專(zhuān)利名稱(chēng)：再生重整裝置的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及再生重整裝置的方法，向該重整裝置連續(xù)輸送燃料和氧化劑，為了再生，和連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比燃料的進(jìn)料速度降低。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及包括實(shí)現(xiàn)重整裝置再生的控制器的重整裝置，該控制器用于連續(xù)地向重整裝置輸送燃料和氧化劑，而且，為了再生，同連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比降低燃料進(jìn)料速度。
背景技術(shù)：
普通的重整裝置和方法有多種不同應(yīng)用，它們特別用于將富含氫氣的氣體混合物輸送到燃料電池內(nèi)，基于電化學(xué)反應(yīng)可以從中產(chǎn)生電能。這種燃料電池用于例如摩托車(chē)輛的輔助供電設(shè)備(APU)。
可以根據(jù)各種原理進(jìn)行將燃料和氧化劑轉(zhuǎn)化成重整產(chǎn)品的重整工藝。例如，已知催化重整，其中，燃料在放熱反應(yīng)中被氧化。催化重整的弊端在于產(chǎn)生大量的熱量，熱量可以毀壞系統(tǒng)元件，尤其是催化劑。
從碳?xì)浠衔锂a(chǎn)生重整產(chǎn)品的另一個(gè)可能是蒸氣重整，其中，在吸熱反應(yīng)中，利用蒸氣，碳?xì)浠衔锉晦D(zhuǎn)化成氫氣。
這兩種原理的結(jié)合，即，基于放熱反應(yīng)和由吸熱反應(yīng)產(chǎn)生氫氣(其中，用于蒸氣重整的能量來(lái)自碳?xì)浠衔锏娜紵?的重整稱(chēng)為自熱重整。然而，因?yàn)樾枰峁┹斔退难b置，所以會(huì)存在其他的缺點(diǎn)。氧化區(qū)和重整區(qū)之間的高溫度梯度為系統(tǒng)的整體熱平衡造成進(jìn)一步的問(wèn)題。
通常，空氣和燃料在重整裝置中轉(zhuǎn)化為富含氫氣的氣體混合物的反應(yīng)可以如下表示
由于該吸熱反應(yīng)中碳?xì)浠衔锏牟煌耆D(zhuǎn)化(式中未示出)，如殘余碳?xì)浠旌衔锘蛘邿熁业母碑a(chǎn)品會(huì)物化，其至少部分沉積在重整裝置上，造成重整裝置內(nèi)的催化劑失去活性，甚至可以到達(dá)催化劑完全為煙灰覆蓋的地步。這加劇了重整裝置內(nèi)壓力下降，導(dǎo)致其被毀壞或者需要再生。
根據(jù)在先技術(shù)，具體通過(guò)燃燒掉沉積在重整裝置內(nèi)的煙灰來(lái)實(shí)現(xiàn)該再生。這會(huì)產(chǎn)生高溫，對(duì)催化劑或者襯底材料造成永久性(即不可逆轉(zhuǎn))的損壞。除此之外，開(kāi)始燃燒煙灰后，大的溫度梯度阻礙對(duì)重整裝置的控制。因?yàn)榇嬖谶^(guò)多的氧氣，在燃燒過(guò)程中，氧氣會(huì)出現(xiàn)在重整裝置的出口，因此，不可能將以這種方式再生的重整裝置用于SO燃料電池(SOFC)系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于如下目的實(shí)現(xiàn)重整裝置的再生，這樣可以消除上述問(wèn)題，特別是避免高溫、大的溫度梯度和在重整裝置的輸出出現(xiàn)不希望的氧氣。
該目的由獨(dú)立權(quán)利要求的特征實(shí)現(xiàn)。
從本發(fā)明的有益實(shí)施例推演出從屬權(quán)利要求。
本發(fā)明基于通用方法，其中，在若干個(gè)連續(xù)的時(shí)間間隔中，燃料的進(jìn)料速度和連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比是降低的，燃料的進(jìn)料速度在連續(xù)的時(shí)間間隔之間比連續(xù)的時(shí)間間隔期間要高。在正常操作中，重整裝置在650℃或以上接收連續(xù)的燃料和空氣進(jìn)料。重整裝置工作于熱平衡狀態(tài)，因此，在靜態(tài)操作中不需要考慮溫度升高。然而，如所述的沉積導(dǎo)致催化劑某種程度上失去活性。