專利名稱：用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預熱的傳熱裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明通常涉及用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預熱的傳熱裝置。本發(fā)明尤 其涉及一種傳熱裝置，其中，鍋爐和氣體預熱器整合到一個裝置中以 產(chǎn)生過熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在一個說明性實施例中，本 發(fā)明應用于燃料處理應用，具體地，可以位于燃燒室或陽極尾氣氧化 器的下游。
背景技術：
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。克服該難題的一個方法是使 用重整裝置將烴類轉化為富氫氣體流，其可以用作燃料電池的原料。
烴基燃料，例如天然氣、LPG、汽油和柴油需要轉化處理以用作 大多數(shù)燃料電池的燃料源。當前技術使用多步驟工藝，將初始轉化工 藝與幾個凈化工藝相結合。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甲烷化的組合構成?？蛇x的工藝包括氫氣選擇性 膜反應器和過濾器。
在燃料處理裝置，例如SR或ATR反應器中，需要過熱蒸汽和預 熱空氣和/或燃料。燃料處理效率直接受到蒸汽過熱程度以及熱空氣或 燃料預熱程度的影響。
4通常，來自燃燒室或陽極尾氣氧化器(ATO)的熱燃燒排氣(也 稱作煙道氣)用作蒸汽產(chǎn)生和空氣/燃料預熱的熱源。除了燃料重整裝 置之外，燃料處理系統(tǒng)典型地包括鍋爐和空氣/燃料預熱器，所述預熱 器由內(nèi)部具有用于熱交換和蒸汽產(chǎn)生的幾個螺旋盤管的殼體構成。熱 燃燒排氣通常只流過殼體一次，同時水和冷氣體(空氣或燃料)流過 內(nèi)盤管。在這種結構中，雖然可以產(chǎn)生蒸汽，但蒸汽未充分過熱到希 望的溫度(例如，600°C)。另外，由于在盤管內(nèi)部容易形成栓流，蒸 汽產(chǎn)量不穩(wěn)定。另外，用于氣體預熱的傳熱效率非常有限，因此，空 氣和/或燃料不能充分預熱到對于ATR應用來說足夠的高溫。
低蒸汽產(chǎn)量和傳熱效率歸因于鍋爐和空氣/燃料預熱器的設計。首 先，燃燒排氣只流過殼體一次，這不能確保熱排氣和冷蒸汽之間足夠 的接觸時間。其次，典型的鍋爐使用1/4英寸螺旋盤管，兩相流在盤 管內(nèi)的流動非常接近于水平方向，因此，在如此小直徑盤管中更易形 成栓流。再次，在大部分時間里，熱蒸汽和冷蒸汽同時流動，這限制 了將冷蒸汽加熱到高于ATO排氣的出口溫度的溫度。
需要兼顧有效熱傳遞和穩(wěn)定蒸汽產(chǎn)量的鍋爐和氣體預熱器設計。 本發(fā)明提供了一種用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預熱的傳熱裝置。選擇性地， 本發(fā)明的傳熱裝置在燃料處理應用中可以位于燃燒室或ATO下游。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種熱交換器，其中，鍋爐和氣體預熱器整合到一 個裝置中以產(chǎn)生過熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在一個實施例中， 本發(fā)明的傳熱裝置在燃料處理應用中可以位于燃燒室例如陽極尾氣氧 化器(ATO)的下游。
本發(fā)明的傳熱裝置設計的特征之一在于，來自燃燒室或ATO的熱 排氣三次(向上或向下)流過本發(fā)明的柱狀殼體，而不是傳統(tǒng)的流過 一次。該特征增加了熱排氣接觸冷蒸汽的接觸時間，從而提高了熱傳 遞。
本發(fā)明的傳熱裝置設計的第二個特征在于，鍋爐設計兼顧流動沸騰和池沸騰。本發(fā)明的鐘形環(huán)狀空間內(nèi)的水可以幾乎與流動沸騰一樣 向上流動，但由于頂部存在較大開放空間用于將液滴擊落而不易結塊， 從而形成不連續(xù)的兩相流動，使蒸汽與水分開。另外，本發(fā)明的鍋爐 還類似于池沸騰，這是因為由于連續(xù)不斷的水供給以及水位在穩(wěn)定條 件下通常恒定，使得有一部分水保持在鐘形儲存器中。因此，在流動 沸騰型熱交換器中經(jīng)常遇到的不利結塊減到最小程度，并且獲得了更 穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)量。
本發(fā)明傳熱裝置的設計的另一特征在于，它對蒸汽產(chǎn)量具有更好
的調(diào)氣比(turn-down ratio )，因為沸騰傳熱表面面積可以隨水位而變， 而水位相應地隨水流量而變。
本發(fā)明傳熱裝置的設計的附加特征在于，它整合有軋制翅片熱交 換器，以便尤其是在熱源已經(jīng)冷卻的位置增強氣氣熱交換。
另外，本發(fā)明的熱傳遞設計在于，由于熱排氣和冷蒸汽之間的反 向流動路徑，蒸汽或氣體可以加熱到更高的溫度。
總之，本發(fā)明的熱交換器的設計提供了用于燃料處理應用的有效 熱傳遞和穩(wěn)定蒸汽產(chǎn)量。


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顯示了緊湊的燃料處理器的實施例。
圖3顯示了傳熱裝置的實施例。
圖4顯示了與混合燃燒室結合使用的傳熱裝置的實施例。
具體實施例方式
本發(fā)明公開了一種傳熱裝置，其中，鍋爐和氣體預熱器整合到一 個裝置中以產(chǎn)生過熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在本發(fā)明的一個 實施例中，本發(fā)明的傳熱裝置與燃料處理裝置結合使用；然而，可以 想到，本發(fā)明的傳熱裝置還可以用于其它應用并且不局限于燃料處理應用。
