專利名稱：用于分布的氫產(chǎn)品的集成的燃料處理裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及燃料處理裝置，并且尤其涉及用于分布的氫產(chǎn)品的燃料處理裝置。
背景技術(shù)：
大家已經(jīng)公認(rèn)的對于燃料電池汽車的長期成功使用的關(guān)鍵要素是氫的基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。燃料電池車輛被許多人設(shè)定為內(nèi)燃機(jī)車輛的最終的代替者，或者最低限度為內(nèi)燃機(jī)車輛的補(bǔ)充物。這主要是由于對溫室氣體和大氣污染排放物，化石燃料的長期可利用性，以及能源供應(yīng)安全性的關(guān)心的增長所驅(qū)動(dòng)的。氫核交換膜(PEM)燃料電池是朝著商業(yè)上可行的燃料電池車輛的幾乎所有的當(dāng)前努力的焦點(diǎn)，其需要?dú)渥鳛槿剂?。?shí)際上，近幾年來朝向由更輕便的烴類燃料在車上制造氫的努力已經(jīng)被放棄，并且?guī)缀跛械娜剂想姵剀囕v廠商現(xiàn)在都集中在給車輛加上高純度的液態(tài)或者氣態(tài)氫。
大規(guī)模制造氫的方式是已知的。甲烷的蒸汽轉(zhuǎn)化是當(dāng)前可以大規(guī)模制造氫的主要的方式?，F(xiàn)在，世界上的大約一半的氫的產(chǎn)量用于石油提煉廠，主要用于汽車燃料的生產(chǎn)。另外的40％消耗在氨工業(yè)生產(chǎn)上。然而，在美國氫的年產(chǎn)量比得上汽油消耗量僅僅兩天的值。而且，氫現(xiàn)在主要是以大的工業(yè)規(guī)模制造。對于成功的運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施，氫的補(bǔ)給網(wǎng)絡(luò)必須均勻分布。然而，氫非常難于被分布。氣態(tài)氫具有一個(gè)最低能量密度，使得其難于以一定的量進(jìn)行傳送，而這是一個(gè)運(yùn)輸燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施所需的。以液態(tài)形式分布?xì)湟彩抢щy的，其需要較低的溫度(22k)，并且甚至液態(tài)形式的氫具有低的能量密度。因?yàn)榭紤]到這些問題，可以合理的推斷出氫的基礎(chǔ)設(shè)施需要依賴于高純度氫的分布制造，其中氫的基礎(chǔ)設(shè)施能夠提供給燃料電池車輛的補(bǔ)給需求。
運(yùn)輸燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施所需的廣泛分布的氫的制造規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于通常提煉廠或者氨所制造的氫的制造規(guī)?！，F(xiàn)在尋求許多的方法，通過這些方法高純度的氫可以小規(guī)模的經(jīng)濟(jì)的制造。一種這樣的制造方法是將當(dāng)前大規(guī)模制造氫的眾所周知的方法應(yīng)用在小規(guī)模制造上。大規(guī)模制造氫的主要的方法是通過在催化劑的幫助下蒸汽轉(zhuǎn)化天然氣(甲烷)。蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)制造氫和一氧化碳，如下
蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)高度吸熱，每消耗一摩爾甲烷需要206千焦能量。一些產(chǎn)生的CO通過相關(guān)的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)被轉(zhuǎn)換成CO2
該反應(yīng)是放熱的，并且每消耗一摩爾CO的釋放出41千焦的能量。甲烷的蒸汽轉(zhuǎn)化通常實(shí)施在700℃到900℃的溫度范圍內(nèi)。由于該反應(yīng)是吸熱的，熱量必須供給反應(yīng)物。這通常是通過裝載催化劑到一系列設(shè)置在反應(yīng)堆(furnace)的管中。氫可通過許多已知的方法，例如金屬膜片或者變壓吸附(PSA)，從蒸汽轉(zhuǎn)化產(chǎn)物氣體(重整產(chǎn)物)中提取出。
人們已經(jīng)長時(shí)間的認(rèn)識(shí)到為了使得天然氣的蒸汽轉(zhuǎn)化在較小規(guī)模上是可行的，而該較小規(guī)模是燃料電池車輛的分布的氫氣制造所需，需要在發(fā)熱的燃燒器和吸熱的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)之間的更大的集成化。建立這樣系統(tǒng)的努力已經(jīng)在過去獲得一些成功，但是工藝效能始終受到將所需的熱量傳送入蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，而不會(huì)產(chǎn)生極端高(＞1000℃)金屬溫度的能力限制。

發(fā)明內(nèi)容
