专利名称：用于过滤合成气体的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明是按照与美国陆军研究局的一份研究合同(合同号DAAH04-94-C-0012)而开发的项目。美国政府对本发明享有某些权利。
本发明总的涉及合成气体的处理，特别是涉及一种用于从富含CO和氢的合成气体中滤除颗粒(特别是未反应的碳黑)的新的、有用的技术。
部分氧化(POx)，是一种可以用来将烃类燃料转变为例如用于燃料电池的富含氢的气体的方法。借助部分氧化产生的合成气体是一种富含CO和氢的气体混合物。然而，部分氧化过程不能实现将燃料中的碳100％地转变成气体。大约有1-3％的碳仍保持为未反应的“烟灰”。
用于生产合成气体的其它部分氧化方法，例如黑液气化和煤气化，也会产生烟灰。烟灰是不希望有的，可以利用一适当的过滤器来滤除。然而，必须对过滤器进行周期性地清洁，以防止堵塞和在过滤器两端有过高的压降。
在POx反应器演示试验中，MTI(麦克德莫技术有限公司)成功地采用了一种陶瓷的横穿透或称穿壁式的流体过滤器。这种过滤器必须施加高压(100psig)氮脉冲波来进行清洁。氮气系统每15分钟发生一次脉冲波。采用较大的过滤器并允许较高的压降可以延长周期时间，然而，商业发电设备，特别是移动式发电设备一般不太可能有可供利用的高压氮气源。
需要有一种用于合成气体的简单、可靠且能独立运行的系统，它应能在压降和流动中断最小的情况下对过滤器进行在线的清洁。
本发明的目的在于，提供这样一种设备和方法，它们利用棒形过滤器，并且通过采用交替的清洁周期来提供连续的使用，即，在利用燃烧空气燃烧掉一个过滤器表面的可燃颗粒而对该过滤器进行清洁的同时，用另一个过滤器来过滤热的未过滤的合成气体。
因此，本发明的目的在于，提供一种用于从热合成气体中滤除可氧化颗粒的设备，包括一对棒形过滤器，每个过滤器包括一用于接收需过滤的热的未过滤合成气体的入口侧、以及一用于排出滤过的合成气体的出口侧；用于容纳过滤器的壳体装置，该壳体装置具有用于接纳热的未过滤合成气体并将热的未过滤合成气体供给至过滤器入口侧的入口装置，所述壳体装置还具有用于从每个过滤器出口侧排出滤过的合成气体的出口装置；燃烧空气供给装置，它连接于所述壳体装置，用于将燃烧空气交替地供给各棒形过滤器，以便燃烧掉沉积在各过滤器上的可氧化颗粒，从而实现在一个过滤器正在过滤热的未过滤合成气体的同时，对另一个过滤器进行清洁；以及切换装置，它连接于所述燃烧空气供给装置，用于在两个棒形过滤器之间交替地供应燃烧空气。
本发明的另一个目的在于，提供一种用于从热合成气体中滤除可氧化颗粒的方法，它可以交替地对一对棒形过滤器中的一个进行清洁，而同时用另一个来进行过滤。
本发明的各个特征在所附并构成本发明揭示内容的一部分的权利要求中有具体的所描述，为更好地理解本发明、利用本发明可获得的工作效益和特定目的，以下将结合附图对本发明的一较佳实施例作详细描述。
图1是本发明一实施例的剖面示意图；图2是类似于图1的、示出本发明另一个实施例的视图；图3是类似于图1的、示出本发明又一个实施例的视图；图4是类似于图1的、示出本发明又一个实施例的视图；图5是可用于图4所示实施例的一个滑阀的剖面示意图；以及图6是类似于图5的、滑阀处于第二位置的视图。
本发明包括用于过滤热合成气体的方法和没备。该过滤器由安装在平行壳体12和14内的两个高温的、金属的、“棒形过滤器”元件10和20组成，并且两者交替使用。该过滤器最好是用铁铝化物制成，以承受高温(＞1200°F)。