燃料處理系統(tǒng)需要過熱蒸汽和預熱空氣和/或燃料。燃料處理器通 常是用于將烴類燃料轉換為富氫氣體的設備。在本發(fā)明的一個實施例 中，這里描述的緊湊的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，本發(fā)明的范圍不局限于這種用途。
用于燃料處理器的烴類燃料在環(huán)境條件下可以是液體或氣體，只 要它可以汽化即可。當在此使用時，術語"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 的分子結構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 了將烴類燃料轉化為富氫氣體所包括的工藝步驟。本領域的技術人員 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，兩個化學反應，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轉化為含有氫氣和一氧化碳的合成氣體。反應式I和II 是示例性的反應式，其中，甲烷被認為是烴類
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部分氧化反應非常迅速地發(fā)生以使添加的氧氣完全轉化并產(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域技術人員所熟 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、釔、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域技術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、鈀、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，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域技術人員所熟知的任何適用結構，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 且易于由本領域的技術人員確定。處理步驟c是提純步驟。烴類流的主要雜質(zhì)之一是硫，其通過自
熱重整步驟A轉化為硫化氫。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)是有效的硫化氬吸收 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成分通 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?？蛇x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將一氧化碳轉化 為二氧化碳
H20+C04H2+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 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300。C到大約600。C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 換的分開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構，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150。C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?？蛇x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 碳轉化為二氧化碳?？梢栽诰哂杏糜谝谎趸佳趸拇呋瘎┑那闆r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 如鉑、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?；罨繉涌梢允┘拥秸?、擠出物、球?；蚱渌d體上?？梢蕴砑永玮嫽蜩|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、鈀、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+^o^cOz (v)
Hr^Ch^I^O ( VI)
低溫有助于一氧化碳的擇優(yōu)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，但是本領域的技術人員應當認識到，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氬氣 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域技術人員來說顯而易見 的多種構造。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