在此公開了以高度集成的蒸汽轉(zhuǎn)化燃料處理裝置方式的本發(fā)明的實(shí)施例，其結(jié)合變壓吸附(PSA)并且能夠以一定規(guī)模釋放高純度的氫，該規(guī)模十分適合于運(yùn)輸燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施的分布的氫的制造。該燃料處理裝置克服了先前結(jié)構(gòu)的熱傳遞的局限性，并且因此能夠?qū)崿F(xiàn)高水平的氫產(chǎn)品效率而不會(huì)產(chǎn)生極端高的金屬溫度。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，集成的蒸汽重整爐(steam reformer)/燃燒器組件提供使用在燃料處理裝置中，該燃料處理裝置提供蒸汽/燃料供給混合物在該組件中重整并且提供燃燒器供給物在該組件中燃燒。
作為一個(gè)特征，該集成的蒸汽重整爐/燃燒器組件包括外殼，其定義了彼此間處于熱傳遞關(guān)系的第一和第二軸向延伸的，同心的環(huán)形通道；第一盤旋翅片位于第一通道中以引導(dǎo)通過供給混合物，該第一盤旋翅片涂有催化劑，該催化劑可在供給混合物中誘發(fā)所需的反應(yīng)；并且第二盤旋翅片位于第二通道中以引導(dǎo)通過燃燒器供給物，第二盤旋翅片涂有催化劑，該催化劑可在燃燒器供給物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
在一個(gè)形式中，第一通道在第一端開口以接收供給混合物入第一通道中，該第一通道在相對端開口以將供給混合物引導(dǎo)出第一通道，第二通道在鄰近相對端的位置開口以將燃燒器供給物引導(dǎo)入第二通道中，并且第二通道在鄰近第一端的位置開口以將燃燒器供給物引導(dǎo)出第二通道中。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，該集成組件包括圓柱形壁；第一盤旋翅片，其粘接到該壁的徑向向內(nèi)的襯面上，第一翅片涂有催化劑，其在供給混合物和燃燒器供給物之一中誘發(fā)所需反應(yīng)；和第二盤旋翅片，其粘接到該壁的徑向向外的襯面上，第二翅片涂有第二催化劑，其在供給混合物和燃燒器供給物的另一個(gè)上誘發(fā)所需的反應(yīng)。
在一個(gè)特征中，第一盤旋翅片的回旋軸向延伸以將供給混合物和燃燒器混合物之一引導(dǎo)通過該組件，第二盤旋翅片的回旋軸向延伸以將供給混合物和燃燒器混合物另一個(gè)引導(dǎo)通過該組件。
根據(jù)一個(gè)特征，第一催化劑是用于供給混合物的催化劑，并且第二催化劑是用于燃燒器供給物的催化劑。
在一個(gè)特征中，該組件還包括圓柱形水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在離第一翅片的徑向向內(nèi)的位置處并且通過該組件中央地延伸。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，該集成組件包括第一圓柱形壁；第二圓柱形壁，其與第一圓柱形壁徑向向內(nèi)的隔開，以在第一和第二圓柱形壁之間定義第一軸向延伸的環(huán)形流動(dòng)通道，并且第二軸向延伸流動(dòng)通道由第二圓柱形壁的徑向向內(nèi)面對側(cè)所定義。該組件還包括位于第一通道的第一盤旋翅片，第一盤旋翅片的回旋軸向延伸以將供給混合物和燃燒器混合物之一引導(dǎo)通過第一通道，該翅片涂有第一催化劑，其能在供給混合物和燃燒器混合物之一中誘發(fā)所需的反應(yīng)；和第二通道盤旋翅片，其位于第二通道中，第二盤旋翅片的回旋軸向延伸以將供給混合物和燃燒器混合物之一引導(dǎo)通過第二通道，該第二翅片涂有第二催化劑，其能在供給混合物和燃燒器混合物另一個(gè)中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)特征，集成燃料處理單元包括外殼；蒸汽/燃料供給混合物供給源在外殼中；燃燒器供給物供給源在外殼中；和蒸汽重整爐/燃燒器在外殼中。該蒸汽重整爐/燃燒器組件包括彼此間處于熱傳遞關(guān)系的第一和第二軸向延伸的同心的環(huán)形通道，第一通道連接到供給混合物的供給源，以在第一通道的一端接收供給混合物進(jìn)入第一通道中，第二通道連接到燃燒器供給物的供給源，以在鄰近第一通道的相對端的位置接收燃燒器供給物。該蒸汽重整爐/燃燒器還包括第一盤旋翅片，其位于第一通道中以引導(dǎo)供給混合物通過其中，第一盤旋翅片涂有催化劑，其可在供給混合物中誘發(fā)所需的反應(yīng)；并且第二盤旋翅片位于第二通道中以引導(dǎo)通過燃燒器供給物，第二盤旋翅片涂有催化劑，該催化劑可在燃燒器供給物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
在一個(gè)特征中，該集成燃料處理單元還包括圓柱形水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在第一和第二流動(dòng)通道徑向向內(nèi)的位置處延伸通過外殼。作為進(jìn)一步相關(guān)的特征，集成燃料處理單元還包括燃燒器預(yù)熱器。該燃燒器預(yù)熱器包括外殼，其定義了彼此處于熱傳遞關(guān)系的第三和第四軸向延伸的，同心的環(huán)形通道，第三通道與第二通道對齊并且直接連接到第二通道以引導(dǎo)燃燒器供給物進(jìn)入第二通道，第四通道連接到水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器以接收來自水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的重整產(chǎn)物。
