专利名称：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：
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：
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。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。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。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。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。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。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。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。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。 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。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
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。通过根据权利要求1所述的重整反应器和根据权利要求13所述的方法实现了该 目的。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。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。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。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。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勻的反应混合物， 而且氧化剂的预热防止了冷凝。由此实现的基本均勻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。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。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。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。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勻地分布。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。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勻的混合 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。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勻的。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。在从属权利要求中限定了其它优选实施例及优点。
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。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。
具体实施例方式图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。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。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 化剂观使自热反应加速，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，催化剂观是金属格栅或陶瓷单片，但也可以使用适合于催化剂观的设计的任何其它基材。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 多个孔口可以具有相同的尺寸和形状，但这些孔口的尺寸和形状彼此之间也可以不同。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观接触之前是基本完全均勻的。混合区(孔 口 18的位置)与催化剂观之间的距离D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。
此外，重整反应器1还具有位于壳体2的侧壁8a中的烃类燃料入口 22。优选地， 该燃料入口 22形成为燃料喷射器，它向反应室10内提供燃料喷雾。在壳体2的相反侧壁 8b中设置有重整气体出口 M。重整气体沈为富氢气体，它是自热反应的产物，并且能够用 于燃料电池的运行。如图1所示，重整反应器1还包括用于对烃类燃料20进行预热的预热装置30。在 图1中，该燃料预热装置被图示为单独的装置30，但也可以将燃料喷射器22与燃料预热装 置30集成为单个装置。如果燃料喷射器22另外与侧壁8a导热接触，则反应室10中产生 的热量能够传递到燃料喷射器22，从而能够在燃料喷射器22中利用该热量来预热所述烃 类燃料20。在下文中，通过示例性地以空气/蒸汽混合物作为氧化剂把作为烃类燃料的柴油 转化为氢气，来对重整反应器1的运行进行描述。用于转化的反应为自热式。根据本发明，在空气/蒸汽混合物14通过氧化剂供给口 16注入到空间12中之前 使空气和蒸汽混合，该空间12用作将空气/蒸汽混合物14从氧化剂供给口 16输送到重整 反应器1的氧化剂入口 18的空气/蒸汽通道。在通向壳体2的内壁4中的多个入孔18的途中，空气/蒸汽混合物14利用从内 壁向空气/蒸汽混合物的热传递而预热，由此，该热传递也使反应室10的内壁4冷却。通 过冷却该反应室10的内壁4，反应室10中的柴油燃料分子在碰撞到反应室壁上时燃烧成烟 灰的风险降低了。