ii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，本領域技術人員應當認識到，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，本領域技術人員可以優(yōu)化工藝構造，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電線圏加熱器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 排出流將氣流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ATR 206，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。 i殳置冷卻盤管209 以控制放熱轉換反應溫度，其加快一氧化碳轉化，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。轉換反應產(chǎn)物隨后通過同心擴散器進行
12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化的氬氣進行熱回收。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)甲烷及其它輕質(zhì)烴類的滑流(slip stream)根據(jù)下列反應式進行 催化氧化
CH4+202">C02+2H20 (VII)
Hz+^C^^HzO ( VIII)
反應VII和VIII在ATO 214發(fā)生，所述ATO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)明的傳熱裝置300的實施例。本發(fā)明 的傳熱裝置300將鍋爐和氣體預熱器整合到一個裝置中。
熱排氣將三次流過傳熱裝置300。第一次，熱排氣從裝置入口 301 進入傳熱裝置300。水從進水口 314進入傳熱裝置300。熱排氣隨后撞 擊鍋爐儲存器302以給水提供一部分熱量。熱排氣隨后偏轉到位于鐘
13形蒸發(fā)器304的外表面和殼體305之間的第 一環(huán)形空間303并向上流 動。在第一環(huán)形空間303中，熱排氣將熱量交換給小盤管306 在小 盤管306內(nèi)，來自鐘形蒸發(fā)器304的蒸汽過熱。
第二次，在本發(fā)明的傳熱裝置300的頂部，熱排氣回轉并向下流 動到位于鐘形蒸發(fā)器304的內(nèi)表面和軋制翅片熱交換器308的外壁之 間的第二環(huán)形空間307中。這是熱排氣第二次流過。在這次流過過程 中，熱排氣進一步給大盤管309提供熱量。在大盤管309內(nèi)，已經(jīng)預 熱的氣體(空氣或燃料)從熱排氣獲得更多熱量。
第三次，熱排氣在本發(fā)明的傳熱裝置300的底部再次回轉并通過 軋制翅片熱交換器308向上流動。在軋制翅片熱交換器308內(nèi)部，熱 排氣將熱量釋放給通過中心管線310向下流動的氣體(空氣或燃料)。 軋制翅片熱交換器308用于在熱源氣體已經(jīng)冷卻的位置處增強氣氣熱 傳遞。這是熱排氣第三次也是最后一次流過。此刻冷卻的熱排氣從排 氣口 311流出傳熱裝置300。
對來自傳熱裝置300的鍋爐部件的蒸汽產(chǎn)量而言，在第一次流過 期間，當熱排氣撞擊鍋爐儲存器302時，水將蒸發(fā)，并且將產(chǎn)生氣泡。 產(chǎn)生的氣泡將上浮，離開液面并結合在一起以在鐘形空間區(qū)域312處 形成蒸汽。鐘形空間區(qū)域312設計成大到足以允許夾帶的水落下以阻 止兩相流。在分離之后，只有蒸汽進入小盤管306并向下流動。在小 盤管306內(nèi)部，如上所述，蒸汽通過向上流動的熱排氣過熱到希望的 溫度。產(chǎn)生的過熱蒸汽在蒸汽出口 313流出傳熱裝置300。
本發(fā)明的傳熱裝置的鍋爐部件兼顧流動沸騰和池沸騰。例如，如 上所述，鐘形蒸發(fā)器304內(nèi)的水可以幾乎與流動沸騰一樣向上流動， 但由于頂部存在大開放空間用于將液滴擊落而不易結塊，從而使蒸汽 與液體分離。另一方面，鍋爐還像池沸騰，這是因為，由于水從進水 口 314連續(xù)不斷的進給以及在穩(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鍋爐儲存器302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可以隨水位而 變，而水位相應地隨水流量而變。就氣體預熱而言，冷氣體(空氣或燃料)從中心管線310供應到 傳熱裝置300中并向下流動。在這個過程中，冷氣體通過軋制翅片熱 交換器308從熱排氣獲得熱量。隨后，冷氣體在大盤管309內(nèi)向上流 動，并通過向下流動的熱排氣進一步加熱。此刻被加熱的冷氣體從出 氣口 315流出傳熱裝置300。
傳熱裝置300的設計通過增加熱排氣和冷蒸汽之間的接觸時間來 提高傳熱效率。該設計還由于較小的盤管直徑使在流動沸騰型熱交換 器中經(jīng)常遇到的不希望結塊減到最小程度，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，利用傳熱裝置300 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。
在優(yōu)選實施例中，熱蒸汽源來自ATO排氣。在優(yōu)選實施例中，殼 體305的直徑為6英寸，小盤管306的直徑為％英寸，大盤管309的 直徑為X英寸。
下面是預測工作結果的一些實例，它們以用于具有上述幾何結構 的本發(fā)明優(yōu)選實施例的換熱計算為基礎。例如，當ATO排氣入口溫度 為750。C時，可以預料，過熱蒸汽溫度可以是650。C，過熱氣體(空氣 或燃料)溫度為580。C， ATO排氣出口溫度為260°C。類似地，當ATO 排氣入口溫度為550。C時，可以預料，過熱蒸汽溫度將為400°C，過熱 氣體(空氣或燃料)溫度為370。C， ATO排氣出口溫度為180。C。
