專利名稱：用于燃料電池動(dòng)力廠的烴燃料轉(zhuǎn)化爐設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種催化反應(yīng)系統(tǒng)。更確切地說，本發(fā)明涉及一種具有一列催化劑管的系統(tǒng)，每個(gè)催化劑管具有環(huán)形的催化劑床。
背景技術(shù)：
催化反應(yīng)裝置通常用于工業(yè)中生產(chǎn)諸如富含氫的燃料氣之類的工業(yè)氣體，所以在本領(lǐng)域是眾所周知的。生產(chǎn)氫氣的最普通的方法是水蒸汽轉(zhuǎn)化工藝，其中粗燃料氣與蒸汽混合并通過排列在管式轉(zhuǎn)化爐中的催化劑床。加熱爐為該吸熱反應(yīng)提供熱量，在加熱爐內(nèi)爐管以寬距離間隔構(gòu)造設(shè)置。
由于這些工業(yè)裝置的體積大和有限的操作靈活性，所以直到美國(guó)專利US 4,098,587；US 4,098,588和US 4,098,589公開的內(nèi)容申請(qǐng)成功，才使得水蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)與動(dòng)力廠的使用成功地融為一體，該動(dòng)力廠利用耗氫的燃料電池。上述專利提出的新型設(shè)計(jì)由具有許多重要特征的緊湊反應(yīng)裝置組成，這些重要特征使蒸汽轉(zhuǎn)化技術(shù)適合于燃料電池動(dòng)力廠的應(yīng)用。
換句話說，新型的設(shè)計(jì)是蒸汽轉(zhuǎn)化粗燃料的緊湊反應(yīng)裝置，其主要特點(diǎn)在于其具有緊密地排列在加熱爐內(nèi)的許多垂直的管式轉(zhuǎn)化爐(按照本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn))，并被屏蔽以便在管束的任何位置產(chǎn)生均勻加熱的管子；具有爐腔區(qū)域和增強(qiáng)的換熱區(qū)域；以及在反應(yīng)產(chǎn)物和生產(chǎn)用水蒸汽之間引入的再生性熱傳遞能力相結(jié)合的環(huán)形轉(zhuǎn)化爐。
新型設(shè)計(jì)產(chǎn)生的蒸汽轉(zhuǎn)化爐裝置滿足了燃料電池動(dòng)力廠的規(guī)模和操作特點(diǎn)的需要，而維持較高的熱效率以保證競(jìng)爭(zhēng)性的所有的動(dòng)力廠操作效率是必需的。
雖然上述專利公開的設(shè)計(jì)對(duì)于燃料電池動(dòng)力廠氫生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用來(lái)說是里程碑式的成就，但是這些早期設(shè)計(jì)仍需要改進(jìn)來(lái)使其真正地更緊湊、重量更輕、熱分布更均勻和催化劑床更穩(wěn)定。這些問題的關(guān)鍵是開發(fā)一種有效的支撐結(jié)構(gòu)，該支撐結(jié)構(gòu)能使管束(trbe array)直立并能夠適當(dāng)?shù)胤植加晒茏雍痛呋瘎┮约拜o助設(shè)備所產(chǎn)生負(fù)荷力和而不會(huì)因此使重量過多地增加或使結(jié)構(gòu)固定裝置過于復(fù)雜和昂貴。
