aus Brennstoff und Dampf tritt durch einen Eintrittsverteiler 10 in den Modul 2 ein und durchströmt die Reformergaspassagen 6, wie dies durch die Pfeile A angezeigt ist. Das Brennergas tritt in gegenläufiger Strömungsrichtung relativ zu der Strömungsrichtung der Brennstoffgas-/Dampf-Mischung in die Brennergaspassagen 4 ein, wie dies durch die Pfeile D argestellt ist. Die reformierte Brennstoffgas-/Dampf-Mischung tritt aus den Reformergaspassagen 6 aus und kehrt dann ihre Strömungsrichtung um, wie dies durch die Pfeile B dargestellt ist, und strömt in den Regeneratorabschnitt 8 der Anordnung 2, wie dies durch die Pfeile C dargestellt ist. Das reformierte Brennstoffgas verlässt die Anordnung 2 dann über die Gaspassage 12. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Reformerpassagen 6 und die Regeneratorpassagen 8 alle Wärmeübertragungsrippen 14 enthalten, die sich über die gesamte Länge der Passagen 6 und 8 erstrecken. Es ist auch darauf hinzuweisen, dass die Eintrittsenden der Brennerpassagen 4 nicht mit den Wärmeübertragungsrippen 14 versehen sind.
  • Bei dem vorstehend beschriebenen System des US-Patents Nr. 5 733 347 sind die Brennergaspassagen, die Reformerpassagen und die Regeneratorpassagen allesamt über ihre gesamte Länge mit Wärmübertragungsrippen versehen. 2 zeigt eine grafische Darstellung der Temperaturen der verschiedenen Komponenten in der Reformeranordnung, wobei die Y-Achse die Temperatur in Grad Fahrenheit darstellt und die X-Achse die in Zentimetern gemessene Distanz von dem Eintritt der Brennergaspassagen bis zu dem Austritt der Brennergaspassagen darstellt, und zwar bei Verwendung der in dem '347-Patent dargestellten Konstruktion zum Reformieren einer Brennstoffgasströmung mit zueinander gegenläufiger Strömungsrichtung von Brennergasströmung und Brennstoffgasströmung. Die Linie 1 stellt eine Linie der Temperatur der Brennergase dar; die Linie 3 stellt eine Linie der Temperatur der Reformergase dar; die Linie 5 ist eine Linie der Temperatur der Regeneratorgase; und die Linie 7 stellt eine Temperatur der Wände der Brennergaspassagen dar. Diese Figur veranschaulicht die Temperaturen, die erzeugt werden, wenn die Konstruktion des '347-Patents in dem Reformer verwendet wird. Alle der mit der Reformerkonstruktion des '347-Patents erzielten Temperaturen sind mit Ausnahme der Brennerpassagen-Wandtemperaturen akzeptabel. Die Reformerkonstruktion, die die Wärmeübertragungsrippen beinhaltet, die sich über die Gesamtheit von allen Gaspassagen in der Reformeranordnung erstrecken, führt somit zu unerwünscht hohen Brennergaspassagen-Wandtemperaturen, die 954°C (1750°F) übersteigen. Brennergaspassagen-Wandtemperaturen dieser Größe können die Lebensdauer des Reformers drastisch verkürzen und können tatsächlich die Wände der Brennerpassagen während längerer Einsatzperioden schmelzen.
  • 3 zeigt eine Seitenaufrissansicht von einer der Brennergaspassagen 4, die in den gemäß der vorliegenden Erfindung ausgebildeten Reformermodulen verwendet werden. Die Richtung der Brennergasströmung ist in 3, wie auch in 1, mit dem Pfeil D bezeichnet. Der anfängliche Abschnitt der Brennergasströmungspassage 4, der mit dem Buchstaben 1 bezeichnet ist, weist keine Wärmeübertragungsrippen auf. Ein anschließender mittlerer Abschnitt J der Brennergasströmungspassage 4 ist mit einer begrenzten Rippendichte oder Rippenpopulationsdichte der Wärmeübertragungsrippen 14 versehen, die ein begrenztes Ausmaß an Wärmeübertragung von den Brennergasen auf die Brennergasströmungspassagenwände erzeugt. Der abschließende Abschnitt K der Brennergasströmungspassage 4 ist mit einer höheren Rippendichte oder Rippenpopulationsdichte der Wärmeübertragungsrippen 14 versehen, die ein größeres Ausmaß an Wärmeübertragung von den Brennergasen auf die Brennergasströmungspassagenwände erzeugt. Das Nichtvorhandensein von Wärmeübertragungsrippen in dem Anfangsabschnitt I der Brennergasströmungspassagen führt zu einer minimalen Wärmeübertragung von den Brennergasen auf die Wände der Brennergaspassagen 4 in dem Anfangsabschnitt I. Die Verwendung der abgestuften Wärmeübertragungs-Rippenpopulationsdichte in den mehreren Abschnitten führt zu den erforderlichen Gastemperaturen und reduziert die Brennergaspassagen-Wandtemperaturen auf akzeptable Grenzwerte.
