DE112008001062T5

DE112008001062T5 - Kompakter Reformer

Info

Publication number: DE112008001062T5
Application number: DE112008001062T
Authority: DE
Inventors: Jacobus Rosedale Neels; Li Vancouver Xuantian; Richard Allan Middletown Sederquist; Andre Vancouver Boulet; William Allison Vancouver Logan
Original assignee: Nxtgen Emission Controls Inc
Current assignee: Westport Power Inc
Priority date: 2007-05-01
Filing date: 2008-05-01
Publication date: 2010-03-18
Also published as: CA2701770A1; US20080274021A1; WO2008131562A1; CN101687166B; CA2701770C; CN101687166A; US8747496B2

Abstract

Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom, wobei der Reformer einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel aufweist, der eine Reaktionskammer beherbergt, und wobei der Reformer ferner aufweist:
(a) ein Mischrohr, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist, um einen kombinierten Reaktandenstrom zu bilden und den kombinierten Reaktandenstrom im Wesentlichen axial in die Reaktionskammer zu richten; und wobei die Reaktionskammer ferner aufweist:
(i) eine Umkehrkammer; und
(ii) eine Umkehrwand an einem Ende der Umkehrkammer zum Umlenken des kombinierten Reaktandenstroms, so dass in der Umkehrkammer der umgelenkte Strom den im Wesentlichen axial in der entgegengesetzten Richtung fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Reformer zur Herstellung eines wasserstoffhaltigen Gasstroms, etwa eines Syngas-(Synthesegas)-Stroms. Die vorliegende Vorrichtung und die vorliegenden Verfahren sind insbesondere für Reformer geeignet, die in Motorsystemanwendungen eingesetzt werden, bei denen ein wasserstoffhaltiges Gas erforderlich und der Raum begrenzt ist.
Hintergrund der Erfindung
Für Motorsysteme in Fahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen, bei denen die Versorgung mit Wasserstoff erforderlich ist, wird der Wasserstoff aufgrund der mit der bordseitigen Speicherung von Sekundärkraftstoff verbundenen Probleme und des derzeitigen Fehlens einer Infrastruktur zur Wasserstoffauftankung vorzugsweise bordseitig mittels eines Reformers erzeugt. Das wasserstoffhaltige Gas vom Reformer kann zum Regenerieren, Entschwefeln und/oder Erhitzen von Motorabgas-Nachbehandlungseinrichtungen, als Zusatzkraftstoff für den Motor und/oder als Brennstoff für eine Sekundär-Leistungsquelle, z. B. eine Brennstoffzelle, verwendet werden.
Ein Typ eines Reformers ist ein Synthesegas-Generator (SGG), der einen Kraftstoff in einen Gasstrom wandeln kann, der Wasserstoff (H₂) und Kohlenmonoxid (CO) enthält, bekannt als Synthesegas. Luft und/oder ein Anteil des Motorabgasstroms kann als Oxidationsmittel im Kraftstoffkonversionsprozess verwendet werden. Der Abgasstrom enthält typischerweise Sauerstoff (O₂), Wasser (H₂O), Kohlendioxid (CO₂), Stickstoff (N₂) und merkliche Wärme, die zur Herstellung von Synthesegas nützlich sein kann. Dampf und/oder Wasser können wahlweise zugegeben werden. Der Einfachheit halber kann als dem SGG zugeführter Kraftstoff derselbe Kraftstoff wie für den Motor gewählt werden. Alternativ kann ein anderer Kraftstoff verwendet werden, obwohl dies im Allgemeinen eine eigene Sekundär-Kraftstoffquelle und ein Zufuhrsystem speziell für den SGG erforderlich macht. H₂ und CO können in Prozessen zur Regenerierung der Abgasnachbehandlungseinrichtungen nützlich sein. Für andere Anwendungen, z. B. als Brennstoff in einer Brennstoffzelle, kann für den Synthesegasstrom vor der Verwendung eine zusätzliche Behandlung erforderlich sein.
Die Produktion von Synthesegas kann in drei Hauptprozesse unterteilt werden: Mischen, Oxidieren und Reformieren, wie in 1 dargestellt ist. Der erste Prozess ist der Mischprozess, der im Allgemeinen am Einlass oder nahe dem Einlass in der sogenannten ”Mischzone” stattfindet, wo die Oxidationsmittel- und Kraftstoffströme in den SGG eingeleitet werden. Die Hauptfunktion des Mischprozesses besteht in der Bereitstellung eines gleichmäßig gemischten und verteilten Kraftstoff/Oxidationsmittel-Gemischs zur späteren Verbrennung und Reformierung. Wenn der Kraftstoff eine Flüssigkeit ist, wird er typischerweise zerstäubt und verdampft sowie mit einem Oxidationsmittel in dieser Zone gemischt. Der nächste Prozess, der Oxidationsprozess, findet nach der Mischzone in der sogenannten ”Verbrennungszone” statt. Die Hauptfunktion des Oxidationsprozesses ist die Zündung des Kraftstoff/Oxidationsmittel-Gemischs, um H₂ und CO als Primärprodukte sowie die bedeutende Wärme zu erzeugen, die für die stromabwärtigen endothermen Reformierreaktionen erforderlich ist. Der letzte Prozess, der Reformierprozess, findet in der sogenannten ”Reformierungszone” statt, wo die Oxidationsprodukte und die restlichen Kraftstoffbestandteile über Reformierungsreaktionen weiter zu H₂ und CO gewandelt werden. Der Synthesegas-Strom tritt dann aus dem SGG aus und wird zur weiteren stromabwärtigen Behandlung und/oder in die entsprechende(n) Wasserstoff verbrauchende(n) Einrichtung(en) geleitet. Zwischen den Zonen besteht keine klare Trennung, sondern sie gehen ineinander über oder verschmelzen miteinander, aber die in jeder Zone stattfindenden primären Prozesse sind typischerweise wie oben beschrieben.
In Fahrzeug- oder anderen mobilen Anwendungen sollte ein bordseitiger SGG allgemein preisgünstig, kompakt, leicht und mit anderen Komponenten des Motorsystems raumsparend installiert sein. Zu den speziellen Problemen im Zusammenhang mit der Auslegung von Reformern in Motorsystemen zum Wandeln eines Kraftstoffstroms und eines Motorabgasstroms zu einem wasserstoffhaltigen Strom gehören die folgenden:

(a) Die Ausgangsparameter des Motorabgasstroms wie Massenfluss, Druck, Temperatur, Zusammensetzung und Emissionspegel schwanken erheblich über den Betriebsbereich des Motors.
(b) Die vom Reformer geforderte Produktmenge ist typischerweise variabel. Der wasserstoffhaltige Gasstrom wird vorzugsweise bedarfsabhängig entsprechend der variablen Anforderung der Wasserstoff verbrauchenden Einrichtungen erzeugt. Dies verringert das Erfordernis nach zusätzlichen Speicher- und Steuereinrichtungen.
(c) Die gründliche Mischung des Kraftstoffs und der Oxidationsreaktanden ist wichtig. Bei flüssigen Kraftstoffen kann eine unzureichende Zerstäubung und Mischung des Kraftstoffs mit dem Oxidationsmittelstrom zu örtlich begrenzten kraftstoffreichen Zuständen führen, was die Bildung von Koks oder Ruß (Kohlenstoff), Rückständen und heißen Stellen zur Folge hat. Bei den typischen SGG-Betriebstemperaturen, z. B. 1000°C bis 1200°C, ist die Zeitspanne zum Einleiten und Zerstäuben des Kraftstoffs, während dieser wirksam mit dem Oxidationsmittelstrom gemischt wird, aufgrund der extremen Innentemperaturen begrenzt.
