液體和氣態(tài)燃料兩用重整器和重整方法
【專(zhuān)利摘要】液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器，其包括用于液體和氣態(tài)可重整燃料的CPOX重整的反應(yīng)區(qū)。還提供重整方法。所述方法包括使包括包含氧氣的氣體和氣化的液體燃料的第一氣態(tài)可重整反應(yīng)混合物重整，以及在該步驟之前或之后，使包括包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料的第二氣態(tài)可重整反應(yīng)混合物重整以制造富含氫氣的重整物。
【專(zhuān)利說(shuō)明】液體和氣態(tài)燃料兩用重整器和重整方法
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本發(fā)明申請(qǐng)要求Finnerty等的于2013年11月6日提交的美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)序號(hào)61/900，510和61/900，543的權(quán)益，將其全部?jī)?nèi)容引入本文作為參考。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本教導(dǎo)涉及將液體(液態(tài))和氣態(tài)可重整燃料重整以制造富含氫氣的重整物的重整器和方法。
【背景技術(shù)】
[0004]氣態(tài)或液體可重整燃料向富含氫氣的包含一氧化碳的氣體混合物(通常被稱(chēng)為“合成氣體”或“合成氣”的產(chǎn)物)的轉(zhuǎn)化可根據(jù)任意這樣的公知燃料重整操作如蒸汽重整、干重整、自熱重整、和催化部分氧化(CPOX)重整進(jìn)行。這些燃料重整操作各自具有其與眾不同的化學(xué)和要求并且各自以其相對(duì)于其它而言的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)為特點(diǎn)。
[0005]改進(jìn)的燃料重整器、燃料重整器部件、和重整工藝的發(fā)展由于燃料電池(S卩，用于將可電化學(xué)氧化的燃料例如氫氣、氫氣與一氧化碳的混合物等電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電力的裝置)的潛力而依舊是相當(dāng)多的研究的焦點(diǎn)，對(duì)于包括主動(dòng)力單元(MPU)和輔助動(dòng)力單元(APU)在內(nèi)的通常應(yīng)用依舊起到大大擴(kuò)展的作用。燃料電池也可用于專(zhuān)業(yè)化應(yīng)用，例如，作為用于電動(dòng)車(chē)的機(jī)載發(fā)電裝置，用于住宅用裝置的備用電源，用于在離網(wǎng)(out-of-grid)場(chǎng)所中的休閑用途、戶外和其它耗電裝置的主電源，和用于便攜式電池組的更輕質(zhì)、更高功率密度、不依賴(lài)環(huán)境溫度的替代品。
[0006]由于氫氣的大規(guī)模的經(jīng)濟(jì)的生產(chǎn)、其分銷(xiāo)所需要的基礎(chǔ)設(shè)施、以及用于其存儲(chǔ)(尤其是作為運(yùn)輸燃料)的實(shí)用手段被普遍認(rèn)為還有長(zhǎng)的路要走，因此很多當(dāng)前的研究和開(kāi)發(fā)目的在于改進(jìn)作為可電化學(xué)氧化的燃料(特別是氫氣與一氧化碳的混合物)的來(lái)源的燃料重整器和作為這樣的燃料到電力的轉(zhuǎn)化器的燃料電池組件(通常被稱(chēng)為燃料電池“堆”)兩者，以及燃料重整器和燃料電池向用于產(chǎn)生電能的更緊湊、可靠和有效率的裝置的集成。
[0007]通常，重整器被設(shè)計(jì)和構(gòu)造成處理氣態(tài)或液體可重整燃料而不是兩者。能夠選擇性地處理這些類(lèi)型的燃料之一并且在某一時(shí)刻切換為處理另一類(lèi)型的燃料的重整器相對(duì)于僅能夠處理這些類(lèi)型的燃料的一種的重整器而言具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。例如，液體和氣體兩用(雙重利用，dual utilizat1n)重整器將能夠響應(yīng)于形勢(shì)的變化比如用一種或另一種燃料操作所述重整器的改變的經(jīng)濟(jì)性或者燃料在特定時(shí)候和/或在特定地方的相對(duì)可獲得性而從處理一種類(lèi)型燃料切換為另一種。
[0008]因此，對(duì)于能夠利用液體和氣態(tài)可重整燃料兩者的重整器以及在該重整器內(nèi)將這樣的燃料選擇性重整的方法存在需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，提供液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器，其包括:
[0010]液體(液態(tài))燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)(zone);
[0011 ]氣態(tài)燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)；
[0012]氣流導(dǎo)管，其包括包含氧氣的氣體入口、液體燃料入口、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口、與第一加熱器熱耦合的第一加熱區(qū)、與內(nèi)部和/或外部熱源熱耦合的第二加熱區(qū)、液體燃料氣化器、以及與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)氣流連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口 ；
[0013]與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)各自熱連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物點(diǎn)火器;和
[0014]富含氫氣的重整物出口。
[0015]進(jìn)一步地，根據(jù)本公開(kāi)內(nèi)容，提供在包括第一或者說(shuō)液體燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)、第二或者說(shuō)氣態(tài)燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)、或者公共或者說(shuō)液體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器內(nèi)進(jìn)行重整的方法，所述方法包括:
[0016](a)使包括包含氧氣的氣體和氣化的液體燃料的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物在第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)重整以制造富含氫氣的重整物；
[0017](b)在重整步驟(a)之前或之后，使包括包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料的第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物在第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)重整以制造富含氫氣的重整物;和
[0018](c)從重整步驟(a)轉(zhuǎn)變至重整步驟(b)使得從重整步驟(a)回收的熱在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下被用于引發(fā)重整步驟(b)，或者從重整步驟(b)轉(zhuǎn)變至重整步驟(a)使得從重整步驟(b)回收的熱在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下被用于在重整步驟(a)開(kāi)始之前使液體燃料氣化和加熱第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)。
[0019]本公開(kāi)內(nèi)容的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器和重整方法由于它們選擇性重整液體和氣態(tài)燃料的能力而能夠有效地和有效率地對(duì)往往暫時(shí)青睞重整這些類(lèi)型的燃料之一勝過(guò)另一種的形勢(shì)作出響應(yīng)。這種鑒于當(dāng)前形勢(shì)靈活和選擇性重整液體和氣態(tài)燃料(無(wú)論哪種燃料可具有有利條件)的能力在可預(yù)計(jì)所述重整器在不同場(chǎng)所中操作(如例如對(duì)于與固定場(chǎng)所重整器形成對(duì)照的可移動(dòng)的或者便攜式重整器的情形那樣)時(shí)可為尤其有利的。
[0020]本文中的重整器和重整方法的另一主要操作優(yōu)點(diǎn)可為它們的如下能力:實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)，即，在從先前的重整操作可獲得很少的熱或者得不到熱的情況下用不需要預(yù)熱程序的氣態(tài)燃料的啟動(dòng)；以及在氣態(tài)燃料僅相對(duì)短暫的重整時(shí)期(期間熱的重整物加熱氣化器和CPOX反應(yīng)區(qū))之后，停止氣態(tài)燃料的重整且快速轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式。實(shí)際上，從氣態(tài)燃料的初始重整回收的放熱熱可被所述重整器在切換至液體燃料的重整時(shí)有效率地用于使所述燃料氣化和將反應(yīng)區(qū)預(yù)熱。以此方式操作，本文中的重整器容許液體燃料的隨后重整以省掉操作的冷啟動(dòng)模式并且立即進(jìn)入到操作的穩(wěn)態(tài)模式。
【附圖說(shuō)明】
[0021]應(yīng)理解，以下描述的附圖僅用于說(shuō)明目的。附圖未必是按比例的，重點(diǎn)通常放在說(shuō)明本教導(dǎo)的原理上。附圖絕不意圖限制本教導(dǎo)的范圍。相似的附圖標(biāo)記通常是指相似的部分。
[0022]圖1A和IB為根據(jù)本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器(特別地，CPOX重整器)的兩實(shí)施方式以及用于管理它們的操作的示例性控制系統(tǒng)的示意性方框圖。
[0023]圖2A和2B為由控制器(比如圖1A和IB的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器的實(shí)施方式中所示的)執(zhí)行的用于管理重整器重整液體燃料(圖2A)和氣態(tài)燃料(圖2B)的操作的示例性控制程序的流程圖。
[0024]圖3A和3B為由控制器(比如圖1A和IB的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器的實(shí)施方式中所示的)執(zhí)行的用于管理重整器當(dāng)從重整液體燃料切換至重整氣態(tài)燃料時(shí)(圖3A)和當(dāng)從重整氣態(tài)燃料切換至重整液體燃料時(shí)(圖3B)的操作的示例性控制程序的流程圖。
[0025]圖4A為根據(jù)本教導(dǎo)的氣態(tài)和液體燃料兩用重整器的一種實(shí)施方式的縱截面圖。圖4B說(shuō)明根據(jù)本教導(dǎo)的圖4A的重整器的改動(dòng)，由此該改動(dòng)的反應(yīng)器包括具有用于液體和氣態(tài)燃料兩者的重整的公共反應(yīng)區(qū)的單個(gè)反應(yīng)器。
[0026]圖5為根據(jù)本教導(dǎo)的CPOX重整器的另一實(shí)施方式(以在所述重整器的操作中使用從外部熱源回收的熱為特征)的縱截面圖。
[0027]圖6A和6B呈現(xiàn)顯示在本教導(dǎo)的氣態(tài)和液體燃料兩用CPOX重整器的相應(yīng)的液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)當(dāng)所述重整器以穩(wěn)態(tài)模式操作時(shí)在最大燃料轉(zhuǎn)化本領(lǐng)的變化的百分?jǐn)?shù)下氧對(duì)液體燃料(柴油)和氣態(tài)燃料(丙烷)重整反應(yīng)混合物的碳的摩爾比之間的關(guān)系的圖形數(shù)據(jù)。
【具體實(shí)施方式】
