紧凑型燃料处理器的制作方法

专利名称：紧凑型燃料处理器的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于产生含氢气流例如合成气流的燃料处理器。本发明的装 置和方法特别适用于发动机系统应用中使用的燃料处理器，该应用中需要含 氢气体且空间有限。
背景技术：
对于需要供应氢的车或其它移动应用中的发动机系统，由于与次级燃料 的车载储存和加氢基础结构缺乏有关的这些难题，氢优选地是在车上使用燃 料处理器来产生。来自燃料处理器的含氢气体可被用于再生、脱硫和/或加热 发动机排气后处理装置，可被用作用于发动机的补充燃料，和/或可一皮用作用 于次级能量源的燃料，例如燃料电池。
一种类型的燃料处理器是合成气发生器(SGG),其把燃料转变为含氢 (H2)和一氧化碳(CO)的气流，称为合成气。空气和/或一部分发动机排 气流可被用作用于燃料转换处理的氧化剂。排气流典型地包含氧(02)、水 (H20)、 二氧化碳(C02)、氮(N2)和热函(sensibleheat)，其有助于合成 气的产生。气流和/或水可以选择添加。供应到SGG的燃料可方便地选择为 与发动机中使用的燃料相同的燃料。替换地，可使用不同的燃料，尽管这通 常需要单独的二次燃料源和特别用于SGG的供应系统。仏和CO在用于再
生排气后处理装置的处理中是有益的。对于其它应用，例如，用作燃料电池 中的燃料，合成气流可需要在使用前进行额外处理。
合成气生产可被隔离为三个主要处理过程混合、氧化和重整 (reformation),如图1所示。第一处理过程是混合处理过程且其通常发生在 入口处或附近，在那里氧化剂和燃料流被引入到SGG中，.进入所谓的"混 合区"。混合处理过程的主要功能是供应均匀混合和分布的燃料-氧化剂混合 物，用于随后的燃烧和重整。如果燃料是液体，其典型地被雾化并蒸发，同 时在该区域中与氧化剂混合。下一处理过程，氧化处理过程，发生在混合区 的下游，在所谓的"燃烧区"中。氧化处理过程的主要功能是点燃燃料-氧化剂混合物，以产生主要产物H2和CO以及下游吸热性重整反应所需的热 函。最后的处理过程，重整处理过程，是这发生在所谓的"重整区，，中氧化
产物和剩余燃料成分被通过重整反应进一步转化为H2和CO。合成气流然后 离开SGG且被引导用于附加的下游处理和/或引导到适当的耗氢装置(一个 或多个)。在这些区域之间没有严格的分隔；而是，这些区域;f皮此过渡或并 入，但是发生在每个区域中的主要处理通常如上所述。
在车或其它移动应用中，车载SGG通常应成本低、紧凑、重量轻且与 发动机系统的其它部件有效地封装在一起。与发动机系统中使用的把燃料和 发动机排气流转变为含氢气流的燃料处理器的设计关联的一些特别难题如 下
(a) 发动机排气流输出参数，例如质量流、压力、温度、组分和发射 水平，在发动机的运行范围上显著变化。
(b) 来自燃料处理器的所需的输出典型地可变化。含氢气流优选地根 据耗氢装置的可变需求而按需产生。这减少了对于额外储存和控制装置的需要。
(c)彻底混合燃料和氧化剂反应物是重要的。利用液体燃料，燃料与氧化 剂气流的未充分蒸发和混合可导致局部富含燃料的状况，导致焦炭和烟灰 (碳)、残渣和热点的形成。在典型的SGG运行温度例如1000°C -1200°C , 用于引入和蒸发燃料且同时有效地将燃料和氧化剂气流混合的时机受到限 制，这是由于极端的内部温度造成的。
(d) 发动机排气流压力受到限制，特别是在发动机怠速状况下。可用 于辅助燃料与氧化剂流的混合和分布的压力由此在至少一些运行状况下受
到限制。
(e) 高发动机排气背压可降低发动机的效率和性能，增加运行成本。 优选地，跨扩燃料处理器和其相关联部件(例如混合和计量装置，以及颗粒 过滤器)的压力降由此保持较低。
(f) 通常需要较高的系统可靠性和耐用性。
(g) 内燃机发动机排气后处理装置具有成本、体积和重量方面的约束， 特别是对于车辆应用来说。
具有流通结构的圆筒形反应器 一 一其中组合的燃料和氧化剂反应物混 合物主要沿一个方向向下游流动轴向地穿过该圆筒——普遍用于燃料处理器或SGG。这些类型的反应器的缺点包括反应器体积的一些部分不能被完 全利用，需要附加装置来促进反应物的混合和/或分布，以及需要附加装置来 稳定燃烧火焰在反应器中的位置。这些缺点会增加燃料处理器的体积、重量、 成本和/或减少运4亍范围。
在燃料处理器的启动处理过程中，常使用次级氧化剂和燃料流线路或燃 烧腔，以在贫乏或理论配比状况(stoichiometric condition)下产生热量，减 少用于燃料处理器达到期望的运行温度的时间来。因为如果在启动处理过程 中使用主氧化剂和燃料流线路，则可能产生不期望的量的碳，因此使用次级 氧化剂和燃料流线路或燃烧腔。但是，对于次级氧化剂和燃料流线路或燃烧 腔的需求增加了燃料处理器的复杂性、尺寸和成本。
