專(zhuān)利名稱(chēng)：用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預(yù)熱的傳熱裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預(yù)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(yù)熱器整合到一個(gè)裝置中以 產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，本 發(fā)明應(yīng)用于燃料處理應(yīng)用，具體地，可以位于燃燒室或陽(yáng)極尾氣氧化 器的下游。
背景技術(shù)：
燃料電池通過(guò)化學(xué)氧化還原反應(yīng)提供電能并且就清潔度和效率來(lái) 說(shuō)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(yīng)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(chǔ)設(shè)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(lèi)燃料相比更難儲(chǔ)存和輸送?？朔撾y題的一個(gè)方法是使 用重整裝置將烴類(lèi)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(dāng)前技術(shù)使用多步驟工藝，將初始轉(zhuǎn)化工 藝與幾個(gè)凈化工藝相結(jié)合。初始工藝最常見(jiàn)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(gòu)成。可選的工藝包括氫氣選擇性 膜反應(yīng)器和過(guò)濾器。
在燃料處理裝置，例如SR或ATR反應(yīng)器中，需要過(guò)熱蒸汽和預(yù) 熱空氣和/或燃料。燃料處理效率直接受到蒸汽過(guò)熱程度以及熱空氣或 燃料預(yù)熱程度的影響。
4通常，來(lái)自燃燒室或陽(yáng)極尾氣氧化器(ATO)的熱燃燒排氣(也 稱(chēng)作煙道氣)用作蒸汽產(chǎn)生和空氣/燃料預(yù)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(yù)熱器，所述預(yù)熱 器由內(nèi)部具有用于熱交換和蒸汽產(chǎn)生的幾個(gè)螺旋盤(pán)管的殼體構(gòu)成。熱 燃燒排氣通常只流過(guò)殼體一次，同時(shí)水和冷氣體(空氣或燃料)流過(guò) 內(nèi)盤(pán)管。在這種結(jié)構(gòu)中，雖然可以產(chǎn)生蒸汽，但蒸汽未充分過(guò)熱到希 望的溫度(例如，600°C)。另外，由于在盤(pán)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(yù)熱的傳熱效率非常有限，因此，空 氣和/或燃料不能充分預(yù)熱到對(duì)于ATR應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(yù)熱器的設(shè)計(jì)。首 先，燃燒排氣只流過(guò)殼體一次，這不能確保熱排氣和冷蒸汽之間足夠 的接觸時(shí)間。其次，典型的鍋爐使用1/4英寸螺旋盤(pán)管，兩相流在盤(pán) 管內(nèi)的流動(dòng)非常接近于水平方向，因此，在如此小直徑盤(pán)管中更易形 成栓流。再次，在大部分時(shí)間里，熱蒸汽和冷蒸汽同時(shí)流動(dòng)，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(yù)熱器設(shè)計(jì)。 本發(fā)明提供了一種用于蒸汽產(chǎn)生和氣體預(yù)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(yīng)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(kāi)了一種熱交換器，其中，鍋爐和氣體預(yù)熱器整合到一 個(gè)裝置中以產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在一個(gè)實(shí)施例中， 本發(fā)明的傳熱裝置在燃料處理應(yīng)用中可以位于燃燒室例如陽(yáng)極尾氣氧 化器(ATO)的下游。
本發(fā)明的傳熱裝置設(shè)計(jì)的特征之一在于，來(lái)自燃燒室或ATO的熱 排氣三次(向上或向下)流過(guò)本發(fā)明的柱狀殼體，而不是傳統(tǒng)的流過(guò) 一次。該特征增加了熱排氣接觸冷蒸汽的接觸時(shí)間，從而提高了熱傳 遞。
本發(fā)明的傳熱裝置設(shè)計(jì)的第二個(gè)特征在于，鍋爐設(shè)計(jì)兼顧流動(dòng)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(dòng)沸騰一樣 向上流動(dòng)，但由于頂部存在較大開(kāi)放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(dòng)，使蒸汽與水分開(kāi)。另外，本發(fā)明的鍋爐 還類(lèi)似于池沸騰，這是因?yàn)橛捎谶B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(chǔ)存器中。因此，在流動(dòng) 沸騰型熱交換器中經(jīng)常遇到的不利結(jié)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(shè)計(jì)的另一特征在于，它對(duì)蒸汽產(chǎn)量具有更好
的調(diào)氣比(turn-down ratio )，因?yàn)榉序v傳熱表面面積可以隨水位而變， 而水位相應(yīng)地隨水流量而變。
本發(fā)明傳熱裝置的設(shè)計(jì)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(qiáng)氣氣熱交換。
另外，本發(fā)明的熱傳遞設(shè)計(jì)在于，由于熱排氣和冷蒸汽之間的反 向流動(dòng)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(shè)計(jì)提供了用于燃料處理應(yīng)用的有效 熱傳遞和穩(wěn)定蒸汽產(chǎn)量。