本發(fā)明的公開本發(fā)明涉及一種緊湊、有效的轉(zhuǎn)化爐，其用于從諸如天然氣等之類的粗燃料氣中生產(chǎn)出富含氫氣的工藝燃料。本發(fā)明的轉(zhuǎn)化爐包括一列容納在絕熱殼體內(nèi)的緊湊的催化劑管。催化劑管束優(yōu)選包括多根以正六邊形排列的管子。為了生產(chǎn)和結(jié)構(gòu)效率，殼體優(yōu)選圓形的，在圓形殼體的內(nèi)部充滿形狀上與之匹配的保溫層。例如，當(dāng)轉(zhuǎn)化爐管采用六邊形排列時(shí)，保溫層將具有正六邊形的周界來(lái)面對(duì)轉(zhuǎn)化爐管束。在陣列中最外面的管子同樣有效地絕熱防止熱損失。管徑也以大小排列使得陣列中相鄰管子的間距因有效熱傳遞而最小化。在轉(zhuǎn)化爐操作溫度下的靜重載荷條件下，剛性管支撐結(jié)構(gòu)保持著管子間的臨界間距。
每根催化劑管的內(nèi)部包括一中空的、一端封死的中心管，加工過的燃料離開催化劑反應(yīng)床層后流經(jīng)該中心管。一端封死的管子用作收集催化劑粉末的粉末捕集器，該催化劑粉末是燃料氣流經(jīng)過催化劑床層時(shí)夾帶的。催化劑管的最上面還具有延長(zhǎng)了催化劑床的圓錐形的頂蓋，當(dāng)建造和裝配管子時(shí)可以將過量的催化劑裝載在床內(nèi)。即使發(fā)生催化劑的突然下降和沉降的情況下，裝配的和封閉的催化劑管將含有過量的催化劑來(lái)維持催化劑床的理想高度。通過催化劑顆粒各自的大小和催化劑床的徑向厚度來(lái)控制催化劑的沉降。此外，當(dāng)流動(dòng)面積增加時(shí)，通過減小氣體流速圓錐形頂帽的形狀可以阻止催化劑反應(yīng)區(qū)上部催化劑床的流化。因?yàn)榱骰瘜?dǎo)致在該區(qū)域內(nèi)每個(gè)熱循環(huán)的催化劑的過量沉降和破碎，所以這一點(diǎn)是很重要的。這樣加劇了希望降到最小的催化劑層高度損失。
該設(shè)計(jì)的特征還在于使用了側(cè)加熱啟動(dòng)燃燒器，而不是使用以前所用的中心加熱啟動(dòng)燃燒器。側(cè)加熱燃燒器在轉(zhuǎn)化爐的頂部具有改進(jìn)的擴(kuò)散的燃燒器孔陣列。這樣，可以實(shí)現(xiàn)不受位于中心的啟動(dòng)燃燒器干擾的燃燒器孔陣列，以便于更容易并更有效地獲得來(lái)自擴(kuò)散燃燒器的熱分布?？梢岳斫?，位于中心的啟動(dòng)燃燒器的存在將影響擴(kuò)散爐模式，并且當(dāng)啟動(dòng)燃燒器停車時(shí)將會(huì)在加熱爐上端的中心部位產(chǎn)生空白。當(dāng)使用本發(fā)明的側(cè)加熱啟動(dòng)燃燒器時(shí)，就不會(huì)發(fā)生這種不理想的結(jié)果。
該設(shè)計(jì)的特征還在于使用了轉(zhuǎn)化爐管帽，該管帽比普通使用的具有更厚的厚度來(lái)承受增加的溫度操作范圍，這是因?yàn)椴僮鞣秶饕芨g和強(qiáng)度需要所限制。增加位于轉(zhuǎn)化爐管最熱部分的頂帽的厚度可以提高轉(zhuǎn)化爐的能力來(lái)處理設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)變化，并增加了設(shè)計(jì)的安全限度。
設(shè)備殼體的側(cè)壁以穩(wěn)定設(shè)備中管道的方式支撐催化劑管，并且催化劑管使設(shè)備可以利用具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的組件設(shè)備元件以改善其強(qiáng)度和剛度，以及在不增加重量和體積的條件下的抗熱應(yīng)力性能，該裝配。在上述的美國(guó)專利US 4,098,587中，催化劑管的重量由裝置的底壁支撐，該裝置的底壁也是容器的壓力界限。在本發(fā)明的裝置中，內(nèi)部的橫向多管板(manifold plates)由管組件部分連接在一起，以便形成支撐催化劑管束重量的復(fù)合柱。多管板和連接的管組件部分以產(chǎn)生復(fù)合柱的結(jié)構(gòu)和效果的方式互相接觸，該復(fù)合柱將負(fù)荷自外面管子傳遞到裝置的圓柱形側(cè)壁。形成的結(jié)構(gòu)以類似于蜂窩板的形式具有增加的負(fù)荷承受力。