作為一個(gè)特征，該集成燃料處理單元還包括在外殼中的同流熱交換器。該同流熱交換器包括彼此處于熱傳遞關(guān)系的第三和第四軸向延伸的，同心的環(huán)形通道，第三通道與第一通道對齊并且直接連接到第一通道以引導(dǎo)供給混合物進(jìn)入第一通道，第四通道設(shè)置在第三通道的徑向向內(nèi)處，并且連接到第一通道，以在供給混合物已經(jīng)在第一通道重整之后從其中接收供給物。
本發(fā)明的其它目的，特征和優(yōu)點(diǎn)將從回顧整個(gè)說明書，包括附加的權(quán)利要求和附圖之后變得明顯。
附圖簡要說明

圖1是體現(xiàn)本發(fā)明的燃料處理系統(tǒng)的示意圖；圖2是本發(fā)明的集成蒸汽重整爐/燃燒器組件的透視圖；圖3是本發(fā)明的集成的燃料處理單元的一個(gè)實(shí)施例的剖視圖；圖4是示出了流體流過圖3的燃料處理單元的流動(dòng)示意圖；圖5是圖3的集成的燃料處理單元的從上看下來的部分透視圖；圖6是對于圖2的蒸汽重整爐/燃燒器的一個(gè)實(shí)施例，示出了溫度分布圖的溫度對照流動(dòng)通道圖；圖7是本發(fā)明的集成的燃料處理單元的另一個(gè)的實(shí)施例的從上看過去的部分透視圖；圖8是圖7中的線8-8所環(huán)繞的部分和集成的燃料處理單元的重點(diǎn)選取部件的放大剖視圖；圖9是圖7中的線9-9所環(huán)繞的部分和集成的燃料處理單元的重點(diǎn)選取部件的放大剖視圖；圖10是圖7中的線10-10所環(huán)繞的部分和集成的燃料處理單元的重點(diǎn)選取部件的放大剖視圖；圖11是沿著圖10中的線11-11的剖視圖；圖12是類似圖10的視圖，但是重點(diǎn)顯示了集成燃料處理單元的其它的部件；圖13是類似圖10和12的視圖，但又重點(diǎn)顯示了集成燃料處理單元的另外其它的部件；圖14是在圖7中的線14-14所環(huán)繞的部分的放大視圖；圖15是沿著圖14中線15-15看過去的視圖；和圖16是類似圖8的視圖，但是重點(diǎn)顯示了集成燃料處理單元的其它的部件。
具體實(shí)施例方式
在圖1中示出了高度集成的燃料處理裝置的系統(tǒng)簡圖。在該系統(tǒng)中，燃燒器所需的燃料的唯一源是來自壓力回轉(zhuǎn)吸收裝置(PSA)22的耗氫廢氣21。PSA的高壓端優(yōu)選設(shè)計(jì)運(yùn)行在100psig，而PSA的低壓端設(shè)計(jì)運(yùn)行在接近大氣壓(1psig)。從燃燒器25的燃燒器排氣24中重新獲得的熱量用于蒸發(fā)器29中，以蒸發(fā)和過熱用于蒸汽重整爐28的水供給物26，而且在燃料預(yù)熱器31中預(yù)熱用于蒸汽重整爐28的天然氣供給物30。從蒸汽重整爐28中排出的重整產(chǎn)物流32中重新獲得熱量，并且該熱量還用來預(yù)熱在同流熱交換器36中現(xiàn)在混合的蒸汽天然氣供給物34。水煤氣轉(zhuǎn)換(WGS)反應(yīng)器38用來增強(qiáng)氫的制造。水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器38的下游處，附加熱量從重整產(chǎn)物流32中重新獲得，并且用來預(yù)熱燃燒器供給物40和供給入蒸發(fā)器29的水供給物26。重整產(chǎn)物流32被冷卻到適合于PSA22的溫度，并且過剩水量被冷凝下來。在此操作中除去的熱量處于相當(dāng)?shù)偷臏囟龋⑶也荒苤匦芦@得。冷凝物41能夠被恢復(fù)并且再使用，如果需要這樣做的話。
通過利用集成了重整爐28和燃燒器25的集成蒸汽重整爐和燃燒器42，優(yōu)化的氫轉(zhuǎn)換可在此結(jié)構(gòu)中完成，并且具有高效的熱傳遞特征。在此說明書中，集成的蒸汽重整爐和燃燒器42將下文中稱為SMR反應(yīng)器42。如圖2最佳的示出，SMR反應(yīng)器42被構(gòu)造為高溫合金的金屬筒44，其中第一盤旋翅片構(gòu)件46沿著筒44的整個(gè)圓周銅焊接到內(nèi)表面48上，并且第二盤旋翅片構(gòu)件50沿著筒44的整個(gè)圓周銅焊接到外表面52上。內(nèi)部翅片46被沖洗并涂有水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑，外部翅片50被沖洗并涂有能夠氧化氫和甲烷兩者的催化劑。筒44有足夠的厚度被用于作為壓力容器54的一部分，如圖3所示，其包括高壓蒸汽重整爐供給物34和重整產(chǎn)物流32，如圖4所示。圓柱形金屬套管56和58(在圖2中未示出)用來分別引導(dǎo)流過涂層的翅片構(gòu)件46和50。
圖3和4是出了完全裝配的燃料處理裝置20的一個(gè)實(shí)施例。該燃料處理裝置20由圓柱形高壓容器54組成，該高壓容器54位于在低壓缸或者容器60的內(nèi)部并且與其同軸。用于蒸汽重整爐28的水和天然氣供給物26，30被蒸發(fā)(就水而言)并且在盤管62中預(yù)熱，該盤管62位于兩個(gè)筒44，60之間。該預(yù)熱供給物34通過在容器54的圓頂頭部66處的管64進(jìn)入壓力容器54中，并且進(jìn)入到同流換熱器36中。