[0028]將理解，本文中的本教導(dǎo)不限于所描述的具體程序、材料、和改動(dòng)并且因此可變化。還將理解，所使用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述【具體實(shí)施方式】的目的并且不意圖限制本教導(dǎo)的范圍，本教導(dǎo)的范圍將僅由所附權(quán)利要求限制。
[0029]為了簡(jiǎn)要起見(jiàn)，本文中的討論和描述將主要關(guān)注于部分氧化重整反應(yīng)和反應(yīng)物，包括催化部分氧化重整反應(yīng)和反應(yīng)物(可重整燃料和包含氧氣的氣體)。然而，本文中描述的裝置、組件、系統(tǒng)和方法可應(yīng)用于其它重整反應(yīng)例如蒸汽重整和自熱重整以及它們各自的反應(yīng)物(分別地，可重整燃料和蒸汽，以及可重整燃料、蒸汽和包含氧氣的氣體)。因此，當(dāng)在本文中結(jié)合裝置或方法提及包含氧氣的氣體時(shí)，本教導(dǎo)應(yīng)被認(rèn)為包括組合的或單獨(dú)的蒸汽，即，包含氧氣的氣體和/或蒸汽，除非明確地另有敘述或者通過(guò)上下文理解。此外，當(dāng)在本文中結(jié)合裝置或方法提及可重整燃料時(shí)，本教導(dǎo)應(yīng)被認(rèn)為包括組合的或單獨(dú)的蒸汽，即可重整燃料和/或蒸汽，除非明確地另有敘述或者如通過(guò)上下文理解。
[0030]此外，本教導(dǎo)的重整器和方法應(yīng)被理解為適合于(例如在與本文中描述的相同結(jié)構(gòu)體和部件內(nèi)和/或用與本文中描述的相同的總體方法)進(jìn)行蒸汽重整和自熱重整。即，本教導(dǎo)的重整器和方法可將合適的液體反應(yīng)物例如液體可重整燃料和/或液體水從液體可重整燃料儲(chǔ)器輸送至氣化器以分別產(chǎn)生氣化的液體可重整燃料和蒸汽，并且將合適的氣態(tài)反應(yīng)物，例如，包含氧氣的氣體、氣態(tài)可重整燃料和蒸汽的至少一種，從它們各自的來(lái)源輸送至燃料電池單元或系統(tǒng)的期望部件。換而言之，可通過(guò)所述系統(tǒng)的液體輸送部分輸送各種液體反應(yīng)物并且可通過(guò)所述系統(tǒng)的氣體輸送部分輸送各種氣態(tài)反應(yīng)物。
[0031]當(dāng)在輸送系統(tǒng)中使用水時(shí)，可使用來(lái)自燃料電池單元或系統(tǒng)的重整器、燃料電池堆和后燃燒器的一個(gè)或多個(gè)的再循環(huán)熱使所述水氣化以產(chǎn)生蒸汽，其可存在于所述輸送系統(tǒng)中和/或從獨(dú)立的來(lái)源引入到所述輸送系統(tǒng)中。
[0032]在整個(gè)本申請(qǐng)中，當(dāng)組成(組合物)被描述為具有、包括或包含特定部件(組分)時(shí)，或者當(dāng)方法被描述為具有、包括或包含特定方法步驟時(shí)，所思慮到的是，這樣的組成(組合物)還基本上由所列舉的部件(組分)構(gòu)成或者由所列舉的部件(組分)構(gòu)成，和這樣的方法還基本上由所列舉的方法步驟構(gòu)成或者由所列舉的方法步驟構(gòu)成。
[0033]在本申請(qǐng)中，當(dāng)一個(gè)要素(元件)或部件(組分)被認(rèn)為包括在所列舉的要素(元件)或部件(組分)的列表中和/或選自所列舉的要素(元件)或部件(組分)的列表時(shí)，應(yīng)理解，所述要素(元件)或部件(組分)可為所列舉的要素(元件)或部件(組分)的任一個(gè)，或者所述要素(元件)或部件(組分)可選自所列舉的要素(元件)或部件(組分)的兩個(gè)或更多個(gè)。進(jìn)一步地，應(yīng)理解，在不背離本教導(dǎo)的焦點(diǎn)和范圍的情況下，本文中所描述的組成(組合物)、設(shè)備、或方法的要素(元件)和/或特征可以多種方式組合，無(wú)論是在其中言明的還是未言明的。例如，當(dāng)介紹具體的結(jié)構(gòu)(體)時(shí)，該結(jié)構(gòu)(體)可在本教導(dǎo)的設(shè)備和/或方法的多種實(shí)施方式中使用。
[0034]術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、或“含”(包括其語(yǔ)法等同物)的使用應(yīng)通常被理解為是開(kāi)放式的和非限制性的，例如，不排除另外的未列舉的要素(元件)或步驟，除非另有具體敘述或者由上下文理解。
[0035]本文中單數(shù)例如“一個(gè)(種)(a，an)”和“該(所述)”的使用包括復(fù)數(shù)(并且反過(guò)來(lái)也成立)，除非另有具體敘述。
[0036]當(dāng)在數(shù)量值之前使用術(shù)語(yǔ)“約”時(shí)，本教導(dǎo)也包括所述具體數(shù)量值本身，除非另有具體敘述。如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“約”指的是與標(biāo)稱(chēng)值的±10%變化，除非另有指示或暗不O
[0037]應(yīng)理解，步驟的順序或者用于進(jìn)行某些動(dòng)作的順序是不重要的，只要本教導(dǎo)仍然是可操作的。例如，此處描述的方法可以任何合適的順序進(jìn)行，除非本文中另有指示或者明顯與上下文矛盾。此外，可同時(shí)進(jìn)行兩個(gè)或更多個(gè)步驟或者動(dòng)作。
[0038]在本說(shuō)明書(shū)中的多個(gè)位置處，值是以集合或者以范圍公開(kāi)的。具體意圖是，本文中公開(kāi)的數(shù)值的范圍包括在所述范圍內(nèi)的每一個(gè)值以及其任意子范圍。例如，在0-40范圍內(nèi)的數(shù)值具體地意圖單獨(dú)地公開(kāi)0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33、34、35、36、37、38、39和40，以及其任意子范圍，例如，0-20、10-30、20-40等。
[0039]本文中提供的任意和全部實(shí)例、或示例性語(yǔ)言例如“比如(例如)”的使用僅意圖更好地闡明本教導(dǎo)且不對(duì)本發(fā)明的范圍加以限制，除非有聲明。本說(shuō)明書(shū)中的語(yǔ)言均不應(yīng)被理解為將任何未聲明的要素指示為對(duì)于本教導(dǎo)的實(shí)踐是必要的。
[0040]指示空間方位或高度的術(shù)語(yǔ)和表述例如“上部”、“下部”、“頂部”、“底部”、“水平(的)”、“豎直(的)”等除非它們的上下文用法另有指示，否則在本文中應(yīng)被理解為不具有結(jié)構(gòu)、功能或操作意義并且僅反映附圖的某些中所說(shuō)明的本教導(dǎo)的液體燃料CPOX重整器的多種視圖的任意選擇的方位。
[0041]如本文中使用的，“可重整燃料”指的是液體可重整燃料和/或氣態(tài)可重整燃料。
[0042]術(shù)語(yǔ)“陶瓷”除了其本領(lǐng)域公認(rèn)的含義之外在本文中還應(yīng)被理解為包括玻璃、玻璃-陶瓷、和金屬陶瓷(即，陶瓷-金屬?gòu)?fù)合物)。
[0043]表述“透氣性的”在其在本文中應(yīng)用于CPOX反應(yīng)器單元的壁時(shí)應(yīng)被理解為意味著能透過(guò)氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物和氣態(tài)產(chǎn)物重整物(包括如下而沒(méi)有限制:氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的氣化的液體可重整燃料組分和產(chǎn)物重整物的氫氣組分)的壁結(jié)構(gòu)。
[0044]表述“液體可重整燃料”應(yīng)被理解為包括在經(jīng)歷重整時(shí)進(jìn)行向富含氫氣的重整物的轉(zhuǎn)化的在標(biāo)準(zhǔn)溫度和壓力(STP)條件下為液體的可重整的包含碳和氫的燃料，例如，甲醇、乙醇、石腦油、餾出物、汽油、煤油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料、柴油、生物柴油等。表述“液體可重整燃料”應(yīng)進(jìn)一步理解為包括這樣的燃料，無(wú)論它們處于液態(tài)還是氣態(tài)即蒸氣。
[0045]如本文中使用的，“氣態(tài)重整反應(yīng)混合物”指的是包括如下的混合物:氣態(tài)的液體可重整燃料(例如，氣化的液體可重整燃料)、氣態(tài)可重整燃料或其組合，以及包含氧氣的氣體(例如，空氣)和/或水(例如，以蒸汽形式)。氣態(tài)重整反應(yīng)混合物可經(jīng)歷重整反應(yīng)以產(chǎn)生富含氫氣的產(chǎn)物(“重整物”)，其也可包含一氧化碳。當(dāng)要進(jìn)行催化部分氧化重整反應(yīng)時(shí)，所述氣態(tài)重整反應(yīng)混合物可被稱(chēng)為“氣態(tài)CPOX重整反應(yīng)混合物”，其包括可重整燃料和包含氧氣的氣體。當(dāng)要進(jìn)行蒸汽重整反應(yīng)時(shí)，所述氣態(tài)重整反應(yīng)混合物可被稱(chēng)為“氣態(tài)蒸汽重整反應(yīng)混合物”，其包括可重整燃料和蒸汽。當(dāng)要進(jìn)行自熱重整反應(yīng)時(shí)，所述氣態(tài)重整反應(yīng)混合物可被稱(chēng)為“氣態(tài)AT重整反應(yīng)混合物”，其包括可重整燃料、包含氧氣的氣體和蒸汽。
[0046]表述“氣態(tài)可重整燃料”應(yīng)被理解為包括在經(jīng)歷重整時(shí)進(jìn)行向富含氫氣的重整物的轉(zhuǎn)化的在STP條件下為氣體的可重整的包含碳和氫的燃料，例如，甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、異丁烷、乙烯、丙烯、丁烯、異丁烯、二甲基醚、它們的混合物例如天然氣和液化天然氣(LNG)(其主要為甲烷)、以及石油氣和液化石油氣(LPG)(其主要為丙烷或丁烷，但是包括主要由丙烷和丁烷組成的所有混合物)、氨等。
[0047]術(shù)語(yǔ)“重整反應(yīng)”應(yīng)被理解為包括在氣態(tài)反應(yīng)介質(zhì)轉(zhuǎn)化為富含氫氣的重整物期間發(fā)生的放熱和/或吸熱反應(yīng)。本文中的表述“重整反應(yīng)”因此包括，例如，CP0X、自熱和蒸汽重整。
[0048]表述“CP0X反應(yīng)”應(yīng)被理解為包括在可重整燃料向富含氫氣的重整物的催化部分氧化重整或轉(zhuǎn)化期間發(fā)生的反應(yīng)(一種或多種)。
[0049]表述“氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物”指的是氣態(tài)可重整燃料或者氣化的液體可重整燃料和包含氧氣的氣體例如空氣的混合物。
[0050]表述“開(kāi)放的氣流通道”指的是用于使氣體通過(guò)其的導(dǎo)管或溝道，其中跨越所述導(dǎo)管或溝道的整個(gè)截面平面不存在固體(包括多孔固體或材料)，即，沒(méi)有固體(包括多孔固體)的導(dǎo)管或溝道。例如，在CPOX反應(yīng)器單元的情況下，CPOX催化劑(包括多孔催化劑例如單塊)不能跨越與管式CPOX反應(yīng)器單元的縱軸垂直的整個(gè)內(nèi)部截面平面存在。這樣的結(jié)構(gòu)區(qū)別于用多孔催化劑裝填的通道。開(kāi)放的氣流通道還可存在于可被定義為如下的CPOX反應(yīng)器單元中:限定中空鉆孔(膛，bore)的管、或者限定沿著其縱軸穿過(guò)其的中空鉆孔的圓柱形基底。在這些示例性描述中，所述中空鉆孔可被認(rèn)為是開(kāi)放的氣流通道。雖然開(kāi)放的氣流通道通常可沿著CPOX反應(yīng)器單元的縱軸延伸，但是曲折的導(dǎo)管或溝道也是本教導(dǎo)所思慮的并且可能夠具有開(kāi)放的氣流通道，條件是所述曲折的導(dǎo)管或溝道沒(méi)有跨越所述CPOX反應(yīng)器單元的截面平面的固體。還應(yīng)理解，開(kāi)放的氣流通道的截面尺度可沿著其縱軸或者沿著所述曲折的導(dǎo)管或溝道變化。
[0051]表述“重整的冷啟動(dòng)模式”在本文中應(yīng)被理解為指的是重整器的操作的如下的啟動(dòng)模式:其中存在很少的或者不存在可從先前的重整操作回收的熱。處于基本上環(huán)境溫度的重整器在其能夠進(jìn)入到操作的穩(wěn)態(tài)模式之前需要操作的冷啟動(dòng)模式。
[0052]表述“重整操作的熱啟動(dòng)模式”在本文中應(yīng)被理解為指的是重整器的操作的如下的啟動(dòng)模式:其中從之前的放熱的重整操作回收的殘余熱被有效地用于促進(jìn)從處理液體燃料向處理氣態(tài)燃料轉(zhuǎn)變和反過(guò)來(lái)從處理氣態(tài)燃料向處理液體燃料轉(zhuǎn)變.
