将烃类燃料转化为富氢气体的方法
【专利说明】将烃类燃料转化为富氢气体的方法
[0001]分案串请
[0002]本申请是申请号为200880130143.7的中国专利申请的分案申请，上述申请的申请日为2008年7月2日，发明名称为“将烃类燃料转化为富氢气体的重整反应器及方法”。
技术领域
[0003]本发明涉及一种重整反应器以及使用该重整反应器将烃类燃料转化为富氢气体的方法，该重整反应器通过自热反应将烃类燃料转化为用于燃料电池和/或排放处理应用的富氢气体。
【背景技术】
[0004]在现有技术中，已熟知通过对例如汽油或柴油燃料的烃类燃料进行重整来生产用于运输装置中的燃料电池的富氢气体。传统上，氢气是在大型工业设备中生产，然后储存在运输装置上。近来开发的小型车载氢源(所谓的重整反应器)提供了按需生产氢气而无需储藏氢气的可能性。
[0005]通常，有三种已知的方法将气态或液态烃类燃料重整为氢气:催化蒸汽重整、部分氧化重整和自热重整。
[0006]在催化蒸汽重整过程中，蒸汽和烃类燃料的混合物在高温下(700°C到1000°C之间)被暴露于合适的催化剂，例如镍。该反应是高度吸热的，并且需要外部热源和蒸汽源。
[0007]在部分氧化重整过程中，氢气燃料和含氧气体(如环境空气)被作为原料气送入反应室中，优选存在有催化剂。所使用的催化剂通常由贵金属或镍制成，并且温度在700°C到1700°C之间。该反应是高度放热的，并且一旦启动就产生足够的热量以自我维持。为了促进氧化反应，有必要减少反应器内的温度变化。
[0008]自热重整过程是蒸汽重整和部分氧化重整的结合。来自部分氧化重整反应的废热被用于对吸热的蒸汽重整反应进行加热。
[0009]所有这些重整过程的自然副产物是一氧化碳和二氧化碳。但是，由于并未将烃类燃料设计作为产生氢的原料，因此还存在其它副产物，如硫磺。这些副产物可能对燃料电池有害，因此，应该在重整反应器外部通过后续步骤进行移除。另外，如果在反应器中混合不充分，则烃类燃料(尤其是柴油)会在催化剂中产生作为副产物的烟灰。同样，烟灰颗粒对燃料电池非常有害，因此必须注意避免在重整器中形成烟灰。
[0010]从现有技术的专利申请US 6，770, 106中，已知一种用于对含有烃或甲烷、氧气和水的原料气进行重整的部分氧化重整器，其中，通过被原料气的通道覆盖的反应器实现了温度变化的减少，该原料气由反应器内的反应热加热，因此热隔绝该反应器。因此，能够减小该反应器内的温度变化。为了加热原料气，反应热能够通过热交换器进行回收。
[0011]另外，已经发现:原料气到氢气的成功有效转化取决于反应物(即烃类燃料和氧化剂)的成功混合。已知的现有技术的缺点是:由于反应物的混合是在另外的、布置在外部的混合器中进行，所以不能提供在重整器的反应室内的燃料不冷凝的情况下的、烃类燃料和氧化剂的完全雾化或汽化。
[0012]为了解决该问题，例如，在现有技术中已经提出了在重整器中将燃料和氧化剂混合，优选地，甚至通过预热与该燃料混合的输入空气流或者通过预热用于接收燃料喷雾的重整器表面来使注入的燃料汽化。由于现有技术的方法都不能完全成功地提供所注入的烃类燃料的可靠、完全的汽化，所以在欧洲专利申请EP 1 927 579中已经提出了在反应器的反应室内设置金属元件，以为燃料汽化提供高温和大的表面积。
[0013]这种已知的燃料蒸发器例如可以是导电金属材料，它是喷洒有燃料的泡沫或纱布/织布纤维的形式，或者甚至是沿着反应器的内壁纵向布置的柱形元件的形式。
[0014]这种已知的重整器的缺陷在于:必须精心挑选用于形成蒸发器的材料。一方面，它必须具备适度的欧姆电阻，以使该蒸发器能被快速加热到期望温度，但另一方面，它又必须对反应器的运行环境是化学惰性的。对柱形蒸发器的材料要求不那么苛求，但这种蒸发器的缺陷在于:随着蒸发器完全暴露于也作为冷却剂的、输入空气和燃料空气混合物时，热负荷会增加。
【发明内容】
[0015]因此，本发明的目的是提供一种将烃类燃料转化为富氢气体的重整反应器及方法，其提供了烃类燃料向氧化剂的容易且与材料无关的雾化。
[0016]根据本发明的一个方面，提供了一种通过自热反应将烃类燃料转化为用于燃料电池和/或排气处理应用的富氢气体的方法，该方法使用如下的重整反应器，该重整反应器具有:壳体，该壳体具有两个侧表面，这两个侧表面形成重整反应器的反应室；燃料入口，该燃料入口设置在所述两个侧表面中的一个侧表面中，以将烃类燃料提供到反应室中；以及氧化剂入口，该氧化剂入口用于将氧化剂提供到反应室中，所述方法包括如下步骤:将氧化剂预热到与烃类燃料的沸点基本相等或高于沸点的温度；将烃类燃料预热到比烃类燃料的沸点略低的温度；以及将烃类燃料和氧化剂引入到反应室中。
