專利名稱：用于燃料處理應用的混合燃燒室的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及整合有火焰和催化燃燒器的用于燃料處理應用的 混合燃燒室。選擇性地，混合燃燒室可以包括位于催化燃燒器下游的 整體式熱回收裝置，用于使重整反應器的進料流或床預熱以及產(chǎn)生蒸 汽。
背景技術(shù)：
燃料電池通過化學氧化還原反應提供電能并且就清潔度和效率來 說明顯優(yōu)于其它形式的能量產(chǎn)生。典型地，燃料電池使用氫氣作為燃 料，使用氧氣作為氧化劑。能量產(chǎn)生與反應物的消耗率成比例。
限制燃料電池更廣泛使用的明顯缺陷在于缺少分布廣泛的氫氣基 礎設施。氫氣具有比較低的體積能量密度，與目前在大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng) 中使用的烴類燃料相比更難儲存和輸送?？朔撾y題的一個方法是使 用重整裝置將烴類轉(zhuǎn)化為富氫氣體流，其可以用作燃料電池的原料。
烴基燃料，例如天然氣、LPG、汽油和柴油需要轉(zhuǎn)化處理以用作 大多數(shù)燃料電池的燃料源。當前技術(shù)使用多步驟工藝，將初始轉(zhuǎn)化工 藝與幾個凈化工藝相結(jié)合。初始工藝最常見為蒸汽重整(SR)、自熱 重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。 凈化工藝通常由脫硫、高溫水氣變換、低溫水氣變換、選擇性的CO 氧化或選擇性的CO曱烷化的組合構(gòu)成?？蛇x的工藝包括氫氣選擇性 膜反應器和過濾器。
例如陽極尾氣氧化器(ATO)的燃燒室對燃料處理系統(tǒng)來說是關(guān) 鍵部件。它使重整產(chǎn)物、來自燃料電池的陽極尾氣或變壓吸附裝置廢 氣燃燒以產(chǎn)生用于重整系統(tǒng)的熱量。所有這些氣體通常含有一定量的 氫氣。例如，由于是烴類原料重整產(chǎn)物，重整產(chǎn)物主要是氫氣和一氧
6化碳的混合物。其它成分可以包括二氧化碳、蒸汽、氮氣和未轉(zhuǎn)化的 原料。
除了燃燒這些氣體之外，尤其是在系統(tǒng)初次啟動期間，燃燒室還 要具有能使類似于天然氣或丙烷的燃料燃燒的能力。
燃燒室可以是單個的催化型燃燒室。雖然催化燃燒室相對于傳統(tǒng) 的火焰型燃燒器具有較低燃燒溫度和清潔排氣(其中含有較少的氮氧 化物)的優(yōu)點，但催化燃燒室的催化劑床通常需要為啟動進行預熱， 或者燃料(例如，天然氣)需要在燃燒室可以點火之前預先加熱到某 一溫度。作為一種選擇，可以使用表面電加熱器在啟動期間對催化劑
床或天然氣燃料進行預熱。這樣，通常需要至少30分鐘的時間來達到 用于天熱氣的點火溫度。因此，相當多的電能(附加能量)被消耗。 同樣，由于燃料或燃燒空氣的預熱未在設計中考慮，催化燃燒室在燃 燒大量天然氣方面存在困難。與天然氣在較大流速下的較高表面速度 相比，由于天然氣的較低火焰速度，致使火焰損失頻繁發(fā)生。
與常見催化燃燒室相關(guān)的另一問題在于，在燃燒區(qū)之外，在大部 分時間需要重整產(chǎn)物(尤其是氫氣)與空氣的良好混合。由于所形成 的氫氣空氣混合物處于其易燃(或易爆)下限，這種混合會導致潛在 的安全問題。
為了克服與單個催化燃燒室相關(guān)的上述問題，可以使用單個火焰 燃燒器。火焰型燃燒器典型地使用火花塞點燃燃料，并且不需要為點 火進行燃料(例如，天然氣)預熱。同樣，與催化燃燒室不同，火焰 型燃燒器不需要燃料與燃燒空氣進行充分預混合。相反，燃料可以在 正常溫度下利用適當?shù)幕瘜W計算容易地進行點火。然而，火焰型燃燒 器必須在相對富燃料情況(即，較低的氧/碳比)下點火，因此，其燃 燒溫度通常較高，除非引入大量二次空氣以削弱火焰。由于火焰型燃 燒器中的較高燃燒溫度，除炭黑外，很可能在其排氣中形成氮氧化物。 因此，單個火焰燃燒器既不是長期可行的解決方案，也不是保護環(huán)境 質(zhì)量的理想解決方案。本發(fā)明提供了一種解決與催化燃燒室相關(guān)難題 的可行解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種用于燃料處理應用的混合燃燒室，例如陽極尾
氣氧化器(ATO)，其將火焰型燃燒器和催化型燃燒器結(jié)合在一起。選 擇性地，混合燃燒室還可以包括位于催化燃燒器下游的整體式熱回收 裝置。除了如下所述的其它優(yōu)點外，利用本發(fā)明的混合燃燒室設計， 可以消耗較少的能量用于預熱?？偟恼f來，從預熱節(jié)省的總功率估計 量為大約1.5 kW。
本發(fā)明的混合燃燒室結(jié)合了火焰燃燒器和催化燃燒器的優(yōu)點?；?合燃燒室的火焰燃燒器部件在用于使催化燃燒器部件預熱的啟動期間 使用。當催化燃燒器床預熱或點火時，火焰燃燒器將切斷。通過結(jié)合 火焰燃燒器和催化燃燒器的特征，混合燃燒室改善了天然氣燃燒并確 保了燃燒室和整個燃料處理系統(tǒng)的快速啟動。大部分時間，混合燃燒 室只靠其催化燃燒器工作，因此，混合燃燒室仍然保持清潔燃燒的優(yōu) 點。