[0053]再則如之前所述，為了簡(jiǎn)要起見(jiàn)，本文中的討論和描述將關(guān)注于部分氧化重整反應(yīng)和反應(yīng)物，包括催化部分氧化重整反應(yīng)和反應(yīng)物(可重整燃料和包含氧氣的氣體)。然而，本文中描述的裝置、組件、系統(tǒng)和方法可同等地適用于其它重整反應(yīng)例如蒸汽重整和自熱重整和它們各自的反應(yīng)物。例如，對(duì)于蒸汽重整，在本文中的描述中，蒸汽可代替包含氧氣的氣體。對(duì)于自熱重整，在本文中的描述中，蒸汽可與包含氧氣的氣體和/或可重整燃料一起引入。
[0054]本文中的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器和重整方法能夠處理液體或者氣態(tài)燃料并且在通過(guò)重整而產(chǎn)生的放熱熱在期間已經(jīng)大多耗散(例如，至所述反應(yīng)器已經(jīng)達(dá)到環(huán)境或者接近環(huán)境空氣溫度的這樣的程度)的關(guān)停(shut-down)期之后，和之后切換至對(duì)另一類(lèi)型的燃料進(jìn)行操作。
[0055]本文中的重整器和重整方法還能夠初始地處理液體燃料和之后轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚須鈶B(tài)燃料，以此方式，利用從液體燃料向重整物的轉(zhuǎn)化回收的放熱熱(可能增添有例如由電阻加熱器單元供應(yīng)的另外的熱)以引發(fā)氣態(tài)燃料的轉(zhuǎn)化。
[0056]本文中的反應(yīng)器和重整方法還能夠初始地處理氣態(tài)燃料和之后轉(zhuǎn)變?yōu)樘幚硪后w燃料，這一次利用從氣態(tài)燃料的轉(zhuǎn)化回收的放熱熱(在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下)以在進(jìn)行液體燃料向重整物的轉(zhuǎn)化之前使液體燃料氣化并且對(duì)重整反應(yīng)區(qū)進(jìn)行加熱。
[0057]在【具體實(shí)施方式】中，用于使液體可重整燃料氣化的氣化器與使液體燃料向重整物的轉(zhuǎn)化在其中發(fā)生的重整反應(yīng)區(qū)的入口流體連通?？刹僮魉鰵饣饕韵驕p少將燃料加熱至處于或高于其閃點(diǎn)的溫度和/或?qū)е氯剂系目筛兄臒峤獾娘L(fēng)險(xiǎn)。
[0058]在多種實(shí)施方式中，用于(例如在重整器的操作的啟動(dòng)模式期間)引發(fā)重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)的反應(yīng)的點(diǎn)火器與重整反應(yīng)區(qū)熱連通。
[0059]本文中的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器可包括單個(gè)反應(yīng)區(qū)，或者在其它實(shí)施方式中，多個(gè)隔開(kāi)的管式重整反應(yīng)器單元或者隔開(kāi)的管式重整反應(yīng)器單元的陣列，各反應(yīng)器單元具有其自己的重整反應(yīng)區(qū)。氫氣阻擋物可附著至這樣的管式重整反應(yīng)器單元的至少的與其重整反應(yīng)區(qū)對(duì)應(yīng)的壁段的外表面以防止或者抑制氫氣從其損失。
[0060]本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器可包括用于管理氣體(一種或多種)到其重整反應(yīng)區(qū)(一個(gè)或多個(gè))的流動(dòng)的導(dǎo)管。所述導(dǎo)管可包括用于接納包含氧氣的氣體的入口，用于接納液體燃料、氣化的液體燃料或兩者的入口，用于接納氣態(tài)燃料、或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料的混合物的入口，和用于氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的出口。為了更緊湊的重整器構(gòu)型，所述導(dǎo)管有利地為U形的。
[0061]在某些實(shí)施方式中，本文中的重整器可具有用于引導(dǎo)氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的包含氧氣的氣體組分的流的分流選路(routing)系統(tǒng)，其中所述包含氧氣的氣體的一部分可與氣化的液體組合以提供抵抗閃燃(flashing)的相對(duì)富燃料的氣態(tài)反應(yīng)混合物并且所述包含氧氣的氣體的另一部分可與所述富燃料的反應(yīng)混合物組合以提供落入到針對(duì)期望的CPOX重整反應(yīng)預(yù)設(shè)的氧對(duì)碳的摩爾比內(nèi)的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物。
[0062]在一些實(shí)施方式中，可配置與包括前述多個(gè)這樣的單元或者這樣的單元的陣列的重整反應(yīng)器單元的入口流體連通的歧管(manifold)或者送氣室(增壓室，plenum)以提供去往其的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的更均勻分布(例如，以基本上均勻的組成、以基本上均勻的溫度和/或以基本上均勻的速率)。在某些實(shí)施方式中，所述歧管可具有限定歧管室的殼(housing)或圍殼(enclosure)。所述歧管或歧管室可包括用于將氣態(tài)重整反應(yīng)混合物更均勻地分布至重整反應(yīng)器單元的入口的氣體分布器例如設(shè)置在歧管室內(nèi)的氣體分布器。所述歧管殼或歧管?chē)鷼た捎上鄬?duì)低成本、可容易模塑的熱塑性或熱固性樹(shù)脂制造和/或可以在其出口和CPOX反應(yīng)器單元的入口之間的“冷密封”連接為特征。
[0063]本教導(dǎo)的重整器包括能在所述重整器的操作的啟動(dòng)模式期間操作以將引入到所述導(dǎo)管中的包含氧氣的氣體加熱到升高溫度的初始范圍內(nèi)的第一加熱區(qū)以及與其熱關(guān)聯(lián)的第一加熱器。所述重整器還包括能在所述重整器的操作的穩(wěn)態(tài)模式期間操作以將包含氧氣的氣體加熱至在升高溫度的初始范圍內(nèi)第二加熱區(qū)以及與其熱關(guān)聯(lián)的內(nèi)部或外部熱源。
[0064]本教導(dǎo)的重整器還可包括能在所述重整器的操作的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)模式期間操作以將包含氧氣的氣體加熱至在升高溫度的進(jìn)一步升高范圍內(nèi)的第三加熱區(qū)以及與其熱關(guān)聯(lián)的第二加熱器。
[0065]本教導(dǎo)的重整器可包括設(shè)置在混合區(qū)內(nèi)以更均勻地混合包含氧氣的氣體和氣化的液體可重整燃料的混合器例如靜態(tài)混合器。
[0066]本教導(dǎo)的重整器可包括重整物處理單元或裝置，例如，減少產(chǎn)物重整物的一氧化碳含量的一氧化碳除去裝置。重整物處理單元或裝置可包括水煤氣變換轉(zhuǎn)化器、優(yōu)先氧化反應(yīng)器、和/或用于將重整物分離成氫氣物流和包含一氧化碳的物流的氫氣選擇性膜。
[0067]在多種實(shí)施方式中，本教導(dǎo)的重整器可包括直接連接至另外的裝置例如燃料電池的入口(一個(gè)或多個(gè))的用于富含氫氣的重整物的一個(gè)或多個(gè)出口。
[0068]本教導(dǎo)的重整器可包括用于減少來(lái)自所述重整器的重整反應(yīng)區(qū)(一個(gè)或多個(gè))和/或其它熱輻射部件的熱損失的熱絕緣體。
[0069]本教導(dǎo)的重整器可包括用于驅(qū)動(dòng)氣流至所述重整器內(nèi)和/或通過(guò)所述重整器的氣態(tài)物流驅(qū)動(dòng)器。例如，所述氣態(tài)物流驅(qū)動(dòng)器可為單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)單元或者包括一系列互連的鼓風(fēng)機(jī)單元的鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。鼓風(fēng)機(jī)或者在系列中的鼓風(fēng)機(jī)單元可包括具有軸向入口和徑向出口的外殼(casing)，設(shè)置在所述外殼內(nèi)用于將氣體例如包含氧氣的氣體比如空氣吸入所述軸向入口中并且將所述氣體通過(guò)所述徑向出口排出的葉輪;和用于驅(qū)動(dòng)所述葉輪的馬達(dá)。在某些實(shí)施方式中，所述鼓風(fēng)機(jī)可將處于第一壓力的氣體吸入并且將處于第二例如更高壓力的氣體排出。鼓風(fēng)機(jī)還可包括將系列中的至少一個(gè)鼓風(fēng)機(jī)單元的徑向出口與該系列中的至少一個(gè)其它鼓風(fēng)機(jī)單元的軸向入口連接的管道。
[0070]本教導(dǎo)的重整器可包括液體燃料栗。合適的液體燃料栗的實(shí)例包括計(jì)量栗、旋轉(zhuǎn)栗、葉輪栗、隔膜栗、蠕動(dòng)栗、正位移栗、齒輪栗、壓電栗、電動(dòng)栗、電滲栗、毛細(xì)栗等。
[0071]本教導(dǎo)的重整器可包括用于監(jiān)測(cè)和控制重整器操作的一個(gè)或多個(gè)傳感器組件。傳感器組件的實(shí)例包括流量計(jì)、熱電偶、熱敏電阻和電阻式溫度探測(cè)器。
[0072]本教導(dǎo)的重整器還可包括用于使所述重整器在其啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和/或關(guān)停模式中的操作自動(dòng)化的控制器。所述控制器可包括與其連通的多個(gè)傳感器組件比如前述的那些。
[0073]在上文中以及本文中的其它地方中總體上描述了根據(jù)本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器和重整方法。參照附圖的以下描述對(duì)本教導(dǎo)的重整器和重整方法的這些特征和其它中的某些進(jìn)行修飾并且應(yīng)被理解為討論多種和【具體實(shí)施方式】而不限制本發(fā)明的本質(zhì)并且其可適用于以上討論。
[0074]現(xiàn)在參照附圖，圖1A和IB說(shuō)明根據(jù)本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器的實(shí)施方式。
[0075]如圖1A中所示，液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器100包括用于將包含氧氣的氣體(在此處以及在本教導(dǎo)的其它實(shí)施方式中通過(guò)空氣來(lái)示例)引入到導(dǎo)管103中并且用于驅(qū)動(dòng)這個(gè)和其它氣態(tài)物流(包括氣化的燃料-空氣混合物和富含氫氣的重整物)通過(guò)所述重整器的多種通道(包括管式CPOX反應(yīng)器單元109的開(kāi)放的氣流通道)的離心式鼓風(fēng)機(jī)102。導(dǎo)管103可包括流量計(jì)104和熱電偶105。這些和類(lèi)似裝置可安排在CPOX重整器100內(nèi)的多種位置處以如以下結(jié)合控制器126更充分的解釋的那樣測(cè)量、監(jiān)測(cè)和控制所述重整器的操作。
[0076]在其中使第一氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物(S卩，包含氧氣的氣體和氣化的液體燃料)進(jìn)行向富含氫氣的重整物的轉(zhuǎn)化的CPOX重整器100的操作的環(huán)境溫度或者“7令”啟動(dòng)模式中，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)102引入到導(dǎo)管103中的處于環(huán)境溫度的空氣穿過(guò)第一加熱區(qū)106，在第一加熱區(qū)106中在給定的流速下，所述空氣初始地被(例如電阻型的)第一加熱器107加熱至在預(yù)設(shè)的、或者目標(biāo)的升高溫度的第一范圍內(nèi)。所述經(jīng)初始加熱的空氣然后穿過(guò)熱傳遞區(qū)108，熱傳遞區(qū)108在CPOX重整器100的操作的穩(wěn)態(tài)模式中被從發(fā)生在管式CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110內(nèi)的CPOX反應(yīng)回收的放熱熱所加熱。一旦實(shí)現(xiàn)了重整器100的這樣的穩(wěn)態(tài)操作，即，在CPOX反應(yīng)區(qū)110內(nèi)的CPOX反應(yīng)變成自持時(shí)，可減少第一加熱器107的熱輸出或者停止其操作，因?yàn)檫M(jìn)來(lái)的空氣已經(jīng)通過(guò)穿過(guò)熱傳遞區(qū)108而被加熱至在其升高溫度的第一范圍內(nèi)、或者接近其升高溫度的第一范圍。