同流換熱器36的結(jié)構(gòu)類似于SMR反應(yīng)器42，其中有利的增大(highly augmented)的翅片構(gòu)件70和72(例如百葉窗板的或者矛狀偏移量的翅片)銅焊接到筒56的外側(cè)和內(nèi)側(cè)表面76和78兩者上。流體憑借圓柱形金屬套管44和80被再次引導(dǎo)通過這些翅片構(gòu)件70，72。同流換熱器筒56和翅片70，72被設(shè)定尺寸，從而使得包圍粘接到外表面76的翅片70的環(huán)形區(qū)域與包圍SMR反應(yīng)器42中的水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑涂層翅片46的環(huán)形區(qū)域相等同。同流換熱器筒56在一側(cè)延伸通過翅片70，72的端部與SMR反應(yīng)器42的長度近似相等的量。這樣允許同流換熱器筒56起到用于反應(yīng)器42的預(yù)先提到的內(nèi)套筒56的作用。相似地，SMR反應(yīng)器筒44能夠延伸通過翅片46，48，從而使得其起到用于同流換熱器36的外套筒44的作用。
在完全地裝配的燃料處理裝置20中，蒸汽重整爐供給物34流過同流換熱器36的外部翅片70，然后穿過SMR反應(yīng)器42的內(nèi)部的(水蒸汽轉(zhuǎn)化催化劑涂層)翅片46，在那里它被轉(zhuǎn)換成富氫的重整產(chǎn)物32。然后重整產(chǎn)物流32被阻擋，從而使得當(dāng)其流出蒸汽轉(zhuǎn)化翅片46時(shí)，其向上轉(zhuǎn)動(dòng)并且經(jīng)過延伸的同流換熱器筒56的內(nèi)表面78，并且向上流動(dòng)通過同流換熱器36的內(nèi)部翅片72，在那里它傳遞熱量給進(jìn)來的蒸汽重整爐供給物34。
水煤氣轉(zhuǎn)換(WGS)反應(yīng)器38是圓柱形催化劑涂層整料84，其被絕緣材料86包圍并且位于同流換熱器36的內(nèi)套筒80之內(nèi)。重整產(chǎn)物流32流出同流換熱器36并朝著壓力容器54的頂部的方向，在那里由于圓頂頭部88其被迫反向，該圓頂頭部從進(jìn)入壓力容器54的預(yù)熱蒸汽重整爐供給物34中分離重整產(chǎn)物32。重整產(chǎn)物32向下流過筒80和90中心處的WGS整料84。當(dāng)流出WGS反應(yīng)器38時(shí)，重整產(chǎn)物流32朝著壓力容器54的壁44，92被轉(zhuǎn)向并且通過燃燒器預(yù)熱器94。
燃燒器預(yù)熱器94的結(jié)構(gòu)非常類似于SMR反應(yīng)器42和同流換熱器36的結(jié)構(gòu)，其中非常增長的翅片構(gòu)件96，98(例如百葉窗翅片)銅焊到筒92的內(nèi)側(cè)和外側(cè)表面100，102兩者上。當(dāng)對于反應(yīng)器42為這種情況時(shí)，筒92作為壓力容器54的一部分并且被焊接到SMR反應(yīng)器筒44上。重整產(chǎn)物32通過在預(yù)熱器94的內(nèi)側(cè)表面102的翅片98，并且將熱量傳遞給燃燒器供給氣體40上，該氣體40通過在逆流方向上的預(yù)熱器94的外表面100上的翅片96。當(dāng)離開翅片96時(shí)，重整產(chǎn)物32越過水預(yù)熱器104，該水預(yù)熱器104由盤管106組成，用于蒸汽重整爐28的水26流過盤管106。期望重整產(chǎn)物32可以在這些預(yù)熱器94，104中被冷卻至這樣的程度，使得一些水可以從重整產(chǎn)物32中冷凝下來。在水預(yù)熱器104的下游處，重整產(chǎn)物32(和任何冷凝物)到達(dá)壓力容器54的底層圓頂108處并且排出容器54，以通到熱交換器110，其可以冷卻重整產(chǎn)物32降至適合于PSA22的溫度。從該熱交換器110中的重整產(chǎn)物32移去的熱量被認(rèn)為是廢熱，并且能夠被排放周圍環(huán)境中。
現(xiàn)在接近大氣壓(1psig)的從PSA來的耗氫廢氣21與燃燒器空氣112混合以組成燃燒器供給物40。該供給氣體40進(jìn)入低壓缸60中并且向上流動(dòng)通過燃燒器預(yù)熱器94，并且進(jìn)入到SMR反應(yīng)器42的外表面52上的翅片50中。燃燒器供給物40垂直向上流動(dòng)通過該催化劑涂層翅片50，對通過SMR反應(yīng)器42的內(nèi)表面48上的翅片46的氣流32進(jìn)行逆流。當(dāng)流動(dòng)通過翅片50時(shí)，在燃燒器供給物40中的氫，甲烷，和一氧化碳被催化地燃燒。產(chǎn)生的熱量被傳導(dǎo)通過SMR反應(yīng)器42的圓柱形壁44并且供給到發(fā)生在翅片46上的吸熱的蒸汽轉(zhuǎn)化反應(yīng)中，該翅片46固定到SMR反應(yīng)器42的內(nèi)表面48上。
當(dāng)離開反應(yīng)器42的翅片50時(shí)，燃燒器廢氣24繼續(xù)向上流過低壓和高壓氣缸44，60之間的環(huán)形區(qū)域，通過水蒸發(fā)器29和天然氣預(yù)熱器31。水蒸發(fā)器29和天然氣預(yù)熱器31由盤管62組成，其存在于筒44，60之間的環(huán)形空間之內(nèi)。預(yù)熱液態(tài)水26進(jìn)入在底部的盤管62并且向上流，接收流過管62的高溫燃燒器排氣24的熱量。當(dāng)水通過管62時(shí)，其完全蒸發(fā)，然后適度地過熱。天然氣30在沿著盤管62的長度的一些點(diǎn)進(jìn)入到盤管120中，并且與過熱蒸汽相混合。然后兩種流體被在盤管62的剩余長度中的燃燒器排氣進(jìn)一步加熱，在它們被管送入高壓容器54之后?？蛇x擇的設(shè)計(jì)(在圖7和9中最佳的示出)是天然氣在水盤管的下游(相對于燃燒器廢氣流24)的分離的盤管中預(yù)熱，并且兩者流體可以混合在離開它們相應(yīng)的盤管熱交換器之后。