參考附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行描述，其中
圖l顯示了用于燃料處理器的簡(jiǎn)單工藝流程圖。
圖2顯示了緊湊的燃料處理器的實(shí)施例。
圖3顯示了傳熱裝置的實(shí)施例。
圖4顯示了與混合燃燒室結(jié)合使用的傳熱裝置的實(shí)施例。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明公開(kāi)了一種傳熱裝置，其中，鍋爐和氣體預(yù)熱器整合到一 個(gè)裝置中以產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽和高溫氣體(空氣或燃料)。在本發(fā)明的一個(gè) 實(shí)施例中，本發(fā)明的傳熱裝置與燃料處理裝置結(jié)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(yīng)用并且不局限于燃料處理應(yīng)用。
燃料處理系統(tǒng)需要過(guò)熱蒸汽和預(yù)熱空氣和/或燃料。燃料處理器通 常是用于將烴類(lèi)燃料轉(zhuǎn)換為富氫氣體的設(shè)備。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(lèi)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(lèi)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(dāng)在此使用時(shí)，術(shù)語(yǔ)"烴類(lèi)，，包括具有碳-氫鍵的有 機(jī)化合物，其能夠通過(guò)部分氧化或蒸汽重整反應(yīng)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(lèi)燃料，以及例如曱醇、乙醇、丙醇的酒精等。
燃料處理器進(jìn)料包括烴類(lèi)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(jìn)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(lèi)、 一氧化碳、雜質(zhì)(例如，硫化氫和氨)以及惰性組分 (例如，氮?dú)夂蜌鍤?，尤其是如果空氣是進(jìn)料流的一部分的話(huà))。
參見(jiàn)圖1，圖1顯示了燃料處理器的簡(jiǎn)單工藝流程圖，舉例說(shuō)明 了將烴類(lèi)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(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在反應(yīng)物通過(guò)這里公開(kāi)的反應(yīng)器流動(dòng)的過(guò)程中需要一定 量的漸進(jìn)順序。
處理步驟A是自熱重整過(guò)程，其中，兩個(gè)化學(xué)反應(yīng)，即部分氧化 (下面的反應(yīng)式I)和選擇性的蒸汽重整(下面的反應(yīng)式II)聯(lián)合作用 以將進(jìn)料流F轉(zhuǎn)化為含有氫氣和一氧化碳的合成氣體。反應(yīng)式I和II 是示例性的反應(yīng)式，其中，甲烷被認(rèn)為是烴類(lèi)
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部分氧化反應(yīng)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(yīng)較慢地發(fā)生并且消耗熱量。進(jìn)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(lèi)之比以及水與烴類(lèi)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(jìn)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(méi)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、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(xiàn) 中引用。許多添加材料，例如鑭、鈰和鉀已經(jīng)在文獻(xiàn)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(yīng)當(dāng)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、鈀、銠、釕和/或銥。 例如，催化劑可以承載在單獨(dú)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(dú)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(lái)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(shè)計(jì)規(guī)范和回收/循環(huán)氣體流熱含量的需 要利用熱沉、導(dǎo)熱管或熱交換器實(shí)現(xiàn)。步驟B的一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例是 使用熱交換器，其利用進(jìn)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。可選地或另外，冷卻步驟B可以通過(guò)噴射額外的進(jìn) 料成分，例如燃料、空氣或水來(lái)完成。水是優(yōu)選的，因?yàn)樗谄癁?蒸汽時(shí)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。烴類(lèi)流的主要雜質(zhì)之一是硫，其通過(guò)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?jī)?