在一过滤器10对合成气体流进行过滤的同时，另一个过滤器20进行再生。脏的过滤器可就地“再生”，即，让一小的空气流从该过滤器的入口侧22流入，以烧掉或氧化如图1所示那样积累的碳。在一个预定的周期之后，高温入口阀或三通阀17和19将气体流从脏的过滤器重新引回干净的过滤器。周期时间可以根据过滤元件两侧的容许压降来调整。阀的定时动作由一可编程的逻辑控制器(PLC)控制。如图2所示的围绕每个壳体的加热元件或称线圈24和26(图2是系统的分组件图)有助于维持可实现烟灰完全燃烧的温度。
碳燃烧产生的烟气可以通过图1中的阀28和30通向大气。或者，烟气可以在一个共同的出口室内与合成气体混合。虽然这一第二种配置无需任何出口阀，但烟气会以其惰性气体稀释合成气体，并且若烟气含有剩余氧气，它还会消耗一些可燃气体。
在另一种配置中，沿着与合成气体流动相反的方向，在过滤器的清洁侧，引入再生空气，并迫使其流过过滤元件而到达碳层，如图3所示。在棒形件34内的具有若干个小孔36的管子32可以沿棒形件的整个长度实现较好的空气分配。烟气从过滤器的进口侧排出。可以预期，通过使空气回流，某些碳会以一种类似于反冲过滤器的方式被除掉。这些物料在过滤器壳体的底部38被烧掉。
控制燃烧的速率是本发明的关键因素。燃烧速率必须慢得足以使棒形件不会过热或因高温而损坏。在POx演示试验中收集的烟灰燃烧曲线表明，最低活度低于烟灰可以点燃的温度480℃(900°F)。在整个再生过程中，空气被引过过滤器，因而再生时间与过滤时间非常匹配。相对于合成气体的流量而言，这一空气流量非常低，并且设定成使再生过程中供应的空气的量与需要通过氧化去除的烟灰的量相匹配。例如，在本发明的一次合成气体流量为54磅/小时(与根据送入燃料的总(高)热值的35kw的热额定值相对应)的试验中，有大约0.05磅/小时的烟灰沉积在过滤器内，在再生循环过程中，空气是以5.9磅/小时的速率供给的。然而，应该理解，如果需要其它的功率级别，可以相应地将空气流量调高或调低。如果烟气向大气排出，对于供给过剩空气，性能不会恶化。
过滤元件可以再生供进一步使用，无需采用辅助气体例如惰性气体进行冲洗。没有需要除去的长期积累的烟灰，因而不需要烟灰收集箱。不必将过滤器从壳体上拆下来就可以对过滤元件进行清洁。
结合图4描述的第二实施例更加简单和可靠，这是因为不需要在气体还是脏的过滤器上游设置阀门。另外，总的来说只需要较少的阀门。该实施例的其它特征是，只有少量被引入的用于清洁的空气留在合成气体内，无需向大气作任何排放；设置了一个可降低过滤器负荷的分离器区域，并设置了一个就地氧化区域，因而无需设置大型的烟灰收集箱。
图4示出的本发明的第二实施例，可以从合成气体中滤除烟灰，并能周期性地清洁过滤介质。脏的合成气体从进口50流入一“过滤容器”52的底部段。在“分离器区域”可以用一个90°的转向流动或者说是旋风流态56来分离出相对较大的烟灰颗粒，这些颗粒将落到底部54。在容器的底部，通过一多孔金属板60引入少量空气58。这样就产生一个具有可使烟灰燃烧的氧化条件的区域62，最好是在该区域能产生尽可能多的一氧化碳。
图4示出了左边的过滤器64正在被清洁而右边的过滤器在进行过滤的情况。相对少量的空气(从左边引入一滑阀的阀筒70)已将滑阀芯72移动至最右边的位置，在那里，滑阀芯密封地抵靠在阀筒76内的阀座74上。空气流反向地流过过滤器，这将使过滤器外表面上的烟灰燃烧，也产生尽可能多的一氧化碳。从过滤器脱离下来的任何烟灰都会落入容器底部的氧化区域62。燃烧产物汇入主合成气体流78。与此同时，右过滤器对合成气体进行过滤，在外表面上积起一层烟灰。当压降升高至一预先设定的极限时，对滑阀阀筒的空气输入将从左面切换到右面。滑阀芯移动到左面，一切都反过来进行。