(d) Der Druck des Motorabgasstroms ist begrenzt, vor allem bei Leerlaufbedingungen des Motors. Der zur Mischung des Kraftstoffs mit dem Oxidationsmittelstrom und zur Verteilung verfügbare Druck ist deshalb zumindest unter manchen Betriebsbedingungen begrenzt.
(e) Ein hoher Motorabgasgegendruck kann den Wirkungsgrad und die Leistung des Motors senken, wodurch die Betriebskosten steigen. Vorzugsweise wird deshalb der Druckabfall über den Reformer und seine zugehörigen Komponenten (z. B. Misch- und Dosiergeräte sowie Partikelfilter) niedrig gehalten.
(f) Typischerweise werden eine hohe Systemzuverlässigkeit und Dauerhaltbarkeit gefordert.
(g) Auf dem Markt für die Abgasnachbehandlung bei Verbrennungsmotoren gibt es Einschränkungen hinsichtlich Kosten, Baugröße und Gewicht insbesondere bei Fahrzeuganwendungen.

Ein zylindrisch geformter Reaktor in Durchströmungskonfiguration, bei der ein kombiniertes Kraftstoff- und Oxidationsmittelreaktandengemisch überwiegend stromabwärts in einer Richtung axial durch den Zylinder strömt, wird im Allgemeinen für Reformer und SGGs verwendet. Zu den Nachteilen dieser Reaktortypen zählen: Teile des Reaktorvolumens werden möglicherweise nicht vollständig genutzt, Zusatzeinrichtungen können zur Unterstützung der Mischung und/oder Verteilung der Reaktanden erforderlich und zusätzliche Einrichtungen können zur Stabilisierung des Ortes der Verbrennungsflamme im Reaktor notwendig sein. Diese Nachteile können das Volumen, das Gewicht und die Kosten des Reformers erhöhen und/oder seinen Betriebsbereich verringern.
Während des Startprozesses eines Reformers werden häufig ein sekundärer Oxidationsmittel- und Kraftstoffstromkreislauf oder eine Brennkammer eingesetzt, um Wär me bei mageren oder stöchiometrischen Bedingungen zu erzeugen, wodurch die Zeit verkürzt wird, die der Reformer zum Erreichen einer gewünschten Betriebstemperatur benötigt. Der sekundäre Oxidationsmittel- und Kraftstoffstromkreislauf oder die Brennkammer werden verwendet, da eine unerwünschte Menge Kohlenstoff erzeugt werden kann, wenn die primären Oxidationsmittel- und Kraftstoffkreisläufe während des Startprozesses benutzt werden. Allerdings werden durch die Forderung nach einem sekundären Oxidationsmittel- und Kraftstoffstromkreislauf oder einer Brennkammer die Komplexität, die Baugröße und die Kosten des Reformers erhöht.
Der vorliegende Reformer mit verbesserter Reaktorauslegung, verbesserten Komponenten und verbesserten Betriebsverfahren löst erfolgreich zumindest einige der oben erläuterten Probleme sowohl bei Motorsystemanwendungen als auch bei anderen Reformeranwendungen.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom weist einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel auf, der eine Reaktionskammer beherbergt. Der Reformer weist ferner ein Mischrohr auf, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist. Das Mischrohr dient zur Bildung eines kombinierten Reaktandenstroms und zum Richten desselben in im Wesentlicher axialer Richtung in die Reaktionskammer. Die Reaktionskammer weist ferner eine Umkehrkammer (die ein Abschnitt der gesamten Reaktionskammer ist) und eine Umkehrwand an einem Ende der Umkehrkammer auf. Die Umkehrwand dient zum Umlenken des kombinierten Reaktandenstroms, so dass in der Umkehrkammer der umgelenkte Strom den im Wesentlichen axial in der entgegengesetzten Richtung fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist. Es wird davon ausgegangen, dass während des Betriebs des Reformers zwischen den entgegengerichteten Reaktandenströmen eine Zone niedriger Geschwindigkeit in der Umkehrkammer entsteht. Dies stabilisiert den Ort der Verbrennungsflamme im Reformer.
Bei manchen Ausführungsformen weist der Reformer eine Glühkerze oder eine andere Zündeinrichtung zur Einleitung von Verbrennungsreaktionen in der Reaktionskammer auf. Die Glühkerze oder andere Zündeinrichtung ist vorteilhafterweise in der Umkehrkammer mit ihrer Spitze in der Zone niedriger Geschwindigkeit angeordnet.
Bei anderen Ausführungsformen weist ein Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel auf, der eine Reaktionskammer beherbergt. Der Reformer weist ferner ein Mischrohr auf, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist. Das Mischrohr dient zur Bildung eines kombinierten Reaktandenstroms und zum Richten desselben in im Wesentlichen axialer Richtung in die Reaktionskammer. An einem Ende der Reaktionskammer befinden sich eine Umkehrwand, die den aus dem Mischrohr austretenden kombinierten Reaktandenstrom in eine im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung umlenkt, und ein ringförmiger Partikelfilter, der im Wesentlichen konzentrisch um das Mischrohr angeordnet ist.
Damit bei den obigen Ausführungsformen die in im Wesentlichen entgegengesetzten Richtungen fließenden Gasströme miteinander in Kontakt kommen, so dass die Zone mit niedriger Geschwindigkeit entsteht, ist die Umkehrkammer vorzugsweise frei von Strukturen, die die Strömung trennen oder behindern. Außerdem enthält die Umkehrkammer vorzugsweise keinen Katalysator zum Fördern einer Konversion der Kraftstoff- und Oxidationsmittelströme.
Bei den obigen Ausführungsformen kann die Umkehrwand speziell so geformt sein, dass sie den kombinierten Reaktandenstrom von einer Mittelachse nach außen und dann zurück durch die Umkehrkammer in im Wesentlichen entgegengesetzter Richtung umlenkt. Sie kann z. B. mit einer mittleren Spitze ausgebildet sein, die zum Mischrohr ragt und mit der Achse des Mischrohrs fluchtet.
Bei den obigen Ausführungsformen kann der Reformer ferner einen im Mantel untergebrachten Wärmetauscher aufweisen, um die Wärme aus dem Produktstrom auf den eintretenden Oxidationsmittelstrom zu übertragen.
Ein Verfahren für den Betrieb eines Reformers weist auf:

(a) Einleiten eines Oxidationsmittelstroms und eines Kraftstoffstroms in den Reformer und Mischen des Oxidationsmittel- und Kraftstoffstroms zur Bildung eines kombinierten Reaktandenstroms;
(b) Richten des kombinierten Reaktandenstroms im Wesentlichen axial in eine Umkehrkammer im Reformer, so dass er auf eine Umkehrwand trifft und von der Wand zum Strömen in eine im Wesentlichen entgegengesetzte Richtung umgelenkt wird, so dass er den axial in die Umkehrkammer fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Berührung ist;
(c) zumindest teilweises Verbrennen und Konvertieren des kombinierten Reaktandenstroms in der Umkehrkammer zur Bildung eines wasserstoffhaltigen Produktstroms.

Bei bevorzugten Ausführungsformen des Verfahrens wird an der Grenzfläche zwischen den in der Umkehrkammer fließenden entgegengerichteten Strömen eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit erzeugt, die den Ort der Verbrennungsflamme im Reformer stabilisiert.
Das Verfahren kann ferner das Leiten des Kraftstoff- und des Oxidationsmittelstroms durch ein vor der Umkehrkammer angeordnetes Mischrohr und wahlweise durch ein vor dem Mischrohr angeordnetes Venturi-Rohr mit kritischer Strömung aufweisen.
