專利名稱：將液態(tài)烴燃料注入燃料電池驅(qū)動裝置轉(zhuǎn)化爐中的方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種轉(zhuǎn)化粗液態(tài)烴燃料的系統(tǒng)；在優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明涉及一種自熱式燃料轉(zhuǎn)化爐的液態(tài)燃料注射裝置，該轉(zhuǎn)化爐可減少或消除液態(tài)燃料在進入氣化室而未進入轉(zhuǎn)化爐前時因氣化而產(chǎn)生的碳沉積。
背景技術：
人們知道，自熱式烴燃料轉(zhuǎn)化爐可用于將粗烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫燃料，這種富氫燃料再經(jīng)吸收凈化，即可用作燃料電池驅(qū)動裝置(fuel cell powerplant)的燃料氣。如果加工的是重烴，通常使用自熱轉(zhuǎn)化爐，而不是常規(guī)的熱蒸汽轉(zhuǎn)化爐。象汽油等原料更適于在自熱轉(zhuǎn)化爐中進行轉(zhuǎn)化。將空氣、水蒸汽和粗燃料的混合物送入自熱轉(zhuǎn)化爐；該轉(zhuǎn)化爐就會將該混合物催化轉(zhuǎn)化為富氫的燃料氣。從理論上講，空氣、水蒸汽和粗燃料流經(jīng)轉(zhuǎn)化爐的催化床層后，大多數(shù)烴原料可以轉(zhuǎn)化為富氫的、燃料電池的反應物燃料。通常所發(fā)生的反應如下
然而，在實際操作中，有許多因素會限制轉(zhuǎn)化爐發(fā)揮其所需的功能。液態(tài)粗燃料中的某些組份，特別是硫，會使轉(zhuǎn)化爐催化劑中毒。另外，在氣化室中，液態(tài)的粗燃料氣體在氣化前與熱的氣化室金屬表面發(fā)生接觸，形成碳沉積，從而使氣化室結(jié)垢。此類碳沉積會阻塞氣化室到轉(zhuǎn)化爐的通道，從而使得氣化室不能使用。當所加工的粗燃料是液態(tài)燃料時，如汽油、燃料油、煤油、石腦油、柴油機燃料等，氣化室中碳沉積的問題會更加嚴重。
在某些場合下，如可移動的、燃料電池作驅(qū)動力的應用場合下，希望能夠利用液態(tài)的粗燃料如通常在加油站中可得到的汽油、柴油機燃料等，來作為燃料電池驅(qū)動裝置中用于轉(zhuǎn)化的反應燃料。這樣，象小汽車、卡車、公共汽車等機動車輛，可以利用車上以液態(tài)燃料為氫源的燃料電池驅(qū)動裝置所產(chǎn)生的電力進行驅(qū)動。然而，要達到這樣的效果，所要處理的問題之一就是氣化室中液態(tài)燃料的碳沉積問題。
發(fā)明公開本發(fā)明涉及一種可以產(chǎn)生非常微細液滴的液態(tài)燃料霧化器。這些液滴在離開霧化器后，可以很容易地在幾英寸距離內(nèi)被熱氣流所氣化。這正是本發(fā)明所希望的特性，因為這會防止燃料液滴接觸氣化室的熱金屬表面，從而防止了氣化室中的碳沉積及由此所產(chǎn)生的氣化室堵塞。
上述的燃料霧化器包括一根小管，液態(tài)燃料和霧化氣流如蒸汽一起導入該小管中。霧化氣流的流速在100～500英尺/秒的范圍內(nèi)比較理想。燃料-蒸汽物流通過一個小孔徑管以足夠高的速率注射到混合室中，以使得在霧化室管內(nèi)產(chǎn)生一個圍繞蒸汽內(nèi)芯的環(huán)形液態(tài)燃料物流。環(huán)形燃料物流的厚度是燃料速率與蒸汽速率之比以及燃料-蒸汽混合物中燃料與蒸汽之比的函數(shù)。液態(tài)燃料在接近所說管的內(nèi)壁處形成環(huán)形薄膜；在霧化氣流所產(chǎn)生的非常高的剪切力的作用下，從所說管中形成霧化的燃料液滴。所得的液滴非常小，其平均直徑小于10微米。這一復合物流注射到外面的環(huán)狀的過熱蒸汽(溫度約為538℃(1000°F))或熱蒸汽與空氣混合物中，該混合物基本上是在離開霧化管后瞬間被氣化。例如，燃料-蒸汽混合物中的液態(tài)燃料組份在離開霧化管的1～3英寸距離內(nèi)被熱蒸汽所氣化。由于液體燃料基本上瞬間被氣化，從而使得液體燃料在轉(zhuǎn)化爐各部件上的碳沉積達到最小。