混合燃燒室的特征之一在于，火焰燃燒器排氣用于使催化燃燒器 的催化劑床直接預熱(通過直接經(jīng)過催化燃燒器床)。這種預熱方式與 通過電加熱器加熱催化燃燒器床相比更為迅速和有效。據(jù)估計，催化 燃燒器啟動時間可以從大約30分鐘縮短到不到1分鐘。
本發(fā)明的混合燃燒室的另一個特征在于，燃料或空氣預熱整合在 燃燒室的內(nèi)部。因此，不需要單獨的加熱設備或單獨的熱源(例如， 電能)。這種整合式燃料預熱設計可以使用翅片熱交換器，其非常有效 并且節(jié)能。整體式燃料預熱設計還解決了與難于燃燒大量天然氣，尤 其是燃燒冷天然氣相關(guān)的問題。因此，即使在較高的天然氣流量下也 不會產(chǎn)生更多的火焰損失。
本發(fā)明的混合燃燒室設計還解決了涉及燃料(重整產(chǎn)物和/或天然 氣)與空氣在遠離燃燒區(qū)的位置進行混合的潛在安全問題。在本發(fā)明 中，燃料與空氣的混合點盡可能地接近燃燒區(qū)。因此，混合物一旦形 成，它可以通過燃燒立即消耗。這消除了在燃燒區(qū)以外處理易爆氫氣空氣混合物的潛在安全問題或?qū)⑵浣抵磷钚〕潭?。另外，可以使用?霧器型燃料分配器，其不僅增強了熱空氣與燃料的混合(以確保燃料 在催化床上完全轉(zhuǎn)化)，還使壓降減小到最小程度。
除了本發(fā)明的火焰燃燒器和催化燃燒器之外，還可以包括用于二 次空氣的預熱器。另外，本發(fā)明還可以包括在需要用于燃燒的補充天
然氣時，使重整產(chǎn)物和天然氣進行預混合的管線內(nèi)(inline)混合器。 選擇性地，本發(fā)明的混合燃燒室還可以包括位于催化燃燒器下游 的整體式熱回收裝置，用于使自熱重整裝置(ATR)的進料流或床預 熱或用于產(chǎn)生蒸汽。利用本發(fā)明的混合燃燒室的這個實施例，可以獲 得提高的燃料處理效率和燃料處理系統(tǒng)(例如，ATR系統(tǒng))的快速啟 動。
來自整體式熱回收裝置的燃燒排氣可以沿下列兩條路徑之一流 動(l)流向ATR反應器，用于在系統(tǒng)啟動期間使重整裝置和變換催 化劑床預熱；或者，(2)流向熱交換器(二次空氣預熱器)，以使用于 混合燃燒室本身的二次空氣預熱。使用來自混合燃燒室的排氣對ATR 反應器催化劑床進行預熱的 一個好處在于，ATR反應器催化劑床可以 更迅速、更均勻地預熱，因此，ATR可以更快地實現(xiàn)和達到其希望的 工作點。作為額外的好處，由于ATR反應器的快速加熱，空氣和蒸汽 可以更早地同時流入ATR反應器，從而使ATR床上的煙灰生成(由 在未添加蒸汽情況下進行部分氧化引起)降到最小程度。


參考附圖對本發(fā)明進行描述，其中
圖l顯示了用于燃料處理器的簡單工藝流程圖。
圖2顯示了壓縮燃料處理器的實施例。
圖3顯示了混合燃燒室的實施例。
圖4顯示了混合燃燒室的第二實施例。
具體實施例方式
9例如陽極尾氣氧化器(ATO)的燃燒室對燃料處理器和燃料電池 的工作來說必不可少。本發(fā)明公開了 一種用于燃料處理應用的混合燃 燒室，例如ATO，其將火焰燃燒器和催化燃燒器結(jié)合在一起。
燃料處理器通常是用于將烴類燃料轉(zhuǎn)換為富氫氣體的設備。在一 個實施例中，這里描述的壓縮燃料處理器從供燃料電池使用的烴類燃 料中生產(chǎn)富氫氣體流。然而，可以設想本發(fā)明的方法具有其他可能應 用，包括需要富氫氣流的任何應用。因此，盡管本發(fā)明在這里描述為 與燃料電池結(jié)合使用，但本發(fā)明的范圍不局限于這種應用。每個說明 性實施例描述了燃料處理器或使用燃料處理器的工藝，其中，烴類燃 料供給通過燃料處理器控制。
用于燃料處理器的烴類燃料在環(huán)境條件下可以是液體和氣體，只 要它可以汽化即可。當在此使用時，術(shù)語"烴類"包括具有碳-氫鍵的有 機化合物，其能夠通過部分氧化或蒸汽重整反應產(chǎn)生氫氣。在化合物 的分子結(jié)構(gòu)中不排除存在碳和氫以外的原子。因此，用于燃料處理器 的適用燃料包括但不限于例如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石 腦油、汽油和柴油的烴類燃料，以及例如曱醇、乙醇、丙醇的酒精等。
燃料處理器進料包括烴類燃料、氧氣和水。氧氣可以是空氣、富 氧空氣或大體上純氧。水可以液體或蒸汽形式引入。進料成分的組成 百分比由希望的工作條件決定，如下所述。
燃料處理器排出流包括氫氣和二氧化碳，還可以包括一部分水、 未轉(zhuǎn)化的烴類、 一氧化碳、雜質(zhì)(例如，硫化氫和氨)以及惰性組分 (例如，氮氣和氬氣，尤其是如果空氣是進料流的一部分的話)。