  • Ein spezielles Wärmeübertragungsrippen-Anordnungs- und -Populationsdichteschema, wie es in 3 gezeigt ist, ist folgendermaßen ausgebildet. Die Länge der Gaspassagen in dem in den Zeichnungen dargestellten Reformer beträgt 100 cm. Die ersten 40 cm I der Brennergaspassagen sind frei von Wärmeübertragungsrippen. Die nächsten 10 cm J der Brennergaspassagen weisen die niedrige Populationsdichteverteilung der Wärmeübertragungsrippen 14 auf, die bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ca. eine Rippe pro 2,54 cm beträgt. Die letzten 50 cm K der Brennergaspassagen weisen eine hohe Populationsdichteverteilung der Wärmeübertragungsrippen 14 auf, die bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ca. 10 Rippen pro 2,54 cm beträgt. In dem speziellen in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind somit 40% des Einlassbereichs der Brennergaspassagen frei von Wärmeübertragungsrippen; die anschließenden 10% der Brennergaspassagen weisen eine geringe Populationsdichteverteilung der Wärmeübertragungsrippen auf; und die letzten 50% der Brennergaspassagen weisen eine höhere Populationsdichteverteilung der Wärmeübertragungsrippen auf.
  • 4 zeigt eine grafische Darstellung der Temperaturen der verschiedenen Komponenten in der Reformeranordnung, wobei die Y-Achse die Temperatur in Grad Fahrenheit darstellt und die X-Achse die in Zentimetern gemessene Distanz von dem Eintritt der Brennergaspassagen zu dem Austritt der Brennergaspassagen darstellt, und zwar bei Verwendung der in 3 gezeigten Konstruktion zum Reformieren einer Brennstoffgasströmung sowie bei gegenläufiger Strömungsrichtung von Brennergasströmung und Brennstoffgasströmung. Wie im Fall der 2 handelt es sich bei der Linie 1 um eine Linie der Temperatur der Brennergase; bei der Linie 3 um eine Linie der Temperatur der Reformergase; bei der Linie 5 um eine Linie der Temperatur der Regeneratorgase; und bei der Linie 7 um eine Linie der Temperatur der Wände der Brenngaspassagen. Alle der Temperaturen, die mit der in 3 gezeigten Reformerkonstruktion erzielt werden, sind akzeptabel. Die Reformerkonstruktion, die die in 3 gezeigte, variierte Dichteverteilung der Wärmeübertragungsrippen-Population aufweist, führt somit zu akzeptablen Brennergaspassagen-Wandtemperaturen, die bei ca. 871°C (1600°F) ein Maximum erreichen. Brennergaspassagen-Wandtemperaturen dieser Größenordnung führen zu keiner drastischen Verkürzung der Lebensdauer des Reformers und verursachen kein Schmelzen der Wände der Brennerpassagen während längerer Einsatzperioden. Es ist darauf hinzuweisen, dass bei Verwendung eines Schemas mit einer variierten Verteilungsdichte der Wärmeübertragungsrippen-Population, wie dies in 3 gezeigt ist, die Spitzentemperatur 7 der Brennergaswände die Spitzentemperatur der Reformer- bzw. Regenerator-Gasströmungen 3 und 5 nicht wesentlich überschreitet. Zur Schaffung einer längeren Betriebslebensdauer sollten die Spitzentemperaturen der Brennergaspassagenwände unter ca. 927°C (1700°F) gehalten werden. Die Differenz zwischen der Brennerwand-Spitzentemperatur und der Prozessgas-Spitzentemperatur sollte so gering wie möglich gehalten werden.
