專利名稱：自熱重整器反應物的重整產品預熱的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于將空氣、蒸汽和烴類燃料轉化成重整產品的自熱重整器，更具體地涉及采用離開重整器的重整產品來預熱空氣和蒸汽。
背景技術：
在燃料電池系統中，已經知道可以采用自熱重整器(ATR)來使空氣、蒸汽和烴類燃料(例如汽油、甲烷等)發生反應，以形成含有H2、CO2、H2O、N2和CO的重整產品。CO和H2O之后轉化成H2和CO2，重整產品供應給H2-O2燃料電池的陽極端。在ATR中，烴類燃料、蒸汽和空氣的混合物順序地通過兩個反應區段，即第一部分氧化(POX)區段和第二蒸汽轉化(SR)區段。在POX區段中，燃料與亞化學計量的空氣發生放熱反應，以產生一氧化碳、氫和低烴(例如甲烷)。熱的POX反應產物和與燃料及空氣一起引入的蒸汽進入到SR區段中，其中低烴與蒸汽發生反應以產生主要含有CO2、CO、H2、H2O和N2的重整氣體。SR區段是吸熱的，并從放熱的POX反應所產生的由POX區段流出物攜帶到SR區段中的熱量中得到其所需的熱量。
發明概要已經確定，離開SR區段的重整產品必須具有至少為約650℃(最好為約700℃到約750℃)的溫度，以便抑制甲烷形成并因此提高氫的產量。達到這樣高的重整產品溫度的一種方式是對將輸入到ATR中的空氣和蒸汽進行預熱。預熱不僅增加了系統的所需熱量，而且允許減少所需的空氣量，這又提高了系統的效率。本發明提供了改善的系統動態響應，這是通過將ATR輸入流(空氣和蒸汽)的熱需求和ATR輸出流(重整產品)中的熱量更緊密地相聯系而不是依靠來自位于系統端部的單獨燃燒器的熱量來實現的。因此，根據本發明，通過用離開ATR的SR區段的重整產品的排熱來加熱到ATR中的蒸汽和空氣輸入流，從而實現這種蒸汽/空氣的預熱。蒸汽作為中間載熱流體來使用，使得重整產品可用于加熱空氣(和蒸汽)，不存在重整產品和空氣混合并發生反應的可能性(即如果熱交換器中存在泄漏的話)，這種混合和反應會使熱交換惡化，容易導致在泄漏/反應部位處產生熱交換的局部加熱。更具體地說，本發明構思出一種操作可轉化蒸汽、空氣和烴類燃料以產生具有第一壓力和至少約650℃溫度的氣態重整產品的自熱重整器的方法。此方法包括用從重整產品中排出的熱量來預熱蒸汽和空氣，這是通過下述步驟來實現的首先使蒸汽和重整產品進入到第一熱交換器中，第一熱交換器將熱量從重整產品傳遞到保持在大于第一(即重整產品)壓力的第二壓力下的蒸汽中，這樣，如果在第一熱交換器中發生泄漏，那么蒸汽就會朝向重整產品流動。之后，蒸汽饋送到第二熱交換器中，第二熱交換器將熱量從蒸汽傳遞到流經熱交換器的相對側的空氣中。第二熱交換器中的空氣保持在小于第二(即蒸汽)壓力的第三壓力下，這樣，如果第二熱交換器發生泄漏，那么蒸汽就會朝向熱交換器的空氣側流動。這種設置的凈效應是熱量從重整產品經輸入蒸汽傳遞到輸入空氣中，重整產品不會與經過熱交換器壁上的空氣形成直接的熱交換關系。根據本發明的一個優選實施例，第三熱交換器設置在ATR和第一熱交換器之間，以便在蒸汽放出一些熱量給輸入空氣之后對蒸汽進行再加熱。在本發明的一個實施例中，第一和第三熱交換器容納在一個共用外殼中。在另一實施例中，第一和第二熱交換器容納在一個共用外殼中。在最優選的實施例中，所有三個熱交換工藝均在一個共用外殼中進行，以便降低起動時間，減小熱損耗，并降低熱交換器的體積、質量和成本。
附圖簡介
圖1是適于執行本發明方法的自熱重整器及相關熱交換器的一個實施例的示意性圖示。
圖2是適于執行本發明方法的自熱重整器及相關熱交換器的一個優選實施例的示意性圖示。
圖3是圖2所示熱交換器的一個同心式傳熱管32的放大截面視圖。
優選實施例的描述在考慮了本發明的一些具體實施例的下述詳細介紹后可以更好地理解本發明，這些介紹結合上述附圖給出。
圖1示意性地顯示了用于執行本發明工藝的ATR熱交換器裝置的一個實施例。更具體地說，圖1顯示了供應有烴類燃料(如汽油或甲烷)4、空氣6和蒸汽8的自熱重整器2(ATR)。燃料、蒸汽和空氣在ATR中發生反應，以形成主要含有H2、CO2、CO、H2O和N2的熱的(即至少約650℃)重整氣體10。重整產品10經過熱交換器12，在這里它的一部分熱量傳遞給輸入到ATR2中的蒸汽8中。離開熱交換器12的重整產品10進入到另一熱交換器14中，其中更多的熱量從重整產品10傳遞到進入熱交換器14的蒸汽8中。冷卻的重整產品10離開熱交換器14，并在通向燃料電池陽極(未示出)的路徑上被凈化(即通過水煤氣輪換和優先氧化反應而基本上去除了CO)。離開熱交換器14的蒸汽8進入到另外一個熱交換器16中，其放出一些熱量給經過熱交換器16的另一側的空氣6，從而在其進入ATR2之前預熱空氣6。