在发动机系统应用和其它燃料处理器应用中，具有改进的反应器设计
发明内容
燃料处理器，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流，包括燃料入口 、 氧化剂入口、产物出口和盛装反应腔的外壳体。燃料处理器还包括混合管， 其被流体连接以接收来自氧化剂入口的氧化剂流和来自燃料入口的燃料流。 混合管是用于形成组合反应物流且将其大致轴向地导向进入反应腔中。反应 腔还包括转向腔(其为整个反应腔的一部分)和转向壁，该转向壁位于转向 腔的一个端部处。该转向壁是用于重定向组合反应物流，以使得在转向腔内 重定向的流环绕且接触组合反应物流，该组合反应物流沿相反方向基本上轴 向地流动。在燃料处理器的运行过程中，认为低速区域建立在转向腔中的相 反的反应物流之间。这稳定了燃料处理器中的燃烧火焰的位置。在一些实施 例中，燃料处理器包括热线点火塞或其它点火装置，用于反应腔内的燃烧反 应的开始。该热线点火塞或其它点火装置有利地位于转向腔中且其尖端位于 低速区域中。
在其它实施例中，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流的燃料处理 器包括燃料入口、氧化剂入口、产物出口和盛装反应腔的外壳体。燃料处理 器还包括混合管，其被流体连接以接收来自氧化剂入口的氧化剂流和来自燃 料入口的燃料流。混合管是用于形成组合反应物流且将其大致轴向地导向进 入反应腔中。转向壁位于转向腔的一个端部处，该转向壁重定向沿基本上相反方向离开混合管的组合反应物流，且环形颗粒过滤器基本上同心地设置在 混合管周围。
在上述实施例中，为了使得沿基本上相反方向流动的气流彼此接触以建 立低速区域，转向腔优选地没有流动分隔结构和流动阻挡结构。而且，优选 地该转向腔不包含催化剂来促进燃料和氧化剂流的转换。
在上述实施例中，转向壁可被特别设置形状，以重定向组合反应物流从 中心轴线向外且然后沿相反方向返回穿过转向腔。例如，其可^^皮设置形状以 具有中心峰顶，该峰顶朝向混合管突出且与混合管的轴线对齐。
在上述实施例中，燃料处理器还可包括盛装在壳体内的热交换器，用于 把热量从产物流传递到进入的氧化剂流。
燃料处理器的运行方法包括
(a)把氧化剂流和燃料流引入到燃料处理器中和混合燃料和氧化剂流 以形成组合反应物流；
(b )把组合反应物流大致轴向地引导进入燃料处理器内的转向腔中， 以使得其撞击在转向壁上且被该壁重定向以沿基本上相反方向流动，以使得 其环绕且接触轴向地流入转向腔中的组合反应物流；
(c)至少部分地燃烧和转变转向腔内的的组合反应物流，以形成含氢 产物流。
在该方法的优选实施例中，低速区建立在在转向腔内流动的相反流之间 的交界处，其稳定了燃料处理器内的燃烧火焰的位置。
该方法还可包括引导燃料流和氧化剂流穿过位于转向腔上游的混合管， 且可选地穿过位于混合管上游的临界流体文氏管。
该方法还可包括引导产物流以及残余的未反应的组合反应物流穿过颗 粒过滤器，该过滤器位于燃料处理器中，在转向腔的下游。如果存在未反应 的组合反应物流剩余，当它穿过颗粒过滤器时可被进一步转变。在紧凑型设 计中，该过滤器可以是大致同心地设置在混合管(如果存在的话)周围的环 形颗粒过滤器。
流的热量传递。该热交换器例如可以是同心套形式的热交换器，氧化剂流被 引导穿过混合管上游的热交换器的内管，且产物流在离开燃料处理器之前被 引导穿过热交换器的外环形腔。优选地，氧化剂流和产物流被引导穿过通向流动配置的同心套形式的热交换器。
在启动方法的实施例中，燃料流和氧化剂流被供应到燃料处理器且被混 合以形成组合反应物流。氧化处理过程被在燃料处理器中开始，其产生热量。 当燃料处理器的被监控的参数处于预定阈值之下时，燃料和氧化剂流被以大 致理论配比供应，且当被监控的参数达到预定阈值时，燃料对氧化剂的比例 被降低。该参数例如可以是燃料处理器的运行温度或运行时间。在优选实施 例中，通过燃料的质量流的控制来控制燃料对氧化剂的比例。氧化剂流和燃 料流可被引导穿过临界流动文氏管。
在上述装置和方法中，燃料处理器优选为非催化剂合成气发生器。在发 动机系统应用中，氧化剂入口可被流体连接以接收来自内燃机的排放气体， 以使得氧化剂流包括发动机排放气体以及附加的空气(或另一氧化剂)或基 本上由排放气体组成。
在上述燃料处理器设计和运行方法中，相反反应物流流动配置在转向腔 内建立低速区，其稳定了燃料处理器中的火焰的位置且提供如下进一步详述 的伊乙点。