[0077]在導(dǎo)管103內(nèi)繼續(xù)進(jìn)一步地下游，已經(jīng)通過(guò)在操作的啟動(dòng)模式期間穿過(guò)第一加熱區(qū)106或者通過(guò)在操作的穩(wěn)態(tài)模式期間穿過(guò)熱傳遞區(qū)108而經(jīng)初始加熱的空氣穿過(guò)第二加熱區(qū)111，在第二加熱區(qū)111中其進(jìn)一步被第二加熱器112(其也可為電阻型)加熱至在升高溫度的第二范圍內(nèi)。第二加熱器112操作以完成(top-off)先前被加熱的空氣的溫度，從而滿足CPOX重整器100在處理液體燃料時(shí)的若干操作要求，S卩，在快速響應(yīng)和按需的基礎(chǔ)上輔助所述重整器的熱需求的調(diào)節(jié)和微調(diào)，提供足夠的熱用于在進(jìn)一步地下游被引入到導(dǎo)管103中的液體可重整燃料的隨后氣化和提供經(jīng)加熱的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物。
[0078]將液體可重整燃料(在此處以及在本教導(dǎo)的其它實(shí)施方式中通過(guò)柴油來(lái)示例)經(jīng)由栗113通過(guò)裝備有任選的流量計(jì)115和任選的流量控制閥116的燃料管線114連續(xù)地引入并且進(jìn)入到導(dǎo)管103中，在導(dǎo)管103中所述燃料通過(guò)利用由從第二加熱區(qū)111流出的經(jīng)加熱的空氣提供的熱的氣化器系統(tǒng)117而被氣化。經(jīng)氣化的即氣態(tài)燃料與經(jīng)加熱的空氣的物流在導(dǎo)管103的混合區(qū)118中組合。在導(dǎo)管103的混合區(qū)118內(nèi)設(shè)置混合器例如靜態(tài)混合器比如在線混合器119、和/或形成于導(dǎo)管103的內(nèi)表面內(nèi)的渦流產(chǎn)生用螺旋形凹槽、或者以外部方式供以動(dòng)力的混合器(未示出)以提供與否則的情況相比更均勻的氣化的液體燃料-空氣氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物。
[0079]經(jīng)加熱的氣化的液體燃料-空氣CPOX反應(yīng)混合物進(jìn)入歧管或送氣室120，其起到將所述反應(yīng)混合物更均一地和例如以更均勻的溫度分布到管式CPOX反應(yīng)器單元109中的作用。雖然所述導(dǎo)管和所述歧管通常被熱絕緣體(例如，圖4A中所示的CPOX重整器400的絕緣體410)包圍，但是所述CPOX反應(yīng)混合物可由于通過(guò)所述歧管(其與可相比長(zhǎng)度的導(dǎo)管103的相比，典型地具有更大的體積并且因此更大的壁表面積)的壁的熱損失而仍然經(jīng)歷溫度下降。可導(dǎo)致歧管120內(nèi)的CPOX反應(yīng)混合物的溫度下降的另一因素是所述反應(yīng)混合物在其離開(kāi)導(dǎo)管103以及進(jìn)入到更大空間的歧管120時(shí)經(jīng)歷的在壓力和速度方面的降低。
[0080]由于這些因素的任一個(gè)引起的在CPOX反應(yīng)混合物的溫度方面的降低，特別是發(fā)生在與歧管120的內(nèi)壁、拐角和/或其它凹處接近或者接觸的反應(yīng)混合物區(qū)域中的那些，可引起氣化的燃料的局部冷凝。為了使這樣的冷凝的可能性最小化，歧管可設(shè)置有用于將所述氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的溫度維持為高于其氣化的燃料組分的冷凝閾值的手段。例如，如圖1A中所示，在歧管120內(nèi)設(shè)置電阻型加熱器121和用于溫度控制目的的熱電偶或熱敏電阻探針122以實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。作為加熱器的替代物或者除其之外，重整器可設(shè)置有用于將從發(fā)生在管式CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110內(nèi)的CPOX反應(yīng)回收的放熱熱傳遞至所述歧管內(nèi)的其中燃料蒸氣的冷凝的潛能可為最大的這樣的位置(例如，在燃料-空氣出口附近的壁表面和/或所述歧管的可導(dǎo)致氣化的燃料的局部冷凝的其它部位例如拐角和其它凹處)的熱傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)(一種或多種)(例如，圖4A中所示的CPOX重整器的熱傳導(dǎo)元件434)。
[0081 ]從歧管120，將經(jīng)加熱的CPOX反應(yīng)混合物引入到管式CPOX反應(yīng)器單元109中。在CPOX重整器100的操作的“7令”啟動(dòng)模式中，點(diǎn)火器123引發(fā)管式CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110內(nèi)的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的CPOX反應(yīng)，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造。一旦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)CPOX反應(yīng)溫度(例如，2500C-1，100C)，反應(yīng)變成自持的并且可停止所述點(diǎn)火器的操作。提供熱電偶124和125以分別監(jiān)測(cè)發(fā)生在導(dǎo)管103內(nèi)的氣化操作和發(fā)生在CPOX反應(yīng)器單元109內(nèi)的CPOX反應(yīng)的溫度，溫度測(cè)量結(jié)果作為所監(jiān)測(cè)的參數(shù)被轉(zhuǎn)發(fā)(分程傳遞，relay)給重整器控制系統(tǒng)126。
[0082]如圖1A中進(jìn)一步顯示的，在其中使包括包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料的第二CPOX反應(yīng)混合物進(jìn)行向富含氫氣的重整物的轉(zhuǎn)化的CPOX重整器的操作的環(huán)境溫度或者“7令”啟動(dòng)模式中，通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)102引入到導(dǎo)管103中的空氣與從氣態(tài)燃料存儲(chǔ)罐131通過(guò)裝備有任選的熱電偶133、流量計(jì)134和流量控制閥135的氣態(tài)燃料管線132以相對(duì)低的壓力引入到導(dǎo)管103中的氣態(tài)可重整燃料(在此處以及在本教導(dǎo)的其它實(shí)施方式中通過(guò)丙烷來(lái)示例)組合。進(jìn)入到導(dǎo)管103中的通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)102引入的空氣和通過(guò)氣態(tài)燃料管線132引入到導(dǎo)管103中的丙烷初始地在被靜態(tài)混合器137占據(jù)的混合區(qū)136中組合并且從其作為比否則的情況更均勻的丙烷-空氣CPOX反應(yīng)混合物出現(xiàn)。所述丙烷-空氣混合物然后進(jìn)入第一加熱區(qū)106，在第一加熱區(qū)106中它被有效地起到所述CPOX反應(yīng)混合物的點(diǎn)火器作用的第一加熱器107加熱至氣態(tài)燃料CPOX反應(yīng)溫度，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造。第一加熱區(qū)106可設(shè)置成接近于氣態(tài)燃料CPOX反應(yīng)區(qū)138(如所示的)或者部分地或者完全地與其重合。氣態(tài)燃料CPOX反應(yīng)區(qū)138被顯示為與熱傳遞區(qū)108重合。一旦已經(jīng)在CPOX反應(yīng)區(qū)138中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)CPOX反應(yīng)溫度(例如250°C_1，100°C)，則反應(yīng)變成自持的并且可停止第一加熱器107的操作。
[0083]當(dāng)對(duì)于從液體燃料CPOX重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)燃料CPOX重整的“熱”啟動(dòng)模式以這樣的方式操作CPOX反應(yīng)器100時(shí)，從管式CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的輸入的情況下，被傳遞至熱傳遞區(qū)108并且因此CPOX反應(yīng)區(qū)138，在其中這樣的熱用于對(duì)所述空氣-丙烷混合物進(jìn)行點(diǎn)火，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造。
[0084]反過(guò)來(lái)，當(dāng)對(duì)于從氣態(tài)燃料CPOX重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料CPOX重整的“熱”啟動(dòng)模式以這樣的方式操作CPOX反應(yīng)器100時(shí)，從CPOX反應(yīng)區(qū)138回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的輸入的情況下，被傳遞至弓I入到導(dǎo)管103中的空氣，該經(jīng)加熱的空氣然后被用于如之前結(jié)合所述反應(yīng)器的液體燃料CPOX操作所解釋的那樣使液體燃料氣化，以及用于將CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110預(yù)熱。
[0085]當(dāng)如圖1A中所示，提供CPOX反應(yīng)器100的熱傳遞區(qū)108以將從發(fā)生在CPOX反應(yīng)區(qū)110內(nèi)的CPOX反應(yīng)回收的熱傳遞至流經(jīng)區(qū)108的氣體(一種或多種)時(shí)，如下在本發(fā)明的范圍內(nèi):省去氣體CPOX催化劑129以及具有或者不具有第一加熱器107的操作，將所述氣態(tài)燃料-空氣CPOX反應(yīng)混合物在用于處理處理氣化的液體燃料-空氣CPOX反應(yīng)混合物的相同的管式CPOX反應(yīng)器單元109中處理。在(圖4B中所示的)CPOX反應(yīng)器的該實(shí)施方式中，管式CPOX反應(yīng)器單元109的CPOX反應(yīng)區(qū)110起到能夠選擇性地操作以處理液體或氣態(tài)CPOX燃料的單一的、共享的或者公共的CPOX反應(yīng)區(qū)的作用。
[0086]圖1B中所示的CPOX反應(yīng)器150除了如下之外基本上與圖1A中所示的CPOX反應(yīng)器100相同:在前者中，氣態(tài)燃料管線132連接至連接離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)164的離心式鼓風(fēng)機(jī)單元162和163的管道161的入口 160，而在后者中，氣態(tài)燃料管線132連接至在被靜態(tài)混合器137占據(jù)的混合區(qū)136處的入口 103。在圖1B中的CPOX反應(yīng)器中，被吸入鼓風(fēng)機(jī)單元162中的空氣在從其排出時(shí)與通過(guò)入口 160引入到管道161中的氣態(tài)燃料組合，所述氣態(tài)燃料-空氣物流然后進(jìn)入鼓風(fēng)機(jī)單元163，在那里將它從其作為良好混合的均勻的CPOX反應(yīng)介質(zhì)排出。該排列有利地省去圖1A的CPOX反應(yīng)器100的混合區(qū)136和靜態(tài)混合器137，同時(shí)提供也許甚至更均勻的反應(yīng)混合物(其為在未伴隨著背壓的升高的情況下形成的均勻的反應(yīng)混合物)。