Das Verfahren kann ferner das Leiten des Produktstroms sowie des unreagierten kombinierten Reaktandenreststroms durch ein Partikelfilter aufweisen, das nach der Umkehrkammer im Reformer angeordnet ist. Wenn etwas unreagierter kombinierter Reaktandenstrom verbleibt, kann er beim Durchlaufen des Partikelfilters weiter umgewandelt werden. Bei einer kompakten Konstruktion kann der Filter ein ringförmiger Partikelfilter sein, der im Wesentlichen konzentrisch um das Mischrohr angeordnet ist, sofern vorhanden.
Das Verfahren kann ferner die Wärmeübertragung aus dem Produktstrom über den im Reformer angeordneten Wärmetauscher auf den Oxidationsmittelstrom aufweisen. Der Wärmetauscher kann z. B. ein Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren sein, wobei der Oxidationsmittelstrom durch ein Innenrohr des Wärmetauschers vor dem Mischrohr und der Produktstrom durch eine äußere Ringkammer des Wärmetauschers geleitet wird, bevor er aus dem Reformer austritt. Vorzugsweise werden der Oxidationsmittelstrom und der Produktstrom im Gleichstrom durch den Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren geleitet.
Bei Ausführungsformen eines Startverfahrens werden dem Reformer ein Kraftstoffstrom und ein Oxidationsmittelstrom zugeführt und zur Bildung eines kombinierten Reaktandenstroms gemischt. Im Reformer wird ein Oxidationsprozess initiiert, der Wärme erzeugt. Der Kraftstoff- und der Oxidationsmittelstrom werden in einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verhältnis zugeführt, wenn ein überwachter Parameter des Reformers unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und das Verhältnis von Kraftstoff zu Oxidationsmittel wird erhöht, sobald der überwachte Parameter den vorgegebenen Schwellenwert erreicht. Der Parameter kann z. B. eine Betriebstemperatur oder eine abgelaufene Betriebszeit des Reformers sein. Bei bevorzugten Ausführungsformen wird das Kraftstoff/Oxidationsmittelverhältnis durch eine Steuerung des Kraftstoffmassenflusses gesteuert. Der Oxidationsmittel- und Kraftstoffstrom können durch ein Venturi-Rohr mit kritischer Strömung geleitet werden.
Bei den oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist der Reformer vorzugsweise ein nicht katalytischer Synthesegas-Generator. Bei Motorsystemanwendungen kann der Oxidationsmitteleinlasskanal fluidleitend dazu angeschlossen sein, Abgas aus einem Verbrennungsmotor zu empfangen, so dass der Oxidationsmittelstrom Motorabgas sowie Zusatzluft (oder ein anderes Oxidationsmittel) umfasst oder im Wesentlichen aus Abgas besteht.
Bei den oben beschriebenen Auslegungs- und Betriebsverfahren des Reformers erzeugt eine entgegengerichtete Reaktandenstromkonfiguration eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit in einer Umkehrkammer, die den Ort einer Flamme des Reformers stabilisiert und weitere, nachstehend ausführlicher beschriebene Vorteile bietet.
Kurzbeschreibung der Zeichnung(en)
1 ist ein Prozessflussdiagramm, das einen typischen Kraftstoffkonversionsprozess in einem Synthesegas-Generator zeigt.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Verbrennungsmotorsystems mit einem Reformer und einem Abgasnachbehandlungssystem.
3a ist eine Draufsicht eines Synthesegas-Generators.
3b ist eine Seitenansicht im Schnitt des in 3a dargestellten Synthesegas-Generators.
4 ist eine perspektivische Schnittansicht einer durch die Isolierung im Synthesegas-Generator gebildeten Umkehrwand.
5 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Startprozesses für einen Synthesegas-Generator, das Schritte zur Bestimmung der Massenflusseinstellung des Kraftstoffs zeigt.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
1 zeigt einen typischen Kraftstoffkonversionsprozess in einem Synthesegas-Generator (SGG) und ist oben beschrieben worden.
2 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Motorsystems mit einem Reformer und einem Abgasnachbehandlungssystem. Bei dieser dargestellten Ausführungsform ist der Reformer ein Synthesegas-Generator (SGG). In 2 liefert ein Kraftstofftank 21 flüssigen Kraftstoff durch die Kraftstoffzufuhrleitung 22 an einen Verbrennungsmotor 23. Wahlweise können ein Kraftstofffilter, eine Kraftstoffpumpe, ein Kraftstoff-Druckregelgerät und ein Kraftstoff-Durchflusssteuergerät (alle in 2 nicht dargestellt) im Kraftstofftank 21 oder in der Kraftstoffzufuhrleitung 22 eingebaut sein. Eine optionale Kraftstoffrückführleitung (in 2 nicht dargestellt) kann den Kraftstoff zum Kraftstofftank 21 zurückführen. Beim Verbrennungsmotor 23 kann es sich um einen Diesel-, Benzin-, Flüssiggas (LPG), Kerosin-, Erdgas-, Propan-, Methanol-, Ethanol-, Dieselöl- oder einen anderen kohlenwasserstoff-, alkohol- oder anders geeignet betriebenen Motor z. B. des Selbstzündungs- oder Fremdzündungstyps handeln. Der Verbrennungsmotor 23 kann von verschiedener Bauart sein, einschließlich eines Kolbenmotors, Wankelmotors und einer Gasturbine. Der Motor kann Bestandteil eines Fahrzeug- oder eines Nichtfahrzeugsystems sein. Der Verbrennungsmotor weist typischerweise ein herkömmliches Luftversorgungs-Untersystem (in 2 nicht dargestellt) auf, um den Motor mit Luft zu versorgen.
Die Motorabgasleitung 24 führt mindestens einen Teil des Motorabgasstroms zu einem Abgasnachbehandlungs-Untersystem 25. Die Motorabgasleitung 24 kann andere Emissionsverringerungseinrichtungen wie Abgasrückführungssysteme (EGR) (in 2 nicht dargestellt) enthalten. Die Motorabgasleitung 24 kann einen Turbokompressor und/oder einen Zwischenkühler (in 2 nicht dargestellt) enthalten. Das Abgasnachbehandlungs-Untersystem 25 kann verschiedene Abgasnachbehandlungseinrichtungen wie Mager Nox Fallen (LNTs), Dieselpartikelfilter (DPFs), Diesel- Oxidationskatalysatoren (DOCs) und einen Schalldämpfer mit zugehörigen Ventilen, Sensoren und Steuerungen enthalten. Der behandelte Motorabgasstrom fließt durch ein Abgasrohr 26 und tritt in die Umgebungsatmosphäre aus.
Ein Teil des Motorabgasstroms aus der Leitung 24 wird über eine SGG-Oxidationsmitteleinlassleitung 27 zu einem SGG 200 geleitet. Wahlweise kann auch Luft von einem Luftversorgungs-Untersystem und/oder Wasser oder Dampf von einem Dampfversorgungs-Untersystem (in 2 nicht dargestellt) über die Oxidationsmitteleinlassleitung 27 und/oder über einen oder mehrere Einlässe an einigen Punkten oder kontinuierlich während des Betriebs des SGG 200 in den SGG 200 eingeleitet werden. Kraftstoff aus dem Kraftstofftank 21 wird aus der Kraftstoffzufuhrleitung 22 über eine SGG-Kraftstoffeinlassleitung 28 zum SGG 200 geliefert. Wahlweise können ein Kraftstofffilter, eine Kraftstoffpumpe, ein Kraftstoff-Druckregeigerät und/oder ein Kraftstoff-Wärmetauscher (alle in 2 nicht dargestellt) in der SGG-Kraftstoffeinlassleitung 28 eingebaut sein. Außerdem kann wahlweise ein Kraftstoffvorwärmer im System integriert sein. Eine Kraftstoffdosierbaugruppe 29 in der Leitung 28 steuert den Massenfluss und den Druck des zum SGG 200 gelieferten Kraftstoffs. Der Oxidationsmitteistrom wird mittels eines Venturirohrs mit kritischem Durchsatz (critical flow venturi – CFV) im SGG 200 intern dosiert.