當(dāng)重整裝置長(zhǎng)期進(jìn)行操作時(shí)關(guān)閉燃料進(jìn)料口時(shí)，煙灰以遠(yuǎn)高于1000℃的溫度燃燒，這會(huì)導(dǎo)致催化劑甚至整個(gè)重整裝置被毀壞。這是因?yàn)槿紵裏熁視r(shí)的反應(yīng)為C+O2→CO2該反應(yīng)逐步放熱。在催化劑完全燃燒掉以后，重整裝置端部輸出氧氣，這會(huì)導(dǎo)致SO燃料電池的陽(yáng)極被毀壞。根據(jù)本發(fā)明的方法，建議降低脈沖式燃料進(jìn)料，每個(gè)脈沖只持續(xù)很短的時(shí)間。向煙灰沉積輸送氧氣或者空氣，這樣可以開(kāi)始氧化過(guò)程，也會(huì)導(dǎo)致催化劑溫度升高。但是，在溫度高到重整裝置受到損壞之前，再次增加燃料進(jìn)料。因此，在降低進(jìn)料速度的時(shí)間間隔結(jié)束時(shí)，重整裝置的一部分得到再生，即，基本上不存在煙灰或沉積。在再生間隔之后，可以繼續(xù)重整過(guò)程。因?yàn)檫@會(huì)逐步吸熱，重整裝置冷卻到常溫。重復(fù)該過(guò)程，直到整個(gè)重整裝置被再生。因此，重整分區(qū)進(jìn)行。降低脈沖式燃料進(jìn)料使得沒(méi)有氧氣進(jìn)入燃料電池的陽(yáng)極，因?yàn)檠鯕庠诜磻?yīng)中消耗了。
本發(fā)明其他的有益特征在于，在至少一個(gè)連續(xù)時(shí)間間隔中，燃料進(jìn)料速度為零。由于在連續(xù)時(shí)間間隔中完全關(guān)閉燃料進(jìn)料口，因而沉積的燃燒更充分。在燃料進(jìn)料口沒(méi)有完全關(guān)閉時(shí)，重整裝置中產(chǎn)生的水增加。根據(jù)下式，水可以從重整裝置中去除煙灰和其他沉積C+H2O→CO+H2此外，測(cè)量重整裝置排出物質(zhì)中的氧氣含量，并且在氧氣含量超過(guò)門(mén)限值時(shí)重整裝置轉(zhuǎn)換為連續(xù)操作也是有用的。因此，重整裝置輸出處的氧氣含量作為重整裝置完全再生的指示。跟蹤氧氣含量還可以保證不會(huì)有過(guò)量的氧氣和SO燃料電池的陽(yáng)極接觸。
這種情況下，使用含氧傳感器(Lambda Sensor)測(cè)量氧氣含量。
同樣，氧氣含量可以用燃料電池測(cè)量。為了免于安裝含氧傳感器，燃料電池的電輸出值可以直接用于檢測(cè)氧氣含量的增加。
根據(jù)本發(fā)明的方法對(duì)于具有雙燃料進(jìn)料口的重整裝置尤其適用，在再生時(shí)，燃料進(jìn)料口之中的一個(gè)的進(jìn)料速度基本上對(duì)應(yīng)于連續(xù)操作的進(jìn)料速度。因此，使用雙燃料進(jìn)料口的重整裝置，改變?nèi)剂线M(jìn)料速度的可能性更大。這特別適用于部分不變地操作重整裝置，而重整裝置的其他部分通過(guò)改變功能進(jìn)行再生。
因此，根據(jù)本發(fā)明的有益特征在于重整裝置包括氧化區(qū)域和重整區(qū)域，重整區(qū)域可以供以熱，而氧化區(qū)域使用第一燃料進(jìn)料口供以燃料和氧化劑的混合物，在至少部分氧化燃料后，該混合物可以至少部分輸送到重整區(qū)域，重整區(qū)域使用第二燃料進(jìn)料口供以額外的燃料，第二燃料進(jìn)料在連續(xù)時(shí)間間隔以降低的進(jìn)料速度工作。因此，額外的燃料進(jìn)料和來(lái)自氧化區(qū)域的廢氣一起形成重整過(guò)程開(kāi)始的混合物。通過(guò)混合燃料和廢氣，可以得到小的λ值(例如λ＝0.4)，通過(guò)供以熱量，可以實(shí)現(xiàn)吸熱重整反應(yīng)。關(guān)于根據(jù)本發(fā)明的再生，需要指出的是，重整裝置在氧化區(qū)域的操作可以繼續(xù)不變地進(jìn)行，同時(shí)只有第二燃料進(jìn)料口被關(guān)閉或降低。
尤其有益的是，氧化區(qū)域的放熱氧化的熱可以輸送到重整區(qū)域。因此，氧化區(qū)域所得到的熱量在重整反應(yīng)中被轉(zhuǎn)化，這樣，由整個(gè)過(guò)程產(chǎn)生的凈熱量不會(huì)引起管理重整裝置溫度的問(wèn)題。
重整區(qū)域包括氧化劑進(jìn)料口是有用的，通過(guò)該氧化劑進(jìn)料口，可以輸送額外的氧化劑，由此得到另外一個(gè)影響重整的參數(shù)，并且可以對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。