[0087]如果需要，可將來(lái)自液體CPOX重整器100的產(chǎn)物流出物或富含氫氣的重整物引入到一個(gè)或多個(gè)常規(guī)的或者以其它方式知曉的一氧化碳除去裝置128中以減少其一氧化碳(CO)含量，例如，當(dāng)要將所述產(chǎn)物流出物作為燃料引入至使用特別易被CO中毒的催化劑的燃料電池堆例如聚合物電解質(zhì)膜燃料電池時(shí)。因此，例如，可將所述產(chǎn)物流出物引入到水煤氣變換(WGS)轉(zhuǎn)化器中，在其中CO被轉(zhuǎn)化為二氧化碳(CO2)，并且同時(shí)產(chǎn)生額外的氫氣，或者可將所述產(chǎn)物流出物引入到其中使CO經(jīng)歷向CO2的優(yōu)先氧化(PROX)的反應(yīng)器中。也可采用這些工藝的組合(例如，WGS之后為PR0X，以及反過(guò)來(lái))進(jìn)行CO減少。
[0088]如下也在本教導(dǎo)的范圍內(nèi):通過(guò)使所述產(chǎn)物重整物穿過(guò)裝備有提供將所述產(chǎn)物重整物分離為氫氣物流和包含CO的副產(chǎn)物物流的氫氣選擇性膜的已知的或常規(guī)的清除單元或裝置而降低所述產(chǎn)物重整物中的CO的水平。該種類(lèi)的單元/裝置也可與一種或多種其它CO減少用單元例如前述WGS轉(zhuǎn)化器和/或PROX反應(yīng)器組合。
[0089]重整器100還可包括電流來(lái)源例如可再充電的鋰離子電池系統(tǒng)127，以為其電驅(qū)動(dòng)部件比如鼓風(fēng)機(jī)1 2，流量計(jì)104和115，加熱器1 7、112和121，液體燃料栗113，流量控制閥116和135，點(diǎn)火器123，以及熱電偶105、122、124、125和133提供動(dòng)力，并且如果需要，存儲(chǔ)過(guò)剩的電力用于后續(xù)使用。
[0090]為了控制液體燃料CPOX重整器100在其在操作時(shí)的啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)和關(guān)停模式中的操作，提供控制器126。所述控制器可為在處理器上運(yùn)行的軟件。然而，采用如下控制器在本教導(dǎo)的范圍內(nèi):其用一個(gè)或多個(gè)數(shù)字或模擬電路、或其組合實(shí)施。
[0091]控制器126進(jìn)一步包括與所述控制器連通并且適合于監(jiān)測(cè)CPOX重整器100的所選擇的操作參數(shù)的多個(gè)傳感器組件，例如，流量計(jì)104和115，熱電偶105、122、124、125和133等。
[0092]響應(yīng)于來(lái)自所述傳感器組件的輸入信號(hào)、來(lái)自用戶輸入裝置的用戶指令和/或程序化的子程序和指令序列，控制器126可管理根據(jù)本教導(dǎo)的CPOX重整器的操作。更特別地，控制器126可通過(guò)如下而與CPOX重整器100的期望段或部件的控制信號(hào)接收部分通信:向其發(fā)送指示具體動(dòng)作的指令信號(hào)。因此，例如，響應(yīng)于來(lái)自流量計(jì)104和115的液體燃料流速輸入信號(hào)和/或來(lái)自熱電偶105、122、124、125和133的溫度輸入信號(hào)，控制器126可例如發(fā)送控制信號(hào)至液體燃料栗113和/或液體燃料流量控制閥116以控制通過(guò)燃料管線114去往導(dǎo)管103的液體燃料的流量，至離心式鼓風(fēng)機(jī)102以控制進(jìn)入到導(dǎo)管103中的空氣的流量和驅(qū)動(dòng)經(jīng)加熱的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物在CPOX重整器單元109內(nèi)和通過(guò)CPOX重整器單元109的流動(dòng)，至第一加熱器和第二加熱器單元107和112以控制它們的熱輸出，至歧管加熱器121以控制其熱輸出，至點(diǎn)火器123以控制其開(kāi)-關(guān)狀態(tài)，和至電池/電池充電器系統(tǒng)127以管理其作用。類(lèi)似地，響應(yīng)于來(lái)自流量計(jì)134的氣流速率輸入信號(hào)和/或來(lái)自熱電偶133的溫度輸入信號(hào)，控制器126可發(fā)送控制信號(hào)至氣態(tài)燃料流量控制閥136以控制通過(guò)管線132的氣態(tài)燃料的流量，至離心式鼓風(fēng)機(jī)102以控制進(jìn)入到導(dǎo)管103中的空氣的流量，至第一和第二加熱器單元107和112和歧管加熱器121以控制它們的開(kāi)-關(guān)狀態(tài)(當(dāng)重整器100處理氣態(tài)燃料時(shí)為關(guān)狀態(tài))和點(diǎn)火器123以控制其開(kāi)-關(guān)狀態(tài)。
[0093]此處的傳感器組件、控制信號(hào)接收裝置和通信通路可為任何合適的構(gòu)造例如本領(lǐng)域中知曉的那些。所述傳感器組件可包括對(duì)于被監(jiān)測(cè)的操作參數(shù)而言任何合適的傳感器裝置。例如，燃料流速可用任何合適的流量計(jì)監(jiān)測(cè)，壓力可用任何合適的壓力傳感或者壓力調(diào)節(jié)裝置監(jiān)測(cè)，等等。所述傳感器組件還可，但是不一定，包括與所述控制器連通的變換器(換能器，transducer)。所述通信通路通常是有線的電信號(hào)，但是也可采用任何其它合適形式的通信通路。
[0094]在圖1A中，通信通路示意性地示為單或雙向箭頭。在控制器126處終止的箭頭示意性地表示輸入信號(hào)，例如測(cè)量的流速或測(cè)量的溫度的值。從控制器126延伸的箭頭示意性地表示為了指示來(lái)自該箭頭所終止處的部件的響應(yīng)動(dòng)作而發(fā)送的控制信號(hào)。雙向通路示意性地表示，控制器126不僅發(fā)送指令信號(hào)至CPOX重整器100的相應(yīng)部件以提供所確定的響應(yīng)動(dòng)作，而且接收來(lái)自CPOX重整器100和其各種機(jī)械部件機(jī)械單元例如燃料栗113和一氧化碳除去裝置128的操作輸入。
[0095]圖2A和2B呈現(xiàn)可由控制器比如圖1A和IB的控制器126執(zhí)行以使根據(jù)本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器在分別根據(jù)本教導(dǎo)處理液體燃料和氣態(tài)燃料時(shí)的操作自動(dòng)化的示例性控制程序的流程圖。類(lèi)似地，圖3A和3B呈現(xiàn)可由控制器比如圖1A和IB的控制器126執(zhí)行以使本文中的CPOX反應(yīng)器在分別從處理液體燃料轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)燃料(圖3A)和從處理氣態(tài)燃料轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料(圖3B)時(shí)的操作自動(dòng)化的示例性控制程序的流程圖。所述流程圖可由控制器以固定的間隔例如每10毫秒左右執(zhí)行。圖2A、2B、3A和3B中所示的控制邏輯執(zhí)行若干功能，包括在操作的啟動(dòng)和穩(wěn)態(tài)模式中的氣體流量、加熱、和在液體燃料重整情況下的燃料氣化、以及重整反應(yīng)溫度的管理和用于重整器操作的關(guān)停模式的程序的管理。
[0096]如進(jìn)一步代表本教導(dǎo)的圖4A中所示的示例性的液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器400的多種視圖中所示，將作為包含氧氣的氣體的空氣在環(huán)境溫度下并且經(jīng)由離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)402以預(yù)設(shè)的質(zhì)量流速通過(guò)主導(dǎo)管404(其包括有利于緊湊性的通常U形的導(dǎo)管段)的入口 403引入。所述環(huán)境溫度空氣初始在所述重整器的啟動(dòng)模式操作中通過(guò)穿過(guò)被供應(yīng)有來(lái)自第一加熱器單元406的熱的第一加熱區(qū)405而被加熱至在升高溫度的預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。第一加熱器單元406和在其下游的第二加熱器單元413可為額定為例如10-80瓦、或者甚至更大(取決于所述重整器的液體燃料處理本領(lǐng)的設(shè)計(jì)范圍)的常規(guī)的或者以其它方式知曉的電阻型。這樣的加熱器能夠?qū)⒁氲街鲗?dǎo)管404中的環(huán)境空氣的溫度升高至對(duì)于相對(duì)寬范圍的CPOX重整器構(gòu)型和操作本領(lǐng)而言期望的水平。在CPOX重整器400的操作的穩(wěn)態(tài)模式期間，可關(guān)掉第一加熱器單元406，引入到導(dǎo)管404中的空氣于是初始在熱傳遞區(qū)407內(nèi)通過(guò)從伸長(zhǎng)管式透氣性CPOX反應(yīng)器單元408的CPOX反應(yīng)區(qū)409回收的放熱熱而被加熱。以此方式，弓丨入到導(dǎo)管404中的空氣的溫度可從環(huán)境升高至在某一預(yù)設(shè)的升高范圍的溫度內(nèi)并且如本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到的，具體溫度受多種設(shè)計(jì)(即結(jié)構(gòu)和操作)因素影響。
[0097]熱絕緣體410(例如，微孔的或者基于氧化鋁的難熔類(lèi)型的)包圍大部分的主導(dǎo)管404以及CPOX反應(yīng)器單元408的與它們的CPOX反應(yīng)區(qū)409對(duì)應(yīng)的那些部分以減少來(lái)自這些部件的熱損失。
[0098]隨著經(jīng)加熱的空氣在主導(dǎo)管404內(nèi)向下游流動(dòng)，其可被分流或者分割為兩個(gè)物流，其中一個(gè)物流繼續(xù)通過(guò)主導(dǎo)管404運(yùn)行并且另一物流轉(zhuǎn)向到分支導(dǎo)管411中，其從分支導(dǎo)管411離開(kāi)以在合并區(qū)421處重新進(jìn)入主導(dǎo)管404，在合并區(qū)421那兒與從第一混合區(qū)420(其中設(shè)置有第一靜態(tài)混合器和/或螺旋形凹槽化的內(nèi)壁表面)混合通過(guò)的氣化的燃料-空氣合并。合并的氣體然后進(jìn)入第二混合區(qū)422(類(lèi)似地，其中設(shè)置有第二靜態(tài)混合器和/或螺旋形凹槽化的內(nèi)壁表面)以提供相當(dāng)均勻組成的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物用于通過(guò)出口 425引入到(其結(jié)構(gòu)和操作在本文中更充分地描述的)歧管426的氣體分布器427中。
[0099]通過(guò)將用于期望的CPOX反應(yīng)的總量的空氣分流為兩個(gè)物流，在剛氣化的燃料和經(jīng)加熱的空氣開(kāi)始合并時(shí)開(kāi)始形成的燃料-空氣混合物中包含的氣化的液體燃料組分的量可在與所述空氣組分的氧氣含量的比例方面保持為高，從而消除或者降低該不均勻的初始燃料-空氣混合物的一些區(qū)域?qū)叩阶阋灾С贮c(diǎn)火與因之而來(lái)的焦炭形成的濃度的氧氣的可能性。一旦所述初始燃料-空氣混合物穿過(guò)設(shè)置在第一混合區(qū)內(nèi)的第一靜態(tài)混合器，從而達(dá)到使得相對(duì)高氧氣濃度的引起點(diǎn)火的區(qū)域的存在為很少有可能的程度的組成均勻性，則某種程度上更均勻的燃料-空氣混合物可然后與離開(kāi)分支導(dǎo)管411的第二經(jīng)加熱的空氣物流在合并區(qū)421處合并，從而滿足期望CPOX反應(yīng)混合物的預(yù)設(shè)的O對(duì)C摩爾比。該燃料-空氣混合物可然后流經(jīng)設(shè)置在第二混合區(qū)422內(nèi)的第二靜態(tài)混合器以剛好在如下之前提供組成更均勻的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物:所述混合物進(jìn)入歧管426的氣體分布器427。
[0100]為了提高已經(jīng)初始通過(guò)穿過(guò)第一加熱區(qū)405和/或熱傳遞區(qū)407而被加熱空氣的溫度，在該經(jīng)初始加熱的空氣繼續(xù)在主導(dǎo)管404中向下游流動(dòng)時(shí)，使其途經(jīng)被供應(yīng)有來(lái)自第二加熱器單元413的熱的第二加熱區(qū)412。由于第二加熱器單元413僅需要將所述經(jīng)初始加熱的空氣的溫度提高相對(duì)小的程度，因此其可起到能夠進(jìn)行有益于所述重整器的精確和快速的熱管理(關(guān)于本文中描述的其燃料氣化系統(tǒng)和其管式CPOX反應(yīng)器單元408的運(yùn)行兩者)的在空氣溫度方面的典型地小的調(diào)節(jié)的增量加熱器的作用。