图l是处理过程流程图，示出了合成气发生器内的典型燃料转换处理过
程；
图2是内燃机发动机系统的实施例的示意图，该系统具有燃料处理器和
排气后处理系统；
图3a是合成气发生器的俯视图3b是图3a所示的合成气发生器的横截面侧视图4是由合成气发生器内的通过绝缘件形成的转向壁的横截面透视图5是合成气发生器的启动处理过程的实施例的流程图，示出了确定燃
料的质量流设定值的步骤。
具体实施例方式
图1示出了典型合成气发生器(SGG)燃料转换处理过程，且如上所述。 图2示出了具有燃料处理器和排气后处理系统的发动机系统的实施例的 示意图。在该示出的实施例中，燃料处理器是合成气发生器(SGG)。在图2中，燃料箱21供应液体燃料，穿过燃料供应管线22，到达内燃机23。可选 的燃料过滤器、燃料泵、燃料压力调节装置和燃料流量控制装置(在图2中 均未示出)可被并入到燃料箱21中，或并入到燃料供应管线22中。可选的 燃料返回管线(在图2中未示出)可把燃料返回到燃料箱21。内燃机23, 可以是柴油、汽油、液化石油气(LPG)、煤油、天然气、丙烷、曱醇、乙 醇、燃油(fijeloil)或其它碳氢化合物、酒精或合适的被供给燃料的发动机， 该发动机例如是压燃或火花点燃式的。内燃机23可以具有各种设计，包括 往复活塞、汪克尔发动机(Wankd)和燃气轮机。发动机可以是车辆或非车 辆系统的部分。内燃机典型地包括传统的空气供应子系统(在图2中未示出) 以供应空气到发动机。
发动机排气管线24，引导至少部分发动机排气流到排气后处理子系统 25。发动机排气管线24可合并其它排放减少装置，例如排放气体再循环 (EGR)系统(在图2中未示出)。发动机排气管线24可包括涡轮压缩机和 /或中冷器(intercooler)(图2中未示出)。排气后处理子系统25可包括各种 排气后处理装置，例如贫NOx捕获装置(LNTs: Lean NOx Traps)、柴油颗 粒过滤器(DPFs)、柴油氧化催化装置(DOCs)和消音器和相关联的阀、传感 器和控制器。被处理后的发动机排放气体流流动穿过排气管26且排入到周 围大气中。
来自管线24的发动机排气流的一部分经由SGG氧化剂入口管线27引 导到SGG200。可选地，来自空气供应子系统的空气，和/或来自流供应子系 统(在图2中未示出)的水或流还可经由氧化剂入口管线27和/或经由一个 或多个其它入口、在SGG200的运行期间在一些点处或连续地被引入到SGG 200中。来自燃料箱21的燃料经由SGG燃料入口管线28从燃料供应管线 22供应到SGG 200。可选的燃料过滤器、燃料泵、燃料温度调节装置和/或 燃料热交换器(均未在图2中示出)可被整合到SGG燃料入口管线28中。 可选地，燃料预加热器还可^皮并入到该系统中。管线28中的燃料计量组件 29控制供应到SGG 200的燃料的质量流(mass flow)和压力。使用临界流 动文氏管(CFV: critical flow venturi)在SGG 200内部计量氧化剂流。
SGG 200把包括发动机排气的燃料和氧化剂流转换合成气流。产生的合 成气流的至少一部分经由合成气出口管线201供应到排气后处理子系统25。 合成气出口管线201可包括可选的阀、传感器、控制器或类似的设备。合成气流被用于再生、脱硫和/或用于加热排气后处理子系统25中的一个或多个 装置，且可被引导到整个系统中的其它耗氢装置，例如燃料电池(未示出) 和/或发动机自身。
图3a是SGG300的实施例的俯视图，图3b是(沿图3a的截面A-A的) 横截面视图。在图3a和3b中，氧化剂流通过氧化剂入口管301进入SGG300, 流动穿过可选的管中管或同心套管形式的热交换器302 ，且进入氧化剂腔303 中。热交换器302可以是不同类型的热交换器，例如盘绕管或平板型。燃料 流经由燃料入口管313和燃料引入管304被引导引入到氧化剂流中且靠近 CFV(临界流动文氏管)的入口或喉部。燃料流和氧化剂流持续向下游流动 穿过CFV305且进入混合管306,形成组合反应物流。在图3a和3b中，氧 化剂入口管301和出口管311 4皮示出为从SGG300的顶部垂直向上延伸，燃 料入口管313向下延伸。氧化剂入口管301、出口管311和燃料入口管313 可并非如图3a和3b所示的位置处定向。