本發(fā)明尤其有益的特征在于，額外的燃料輸送至注入混合區(qū)域，從此處，額外的燃料流進(jìn)重整區(qū)域。因此，該注入混合區(qū)域設(shè)置在重整區(qū)域的上游，這樣重整區(qū)域?yàn)橹卣磻?yīng)準(zhǔn)備了混合好的輸出氣體。
因此，額外的燃料至少部分被氧化區(qū)域的氣體混合物的熱能蒸發(fā)，因此，使得氧化的反應(yīng)熱也可以有益地用于燃料蒸發(fā)過(guò)程，這是有益的。
此外，氧化區(qū)域產(chǎn)生的氣體混合物部分繞過(guò)注入混合區(qū)域輸送到重整區(qū)域，因此，使得產(chǎn)生了另一個(gè)影響重整過(guò)程的可能，這樣，重整裝置產(chǎn)生的重整產(chǎn)品進(jìn)一步得到改善，這是有益的。
本發(fā)明基于通用重整設(shè)備，其中控制器適于在若干連續(xù)時(shí)間間隔降低燃料進(jìn)料速度(同連續(xù)操作的進(jìn)料速度比)，燃料進(jìn)料速度在連續(xù)時(shí)間間隔直接比連續(xù)時(shí)間間隔期間要高，由此在重整裝置中應(yīng)用了根據(jù)本發(fā)明的方法的有益和特殊特征。
本發(fā)明基于下述發(fā)現(xiàn)可以防止高溫、大的溫度梯度、不希望的壓力增加和不希望的氧氣出現(xiàn)在重整裝置的輸出，因?yàn)槿剂线M(jìn)料是脈沖式的，具體而言是對(duì)燃料進(jìn)料口進(jìn)行脈沖式關(guān)閉。


以下通過(guò)參考附圖根據(jù)優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，其中圖1是輔助解釋根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖；以及圖2是根據(jù)本發(fā)明的重整裝置的示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參考圖1，其中示出輔助解釋根據(jù)本發(fā)明的方法的流程圖。在步驟S01的重整裝置再生開(kāi)始之后，在步驟S02關(guān)閉燃料進(jìn)料。隨后，在步驟S03感測(cè)重整裝置中的溫度，在步驟S04確定感測(cè)到的溫度是否比預(yù)定門(mén)限值TS1高。如果否，在燃料進(jìn)料關(guān)閉時(shí)，在步驟S03再次感測(cè)重整裝置中溫度。如果在步驟S04確定溫度超過(guò)預(yù)定門(mén)限值TS1，在步驟S05打開(kāi)燃料進(jìn)料。隨后在步驟S06再次感測(cè)重整裝置中的溫度。在步驟S07確定感測(cè)到的溫度是否比預(yù)定門(mén)限值TS2低。如果否，不關(guān)閉燃料進(jìn)料，在步驟S06再次感測(cè)重整裝置中的溫度。如果在步驟S07確定溫度低于預(yù)定門(mén)限值TS2，在步驟S02再次關(guān)閉燃料進(jìn)料，這樣，開(kāi)始重整裝置再生的下一個(gè)時(shí)間間隔。
與監(jiān)控溫度并行，在步驟S08監(jiān)控重整裝置中的氧氣平衡點(diǎn)。這用于確定再生結(jié)束。因此，當(dāng)發(fā)生氧氣平衡并且關(guān)閉燃料進(jìn)料時(shí)，然后，在步驟S09打開(kāi)燃料進(jìn)料，之后，在步驟S10結(jié)束再生。
現(xiàn)在參看圖2，其中示出根據(jù)本發(fā)明的重整裝置的示意圖。本發(fā)明不限于所示的特殊配置。相反，根據(jù)本發(fā)明的再生可適于多種類(lèi)型的重整裝置，只要可以臨時(shí)降低或者中斷燃料進(jìn)料。所示的重整裝置10基于優(yōu)選地沒(méi)有蒸氣進(jìn)口的部分氧化可以分別通過(guò)各自的進(jìn)料口供以燃料12和氧化劑16的原則。例如，可能的燃料12為柴油，氧化劑16通常為空氣。燃燒開(kāi)始后迅速引起的反應(yīng)熱可以在可選的冷卻區(qū)域36部分去除。然后，混合物進(jìn)入氧化區(qū)域24，氧化區(qū)域24可以由設(shè)置在重整區(qū)域26內(nèi)的管道實(shí)現(xiàn)。