用於對燃料尤其是燃油進行重整的方法
2023-05-14 20:57:26 1
專利名稱：用於對燃料尤其是燃油進行重整的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對燃料，尤其是燃油或其它液體燃料，進行重整的方法，優選是為了通過高溫燃料電池獲得電能和熱能。本發明還涉及用於實施該方法的設備，此外還涉及一種採用了本發明方法的具有燃料電池的設備。
當空氣或其它包括一種惰性組分的和一種由氧分子O2構成的組分的含氧氣體混合到碳氫化合物中時，發生一種並行於該吸熱重整過程的部分氧化，該部分氧化是發熱的，故水作為反應物生成。由該部分氧化形成的水作為該重整的一種離析物。因此不再需要水的混合物或只是部分需要，這是有利的，因為在考慮到需要對水進行純化時，水是昂貴的。然而，當該重整與一種部分氧化一起進行時，出現了問題，如下文所述該重整過程是在一個具有均勻結構的催化反應室中通過一種多相催化作用實施的。該催化反應室包括一種催化劑載體，在該載體的表面上塗敷有催化活性材料，也就是鉑材料(尤其是鉑、銠或鈀)、鎳或此類材料的混合物。同時發生的氧化反應比吸熱重整反應迅速得多；故其發生在該催化反應室的一個入口區域，在該區域由於氧化放熱而產生高溫。該溫度可導致催化活性材料的無效，例如通過汽化，並由此損害該催化反應室。
發明內容
本發明的目的是提供一種用於燃料，特別是燃油或其它液體燃料重整的方法，其中一種部分氧化反應與該重整同時進行，但在其中避免了該放熱過程對催化反應室的損害作用。該目的通過權利要求1所定義的方法而實現，其中通過合成氣體的回流的指定措施，該催化反應室入口區域的溫度能夠被降低，從而避免了熱損傷。
用於燃料，特別是燃油或其它液體燃料重整的方法，通過使用了一種含氧氣體而實現。該方法包括如下步驟-通過在含氧氣體的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；-加上回流的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；-該氣體混合物藉助於部分氧化、還有通過多相催化的重整過程而生成合成氣體；-該產生的合成氣體分路成一個產物流和一個用於一種再循環的回流；和-從該回流按規定抽走熱量，以便建立一個催化劑載體的一個預定溫度，多相催化以該溫度進行。
從屬權利要求2至5涉及本發明方法的有利實施例。權利要求6至9的主題是用於實施此方法的裝置。權利要求10涉及一個具有一個高溫燃料電池的電池組的設備，該設備根據本發明進行操作對燃油進行重整。
該雙材料噴嘴2設置在遠離該催化反應室10一定距離處，由於這個與一個進入表面100足夠大的距離，從而在進入前燃油的汽化有充分長的滯留時間，並且分散在整個進入表面100上的混合物都進入該催化反應室10中。該催化反應室10位於一個第一圓柱形管11中。一個第二圓柱形管12構成裝置1的外壁的一部分。催化產生的合成氣體在一個輸出表面101下分路為產物流3a和回流3b。該產物流3a經一個輸出管29離開裝置1。受壓降驅動的回流3b被向上引導經過一個在兩個管11和12之間是一個環形空間的回流間隙，其中該壓降由於噴嘴13處的低壓而產生。通過換熱器6將熱量從該回流3b抽走。通過熱量的規定抽走可以如此影響催化反應室10的溫度Tk，例如，平均溫度採用一預定值。
該溫度Tk具有如圖2的圖表中定性所示的曲線。X軸，即
圖1中所示的方向，沿催化反應室10的主流方向延伸。該圖表中左手邊的線100′相應於進入表面100，右手邊的線101′相應於輸出表面101。如已經述及的，該溫度由於發熱過程在輸入區域中具有最大值。重整的吸熱過程導致該溫度在該最大值後的遞減。所示的溫度間隔ΔT必需在這樣一個間隔之間，即其限值由一個約700℃的所需最小溫度和一個約1000℃的最大允許溫度所給定。沒有本發明的措施，該條件不能被滿足。