兩個(gè)內(nèi)部的橫向多管板用作蜂窩狀結(jié)構(gòu)的面板，其中多管板之間的管截面部分用作蜂窩狀結(jié)構(gòu)的核心。由于設(shè)備的底部區(qū)域不再承受管重和負(fù)荷支撐，因此底部區(qū)域可用于其它的功能，例如附加的粉末俘獲器，或者集中熱交換部分。這是一個(gè)理想的特點(diǎn)，其在重量和體積敏感的動(dòng)力廠設(shè)計(jì)方面能夠達(dá)到最大化的組裝密度。
因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于轉(zhuǎn)化燃料供應(yīng)的更加有效、緊湊的裝置，以便使燃料適于燃料電池動(dòng)力廠的應(yīng)用。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種具有描述的特征的裝置，其中催化劑床的聚集可以改善。
通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描述，本發(fā)明的這些和其它目的及優(yōu)點(diǎn)將變得更加明顯，其中附圖簡(jiǎn)述

圖1是根據(jù)本發(fā)明形成的轉(zhuǎn)化爐設(shè)備的軸向截面視圖；
圖1A是表示在圖1中的環(huán)形燃料氣入口通道的放大和局部視圖；圖2是圖1轉(zhuǎn)化爐設(shè)備上部的局部軸向截面視圖；圖3是轉(zhuǎn)化爐設(shè)備的橫向截面視圖；圖4是其中一個(gè)催化劑管組件的軸向的截面視圖，它表示出了轉(zhuǎn)化爐設(shè)備中催化劑管組件的安裝方式；和圖5是其中一個(gè)催化劑管組件下部的局部軸向截面視圖。
本發(fā)明的詳細(xì)描述現(xiàn)參照附圖，圖1公開了一種依照本發(fā)明組成的轉(zhuǎn)化爐裝置10的實(shí)施方式，該轉(zhuǎn)化爐裝置包括容納多根催化劑管14的殼體12，在催化劑管內(nèi)進(jìn)行粗烴燃料油的加工。轉(zhuǎn)化爐裝置10包括將粗烴燃料導(dǎo)入到裝置10中的粗燃料入口16，和一個(gè)將轉(zhuǎn)化后的烴燃料自裝置10中除去的轉(zhuǎn)化后的燃料出口18。裝置10還包括將燃燒器燃料導(dǎo)入裝置10的燃燒器燃料入口20，和為了支持燃燒器燃料的燃燒來(lái)為粗烴燃料的加工提供熱量而將環(huán)境空氣或其它氧氣源導(dǎo)入裝置10的燃料燃燒器空氣入口22。燃燒器廢氣出口24是用于從裝置10中排空燃燒器燃料廢氣流。在附圖中，箭頭A和B分別表示燃燒器氣體和燃燒器空氣氣流的流動(dòng)方向。箭頭C和D分別表示啟動(dòng)燃燒器氣流和轉(zhuǎn)化后的加工燃料的流動(dòng)方向。