參見圖1，圖1顯示了燃料處理器的簡單工藝流程圖，舉例說明 了將烴類燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體所包括的工藝步驟。本領(lǐng)域的技術(shù)人員 應當認識到，在反應物通過這里公開的反應器流動的過程中需要一定 量的漸進順序。
處理步驟A是自熱重整過程，其中，兩個反應，即部分氧化(下 面的反應式I)和選擇性的蒸汽重整(下面的反應式II)聯(lián)合作用以 將進料流F轉(zhuǎn)化為含有氫氣和一氧化碳的合成氣體。反應式I和II是
10示例性的反應式，其中，甲烷被認為是經(jīng)類 CH4+V202+2H2+CO (I) CH4+H20+3H2+CO (II)
部分氧化反應非常迅速地發(fā)生以使添加的氧氣完全轉(zhuǎn)化并產(chǎn)生熱 量。蒸汽重整反應較慢地發(fā)生并且消耗熱量。進料流中氧氣的濃度越 高，越有助于部分氧化，而水蒸氣濃度越高，越有助于蒸汽重整。因 此，氧氣與烴類之比以及水與烴類之比成為特征參數(shù)。這些比值影響 工作溫度和氫氣產(chǎn)量。
根據(jù)進料條件和催化劑，自熱重整步驟的工作溫度可以為大約 550。C到大約900°C。本發(fā)明可以在有或沒有水蒸氣重整催化劑的情況 下使用部分氧化催化劑的催化劑床。催化劑可以是任何形式，包括球 粒、球形、擠出物、整料等。部分氧化催化劑為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟 知，通常由位于整料、擠出物、球?；蚱渌d體的氧化鋁活化涂層上 的貴金屬例如鉑、鈀、銠和/或釕組成。還使用例如鎳或鈷的非貴金屬。 例如氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅和氧化鎂的其它活化涂層已經(jīng)在文獻 中引用。許多添加材料，例如鑭、鈰和鉀已經(jīng)在文獻中引用為"助催 化劑"，用于提高部分氧化催化劑的性能。
蒸汽重整催化劑應當為本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知并且可以包括具有 一定量鈷或貴金屬的鎳，所述貴金屬例如為鉑、把、銠、釕和/或銥。 例如，催化劑可以承載在單獨或組合使用的氧化鎂、氧化鋁、二氧化 硅、氧化鋯或鋁酸鎂上?？蛇x地，蒸汽重整催化劑可以包括鎳，優(yōu)選 地承栽在單獨或組合使用的氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁 酸鎂上，由例如鉀的堿性金屬催化。
處理步驟B是冷卻步驟，用于將來自處理步驟A的合成氣體流冷 卻到大約200。C到大約600°C，優(yōu)選地為大約300。C到大約500°C,更 優(yōu)選地為大約375。C到大約425°C,以使用于下一步驟的合成氣體排出 的溫度最佳化。冷卻可以根據(jù)設計規(guī)范和回收/循環(huán)氣體流熱含量的需 要利用熱沉、導熱管或熱交換器實現(xiàn)。步驟B的一個說明性實施例是 使用熱交換器，其利用進料流F作為在熱交換器中循環(huán)的冷卻劑。熱交換器可以具有本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的任何適用結(jié)構(gòu)，包括殼管式、
板式、螺旋式等?？蛇x地或另外，冷卻步驟B可以通過噴射額外的進 料成分例如燃料、空氣或水來完成。水是優(yōu)選的，因為它在汽化為蒸 汽時能夠吸收大量的熱。添加成分的數(shù)量取決于所希望的冷卻度并且 易于由本領(lǐng)域的技術(shù)人員確定。
處理步驟C是提純步驟。經(jīng)類流的主要雜質(zhì)之一是硫，其通過自 熱重整步驟A轉(zhuǎn)化為硫化氫。在處理步驟C中使用的處理芯部優(yōu)選地 包括氧化鋅和/或能夠吸收和轉(zhuǎn)化硫化氫的其它材料，并且可以包括載 體(例如，整料、擠出物、球粒等)。通過根據(jù)下列反應式III將硫化 氫轉(zhuǎn)化為水實現(xiàn)脫硫
H2S+ZnO+H20+ZnS (III)
例如氯化物的其它雜質(zhì)也可以被去除。反應優(yōu)選地在大約300°C 到大約500。C、更優(yōu)選地大約375。C到大約425。C的溫度下進行。氧化 鋅在大約25。C到大約700。C的很寬溫度范圍內(nèi)是有效的硫化氫吸收 劑，并且通過適當選擇工作溫度提供用于優(yōu)化處理步驟順序的高度靈 活性。
排出流隨后送至混合步驟D,其中，水有選擇地添加到氣體流中。 水的添加降低了反應流在其汽化時的溫度并且提供用于處理步驟E的 水氣變換反應(如下所述)的更多的水。水蒸氣和其它排出流組分通 過流過惰性材料制成的處理芯部進行混合，所述惰性材料例如為有效 混合和/或有助于水汽化的瓷珠或其它類似材料。可選地，所有補給水 可以隨進料一起引入，混合步驟可以復位以在下面公開的CO氧化步 驟G中提供氧化氣體的更好混合。