大多數(shù)的燃燒反應(yīng)通常發(fā)生在催化劑區(qū)域的相對小的初始長度上。使得燃燒反應(yīng)在反應(yīng)器42的長度上更加均勻分布是有利的。由于燃燒反應(yīng)是傳播限制的，通過初始區(qū)域這樣能夠?qū)崿F(xiàn)到一定的程度，其中該初始區(qū)域處盤旋翅片構(gòu)件50為連續(xù)的，因此提供了最小化了傳播的進(jìn)一步層流，以及出口區(qū)域，其中通過利用百葉窗，縫隙，矛狀物等等盤旋翅片構(gòu)件50被形成湍流，以促進(jìn)反應(yīng)物的更大的傳播，以便于甲烷，氫和一氧化碳的最終的去除。
圖6示出了在SMR反應(yīng)器42之內(nèi)期望的典型的溫度分布圖。SMR供給物32，34從右到左流動(dòng)，同時(shí)燃燒器供給物從左到右流動(dòng)。在翅片46和50的最大的頂點(diǎn)處的溫度，和在氣缸壁44的二者之一的表面上的溫度也被描述。在圖中可以看出，在SMR反應(yīng)器42之內(nèi)的熱傳遞足以保持金屬溫度在1000℃以下。將SMR流32，34和燃燒器流50運(yùn)行在逆流方向，而不會(huì)引起危險(xiǎn)的高金屬溫度的能力會(huì)導(dǎo)致重整產(chǎn)物的出口溫度基本上高于重整產(chǎn)物的入口溫度，因此最佳化了甲烷至氫的轉(zhuǎn)換，并且最小化了同流換熱器36的所需的有效性。
由于這種結(jié)構(gòu)避免了對額外供給到燃燒器25的天然氣的需要，燃料處理裝置20的控制被大大的簡化。在SMR反應(yīng)器42內(nèi)的溫度可以通過調(diào)整燃燒器氣流112進(jìn)行控制，基于位于反應(yīng)器42的外套筒58上的傳感器(未示出)所提供的溫度反饋，在該外套筒的區(qū)域峰值排氣溫度是可預(yù)想到的。通過結(jié)合水預(yù)熱器104的可調(diào)節(jié)的水旁通閥(未示出)，進(jìn)一步的控制是可能的，從而使得供給到蒸發(fā)器29的水26的溫度能夠通過改變流過預(yù)熱器104的百分比進(jìn)行調(diào)節(jié)。從位于到WGS反應(yīng)器38的入口122處的溫度傳感器的反饋可以潛在地作為用于該閥的控制源。
高度的熱集成導(dǎo)致體積緊湊的高壓容器54，因此最小化運(yùn)行在應(yīng)用所需的高溫和高壓下的容器所需的壁厚。在該應(yīng)用中所描述的燃料處理裝置20的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例是具有壓力容器54，其直徑為6英寸，大約40英寸的總長，并且預(yù)計(jì)能夠重整6.25kg/hr的天然氣，在77.5％的氫的制造效率下(氫的LHV通過PSA去除，假定在重整產(chǎn)物中氫的75％被去除，通過天然氣供給物的LHV進(jìn)行分開)，導(dǎo)致氫的制造率為1.87kg/hr。
燃料處理單元20的另一個(gè)實(shí)施例在圖7-16中被示出。該實(shí)施例不同于圖2-4中的地方在于(a)水預(yù)熱器104已經(jīng)從整體化裝置20中移出到外部位置中，并且燃燒器94延伸到預(yù)先由水預(yù)熱器104所占領(lǐng)的區(qū)域；(b)PSA廢氣入口和重整產(chǎn)物出口，與這些地方相關(guān)的區(qū)域一起，已經(jīng)被修改；和(c)用于天然氣預(yù)熱器31的分離的盤管130已經(jīng)增加到用于水蒸發(fā)器29的盤管62的下游側(cè)。
如在圖3的燃料處理單元20中，SMR反應(yīng)器42的翅片46，50僅僅被銅焊到筒44上，并且燃燒器預(yù)熱器94的翅片96，98僅僅被銅焊到筒92上，其中筒44和92在它們的鄰近端被焊接以形成高壓容器54的圓柱形壁。而且，如圖3所示的燃料處理單元20的實(shí)施例一樣，圓柱形擋板或者壁132用來延伸過流動(dòng)通道的內(nèi)界面，該流動(dòng)通道用于通過盤管62，130的一部分的燃燒器排氣24，這些盤管延伸越過壓力容器54的頂部66。圓柱形擋板132被間斷焊接到壓力容器54的頂部66上，但是沒有接觸盤管62，130或者低壓容器60。因此，高壓容器54和低壓容器60僅僅在兩個(gè)位置機(jī)械地接合。如圖8最佳的示出，第一位置是在鄰近壓力容器54的底部處，在那里空氣/PSA廢氣入口構(gòu)件134被焊接到用于高壓容器54下部的圓頂頭部108上和用于低壓容器60的下部的圓頂頭部136上，以形成剛性連接。第二位置是鄰近燃料處理單元20的頂部，如圖9最佳的示出，其中盤管62，130在第一位置處被焊接到低壓容器60上，并且在第二位置處通過供給混合物入口管構(gòu)件142被焊接到高壓容器54的圓頂狀頂蓋66上。構(gòu)件142包括供給混合物進(jìn)氣歧管143，其通過適當(dāng)?shù)难b配連接機(jī)構(gòu)連接到盤管62和130的相應(yīng)的出口端144和145處，和具有內(nèi)部混合構(gòu)件147的向下延伸的混合管146(在圖示實(shí)施例同時(shí)示出的是中央的儀表管148，其可以對于生產(chǎn)單元可選擇的進(jìn)行淘汰)。該第二連接機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)非剛性，并且由有效的兩個(gè)彈簧(盤管62，130)制成。因此，高壓容器54和低壓容器60在軸向上相互之間是基本上是自由的，并且盡管容器60的外殼58趨向運(yùn)轉(zhuǎn)更熱，在差別的熱膨脹不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。