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(guò)根據(jù)下列反應(yīng)式III將硫化 氫轉(zhuǎn)化為水實(shí)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(yīng)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(jìn)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(guò)適當(dāng)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(yīng)流在其汽化時(shí)的溫度并且提供用于處理步驟E的 水氣變換反應(yīng)(如下所述)的更多的水。水蒸氣和其它排出流成分通 過(guò)流過(guò)惰性材料制成的處理芯部進(jìn)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(lèi)似材料?？蛇x地，所有補(bǔ)給水 可以隨進(jìn)料一起引入，混合步驟可以復(fù)位以在下面公開(kāi)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(yīng)，其根據(jù)反應(yīng)式IV將一氧化碳轉(zhuǎn)化 為二氧化碳
H20+C04H2+C02 (IV )
這是重要的步驟，因?yàn)槌藢?duì)人體具有高毒性之外， 一氧化碳對(duì) 燃料電池也是有害的。 一氧化物的濃度應(yīng)當(dāng)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(yīng)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(gè)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(guò)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(guò)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(guò)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(yīng)當(dāng)根據(jù) 所用催化劑的類(lèi)型在適于水氣變換反應(yīng)的任何溫度，優(yōu)選地在150°C 到大約400。C的溫度下進(jìn)行。選擇性地，例如冷卻盤(pán)管的冷卻元件可 以布置在變換反應(yīng)器的處理芯部中，以降低催化劑填料床內(nèi)的反應(yīng)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(guò)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(kāi)步驟在高低溫變換反應(yīng)之間進(jìn)行。
處理步驟F'是在一個(gè)實(shí)施例中通過(guò)熱交換器進(jìn)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(dǎo)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(yīng)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(shè)計(jì)提 供空氣與富氫氣體的混合?？蛇x地，處理步驟D的實(shí)施例可用于進(jìn)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?？梢栽诰哂杏糜谝谎趸佳趸拇呋瘎┑那闆r下 進(jìn)行上述工藝，并且催化劑可以為任何適當(dāng)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(guò)渡金屬(例如鐵、鉻、錳)和/或貴金屬或過(guò)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。可以添加例如鈰或鑭的添加材料以提高性能。文獻(xiàn)中引用了許多其它 反應(yīng)式，其中， 一些有實(shí)際經(jīng)驗(yàn)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(xiàn)中引用為對(duì)這種應(yīng)用有效。
在處理步驟G中存在兩個(gè)反應(yīng) 一氧化碳的希望氧化(反應(yīng)式V) 和氫氣的不希望氧化(反應(yīng)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?yàn)閮蓚€(gè)反應(yīng)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(pán)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(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)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?dú)?、氬?、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(jìn)料流的其它 應(yīng)用的進(jìn)料。選擇性地，產(chǎn)品氣體可進(jìn)行進(jìn)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(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn) 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(jìn)料流直接供應(yīng) 給燃料電池。