處理步驟E是水氣變換反應，其根據(jù)反應式IV將一氧化碳轉(zhuǎn)化 為二氧化碳
H20+CO—H2+C02 (IV )
這是重要的步驟，因為除了對人體具有高毒性之外， 一氧化碳對 燃料電池也是有害的。 一氧化物的濃度應當優(yōu)選地降低到燃料電池容 許的水平，典型地低于50ppm。通常，水氣變換反應可以根據(jù)所用催
12化劑在150。C到600。C的溫度下發(fā)生。在這種情況下，氣體流中的大部 分一氧化碳在這個步驟中轉(zhuǎn)化。
低溫變換催化劑在大約150。C到大約300。C的范圍內(nèi)起作用，并且 包括例如氧化銅，或承載于例如氧化鋯的其它過渡金屬氧化物上的銅， 或承載于例如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等的過渡金屬氧化物或耐火 載體上的鋅，或者位于例如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯的適用載體上 的例如鉑、錸、鈀、銠或金的貴金屬，等等。
高溫變換催化劑優(yōu)選地在大約30(TC到大約60(TC的溫度范圍內(nèi) 起作用，并且可以包括例如氧化鐵或氧化鉻的過渡金屬氧化物，并且 有選擇地包括例如銅或鐵失活劑(suicide)的助催化劑。還包括的是， 高溫變換催化劑是固載貴金屬，例如固載鉑、鈀和/或其它鉑系元素。
用于執(zhí)行該步驟的處理芯部可以包括例如上述高溫或低溫變換催 化劑，或者高溫和低溫變換催化劑組合的填料床。所述處理應當根據(jù) 所用催化劑的類型在適于水氣變換反應的任何溫度，優(yōu)選地在150°C 到大約400。C的溫度下進行。選擇性地，例如冷卻盤管的冷卻元件可 以布置在變換反應器的處理芯部中，以降低催化劑填料床內(nèi)的反應溫 度。較低的溫度有助于一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。同樣，提純處理步 驟C可以通過利用高低溫變換步驟之間的脫硫模塊提供用于高低溫變 換的單獨步驟在高低溫變換反應之間進行。
處理步驟F'是在一個實施例中通過熱交換器進行的冷卻步驟。熱 交換器可以具有任何適用結(jié)構(gòu)，包括殼管式、板式、螺旋式等?？蛇x 地，可以使用導熱管或其它形式的熱沉。熱交換器的目的在于降低氣 體流的溫度以產(chǎn)生溫度優(yōu)選地為大約90。C到大約15(TC的排出流。
氧氣添加到步驟F'的工藝中。氧氣由下述處理步驟G的反應消耗。 氧氣可以是空氣、富氧空氣或大體上純氧。熱交換器可以根據(jù)設計提 供空氣與富氫氣體的混合。可選地，處理步驟D的實施例可用于進行 混合。
處理步驟G是氧化步驟，其中，排出流中的幾乎全部剩余一氧化 碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳?？梢栽诰哂杏糜谝?氧化碳氧化的催化劑的情況下進行上述工藝，并且催化劑可以為任何適當形式，例如球粒、球形、 整料等。用于一氧化碳的氧化催化劑已知并且典型地包括貴金屬(例 如柏、鈀)和/或過渡金屬(例如，鐵、鉻、錳)和/或貴金屬或過渡 金屬的化合物，尤其是氧化物。優(yōu)選的氧化催化劑是位于氧化鋁活化 涂層上的鉑。活化涂層可以施加到整料、擠出物、球?；蚱渌d體上。 可以添加例如鈰或鑭的添加材料以提高性能。文獻中引用了許多其它 反應式，其中， 一些有實際經(jīng)驗的人主張銠或氧化鋁催化劑具有優(yōu)異 性能。釕、把、金和其它材料在文獻中引用為對這種應用有效。
在處理步驟G中存在兩個反應 一氧化碳的希望氧化(反應式V) 和氫氣的不希望氧化(反應式VI)如下 CO+V202+C02 (V) Hr^O^HzO ( VI)
低溫有助于一氧化碳的優(yōu)選氧化。因為兩個反應產(chǎn)生熱量，有利 地是，有選擇地包括布置在工藝中的冷卻元件，例如冷卻盤管。所述 工藝的工作溫度優(yōu)選地保持在大約90。C到大約150。C的范圍內(nèi)。處理 步驟G優(yōu)選地將一氧化碳水平降低到小于50ppm,其是在燃料電池中 使用的適用水平，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應當認識到，本發(fā)明可適合 于產(chǎn)生具有較高或較低水平的一氧化碳的富氫產(chǎn)物。
流出燃料處理器的排出流是含有二氧化碳和其它組分的富氫氣 體，所述其它組分可以是例如水、惰性組分(例如，氮氣、氬氣)、殘 余烴等。產(chǎn)品氣體可作為用于燃料電池或用于需要富氫進料流的其它 應用的進料。選擇性地，產(chǎn)品氣體可進行進一步處理，例如去除二氧 化碳、水或其它組分。