Der SGG 200 konvertiert den Kraftstoff und den Oxidationsmittelstrom, der das Motorabgas enthält, in einen Synthesegas-Strom. Mindestens ein Teil des erzeugten Synthesegas-Stroms wird über eine Synthesegas-Auslassleitung 201 an das Abgasnachbehandlungs-Untersystem 25 geliefert. Die Synthesegas-Auslassleitung 201 kann wahlweise Ventile, Sensoren, Steuerungen oder ähnliche Einrichtungen enthalten. Der Synthesegas-Strom dient zum Regenieren, Entschwefeln und/oder Erwärmen einer oder mehrerer Einrichtungen im Abgasnachbehandlungs-Untersystem 25 und kann anderen Wasserstoff verbrauchenden Einrichtungen im Gesamtsystem zugeführt werden, wie etwa Brennstoffzellen (nicht dargestellt) und/oder dem Motor selbst.
3a ist eine Draufsicht, während 3b eine Schnittansicht (längs der Schnittlinie A-A in 3a) einer Ausführungsform eines SGG 300 ist. In den 3a und 3b tritt der Oxidationsmittelstrom in den SGG 300 über die Oxidationsmitteleinlassleitung 301, wobei er durch einen optionalen Wärmetauscher 302 vom Rohr-in-Rohr oder konzentrischen Rohrbündeityp fließt, und in eine Oxidationsmittelkammer 303 ein. Der Wärmetauscher 302 kann ein anderer Wärmetauschertyp sein, z. B. ein Rohrschlangen- oder Plattentyp. Ein Kraftstoffstrom wird nahe dem Einlass oder der Quer schnittsverengung eines CFV 305 über eine Kraftstoffeinlassleitung 313 und ein Kraftstoffeinführungsrohr 304 in den Oxidationsmittelstrom eingeleitet. Der Kraftstoff- und Oxidationsmittelstrom fließen weiter stromabwärts durch das CFV 305 in ein Mischrohr 306 und bilden einen kombinierten Reaktandenstrom. In den 3a und 3b sind die Oxidationsmitteleinlassleitung 301 und die Oxidationsmittelauslassleitung 311 als von der Oberseite des SGG 300 senkrecht nach oben verlaufend dargestellt, während die Kraftstoffeinlassleitung 313 nach unten verläuft. Die Oxidationsmitteleinlassleitung 301, die Auslassleitung 311 und die Kraftstoffeinlassleitung 313 können anders ausgerichtet sein als in den 3a und 3b dargestellt.
Wenn der kombinierte Kraftstoff- und Oxidationsmittelstrom durch das CFV 305 fließt, erreicht der kombinierte Reaktandenstrom die Schallgeschwindigkeit vorzugsweise während zumindest eines Teil des Auslegungsbetriebsbereichs des SGG 300 und noch bevorzugter während des größten Teils des Auslegungsbetriebsbereichs des SGG 300. Während zumindest eines Teils des Betriebsbereichs bewirken die Parameter (Luft/Kraftstoffverhältnis, Temperatur, Druck) des kombinierten Reaktandenstroms, dass sich der Strom innerhalb seines Entflammbarkeits- und Selbstzündungsbereichs befindet. Die Geschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms im CFV 305 und im Mischrohr 306 wird vorzugsweise über der Flammengeschwindigkeit des Stroms gehalten. Dies vermindert die Möglichkeit eines sich stromaufwärts zum CFV ausbreitenden Flammenrückschlags. Die Verweilzeit des kombinierten Reaktandenstroms im CFV 305 und im Mischrohr 306 wird zumindest während eines Teils des Betriebsbereichs vorzugsweise kürzer gehalten als die Verzögerungszeit der Selbstentzündung des Stroms, was die Möglichkeit der Selbstentzündung im CFV und im Mischrohr vermindert. Das CFV 305 und das Mischrohr 306 sind vorzugsweise im Wesentlichen konzentrisch um die Längsachse des SGG 300 angeordnet. Eine Reaktionskammer 307 ist in 3b durch eine strichpunktierte Linie angegeben. Der kombinierte Reaktandenstrom tritt mit hoher Geschwindigkeit, die z. B. höher als die lokale Flammengeschwindigkeit ist, aus dem Mischrohr 306 aus und fließt in eine Reaktionskammer 307, die durch eine Isolierung 308 gebildet und wärmeisoliert ist. Die Isolierung 308 wird vorzugsweise durch einen Vakuumformprozess gebildet. Die Wärmeisolierung weist vorzugsweise eine oder mehrere Schichten aus Keramik-Isoliermaterial mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeitseigenschaften und mechanischen Eigenschaften auf. Eine mehrschichtige Isolierungskonfiguration sorgt für einen Auslegungswärmeverlust des SGG über seinen Betriebsbereich. Eine zweite Isolierschicht ist in 3b als Isolierung 314 dargestellt.
Bei der dargestellten Ausführungsform fließt der kombinierte Reaktandenstrom im Wesentlichen parallel zur und nahe der Längsachse der Reaktionskammer 307 und trifft auf eine Umkehrwand 315, wodurch sich der Strom in divergierender radialer Richtung verteilt oder aufweitet. Der kombinierte Reaktandenstrom wird an der Umkehrwand 315 ”reflektiert”, damit er umgelenkt und im Wesentlichen der entgegengesetzten Richtung (bezogen auf die Austrittsrichtung aus dem Mischrohr 306) näher an den Umfangswänden der Reaktionskammer 307 und in einen ringförmigen Partikelfilter 309 fließt, der in der Reaktionskammer 307 das Mischrohr 305 umgebend angeordnet ist. Der Abschnitt der Reaktionskammer 307, in dem ein zentraler Strahl des kombinierten Reaktandenstroms in einer Richtung strömt, der vom im Wesentlichen in der Gegenrichtung fließenden Reaktandenstrom umgeben ist (und mit diesem in Kontakt steht), wird hierin als Umkehrkammer 323 bezeichnet. Die Umkehrkammer 323 ist in 3b mit einer strichpunktierten Linie angegeben. Die Querschnittsfläche des aus dem Mischrohr 306 austretenden kombinierten Reaktandenstroms ist klein im Vergleich zur Querschnittsfläche der Umkehrkammer 323, wodurch die Aufweitung des kombinierten Reaktandenstroms beim Strömen in die Umkehrkammer 323 ermöglicht wird. Die Umkehrwand 315 ist aus der Isolierung 308 gebildet und bei der dargestellten Ausführungsform so ausgebildet, dass der auftreffende kombinierte Reaktandenstrom von einem mit dem auftreffenden Strahl fluchtenden zentralen Punkt aus axial nach außen aufgeweitet und reflektiert wird, so dass er im Wesentlichen in der Gegenrichtung fließt. Die Umkehrwand 315 ist vorzugsweise so geformt, dass die Strömung des kombinierten Reaktandenstroms innerhalb der Umkehrkammer 323 geeignet oder vorteilhaft verteilt wird. Sie kann z. B. als Halbringtorus, Halbtrichtertorus, Halbkegeltorus, Halbkugel oder Pfanne geformt sein. 4 ist eine Schnittansicht (entlang der Schnittlinie B-B in 3a) der Umkehrwand 315, die aus der Isolierung 308 in Form eines Halbtrichters ausgebildet ist. Die Umkehrwand 315 braucht nicht aus der Isolierung 308 zu bestehen, sondern kann eine eigenständige Komponente sein und/oder aus einem anderen Material bestehen. In der Umkehrkammer 323 befindet sich keine Sperre, Hülse, kein Ablenkblech, Katalysatorbett, keine monolithische oder sonstige Struktur, die den kombinierten Reaktandenstrom trennt, wenn er in der einen Richtung (aus dem Mischrohr 306 austretend) und in der Gegenrichtung (nach der Umlenkung durch die Umkehrwand 315) in ein ringförmiges Partikelfilter 309 fließt. Der äußere oder umgebende Strom, der zum Partikelfilter 309 fließt, strömt allgemein langsamer als der aus dem Mischrohr 306 austretende zentrale Strahl. Wo die beiden Ströme sich berühren, ist die örtliche Geschwindigkeit typischerweise niedrig oder nahe Null, und zwischen den Strömen findet eine gewisse Vermischung statt. Die Konfiguration (Abmessungen, Form und Lage) des Mischrohrs 306, der Umkehrkammer 323 und der Umkehrwand 315 zusammen mit einer offenen oder barrierefreien Umkehrkammer 323 mit Zweirichtungsströmung trägt zur Bildung von Rückströmungszonen und/oder Wirbeln (als Pfeile 317 dargestellt) bei. Es wird angenommen, dass die Zone oder der Bereich mit niedriger Geschwindigkeit, in der bzw. dem die beiden entgegengerichteten Ströme miteinander in Kontakt kommen und die Wirbel 317 auftreten, die Stabilisierung der Verbrennungsflamme unterstützt. Die lokale Geschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms an den oder nahe den Wirbeln 317 wird allgemein niedriger als die Flammengeschwindigkeit des Stroms sein. Ferner werden frische, unverbrannte Reaktanden mit heißen verbrannten Reaktanden durch die örtliche Fluiddynamik aufgefüllt und gemischt, wodurch ein kontinuierlicher Verbrennungsprozess stattfinden kann, der sich allgemein nach der Zündung selbst erhält. Ein Reformer mit einer ”Umkehr” kammer wie beschrieben bietet einen oder mehrere mögliche Vorteile, u. a.:

(a) Verbessern der Stabilität der Verbrennungsflamme durch die Bildung einer Zone mit niedriger Geschwindigkeit, in der ein Vermischen der entgegengerichteten Ströme stattfindet, wie im obigen Absatz beschrieben wurde.