如圖1、2和3所示，十九個(gè)獨(dú)立的催化劑管組件14以緊密組裝的正六邊形陣列的形式排列。催化劑管組件陣列具有七個(gè)催化劑管組件的中心族和十二個(gè)催化劑管組件的外部族。每個(gè)催化劑管組件14包括外面的具有內(nèi)表面32和外表面34的轉(zhuǎn)化爐管30。轉(zhuǎn)化爐管30的密封上端36具有位于轉(zhuǎn)化爐管30最上部的頂帽38。轉(zhuǎn)化爐管30具有下端40和從下端40延伸到頂帽38的管體42。再生器管50同軸地位于轉(zhuǎn)化爐管30的內(nèi)部。再生器管50分別有內(nèi)表面52和外表面54，并從催化劑管組件14的下端56延伸到其上端64。從圖2可以看出，再生器管50有三個(gè)主要部分，它們是自下端40向上延伸的、高度為H1的圓柱體部分60；自圓柱體部分60向上延伸的、高度為H2的中段62和自中段62向上延伸的、高度為H3的較小圓柱形上段64。中段62的收斂角為φ。高度和角度的選擇能夠使額外的催化劑體積提供催化劑儲(chǔ)備來(lái)補(bǔ)償發(fā)生在熱循環(huán)過程中的催化劑體積的減小，并能限制催化劑床的流化和最小化催化劑床的壓降。再生器管50的上段64的頂端是開口的，以便使來(lái)自催化劑床的氣流可以如箭頭D所示進(jìn)入管64和74。穿孔板58固定到管64上，使轉(zhuǎn)化后的氣體離開催化劑床的上端進(jìn)入管64、74。設(shè)置了以棒的形式的交叉元件66，它的兩端與頂帽38的內(nèi)表面接觸，使再生器管組件50位于轉(zhuǎn)化爐管30上端的中央。中段62的錐形角φ的選擇能夠適合裝置所需的尺寸、流量和壓降。
轉(zhuǎn)化爐管30的內(nèi)表面和再生器管50的外表面之間的空間定義為環(huán)形空間70?？臻g70有三個(gè)主要段與再生器管50的三個(gè)主要段相聯(lián)和相鄰。在示范性的實(shí)施方案中只有下段和中段。中段的厚度可與下段的下端相匹配并以向上的方向增加。根據(jù)再生器管50的上段64的圓錐角，空間70上部的厚度進(jìn)一步向上增加。在本發(fā)明的上述實(shí)施方案中，環(huán)形空間70的大部分含有催化劑床層。催化劑床層由圓柱形顆粒72組成，該圓柱形顆粒具有由諸如鎳之類的合適催化材料形成的外表面。再生器管50由許多定位架73組成，該定位架從管50的外表面沿著再生器管體段60徑向向外延伸。定位架73使再生器管50居于轉(zhuǎn)化爐管30的中心。
在再生器管50內(nèi)，設(shè)有包括上面和下面的內(nèi)管74和76的粉末收集系統(tǒng)。上管74的上下端開口。上管74的上端焊接到再生器管50的中段62的內(nèi)表面，并凹進(jìn)中段62的上端。下管76的上端大體上與再生器管體段60的上端齊平。上管74的下端稍微延伸到下管76內(nèi)。下管76的內(nèi)徑能夠容納上管74的外徑，并將管74和76之間定義為外側(cè)的環(huán)形空間78。下管的封閉下端伸出了再生器管50的管體段60的下端。下管76的外表面和再生器管50的內(nèi)表面之間形成環(huán)形空間79并用作再生室。來(lái)自催化劑床的工藝燃料通過開孔段64進(jìn)入上管74，向下流進(jìn)下管76，并以相對(duì)靜止的方式充滿下管。下管76是一端封死的，因此可用作收集催化劑顆粒粉末的捕集器，該催化劑粉末是燃料氣流經(jīng)過催化劑床時(shí)夾帶在生產(chǎn)用燃料氣流中的。生產(chǎn)用燃料氣流從管76的上端流出，流經(jīng)再生室79，在此生產(chǎn)用氣體的熱能傳遞到正流入的生產(chǎn)用蒸汽流以提供反應(yīng)所需要的熱量。