燃料處理器100包含用于執(zhí)行如圖1所示一般工藝的一系列處理 單元。期望的是，處理單元可以具有對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見 的多種構(gòu)造。此外，這里描述的燃料處理器可適合與燃料電池一起使 用，使得這里描述的燃料處理器的富氫產(chǎn)品氣體作為進料流直接供應 給燃料電池。
參見圖2，圖2顯示了緊湊的燃料處理器的實施例。如圖2所示的燃料處理器200與圖1示意性顯示和上文描述的工藝類似。烴類燃 料進料流F引入燃料處理器，富氫產(chǎn)品氣體P排出。燃料處理器200 包括若干個處理單元，每個處理單元執(zhí)行單獨操作功能并且通常構(gòu)造 為如圖2所示。在這個說明性實施例中，烴類燃料F經(jīng)由第一隔室流 入螺旋式熱交換器201，其利用燃料電池尾氣T (在AT0 214處流入 燃料處理器200)對進料F進行預加熱。因為在燃料處理器中發(fā)生的 多個放熱反應，本領(lǐng)域技術(shù)人員應當認識到，在這個過程中還可能存 在幾種其它熱聯(lián)合可能。預熱進料隨后通過同心擴散器(用于反應器 入口處近乎理想的流動分布和低壓降)流入脫硫反應器202。反應器 202包含脫硫催化劑并且以如圖1所示處理步驟C中描述的方式工作。 (注意，該步驟不與圖1所示處理步驟的順序一致。這是文獻的根本實 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以優(yōu)化工藝構(gòu)造，以便處理各種烴類燃料進料 和/或產(chǎn)生更純的產(chǎn)物。)來自反應器202的脫硫燃料隨后通過同心擴 散器收集并與空氣A混合，混合物流向熱交換器203。在這個說明性 實施例中，熱交換器203是螺旋式熱交換器，其利用燃料電池尾氣T (在ATO 214處流入燃料處理器200 )加熱混合的燃料/空氣流。
預熱的燃料/空氣混合物隨后流入第二隔室，其中，預熱溫度通過 位于兩個隔室之間的線圏加熱器204保持或增加。預熱的燃料-空氣混 合物流入螺旋式熱交換器205，其利用自熱重整裝置(ATR) 206排出 流將流體預先加熱到自熱重整反應溫度。經(jīng)預熱的水(在熱交換器212 處流入燃料處理器200)在流入熱交換器205之前與預熱的燃料空氣 流混合。預熱的燃料-空氣-水混合物通過同心擴散器流出熱交換器 205，隨后供應給ATR206，這對應于圖1中的處理步驟A。擴散器允 許在ATR206入口處實現(xiàn)均勻的流動分布。來自ATR206的熱氫氣產(chǎn) 物通過同心擴散器收集并返回熱交換器205用于熱回收。在這個實施 例中，熱交換器205安裝到ATR206正上方，以便將流動通道減到最 短，從而減少能量損耗，提高總能量效率。流動調(diào)整葉片可以插在彎 曲處，以便實現(xiàn)通過ATR206的低壓降和均勻流動。
來自熱交換器205的冷卻氫氣產(chǎn)物隨后通過同心擴散器流向脫硫反應器207,這對應于圖1中的處理步驟C。脫硫產(chǎn)物隨后提供給催 化變換反應器208，這對應于圖1中的處理步驟E。設置冷卻盤管209 以控制放熱轉(zhuǎn)換反應溫度，其加快一氧化碳轉(zhuǎn)化，從而導致效率提高。 在這個實施例中，冷卻盤管209還對ATR206進料預先加熱，進一步 提高熱回收和燃料電池效率。轉(zhuǎn)換反應產(chǎn)物隨后通過同心擴散器進行 收集并且在螺旋式熱交換器210中冷卻，所述螺旋式熱交換器同樣使 供水W預先加熱。
空氣A隨后引入冷卻的轉(zhuǎn)換反應產(chǎn)物，其隨后流向同心擴散器， 給優(yōu)選的CO氧化反應器211供料。反應器211將一氧化碳氧化為二 氧化碳，這對應于圖1中的處理步驟G。流動調(diào)整葉片可以插在彎曲 處，以便實現(xiàn)通過反應器211的短流動通道和均勻的低壓降。排出的 凈化氫氣流隨后在同心擴散器中收集并送至熱交換器212,其將熱能 回收到供水W中。冷卻氫氣流隨后在分離器213中沖刷以去除過量水 W。來自分離器213的氫氣流P適用于氫氣用戶，例如燃料電池。
在圖2所示實施例中，來自燃料電池的混合陽極和陰極排出氣體 流入燃料處理器200以在燃料電池中對未轉(zhuǎn)化的氫氣進行熱回收。燃 料電池與燃料處理器的集成顯著提高了由燃料電池進行發(fā)電的總效 率。燃料電池尾氣T通過同心擴散器流向AT0 214。氫氣，和(可能 地)曱烷及其它輕質(zhì)烴類的滑流根據(jù)下列反應式進行催化氧化
CH4+202~>C02+2H20 (VII)
Hr^O^HzO ( VIII)
反應VII和VIII在ATO 214發(fā)生，所述AT0214可以是由位于 珠粒上的催化劑丸，或者優(yōu)選地整體式催化劑組成的固定床反應器。 熱反應器排出流通過同心擴散器收集并且流向熱交換器203以對來自 反應器202的合成燃料/空氣混合物進行熱回收。來自燃料電池尾氣流 T的熱量在所述尾氣流迅速通過分離器215之前在熱交換器201中進 一步回收。分離出的水加入處理器排出水流W中，排出氣體隨后排放 到環(huán)境中。