  • Es ist leicht zu erkennen, dass die verbesserte Wärmeübertragungsrippen-Populationsdichteverteilung die Verwendung der wünschenswerten gegenläufigen Brennergasströmung und Prozessgasströmung in dem Reformer ermöglicht, ohne dass übermäßig hohe Brennerwandtemperaturen auftreten. Die Rippenpopulationsdichteverteilung führt ferner dazu, dass die Brennerwand-Spitzentemperatur sowie die Prozessgasströmungs-Spitzentemperatur relativ nahe beieinander gehalten werden, so dass sich die Effizienz des Reformers steigern lässt. Durch Erhöhen der Wärmeübertragung von den Brennerpassagen auf die Prozessgaspassagen an den Einlassenden der Prozessgaspassagen nutzt die Anordnung die Vorteile der hohen Wärmeabsorptionsfähigkeiten der einströmenden Prozessgasströmung.
  • Da viele Änderungen und Variationen des offenbarten Ausführungsbeispiels der Erfindung vorgenommen werden können, ohne von dem erfinderischen Konzept abzuweichen, ist es nicht beabsichtigt, die Erfindung anders zu beschränken als dies durch die beigefügten Ansprüche erforderlich ist.

Claims (5)

  1. Kohlenwasserstoff-Brennstoffgas-Dampf-Reformeranordnung, aufweisend: a) wenigstens eine Prozessgaspassage (6), wobei die Prozessgaspassage (6) ein Einlassende und ein Auslassende aufweist und wobei die Prozessgaspassage (6) betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, eine Strömung aus einer Brennstoffgas- und Dampf-Mischung in Kontakt mit einer Katalysatoroberfläche zu bringen und durch die Anordnung hindurchzuleiten; b) wenigstens eine Brennergaspassage (4), die in Wärmeübertragungsbeziehung zu der Prozessgaspassage (6) angeordnet ist, wobei die Brennergaspassage (4) ein Einlassende und ein Auslassende aufweist und wobei die Brennergaspassage (4) betriebsmäßig dazu ausgebildet ist, eine Brennergasströmung in einer zu der Strömungsrichtung der Brennstoffgas- und Dampf-Mischung gegenläufigen Richtung durch die Anordnung zu leiten, wobei diese an den Brennerwänden katalytisch verbrennen; und c) eine Mehrzahl von Wärmeübertragungsrippen (14), die in der Brennergaspassage (4) angeordnet sind, wobei die Wärmeübertragungsrippen (14) in einem Rippendichte-Populationsgefälle vorhanden sind, das von dem Brennergaspassageneinlass zu dem Brennergaspassagenauslass zunimmt, wobei das Rippendichte-Populationsgefälle eine erste Wärmeübertragungskapazität von dem Brennergas auf Wände der Brennergaspassage (4) in einem Einlassabschnitt der Brennergaspassage (4) schafft und das Rippendichte-Populationsgefälle eine zweite Wärmeübertragungskapazität von dem Brennergas auf die Wände der Brennergaspassage (4) in einem mittleren Abschnitt der Brennergaspassage (4) schafft, und wobei das Rippendichte-Populationsgefälle eine dritte Wärmeübertragungskapazität von dem Brennergas auf die Wände der Brennergaspassage (4) in einem Auslassabschnitt der Brennergaspassage (4) schafft, wobei die dritte Wärmeübertragungskapazität höher ist als die zweite Wärmeübertragungskapazität und wobei die zweite Wärmeübertragungskapazität höher ist als die erste Wärmeübertragungskapazität.
  2. Reformeranordnung nach Anspruch 1, wobei der Einlassabschnitt der Brennergaspassage (4) keine Wärmeübertragungsrippen (14) aufweist und etwa 40% der Distanz zwischen dem Brennergaspassageneinlass und dem Brennergaspassagenauslass bildet.
  3. Reformeranordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der mittlere Abschnitt der Brennergaspassage (4) eine Wärmeübertragungsrippenpopulation mit niedriger Dichte aufweist und ca. 10% der Distanz zwischen dem Brennergaspassageneinlass und dem Brennergaspassagenauslass bildet.
  4. Reformeranordnung nach Anspruch 3, wobei der Auslassabschnitt der Brennergaspassage (4) eine Wärmeübertragungsrippenpopulation mit hoher Dichte aufweist und ca. 50% der Distanz zwischen dem Brennergaspassageneinlass und dem Brennergaspassagenauslass bildet.
  5. Reformeranordnung nach Anspruch 4, wobei die Wärmeübertragungsrippen-Populationsdichte in dem Auslassabschnitt der Brennergaspassage (4) ca. das Doppelte der Wärmeübertragungsrippen-Populationsdichte in dem mittleren Abschnitt der Brennergaspassage beträgt.
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