專利名稱：緊湊型蒸汽重整裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種緊湊型蒸汽重整裝置和一種進行蒸汽重整的方法。
與自熱重整不同，在對烴進行蒸汽重整生成氫的過程中，用于生成氣體的物料流和用于進行加熱的物料流保持分開。按照這種方式，就避免了在進行蒸汽重整的過程中燃燒空氣中的氮對氫產生稀釋。
從DE 101 19 083 A1中已公知一種緊湊型蒸汽重整裝置，其中工藝用水借助待冷卻的重整產物基本上蒸發掉了。燃燒廢熱通過使空氣預熱而得到回收。通過采用無焰氧化工藝避免形成NOx。該重整裝置允許進行快速輸出調節并且具有高達大約80％的效率。
從WO 02/085781中已公知一種相似的在外部絕緣方面得到最優化的重整裝置。
這些重整裝置滿足旨在預期。然而，需要在簡化工藝調整和熱回收效率等方面作出進一步的改進。此外，必須從重整產物中盡可能多地除去加入的CO。這一步驟必須進行得十分完全，從而使得在下游連接的對CO敏感的燃料電池不會被損壞。
從EP 1 031 374 A2中已公知將含有CO的工藝氣體放入同時還被用作重整產物冷卻器的所謂的CO氧化器中。通過使蒸發器中的流入的工藝氣體蒸發，從而進行冷卻。
基于前文所述，本發明的目的在于在工藝執行和熱回收效率等方面對本文開始部分所述的緊湊型蒸汽重整裝置作出改進。
本發明的目的借助如權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置和采用如權利要求15所述的方法而得以實現。
根據本發明的緊湊型蒸汽重整裝置包括一個通過燃燒器而被加熱的反應器。具有較高熱回收效率的預熱裝置被配置給所述燃燒器。這樣就提高了重整工藝的效率。此外，所述重整裝置包括一個后續反應器，所述后續反應器被設計用以執行轉化反應、后續的氧化和/或由含在原始重整產物中的一氧化碳部分生成甲烷。所述后續反應器與保持后續反應器的溫度以受控方式處于一固定水平的管式蒸發器熱交換連接在一起。由此，即便是在負載變化的情況下，也可以保持后續反應的所需選擇性。管式蒸發器致使在后續反應器中相對于時間和空間后期溫度失控。在管式蒸發器中物料的流動致使在后續反應器中進行熱傳輸，從而使得后續反應器能夠快速適應負載變化。如果管式蒸發器和后續反應器以并流的方式進行工作，那么這是特別適用的。
通過確定蒸發器的溫度，后續反應器的溫度同時被固定在這些較窄的限值內，從而使得CO含量能夠降至小于50ppm的數值。因此，工藝氣體的后續催化處理、過濾或其它后續處理就成為多余的了。由緊湊型蒸汽重整裝置產生的氣體可被直接傳導到氫燃料電池。
可以最簡單的方式通過調節蒸汽壓力從而能夠設定后續反應器的溫度。所有工作狀態下的蒸汽生成溫度與蒸汽壓力一起被固定住。因此，在后續反應器與受壓力調節的蒸發器之間的緊密的熱連接，例如通過管式蒸發器作為盤管且可能存在的催化劑被布置在所述管道之間的空間中的實施例，形成了產生CO含量較低的氫的有利條件。
所述緊湊型蒸汽重整裝置可包括連接到管式蒸發器或其它蒸發器上的噴射泵，所述各式蒸發器產生具有預先選定組分的燃料-流的混合物并且供應所述反應器。這樣就借助一些控制技術為特別簡單地控制所述緊湊型蒸汽重整裝置提供了基礎。例如，蒸汽量受到適當計量的給水量的控制。供應到重整裝置的用于進行重整反應的燃料量不需要分開進行控制，而是通過噴射泵進行計量。
從附圖、說明書或權利要求書中可以獲得有利實施方式的其他細節。
附圖中示出了本發明的典型實施例，其中
圖1示出了帶有一個附接在其上的燃料電池的緊湊型蒸汽重整裝置的示意圖；圖2以圖表的形式示出了工藝氣體的溫度曲線圖；圖3以圖表的形式示出了加熱氣體的溫度曲線圖；和圖4示出了緊湊型蒸汽重整裝置的縱剖視圖，其工作區域的布置與圖2和圖3中示出的曲線圖相對應。