參見圖3，圖3顯示了本發(fā)明用于燃料處理應用的混合燃燒室(例
16如，陽極尾氣氧化器(ATO))的實施例300?；旌先紵?00包括允 許一次空氣進入混合燃燒室300的第一閥301;允許燃料(典型地， 天然氣；除了其它燃料外還可以使用丙烷)進入混合燃燒室300的第 二閥302;允許二次空氣進入混合燃燒室300的第三閥303;和允許燃 料(典型地，天然氣和/或重整產(chǎn)物)進入混合燃燒室300的第四閥304。 燃料、 一次空氣和二次空氣的混合點恰好位于混合燃燒室300的燃燒 區(qū)之前。
如圖3所示，混合燃燒室300還包括具有火花塞305的火焰燃燒 器310，所述火花塞用于啟動混合燃燒室300;高溫偏轉(zhuǎn)板306;重整 產(chǎn)物分配器307;催化燃燒器308;和熱交換器309。重整產(chǎn)物分配器 307可以是噴霧器型重整產(chǎn)物分配器。催化燃燒器308的催化劑床可 以是整體式催化劑床或球粒型催化劑床。熱交換器309可以是軋制翅 片型熱交換器。
火焰燃燒器310的排氣通過直接經(jīng)過催化劑床使催化燃燒器308 的催化劑床預熱?；鹧嫒紵?10在催化燃燒器308的催化劑床預熱 之后自動切斷。來自催化燃燒器308的排氣311可用于使例如自熱重 整床的重整床預熱。
本發(fā)明的混合燃燒室300首先通過打開第一閥301進行工作，以 允許一次空氣進入混合燃燒室300以利用一次空氣吹掃混合燃燒室 300。 一次空氣在啟動期間可以i殳定為例如100 slpm的流量。 一次空 氣允許流動幾秒鐘。吹掃氣排出到排氣管線，同時保持一次空氣的流 量。
接下來， 一次空氣的流量減少(到例如36slpm的數(shù)值)，隨后， 第二閥302打開。第二閥302的打開還允許燃料(例如天然氣，設定 在例如3slpm的流量)流過第二閥302。隨后，火焰燃燒器310的火 花塞305立刻點火以點燃火焰燃燒器310。監(jiān)視熱電偶以檢測火焰燃 燒器310的溫度變化。
接下來，在火焰燃燒器310的火花塞305致動之后，根據(jù)需要， 打開第三閥303允許二次空氣進入以使火焰溫度降低?？刂贫慰諝獾牧髁恳苑乐勾呋紵?08的催化劑床燒結(jié)。稀薄火焰的排氣溫度 不應超過80(TC以防止燒結(jié)。例如，對于天然氣為3 slpm以及一次空 氣為36slpm的情況下，二次空氣流量應當控制在大于27slmp。在本 實例中，在添加二次空氣的情況下，總氧碳比為4.4。
火焰燃燒器310在二次空氣存在的情況下工作幾秒鐘(例如，30 秒)以加熱熱交換器309和催化燃燒器308的催化劑床。 一旦催化燃 燒器308的催化劑床達到要求的溫度(例如，400°C )，第二閥302關(guān) 閉以截斷燃料通過第二閥302的流動，因燃料停止供應給火焰燃燒器 310而自動切斷火焰燃燒器310?？諝饪梢匀匀涣鬟^火焰燃燒器310 以回收存留在火焰燃燒器310和熱交換器309中的熱量。
接下來，第四閥304打開以使燃料通過重整產(chǎn)物分配器307流入 催化燃燒器308。預熱空氣與燃料在錐形殼體的頸部混合，天然氣在 所述位置通過重整產(chǎn)物分配器307連續(xù)地分配給空氣。由于空氣在環(huán) 形喉管處的極高速度，可以獲得燃料和空氣之間良好的混合。當催化 燃燒器308的催化劑床足夠熱時，燃料-空氣混合物在其撞擊催化燃燒 器308的催化床時點燃。這里，空氣和燃料在正好位于所述混合燃燒 室300的燃燒區(qū)之前的混合點處混合。
根據(jù)一次空氣的流量和所需的氧碳比確定所述天然氣的實際流 量。例如，可以使用氧碳比為2.5。天然氣可以通過與來自熱交換器 309的熱空氣直接混合進行預熱。
當獲得陽極尾氣或變壓吸附裝置廢氣時，天然氣將轉(zhuǎn)化為重整產(chǎn) 物。當燃燒重整產(chǎn)物(由于存在氫氣)比燃燒天然氣更容易時，轉(zhuǎn)化 不會產(chǎn)生問題。在需要補充天然氣的情況下，天然氣可以首先與重整 產(chǎn)物混合在一起并輸送給催化燃燒器309。
參見圖4,圖4顯示了本發(fā)明用于燃料處理應用的混合燃燒室400 的第二實施例。與圖3所示實施例類似，混合燃燒室400包括允許一 次空氣進入混合燃燒室400的第一閥401;允許燃料(典型地，天然 氣；除了其它燃料外還可以使用丙垸)進入混合燃燒室400的第二閥 402;允許二次空氣進入混合燃燒室400的第三閥403;和允許燃料(典型地，天然氣和/或重整產(chǎn)物)進入混合燃燒室400的第四閥404。燃 料、 一次空氣和二次空氣的混合點恰好位于混合燃燒室400的燃燒區(qū) 之前。