使用前面所述的燃料霧化系統(tǒng)，并結(jié)合自熱轉(zhuǎn)化爐的測試設備，來評估三百小時試運行后轉(zhuǎn)化爐的性能。用霧化器以4.0千克/小時(gph)(8.8磅/小時)的流率來處理噴氣式發(fā)動機燃料JP8。當所說燃料注射到流率為1千克/小時(2.2磅/小時)的、高速飽和蒸汽內(nèi)芯中時，霧化器可以產(chǎn)生微細的液滴物流。將上述霧化器結(jié)合到測試設備的氣化室段中，該氣化室使用流率為13.6千克/小時(30.0磅/小時)、溫度為482℃(900°F)的過熱蒸汽，使得燃料液滴完全氣化。經(jīng)三百小時的試驗后，對氣化室進行試驗后探測，在氣化室內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)碳顆粒的痕跡。
因而，本發(fā)明涉及一種抑制轉(zhuǎn)化爐氣化段中碳沉積的方法與設備，優(yōu)選自熱轉(zhuǎn)化爐，該轉(zhuǎn)化爐用于加工液體燃料如汽油等。
所以，本發(fā)明的目的之一就是提供一種將液態(tài)燃料注入到燃料氣化室中的方法及設備，從而使得氣化室中的碳沉積達到最小。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種具有如此特征的方法及設備，使得液態(tài)燃料原料一進入氣化室基本上被瞬間氣化。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種具有如此特征的方法及設備，其中液態(tài)燃料和水蒸汽的混合物以燃料-蒸汽復合物的形式注入到氣化室中，該復合物所具有的霧化的燃料液滴的平均直徑小于約10微米。
本發(fā)明的再一個目的是提供一種具有如此特征的方法及設備，其中，使燃料-蒸汽物流夾帶在過熱蒸汽-空氣物流中，當燃料-蒸汽物流進入氣化室時，過熱蒸汽-空氣物流使其中的燃料組份氣化。
下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細地描述，從而可以更清楚地看到本發(fā)明上述的這些及其它的目的和優(yōu)點。
附圖簡要說明

圖1是采用本發(fā)明方法和設備的自熱式液態(tài)燃料轉(zhuǎn)化爐的示意圖；
圖2是本發(fā)明一實施方案中所制備的液態(tài)燃料-蒸汽注射管和蒸汽霧化裝置的局部斷面示意圖。
實施本發(fā)明的具體實施方案參看附圖。圖1是液態(tài)燃料霧化/氣化和燃料處理系統(tǒng)的示意圖，該系統(tǒng)概括地用數(shù)碼2表示，并可用于機動車輛如汽車上和燃料加工系統(tǒng)中。所上所述，可以進行處理的燃料可以是汽油、柴油機燃料、石腦油或其它類似的液態(tài)燃料。系統(tǒng)2包括一個燃料霧化段4，在該段中，液態(tài)燃料物流被霧化，轉(zhuǎn)化成粒徑或直徑小于約10微米的液滴。所說的液態(tài)燃料經(jīng)燃料注射管6注射到霧化段4中，蒸汽則經(jīng)蒸汽注射管8注射到霧化段4中。在管段9中，燃料和蒸汽形成一復合的流動模式，其中，蒸汽部分形成該模式的內(nèi)芯，而燃料則形成該模式中的外部圓環(huán)。經(jīng)管路12向燃料氣化室10中注入過熱蒸汽(約538℃)。利用來自管路12的蒸汽來氣化從管段9射出的、已霧化的燃料液滴。離開氣化室10的燃料/蒸汽的蒸氣，在混合室14中與空氣混合，所說的空氣是經(jīng)管路16注射到混合室14中的。然后，氣化的燃料-空氣混合物進入轉(zhuǎn)化爐18，優(yōu)選為自熱轉(zhuǎn)化爐(ATR)；在轉(zhuǎn)化爐中燃料被轉(zhuǎn)化成富氫氣體。