圖1示出了蒸汽重整裝置1的縱剖視圖。該蒸汽重整裝置1具有長度為L和直徑為D的圓形橫截面的外殼2。該蒸汽重整裝置可以是圓柱形的，或者也可以是多個柱體組合在一起呈階梯狀。所有連接裝置3優選傳導通過其上端4。
接近底部的重整裝置管道5被同心地布置在外殼2內并且距外殼2一定距離。被設置在外殼2與重整裝置管道5之間的環形空間中填充有用于進行熱絕緣的絕緣材料6。燃料和蒸汽混合物的供給管線7從上端4引出，開始先直線延伸，然后向下通過幾個彎通過絕緣材料6到達位于重整裝置管道下端的供給連接裝置8。供給連接裝置的下部呈杯狀的端部構成用于進行實際重整工藝的反應器9的外殼。朝向內部，反應器9由內部重整裝置管道11所界定，所述內部重整裝置管道在底部呈杯狀封閉并且在頂部被保持在端部4上。用于進行重整工藝的催化劑12被布置在內部重整裝置管道11的下端與外部重整裝置管道5的下端之間呈杯狀的環形空間中。重整裝置管道11在內側上以及在外側上優選設有肋13，14，所述肋用于在催化劑12與被重整裝置管道11所包圍的燃燒室15之間進行傳熱。燃燒器16被配置給燃燒室且被用于加熱催化劑12且被設計用以使被引入到燃燒室15中的燃料進行無焰氧化。為此設置大量氣體和空氣噴嘴17，18，所述噴嘴沿同一方向呈環狀對齊進行布置并且形成大容量循。與所述噴嘴環同心地布置的中空的圓柱形引導主體19可有助于進行如圖1中的箭頭所示的大容量循環。
通過利用廢熱的預熱裝置20供給氣體噴嘴17以及空氣噴嘴18。其部件為管線21，22，所述管線以盤繞的形式傳導通過在重整裝置管道11上部內形成的排氣導管23。按照這種方式，被供應至燃燒室15的燃燒氣體以及供給的空氣受到預熱。從而獲得較高的同流換熱程度和由此的冷卻的排氣。優選(1-ΔT2/ΔT1)＞0.8，其中ΔT1是預熱裝置20的排氣導管23的入口與出口之間的排氣溫差，而ΔT2是在出口處的排氣溫度與在出口處的新鮮空氣溫度之間的溫差。(1-ΔT2/ΔT1)至少大于0.5。
可以在中心設置用于對燃燒室15進行預熱直至開始進行無焰氧化的點火噴嘴Z或電加熱裝置。
至此所描述的蒸汽重整裝置1包括布置在外部同流換熱管道5與內部同流換熱管道11之間的環形空間10中的蒸汽發生器24并且以熱學工藝的方式與所述管道相聯接。蒸汽發生器24優選包括盤管，所述盤管被分為多個部段并且相對于預熱裝置而言同心地進行布置。管道25被布置在中間，其與內部重整裝置管道11一起圍起另一個環形空間26。在該空間中填充有用于使排氣導管23與重整產物導管熱絕緣隔開的絕緣材料27，所述重整產物導管在外部重整裝置管道5與管道25之間形成穿過所述環形空間10。
蒸汽發生器24具有給水連接裝置28，從所述給水連接裝置開始，第一盤管部段29引導通過在重整產物出口31處終止的重整產物導管。盤管部段29構成以逆流方式進行工作的水/重整產物逆流散熱器。
盤管29通向橋接管道32，所述橋接管道沿軸向引導穿過空間26。隨后，引導回到構成重整產物導管的外部環形空間10，并且在那里作為盤管部段33繼續延伸。所述盤管構成了水加熱器且同時構成了重整產物激冷裝置(急冷器，圖3和圖5中的A段)。可透氣的環狀絕緣體34被布置在盤管部段33與催化劑12之間，其防止在沒有負載時，即在給水流過量為零或接近為零的情況下，蒸汽發生器24產生過熱。
另一個盤管部段35緊跟在盤管部段33后面并且包括多條盤管36，38(圖3和圖5中的B段)。這些盤管36，38已被埋置在催化劑中，所述催化劑填充盤管之間的空間并且構成了后續的反應器。在此，第一盤管36已被埋置在例如CO轉化催化劑37中。在本典型實施例中，隨后的盤管38(圖3和圖5中的C段)已被埋置在甲烷生成催化劑39中。催化劑37，39可被附接到適當的催化劑主體上，例如被附接到鐵絲網等上，也可作為疏松的大塊材料被沉積在盤管36，38之間，或者可作為帶有肋的管道被直接成形在蒸發器的肋上。