在替代實(shí)施例中，氧化區(qū)域由重整區(qū)域26內(nèi)的多個(gè)管道或者特殊的管道結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。在氧化區(qū)域中，燃料和氧化劑以λ＝1的放熱反應(yīng)轉(zhuǎn)化。然后，所得的氣體混合物32金融注入混合區(qū)域30，其中氣體混合物32和燃料14混合，由此氣體混合物32的熱量可以支持燃料14的蒸發(fā)。此外，還可以對(duì)注入混合區(qū)域30輸送氧化劑。然后，這樣形成的混合物進(jìn)入重整區(qū)域26，在這里，該混合物以例如λ＝0.4的吸熱反應(yīng)被轉(zhuǎn)化。用于吸熱反應(yīng)的熱28來(lái)自氧化區(qū)域24。為了優(yōu)化重整過(guò)程，可以對(duì)重整區(qū)域26輸送額外的氧化劑18。此外，還可以將在氧化區(qū)域24產(chǎn)生的部分氣體混合物34繞過(guò)注入混合區(qū)域30直接輸送到重整區(qū)域26。然后，重整產(chǎn)物22從重整區(qū)域26流過(guò)，可以用于進(jìn)一步的應(yīng)用。
重整裝置具有控制器38，該控制器38除了別的功能以外，可以控制主燃料進(jìn)料12和次燃料進(jìn)料14。
為了在圖2所示的示例性實(shí)施例中的重整區(qū)域26中進(jìn)行再生，脈沖式地關(guān)閉燃料進(jìn)料14，同時(shí)用于保持重整裝置中的氧化劑的燃料進(jìn)料12繼續(xù)操作而不改變進(jìn)料速度，這樣就夠了。然后，重整區(qū)域26中提供的催化劑被包括氧氣的燃燒廢氣燒掉。
應(yīng)該理解，本說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求所公開(kāi)的本發(fā)明的特征單一地或者結(jié)合起來(lái)對(duì)本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)都很重要。
附圖參考標(biāo)號(hào)12燃料14燃料16氧化劑18氧化劑20氧化劑22重整產(chǎn)品24氧化區(qū)域26重整區(qū)域28熱30注入混合區(qū)域34氣體混合物36冷卻區(qū)域38控制器
權(quán)利要求
1.使用燃料(12，14)和氧化劑(16，18，20)在連續(xù)操作中再生重整裝置的方法，為了再生，所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度和連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比降低，其特征在于，-在若干連續(xù)的時(shí)間間隔，所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度和連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比降低，以及-所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度在所述連續(xù)的時(shí)間間隔之間比在所述連續(xù)的時(shí)間間隔期間要高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征在于，在至少一個(gè)所述連續(xù)時(shí)間間隔期間，所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度為零。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，其特征在于，-測(cè)量離開(kāi)所述重整裝置的物質(zhì)中的氧氣含量，以及-在所述氧氣含量超過(guò)門(mén)限值時(shí)所述重整裝置變?yōu)檫B續(xù)操作。
4.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于，使用含氧傳感器測(cè)量所述氧氣含量。
5.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于，使用燃料電池測(cè)量所述氧氣含量。