由於該回流3b，該溫度曲線的溫度間隔ΔT較小，並且平均溫度可以設置得較低。ΔT的減小源於兩個原因a)燃油蒸汽的部分壓力通過回流的氣體(惰性氣體的比例增加)而減小。b)用於重整過程的水(在該過程中產生的水)在催化反應室的輸入區域已經是可得到的，並由此產生熱壑。這兩個原因也具有有利的影響，即抑制了催化反應室10中油煙的形成。
考慮到回流，該填料應具有產生儘可能最小的流阻的結構。有序填料的優點在於其結構為一種帶有平行流道的蜂窩結構或一種帶有波形薄片和開放的交叉流道的結構(「交叉式流道結構」)。一種網狀泡沫結構或一種三維編織物結構也是可以的。
圖3中所示的設備9包括一個電池組9′和一個根據本發明的用於燃油重整的裝置1，其中該電池組9′是一組疊置的平面環形線高溫燃料電池90。除這些燃料電池90之外還可見下面的部件一個未示出內部結構的套筒93，在操作中環境空氣(入口92)通過該套筒被預熱並均勻分散到電池堆中；一個位於電池堆9′和套筒93之間的後燃空間94，廢熱從該空間中通過換熱器95導出(例如將熱量Q傳遞給循環水)；一個電扇96，廢氣由該電扇抽出並排入煙囪中；將電能E傳遞給用電設備的電極98。
由泵4泵入的含氧氣體隨兩個部分流21′和22′輸入裝置1中。來自燃料電池組9′的後燃階段的環境空氣5a和/或廢氣5b用作該含氧氣體。在混合裝置5中產生理想比例的環境空氣5a和廢氣5b的混合。該產生的用於重整的氣體通過管線29被送入電池組9′的中心分散通道91中。
圖4示出了一個特殊的雙材料噴嘴2。其包括一個熱載體25(電連接件25a)，燃油通過該熱載體被預熱到400-420℃，從而有利於汽化或執行操作。
圖5中示出了本發明裝置的第二實施例。為了回流3b，在包含催化反應室10的第一管11上增加了第二管7，該第二管7被製成一個噴氣壓縮機。第二部分流22′和含氧氣體被用作驅動介質。合成氣體通過驅動噴嘴71經管70而吸入。一個接在其後的下遊管件72製成相應於圖1中實施例的換熱器6的換熱器72，其中在管件72中發生從驅動介質到合成氣體的動量轉換。在一個接在其後的擴散器73中，去離子水80通過噴嘴8而噴射到回流3b中，以便將該輸入的水80用作重整過程的反應組分並用於冷卻回流的合成氣體。藉助於噴氣壓縮機7輸送的回流3b被分散到裝置1的上部，即圍繞一個雙材料噴嘴2的、外壁11a和截頭圓錐狀的壁13′之間的部分中。回流3b的氣體經由噴嘴23處的環形間隙與來自噴嘴2的燃油/氣體混合物相結合，並被提供給催化反應室10。該噴嘴2也可以是圖4中所示的類型。
為了燃油的完全汽化，該回流氣體必須足夠的熱，即達到約250-300℃的溫度。當氣體以900℃的溫度回流時，該回流與產物流的比例達到約1∶4。回流率選擇得越高，催化反應室中的溫度曲線就越均勻。但是出於經濟原因，大於1的比例是不明智的，因為該回流的驅動由於動量輸入的要求高而變得昂貴。
該回流所需的動量可藉助於不同方式的反應空氣而得到。該反應空氣可通過該雙材料噴嘴而整體輸入，這導致與相對較大能量需求有關的精細霧化。該反應空氣可分為主空氣和次空氣輸入，該主空氣在該雙材料噴嘴中，該次空氣例如在一個噴氣壓縮機中。但是，該第二方式是更為昂貴的裝置方式。
當進行其中水被用作除空氣之外的反應劑的自供熱重整時，該水可被用於反應溫度的調節；然後該水被噴入該回流間隙中。
本發明的方法也可以實施於液體燃料，例如甲醇、乙醇或「生物柴油機」(植物油)。此外，當本發明的方法略做修改(無燃料汽化)時，可以使用氣體燃料(天然氣、液化氣、沼氣)。由於這些燃料具有比燃油低的絕熱溫度增量，故通過例如向該回流間隙供熱而改進轉換或轉化。
權利要求
1.用於燃料特別是燃油(20′)或其它液體燃料重整的方法，使用了一種包括一種惰性組分和一種由氧O2構成的組分的含氧氣體(5a、5b、21′、22′)，該方法包括如下步驟-通過在含氧氣體(21′)的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；-加上回流(3b)的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；-該氣體混合物藉助於部分氧化、還有通過多相催化的重整過程而生成合成氣體；-該產生的合成氣體分路成一個產物流(3a)和一個用於再循環的回流(3b)；和-從該回流按規定抽走熱量，以便建立一個催化劑載體(10)的一個預定溫度，多相催化以該溫度進行。