[0017]根据本发明，通过在引入并使烃类燃料与氧化剂混合之前将烃类燃料预热，能够获得基本理想的燃料雾化及随后的气体混合物。这样的预热能够通过布置在重整器的反应室外部的预热装置来实现。优选地，该预热装置是布置在燃料入口上游的、单独的装置，但也可以将燃料入口和预热装置集成成单个装置。特别地，在优选情况下，当燃料喷射器用作燃料入口时，有利的是加热该喷射器，由此来预热燃料。因此，如果燃料入口与反应室的侧壁处于导热接触，则更优，从而该反应室内产生的热量能够传递给喷射器，以预热燃料。
[0018]在更优选的实施例中，把被预热燃料的温度调整为接近但低于燃料的最低沸点，由此提供了实现基本理想的雾化或汽化所需的优选的热量。
[0019]根据更有利的实施例，氧化剂在与烃类燃料混合之前也先被预热，优选被预热到与预热燃料的温度处于相同范围的温度或更高温度。这基本阻止了燃料或氧化剂的不需要的冷凝，该冷凝会导致重整器的寿命缩短。
[0020]优选地，氧化剂的预热能够通过使用具有内壁和外壁的重整反应器来执行，该内壁和外壁之间形成有空间，其中，所述空间被设计为氧化剂通道，该氧化剂通道位于在外壁中设置的氧化剂供给口与在内壁中设置的氧化剂入口之间。内壁被反应室内发生的反应的热量加热，由此，通过从内壁至氧化剂的热传递，氧化剂又被内壁预热。
[0021]雾化燃料与氧化剂混合以及燃料预热的结合得到了基本完全均匀的反应混合物，而且氧化剂的预热防止了冷凝。由此实现的基本均匀的混合物允许烃类燃料的基本完全的转化，这又允许从重质烃燃料高效生产出燃料电池级氢气。
[0022]上述通过从重整器内壁到氧化剂的热传递对氧化剂进行预热的有益的附带效果是:热传递也将内壁冷却到如下温度，在该温度下基本防止了由于与内壁接触的燃料颗粒燃烧而形成的烟灰。
[0023]总的来说，可以提供具有外部冷却装置的反应器，但这增大了该反应器的尺寸，并且为由燃料电池提供能量的系统增加了又一个耗能装置。因此，优选实施例利用相对冷的氧化剂来冷却反应器的内壁。同时，这意味着可以不必考虑内壁的隔热，由此使反应器的尺寸进一步减小。
[0024]冷却该内壁的另一优点在于:反应室内的温度能够保持恒定，并且能够控制氧化剂的温度。
[0025]如本发明的另一优选实施例所示，设置在壳体内壁中的氧化剂入口形成为多个孔口，尤其是多个孔或微缝。这便于氧化剂在反应室内大致均匀地分布。优选地，所述多个孔口的尺寸、形状和/或位置可以根据所使用的氧化剂、所使用的烃类燃料和/或它们的温度而改变。最优选地，该氧化剂入口设置在燃料入口附近。
[0026]另一优选实施例在反应室内设有用于自热反应的催化剂，以加速烃类燃料向富氢气体的转化。由于预混合是以具有创造性的方式进行的，因此能够将基本完全均匀的混合物放置成与催化剂接触，并且基本防止了冷凝也就基本防止了催化剂的失活，由此延长了重整器的寿命。优选地，该催化剂可以是陶瓷单片或金属格栅。
[0027]优选地，对所述孔口的尺寸以及这些孔口与燃料入口之间的距离进行设计，以实现最佳的紊流混合，并使氧化剂/燃料混合物在与催化剂接触之前是基本完全均匀的。混合区(孔口的位置)与催化剂之间的距离也被构造为使得氧化剂实现了混合物稳定性，而不会引起氧化剂/燃料混合物的自动氧化。
[0028]在从属权利要求中限定了其它优选实施例及优点。
【附图说明】
[0029]在下文中，将借助于附图来讨论根据本发明的重整反应器的优选实施例。该描述应当视为本发明原理的示例，并非旨在限制权利要求的范围。
[0030]图1示出了根据本发明的所述重整反应器的优选实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0031]图1中的重整反应器1包括壳体2，该壳体2具有内壁4、外壁6以及侧壁8a、8b。内壁4和侧壁8a、8b限定了反应室10，烃类燃料20和氧化剂14被一起送入该反应室10中，且该反应室10中能够发生自热反应。
[0032]内壁4和外壁6限定了位于它们之间的空间12。空间12又形成了位于氧化剂供给口 16与氧化剂入口 18之间的、用于氧化剂14的通道。
[0033]另外，重整反应器1包括用于对反应室10中的自热反应进行催化的催化剂28。催化剂28使自热反应加速，但也可以在无催化剂的情况下使用根据本发明的重整反应器。优选地，催化剂28是金属格栅或陶瓷单片，但也可以使用适合于催化剂28的设计的任何其它基材。
[0034]氧化剂入口 18形成为多个孔口，尤其是多个孔或微缝，所述多个孔口的尺寸、形状和位置可根据所使用的氧化剂14、所使用的烃类燃料20以及它们的温度而变化。所述多个孔口