(b) Das Strömungsmuster des kombinierten Reaktandenstroms kann so ausgelegt werden, dass sich die Zone mit niedriger Geschwindigkeit über den Auslegungsbetriebsbereich des SGG 300 an einer gewünschten Stelle in der Reaktionskammer befindet.
(c) In der Zone mit niedriger Geschwindigkeit zwischen den beiden entgegengerichteten Strömen ist die Geschwindigkeit hinreichend gering, dass die Flamme ohne weg- oder ausgeblasen (gelöscht) zu werden selbst dann noch brennen kann, wenn der Massenfluss des eintretenden kombinierten Reaktandenstroms erhöht wird. Somit kann ein Umkehrkonzept die Raumgeschwindigkeiten der Reaktanden erhöhen, ohne die Lage und Stabilität der Verbrennungsflamme nachteilig zu beeinflussen. Dies lässt sich ohne den Einsatz zusätzlicher Komponenten (z. B. Körper mit hohem Strömungswiderstand) zur Stabilisierung des Flammenortes erreichen, wodurch auch die Kosten gesenkt werden. Mit einem SGG mit Umkehrkammer wurde eine zwei- bis vierfache Erhöhung der Raumgeschwindigkeit (in Abhängigkeit vom Oxidationsmittelstrom) im Vergleich zu einem SGG mit herkömmlicher linearer Durchströmungsauslegung nachgewiesen, wobei die Flamme stabil bleibt und die Synthesegas-Qualität aufrechterhalten wird.
(d) Ein Umkehrkonzept nutzt das Reaktorvolumen effizienter, wodurch der Reformer kompakter sein kann. Bei einer herkömmlichen Brennkammer mit linearer Durchströmung z. B. wird das den eintretenden Reaktandenstrahl umgebende Volumen nicht effektiv genutzt, während beim Umkehrkonzept der Raum um den zentralen Strahl vom in der Gegenrichtung zurückfließenden Strom eingenommen wird. Das Auftreffen des kombinierten Reaktandenstroms auf die Umkehrwand (was die örtlichen Geschwindigkeiten senkt) und die Bildung der Zone mit niedriger Geschwindigkeit tragen zur Stabilisierung der Flamme bei, wodurch höhere Raumgeschwindigkeiten durch den Reformer ermöglicht werden.
(e) Aufgrund der Vermischung der entgegengerichteten Ströme wird der eintretende kombinierte Reaktandenstrom durch den teilweise verbrannten Strom rasch erhitzt, was eine Entzündung und Verbrennung selbst dann ermöglicht, wenn der Sauerstoffgehalt des Eingangsstroms gering ist (z. B. wenn der SGG mit Motorabgas betrieben wird).

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der durchschnittliche Durchmesser der Umkehrkammer 323 vorzugsweise um ca. das Drei- bis Siebenfache oder bevorzugter um ca. das Fünffache größer als der Durchmesser des Auslasses des Mischrohrs 306. Der Abstand vom Auslass des Mischrohrs 306 zur Umkehrwand 315 beträgt vorzugsweise ca. das Vier- bis Elffache des Durchmessers des Auslasses des Mischrohrs 306 oder bevorzugter ca. das Sieben- bis Achtfache des Durchmessers des Auslasses des Mischrohrs 306. Da die Umkehrwand 315 im Allgemeinen nicht eben ist, ist der angegebene Abstand der parallel zur Längsachse des Mischrohrs vom Mischrohrauslass zur gemittelten Ebene der Umkehrwand, die in 3b als Ebene 324 dargestellt ist, gemessene Abstand. Es wurde festgestellt, dass dieser bevorzugte Abstandsbereich die Aufweitung des Stroms, die Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit und die Bildung der Wirbel 317 in der Reaktionskammer 307 vor dem Partikelfilter 309 ermöglicht. Das Mischrohr 306, die Reaktionskammer 307 und die Umkehrkammer 323 haben vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, eine zylindrische und/oder konische Form.
Eine Glühkerze 316 (in 3b dargestellt) ist am Mantel 312 angebracht und in der Umkehrkammer 323 angeordnet, um die Verbrennung oder Zündung des kombinierten Reaktandenstroms während des Starts und wahlweise an anderen Betriebspunkten des SGG 300 einzuleiten. Bei bevorzugten Ausführungsformen befindet sich die Glühkerze 316 innerhalb oder nahe der Zone, in der die örtliche Geschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms niedrig ist (z. B. unter der Flammengeschwindigkeit des Stroms), und innerhalb des Sprühmusters der Kraftstofftröpfchen während des Starts des SGG 300. Sie kann z. B. nahe der Ebene positioniert sein, in der das zylindrische Profil der Umkehrkammer 323 auf das torusförmige Profil der Umkehrwand 315 trifft. Bei manchen Ausführungsformen ist dies 10 ± 4 mm von der Oberfläche der Umkehrkammer 323 oder der Isolierung 308 entfernt und im unteren oder untersten Abschnitt der Kammer. Diese Positionierung kann mehrere Vorteile bieten, einschließlich: (a) Erhöhen der Zuverlässigkeit und Schnelligkeit der Flammenzündung beim Start, weil der Kraftstoff in direkten Kontakt mit der Glühkerze 316 kommen kann, vor allem, wenn sich diese im unteren Abschnitt der Kammer befindet, da die zerstäubten Kraftstofftröpfchen durch den Einfluss der Schwerkraft dazu tendieren, zur Glühkerze zu fallen; und (b) bessere Raumausnutzung der Umkehrkammer 323 und/oder der Reaktionskammer 307, da die Verbrennungsflamme nahe dem umkehrwandseitigen Ende der Kammer gezündet und verankert werden kann. Alternativ können eine oder mehrere Glühkerzen verwendet werden, die Glühkerzen können zur Erfassung der Temperatur der Umkehrkammer 323 und/oder der Reaktionskammer 307 dienen, oder andere Zündeinrichtungen, z. B. ein Draht oder Gitter können eingesetzt werden.