為了裝配轉(zhuǎn)化爐，轉(zhuǎn)化爐管30位于板84相應(yīng)的孔內(nèi)，然后通過焊點(diǎn)31連接來(lái)固定它們的位置。然后裝配的再生器管50插入到轉(zhuǎn)化爐管30中并倒置結(jié)合。在倒置的條件下，再生器管50通過交叉件66和端帽38之間的接觸來(lái)支撐。定位架73支撐居于轉(zhuǎn)化爐管30中央的再生器管50，使得環(huán)形空間70充滿催化劑顆粒72。將適量的催化劑加入到空間70中后，催化劑支撐組件插入空間70內(nèi)。催化劑支撐組件包括焊接到支撐桿75上的環(huán)形穿孔板81。通過焊點(diǎn)37將固體圓盤77的內(nèi)邊緣焊接到再生器管50上以及通過焊點(diǎn)35將圓盤77的外邊緣焊接到下支撐板86上來(lái)密封空間70的下界。一旦密封，轉(zhuǎn)化爐可以是直立的，催化劑顆粒72將基本上充滿空間70。
燃燒器腔100分別由下區(qū)99和上區(qū)101組成，每根催化劑管組件14的上部伸入到燃燒器腔100的下區(qū)99內(nèi)。上區(qū)101是開口的，其大小能夠使燃燒器腔100的該區(qū)體積能保證爐氣的完全燃燒，和相應(yīng)地低排放量。此外，在上區(qū)101或下區(qū)99內(nèi)的催化劑管上面爐腔的寬度能夠促進(jìn)均勻流向形成管束的每個(gè)獨(dú)立的催化劑管組件14。含有管束的下區(qū)99的大小可以最大化傳遞到催化劑管組件14的熱傳遞。燃燒器腔100的下區(qū)99的周邊以具有正六邊形的絕熱壁102為邊界。壁102是由陶瓷纖維絕熱板板條組成。板條與催化劑管組件14的正六邊形陣列的六條邊緊密貼面。壁102和催化劑管組件14之間的間距大約等于陣列中相鄰催化劑管組件14之間的間距。壁102的正六邊形構(gòu)型和緊密靠近催化劑管組件保證了通過陣列的溫度均勻，以便使催化劑管組件14的圓周，更確切地說，它們的外側(cè)邊，將大體上與內(nèi)部催化劑管組件14具有相同的溫度，以此來(lái)最大化系統(tǒng)效率。壁102的上端延伸到催化劑管組件14的上面，并限定了燃燒器腔100的上區(qū)101和下區(qū)99之間的界限。在附圖中沒有表示出的附加元件(但包括在設(shè)備中)是催化劑管組件14的陶瓷帽，該陶瓷帽描述在美國(guó)專利US 4,740,357中，該文獻(xiàn)的全文在此引入作為參考。
在燃燒器腔100的下區(qū)99的正下方是加熱爐12的高溫加熱部分104，加熱爐的構(gòu)型是便于提高自燃燒器氣體到催化劑管組件14的熱傳遞。在高溫加熱部分104，每個(gè)催化劑管組件14位于相應(yīng)的同心套管106內(nèi)。套管106具有在套管106的內(nèi)表面和轉(zhuǎn)化爐催化劑管30的外表面之間形成環(huán)形空間108的內(nèi)徑。支撐板112支撐著充滿套管106之間的空間的陶瓷纖維絕熱層114，并向上延伸到界限110。
圖1、1A、4和5公開了催化劑管組件14的細(xì)節(jié)和在轉(zhuǎn)化爐設(shè)備10中的安裝方式。上板84和下板86橫跨轉(zhuǎn)化爐殼體12并接近于殼體12的下端壁95。每塊板84和86分別有許多開孔85和87。每根催化劑管組件14通過上板84中的相應(yīng)的開孔85和下板86中相應(yīng)的開孔87。催化劑管30由焊點(diǎn)31焊接到上板84上，也由焊點(diǎn)33焊接到下板86上?？梢宰⒁獾酱呋瘎┕?0與板84和86結(jié)合形成類似于蜂窩板的剛性結(jié)構(gòu)，其中板84和86是對(duì)面板，板84和86之間的催化劑管30作為核心。在正常操作和瞬時(shí)傳輸和地震載荷中，用作工藝氣體入口管的焊接結(jié)構(gòu)也可用于支撐催化劑管組件14。催化劑管組件14中由催化劑床72組成的內(nèi)部組成的重量、催化劑支撐板81、支撐桿75和再生器管50由環(huán)形板77支撐，環(huán)形板77的內(nèi)徑通過焊點(diǎn)37焊接到再生器管50上，其外徑通過焊點(diǎn)35焊接到板86上。轉(zhuǎn)化爐的外殼體94和96支撐著上板84和下板86的外邊緣部分。事實(shí)是板84和86固定到轉(zhuǎn)化爐殼體側(cè)壁94和96上，這保證催化劑管組件的重量通過板84和86向外傳遞到側(cè)壁94和96上。管76通過許多空間分開的夾子7固定到管50上，夾子能夠使轉(zhuǎn)化后的氣流自環(huán)隙79流進(jìn)管144。