[0101]將液體可重整燃料(例如以上提及的任意那些以及在本教導(dǎo)的該和其它實(shí)施方式中示例為柴油燃料的)經(jīng)由在主導(dǎo)管404內(nèi)終止的燃料管線414引入液體燃料撒布器裝置415例如虹吸油芯416或者噴射裝置(未示出)中。
[0102]用于將液體燃料引入至CPOX重整器400的任何常規(guī)的或者以其它方式知曉的栗裝置418例如計(jì)量栗、旋轉(zhuǎn)栗、葉輪栗、隔膜栗、蠕動(dòng)栗、正位移栗比如內(nèi)齒輪油栗、齒輪栗、壓電栗、電動(dòng)栗、電滲栗、毛細(xì)栗等可用于此目的。如上所示，可將經(jīng)加壓的液體燃料通過(guò)任何像燃料注射器、加壓噴嘴、霧化器(包括超聲類(lèi)型的那些)、噴霧器等這樣的常規(guī)或者以其它方式知曉的噴射裝置作為細(xì)的噴霧或者以液滴形式、或者通過(guò)虹吸油芯在主導(dǎo)管404內(nèi)撒布。第一加熱器和第二加熱器單元406和413和燃料撒布器裝置415可協(xié)調(diào)運(yùn)行以使引入到主導(dǎo)管404中的液體燃料氣化并且一起構(gòu)成重整器400的燃料氣化器系統(tǒng)的主要部件。在一些實(shí)施方式中，栗或等效裝置可基于間歇或者脈沖流動(dòng)或者基本上連續(xù)的流輸送燃料。在【具體實(shí)施方式】中，栗或等效裝置可響應(yīng)于變化的CPOX重整器操作要求而在燃料流速方面進(jìn)行快速調(diào)節(jié)。
[0103]雖然CPOX重整器400可使用任何熱源來(lái)驅(qū)動(dòng)在操作的啟動(dòng)模式期間液體燃料的氣化(例如，電阻型的加熱器(如在加熱器406和413的情況中)，尤其是當(dāng)使燃料的氣化在主導(dǎo)管404外發(fā)生時(shí))，但是圖4A中所示的液體CPOX重整器的實(shí)施方式采用加熱器413以不僅漸增地提高所述經(jīng)初始加熱的環(huán)境溫度空氣的溫度，而且在液體燃料引入到主導(dǎo)管404中之前對(duì)其進(jìn)行加熱并且提供足夠的熱用于一旦所述燃料進(jìn)入所述導(dǎo)管就將其氣化。該任選的在液體燃料引入到主導(dǎo)管404中之前對(duì)其進(jìn)行加熱的措施可使如下成為可能:與對(duì)在其進(jìn)入導(dǎo)管404時(shí)處于環(huán)境溫度的可重整燃料進(jìn)行操作的相同的氣化器系統(tǒng)相比，更快地將給定量的液體可重整燃料或者在給定時(shí)期內(nèi)將更大量的液體燃料氣化。
[0104]為了保證液體燃料在其進(jìn)入主導(dǎo)管404之前的加熱并且如圖4A中所示的氣化器系統(tǒng)或組件中所示，燃料管線414來(lái)回穿行(橫穿，traverse)主導(dǎo)管404的壁(其中燃料管線的段419在長(zhǎng)度上延伸以延長(zhǎng)在其中流動(dòng)的燃料在所述燃料管線穿過(guò)之處的停留時(shí)間)，或者接近于主導(dǎo)管404的第二加熱區(qū)412。為此目的，延伸的燃料管線段可呈現(xiàn)各種各樣的構(gòu)型，例如，設(shè)置在主導(dǎo)管404的與第二加熱區(qū)412對(duì)應(yīng)的外表面上或者與主導(dǎo)管404的與第二加熱區(qū)412對(duì)應(yīng)的外表面接近的線圈狀或者螺旋的繞組(如所示的)或者一系列的縱向折疊體或者設(shè)置在所述導(dǎo)管的內(nèi)部在第二加熱區(qū)412處或附近的任何類(lèi)似的這樣的構(gòu)型。不管其精確的構(gòu)型和/或布置為何，延伸的燃料管線段419必須是在第二加熱區(qū)412的有效熱傳遞附近以接收足以將其中的燃料的溫度升高至在某一預(yù)設(shè)范圍的溫度內(nèi)的量的熱。因此，在主導(dǎo)管404的第二加熱區(qū)412內(nèi)的加熱器413的熱輸出的一部分，除了進(jìn)一步加熱在該區(qū)內(nèi)流動(dòng)的空氣之外，還將傳遞至在燃料管線414的遠(yuǎn)側(cè)段419內(nèi)流動(dòng)的燃料例如柴油燃料(燃料管線414的該遠(yuǎn)側(cè)段可如段419所示那樣延長(zhǎng)或延伸)，從而將其溫度升高至在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)。對(duì)于所述燃料管線內(nèi)的液體燃料無(wú)論選擇哪個(gè)范圍的溫度值，如果要避免重整器400的氣阻和因之而來(lái)的關(guān)停，則其均不應(yīng)超過(guò)所述燃料的沸點(diǎn)(在柴油的情況下150°C_350
°C)o
[0105]在此處描述的液體燃料氣化器中，所述液體燃料很少有機(jī)會(huì)或者沒(méi)有機(jī)會(huì)與經(jīng)加熱的表面例如電阻加熱器元件的經(jīng)加熱的表面進(jìn)行直接接觸，所述直接接觸會(huì)造成如下風(fēng)險(xiǎn):將所述柴油燃料的溫度升高至等于或高于其閃點(diǎn)，以造成所述燃料的飛濺而不是其氣化和/或造成所述燃料的熱解，從而導(dǎo)致焦炭形成。因此，在圖4A中所示的氣化器系統(tǒng)中，所述柴油燃料的溫度可容易地和可靠地維持在低于其閃點(diǎn)的水平并且沒(méi)有飛濺或結(jié)焦的顯著事件。
[0106]液體燃料撒布器415設(shè)置在主導(dǎo)管404內(nèi)在第二加熱區(qū)412和相關(guān)的加熱器413的下游并且在第一混合區(qū)420的上游。在主導(dǎo)管404內(nèi)在所述氣化器的下游設(shè)置熱電偶423以監(jiān)測(cè)其中開(kāi)始形成的氣化的燃料-空氣混合物的溫度、
[0107]在其穿過(guò)設(shè)置在第二混合區(qū)422內(nèi)的第二靜態(tài)混合器之后，氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物通過(guò)出口 425離開(kāi)主導(dǎo)管404并且進(jìn)入配置成提供去往管式CPOX反應(yīng)器單元408的和在管式CPOX反應(yīng)器單元408內(nèi)的反應(yīng)混合物的更均勻分布的歧管426的氣體分布器427。這樣的布置或者本教導(dǎo)內(nèi)的其它布置可提供氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的如下分布:其中任意兩個(gè)CPOX反應(yīng)器單元內(nèi)的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的流速的差異不大于約20%，例如不大于約10%或者不大于約5%。
[0108]歧管426包括限定歧管室429的歧管殼或圍殼428，在歧管室429內(nèi)的經(jīng)加熱的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物(氣體)分布器427連接至主導(dǎo)管404的出口 425。通過(guò)出口 425離開(kāi)主導(dǎo)管404的經(jīng)加熱的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物進(jìn)入氣體分布器427，之后向外穿過(guò)位于所述氣體分布器的底部或下部部分處的孔洞(aperature)(例如，孔(11016)或縫)430，所述氣體然后圍繞所述分布器的外表面流動(dòng)至其頂部或上部部分并且從那里進(jìn)入管式CPOX反應(yīng)器單元408的入口 431中。
[0109]為了消除或者減少歧管室429的一些區(qū)域和/或表面內(nèi)的溫度下降至等于或低于其中存在的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的氣化的液體可重整燃料的冷凝溫度的可能性，可將電阻加熱器432和熱電偶433設(shè)置在歧管室429內(nèi)，例如，在其內(nèi)表面的一個(gè)或多個(gè)上或者嵌入其壁的一個(gè)或多個(gè)內(nèi)，以提供用于維持所述室內(nèi)的溫度高于燃料冷凝溫度的主動(dòng)加熱器系統(tǒng)。除了主動(dòng)加熱器系統(tǒng)(例如，如以上描述的)之外，或者作為其替代物，可在重整器400內(nèi)布置包括熱傳導(dǎo)元件434(例如由熱的良導(dǎo)體例如銅制造)、將管式CPOX反應(yīng)器單元408的CPOX反應(yīng)區(qū)409與歧管室429熱關(guān)聯(lián)的被動(dòng)熱傳遞系統(tǒng)以將來(lái)自CPOX反應(yīng)區(qū)409的放熱熱傳送至歧管室429內(nèi)的區(qū)域和/或表面以便將其中的氣化的燃料的溫度維持為高于其冷凝溫度。
[0110]除了它們防止或者最少化燃料冷凝的發(fā)生的功能之外，這樣的主動(dòng)和/或被動(dòng)加熱系統(tǒng)還可在氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物被引入到CPOX反應(yīng)器單元的入口中時(shí)用于使所述氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的溫度更均勻，并且因此對(duì)于重整器操作和控制兩者均有益。因此，例如，可操作一種或全部?jī)煞N歧管加熱系統(tǒng)以提供遍及歧管室具有一致地均勻的溫度的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物，使得在進(jìn)入任意兩個(gè)管式CPOX反應(yīng)器單元的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的溫度方面，將存在不超過(guò)約1 %差異、例如不超過(guò)約5 %差異。
[0111]可瞄準(zhǔn)歧管426的設(shè)計(jì)的優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)其促進(jìn)去往CPOX反應(yīng)器單元408的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的更均勻分布的功能的一些具體因素包括其殼428的構(gòu)型、其室429的容積、和氣體分布器427的尺度(包括其孔洞430的數(shù)量、設(shè)計(jì)和安排)。這樣的因素本身又取決于如導(dǎo)管內(nèi)氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的目標(biāo)流速、CPOX反應(yīng)器單元408的數(shù)量和布置、CPOX反應(yīng)器單元408的入口 431的形狀和尺度、和類(lèi)似考慮因素這樣的重整器設(shè)計(jì)和操作因素。用于根據(jù)本教導(dǎo)的具體的液體燃料CPOX重整器的最優(yōu)燃料-空氣分布性能的歧管可由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用慣常的試驗(yàn)方法而容易地構(gòu)造。
[0112]經(jīng)加熱的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物從歧管426進(jìn)入CPOX反應(yīng)器單元408的入口 431并且進(jìn)入到CPOX反應(yīng)區(qū)409中，在CPOX反應(yīng)區(qū)409中所述反應(yīng)混合物經(jīng)歷氣相CPOX反應(yīng)以產(chǎn)生富含氫氣的、包含一氧化碳的重整物。在啟動(dòng)模式中，一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)火器435引發(fā)CP0X。在CPOX變成自持的之后，例如，當(dāng)所述反應(yīng)區(qū)的溫度達(dá)到約250°C-約1100°C時(shí)，可將所述點(diǎn)火器關(guān)掉，因?yàn)椴辉傩枰獠奎c(diǎn)火來(lái)維持現(xiàn)在自持的CPOX反應(yīng)。