Der Oxidations- und dann der Reformierprozess laufen fortschreitend ab, während der Recktand die Umkehrkammer 323 durchströmt. Der Strom fließt weiter durch den ringförmigen Partikelfilter 309, in dem Kohlenstoffpartikel zurückgehalten und gespeichert werden, bis ein Kohlevergasungsprozess eingeleitet wird, oder die wahlweise sofort durch einen kontinuierlichen Kohlevergasungsprozess oxidiert werden. Der Synthesegas-Produktstrom fließt weiter zum Ende der Reaktionskammer 307 gegenüber der Umkehrwand 315, bevor er seine Richtung wieder umkehrt und den optionalen Wärmetauscher 302 durchströmt und aus dem SGG 300 über die Auslassleitung 311 austritt.
Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 302 ein Rohr-in-Rohr-Typ oder ein Typ mit konzentrischen Rohren, der die Wärme vom Synthesegas-Produktstrom auf den eintretenden Oxidationsmittelstrom überträgt. Der Wärmetauscher 302 weist drei konzentrisch angeordnete Rohre auf: ein Außenrohr 318, ein Zwischenrohr 319 und ein Innenrohr 320. Das Außenrohr 318 und das Zwischenrohr 319 bilden eine ringförmige Außenkammer 321, durch die der Synthesegas-Produktstrom aus der Reaktionskammer 307 fließt, bevor er aus dem SGG 300 über die Auslassleitung 311 austritt. Das Zwischenrohr 319 und das Innenrohr 320 bilden eine Innenkammer 322, durch die der Oxidationsmittelstrom aus der Oxidationsmitteleinlassleitung 301 zur Oxidationsmittelkammer 303 fließt. Das Zwischenrohr 319 trennt den Oxidationsmittelstrom fluidisch vom Synthesegas-Produktstrom und überträgt Wärmeenergie vom Synthesegas-Produktstrom auf den Oxidationsmittelstrom. Der Wärmetauscher 302 kann extremen Temperaturen, z. B. bis zu ca. 1200°C, thermischer Wechselbelastung und thermischer Belastung unterliegen. Die einzelnen Rohre sind vorzugsweise mit einer begrenzten Anzahl Verbindungsstellen und/oder geschweißten Verbindungen gefertigt und werden bevorzugter aus einem einzigen Materialstück hergestellt, um ihre Dauerfestigkeit zu erhöhen. Der Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren bietet mehrere Vorteile, einschließlich eines kompakten Volumens, der Fähigkeit, das Ausmaß der Wärmeübertragung zwischen Fluiden maßzuschneidern, und der Möglichkeit einer Skalierung, ohne dass das Volumen und/oder den Druckabfall des Wärmetauschers zu beeinträchtigten. Der Wärmetauscher 302 ist vorzugsweise konzentrisch um die Längsachse der Brennkammer 307 und des SGG 300 angeordnet, wobei die Rohre so konfiguriert sind, dass der Synthesegas-Produktstrom und der Oxidationsmittelstrom den Wärmetauscher 302 im Gleichstrom durchfließen (obwohl die Rohre auch für andere relative Strömungsrichtungen konfiguriert sein können). Eine Gleichstromgasdurchströmung begrenzt die vom eintretenden Oxidationsmittelstrom erreichbare maximale Temperatur auf die Austrittstemperatur des Synthesegas-Produktstroms. Eine Gleichstromauslegung bietet mehrere Vorteile, einschließlich einer gewissen Selbstregelung der Oxidationsmittelstromtemperatur (durch Ändern der Gasdichte und damit des Massenflusses des Oxidationsmittels durch das CFV, wodurch wiederum die resultierende Temperatur des Synthesegas-Produktstroms und die dem Wärmetauscher zugeführte Wärmemenge beeinflusst werden) und der Kühlung des Wärmetauschers 302, wodurch er weniger extremen Temperaturen ausgesetzt ist. Bei manchen Anwendungen, z. B. wenn Luft oder ein Oxidationsmittel mit hohem Sauerstoffgehalt verwendet wird, kann der Wärmetauscher 302 (und wahlweise ein Abschnitt des Mantels 312, der Isolierung 308, der Isolierung 314 und der zur Aufnahme des Wärmetauschers 302 dienenden Reaktionskammer 307) im SGG 300 entfallen, was Volumen und Kosten eines SGG weiter verringert.
Bei Ausführungsformen eines Startprozesses für einen SGG und/oder ein mit Synthesegas betriebenes System kann der SGG selektiv so arbeiten, dass sich eine begrenzte oder vernachlässigbare Wasserstoffmenge im Produktstrom ergibt, indem das Äquivalenzverhältnis (oder Luft/Kraftstoffverhältnis) der eintretenden Oxidationsmittel- und Kraftstoffreaktandenströme eingeregelt wird. In 5 ist der Prozess 500 ein Beispiel eines Startprozesses für einen Synthesegas-Generator mit den Schritten zur Bestimmung der Einstellung des Kraftstoff-Massenflusses. Der Prozess 500 beginnt mit Schritt 501, in dem die gewünschte Menge des sich ergebenden Wasserstoffs während des Startprozesses eines SGG bestimmt wird. Wenn im Schritt 501 eine vernachlässigbare Menge des sich ergebenden Wasserstoffs im Produktstrom akzeptabel ist und eine kürzere Warmlaufzeit (Zeitspanne bis zum Erreichen einer gewünschten SGG-Betriebstemperatur) während des Startprozesses erwünscht ist, würde der Prozess 500 zum Schritt 502 übergehen. In Schritt 502 kann das Äquivalenzverhältnis so gewählt werden, dass es stöchiometrisch oder nahezu stöchiometrisch ist, so dass beide Reaktanden bei den Verbrennungsprozessen im Wesentlichen vollständig verbraucht werden und der SGG beim Start im Wesentlichen als Brenner betrieben wird. Wenn während Schritt 501 mehr als eine vernachlässigbare Menge Wasserstoffs im Produktstrom gewünscht wird und eine längere Warmlaufzeit während des Startprozesses akzeptabel ist, würde der Prozess 500 zu Schritt 503 übergehen. In Schritt 503 wird das Äquivalenzverhältnis auf kraftstoffreich eingestellt, was etwas H₂ erzeugt, wodurch der SGG aber länger zum Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur braucht. Das Äquivalenzverhältnis kann durch Einregeln des Massenflusses des Kraftstoffs in Schritt 504 für eine gewünschte Startbedingung gesteuert werden, da das Venturi-Rohr mit kritischer Strömung den Massenfluss des Oxidationsmittels passiv dosieren und einen flüssigen Kraftstoff beim Start wirksam zerstäuben kann. Die Verwendung des SGG zur Selbsterwärmung (und wahlweise zur Erwärmung anderer Systemkomponenten) in der beschriebenen Weise (rasch bei im Wesentlichen keiner Wasserstofferzeugung und langsamer bei Erzeugung von etwas Wasserstoff) kann die Notwendigkeit für einen eigenen Sekundär-Oxidationsmittel- und/oder Kraftstoffkreislauf oder eine Brennkammer im System verringern oder beseitigen. In den Schritten 502 und 503 braucht das Äquivalenzverhältnis nicht auf einen konstanten Wert eingestellt zu werden, sondern kann beispielsweise eine oder mehrere Äquivalenzverhältniseinstellungen umfassen und mit variabler Rate geändert werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der oben beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren ist der Reformer ein Synthesegas-Generator (SGG), bei dem es sich um einen nicht katalytischen Reformer mit partieller Oxidation handelt, der während des Normalbetriebs zum Erzeugen eines Synthesegas-Stroms betrieben wird. Die hierin beschriebenen Vorrichtungen und Betriebsverfahren eines Reformers können jedoch in verschiedenen Typen von Reformern implementiert werden, einschließlich SGGs, Reformern oder Reaktoren, die zum Erzeugen wasserstoffhaltiger Gasströme eingesetzt werden. Diese können von verschiedener Art sein, z. B. vom katalytischen Typ mit partieller Oxidation, vom nicht katalytischen Typ mit partieller Oxidation und/oder autothermische Reformer. Geeignete Reformier- und/oder Wasser/Gas-Shift-Katalysatoren können im Reformer eingesetzt werden.