如圖4所示并且與圖3類似，混合燃燒室400還包括具有火花塞 405的火焰燃燒器410，所述火花塞用于啟動混合燃燒室400;高溫偏 轉(zhuǎn)板406;重整產(chǎn)物分配器407;催化燃燒器408;和熱交換器409。 重整產(chǎn)物分配器407可以是噴霧器型重整產(chǎn)物分配器。催化燃燒器408 的催化劑床可以是整體式催化劑床。熱交換器409可以是軋制翅片型 熱交換器。
圖4所示混合燃燒室400的實施例還包括二次空氣預熱器413、 管線內(nèi)混合器411和整體式熱回收裝置412。整體式熱回收裝置412 包括圓柱形環(huán)狀空間，其中，來自催化燃燒器408的煙道氣三次(以 上或以下)流過所述圓柱形環(huán)狀空間而不是僅僅流過一次，這大大增 加了熱煙道氣與冷蒸汽接觸的停留時間，從而增強了熱傳遞。
整體式熱回收裝置412還包括鍋爐。鍋爐兼顧流動沸騰和池沸騰。 例如，鐘形環(huán)狀空間內(nèi)的水實際上幾乎與流動沸騰一樣向上流動，但 由于頂部存在大空間用于將液滴擊落而不易結(jié)塊，從而形成不連續(xù)的 兩相流動。另一方面，鍋爐還像池沸騰，這是因為，由于連續(xù)不斷的 水供給以及在穩(wěn)定條件下通常保持最低水位，使得始終有一部分水保 持在環(huán)形儲存器中。另外，鍋爐對蒸汽產(chǎn)量有更好的調(diào)氣比(turn-down ratio),這是因為沸騰傳熱面積隨水位而變，而水位相應地隨水流量 而變。
整體式熱回收裝置412還包括鐘形蒸發(fā)器；用于氣體進一步加熱 的大盤管；用于蒸汽過熱的小盤管；和軋制翅片型熱交換器。翅片熱 交換器用于在熱源氣體已經(jīng)冷卻的位置處增強氣氣熱傳遞。
整體式熱回收裝置412的設計通過增加熱煙道氣和冷蒸汽之間的 接觸時間來提高傳熱效率。該設計還通過較小的盤管直徑使在流動沸 騰型熱交換器中經(jīng)常遇到的不希望結(jié)塊最小化，因此利用該設計，可 以實現(xiàn)更為穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)量。另外，鍋爐對蒸汽產(chǎn)量有更好的調(diào)氣比，這是因為沸騰傳熱表面面積可以隨水流量而變。最后，利用整體式熱
回收裝置412的設計，由于熱煙道氣和冷蒸汽之間的反向流動路徑設 計，蒸汽或氣體可以加熱到較高溫度。
來自整體式熱回收裝置412的燃燒排氣可以傳送至二次空氣預熱 器413。來自整體式熱回收裝置412的燃燒排氣還可以傳送給重整反 應器，例如自熱重整(ATR)反應器或蒸汽曱烷重整(SMR)反應器， 用于在ATR反應器啟動期間使重整裝置床和轉(zhuǎn)換床進行預熱。另外， 用于混合燃燒室400的天然氣可以通過與來自整體式軋制翅片熱交換 器的熱二次空氣直接混合進行預熱。
本實施例的混合燃燒室400以與上文參考圖3所述實施例的混合 燃燒室300 —樣的方式工作。
盡管已經(jīng)通過優(yōu)選或說明性實施例對本發(fā)明的方法進行了描述， 但對本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的 情況下，可以對此處描述的工藝進行變形。所有這些相似的替換或改 變對本領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見，并且落入由下列權(quán)利要求所限定的 本發(fā)明的范圍和構(gòu)思內(nèi)。
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權(quán)利要求
1.一種混合燃燒室，包括允許一次空氣進入所述混合燃燒室的第一閥；允許燃料進入所述混合燃燒室的第二閥；允許二次空氣進入所述混合燃燒室的第三閥；具有火花塞的火焰燃燒器，所述火花塞用于啟動所述混合燃燒室；高溫偏轉(zhuǎn)板；允許所述燃料進入所述混合燃燒室的第四閥，其中，所述燃料、所述一次空氣和所述二次空氣的混合點恰好位于所述混合燃燒室的燃燒區(qū)之前；重整產(chǎn)物分配器；催化燃燒器，其中，所述催化燃燒器包括催化劑床；和熱交換器。
2. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，還包括二次空氣預熱器。
3. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，還包括位于所述第四閥上游 的管線內(nèi)混合器。
4. 如權(quán)利要求l所述的混合燃燒室，還包括位于所述催化燃燒器 下游的整體式熱回收裝置，其中，所述整體式熱回收裝置包括圓柱形 環(huán)狀空間，其中，來自所述催化燃燒器的煙道氣三次流過所述圓柱形 環(huán)狀空間；鍋爐，其中，所述鍋爐兼顧流動沸騰和池沸騰；鐘形蒸發(fā) 器；用于氣體進一步加熱的大盤管；用于蒸汽過熱的小盤管；和軋制 翅片型熱交換器。
5. 如權(quán)利要求4所述的混合燃燒室，其中，來自所述整體式熱回 收裝置的燃燒排氣傳送至重整反應器，以在所述重整反應器啟動期間 使重整裝置床和轉(zhuǎn)換床預熱。