按照這種方式，蒸發器24被分為A、B、C三段，即用于至少部分地蒸發水和對重整產物進行激冷的盤管部段33，以及由盤管36，38構成的部段，其中在很大程度上完成水的蒸發的另一個部段通過與相應的催化劑37，39進行熱交換而設置。催化劑37，39構成了兩級后續反應器。
蒸發器的出口通過一條向上的管道41與壓力控制閥42相連接，所述壓力控制閥保持蒸發器24中的壓力恒定，而與從其中通過的流量無關。壓力控制閥42排放出的蒸汽被引導至噴射泵44的推進噴嘴連接裝置43，其抽吸連接裝置45與燃料供應管線相連接。其出口將蒸汽和燃料的混合物供給至供給管線7。
通過給水泵46向給水連接裝置28提供給水。控制裝置47基于借助溫度傳感器48檢測到的催化劑12的溫度對給水泵46進行控制或調節，從而使得催化劑12的溫度保持恒定。由于燃燒器和燃料電池對空氣的需要量與能量供應PCH4和由此的給水溫度成比例，因此鼓風機49的調節比可以簡單的方式追蹤受控制裝置47控制的給水泵46的調節比。
空氣和燃燒氣體通過管線21，22進行供給。來自燃料電池陽極的殘余氣體可被用作燃燒氣體。
重整產物被傳送至燃料電池52的陽極輸入端。陽極產生的殘余氣體經由管線53被傳送至預熱裝置20。鼓風機49將空氣傳送至燃料電池的陰極和預熱裝置20。
下面對當前所述的蒸汽重整裝置的操作進行描述。
參見圖2-4，這里，通過曲線中的分支I，圖中示出了經由管線21，22供給的氣體的溫度，即空氣和燃燒氣體的溫度。曲線中的分支II示出了逆流排出的排氣的排氣溫度。所示出的溫度反應出如圖4所示的蒸汽重整裝置1特別是其同流換熱器的溫度曲線。圖3中曲線的環形分支III表示在進行無焰氧化的過程中燃燒室15內的溫度。如圖中所示，氣體進行多次回轉通過燃燒室15。可以注意到，在排氣溫度為例如150℃時，空氣和氣體有可能實現預熱達到約800℃。
圖2中的曲線表示待進行重整和已進行重整的氣體的溫度曲線。曲線中的分支IV表示對盤管部段29中的給水進行加熱的情況，所述盤管部段同時也是給水預熱器和水/重整產物逆流式冷卻器。現在，處于壓力下并且被預熱的給水在略高于100℃的溫度下被傳送至蒸發器24。起初，由曲線中下部水平的分支V表示這一過程。受到預熱的給水在點VI處進入蒸發器中。給水在盤管部段33中達到蒸發溫度(曲線VIII)，然后給水流過整個蒸發器24，在蒸發器24中給水緩慢地蒸發。在這一過程中，給水保持處于其蒸發溫度，例如約200℃，如曲線中的水平分支VIII所示。按照與加熱管道相同的方式，管式蒸發器24為后續的反應器設定了均勻的溫度。不會超過蒸發溫度TS。借助位于壓力控制閥42處的蒸發器壓力設定蒸發器溫度的大小。
即便是在負載發生變化的情況下，特別是在最后階段中，如圖2中所示的溫度曲線也保持在較窄的限值范圍內。按照這種方式保持后續反應的選擇性。在最后的后續反應階段設定的溫度在此僅受到壓力控制的影響。
生成的蒸汽從蒸發器24到達噴射泵44。噴射泵44通過推進噴嘴直徑與混合噴嘴直徑之間的比值固定蒸汽/燃料比。噴射泵44通過其抽吸連接裝置45吸出所需量的燃料并將其與蒸汽進行混合。在該過程中，蒸汽溫度起初略微降低(圖2，曲線中的分支XI)，其中混合燃燒氣體的溫度突然升高(曲線中的分支X)。然后，該溫度緩慢升高直至達到供給連接裝置8(曲線中的分支XI)。在催化劑12中，曲線溫度根據分支XII繼續增高直至已由溫度傳感器49檢測到溫度達到TR，并且通過計量給水量而經常進行調節。由催化劑12產生的重整產物使反應器9處于該溫度。在遇到蒸發器24(盤管部段33)的第一部段時，重整產物受到激冷(圖2，曲線中的分支XIII)，如部段A所示。