如同圖3的燃料處理單元20的實(shí)施例一樣，同流換熱器36的翅片70，72僅僅被銅焊到同流換熱器筒56上，而不是高壓容器54或者鄰近的內(nèi)側(cè)表面上。如圖10最佳的示出，高壓容器54和同流換熱器筒56僅僅在頂端機(jī)械的結(jié)合，在那里兩者都焊接到供給混合物分配環(huán)150上，該環(huán)150用來安裝圓頂頭部88和筒56至高壓容器54上。如圖11最佳的示出，供給混合物分配環(huán)150包括多個(gè)有角度隔開的孔152，這些孔允許蒸汽重整爐供給物34通過并到同流換熱器36和SMR反應(yīng)器42中。由于部件54，56僅僅在一端連接，它們可以響應(yīng)于不同的熱膨脹隨意獨(dú)立地移動(dòng)，并且在其上因此不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力結(jié)果。優(yōu)選的，內(nèi)側(cè)筒80沒有接觸翅片70，72或者筒78，而是借助于凸緣，環(huán)狀擋板154連接到壓力容器54的筒44的內(nèi)部，該擋板154焊接到筒44和80兩者上，如圖12最佳的示出。由于內(nèi)側(cè)筒80和高壓容器僅僅在一個(gè)位置被連接，它們可以響應(yīng)于不同的熱膨脹隨意獨(dú)立于另一個(gè)移動(dòng)，因此不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。
如同圖3的燃料處理裝置20的實(shí)施例一樣，WGS反應(yīng)器38的圓柱形壁90通過一對平的，環(huán)狀的擋板156，158連接內(nèi)側(cè)筒80上，該擋板156，158焊接到WGS筒90的兩端上，如圖13最佳的示出。位于底部的擋板158也焊接至內(nèi)側(cè)筒80的內(nèi)部。因?yàn)樵赪GS筒90和內(nèi)側(cè)筒80之間的氣室環(huán)不是流動(dòng)通道，該氣室環(huán)在兩端不需要?dú)饷苊芊?。因?yàn)樯喜凯h(huán)狀的擋板156相對于內(nèi)側(cè)筒80可自由地移動(dòng)，筒80和90能夠響應(yīng)于不同的熱膨脹相互之間移動(dòng)，因此不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力。
如同圖3的燃料處理單元20的實(shí)施例一樣，燃燒器預(yù)熱器區(qū)域的中心的體積通過圓柱形外殼160所占領(lǐng)，該外殼160優(yōu)選填滿了絕緣材料，如圖14最佳的示出。齒形的圓盤162被焊接外殼160的底部和壓力容器54的筒92的內(nèi)部。如圖15最佳的示出，有角度地隔開切口164被提供在圓盤162的周邊，以便于允許重整產(chǎn)物流32通過。優(yōu)選地，外殼160沒有固定到翅片98上。再次，由于外殼160和壓力容器154僅僅在一端連接，它們可以響應(yīng)于不同的熱膨脹獨(dú)立地移動(dòng)，并且在其上因此不會(huì)產(chǎn)生顯著的應(yīng)力結(jié)果。
如圖16最佳的示出，重整產(chǎn)物流32借助于小直徑管166流出燃料處理單元，該小直徑管焊接到壓力容器54的底蓋108上。燃燒空氣112借助于大直徑管168進(jìn)入到單元20的底部，該大直徑管168優(yōu)選與壓力容器54同心。PSA廢氣入口構(gòu)件134包括與管168相同直徑的管172，PSA廢氣入口管174，和燃燒器氣流/PSA廢氣噴射器176，其包括多個(gè)圓周隔開的孔178，其噴射PSA廢氣入該氣流112中。雖然重整產(chǎn)物出口管166和廢氣進(jìn)口構(gòu)件134相互之間在兩個(gè)位置處剛性連接，考慮到不同熱膨脹所產(chǎn)生的應(yīng)力，在PSA廢氣流21和重整產(chǎn)物流32之間存在極少的溫度差。因此，沒有顯著的應(yīng)力被產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.一種使用在燃料處理系統(tǒng)中的集成的蒸汽重整爐/燃燒器組件，其提供在所述組件中被重整的蒸汽/燃料供給混合物和在所述組件中被燃燒的燃燒器供給物；該組件包括一外殼，其限定了彼此處于熱傳遞關(guān)系的第一和第二軸向延伸的同心的環(huán)形通道，第一通道在第一端開口以接收供給混合物入第一通道中，該第一通道在相對端開口以將供給混合物引導(dǎo)出第一通道，第二通道在鄰近相對端的位置開口以引導(dǎo)燃燒器供給物入第二通道中，并且第二通道在鄰近第一端的位置開口以將燃燒器供給物引導(dǎo)出第二通道；第一盤旋翅片，其位于第一通道中以引導(dǎo)通過供給混合物，所述的第一盤旋翅片涂有催化劑，所述的催化劑可在所述的供給混合物中誘發(fā)所需的反應(yīng)；和第二盤旋翅片，其位于第二通道中以引導(dǎo)通過燃燒器供給物，第二盤旋翅片涂有催化劑，所述的催化劑可在所述的燃燒器供給物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