当组合燃料和氧化剂流行进穿过CFV305时，优选地在SGG300的至少 一部分设计运行范围内，且更有选在SGG300的大部分设计运行范围，组合 反应物流达到音速。在至少一部分运行范围内，组合反应物流的参数(空气 -燃料比、温度、压力)典型地使得该流处于其可燃和自动点火范围内。CFV305 和混合管306内的组合反应物流的速度优选地被保持高于该流的火焰速度。 这降低了闪回(flashback)向上游传播到CFV的可能性。在至少一部分运行 范围内，CFV305和混合管306内的组合反应物流的滞留时间优选地被保持 低于该流的自动点火延迟时间，降低了自动点火发生在CFV和混合管内的 可能性。CFV305和混合管306优选地基本上同心地绕SGG300的纵向轴线 定位。反应腔307在图3b中由虚线示出。组合反应物流以高速离开混合管 306,流动计入反应腔307中，该速度例如高于局部火焰速度，该反应腔由 绝缘件308形成且热绝缘。绝缘件308优选地使用真空成形过程来形成。该 热绝缘件优选地包括一层陶瓷绝缘材料或具有不同的导热性和机械性能的 多层陶资绝缘材料。多层绝缘件构造使得SGG的设计热损失超过其运行范 围。第二层绝缘件在图3b中示出为是绝缘件314。
在所示的实施例中，组合反应物流基本上平行且靠近反应腔307的纵向 轴线流动，且撞击在转向壁315上，使得该流分散或沿发散的径向方向膨胀。 组合反应物流被转向壁315 "反射"，沿大致相反方向(与其离开混合管306时的方向相反)转向或流动，更靠近反应腔307的周壁，且进入环形颗粒过 滤器309中，该过滤器位于环绕混合管306的反应腔307中。反应腔307的 一部分——该部分中存在沿一个方向流动且被沿基本相反的方向流动的反 应物流所围绕(并接触)的组合反应物流的中心射流——该部分被称为转向 腔323。转向腔323在图3b中由双点划线示出。与转向腔323的横截面面积 相比，离开混合管306的组合反应物流的橫截面面积较小，允许当组合反应 物流流动进入转向腔323时该反应物流膨胀。转向壁315由绝缘件308形成， 且在所示的实施例中具有的构造使得碰撞的组合反应物流从与碰撞的流纵 向地对齐的中心点轴向地向外扩张且被反射以沿大致相反的方向流动。转向 壁315优选地被设置形状成适当地或有利地在转向腔323内分配组合反应物 流的流动。例长o，其形状可4皮i殳置为半环面(semi-ring torus )、半喇p八环面
(semi-horn torus )、半圆4偉环面(semi-cone torus )、半^求形或盘形。图4是 转向壁315的(沿图3a所示的截面B-B)横截面视图，该转向壁形成在绝 缘件308中，具有半喇叭环面形状。转向壁315不必由绝缘件308形成，而 是可以为分立的部件和/或由不同材料构造。当组合反应物流沿一个方向(离 开混合管306)和沿相反方向(在被转向壁315重定向后)流动进入环形颗 粒过滤器309时，在转向腔323中没有挡板、套筒、隔离件、催化剂床、整 块结构或其它结构分开该组合反应物流。朝向颗粒过滤器309流动的外部或 环绕的流通常比离开混合管306的中心射流更緩慢地流动。在两个流接触的 地方，局部速度将典型地较低或接近零，且在这些流之间将存在一些混合。 混合管306、转向腔323和转向壁315的这种构造(尺寸、形状和位置)以 及具有双向流动的开口或无障碍转向腔323，有助于再循环区域和/或涡流
(如箭头317所示)的形成。可认为，两个相反的流彼此接触且涡流317发 生的低速区或区域有助于稳定燃烧火焰的位置。在涡流317处或附近的组合 反应物流的局部速度一般低于流的火焰速度。而且，局部流体动力学特性使 热的燃烧反应物与新鲜的未燃烧反应物补充和混合，使得发生连续的燃烧过 程，这通常在起动后自维持。具有"转向"腔的燃料处理器一一例如所述的 处理器一一提供了一个或多个可能的优点，包括
(a) 通过在相反流的混合所发生之处建立低速区来增加燃烧火焰的稳 定性，如前面段落所述。
(b) 通过SGG300的设计运行范围，组合反应物流的流动样式可被设计为把低速区定位在反应腔中的期望位置。
(C)在两个相反流之间的低速区域中，速度足够低，以使得火焰可燃烧而
不被吹走或吹灭(熄灭)，即使当进入的组合反应物流的质量流率(mass flow rate)增加也如此。因此，转向i殳计可增加反应物的空间速度而没有不利地 影响燃烧火焰的位置和稳定性。这可被实现而不使用附加部件(例如非流线 形体(bluff body))来稳定火焰的位置，由此还降低了成本。与具有传统直 线流穿设计的SGG相比，具有转向腔的SGG已被证明空间速度增加到二至 四倍(依赖于氧化剂流)，同时保持稳定的火焰和合成气质量。
(d) 转向设计使得反应器体积的使用更有效，允许燃料处理器更紧凑。 例如，在传统的直线流穿燃烧腔中，进入反应物射流周围的体积典型地不能 被有效使用，而在转向设计中，中心射流周围的空间被沿相反方向回流的流 占据。组合反应物流在转向壁上的碰撞(这降低了局部速度)和低速区域的 形成有助于稳定火焰，这允许穿过燃料处理器的更大的空间速度。