參見(jiàn)圖2，圖2顯示了緊湊的燃料處理器的實(shí)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(lèi)似。烴類(lèi)燃 料進(jìn)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(gè)處理單元，每個(gè)處理單元執(zhí)行單獨(dú)操作功能并且通常構(gòu)造 為如圖2所示。在這個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，烴類(lèi)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(duì)進(jìn)料F進(jìn)行預(yù)加熱。因?yàn)樵谌剂咸幚砥髦邪l(fā)生的 多個(gè)放熱反應(yīng)，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在這個(gè)過(guò)程中還可能存 在幾種其它熱聯(lián)合可能。預(yù)熱進(jìn)料隨后通過(guò)同心擴(kuò)散器(用于反應(yīng)器 入口處近乎理想的流動(dòng)分布和低壓降)流入脫硫反應(yīng)器202。反應(yīng)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(xiàn)的根本實(shí) 例，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以?xún)?yōu)化工藝構(gòu)造，以便處理各種烴類(lèi)燃料進(jìn)料 和/或產(chǎn)生更純的產(chǎn)物。)來(lái)自反應(yīng)器202的脫硫燃料隨后通過(guò)同心擴(kuò) 散器收集并與空氣A混合，混合物流向熱交換器203。在這個(gè)說(shuō)明性 實(shí)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(yù)熱的燃料/空氣混合物隨后流入第二隔室，其中，預(yù)熱溫度通過(guò) 位于兩個(gè)隔室之間的電線圏加熱器204保持或增加。預(yù)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(yù)先加熱到自熱重整反應(yīng)溫度。經(jīng)預(yù)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(yù)熱的燃 料空氣流混合。預(yù)熱的燃料-空氣-水混合物通過(guò)同心擴(kuò)散器流出熱交 換器205，隨后供應(yīng)給ATR 206，這對(duì)應(yīng)于圖1中的處理步驟A。擴(kuò) 散器允許在ATR206入口處實(shí)現(xiàn)均勻的流動(dòng)分布。來(lái)自ATR206的熱 氫氣產(chǎn)物通過(guò)同心擴(kuò)散器收集并返回?zé)峤粨Q器205用于熱回收。在這 個(gè)實(shí)施例中，熱交換器205安裝到ATR206正上方，以便將流動(dòng)通道 減到最短，從而減少能量損耗，提高總能量效率。流動(dòng)調(diào)整葉片可以 插在彎曲處，以便實(shí)現(xiàn)通過(guò)ATR206的低壓降和均勻流動(dòng)。
來(lái)自熱交換器205的冷卻氫氣產(chǎn)物隨后通過(guò)同心擴(kuò)散器流向脫硫 反應(yīng)器207，這對(duì)應(yīng)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(yīng)器208，這對(duì)應(yīng)于圖1中的處理步驟E。 i殳置冷卻盤(pán)管209 以控制放熱轉(zhuǎn)換反應(yīng)溫度，其加快一氧化碳轉(zhuǎn)化，從而導(dǎo)致效率提高。 在這個(gè)實(shí)施例中，冷卻盤(pán)管209還對(duì)ATR206進(jìn)料預(yù)先加熱，進(jìn)一步 提高熱回收和燃料電池效率。轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)物隨后通過(guò)同心擴(kuò)散器進(jìn)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(yù)先加熱。
空氣A隨后引入冷卻的轉(zhuǎn)換反應(yīng)產(chǎn)物，其隨后流向同心擴(kuò)散器， 給優(yōu)選的CO氧化反應(yīng)器211供料。反應(yīng)器211將一氧化碳氧化為二 氧化碳，這對(duì)應(yīng)于圖1中的處理步驟G。流動(dòng)調(diào)整葉片可以插在彎曲 處，以便實(shí)現(xiàn)通過(guò)反應(yīng)器211的短流動(dòng)通道和均勻的低壓降。排出的 凈化氫氣流隨后在同心擴(kuò)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(guò)量水 W。來(lái)自分離器213的氫氣流P適用于氫氣用戶(hù)，例如，燃料電池。
在圖2所示實(shí)施例中，來(lái)自燃料電池的混合陽(yáng)極和陰極排出氣體 流入燃料處理器200以在燃料電池中對(duì)未轉(zhuǎn)化的氬氣進(jìn)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(jìn)行發(fā)電的總效 率。燃料電池尾氣T通過(guò)同心擴(kuò)散器流向AT0 214。氫氣，和(可能 地)甲烷及其它輕質(zhì)烴類(lèi)的滑流(slip stream)根據(jù)下列反應(yīng)式進(jìn)行 催化氧化
CH4+202">C02+2H20 (VII)
Hz+^C^^HzO ( VIII)
反應(yīng)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(yīng)器。熱反 應(yīng)器排出流通過(guò)同心擴(kuò)散器收集并且流向熱交換器203以對(duì)來(lái)自反應(yīng) 器202的合成燃料/空氣混合物進(jìn)行熱回收。來(lái)自燃料電池尾氣流T的 熱量在所述尾氣流迅速通過(guò)分離器215之前在熱交換器201中進(jìn)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(jiàn)圖3,圖3顯示了本發(fā)明的傳熱裝置300的實(shí)施例。本發(fā)明 的傳熱裝置300將鍋爐和氣體預(yù)熱器整合到一個(gè)裝置中。
熱排氣將三次流過(guò)傳熱裝置300。第一次，熱排氣從裝置入口 301 進(jìn)入傳熱裝置300。水從進(jìn)水口 314進(jìn)入傳熱裝置300。熱排氣隨后撞 擊鍋爐儲(chǔ)存器302以給水提供一部分熱量。熱排氣隨后偏轉(zhuǎn)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(dòng)。在第一環(huán)形空間303中，熱排氣將熱量交換給小盤(pán)管306 在小 盤(pán)管306內(nèi)，來(lái)自鐘形蒸發(fā)器304的蒸汽過(guò)熱。