6.根據(jù)前述任何一項(xiàng)權(quán)利要求的方法，其特征在于，對(duì)于具有雙燃料進(jìn)料口的重整裝置，在再生時(shí)，所述燃料進(jìn)料口之中的一個(gè)的進(jìn)料速度基本上對(duì)應(yīng)于連續(xù)操作時(shí)的所述進(jìn)料速度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的方法，其特征在于，-所述重整裝置包括氧化區(qū)域(24)和重整區(qū)域(26)，-對(duì)所述重整區(qū)域(26)供以熱(28)，-對(duì)所述氧化區(qū)域使用第一燃料進(jìn)料口供以燃料(12)和氧化劑(16，18，20)的混合物，在至少部分氧化燃料(12)后，所述混合物至少部分輸送到所述重整區(qū)域(26)，-所述重整區(qū)域(26)使用第二燃料進(jìn)料口供以額外的燃料(14)，-所述第二燃料進(jìn)料口在所述連續(xù)時(shí)間間隔中以降低的進(jìn)料速度工作。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其特征在于，所述氧化區(qū)域(24)的放熱氧化的熱量可以輸送到所述重整區(qū)域(26)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8的方法，其特征在于，所述重整區(qū)域(26)包括氧化劑進(jìn)料口，通過(guò)所述氧化劑進(jìn)料口，可以輸送額外的氧化劑(16，18，20)。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中的任意一項(xiàng)的方法，其特征在于，-輸送額外的燃料(14)至注入混合區(qū)域(30)，-所述額外的燃料(14)可用從所述注入混合區(qū)域(30)流進(jìn)所述重整區(qū)域(26)。
11.根據(jù)權(quán)利要求7至10中的任意一項(xiàng)的方法，其特征在于，所述額外的燃料(14)至少部分被所述氧化區(qū)域(24)排出的所述氣體混合物(34)的熱能蒸發(fā)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10或11的方法，其特征在于，所述氧化區(qū)域(24)產(chǎn)生的所述氣體混合物(34)部分繞過(guò)所述注入混合區(qū)域(30)輸送到所述重整區(qū)域(26)。
13.重整裝置，其包括實(shí)現(xiàn)所述重整裝置再生的控制器(38)，所述控制器(38)適用于以連續(xù)操作對(duì)所述重整裝置輸送燃料(12，14)和氧化劑(16，18，20)，為了再生，所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度和所述連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比降低，其特征在于，-所述控制器(38)適于在若干連續(xù)時(shí)間間隔期間，同所述連續(xù)操作的進(jìn)料速度相比，降低所述燃料(12，14)進(jìn)料速度，以及-所述燃料(12，14)的進(jìn)料速度在所述連續(xù)的時(shí)間間隔之間比在所述連續(xù)的時(shí)間間隔期間要高。
全文摘要
本發(fā)明涉及再生重整裝置的方法，向該重整裝置連續(xù)輸送燃料(12，14)和氧化劑(16，18，20)，為了再生，和連續(xù)操作時(shí)的進(jìn)料速度相比燃料(12，14)的進(jìn)料速度降低。根據(jù)本發(fā)明，在隨后的多個(gè)時(shí)間間隔，燃料(12，14)的進(jìn)料速度和連續(xù)操作的進(jìn)料速度相比降低。燃料(12，14)的進(jìn)料速度在隨后的時(shí)間間隔之間比在隨后的時(shí)間間隔期間要高。本發(fā)明還涉及相應(yīng)的重整裝置。
文檔編號(hào)C01B3/00GK101035611SQ200580034182
公開(kāi)日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2005年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月10日
發(fā)明者馬爾科·米爾內(nèi)爾, 斯特凡·克丁 申請(qǐng)人:韋巴斯托股份公司