如图5和6所示，滑阀阀筒可以引导温度为1250°F或更高的热的富氢燃料气体。滑阀必须能承受高温、氧化和还原气氛以及燃料气体的化学反应。出口82、84交替地输出燃料和空气。该阀是由例如二氧化硅/氧化铝或碳化硅之类的陶瓷材料制成。滑阀芯86的往复运动使燃气流走向合适的流动通道或出口。滑阀芯是借助空气压力动作的。当空气推动阀芯的横截面时，阀芯就像活塞一样动作。随后，空气从滑阀端部82进入过滤器，并在过滤器的氧化或称清洁过程中作为燃烧空气，同时，另一出口84输出燃料气体流。在工作过程中，出口82和84交替地输出空气和燃料。
该滑阀的一个独特的特点是其构造材料。该滑阀可以执行以前需要由高成本和高维护的四个阀门才能完成的任务。该滑阀的构件简单、适合于商用的制造方法。该滑阀只需很少或根本不需要维护，并且便于更换。由于只需较小的操作能量，所以该滑阀有助于提高整个系统的效率。
对滑阀的使用而言，温度上升时间是一个重要的技术指标。温度上升或下降的速率必须可以避免热冲击，以避免造成陶瓷构件损坏。
请重新参见图1，耐高温阀19可以使沿着管道90供应过来的未过滤的热合成气体进入第一或第二壳体12、14，以便将可氧化颗粒(即烟灰)过滤在相应的棒形过滤器10或20的外表面上或称进口侧。随后，干净的合成气体通过一第二三通阀17而供给至出口管道92。燃烧空气从一空气供给管道94通过入口阀16或18中开启的那一个供至不用于过滤的棒形过滤器。燃烧空气在棒形过滤器的热的外表面上将烟灰转变为气体，随后这些气体通过相应打开的出口阀28、30排放入大气。
在图2中，外部的线圈加热器24和26可维持各壳体内的棒形过滤器所需的燃烧温度。
在图3中，燃烧空气通过两个阀96中开着的一个从空气供给管道94送入内部的多孔管32。在所有这些附图中，用相同的标号标识相同或功能类似的部件，因而对这些功能类似的部件不再赘述。
图4示出了与图1-3所示不同的实施例，其不同之处在于，单一壳体52容纳了处在由隔板98隔开的两个独立的室内的两个过滤器。与前述的方式一样，燃烧空气在底部58供入，也供至滑阀阀筒76的两侧。
在图5中，滑阀芯86的两端具有相对的两个圆柱形突起87，它们交替地封闭左或右空气入口，使只在阀壳的一侧有空气通道，而在阀的另一侧为燃烧气体通道。
虽然以上对本发明的一个较佳实施例进行了图示和描述，以说明本发明的原理和应用，但应该理解，本发明可以在不偏离这些原理的基础上用其它方式来实现。
权利要求
1.一种用于从热的合成气体中滤除可氧化颗粒的设备，包括一对棒形过滤器，每个过滤器包括一用于接收需过滤的热的未过滤合成气体的入口侧，以及一用于排出滤过的合成气体的出口侧；用于容纳过滤器的壳体装置，该壳体装置具有用于接纳热的未过滤合成气体并将热的未过滤合成气体供给至过滤器入口侧的入口装置，所述壳体装置还具有用于从每个过滤器出口侧排出滤过的合成气体的出口装置；燃烧空气供给装置，它连接于所述壳体装置，用于将燃烧空气交替地供至每一棒形过滤器，以便燃烧掉沉积在每一过滤器上的可氧化颗粒，从而实现在一个过滤器正在过滤热的未过滤合成气体的同时，对另一个过滤器进行清洁；以及切换装置，它连接于所述燃烧空气供给装置，用于使燃烧空气交替地供至两个棒形过滤器。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体装置包括两个分别用于容纳每个棒形过滤器的单独壳体，所述燃烧空气供给装置连接于每个壳体的入口装置，以便在与供入热的未过滤合成气体的同一供给通道上供应燃烧空气，所述切换装置包括位于燃烧空气供给装置内的若干个阀门和至少一个合成气体供应阀，合成气体供应阀和燃烧空气供给装置内的各阀门交替地工作，借以实现在一个壳体接收热的未过滤合成气体的同时，另一个壳体接收燃烧空气。