2.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述第一通道位于所述第二通道的徑向向內(nèi)處。
3.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述的第二盤旋翅片在其下游段具有湍流(turbulated)表面，以及在其上游部分處的非湍流(unturbulated)表面。
4.如權(quán)利要求1所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片的至少一個(gè)具有表面增大，該表面增大沿著所述的第一和第二盤旋翅片的所述的至少一個(gè)的軸長變化，以改變在整個(gè)軸長上的反應(yīng)。
5.如權(quán)利要求1所述的組件，其中第一和第二盤旋翅片粘接到一壁的相對側(cè)，該壁從第二通道中分離第一通道。
6.如權(quán)利要求5所述的組件，其中所述翅片僅僅粘接至所述壁。
7.如權(quán)利要求1所述的組件，還包括圓柱形水煤氣(water-gas)轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在所述的第一和第二流動(dòng)通道的徑向向內(nèi)的位置處中央地延伸通過所述的外殼。
8.一種使用在燃料處理系統(tǒng)中的集成的蒸汽重整爐/燃燒器組件，其提供在所述組件中被重整的蒸汽/燃料供給混合物和在所述組件中被燃燒的燃燒器供給物；該組件包括一圓柱形壁；第一盤旋翅片，其粘接到所述的壁的徑向向內(nèi)襯面上，第一翅片涂有第一催化劑，其在所述的供給混合物和所述的燃燒器供給物之一中誘發(fā)所需反應(yīng)；和第二盤旋翅片，其粘接到所述的壁的徑向向外面襯面上，第二翅片涂有第二催化劑，其在所述的供給混合物和燃燒器供給物的另一個(gè)上誘發(fā)所需的反應(yīng)。
9.如權(quán)利要求8所述的組件，其中第一盤旋翅片的回旋軸向延伸以將所述的供給混合物和所述的燃燒器供給物之一引導(dǎo)通過所述的組件，第二盤旋翅片的回旋軸向延伸以將所述供給混合物和所述燃燒器供給物另一個(gè)引導(dǎo)通過所述的組件。
10.如權(quán)利要求8所述的組件，其中第一催化劑是用于所述供給混合物的催化劑，并且第二催化劑是用于燃燒器供給物的催化劑。
11.如權(quán)利要求8所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片的至少一個(gè)具有表面增大，該表面增大沿著所述的第一和第二盤旋翅片的所述的至少一個(gè)的軸長變化，以改變在整個(gè)軸長上的反應(yīng)。
12.如權(quán)利要求8所述的組件，還包括圓柱形水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在所述的第一翅片的徑向向內(nèi)的位置處中央地延伸通過所述的組件。
13.一種使用在燃料處理系統(tǒng)中的集成的蒸汽重整爐/燃燒器組件，其提供在所述組件中被重整的蒸汽/燃料供給混合物和在所述組件中被燃燒的燃燒器供給物；該組件包括第一圓柱形壁；第二圓柱形壁，其與第一圓柱形壁徑向向內(nèi)地隔開，以在第一和第二圓柱形壁之間限定第一軸向延伸的環(huán)形流動(dòng)通道，和在第二圓柱形壁的徑向向內(nèi)面對側(cè)所限定的第二軸向延伸流動(dòng)通道；第一盤旋翅片，其位于第一通道中，第一盤旋翅片的回旋軸向延伸以將所述的供給混合物和所述的燃燒器供給物之一引導(dǎo)通過第一通道，第一翅片涂有第一催化劑，其能在所述的供給混合物和所述的燃燒器供給物所述的之一中誘發(fā)所需的反應(yīng)；和第二盤旋翅片，其位于第二通道中，第二盤旋翅片的回旋軸向延伸以將所述的供給混合物和所述的燃燒器供給物的另一個(gè)引導(dǎo)通過第二通道，第二翅片涂有第二催化劑，其能在所述的供給混合物和燃燒器供給物的另一個(gè)中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
14.如權(quán)利要求13所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片被粘接到第二圓柱形壁上。
15.如權(quán)利要求14所述的組件，其中第一盤旋翅片不粘接到第一圓柱形壁上。
16.如權(quán)利要求13所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片被銅焊到第二圓柱形壁上，并且第一盤旋翅片不粘接到第一圓柱形壁上。
17.如權(quán)利要求13所述的組件，其中第一催化劑是用于所述燃燒器供給物的催化劑，并且第二催化劑是用于供給混合物的催化劑。
18.如權(quán)利要求13所述的組件，還包括第三圓柱形壁，其與第二圓柱形壁徑向向內(nèi)隔開以限定用于第二通道的環(huán)形形狀。
19.如權(quán)利要求18所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片被粘接到第二圓柱形壁上。
20.如權(quán)利要求19所述的組件，其中所述的第二盤旋翅片不粘接到第三圓柱形壁上。