Der dem Reformer zugeführte Kraftstoff kann ein flüssiger Kraftstoff sein (was hierin bedeutet, dass der Kraftstoff unter den IUPAC-definierten Bedingungen der Standardtemperatur und des Standarddrucks flüssig ist) oder ein gasförmiger Kraftstoff. Zu den geeigneten Flüssigkraftstoffen zählen z. B. Diesel, Benzin, Kerosin, verflüssigtes Erdgas (LNG), Dieselöl, Methanol, Ethanol oder andere alkoholische Kraftstoffe, verflüssigtes Erölgas (LPG) oder andere Flüssigkraftstoffe, aus denen Wasserstoff gewonnen werden kann. Alternative gasförmige Kraftstoffe sind u. a. Erdgas und Propan.
Der Reformer kann in verschiedenen mobilen und stationären Endbenutzeranwendungen eingesetzt werden, in denen eine Wasserstoff verbrauchende Einrichtung verwendet wird. Der Produktstrom kann an eine oder mehrere Wasserstoff verbrauchende Einrichtungen geleitet werden, z. B. an eine Abgasnachbehandlungseinrichtung, eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor.
Obwohl bestimmte Elemente, Ausführungsformen und Anwendungen der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, versteht es sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist und der Fachmann Modifikationen vornehmen kann, ohne vom Gültigkeitsbereich der vorliegenden Offenbarung, insbesondere angesichts der obigen Lehre, abzuweichen.
Zusammenfassung
Kompakter Reformer
Ein Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom weist ein Mischrohr auf, aus dem der kombinierte Kraftstoff- und Oxidationsmittelstrom im Wesentlichen axial in eine Reaktionskammer geleitet wird. Die Reaktionskammer weist eine Umkehrkammer und eine Umkehrwand an einem Ende auf, um den kombinierten Reaktandenstrom umzulenken, so dass in der Umkehrkammer der umgelenkte Strom den im Wesentlichen axial in der entgegengesetzten Richtung fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist. Diese Auslegung und die Gegenströmungskonfiguration erzeugen eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit, die den Flammenort im Reformer stabilisiert und weitere Vorteile bietet.

Claims

Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom, wobei der Reformer einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel aufweist, der eine Reaktionskammer beherbergt, und wobei der Reformer ferner aufweist: (a) ein Mischrohr, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist, um einen kombinierten Reaktandenstrom zu bilden und den kombinierten Reaktandenstrom im Wesentlichen axial in die Reaktionskammer zu richten; und wobei die Reaktionskammer ferner aufweist: (i) eine Umkehrkammer; und (ii) eine Umkehrwand an einem Ende der Umkehrkammer zum Umlenken des kombinierten Reaktandenstroms, so dass in der Umkehrkammer der umgelenkte Strom den im Wesentlichen axial in der entgegengesetzten Richtung fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrkammer und die Umkehrwand während des Betriebs des Reformers zwischen den entgegengerichteten Reaktandenströmen eine Zone niedriger Geschwindigkeit bilden, um den Ort einer Flamme im Reformer zu stabilisieren.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrkammer frei ist von Strukturen, die die Strömung trennen oder behindern.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrkammer keinen Katalysator zum Fördern einer Konversion der Kraftstoff- und Oxidationsmittelströme enthält.
Reformer nach Anspruch 4, bei dem der Reformer ein nicht katalytischer Synthesegas-Generator ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem der Oxidationsmitteleinlasskanal fluidleitend zum Empfangen von Abgas von einem Verbrennungsmotor angeschlossen ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem der Durchmesser der Umkehrkammer etwa drei bis sieben Mal größer ist als der Auslassdurchmesser des Mischrohrs.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem der Durchmesser der Umkehrkammer etwa fünf Mal größer ist als der Auslassdurchmesser des Mischrohrs.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem der Abstand von der gemittelten Ebene der Umkehrwand zum Auslass des Mischrohrs ca. das Vier- bis Elffache des Durchmessers des Mischrohrauslasses beträgt.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem der Abstand von der gemittelten Ebene der Umkehrwand zum Auslass des Mischrohrs ca. das Sieben- bis Achtfache des Durchmessers des Mischrohrauslasses beträgt.
Reformer nach Anspruch 1, der ferner ein Venturi-Rohr mit kritischer Strömung aufweist, das vor dem Mischrohr angeordnet ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Reaktionskammer ferner einen das Mischrohr umgebenden Ringabschnitt aufweist, der nach der Umkehrkammer angeordnet ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Reaktionskammer einen das Mischrohr umgebenden ringförmigen Partikelfilter aufweist, der nach der Umkehrkammer angeordnet ist.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrwand so geformt ist, dass sie den kombinierten Reaktandenstrom von der Mittelachse nach außen und dann zurück durch die Umkehrkammer in im Wesentlichen entgegengesetzter Richtung umlenkt.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrwand mit einer mittleren Spitze ausgebildet ist, die zum Mischrohr ragt und mit der Achse des Mischrohrs fluchtet.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Umkehrwand eine Halbtrichtertorus-, Halbringtorus-, Halbkegeltorus-, Halbkugel- oder Pfannenstruktur aufweist.
Reformer nach Anspruch 1, der ferner mehr als eine Wärmeisolierungsschicht aufweist, wobei jede Schicht eine andere Wärmeisolierungseigenschaft hat.
Reformer nach Anspruch 1, bei dem die Reaktionskammer aus einer Wärmeisolierungsschicht gebildet ist.
Reformer nach Anspruch 18, bei dem die Wärmeisolierungsschicht mittels Unterdruck geformt ist.
Reformer nach Anspruch 1, der ferner einen Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren aufweist, der eine Innenkammer aufweist, die fluidleitend dazu angeschlossen ist, um den Oxidationsmittelstrom vom Oxidationsmitteleinlasskanal zu empfangen und ihn zum Mischrohr zu richten, sowie eine umgebende äußere Ringkammer, die fluidleitend dazu angeschlossen ist, um den Produktstrom aus der Reaktionskammer zu empfangen und ihn zum Produktauslasskanal zu richten.
Reformer nach Anspruch 20, bei dem der Wärmetauscher fluidleitend so angeschlossen ist, dass der Oxidationsmittelstrom und der Produktstrom durch den Wärmetauscher mit konzentrischen Rohren im Gleichstrom geleitet werden.
Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom, wobei der Reformer einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel aufweist, der eine Reaktionskammer beherbergt, und wobei der Reformer ferner aufweist: (a) ein Mischrohr, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist, um einen kombinierten Reaktandenstrom zu bilden und den kombinierten Reaktandenstrom im Wesentlichen axial in die Reaktionskammer zu richten; (b) eine Umkehrwand an einem Ende der Reaktionskammer, die den kombinierten, aus dem Mischrohr austretenden Reaktandenstrom in einer im Wesentlichen entgegengesetzten Richtung umlenkt; und (c) einen ringförmigen Partikelfilter, der im Wesentlichen konzentrisch um das Mischrohr angeordnet ist.