6. 如權(quán)利要求5所述的混合燃燒室，其中所述重整反應器是自熱 重整反應器。
7. 如權(quán)利要求4所述的混合燃燒室，還包括二次空氣預熱器，其中，來自所述整體式熱回收裝置的燃燒排氣傳送至所述二次空氣預熱 器。
8. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，來自所述火焰燃燒器 的排氣通過直接經(jīng)過所述催化劑床使所述催化劑床預熱。
9. 如權(quán)利要求8所述的混合燃燒室，其中，所述火焰燃燒器在所 述催化劑床預熱之后自動切斷。
10. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，所述重整產(chǎn)物分配 器是噴霧器型重整產(chǎn)物分配器。
11. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，所述催化劑床是整 體式催化劑床。
12. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，所述熱交換器是軋 制翅片型熱交換器。
13. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，所述混合燃燒室是 混合陽極尾氣氧化器。
14. 如權(quán)利要求1所述的混合燃燒室，其中，來自所述混合燃燒 室的排氣使重整床預熱。
15. 如權(quán)利要求14所述的混合燃燒室，其中，所述重整床是自熱 重整床。
16. —種混合燃燒室，包括 多個閥；具有火花塞的火焰燃燒器； 高溫偏轉(zhuǎn)板； 重整產(chǎn)物分配器； 催化燃燒器；和 熱交換器。
17. 如權(quán)利要求16所述的混合燃燒室，還包括二次空氣預熱器； 位于所述第四閥上游的管線內(nèi)混合器；和位于所述混合燃燒室下游的 整體式熱回收裝置。
18. 如權(quán)利要求16所述的混合燃燒室，其中，所述多個閥包括允許一 次空氣進入所述混合燃燒室的第 一 閥； 允許燃料進入所述混合燃燒室的第二閥； 允許二次空氣進入所述混合燃燒室的第三岡；和 允許所述燃料進入所述混合燃燒室的第四閥，其中，所述燃料、所述一 次空氣和所述二次空氣的混合點恰好位于所述混合燃燒室的燃燒區(qū)之前。
19. 一種用于操作混合燃燒室的方法，包括 打開第一閥使一次空氣進入所述混合燃燒室，從而利用所述一次空氣吹掃所述混合燃燒室；將吹掃氣排到排氣管線，同時保持所述一次空氣的流量；減少所述一次空氣的流量；使燃料流過第二閥；立即致動火焰燃燒器的火花塞以點燃所述火焰燃燒器； 監(jiān)視用于所述火焰燃燒器的溫度變化的熱電偶； 打開第三閥使二次空氣在所述火花塞致動之后流動以降低火焰溫度；控制所述二次空氣的流量以防止催化劑床燒結(jié)； 利用所述二次空氣使所述火焰燃燒器運行以加熱熱交換器和所述 催化劑床；關(guān)閉所述第二閥以阻止所述燃料流過所述第二閥，從而自動切斷所述火焰燃燒器；打開第四閥以使所述燃料通過分配器流入催化燃燒器；和 使所述一次空氣、所述二次空氣和所述燃料在混合點混合，'其中，所述混合點恰好位于所述混合燃燒室的燃燒區(qū)之前。
20. 如權(quán)利要求19所述的用于操作混合燃燒室的方法，其中，根 據(jù)所述一次空氣的流量以及所需的氧碳比確定天然氣的流量。
21. 如權(quán)利要求19所述的用于操作混合燃燒室的方法，還包括通 過與來自所述熱交換器的熱空氣直接混合來使天然氣預熱。
22. 如權(quán)利要求19所述的用于操作混合燃燒室的方法，其中，來自所述混合燃燒室的排氣使重整床預熱。
23. 如權(quán)利要求22所述的用于操作混合燃燒室的方法，其中，所 述重整床是自熱重整床。
24. 如權(quán)利要求19所述的用于操作混合燃燒室的方法，其中，所 述混合燃燒室是混合陽極尾氣氧化器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于燃料處理應用的混合燃燒室，例如陽極尾氣氧化器(ATO)，其將火焰型燃燒器和催化型燃燒器結(jié)合在一起。本發(fā)明的混合燃燒室結(jié)合了火焰型燃燒器和催化型燃燒器的優(yōu)點?；旌先紵业幕鹧嫒紵鞑考谟糜谑勾呋紵鞑考A熱的啟動期間使用。當催化燃燒器床預熱或點火時，火焰燃燒器將切斷。選擇性地，混合燃燒室還可以包括位于催化燃燒器下游的整體式熱回收裝置，用于產(chǎn)生蒸汽和使重整裝置例如自熱重整裝置的進料進行預熱。
文檔編號F23D3/40GK101589271SQ200780045997
公開日2009年11月25日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者C·L·克勞斯, K·H·源, 劉云權(quán) 申請人:德士古發(fā)展公司