圖2是圖1之系統(tǒng)2中的燃料-蒸汽霧化段4和燃料氣化-混合室段10的一實施方案的局部示意圖。霧化管9從霧化段4中伸出，可以產(chǎn)生由蒸汽S和液態(tài)燃料F之薄膜構(gòu)成的復合噴射流，其中蒸汽組份S構(gòu)成復合噴射流的內(nèi)芯，而燃料薄膜組份F則構(gòu)成復合噴射流的外環(huán)。理想的情況是使燃料外環(huán)F的厚度達到最薄，這樣可使得離開霧化管9之端口的液態(tài)燃料液滴D，在過熱蒸汽物流中被快速氣化。圖中，過熱蒸汽用箭頭A標明。適當?shù)亟M合各種霧化器的參數(shù)，如管烴、燃料/蒸汽速率比、蒸汽的溫度和壓力以及液態(tài)燃料的密度，可以實現(xiàn)這一目標。
在霧化管9中，燃料薄膜F和蒸汽S的速率優(yōu)選保持在約15～約153米/秒(50～約500英尺/秒)的范圍內(nèi)。當溫熱的(約52℃)液態(tài)燃料和少量的飽和蒸汽，以前面所述的高速送入內(nèi)徑約0.1397厘米(0.055英寸)的霧化管9中時，燃料-蒸汽物流中的燃料組份F在霧化管9的內(nèi)壁上形成薄膜，而蒸汽S則形成燃料-蒸汽物流的內(nèi)芯，見圖2。蒸汽組份S的速率為約37米/秒(120英尺/秒)，它通常是燃料-蒸汽物流中燃料組份F的速率的兩倍。當燃料蒸汽物流注射到來自管路12的過熱-蒸汽物流A中，過熱蒸汽A幾乎立即將復合物流中的燃料組份氣化。這部分是由于燃料液滴D的粒徑非常小的原因。
當霧化熱蒸汽物流的速率為153米/秒(500英尺/秒)、燃料薄膜厚度約為3微米時，燃料液滴D在其從注射管9中射出約2.5厘米(1英寸)的距離內(nèi)，在過熱蒸汽中氣化。因而在上面所述的流速下，液態(tài)燃料在氣化室10中的滯留時間只有約0.2毫秒。在這樣短的滯留時間內(nèi)，液態(tài)燃料液滴D和氣化室10的部件之間就很少有或沒有相互作用。因而，由液態(tài)燃料液滴D接觸系統(tǒng)2的部件所形成的碳沉積，就會大大地受到限制，或被消除。
可以理解，采用本發(fā)明的方法和設備，能夠大大降低液態(tài)燃料氣化室的體積。本發(fā)明也允許液態(tài)燃料和蒸汽的復合物流與過熱蒸汽混合，得到適于進一步與空氣原料混合的氣化燃料。然后所說的氣化燃料與空氣的混合物送入到自熱轉(zhuǎn)化爐中，將霧化燃料和空氣的混合物加工成適用于燃料電池驅(qū)動裝置的、富氫燃料物流。
在不偏離本發(fā)明發(fā)明思想的前提下，可對本發(fā)明所公開的實施方案進行許多改變和改進，所以本發(fā)明并非只局限于權(quán)利要求所要求的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種用于燃料電池驅(qū)動裝置的燃料加工裝置，所說的燃料加工裝置包括a)燃料氣化室；b)燃料霧化段，用于將霧化的燃料液滴和蒸汽導向所說燃料氣化室；c)將過熱氣化物流注射到所說的燃料加工裝置中的管路，所說的管路位于所說的霧化段和所說的氣化室之間，過熱氣化物流由此能夠注射到所說的燃料液滴和蒸汽的混合物中，使得在所說燃料液滴和蒸汽混合物中的所說燃料液滴氣化；以及d)燃料轉(zhuǎn)化爐，它位于所說燃料氣化室的下游，且能夠接受來自所說燃料氣化室的氣化燃料。
2.如權(quán)利要求1所述的燃料加工裝置，其中，所說的霧化段產(chǎn)生燃料-蒸汽混合物，在該混合物中，由圍繞蒸汽內(nèi)芯的環(huán)狀薄膜形成霧化的燃料液滴。
3.如權(quán)利要求2所述的燃料加工裝置，其中，所說的燃料薄膜的速率約為所說的蒸汽內(nèi)芯的速率的一半。
4.如權(quán)利要求3所述的燃料加工裝置，其中，所說的燃料薄膜和蒸汽內(nèi)芯的速率分別在15～153米/秒的范圍內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的燃料加工裝置，其中，所說的霧化燃料液滴的平均直徑小于約10微米。
6.如權(quán)利要求5所述的燃料加工裝置，其中，所說的過熱氣化物流是過熱蒸汽或過熱蒸汽與空氣的混合物。
7.如權(quán)利要求6所述的燃料加工裝置，其中，將所說的過熱氣化物流加熱到約540℃的溫度。