3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体装置包括两个用于分别容纳每个棒形过滤器的单独壳体，所述燃烧空气供给装置连接于每一棒形过滤器的出口侧，以便向每一棒形过滤器的出口侧交替地供应燃烧气体，藉以氧化某些沉积的可氧化颗粒，并将某些可氧化颗粒从过滤器上吹逐到对应壳体的底部。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于，所述燃烧空气供给装置包括伸入每个棒形过滤器内的一个多孔管，以便将燃烧空气分配至每个棒形过滤器的整个出口侧。
5.如权利要求1所述的设备，其特征在于，该设备还包括连接于所述壳体的加热装置，用于将壳体维持在一个高得足以由燃烧空气使颗粒氧化的选定温度。
6.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述壳体装置包括一个有两个分别用于每个棒形过滤器的隔开空腔的单一壳体，所述切换装置包括一连接于所述每一棒形过滤器出口侧的滑阀，所述燃烧空气供给装置包括位于滑阀两侧的空气入口，在一侧的入口向棒形过滤器之一供应空气的同时，另一个棒形过滤器接收热的未过滤合成气体和由另一个过滤器上的沉积物氧化形成的燃烧产物流，所述滑阀包括一用于在两个过滤器之间切换燃烧气体供应的阀芯。
7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述壳体装置包括一个用于供入附加燃烧气体的下部入口、一个靠近壳体装置底部的形成一个氧化室的空间，用于氧化来自其上沉积的颗粒正在被氧化的那一过滤器的颗粒。
8.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述滑阀是用陶瓷材料制成的。
9.一种用于从热的合成气体中滤除可氧化颗粒的方法，包括如下步骤使热的未过滤合成气体交替地进入成对的棒形过滤器中的每一个过滤器，每个过滤器具有用于排出热的经过滤的合成气体的出口侧；以及使燃烧气体交替地流过每个棒形过滤器，以便燃烧掉在上一次热的未过滤合成气体通过这一过滤器的过程中沉积在这一过滤器上的可氧化颗粒，藉以实现在对一个过滤器进行清洁的同时用另一个过滤器过滤合成气体。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法包括将两个棒形过滤器设置在相互分开的壳体内，并且在对其中一个壳体供入燃烧气体的同时对另一个壳体供入未过滤的热合成气体。
11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法包括将两个过滤器设置在一个共同的壳体内，并且在将燃烧空气供给流过一个过滤器的同时，将合成气体和来自这个过滤器的燃烧产物供给第二个过滤器。
全文摘要
用于从热的合成气体中滤除可氧化颗粒的方法和设备,采用了一对棒形过滤器,每个过滤器有一用于接收需过滤的热的未过滤合成气体的入口侧、以及一用于排出滤过的合成气体的出口侧。可以用一个壳体容纳两个过滤器,或者为每个过滤器提供一单独的壳体。对每个棒形过滤器交替地供应燃烧空气,以便在燃烧掉沉积在一个过滤器上的可氧化颗粒的同时让另一个过滤器过滤热的未过滤合成气体。一个或多个切换阀连接于所述燃烧空气供给装置,用于在两个棒形过滤器之间交替地供应燃烧空气。
文档编号B01D46/24GK1267562SQ9912283
公开日2000年9月27日 申请日期1999年11月29日 优先权日1999年3月18日
发明者R·A·迈克伊尔罗伊, M·A·佩尔纳, K·E·克奈德尔, A·F·基希克 申请人:麦克德莫技术股份有限公司