[0113]除了處理液體可重整燃料之外，液體和氣態(tài)燃料兩用重整器400包括這樣的結(jié)構(gòu)部件:所述結(jié)構(gòu)部件使得它能夠選擇性地處理氣態(tài)可重整燃料，這是當(dāng)兩種類(lèi)型的可重整燃料可用(例如，但不一定同時(shí))時(shí)優(yōu)化燃料管理的能力；或者所述結(jié)構(gòu)部件用于促進(jìn)后續(xù)的使用液體燃料的操作的熱啟動(dòng)模式。這，相對(duì)短暫的氣態(tài)燃料CPOX重整期可使所述CPOX反應(yīng)器準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料CPOX重整的熱啟動(dòng)模式并且快速進(jìn)入到液體燃料CPOX重整的穩(wěn)態(tài)模式中。
[0114]如圖4A中所示，重整器400在其中的在離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)402和入口 403的下游且在設(shè)置在混合區(qū)437內(nèi)的靜態(tài)混合器436的上游的位置處包括:氣態(tài)可重整燃料管線441和氣態(tài)燃料入口 442，氣態(tài)燃料例如甲烷或天然氣或丙烷通過(guò)其被引入到主導(dǎo)管404中。所述氣態(tài)燃料通過(guò)穿過(guò)混合區(qū)437而與先前引入的環(huán)境溫度空氣組合，所得氣態(tài)燃料-空氣混合物然后穿過(guò)第一加熱區(qū)405(在第一加熱區(qū)405中它被加熱至CPOX反應(yīng)溫度)，然后進(jìn)入到CPOX反應(yīng)器區(qū)443(基本上與熱傳遞區(qū)407重合)中。
[0115]透氣性的包含CPOX催化劑的擔(dān)載體444，例如，作為多孔的難熔的金屬和/或陶瓷材料提供的緊密配合的套筒、插入物、襯里、或涂層，設(shè)置在主導(dǎo)管404的CPOX反應(yīng)器區(qū)443內(nèi)并且延伸達(dá)熱傳遞區(qū)407的長(zhǎng)度的至少部分、或者全部長(zhǎng)度。在操作的啟動(dòng)模式期間在第一加熱區(qū)405內(nèi)被加熱至足以引發(fā)CPOX的溫度、或者在操作的穩(wěn)態(tài)模式期間在熱傳遞區(qū)407內(nèi)被加熱至引發(fā)CPOX的溫度的燃料-空氣混合物在與包含CPOX催化劑的擔(dān)載體444接觸時(shí)經(jīng)歷CPOX以提供富含氫氣的重整物。
[0116]在主導(dǎo)管404的熱傳遞區(qū)407內(nèi)提供透氣性的包含CPOX催化劑的擔(dān)載體444允許在其中在與液體可重整燃料比如柴油的較低效率的CPOX轉(zhuǎn)化的較高溫度制度(例如，約650°C_1，100°C)形成對(duì)照的是氣態(tài)燃料的較高效率的CPOX轉(zhuǎn)化的典型的較溫和的溫度條件(例如，約600 0C -約850 0C )下進(jìn)行氣態(tài)燃料的CPOX重整。在包含CPOX催化劑的擔(dān)載體444內(nèi)在前述較低溫度下進(jìn)行氣態(tài)燃料CPOX重整具有如下的顯著優(yōu)點(diǎn):減少燃料裂化和因此在所述(主)導(dǎo)管和CPOX反應(yīng)器單元的表面上的焦炭形成的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)隨著將氣化的燃料-空氣混合物引入CPOX反應(yīng)器單元中或者在將氣化的燃料-空氣混合物引入CPOX反應(yīng)器單元中之后將所述氣態(tài)燃料直接添加至CPOX反應(yīng)區(qū)時(shí)，這樣的事件較有可能發(fā)生并且導(dǎo)致CPOX重整器故障。因此，本文中的CPOX重整器，可容易和順利地實(shí)現(xiàn)從僅處理氣態(tài)燃料的轉(zhuǎn)變以及在一段時(shí)期的液體可重整燃料CPOX轉(zhuǎn)化之后的再次轉(zhuǎn)變回來(lái)而沒(méi)有對(duì)所述CPOX重整器的完整性和其恰當(dāng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。
[0117]開(kāi)放的氣流通道可允許氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物和包含氫氣的重整物在其中基本上不受阻礙的流動(dòng)，這是本教導(dǎo)的CPOX反應(yīng)器單元的對(duì)低的背壓(其為本教導(dǎo)的液體燃料CPOX重整器的操作的特性)有貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)特征。在根據(jù)本教導(dǎo)的液體燃料CPOX重整器的操作中，不超過(guò)約3英寸的水(0.0075巴)、例如不超過(guò)約2英寸的水、或者不超過(guò)約I英寸的水的背壓是可容易實(shí)現(xiàn)的。
[0118]如之前提及的，為了防止或抑制氫氣經(jīng)由擴(kuò)散通過(guò)和超出管式CPOX反應(yīng)器單元408的透氣性壁而損失，至少對(duì)于其長(zhǎng)度的與CPOX反應(yīng)區(qū)409對(duì)應(yīng)的那部分，有利地將氫氣阻擋物附著至所述壁的外表面。能夠充當(dāng)有效的氫氣阻擋物的材料必須是在CPOX反應(yīng)所典型的高溫下熱穩(wěn)定的并且足夠致密以防止或者阻止重整物氣體特別是氫氣滲透或者擴(kuò)散超出其與CPOX反應(yīng)區(qū)409對(duì)應(yīng)的外表面。
[0119]滿足這些要求的多種陶瓷材料(包括玻璃和玻璃-陶瓷)和金屬是已知的并且因此適合于提供所述氫氣阻擋物。用于所述氫氣阻擋物的具體材料包括，例如，鋁、鎳、鉬、錫、絡(luò)、氧化鋁、重結(jié)晶氧化鋁、鋁化物、鋁娃酸鹽、二氧化鈦、碳化鈦、氮化鈦、氮化硼、氧化鎂、氧化鉻、磷酸鋯、二氧化鈰、氧化鋯、莫來(lái)石等、其混合物以及其層狀組合。
[0120]管式CPOX反應(yīng)器單元的CPOX反應(yīng)區(qū)的催化活性的壁結(jié)構(gòu)可由其制造的材料為使得這樣的壁結(jié)構(gòu)能夠在作為CPOX反應(yīng)的特征的高溫和氧化性環(huán)境下保持穩(wěn)定的那些?？墒褂贸Ｒ?guī)的和以其它方式知曉的難熔的金屬、難熔的陶瓷、及其組合來(lái)構(gòu)造CPOX反應(yīng)區(qū)的催化活性的壁結(jié)構(gòu)。這些材料的一些例如鈣鈦礦還可具有對(duì)于部分氧化的催化活性并且因此不僅對(duì)于CPOX反應(yīng)區(qū)的催化活性的壁結(jié)構(gòu)的制造而言可為有用的，且也可為這樣的結(jié)構(gòu)供應(yīng)CPOX催化劑的部分或者甚至全部。
[0121]可在本文中使用的許多已知的和常規(guī)的CPOX催化劑中有被公開(kāi)例如于如下中的金屬、金屬合金、金屬氧化物、混合金屬氧化物、鈣鈦礦、燒綠石、它們的混合物和組合(包括其中的多個(gè)種類(lèi)):美國(guó)專(zhuān)利 Νο.5，149，156;5，447，705;6，379，586;6，402，989;6，458，334;6,488,907；6,702,960；6,726,853；6,878,667；7,070,752；7,090,826；7,328,691；7,585,810; 7,888，278 ;8,062,800;和8，241,600，其全部?jī)?nèi)容引入本文作為參考。
[0122]雖然許多高度活性的包含貴金屬的CPOX催化劑是已知的并且因此在本文中可為有用的，但是由于如下，它們通常與其它已知類(lèi)型的CPOX催化劑相比不太常用:它們高的成本、它們?cè)诟邷叵聼Y(jié)并且因此經(jīng)歷催化活性降低的趨向、以及它們被硫中毒的傾向。
[0123]鈣鈦礦催化劑是在本教導(dǎo)中有用的一類(lèi)CPOX催化劑，因?yàn)樗鼈冞€適合于構(gòu)造CPOX反應(yīng)器單元的催化活性的壁結(jié)構(gòu)。鈣鈦礦催化劑特征在于結(jié)構(gòu)ABX3，其中“Α”和“B”為具有非常不同尺寸的陽(yáng)離子，且“X”為與兩種陽(yáng)離子都鍵合的陰離子(通常為氧)。合適的鈣鈦礦CPOX 催化劑的實(shí)例包括 LaNi03、LaCo03、LaCr03、LaFe03 和 LaMn03。
[0124]鈣鈦礦的A部位改性通常影響它們的熱穩(wěn)定性，而B(niǎo)部位改性通常影響它們的催化活性。鈣鈦礦可針對(duì)具體的CPOX反應(yīng)條件通過(guò)在它們的A和/或B部處摻雜而定制改性(tailor-modified)。摻雜導(dǎo)致活性摻雜劑在鈣鈦礦晶格內(nèi)的原子水平分散，從而抑制它們的催化性能的退化。鈣鈦礦還可呈現(xiàn)出在作為CPOX重整的特征的高溫下對(duì)硫的優(yōu)異的容忍性。作為CPOX催化劑有用的摻雜的鈣鈦礦的實(shí)例包括La1-XCexFeO3 aaCn—yRuyO^Lai—xSrxAh—yRuyOs和La1-XSrxFeO3，其中取決于摻雜劑的溶解度極限和成本，X和y為范圍例如
0.01-0.5、0.05-0.2 等的數(shù)。
[0125]作為所述CPOX重整器的出口的連接的替代或者與所述CPOX重整器的出口的連接組合，多管式CPOX重整器的兩個(gè)或更多個(gè)CPOX反應(yīng)器單元的出口可與彼此(以及與CPOX反應(yīng)器單元的另外的出口)流體連通并且來(lái)自所述出口的富含氫氣的重整物可在引入到燃料電池中之前組合。例如，來(lái)自?xún)蓚€(gè)或更多個(gè)CPOX反應(yīng)器單元的富含氫氣的重整物流出物可在歧管或類(lèi)似裝置和/或一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)管中組合，然后引入到燃料電池(其可為多管式燃料電池或者單個(gè)燃料電池單元)中。因此，本教導(dǎo)的CPOX重整器取決于其最終用途可適合于多種應(yīng)用，例如向單個(gè)或多管式燃料電池單元提供富含氫氣的重整物。
[0126]示于圖1B中的CPOX重整器150的多級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)152和示于圖4B中的CPOX重整器500的多級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)501。其優(yōu)點(diǎn)之一是，該構(gòu)造的多級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在不訴諸于相對(duì)高功耗的鼓風(fēng)機(jī)的情況下如其中所解釋的具有可比較的空氣流量的單級(jí)離心式鼓風(fēng)機(jī)(多個(gè))不能提供的、響應(yīng)于對(duì)產(chǎn)物富含氫氣的重整物的需求的變化而在引入到導(dǎo)管中的空氣的體積和/或去往CPOX反應(yīng)器單元的氣態(tài)燃料-空氣混合物的流速方面進(jìn)行快速調(diào)節(jié)的能力。
[0127]圖5的CPOX重整器500與圖4A的CPOX重整器400主要在氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物的空氣組分和/或液體可重整燃料組分在所述重整器的操作的穩(wěn)態(tài)模式期間被加熱的方式方面不同。在CPOX重整器500中，由離心式鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)501提供的被加壓的環(huán)境溫度空氣流被引入到熱交換器502中并且穿過(guò)熱交換器502，熱交換流體(例如，來(lái)自外部的熱產(chǎn)生來(lái)源例如燃料電池堆(未示出)的后燃燒器段的熱的氣體)的流循環(huán)通過(guò)熱交換器502。該布置不同于圖4A的CPOX重整器400中用于加熱空氣的措施，在圖4A的CPOX重整器400中在所述重整器的操作的穩(wěn)態(tài)模式期間進(jìn)入所述重整器的環(huán)境空氣穿過(guò)主導(dǎo)管404的熱傳遞區(qū)407，所述空氣在區(qū)407內(nèi)通過(guò)從發(fā)生在CPOX反應(yīng)器單元408的CPOX反應(yīng)區(qū)409內(nèi)的CPOX反應(yīng)的放熱回收的熱而被加熱。另外，與其中在燃料管線段414內(nèi)流動(dòng)的燃料通過(guò)加熱器413被加熱的示于圖4A中的燃料加熱系統(tǒng)形成對(duì)照，在CPOX重整器500中，燃料管線的一段可途經(jīng)熱交換器502，以類(lèi)似地在燃料氣化之前提供所述燃料的加熱。在所有其它方面中，CPOX重整器500可以與CPOX重整器400基本上相同的方式操作。