2.按權利要求1所述的方法，其特徵在於該催化劑載體(10)是一種有序的填料或由具有高特效表面的物體的散裝填充物製成；燃料/氣體混合物藉助於一個雙材料噴嘴(2)供給，該噴嘴(2)如此形成和設置，從而在噴嘴(23)的端部產生低壓並由此形成壓降，該壓降被至少部分地用作該回流(3b)的驅動力，考慮到該再循環，該填料具有一種產生儘可能低的流阻的結構，即，一種帶有平行流道的蜂窩結構、一種帶有波形薄片和交叉流道的結構、一種網狀泡沫結構或一種三維編織物結構。
3.按權利要求1或2所述的方法，其特徵在於去離子水(80)被噴射到回流(3b)中，以便將該輸入的水用作重整過程的反應組分並冷卻回流的合成氣體。
4.按權利要求1至2中任一項所述的方法，其特徵在於含氧氣體(5a、5b)藉助於泵(4)並通過至少兩個氣體流(21′、22′)輸入該過程中；該第一氣體流(21′)在分散中並且特別是在燃油(20′)的噴射中被直接使用，該第二氣體流(22′)通過至少一個驅動噴嘴(13、71)被輸入該回流(3b)中。
5.按權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於來自一個燃料電池(9′)的後燃階段(94)的環境空氣(5a)和/或廢氣(5b)用作該含氧氣體(21′、22′)。
6.用於實施要權利要求1至5中任一項所述方法的裝置(1)，其特徵在於一個催化反應室(10)包括一種陶瓷或金屬載體結構和一種塗敷於其上的催化活性物質，該催化反應室(10)位於一個第一圓柱形管(11)中；用於生成燃油/氣體混合物(20′、21′、22′)的一個雙材料噴嘴(2)設置在距離該催化反應室的一個進入表面(100)一定距離處，由於該距離足夠大，從而在進入前燃油(20′)的汽化有充分長的滯留時間，並且分散在整個進入表面上的混合物都進入該催化反應室中。
7.按權利要求6所述的裝置，其特徵在於回流(3b)被引導經過一個在該第一管(11)和一個第二圓柱形管(12)之間的一個環形空間中。
8.按權利要求6所述的裝置，其特徵在於一個第二管(7)用於該回流(3b)並被設置在該第一管(11)的外側，由於該第二管能夠被製作為一個噴氣壓縮機(71、72、73)，故該含氧氣體的一部分(22′)可被用作驅動介質。
9.按權利要求1至4中任一項所述的裝置，其特徵在於該雙材料噴嘴(2)是一個用於燃料的中心噴嘴和一個用於該含氧氣體(21′)的環形噴嘴的組合，由此可將一個用於該燃油的預熱或汽化的熱載體(25)併入該中心噴嘴中。
10.具有多個高溫燃料電池(90)的電池組(9′)的設備(9)和一個根據權利要求6至9任一項所述的裝置(1)，其特徵在於該裝置和該電池組通過一個用於該裝置的產物流(3a)的管線(29)相連接；為了生成電能，該產物流的氫和一氧化碳被用作電化學過程的還原反應物。
全文摘要
用於燃料特別是燃油(20′)或其它液體燃料重整的方法，通過使用了一種含氧氣體(5a、5b、21′、22′)而實現。該方法包括如下步驟1.通過在含氧氣體(21′)的射流中分散燃料而形成燃料/氣體混合物；2.加上回流(3b)的氣體和該分散的燃料的汽化物的混合物；3.該氣體混合物藉助於部分氧化、還有通過多相催化的重整過程而生成合成氣體；4.該產生的合成氣體分路成一個產物流(3a)和一個用於再循環的回流(3b)；和6.從該回流按規定抽走熱量，以便建立一個催化劑載體(10)的一個預定溫度，多相催化以該溫度進行。
文檔編號B01J19/24GK1407065SQ02127878
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月14日 優先權日2001年8月15日
發明者T·蔡林格, A·舒勒 申請人:蘇舍赫克希斯公司