此后，冷卻的重整產物到達催化劑37和39。在那里，發生后續的CO轉化反應。精確的溫度控制防止產生太多的甲烷，特別是現有的CO2部分。
當前所述的蒸汽重整裝置1本身穩定地工作。電輸出Pel的增大的下降幅度惡化了陽極殘余氣體的卡值。因此，若溫度傳感器49處的溫度下降，那么控制裝置就會增強給水傳輸，且因此增大蒸汽生成量和重整產物生成量。陽極殘余氣體的增多使得燃燒室15中的燃燒器輸出增大。按照這種方式，蒸汽重整裝置1自動與負載相匹配。
實際的蒸汽重整裝置1已獲得以下特征值 其中V[m3/h] --標準狀態下的容積流量；Hu[kWh/m3] --卡值使用陽極殘余氣體加熱重整裝置時生成氫的轉化效率為
×在燃料電池中轉化的氫(典型為75％)新型重整裝置的實例-外部尺寸L＝0.6m，D＝0.3m-工藝氣體1m3/h的卡值為10kWh/m3的天然氣-水在15巴下2.5Kg/h(＝3m3/h蒸汽，S/C＝3)-加熱氣體0.41m3/h的卡值為10kWh/m3的天然氣-重整產物4m3/h的卡值為3kWh/m3的H2-效率ηR＝85％。
在使用陽極殘余氣體進行加熱時，(25％的H2來自包括在甲烷生成過程中形成的CH4的重整產物)-可用的氫2.7m3/h的卡值為3kWh/m3的H2-效率ηR＝81％。
能夠受到影響的重整產物的損失是相應成比例的ΔTW(ΔTW為壁部溫度與環境溫度之間的溫差)、ΔT2和ΔTR(參見圖2)。這些溫度變化值進一步是對于進行無煙重整和轉化反應來說必要的重整產物中過量蒸汽的函數。
該新型緊湊型蒸汽重整裝置1在一個裝置中結合了對天然氣或其它燃料進行蒸汽重整，包括對CO進行后續清洗。通過在后續反應器37，39，39a中仔細地進行溫度控制而對CO進行受控的催化清洗。借助蒸發器24受到壓力控制的工作而有可能實施溫度控制。
權利要求
1.一種緊湊型蒸汽重整裝置(1)，具有燃燒器(16)，具有通過燃燒室(15)而被加熱且被用于由燃料和H2O蒸汽生成重整產物的反應器(9)，具有在對排氣熱量進行回收時對供給空氣和/或供給燃料進行預熱的預熱裝置(20)，所述預熱裝置被連接至燃燒器(16)且其熱回收系數(ΔT1/ΔT2)大于0.5，具有圍繞預熱裝置(20)的環形室(10)，重整產物流過所述環形室并且所述環形室與外部熱絕緣，具有用于在壓力下產生H2O蒸汽且被布置在環形室(10)中的管式蒸發器(24)，具有大量除去生成的重整產物中的一氧化碳部分的后續反應器(37，39，39a)，所述后續反應器同樣被布置在環形室中并且與水從其中流過的管式蒸發器(24)形成熱連接。
2.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述重整產物和水沿相同的流動方向流過后續反應器(37，39，39a)和管式蒸發器(24)。
3.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，水/重整產物逆流式冷卻器(29)被連接到管式蒸發器(24)的入口側和后續反應器(37，39，39a)的出口側上。
4.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述后續反應器(37，39，39a)中含有轉化催化劑(37)和/或甲烷生成催化劑(39)和/或后續氧化催化劑(39a)。
5.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述管式蒸發器(24)被設計成耐壓密封的盤管，所述盤管限定出布置利于進行后續反應的催化劑(37，39，39a)的盤繞空間。
