专利名称：自热重整器反应物的重整产品预热的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于将空气、蒸汽和烃类燃料转化成重整产品的自热重整器，更具体地涉及采用离开重整器的重整产品来预热空气和蒸汽。
背景技术：
在燃料电池系统中，已经知道可以采用自热重整器(ATR)来使空气、蒸汽和烃类燃料(例如汽油、甲烷等)发生反应，以形成含有H2、CO2、H2O、N2和CO的重整产品。CO和H2O之后转化成H2和CO2，重整产品供应给H2-O2燃料电池的阳极端。在ATR中，烃类燃料、蒸汽和空气的混合物顺序地通过两个反应区段，即第一部分氧化(POX)区段和第二蒸汽转化(SR)区段。在POX区段中，燃料与亚化学计量的空气发生放热反应，以产生一氧化碳、氢和低烃(例如甲烷)。热的POX反应产物和与燃料及空气一起引入的蒸汽进入到SR区段中，其中低烃与蒸汽发生反应以产生主要含有CO2、CO、H2、H2O和N2的重整气体。SR区段是吸热的，并从放热的POX反应所产生的由POX区段流出物携带到SR区段中的热量中得到其所需的热量。
发明概要已经确定，离开SR区段的重整产品必须具有至少为约650℃(最好为约700℃到约750℃)的温度，以便抑制甲烷形成并因此提高氢的产量。达到这样高的重整产品温度的一种方式是对将输入到ATR中的空气和蒸汽进行预热。预热不仅增加了系统的所需热量，而且允许减少所需的空气量，这又提高了系统的效率。本发明提供了改善的系统动态响应，这是通过将ATR输入流(空气和蒸汽)的热需求和ATR输出流(重整产品)中的热量更紧密地相联系而不是依靠来自位于系统端部的单独燃烧器的热量来实现的。因此，根据本发明，通过用离开ATR的SR区段的重整产品的排热来加热到ATR中的蒸汽和空气输入流，从而实现这种蒸汽/空气的预热。蒸汽作为中间载热流体来使用，使得重整产品可用于加热空气(和蒸汽)，不存在重整产品和空气混合并发生反应的可能性(即如果热交换器中存在泄漏的话)，这种混合和反应会使热交换恶化，容易导致在泄漏/反应部位处产生热交换的局部加热。更具体地说，本发明构思出一种操作可转化蒸汽、空气和烃类燃料以产生具有第一压力和至少约650℃温度的气态重整产品的自热重整器的方法。此方法包括用从重整产品中排出的热量来预热蒸汽和空气，这是通过下述步骤来实现的首先使蒸汽和重整产品进入到第一热交换器中，第一热交换器将热量从重整产品传递到保持在大于第一(即重整产品)压力的第二压力下的蒸汽中，这样，如果在第一热交换器中发生泄漏，那么蒸汽就会朝向重整产品流动。之后，蒸汽馈送到第二热交换器中，第二热交换器将热量从蒸汽传递到流经热交换器的相对侧的空气中。第二热交换器中的空气保持在小于第二(即蒸汽)压力的第三压力下，这样，如果第二热交换器发生泄漏，那么蒸汽就会朝向热交换器的空气侧流动。这种设置的净效应是热量从重整产品经输入蒸汽传递到输入空气中，重整产品不会与经过热交换器壁上的空气形成直接的热交换关系。根据本发明的一个优选实施例，第三热交换器设置在ATR和第一热交换器之间，以便在蒸汽放出一些热量给输入空气之后对蒸汽进行再加热。在本发明的一个实施例中，第一和第三热交换器容纳在一个共用外壳中。在另一实施例中，第一和第二热交换器容纳在一个共用外壳中。在最优选的实施例中，所有三个热交换工艺均在一个共用外壳中进行，以便降低起动时间，减小热损耗，并降低热交换器的体积、质量和成本。
附图简介
图1是适于执行本发明方法的自热重整器及相关热交换器的一个实施例的示意性图示。
图2是适于执行本发明方法的自热重整器及相关热交换器的一个优选实施例的示意性图示。
图3是图2所示热交换器的一个同心式传热管32的放大截面视图。
优选实施例的描述在考虑了本发明的一些具体实施例的下述详细介绍后可以更好地理解本发明，这些介绍结合上述附图给出。
图1示意性地显示了用于执行本发明工艺的ATR热交换器装置的一个实施例。更具体地说，图1显示了供应有烃类燃料(如汽油或甲烷)4、空气6和蒸汽8的自热重整器2(ATR)。燃料、蒸汽和空气在ATR中发生反应，以形成主要含有H2、CO2、CO、H2O和N2的热的(即至少约650℃)重整气体10。重整产品10经过热交换器12，在这里它的一部分热量传递给输入到ATR2中的蒸汽8中。离开热交换器12的重整产品10进入到另一热交换器14中，其中更多的热量从重整产品10传递到进入热交换器14的蒸汽8中。冷却的重整产品10离开热交换器14，并在通向燃料电池阳极(未示出)的路径上被净化(即通过水煤气轮换和优先氧化反应而基本上去除了CO)。离开热交换器14的蒸汽8进入到另外一个热交换器16中，其放出一些热量给经过热交换器16的另一侧的空气6，从而在其进入ATR2之前预热空气6。