(e) 由于相反流的混合，进入的组合反应物流被部分燃烧的流快速加 热，便于点火和燃烧，即使当进入的流具有较低的氧含量(如同SGG运行 在发动机排气上那样)也如此。
在优选实施例中，转向腔323的平均直径比混合管306出口的直径大出 约3-7倍，或更优选地大出约5倍。从混合管306的出口到转向壁315的距 离优选地为混合管306的出口的直径的约4-11倍，或更优选地为混合管306 的出口的直径的约7-8倍。由于转向壁315通常不是平的，所以所提到的距 离是平行于混合管纵向入口、从混合管出口到转向壁的平均平面(图3b中 示出为平面324)测量得到的距离。已发现，该优选距离范围使得颗粒过滤 器的上游在反应腔307内能发生流的膨胀、流的速度降低和形成涡流317。 混合管306、反应腔307和转向腔323优选地是圆筒形和/或圓锥形，但不是 必须的。
热线点火塞(glowplug) 316 (图3b中示出)附连到壳体312,且位于 转向腔323中，以在启动过程中以及可选地在SGG300的其它运行点起动燃 烧或点燃组合反应物。在优选实施例中，热线点火塞316位于组合反应物流 的局部速度较低的区域中(例如低于流的火焰速度)或附近，且SGG300启 动过程中处于燃料滴的喷射样式内。例如，其可被定位在靠近转向腔323的 圓柱形轮廓与转向壁315的环形轮廓相交的地方。在一些实施例中，是与转向腔323或绝缘件308的表面距离10 ± 4mm处且在该腔的更低或最低部分 中。该定位可提供多个优点，包括(a)当燃料与热线点火塞直接接触时， 特别是当该热线点火塞位于该腔的较低部分中时，由于重力的作用将趋于把 燃料滴的喷射拉向热线点火塞，在启动过程中能增加火焰点燃的可靠性和速 度；和(b)由于燃烧火焰可被点燃且锚定在该腔的靠近转向壁端部处，所 以增加了转向腔323和/或反应腔307的体积利用。替换地，可使用 一个或多 个热线点火塞，该热线点火塞可被用于感应转向腔323和/或反应腔307的温 度，可使用其它点火装置，例如线或丝网。
当反应物移动穿过转向腔323时，氧化和然后的重整反应过程逐渐地发 生。流连续地穿过环形颗粒过滤器309,在那里碳颗粒被捕获和储存，直至 碳汽化处理启动，或者替换地通过连续的碳汽化处理碳颗粒被立即氧化。在 再次翻转方向和穿过可选的热交换器302且经由出口管311离开SGG300之 前，产生的合成气流朝向与转向壁315相对的反应腔307的端部连续地流动。
在所示实施例中，热交换器302是管中管或同心套形式的热交换器，其 把热量从产生的合成气流传递到进入的氧化剂流。热交换器302包括同心地 定位的三个套筒外套筒318、中间套筒319和内套筒320。外套筒318和 中间套筒319形成环形外腔321，产生的合成气流在经由出口管311离开 SGG300之前从反应腔307流动穿过该环形外腔。中间套筒319和内套筒320 形成内腔322,氧化剂流从氧化剂入口管301穿过该内腔流到氧化剂腔303。 中间套筒319把氧化剂流与产生的合成气流流体地分开，且把来自产生的合 成气流的热量传递到氧化剂流。热交换器302可经受极端的温度(例如高达 约1200°C)、热循环和热应力。单独的套筒优选地利用有限数量的接头和/ 或焊接接头制造且更优选地由单件材料制造以增加它们的耐用性。同心套形 式的热交换器提供多个优点，包括紧凑的体积、适应流体之间热传递量的能 力、以及增加比例(increase in sale )而没有不利地影响热交换器的压力降和 /或体积的能力。热交换器302优选地绕燃烧腔307和SGG300的纵向轴线同 心地定位，具有套筒结构，以使得产生的合成气流和氧化剂流沿同向流动方 向(尽管套筒可被构造为允许存在其它相对流动方向)流动穿过热交换器 302。同向流动气体流构造把进入的氧化剂流可实现的最大温度限制到产生 的合成气流的出口温度。同向流动构造提供多个优点，包括氧化剂流温度的 一些自身调节(通过改变气体密度和由此改变穿过CFV的氧化剂的质量流率，这然后影响产生的合成气流的最终温度和供应到热交换器的热量)和对
热交换器302进行冷却，这减少了其暴露于温度极限之下。在一些应用中， 例如当空气或高氧含量的氧化剂反应物被使用时，热交换器302 (以及可选 的一部分壳体312、绝缘件308、绝缘件314和用于盛装热交换器302的反 应腔307)可被从SGG300消除，还降低了 SGG的体积和成本。