21.如權(quán)利要求20所述的組件，其中所述的第一盤旋翅片不粘接到第一圓柱形壁上。
22.如權(quán)利要求18所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片被銅焊到第二圓柱形壁上，所述的第二盤旋翅片不粘接到第三圓柱形壁上，并且所述的第一盤旋翅片不粘接到第一圓柱形壁上。
23.如權(quán)利要求13所述的組件，其中所述的第一和第二盤旋翅片的至少一個(gè)具有表面增大，該表面增大沿著所述的第一和第二盤旋翅片的所述的至少一個(gè)的軸長變化，以改變在整個(gè)軸長上的反應(yīng)。
24.如權(quán)利要求13所述的組件，還包括圓柱形水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在所述的第二圓柱形壁的徑向向內(nèi)的位置處中央地延伸通過組件。
25.集成燃料處理單元包括外殼；在所述外殼中的蒸汽/燃料供給混合物供給源；在所述外殼中的燃燒器供給物供給源；和在所述外殼中的蒸汽重整爐/燃燒器，該蒸汽重整爐/燃燒器包括彼此間處于熱傳遞關(guān)系的第一和第二軸向延伸的同心的環(huán)形通道，第一通道連接到供給混合物的供給源，以在第一通道的一端接收供給混合物進(jìn)入第一通道中，第二通道連接到燃燒器供給物的供給源，以在鄰近第一通道的相對端的位置接收燃燒器供給物；第一盤旋翅片，其位于第一通道中以引導(dǎo)通過供給混合物，所述的第一盤旋翅片涂有催化劑，所述的催化劑可在所述的供給混合物中誘發(fā)所需的反應(yīng)；和第二盤旋翅片，其位于第二通道中以引導(dǎo)通過燃燒器供給物，第二盤旋翅片涂有催化劑，所述的催化劑可在所述的燃燒器供給物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
26.如權(quán)利要求25所述的集成燃料處理單元，其中所述的第一通道位于離所述第二通道的徑向向內(nèi)處。
27.如權(quán)利要求25所述的集成燃料處理單元，其中所述的第二盤旋翅片在其下游段具有湍流表面，以及在其上游部分處的非湍流表面。
28.如權(quán)利要求25所述的集成燃料處理單元，其中所述的第一和第二盤旋翅片的至少一個(gè)具有表面增大，該表面增大沿著所述的第一和第二盤旋翅片的所述的至少一個(gè)的軸長變化，以改變在整個(gè)軸長的反應(yīng)。
29.如權(quán)利要求25所述的集成燃料處理單元，其中第一和第二盤旋翅片粘接到一壁的相對側(cè)，該壁從第二通道中分離第一通道。
30.如權(quán)利要求29所述的集成燃料處理單元，其中所述的翅片僅僅粘接至所述壁。
31.如權(quán)利要求25所述的集成燃料處理單元，其中還包括圓柱形水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器，其在所述的第一和第二流動(dòng)通道的徑向向內(nèi)的位置處延伸貫穿所述的外殼。
32.如權(quán)利要求31所述的集成燃料處理單元，其中還包括燃燒器預(yù)熱器，其包括外殼，其限定了彼此處于熱傳遞關(guān)系的第三和第四軸向延伸的同心的環(huán)形通道，第三通道與所述的第二通道對齊并且直接連接到所述第二通道，以引導(dǎo)燃燒器供給物進(jìn)入第二通道，第四通道連接到所述的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器以接收來自水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的重整流。
33.如權(quán)利要求26所述的集成燃料處理單元，還包括在所述殼體中的同流熱交換器，該同流熱交換器包括彼此處于熱傳遞關(guān)系的第三和第四軸向延伸的同心的環(huán)形通道，第三通道與所述的第一通道對齊并且直接連接到所述的第一通道，以引導(dǎo)供給混合物進(jìn)入第一通道，第四通道設(shè)置在離第三通道的徑向向內(nèi)處，并且連接到第一通道，以在供給混合物已經(jīng)在第一通道重整之后從其中接收供給混合物。
全文摘要
一集成的蒸汽重整爐/燃燒器組件(42)提供使用在燃料處理裝置(20)中，該燃料處理裝置(20)提供蒸汽/燃料供給混合物(34)在該組件中重整以及燃料供給物(40)在該組件中燃燒。該組件(42)包括外殼(44，58)，其定義了彼此間處于熱傳遞關(guān)系的第一和第二軸向延伸的同心的環(huán)形通道；第一盤旋翅片(46)，其位于第一通道中以引導(dǎo)通過供給混合物，該第一盤旋翅片涂有催化劑，該催化劑可在供給混合物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。和第二盤旋翅片(50)，其位于第二通道中以引導(dǎo)通過燃燒器供給物，第二盤旋翅片涂有催化劑，該催化劑可在燃燒器供給物中誘發(fā)所需的反應(yīng)。
文檔編號(hào)F28D7/02GK1922101SQ200580005226
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月16日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月17日
發(fā)明者M·J·賴因克, J·瓦倫薩, T·班德豪爾, N·塞勒, M·G·沃斯, M·麥格雷戈, D·C·格蘭內(nèi)茨克 申請人:穆丹制造公司