6.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述管式蒸發器(24)被實施為耐壓密封的帶有肋部的管道。
7.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，壓力調節裝置(42)被連接到管式蒸發器(24)的出口上。
8.根據權利要求7所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，調節壓力調節裝置(42)達到這樣的壓力，使得蒸發管道(24)中的水的蒸發溫度被設定在130℃與280℃之間。
9.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，在與后續反應器(37，39，39a)形成熱連接的區域中，管式蒸發器(24)中的物料流中含有液相。
10.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，噴射泵(44)被連接到管式蒸發器(24)上，所述噴射泵被用于通過抽吸加入燃料并且用于產生供給反應器(9)的H2O蒸汽/燃料混合物。
11.根據權利要求10所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述噴射泵(44)是一個未經調節的噴射泵。
12.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述反應器(9)與溫度傳感器(48)相連，所述溫度傳感器被用于影響管式蒸發器(24)的給水供應量，使得如果溫度下降則給水供應量增大，反之亦然。
13.根據權利要求12所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述溫度傳感器(48)控制用于向燃燒器(16)供給燃燒空氣的鼓風機(49)。
14.根據權利要求1所述的緊湊型蒸汽重整裝置，其特征在于，所述燃燒器(16)被至少部分地供給來自連接好的燃料電池(52)的陽極的殘余氣體。
15.一種用于通過蒸汽重整裝置對燃料進行蒸汽重整的方法，所述蒸汽重整裝置具有用于在壓力下產生H2O蒸汽的蒸發器(24)和連接到蒸發器(24)上的噴射泵(44)，其中在蒸發器(24)中產生的蒸汽作為推進劑被供應至噴射泵(44)，其中借助通過抽吸而加入燃料，H2O蒸汽/燃料混合物被生成用于供給反應器(9)。
16.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，通過與后續反應器(37，39，39a)形成熱接觸而加熱蒸發器(24)，所述后續反應器被用于大量除去生成的重整產物中的一氧化碳部分。
17.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，所述蒸發器(24)的工作是通過對其壓力進行調節而進行的。
18.根據權利要求17所述的方法，其特征在于，在所述蒸發器(24)的工作過程中，所述蒸發器的壓力保持恒定。
19.根據權利要求15所述的方法，其特征在于，通過對被供應至蒸發器(24)的給水量進行調節而對蒸發器(24)的輸出進行調節。
全文摘要
一種新型緊湊型蒸汽重整裝置(1)在一個裝置中結合了對天然氣或其它燃料進行蒸汽重整，包括對CO進行后續清洗。通過在后續反應器(37，39，39a)中仔細地進行溫度控制而對CO進行受控的催化清洗。借助蒸發器(24)受到壓力控制的工作而有可能實施溫度控制。
文檔編號C01B3/48GK1980732SQ200580007184
公開日2007年6月13日 申請日期2005年3月2日 優先權日2004年3月6日
發明者J·A·溫寧 申請人:Ws改革者有限責任公司