第二次，在本發(fā)明的傳熱裝置300的頂部，熱排氣回轉(zhuǎn)并向下流 動(dòng)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(guò)。在這次流過(guò)過(guò)程 中，熱排氣進(jìn)一步給大盤(pán)管309提供熱量。在大盤(pán)管309內(nèi)，已經(jīng)預(yù) 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(zhuǎn)并通過(guò) 軋制翅片熱交換器308向上流動(dòng)。在軋制翅片熱交換器308內(nèi)部，熱 排氣將熱量釋放給通過(guò)中心管線310向下流動(dòng)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(qiáng)氣氣熱 傳遞。這是熱排氣第三次也是最后一次流過(guò)。此刻冷卻的熱排氣從排 氣口 311流出傳熱裝置300。
對(duì)來(lái)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(guò) 期間，當(dāng)熱排氣撞擊鍋爐儲(chǔ)存器302時(shí)，水將蒸發(fā)，并且將產(chǎn)生氣泡。 產(chǎn)生的氣泡將上浮，離開(kāi)液面并結(jié)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(shè)計(jì)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(jìn)入小盤(pán)管306并向下流動(dòng)。在小 盤(pán)管306內(nèi)部，如上所述，蒸汽通過(guò)向上流動(dòng)的熱排氣過(guò)熱到希望的 溫度。產(chǎn)生的過(guò)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(dòng)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(dòng)沸騰一樣向上流動(dòng)， 但由于頂部存在大開(kāi)放空間用于將液滴擊落而不易結(jié)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?yàn)椋捎谒畯倪M(jìn)水 口 314連續(xù)不斷的進(jìn)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(chǔ)存器302中。另外，鍋爐對(duì)蒸汽產(chǎn)量有更 好的調(diào)氣比(turn-down ratio),這是因?yàn)榉序v傳熱面積可以隨水位而 變，而水位相應(yīng)地隨水流量而變。就氣體預(yù)熱而言，冷氣體(空氣或燃料)從中心管線310供應(yīng)到 傳熱裝置300中并向下流動(dòng)。在這個(gè)過(guò)程中，冷氣體通過(guò)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(pán)管309內(nèi)向上流 動(dòng)，并通過(guò)向下流動(dòng)的熱排氣進(jìn)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(shè)計(jì)通過(guò)增加熱排氣和冷蒸汽之間的接觸時(shí)間來(lái) 提高傳熱效率。該設(shè)計(jì)還由于較小的盤(pán)管直徑使在流動(dòng)沸騰型熱交換 器中經(jīng)常遇到的不希望結(jié)塊減到最小程度，因此利用該設(shè)計(jì)，可以實(shí) 現(xiàn)更為穩(wěn)定的蒸汽產(chǎn)量。另外，鍋爐對(duì)蒸汽產(chǎn)量有更好的調(diào)氣比，這 是因?yàn)榉序v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(shè)計(jì)，由于熱煙道氣和冷蒸汽之間的反向流動(dòng)路徑設(shè)計(jì)，蒸汽或氣 體可以加熱到較高溫度。
在優(yōu)選實(shí)施例中，熱蒸汽源來(lái)自ATO排氣。在優(yōu)選實(shí)施例中，殼 體305的直徑為6英寸，小盤(pán)管306的直徑為％英寸，大盤(pán)管309的 直徑為X英寸。
下面是預(yù)測(cè)工作結(jié)果的一些實(shí)例，它們以用于具有上述幾何結(jié)構(gòu) 的本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的換熱計(jì)算為基礎(chǔ)。例如，當(dāng)ATO排氣入口溫度 為750。C時(shí)，可以預(yù)料，過(guò)熱蒸汽溫度可以是650。C，過(guò)熱氣體(空氣 或燃料)溫度為580。C， ATO排氣出口溫度為260°C。類(lèi)似地，當(dāng)ATO 排氣入口溫度為550。C時(shí)，可以預(yù)料，過(guò)熱蒸汽溫度將為400°C，過(guò)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(jiàn)圖4，圖4顯示了與混合燃燒室450結(jié)合使用的本發(fā)明的傳 熱裝置400的實(shí)施例?；旌先紵?50包括允許一次空氣進(jìn)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(jìn)入混合燃燒室450的第二閥402;允許二次空 氣進(jìn)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(jìn)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(diǎn)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(dòng)混合燃燒室450;高溫偏轉(zhuǎn)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(yù)熱器413; 和管線內(nèi)混合器411。在優(yōu)選實(shí)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?qǐng)D3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(lái)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(guò)傳熱裝置400。 這三次流過(guò)(而不是僅流過(guò)一次)大大增加了熱煙道氣與冷蒸汽接觸 的停留時(shí)間，從而提高了熱傳遞。