离开热交换器16的蒸汽8经过热交换器12，在此处它被离开ATR的重整产品加热，以便在其输入到ATR2中之前预热蒸汽8。最好，在所有热交换器(12，14，16)中的流动均为逆流，以提供最大传热效率。蒸汽8处于比重整产品10或空气6更高的压力下，而空气6处于比重整产品10更高的压力下。由于蒸汽8必须在与处于ATR2的共同压力下的空气6结合之前流经热交换器12，因此由热交换器12中的蒸汽8所引起的压力降将保证蒸汽8处于比热交换器16中的空气6更高的压力下。为了进一步保证蒸汽8处于比空气6和重整产品10更高的压力，在蒸汽管线8中的热交换器16之后设置了压力调节器或流量限制器18，因此，如果在任一热交换器中产生了泄漏，蒸汽将会流入到相邻流体中(而不是相反)，这样就阻止了空气和重整产品的任何混合，这种混合会损坏所用的热交换器，并可能损坏泄漏下游的燃料电池系统部件(如水煤气轮换反应器)。
在本发明的一个实施例中，第一和第三热交换器12设置在一个共用外壳中。对于此目的来说，其中的条板型或壳管型热交换器芯体尤为有效。在图2所示的优选实施例中，在热交换器14和16中进行的热交换工艺(见图1)结合在一个单元20中，以便减小热损耗、热交换器的体积、质量和成本，并缩短起动时间。蒸汽总是处于空气和重整产品之间。在此实施例中，ATR22产生热的重整产品流24，它离开重整产品-蒸汽的热交换器26，并进入到三流体热交换器20中，在这里其放出一些热量给也经过热交换器20的蒸汽28。空气30同时输入到三流体热交换器20中，在这里它被从中流过的蒸汽28所加热。对这一应用来说，同心式管、管壳型热交换器尤为有效。这种热交换器包括多个位于共用外壳33中的多个同心式管32，并包括包围了内管36的外管38(见图3)。空气流经内管36，蒸汽流经内管36和外管38之间的环状部分40，而重整产品流经外壳33内的多个同心式管32。或者，重整产品可流经中心管36，而空气流经外壳33内的多个同心式管32。可在管36和38上设置翅片以增强传热，并可采用波纹管型壳体来调节壳体的热膨胀。在一个最优选的实施例中，在图1所示的热交换器12，14和16中进行的热交换工艺均结合在一个多流体热交换器(未示出)中。
虽然已经就其一定的具体实施例来公开了本发明，然而本发明并不限于此，而是由下述权利要求限定。
权利要求
1.一种操作可将蒸汽、空气和烃类燃料的混合物转化成具有第一压力和至少约650℃温度的气态重整产品的自热重整器的方法，所述方法包括用从所述重整产品中排出的热量来预热所述蒸汽和空气，这是通过下述步骤来实现的(a)使所述蒸汽和所述重整产品进入到第一热交换器中以将热量从所述重整产品传递到所述蒸汽中，其中所述蒸汽保持在大于所述第一压力的第二压力下；以及(b)将所述空气和所述蒸汽送到第二热交换器中以将热量从所述蒸汽传递到所述空气中，其中所述空气保持在小于所述第二压力的压力下，这样，热量从所述重整产品经所述蒸汽传递到所述空气中，不会使所述重整产品与所述空气形成直接的热交换关系。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第二热传递在一个共用外壳中进行。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括在所述蒸汽在所述第二热交换器中冷却之后，离开所述第二热交换器的所述蒸汽进入到第三热交换器中以再次将热量从所述重整产品中传递到所述蒸汽中。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一和所述第三热传递在一个共用外壳中进行。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一、第二和第三热传递在一个共用外壳中进行。
全文摘要
一种操作自热重整器(ATR)(2)以产生高温重整产品(10)的方法，包括用来自重整产品(10)的热量对输入到ATR(2)中的蒸汽(8)和空气(6)进行预热。蒸汽(8)由重整产品(10)加热，然后空气(6)由蒸汽(8)加热。重整产品(10)和空气(6)之间不存在直接的热交换。在进行热传递的热交换器((12)，(14)和(16))中，蒸汽保持在比重整产品(10)和空气(6)更高的压力下。
文档编号H01M8/06GK1509254SQ02809873
公开日2004年6月30日 申请日期2002年5月9日 优先权日2001年5月14日
发明者S·G·戈贝尔, S·D·伯奇, W·H·佩蒂特, S G 戈贝尔, 伯奇, 佩蒂特 申请人:通用汽车公司