裝置10的操作如下。燃燒器燃料通過燃燒器燃料入口20進(jìn)入系統(tǒng)，入口處于與燃燒器腔100的下區(qū)99大體上相同的高度。燃料進(jìn)入具有環(huán)形通道122的環(huán)形管120。形成通道122的壁123和125環(huán)繞著催化劑管組件14的陣列，以便使燃料通過通道122均勻下降。燃料由通道122向下流動(dòng)，當(dāng)燃料向下流進(jìn)環(huán)形管124時(shí)，在高溫加熱部分104的下部獲得熱量。
垂直導(dǎo)管126自管124將預(yù)加熱后的爐燃料向上輸送到位于燃燒器腔100的上區(qū)101內(nèi)的燃料管128。燃燒器燃料自管128通過從管128的下壁向下延伸的管狀噴嘴130。噴嘴130穿過偶合到入口22的空氣管132，并穿過一個(gè)或多個(gè)燃燒器腔100的上區(qū)101和空氣管132之間的絕熱板。在該板上的孔在噴嘴130周圍有足夠的縫隙來(lái)形成相應(yīng)的環(huán)形通道，通過該環(huán)形通道空氣自空氣管132中抽出并與經(jīng)噴嘴130導(dǎo)入到燃燒器腔100的氣體混合燃燒。啟動(dòng)燃燒器140位于燃燒器腔100的側(cè)壁內(nèi)并處于催化劑管組件14上部，火焰?zhèn)鞲衅?41在燃燒器腔100的對(duì)面。圖1中的箭頭C表示啟動(dòng)燃燒器氣的流動(dòng)方向。
燃燒器燃料和空氣產(chǎn)生的熱燃燒氣體向下流動(dòng)通過燃燒器腔100，由入口到達(dá)相應(yīng)套管106上端的環(huán)形空間108，通過套管106將熱量傳遞到催化劑管組件14?？蛇x擇地，空間108如美國(guó)專利US 4,847,051所示，該專利公開的內(nèi)容在此全部引入作為參考。燃燒氣離開套管106下端的環(huán)形空間108，進(jìn)入板112和板84之間的廢氣室(exhaustplenum)152。燃燒器氣體進(jìn)入廢氣室152的外周，由此向上通過環(huán)形通道146直接進(jìn)入通道122內(nèi)。通過通道146向上流動(dòng)的燃燒器氣體將熱量傳遞到通過通道122向下流動(dòng)的剛進(jìn)來(lái)的加熱燃料。燃燒器氣體一旦到達(dá)通道146的上端，就被收集在環(huán)形收集空間148內(nèi)，在此由廢氣出口24排出。
工藝燃料由入口16進(jìn)入，并經(jīng)適當(dāng)?shù)墓艿乐苯舆M(jìn)入板84和板86之間的工藝燃料氣入口氣室(inlet plenum)150。從氣室150，工藝燃料氣通過位于氣室150內(nèi)的轉(zhuǎn)化爐管30下部的開口。工藝燃料向上流經(jīng)催化劑床，接受來(lái)自反應(yīng)室外側(cè)環(huán)形空間108內(nèi)向下流動(dòng)的燃燒器氣體氣的熱量和來(lái)自下面即將描述的再生室內(nèi)向下流動(dòng)的加工過的氣體的熱量。在生產(chǎn)狀態(tài)中，工藝燃料氣離開催化劑床的上表面，并通過再生器管50的穿孔上段64中的孔。