參見圖4，圖4顯示了與混合燃燒室450結合使用的本發(fā)明的傳 熱裝置400的實施例?；旌先紵?50包括允許一次空氣進入混合燃 燒室450的第一閥401;允許燃料(典型地，天然氣；除了其它燃料 外還可以使用丙烷)進入混合燃燒室450的第二閥402;允許二次空 氣進入混合燃燒室450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450的笫四閥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450的燃燒區(qū)之前。
如圖4所示，混合燃燒室450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450;高溫偏轉板406;重整 產(chǎn)物分配器407;催化燃燒器408;熱交換器409; 二次空氣預熱器413; 和管線內(nèi)混合器411。在優(yōu)選實施例中，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。
如圖4所示，本發(fā)明的傳熱裝置400位于混合燃燒室450的下游。 傳熱裝置400包括與上文參照圖3所述傳熱裝置300相同的部件并且 以與之相同的方式工作。來自催化燃燒器408的熱燃燒室排氣從裝置 入口 451流入傳熱裝置400并三次(向上或向下)流過傳熱裝置400。 這三次流過(而不是僅流過一次)大大增加了熱煙道氣與冷蒸汽接觸 的停留時間，從而提高了熱傳遞。
燃燒排氣在流過傳熱裝置400之后可以傳送至二次空氣預熱器 410。該排氣還可以傳送至自熱重整(ATR)反應器，用于在ATR反 應器啟動期間對重整裝置床和轉換床進行直接預熱。另外，天然氣可 以通過與來自整體式軋制翅片熱交換器的熱空氣進行直接混合來預 熱。
在一個說明性實施例中，混合燃燒室是混合陽極尾氣氧化器 (ATO )。
盡管已經(jīng)通過優(yōu)選或說明性實施例對本發(fā)明進行了描述，但對本 領域技術人員顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的構思和范圍的情況下， 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 域的技術人員顯而易見，并且落入由下列權利要求所限定的本發(fā)明的 范圍和構思內(nèi)。
權利要求
1.一種傳熱裝置，包括殼體；鍋爐；氣體預熱器；第一環(huán)形空間；第二環(huán)形空間；多個入口；和多個出口。
2. 如權利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述鍋爐包括鍋爐儲存 器；鐘形蒸發(fā)器；鐘形中空空間區(qū)域；和多個小盤管。
3. 如權利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述氣體預熱器包括多 個大盤管；中心管線；和軋制翅片熱交換器。
4. 如權利要求l所述的傳熱裝置，其中，所述多個入口包括裝置入口；和進水口。
5. 如權利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述多個出口包括排氣口；蒸汽出口；和氣體出口。
6. 如權利要求l所述的傳熱裝置，其中，所述傳熱裝置位于燃燒 室下游。
7. 如權利要求6所述的傳熱裝置，其中，來自所述排氣口的排氣 傳送至重整反應器，用于在所述重整反應器的啟動期間對重整裝置床 和轉換床進行預熱。
8. 如權利要求6所述的傳熱裝置，其中，來自所迷排氣口的排氣 傳送至與所述燃燒室相關的二次空氣預熱器。
9. 如權利要求6所述的傳熱裝置，其中，所述燃燒室為陽極尾氣 氧化器。
10. —種用于操作傳熱裝置的方法，包括 提供整合到所述傳熱裝置中的鍋爐和氣體預熱器；允許熱排氣通過裝置入口進入所述傳熱裝置； 使熱排氣第一次流過所述傳熱裝置； 使熱排氣第二次流過所述傳熱裝置； 使熱排氣第三次流過所述傳熱裝置；和 允許熱排氣通過排氣口流出所述傳熱裝置。
11. 如權利要求10所述的用于操作傳熱裝置的方法，其中，所述 第一次流過包括使熱排氣接觸鍋爐儲存器；使熱排氣偏轉到第一環(huán) 形空間中；和使熱排氣向上流動并接觸多個小盤管。
12. 如權利要求10所述的用于操作傳熱裝置的方法，其中，所述 第二次流過包括使熱排氣向下流動到第二環(huán)形空間中；和使熱排氣 接觸多個大盤管。
13. 如權利要求IO所述的用于操作傳熱裝置的方法，其中，所述 第三次流過包括使熱排氣向上流過軋制翅片熱交換器。
14. 如權利要求10所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括提供 來自燃燒室的熱排氣。
15. 如權利要求14所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括使來 自所述排氣口的熱排氣流到與所述燃燒室相關的二次空氣預熱器。
16. 如權利要求14所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括使來 自所述排氣口的熱排氣流到重整反應器，以便在所述重整反應器啟動 期間對重整裝置床和轉換床直接進行預熱。
17. 如權利要求14所述的用于操作傳熱裝置的方法，其中所述燃 燒室為陽極尾氣氧化器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種傳熱裝置，其整合有鍋爐和氣體預熱器以進行蒸汽產(chǎn)生和氣體預熱。在一個實施例中，本發(fā)明的傳熱裝置可以在燃料處理應用中使用。在這個實施例中，傳熱裝置可以位于例如陽極尾氣氧化器的燃燒室的下游。
文檔編號F24H1/08GK101589275SQ200780046076
公開日2009年11月25日 申請日期2007年12月13日 優(yōu)先權日2006年12月14日
發(fā)明者劉云權 申請人:德士古發(fā)展公司