在SGG的启动处理过程和/或消耗合成气的系统的实施例中，通过调节 进入的氧化剂和燃料反应物流的当量比(或空燃比)，SGG可选择性地运行 以在产物流中产生有限量的氢或产生可忽略量的氢。在图5中，处理过程500 是合成气发生器的启动处理过程的例子，示出了确定燃料的质量流的设定值 的步骤。处理过程500在步骤501开始，该步骤501确定SGG的开始处理 过程中产生的氢的期望量。在步骤501中，如果产物流中产生的可以忽略量 的氢是可接受的，且在该开始处理过程中期望更短的加热时间段(实现期望 的SGG运行温度的时间段)，则处理过程500将前进到步骤502。在步骤502 中，当量比可被选择，以处于理论配比或靠近理论配比，以使得两种反应物 都在燃烧过程中被基本上完全消耗，且SGG被基本上作为启动时的燃烧器。 在步骤501中，如果期望在产物流中产生超过可以忽略量的氢且在启动处理 过程中更长的加热时间段是可接受的，则处理过程500将前进到步骤503 。 在步骤503中，当量比被选择为富含燃料，这产生一些H2，但是倾向于导致 更长时间来使得SGG达到期望的运行温度。当量比可通过在步骤504中调 节燃料的质量流率而被控制，用于期望的启动状况，因为在启动过程中，临 界流动文氏管可被动地计量氧化剂的质量流和有效地雾化液体燃料。使用 SGG来以所述的方式(快速地且基本没有氢产生或更慢速地有一些氢产生) 自加热(且可选地加热其它系统部件)可降^f氐或消除系统中对于单独的次级 氧化剂和/或燃料回路或燃烧室的需要。在步骤502和步骤503中，当量比不 必是一个恒定的设定值，例如，其可包括一个或多个当量比设定值和以可可 变的速度改变。
在上述装置和方法的优选实施例中，燃料处理器是合成气发生器 (SGG)，其为非催化的部分氧化重整器(reformer),其在正常的运行中被 操作以产生合成气流。但是，这里描述的燃料处理器设计和运行方法可被用 于各种类型的燃料处理器，包括SGG、重整器或反应器，用于产生含氢气流。 这些可以是各种类型的，例如催化部分氧化器、非催化的部分氧化器、和/或自热重整器。适当的重整器和/或水-气转换催化剂可^f皮用于燃料处理器中。 供应到燃料处理器的燃料可以是液体燃料(这里是指当处于IUPAC规 定的标准温度和压力条件下为液体的燃料)或气体燃料。适当的液体燃料包
括，例如，柴油、汽油、煤油、液化天然气(LNG)、燃油、曱醇、乙醇或 其它醇类燃料、液化石油气(LPG)、或其它可得到氢的液体燃料。替换的 气体燃料包括天然气和丙烷。
燃料处理器可被用于使用了耗氢装置的各种最终用途的移动或静止应 用中。产品流可被用于一个或多个耗氢装置，例如排气后处理装置、燃料电 池、或内燃片几。
虽然本发明的具体元件、实施例和应用已被示出和说明，但是应理解， 本发明不限制于次，因为本领域技术人员可进行修改而不偏离本发明的范 围，特别是根据前述教导。
权利要求
1.一种燃料处理器，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流，所述燃料处理器包括燃料入口、氧化剂入口、产物出口和盛装反应腔的外壳体，其中所述燃料处理器还包括(a)混合管，其被流体连接以接收来自所述氧化剂入口的所述氧化剂流和来自所述燃料入口的所述燃料流，用于形成组合反应物流且将所述组合反应物流大致轴向地导向进入所述反应腔中；且其中所述反应腔还包括(i)转向腔；和(ii)转向壁，位于所述转向腔的一个端部处，用于重定向所述组合反应物流，以使得在所述转向腔内重定向的流环绕且接触沿相反方向基本上轴向地流动的所述组合反应物流。
2. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中在所述燃料处理器的运行过程 中，所述转向腔和所述转向壁在相反的反应物流之间建立低速区域，以稳定 所述燃料处理器中的火焰的位置。
3. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向腔没有流动分隔结构 和流动阻挡结构。
4. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向腔不包含用于促进所 述燃料和氧化剂流的转换的催化剂。
5. 如权利要求4所述的燃料处理器，其中所述燃料处理器是非催化的合 成气发生器。
6. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述氧化剂入口被流体连接， 以接收来自内燃机的排出气体。
7. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向腔的直径是所述混合 管的出口的直径的约3-7倍。
8. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向腔的直径是所述混合 管的出口的直径的约5倍。
9. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中从所述转向壁的平均平面到所 述混合管的出口的距离是所述混合管的出口的直径的约4-11倍。
10. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中从所述转向壁的平均平面到所述混合管的出口的距离是所述混合管的出口的直径的约7-8倍。
11. 如权利要求1所述的燃料处理器，还包括位于所述混合管上游的临 界流动文氏管。
12. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述反应腔还包括环绕所述 混合管的环形部，位于所述转向腔的下游。
13. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述反应腔包括环绕所述混 合管的环形颗粒过滤器，位于所述转向腔的下游。
14. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向壁的形状设定为将 所述组合反应物流重定向为/人中心轴线向外且然后基本上沿相反方向返回 穿过所述转向腔。
15. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向壁的形状具有中间 峰顶，该峰顶朝向所述混合管突出且与所述混合管的轴线对齐。
16. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述转向壁包括半喇叭环面、 半圆环环面、半圆锥环面、半^i形和盘状结构中的一种。
17. 如权利要求1所述的燃料处理器，还包括多于一层的热绝缘件，其 中每个层都具有不同的热绝缘性能。
18. 如权利要求1所述的燃料处理器，其中所述反应腔由一热绝缘层形成。
19. 如权利要求18所述的燃料处理器，其中所述热绝缘层被真空成形。
20. 如权利要求1所述的燃料处理器，还包括同心套式的热交换器，该 热交换器包括内腔，该内腔被流体连接以接收来自所述氧化剂入口的氧化剂 流且把氧化剂流朝向所述混合管导向，且包括环绕的外环形腔，该外环形腔 流被流体连接以接收来自所述反应腔的产物流且把该产物流朝向所述产物 出口导向。
21. 如权利要求20所述的燃料处理器，其中所述热交换器被流体连接， 以使得所述氧化剂流和所述产物流被沿同向流动方向导向穿过所述同心套 热交换器。
22. —种燃料处理器，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流，所述 燃料处理器包括燃料入口、氧化剂入口、产物出口和盛装反应腔的外壳体， 其中所述燃料处理器还包括(a)混合管，其被流体连接以接收来自所迷氧化剂入口的所述氧化剂流和来自所述燃料入口的所述燃料流，用于形成组合反应物流且将所述组合反应物流大致轴向地导向进入所述反应腔中；(b) 转向壁，位于所述反应腔的一个端部处，该转向壁沿基本上相反 方向将离开所述混合管的所述组合反应物流重定向；(c) 环形颗粒过滤器，基本上同心地设置在所述混合管周围。
23. 如权利要求22所述的燃料处理器，还包括设置在所述外壳体中的同 心套式的热交换器。
24. —种运行燃料处理器的方法，所述方法包括(a)把氧化剂流和燃料流引入到所述燃料处理器中和将所述燃料与氧 化剂流混合以形成组合反应物流；(b )把所述组合反应物流大致轴向地引导进入所述燃料处理器内的转 向腔中，以使得其撞击在转向壁上且被所述壁重定向以沿基本上相反方向流 动，以使得其环绕且接触轴向地流入所述转向腔中的组合反应物流；(c)至少部分地燃烧和转化所述转向腔内的组合反应物流，以形成含 氢产物流。
25. 如权利要求24所述的方法，其中低速区域建立在所述转向腔内流动 的相反流之间的交界处，这稳定了所述燃料处理器内的燃烧火焰的位置。
26. 如权利要求24所述的方法，其中步骤(a)包括把所述燃料流和所 述氧化剂流导向穿过位于所述转向腔的上游的混合管。
27. 如权利要求26所述的方法，其中所述转向腔的直径是所述混合管的 出口的直径的大约3-7倍。
28. 如权利要求26所述的方法，其中所述转向腔的直径是所述混合管的 出口的直径的大约5倍。
29. 如权利要求26所述的方法，其中从所述转向壁的平均平面到所述混 合管的出口的距离是所述混合管的出口的直径的约4-11倍。
30. 如权利要求26所述的方法，其中从所述转向壁的平均平面到所述混 合管的出口的距离是所述混合管的出口的直径的约7-8倍。
31. 如权利要求24所述的方法，其中所述燃烧和转换是非催化的。
32. 如权利要求24所述的方法，其中所述燃料处理器是非催化的合成气 发生器且所述含氬产物流是合成气流。