当来自空气/蒸汽混合物14的氧气与具有较短链的柴油燃料20的“较 轻质”烃分子反应(CxHy+& — C02+C0+H20)时，反应室10的内壁4通过发生在反应室10内 的基本均勻的氧化而被加热。空气/蒸汽混合物14通过孔口 18进入该反应器的反应室10中，从而在反应室10 内形成基本均勻的空气/蒸汽烟雾，在反应室10中该空气/蒸汽混合物14与通过燃料喷 射器22喷到该空气/蒸汽烟雾中的柴油燃料20混合。为了柴油燃料20与空气/蒸汽烟雾14的成功混合，需要柴油燃料20向空气/蒸 汽烟雾14中的基本理想的雾化或汽化，以基本上阻止燃料20或空气/蒸汽烟雾14的冷凝。 由于这种不期望的冷凝很可能是因为预热的空气/蒸汽烟雾14与通常较冷的柴油燃料20 之间的温差而发生，所以，根据本发明，柴油燃料20也由预热装置30进行预热。通过将柴 油燃料20预热到接近但低于燃料最低沸点的温度，实现了基本理想的燃料雾化或汽化以 及随后的空气/蒸汽混合物，由此也提供了用于基本理想的雾化或汽化的热量。优选地，空 气/蒸汽烟雾14也被预热到与柴油燃料20的温度处于相同范围的温度或更高温度，由此 提供了燃料20与蒸汽14之间的升高的温度，这又基本阻止了冷凝。由于燃料(特别是柴油燃料)是不同组分的混合物，由此，每个组分具有不同的沸 点，因此优选将空气/蒸汽混合物预热到比柴油燃料中的最轻组分的沸点高的温度，该最 轻组分的沸点形成了柴油燃料的最低沸点。如果预热的空气/蒸汽混合物的温度高于由柴 油燃料的最低沸点给出的温度，则基本上避免了该燃料中的轻质组分冷凝，而且燃料/空 气/蒸汽混合物的温度收敛于燃料中的较重组分的沸点，从而能够轻松实现基本完全的燃 料汽化。应当注意，归因于与“较冷”的预热燃料接触而引起的空气/蒸汽混合物的冷凝不 会发生，因为在空气/蒸汽混合物与预热燃料接触时，该空气/蒸汽混合物未被冷却到其沸 点 ο
雾化燃料与空气/蒸汽烟雾混合以及燃料预热的结合得到了基本完全均勻的反 应混合物，其允许烃类燃料的基本完全转化，这又允许高效生产燃料电池级氢气。根据所述孔口的位置、尺寸以及这些孔口与燃料喷射器22之间的距离，在反应室 10内实现了空气/蒸汽烟雾与柴油燃料喷雾的紊流混合，使得该混合物在与催化剂观接触 之前是基本完全均勻的。然后，该基本均勻的气体混合物被引入到催化剂观中，在该催化剂观内，柴油燃 料20的烃类经历自热反应过程。在催化剂内发生的自热反应过程中，所产生的氢(H)、CO 和CO2为主要的过程产物。这些产物在该反应器外部的后续步骤中被处理，其目的是为了 将H与所有其它过程产物分离。附图标记列表
1重整反应器
2壳体
4内壁
6外壁
8a、8b侧表面
10反应室
12空间=氧化剂
14氧化剂
16氧化剂供给口
18氧化剂入口
20烃类燃料
22烃类燃料入口
24富氢气体出口
26富氢气体
28催化剂
30预热装置
权利要求
1.一种重整反应器(1)，所述重整反应器(1)通过自热反应将烃类燃料00)转化为用 于燃料电池和/或排放处理应用的富氢气体(26)，所述重整反应器(1)具有壳体O)，所 述壳体( 具有两个侧表面(8a，8b)，所述两个侧表面(8a，8b)形成所述重整反应器(1)的 反应室(10)；以及燃料入口(22)，所述燃料入口 0 设置在所述两个侧表面中的一个侧表 面(8a)中，以将烃类燃料提供到所述反应室中，其特征在于，设置有燃料预热装置，所述燃料预热装置在所述烃类燃料进入所述反应室(10)中之 前对所述烃类燃料进行预热。
2.根据权利要求1所述的重整反应器(1)，其中所述预热装置设置在所述燃料入口 0 的上游。
3.根据权利要求1所述的重整反应器(1)，其中所述预热装置是所述燃料入口 0 的一体部分，所述燃料入口 0 优选与所述侧表 面(8a)导热接触。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的重整反应器，其中所述预热装置将所述烃类燃料预热到比该燃料的最低沸点略低的温度。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的重整反应器(1)，其中所述燃料入口 0 形成为燃料喷射器。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的重整反应器，还包括氧化剂入口(18)，所述氧 化剂入口(18)优选位于所述燃料入口 0 附近，以向所述反应室(10)提供氧化剂，所述 氧化剂优选是空气或蒸汽或者是空气和蒸汽的专门预混合的混合物。
7.根据权利要求6所述的重整反应器，其中所述氧化剂被预热，尤其被预热到与所述烃类燃料处于基本相同的温度范围或者被预 热到比所述烃类燃料高的温度。
8.根据权利要求6或7所述的重整反应器，其中所述重整反应器(1)还包括内壁(4)和外壁(6)，在所述内壁(4)与所述外壁(6)之间 形成有空间(12)，其中，所述空间(1 被设计为氧化剂通道，所述氧化剂通道位于在所述 外壁(6)中设置的氧化剂供给口(16)与在所述内壁⑷中设置的氧化剂入口(18)之间。
9.根据权利要求7和8所述的重整反应器(1)，其中所述氧化剂的预热由所述内壁(4)提供。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的重整反应器(1)，其中所述氧化剂入口(18)被设计为多个孔口，尤其是多个孔和/或微缝，所述氧化剂入口 (18)将所述氧化剂(14)引入到所述反应室(10)中，其中，所述多个孔口优选具有不同的尺 寸和/或形状，并且/或位于多个不同位置。
11.根据权利要求10所述的重整反应器，其中所述多个孔口的尺寸和/或形状和/或位置取决于所使用的烃类燃料和/或所使用的 氧化剂。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的重整反应器(1)，其中在所述反应室(10)中还设置有用于所述自热反应的催化剂( )，其中所述催化剂优 选是金属格栅或陶瓷单片。
13. —种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 体的方法，所述方法使用根据权利要求1至12中的任一项所述的重整反应器(1)。
全文摘要
本发明涉及一种通过自热反应过程将烃类燃料转化为富氢气体的重整反应器，其具有优选为柱形双层壁的壳体，该壳体具有形成该重整器的反应室的两个侧表面。另外，在这两个侧表面之一中设置有燃料入口，以将烃类燃料提供到反应室中，其中该重整反应器还设置有燃料预热装置，该燃料预热装置在烃类燃料进入反应室中之前对该烃类燃料进行预热。
文档编号B01J19/00GK102143907SQ200880130143
公开日2011年8月3日 申请日期2008年7月2日 优先权日2008年7月2日
发明者安德斯·卡尔森, 巴德·林德斯特伦, 拉尔斯·彼得松 申请人:瑞典电池公司