離開熱交換器16的蒸汽8經過熱交換器12，在此處它被離開ATR的重整產品加熱，以便在其輸入到ATR2中之前預熱蒸汽8。最好，在所有熱交換器(12，14，16)中的流動均為逆流，以提供最大傳熱效率。蒸汽8處于比重整產品10或空氣6更高的壓力下，而空氣6處于比重整產品10更高的壓力下。由于蒸汽8必須在與處于ATR2的共同壓力下的空氣6結合之前流經熱交換器12，因此由熱交換器12中的蒸汽8所引起的壓力降將保證蒸汽8處于比熱交換器16中的空氣6更高的壓力下。為了進一步保證蒸汽8處于比空氣6和重整產品10更高的壓力，在蒸汽管線8中的熱交換器16之后設置了壓力調節器或流量限制器18，因此，如果在任一熱交換器中產生了泄漏，蒸汽將會流入到相鄰流體中(而不是相反)，這樣就阻止了空氣和重整產品的任何混合，這種混合會損壞所用的熱交換器，并可能損壞泄漏下游的燃料電池系統部件(如水煤氣輪換反應器)。
在本發明的一個實施例中，第一和第三熱交換器12設置在一個共用外殼中。對于此目的來說，其中的條板型或殼管型熱交換器芯體尤為有效。在圖2所示的優選實施例中，在熱交換器14和16中進行的熱交換工藝(見圖1)結合在一個單元20中，以便減小熱損耗、熱交換器的體積、質量和成本，并縮短起動時間。蒸汽總是處于空氣和重整產品之間。在此實施例中，ATR22產生熱的重整產品流24，它離開重整產品-蒸汽的熱交換器26，并進入到三流體熱交換器20中，在這里其放出一些熱量給也經過熱交換器20的蒸汽28。空氣30同時輸入到三流體熱交換器20中，在這里它被從中流過的蒸汽28所加熱。對這一應用來說，同心式管、管殼型熱交換器尤為有效。這種熱交換器包括多個位于共用外殼33中的多個同心式管32，并包括包圍了內管36的外管38(見圖3)。空氣流經內管36，蒸汽流經內管36和外管38之間的環狀部分40，而重整產品流經外殼33內的多個同心式管32。或者，重整產品可流經中心管36，而空氣流經外殼33內的多個同心式管32。可在管36和38上設置翅片以增強傳熱，并可采用波紋管型殼體來調節殼體的熱膨脹。在一個最優選的實施例中，在圖1所示的熱交換器12，14和16中進行的熱交換工藝均結合在一個多流體熱交換器(未示出)中。
雖然已經就其一定的具體實施例來公開了本發明，然而本發明并不限于此，而是由下述權利要求限定。
權利要求
1.一種操作可將蒸汽、空氣和烴類燃料的混合物轉化成具有第一壓力和至少約650℃溫度的氣態重整產品的自熱重整器的方法，所述方法包括用從所述重整產品中排出的熱量來預熱所述蒸汽和空氣，這是通過下述步驟來實現的(a)使所述蒸汽和所述重整產品進入到第一熱交換器中以將熱量從所述重整產品傳遞到所述蒸汽中，其中所述蒸汽保持在大于所述第一壓力的第二壓力下；以及(b)將所述空氣和所述蒸汽送到第二熱交換器中以將熱量從所述蒸汽傳遞到所述空氣中，其中所述空氣保持在小于所述第二壓力的壓力下，這樣，熱量從所述重整產品經所述蒸汽傳遞到所述空氣中，不會使所述重整產品與所述空氣形成直接的熱交換關系。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第二熱傳遞在一個共用外殼中進行。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法還包括在所述蒸汽在所述第二熱交換器中冷卻之后，離開所述第二熱交換器的所述蒸汽進入到第三熱交換器中以再次將熱量從所述重整產品中傳遞到所述蒸汽中。
4.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第三熱傳遞在一個共用外殼中進行。
5.根據權利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三熱傳遞在一個共用外殼中進行。
全文摘要
一種操作自熱重整器(ATR)(2)以產生高溫重整產品(10)的方法，包括用來自重整產品(10)的熱量對輸入到ATR(2)中的蒸汽(8)和空氣(6)進行預熱。蒸汽(8)由重整產品(10)加熱，然后空氣(6)由蒸汽(8)加熱。重整產品(10)和空氣(6)之間不存在直接的熱交換。在進行熱傳遞的熱交換器((12)，(14)和(16))中，蒸汽保持在比重整產品(10)和空氣(6)更高的壓力下。
文檔編號H01M8/06GK1509254SQ02809873
公開日2004年6月30日 申請日期2002年5月9日 優先權日2001年5月14日
發明者S·G·戈貝爾, S·D·伯奇, W·H·佩蒂特, S G 戈貝爾, 伯奇, 佩蒂特 申請人:通用汽車公司