Reformer nach Anspruch 22, der ferner einen Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren aufweist, der innerhalb des Mantelgehäuses angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Reformers, wobei das Verfahren aufweist: (a) Einleiten eines Oxidationsmittelstroms und eines Kraftstoffstroms in den Reformer und Mischen des Oxidationsmittel- und Kraftstoffstroms zur Bildung eines kombinierten Reaktandenstroms; (b) Leiten des kombinierten Reaktandenstroms im Wesentlichen axial in eine Umkehrkammer im Reformer, so dass er auf eine Umkehrwand trifft und von der Wand umgelenkt wird, um in im Wesentlichen entgegengesetzter Richtung zu fließen, so dass er den axial in die Umkehrkammer strömenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist; und (c) zumindest teilweises Verbrennen und Konvertieren des kombinierten Reaktandenstroms in der Umkehrkammer zur Bildung eines wasserstoffhaltigen Produktstroms.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen den in der Umkehrkammer fließenden entgegengerichteten Strömen erzeugt wird, die den Ort der Verbrennungsflamme im Reformer stabilisiert.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem Schritt (a) das Leiten des Kraftstoff- und des Oxidationsmittelstroms durch ein Mischrohr umfasst, das stromaufwärts der Umkehrkammer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Durchmesser der Umkehrkammer etwa drei bis sieben Mal größer ist als der Auslassdurchmesser des Mischrohrs.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Durchmesser der Umkehrkammer etwa fünf Mal größer ist als der Auslassdurchmesser des Mischrohrs.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Abstand von der gemittelten Ebene der Umkehrwand zum Auslass des Mischrohrs ca. das Vier- bis Elffache des Durchmessers des Mischrohrauslasses beträgt.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Abstand von der gemittelten Ebene der Umkehrwand zum Auslass des Mischrohrs ca. das Sieben- bis Achtfache des Durchmessers des Mischrohrauslasses beträgt.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem Verbrennung und Konversion nicht katalytisch erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Reformer ein nicht katalytischer Synthesegas-Generator und der wasserstoffhaltige Produktstrom ein Synthesegas-Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Oxidationsmittelstrom Abgas von einem Verbrennungsmotor aufweist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Oxidationsmittelstrom im Wesentlichen aus Abgas von einem Verbrennungsmotor besteht.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Kraftstoffstrom und der Oxidationsmittelstrom durch ein Venturi-Rohr mit kritischer Strömung geleitet werden, das mit dem Reformer stromaufwärts des Mischrohrs angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem zumindest während einer gewissen Zeit während des Reformerbetriebs die Geschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms irgendwo im Reformer die Flammengeschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem zumindest während einer gewissen Zeit während des Reformerbetriebs die Geschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms in manchen Bereichen der Umkehrkammer höher als die Flammengeschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms und in anderen Bereichen der Umkehrkammer niedriger ist als die Flammengeschwindigkeit des kombinierten Reaktandenstroms.
Verfahren nach Anspruch 24, bei dem der Produktstrom und nicht zur Reaktion gekommener kombinierter Reaktandenstrom durch einen Partikelfilter geleitet werden, der stromabwärts der Umkehrkammer im Reformer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Produktstrom und nicht zur Reaktion gekommener kombinierter Reaktandenstrom durch einen ringförmigen Partikelfilter geleitet werden, der im Wesentlichen konzentrisch um das Mischrohr stromabwärts der Umkehrkammer angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 38, bei dem der nicht zur Reaktion gekommene kombinierte Reaktandenstrom weiter zum Produktstrom gewandelt wird, während er das Partikelfilter durchströmt.
Verfahren nach Anspruch 26, das ferner eine Wärmeübertragung vom Produktstrom auf den Oxidationsmittelstrom über einen im Reformer angeordneten Wärmetauscher aufweist.
Verfahren nach Anspruch 41, bei dem der Wärmetauscher ein Typ mit konzentrischen Rohren ist, und der Oxidationsmittelstrom durch ein Innenrohr des Wärmetauschers vor dem Mischrohr und der Produktstrom durch eine äußere Ringkammer des Wärmetauschers geleitet wird, bevor er aus dem Reformer austritt.
Verfahren nach Anspruch 42, bei dem der Oxidationsmittelstrom und der Produktstrom durch den Wärmetauscher des Typs mit konzentrischen Rohren im Gleichstrom geleitet werden.
Verfahren zum Betreiben eines Reformers, wobei das Verfahren aufweist: (a) Liefern eines Kraftstoffstroms und ein Oxidationsmittelstroms an den Reformer; (b) Mischen des Oxidationsmittelstroms mit dem Kraftstoffstrom, um einen kombinierten Reaktandenstrom zu bilden; und (c) Einleiten eines Oxidationsprozesses im Reformer, wodurch eine Konversion des kombinierten Reaktandenstroms durch den Oxidationsprozess Wärme erzeugt; wobei der Kraftstoff- und der Oxidationsmittelstrom in einem im Wesentlichen stöchiometrischen Verhältnis zugeführt werden, wenn ein überwachter Parameter des Reformers unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, und das Verhältnis von Kraftstoff zu Oxidationsmittel erhöht wird, sobald der überwachte Parameter den vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem der überwachte Parameter eine Betriebstemperatur oder eine abgelaufene Betriebszeit des Reformers ist.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem das Kraftstoff/Oxidationsmittelverhältnis durch Steuern des Kraftstoffmassenflusses gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem der Oxidationsmittel- und Kraftstoffstrom durch ein Venturi-Rohr mit kritischer Strömung geleitet werden.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem das Kraftstoff/Oxidationsmittelverhältnis in mindestens einer Einstellung erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 44, bei dem das Kraftstoff/Oxidationsmittelverhältnis mit einer variablen Rate erhöht wird.
Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffhaltigen Produktstroms aus einem Kraftstoff- und einem Oxidationsmittelstrom, wobei der Reformer einen Kraftstoffeinlasskanal, einen Oxidationsmitteleinlasskanal, einen Produktauslasskanal und einen Außenmantel aufweist, der eine Reaktionskammer beherbergt, und wobei der Reformer ferner aufweist: (a) ein Mischrohr, das fluidleitend zur Aufnahme des Oxidationsmittelstroms vom Oxidationsmitteleinlasskanal und des Kraftstoffstroms vom Kraftstoffeinlasskanal angeschlossen ist, um einen kombinierten Reaktandenstrom zu bilden und den kombinierten Reaktandenstrom im Wesentlichen axial in die Reaktionskammer zu richten; und wobei die Reaktionskammer ferner aufweist: (i) eine Umkehrkammer; (ii) eine Umkehrwand an einem Ende der Umkehrkammer zum Umlenken des kombinierten Reaktandenstroms, so dass in der Umkehrkammer der umgelenkte Strom den im Wesentlichen axial in der entgegengesetzten Richtung fließenden kombinierten Reaktandenstrom umgibt und mit diesem in Kontakt ist; und (iii) eine Glühkerze.
Reformer nach Anspruch 50, bei dem die Umkehrkammer und die Umkehrwand während des Reformerbetriebs eine Zone mit niedriger Geschwindigkeit zwischen den entgegengerichteten Reaktandenströmen erzeugen, und bei dem die Spitze der Glühkerze in der Zone mit niedriger Geschwindigkeit liegt.
Reformer nach Anspruch 50, bei dem die Glühkerze in einem unteren Abschnitt der Umkehrkammer angeordnet ist.