加工過的氣體向下通過上部過濾管74。加工過的氣體一旦離開管74的下端，就必須改變方向，如箭頭D所示向上流經(jīng)環(huán)形空間78。在該流動(dòng)方向改變過程中，微粒物質(zhì)(例如，某種反應(yīng)副產(chǎn)物、催化劑粒子等等)將落到下管76的封閉下端，并由此得到收集。加工后的氣體穿過管76的開口上端后，再一次逆轉(zhuǎn)方向，經(jīng)再生室79向下流動(dòng)。在向下流動(dòng)中，加工后的氣體在反應(yīng)室將熱量直接向外傳遞到剛進(jìn)來(lái)的工藝燃料。在再生器管的下端，加工后的氣體進(jìn)入板86和轉(zhuǎn)化爐殼體12的底部的加工過的燃料出口氣室144。自氣室144，加工后的氣體經(jīng)管道進(jìn)入加工過的燃料出口18。
另外，形成工藝燃料入口氣室的板之間的結(jié)構(gòu)連接增加了系統(tǒng)的整體剛性，并且可以使用較細(xì)和較輕的材料；在傳質(zhì)中減少了危害的可能性；在使用中減少了危害的可能性。當(dāng)高溫下的靜載荷條件下管支撐結(jié)構(gòu)偏斜時(shí)，需要?jiǎng)傂怨苤谓Y(jié)構(gòu)來(lái)最小化催化劑管上端互相移動(dòng)的趨勢(shì)。過度偏斜能導(dǎo)致催化劑管溫度成劣態(tài)分布，從而導(dǎo)致催化劑管的上端各種氣體流動(dòng)路徑中的不均勻性。
在轉(zhuǎn)化爐使用中危害的另一方面涉及催化劑材料的破碎。催化劑管的較剛性的安裝能夠減小相對(duì)于再生器管的移動(dòng)。這種移動(dòng)是由轉(zhuǎn)化爐使用中的振動(dòng)和熱循環(huán)引起的。當(dāng)相對(duì)移動(dòng)逆轉(zhuǎn)和催化劑管極力保持其先前的相對(duì)位置時(shí)，該相對(duì)移動(dòng)首先引起催化劑的漂移，接著是催化劑的破碎。再生器管的截錐形的上段和中段貯存一定儲(chǔ)備量的催化劑，可以補(bǔ)償催化劑顆粒的破碎或沉降(應(yīng)該產(chǎn)生的)，在系統(tǒng)運(yùn)行中也能穩(wěn)定催化劑床的上部并防止流化。
上述設(shè)計(jì)產(chǎn)生了一種十九根催化劑管束的轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，該轉(zhuǎn)化爐設(shè)備采用4英寸直徑的催化劑管。使用4英寸直徑的管子可以使用作粉末收集器的中心空穴部分顯著地減少。由于中心空穴部分是未利用的體積，因而它應(yīng)該盡可能地小。因?yàn)樵诖呋瘎┛昭ǖ沫h(huán)隙中熱增長(zhǎng)的量與管徑成正比，所以較小的中心也可以減少催化劑的破碎影響。在催化劑管中保持操作溫度均勻的關(guān)鍵在于燃燒器腔內(nèi)正六邊形的形狀、管子支撐物的硬度和催化劑管上面多個(gè)爐管的供應(yīng)。
在沒有偏離本發(fā)明概念的情況下，可以對(duì)本發(fā)明公開的實(shí)施方案進(jìn)行許多變化和改變，但這并不意味著限制本發(fā)明，相反，本發(fā)明僅受所附權(quán)利要求的限定。
權(quán)利要求
1.一種用于將粗燃料氣轉(zhuǎn)化成富含氫氣的工藝氣體的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，所述的富含氫氣的工藝氣體適合于燃料電池動(dòng)力廠的使用，所述的設(shè)備包括a)絕熱殼體；b)設(shè)置在所述的殼體內(nèi)的多根催化劑管；c)設(shè)置在每根所述的催化劑管內(nèi)的環(huán)形催化劑床；和d)在每根所述催化劑管內(nèi)的中心再生器管組件，所述的再生器管組件徑向向內(nèi)設(shè)置在所述的催化劑床內(nèi)。