33. 如权利要求24所述的方法，其中所述氧化剂流包括来自内燃机的排出气体。
34. 如权利要求24所述的方法，其中所述氧化剂流基本上包括来自内燃 机的排出气体。
35. 如权利要求26所述的方法，其中所述燃料流和所述氧化剂流被导向 穿过位于所述燃料处理器的混合管上游的临界流体文氏管。
36. 如权利要求24所述的方法，其中所述燃料处理器的运行过程中的至 少一些时间，所述组合反应物流的速度在所述燃料处理器某处超过所述组合反应物流的火焰速度。
37. 如权利要求24所述的方法，其中所述燃料处理器的运行过程中的至 少一些时间，所述转向腔的一些区域中，所述组合反应物流的速度高于所述 组合反应物流的火焰速度，且在所述转向腔的其它区域中，所述组合反应物 流的速度低于所述组合反应物流的火焰速度。
38. 如权利要求24所述的方法，其中所述产物流和未反应的组合反应物 流被导向穿过位于所述燃料处理器中在所述转向腔下游的颗粒过滤器。
39. 如权利要求26所述的方法，其中所述产物流和未反应组合反应物流 被导向穿过环形颗粒过滤器，该过滤器基本上同心地设置在所述转向腔的下 游的所述混合管周围。
40. 如权利要求38所述的方法，其中所述未反应物流穿过所述颗粒过滤 器时被进一步转换为所述产物流。
41. 如权利要求26所述的方法，还包括经由位于所述燃料处理器内的热 交换器把热量从所述产物流传递到所述氧化剂流。
42. 如权利要求41所述的方法，其中所述热交换器是同心套式的热交换 器，且所述氧化剂流被导向穿过所述混合管上游的所述热交换器的内管，且 所述产物流在离开所述燃料处理器之前被导向穿过所述热交换器的外环形 腔。
43. 如权利要求42所述的方法，其中所述氧化剂流和所述产物流被导向 穿过同向流动构造的所述同心套式的热交换器。
44. 一种运行燃料处理器的方法，所述方法包括(a) 供应燃料流和氧化剂流到所述燃料处理器中；(b) 将所述氧化剂流和所述燃料流混合，以形成组合反应物流；(c) 在所述燃料处理器内开始氧化处理过程，由此通过所迷氧化处理过程产生的热量转换所述组合反应物流；其中，当所述燃料处理器的被监控的参数处于预定阈值之下时，所述燃 料和氧化剂流被以大致理论配比的比例供应，且一旦所述被监控的参数达到 所述预定阈值时，燃料对氧化剂的比例增加。
45. 如权利要求44所述的方法，其中所述被监控的参数是所述燃料处理 器的运行温度或已运行时间。
46. 如权利要求44所述的方法，其中通过控制所述燃料的质量流率来控 制燃料对氧化剂的所述比例。
47. 如权利要求44所述的方法，其中所述氧化剂流和所述燃料流被导向 穿过临界流动文氏管。
48. 如权利要求44所述的方法，其中燃料对氧化剂的所述比例以至少一 种设定值增加。
49. 如权利要求44所述的方法，其中燃料对氧化剂的所述比例被以变化 的速率增加。
50. —种燃料处理器，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流，所述 燃料处理器包括燃料入口、氧化剂入口、产物出口和盛装反应腔的外壳体， 其中所述燃料处理器还包括(a)混合管，其被流体连接以接收来自所述氧化剂入口的氧化剂流和 来自所述燃料入口的燃料流，用于形成组合反应物流且将所述组合反应物流 大致轴向地导向进入所述反应腔中； 且其中所迷反应腔还包括(i) 转向腔；和(ii) 转向壁，位于所述转向腔的一个端部处，用于重定向所述组合反 应物流，以使得在所述转向腔内该重定向的流环绕且接触沿相反方向基本上 轴向地流动的所述组合反应物流；和热线点火塞。
51. 如权利要求50所述的燃料处理器，其中在所述燃料处理器的运行期 间，所述转向腔和所述转向壁在相反的反应物流之间建立低速区域，且其中 所述热线点火塞的顶端位于所述低速区域中。
52. 如权利要求50所述的燃料处理器，其中所述热线点火塞位于所述转 向腔的下部。
全文摘要
燃料处理器，用于从燃料流和氧化剂流产生含氢产物流，包括混合管，其把组合的燃料和氧化剂流大致轴向地导向进入反应腔中。反应腔包括转向腔和转向壁，该转向壁位于转向腔的一个端部处，以使得在转向腔内重定向的流环绕且接触沿相反方向基本上轴向地流动的组合反应物流。该设计和相反流动构造建立低速区域，这稳定了燃料处理器中的火焰的位置且提供了其它优点。
文档编号B01F5/00GK101687166SQ200880014450
公开日2010年3月31日 申请日期2008年5月1日 优先权日2007年5月1日
发明者威廉·A·洛根, 安德烈·鲍莱特, 李绚天, 理查德·A·塞德奎斯特, 雅各布·尼尔斯 申请人:恩克斯特根排放控制股份有限公司