8.如權(quán)利要求7所述的燃料加工裝置，其中，所說的燃料轉(zhuǎn)化爐是自熱轉(zhuǎn)化爐。
9.一種用于燃料電池驅(qū)動裝置的燃料加工裝置，所說的燃料加工裝置包括a)燃料氣化室；b)通向所說燃料氣化室的燃料霧化段；c)將烴燃料物流注射到所說霧化段的第一管路；d)將蒸汽注射到所說霧化段的第二管路，所說第二管路位于所說第一管路的下游；e)將過熱蒸汽注射到所說的燃料加工裝置的第三管路，所說第三管路位于所說第二管路的下游，而且在緊鄰所說氣化室的上游；f)位于所說氣化室下游的燃料轉(zhuǎn)化爐，該轉(zhuǎn)化爐接受來自所說氣化室的氣化燃料。
10.如權(quán)利要求9所述的燃料加工裝置，還包括位于氣化室下游的空氣注射管路，以便將空氣與氣化的燃料混合并送入自熱轉(zhuǎn)化爐中。
11.一種加工液態(tài)烴燃料并使該燃料適合于驅(qū)動燃料電池驅(qū)動裝置的方法，同時所說的方法能抑制碳在燃料加工裝置上的沉積，它包括如下步驟a)提供一個燃料氣化室；b)形成一種霧化燃料液滴和蒸汽的混合物，并將其注射到所說的燃料氣化室中；c)將過熱的氣化物流注射到所說的燃料加工裝置中，所說的管路位于所說的霧化段和所說的氣化室之間，而且，所說的過熱氣化物流注射到所說的燃料液滴和蒸汽的混合物中，使得所說燃料液滴和蒸汽混合物中的所說燃料液滴氣化；d)在所說的燃料氣化室下游提供一個燃料轉(zhuǎn)化爐，以接受來自所說燃料氣化室的氣化燃料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述的霧化段產(chǎn)生一種燃料-蒸汽混合物，在該混合物中，霧化的燃料形成圍繞蒸汽內(nèi)芯的環(huán)狀薄膜。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所說的霧化燃料薄膜的移動速率約為蒸汽內(nèi)芯速率的一半。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，其中，所說的燃料薄膜和蒸汽內(nèi)芯的速率分別在15～153米/秒的范圍內(nèi)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所說的霧化燃料液滴的平均直徑小于約10微米。
16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中，所述的過熱氣化物流是過熱蒸汽或過熱蒸汽與空氣的混合物。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中，所說的過熱氣化物流被加熱到約540℃。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中，所說的燃料轉(zhuǎn)化爐為自熱轉(zhuǎn)化爐。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于液態(tài)烴燃料轉(zhuǎn)化爐/加工器(2)的燃料霧化器(4),它可以產(chǎn)生液態(tài)燃料和蒸汽的高速霧化物流,其中,所說的液態(tài)燃料被快速氣化,從而抑制碳從燃料中沉積到燃料氣化室(10)的表面上。注射器包括小孔徑的燃料注射管(6),通過該管液態(tài)燃料和蒸汽的混合物以相對高速射出。在該管中,液態(tài)燃料形成圍繞蒸汽內(nèi)芯的環(huán)狀薄膜;液態(tài)液滴薄膜和蒸汽內(nèi)芯的復合物從該管中噴射到過熱蒸汽或過熱蒸汽與經(jīng)由輸入管(16)提供的空氣的物流中。來自所說薄膜的燃料液滴在其離開注射管之后,立即被過熱蒸汽物流氣化。
文檔編號C01B3/38GK1312773SQ99809786
公開日2001年9月12日 申請日期1999年8月19日 優(yōu)先權(quán)日1998年8月19日
發(fā)明者唐納德·F·希德沃夫斯基, 里查德·A·塞德奎斯特 申請人:國際燃料電池有限公司