燃燒排氣在流過(guò)傳熱裝置400之后可以傳送至二次空氣預(yù)熱器 410。該排氣還可以傳送至自熱重整(ATR)反應(yīng)器，用于在ATR反 應(yīng)器啟動(dòng)期間對(duì)重整裝置床和轉(zhuǎn)換床進(jìn)行直接預(yù)熱。另外，天然氣可 以通過(guò)與來(lái)自整體式軋制翅片熱交換器的熱空氣進(jìn)行直接混合來(lái)預(yù) 熱。
在一個(gè)說(shuō)明性實(shí)施例中，混合燃燒室是混合陽(yáng)極尾氣氧化器 (ATO )。
盡管已經(jīng)通過(guò)優(yōu)選或說(shuō)明性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但對(duì)本 領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的情況下， 可以對(duì)此處描述的工藝進(jìn)行變形。所有這些相似的替換或改變對(duì)本領(lǐng) 域的技術(shù)人員顯而易見(jiàn)，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)。
權(quán)利要求
1.一種傳熱裝置，包括殼體；鍋爐；氣體預(yù)熱器；第一環(huán)形空間；第二環(huán)形空間；多個(gè)入口；和多個(gè)出口。
2. 如權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述鍋爐包括鍋爐儲(chǔ)存 器；鐘形蒸發(fā)器；鐘形中空空間區(qū)域；和多個(gè)小盤(pán)管。
3. 如權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述氣體預(yù)熱器包括多 個(gè)大盤(pán)管；中心管線；和軋制翅片熱交換器。
4. 如權(quán)利要求l所述的傳熱裝置，其中，所述多個(gè)入口包括裝置入口；和進(jìn)水口。
5. 如權(quán)利要求1所述的傳熱裝置，其中，所述多個(gè)出口包括排氣口；蒸汽出口；和氣體出口。
6. 如權(quán)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(quán)利要求6所述的傳熱裝置，其中，來(lái)自所述排氣口的排氣 傳送至重整反應(yīng)器，用于在所述重整反應(yīng)器的啟動(dòng)期間對(duì)重整裝置床 和轉(zhuǎn)換床進(jìn)行預(yù)熱。
8. 如權(quán)利要求6所述的傳熱裝置，其中，來(lái)自所迷排氣口的排氣 傳送至與所述燃燒室相關(guān)的二次空氣預(yù)熱器。
9. 如權(quán)利要求6所述的傳熱裝置，其中，所述燃燒室為陽(yáng)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(yù)熱器；允許熱排氣通過(guò)裝置入口進(jìn)入所述傳熱裝置； 使熱排氣第一次流過(guò)所述傳熱裝置； 使熱排氣第二次流過(guò)所述傳熱裝置； 使熱排氣第三次流過(guò)所述傳熱裝置；和 允許熱排氣通過(guò)排氣口流出所述傳熱裝置。
11. 如權(quán)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(guò)包括使熱排氣接觸鍋爐儲(chǔ)存器；使熱排氣偏轉(zhuǎn)到第一環(huán) 形空間中；和使熱排氣向上流動(dòng)并接觸多個(gè)小盤(pán)管。
12. 如權(quán)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(guò)包括使熱排氣向下流動(dòng)到第二環(huán)形空間中；和使熱排氣 接觸多個(gè)大盤(pán)管。
13. 如權(quán)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(guò)包括使熱排氣向上流過(guò)軋制翅片熱交換器。
14. 如權(quán)利要求10所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括提供 來(lái)自燃燒室的熱排氣。
15. 如權(quán)利要求14所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括使來(lái) 自所述排氣口的熱排氣流到與所述燃燒室相關(guān)的二次空氣預(yù)熱器。
16. 如權(quán)利要求14所述的用于操作傳熱裝置的方法，還包括使來(lái) 自所述排氣口的熱排氣流到重整反應(yīng)器，以便在所述重整反應(yīng)器啟動(dòng) 期間對(duì)重整裝置床和轉(zhuǎn)換床直接進(jìn)行預(yù)熱。
17. 如權(quán)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(yáng)極尾氣氧化器。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種傳熱裝置，其整合有鍋爐和氣體預(yù)熱器以進(jìn)行蒸汽產(chǎn)生和氣體預(yù)熱。在一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明的傳熱裝置可以在燃料處理應(yīng)用中使用。在這個(gè)實(shí)施例中，傳熱裝置可以位于例如陽(yáng)極尾氣氧化器的燃燒室的下游。
文檔編號(hào)F24H1/08GK101589275SQ200780046076
公開(kāi)日2009年11月25日 申請(qǐng)日期2007年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者劉云權(quán) 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司