2.權(quán)利要求1的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中每個(gè)所述的再生器管組件包括內(nèi)截錐形的部分，其可容納所述催化劑管中過量的催化劑。
3.權(quán)利要求2所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的截錐形部分由開孔板所覆蓋，使氣體自所述的催化劑床流入所述的再生器管組件。
4.權(quán)利要求3所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的再生器管組件裝有過量催化劑，該過量催化劑能阻止因催化劑壓縮而引起的轉(zhuǎn)化爐性能的降低。
5.權(quán)利要求2所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的截錐形部分在設(shè)備操作中具有能最小化催化劑床流化的工藝氣流通路。
6.權(quán)利要求1所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的殼體包括從所述的催化劑管接受工藝氣體的最下面的管，所述的最下面的管由所述殼體的下壁和由所述下壁隔開的第一板構(gòu)成，所述的第一板連接到所述殼體的一側(cè)壁上，并且所述的再生器管組件連接到第一板上，從而所述殼體的所述的側(cè)壁承受著所述再生器管組件的重量。
7.權(quán)利要求6所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的殼體包括與所述第一管相鄰的用于收集粗燃料氣的第二管，所述的第二管由所述第一板和與第一板空間隔開的第二板組成，所述的第二板連接到所述殼體的所述側(cè)壁上，并且催化劑管連接到所述的第一和第二板上，從而所述殼體的所述側(cè)壁支撐著所述催化劑管和所述催化劑床的重量。
8.權(quán)利要求7所述的烴燃料氣轉(zhuǎn)化爐設(shè)備，其中所述的第二管開口在所述的催化劑床內(nèi)。
全文摘要
一種由粗燃料生產(chǎn)富含氫氣的工藝燃料的燃料轉(zhuǎn)化爐,其包括絕熱殼體內(nèi)緊湊排列的催化劑管(30)。催化劑管束包括多根以陣列排列的催化劑管(30)。催化劑管的內(nèi)部包括中空的一端封死的中心管(76),該中心管用作燃料氣流夾帶粉末的粉末捕集器。催化劑管具有上截錐形部分(64),其延伸提供催化劑儲(chǔ)備的催化劑床(72)。設(shè)備包括側(cè)加熱的啟動(dòng)燃燒器,在轉(zhuǎn)化爐的頂部該燃燒器具有擴(kuò)散燃燒器孔陣列。催化劑管(30)由設(shè)備的側(cè)壁支撐,該側(cè)壁穩(wěn)定了設(shè)備中的催化劑管。內(nèi)部的橫向管板通過管組件連接在一起來(lái)支撐催化劑管束的重量。
文檔編號(hào)H01M8/06GK1330570SQ99814465
公開日2002年1月9日 申請(qǐng)日期1999年11月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月10日
發(fā)明者S·P·邦克, G·W·斯切夫勒, P·F·福利, T·J·科里甘, R·A·塞德奎斯特, F·A·科卡姆 申請(qǐng)人:國(guó)際燃料電池有限公司