[0128]圖6A和6B呈現(xiàn)了展現(xiàn)氣化的柴油燃料-空氣CPOX反應(yīng)混合物的氧(O)對(duì)碳(C)摩爾比和CPOX反應(yīng)溫度之間的關(guān)系的圖形數(shù)據(jù)。如該數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)CPOX反應(yīng)混合物的O對(duì)C摩爾比逐漸降低時(shí)，即，當(dāng)將反應(yīng)混合物從相對(duì)貧碳的反應(yīng)混合物調(diào)節(jié)為相對(duì)富碳的反應(yīng)混合物時(shí)，CPOX反應(yīng)溫度下降。這些數(shù)據(jù)對(duì)于根據(jù)本教導(dǎo)的液體和氣態(tài)燃料兩用CPOX重整器的最優(yōu)化操作有著若干暗示。
[0129]為了促進(jìn)CPOX催化劑的快速加熱以及因此，氣相CPOX反應(yīng)的開(kāi)始，在重整器的操作的啟動(dòng)模式期間可使用具有較高的O對(duì)C摩爾比的氣態(tài)CPOX反應(yīng)混合物(S卩，貧燃料的反應(yīng)混合物)O與貧燃料的CPOX反應(yīng)混合物相關(guān)的較高的操作溫度可促進(jìn)CPOX催化劑溫度的較快速的升高以及減少的到穩(wěn)態(tài)操作的時(shí)間。另外，貧燃料比率傾向于幫助在CPOX催化劑已經(jīng)達(dá)到其最優(yōu)溫度并且變成充分活化之前抑制焦炭形成。一旦CPOX催化劑已經(jīng)達(dá)到約650°C和更高的溫度，就可隨著增加燃料流量而降低O對(duì)C摩爾比。O對(duì)C摩爾比降低使催化劑溫度下降并且可使得能夠處理更多的燃料，而不失去CPOX反應(yīng)器單元的并且進(jìn)而，燃料氣化器單元的熱控制。對(duì)于關(guān)停操作可采取相反的動(dòng)作，即，在維持的O對(duì)C摩爾比下降低燃料流量。隨著所述重整器的CPOX反應(yīng)區(qū)的溫度開(kāi)始接近或者下降至低于導(dǎo)致焦炭形成的溫度例如低于約650°c，可提高O對(duì)C摩爾比以防止或者最少化隨著CPOX催化劑減活而結(jié)焦。典型地，當(dāng)CPOX反應(yīng)混合物的溫度下降至低于約500 °C時(shí)，可將CPOX重整器關(guān)停。在燃料流已經(jīng)停止之后，可使包含氧氣的氣體的流繼續(xù)最高達(dá)約15-20秒左右。這樣的關(guān)停程序可容許可包含于導(dǎo)管或者在燃料控制閥和將燃料引入到導(dǎo)管中的場(chǎng)所之間的燃料管線段內(nèi)的燃料的氣化和從重整器除去。該控制特性可被多種重整器部件(包括在具體重整器設(shè)計(jì)中使用的特定的氣化器系統(tǒng)和控制器單元部件)所影響。
[0130]在理解改變O對(duì)C摩爾比可導(dǎo)致重整物的品質(zhì)和/或組成的變化的情況下，可在操作期間控制燃料-空氣CPOX反應(yīng)混合物的O對(duì)C摩爾比以定制其輸出熱條件。當(dāng)CPOX溫度增加至高于約6500C時(shí)，存在從貧燃料偏移到富燃料的O對(duì)C摩爾比范圍。不同的CPOX催化劑可影響操作窗口和CPOX溫度。另外，不同的燃料(氣態(tài)或液態(tài))可改變CPOX溫度，這取決于重整反應(yīng)的效率。
[0131]本領(lǐng)域技術(shù)人員在考慮本文中所述的液體燃料CPOX重整器的多種實(shí)施方式以及其操作原理的情況下通過(guò)采用慣常的實(shí)驗(yàn)程序可根據(jù)本教導(dǎo)容易地優(yōu)化期望的液體可重整燃料轉(zhuǎn)化本領(lǐng)的具體重整器的設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)特性、和機(jī)械性質(zhì)。
[0132]進(jìn)一步地，根據(jù)本教導(dǎo)，可將蒸汽引入到所述重整器中，使得所述重整器可操作以進(jìn)行自熱和/或蒸汽重整反應(yīng)。
[0133]在一種實(shí)施方式中，所述重整器可初始地操作以進(jìn)行液態(tài)(液體)或氣態(tài)可重整燃料的CPOX轉(zhuǎn)化，從而提供放熱熱，所述放熱熱，在有或者沒(méi)有另外的熱(例如，由電加熱器供應(yīng))的情況下，可被回收以在蒸汽發(fā)生器中產(chǎn)生蒸汽。由此產(chǎn)生的蒸汽可引入到所述重整器中的其中的一個(gè)或多個(gè)位置中。一個(gè)合適的位置是氣化器，在所述氣化器中所述蒸汽可提供熱以使液體燃料氣化。例如，引入到圖4中所示的重整器400中的虹吸油芯415中的蒸汽可提供熱用于使虹吸油芯表面上的液體燃料氣化，同時(shí)幫助消除或抑制這樣的表面的堵塞。
[0134]在另一實(shí)施方式中，根據(jù)本教導(dǎo)的重整器可連接至燃料電池堆，在燃料電池堆中，來(lái)自所述重整器的富含氫氣的重整物被轉(zhuǎn)化為電流。所述燃料電池堆以及當(dāng)存在時(shí)，相關(guān)的后燃燒器單元的操作可提供廢熱的來(lái)源，所述廢熱可被回收和再次地，在有或沒(méi)有例如由電加熱器供應(yīng)的另外的熱的情況下，用于蒸汽發(fā)生器的操作。來(lái)自所述蒸汽發(fā)生器的蒸汽然后可被引入到所述重整器中(例如，通過(guò)圖4的重整器400的虹吸油芯415)以支持自熱或蒸汽重整。在集成的重整器和燃料電池堆的該布置中，所提及的廢熱的來(lái)源可供應(yīng)驅(qū)動(dòng)自熱和蒸汽重整過(guò)程中涉及的吸熱反應(yīng)所必需的熱。
[0135]總之，應(yīng)理解，本教導(dǎo)的輸送系統(tǒng)可輸送合適的反應(yīng)物用于進(jìn)行重整反應(yīng)，包括部分氧化(“Ρ0Χ”)重整比如催化部分氧化(“CP0X”)重整、蒸汽重整、和自熱(“AT”)重整。液體反應(yīng)物比如液體可重整燃料和水可從如下和通過(guò)如下輸送:所述輸送系統(tǒng)的“液體可重整燃料”輸送部件、導(dǎo)管、和組件。氣態(tài)反應(yīng)物比如氣態(tài)可重整燃料、蒸汽、和包含氧氣的氣體比如空氣可從如下和通過(guò)如下輸送:所述輸送系統(tǒng)的“氣態(tài)可重整燃料”輸送部件、導(dǎo)管、和組件。某些氣態(tài)反應(yīng)物比如蒸汽和包含氧氣的氣體可從如下和通過(guò)如下輸送:在本教導(dǎo)的輸送系統(tǒng)外圍或者對(duì)于本教導(dǎo)的輸送系統(tǒng)次要的部件和組件，例如，包含氧氣的氣體可從獨(dú)立地與氣化器、重整器、和燃料電池單元或系統(tǒng)的燃料電池堆的至少一個(gè)可操作地流體連通的包含氧氣的氣體的來(lái)源輸送，例如，以與重整之前的液體可重整燃料和/或氣化的液體可重整燃料混合。
[0136]本教導(dǎo)涵蓋以其它具體形式的實(shí)施方式而不背離其精神或本質(zhì)特性。因此，前述實(shí)施方式在所有方面均應(yīng)被認(rèn)為是說(shuō)明性的而不是對(duì)本文中描述的教導(dǎo)進(jìn)行限制。本發(fā)明的范圍因此由所附權(quán)利要求而不是前述描述所指示，并且進(jìn)入到權(quán)利要求的等同的含義和范圍內(nèi)的所有變化都意圖被包含在其中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.液體和氣態(tài)燃料兩用重整器，其包括: 液體燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)； 氣態(tài)燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)； 包括如下的氣流導(dǎo)管:包含氧氣的氣體入口，位于所述包含氧氣的氣體入口下游的液體燃料入口，位于所述包含氧氣的氣體入口下游的氣態(tài)燃料入口或者位于所述包含氧氣的氣體入口下游的包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口，與第一加熱器熱耦合并且位于所述包含氧氣的氣體入口下游的第一加熱區(qū)，與內(nèi)部和/或外部熱源熱耦合并且位于所述包含氧氣的氣體入口下游的第二加熱區(qū)，液體燃料氣化器，以及與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)氣流連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口 ； 與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)各自熱連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物點(diǎn)火器系統(tǒng);和 與所述液體燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)流體連通的富含氫氣的重整物出口。2.權(quán)利要求1的重整器，其進(jìn)一步包括與第二加熱器熱耦合的第三加熱區(qū)。3.權(quán)利要求2的重整器，其中第一加熱器和第二加熱器為電加熱器。4.權(quán)利要求2的重整器，其中第一加熱器和第二加熱器為電阻加熱器。5.權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)的重整器，其中第二加熱區(qū)與包括所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和/或氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)的外部熱源熱耦合。6.權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)的重整器，其中第二加熱區(qū)與選自如下的至少一個(gè)外部熱源熱耦合:燃料電池和燃料電池后燃燒器。7.權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)的重整器，其中包含氧氣的氣體入口和氣態(tài)燃料入口一起形成氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口。8.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的重整器，其中所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)一起形成公共的液體燃料和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)。9.權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)的重整器，其中所述導(dǎo)管的所述氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)氣流連通并且所述氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)設(shè)置在所述導(dǎo)管內(nèi)接近于第二加熱區(qū)或者至少部分地與第二加熱區(qū)重合。10.權(quán)利要求2-7任一項(xiàng)的重整器，其中所述氣流導(dǎo)管包括上游段和下游段并且在所述導(dǎo)管內(nèi)從上游段到下游段依序設(shè)置有所述包含氧氣氣體的入口、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口、第一加熱區(qū)、第二加熱區(qū)、第三加熱區(qū)、液體燃料氣化器、以及氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口。11.權(quán)利要求2-7任一項(xiàng)的重整器，其中所述氣流導(dǎo)管包括上游段和下游段并且在其中從上游段到下游段依序設(shè)置有所述包含氧氣氣體的入口、第一加熱區(qū)、第二加熱區(qū)、第三加熱區(qū)、液體燃料氣化器、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料入口、以及氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口。12.權(quán)利要求9的重整器，其中所述氣流導(dǎo)管包括上游段和下游段并且在所述導(dǎo)管內(nèi)從其上游段到下游段依序設(shè)置有所述包含氧氣的氣體入口、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口、接近于第二加熱區(qū)或者至少部分地與第二加熱區(qū)重合的氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)、第三加熱區(qū)、液體燃料入口、液體燃料氣化器、和氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出口。13.權(quán)利要求8的重整器，其中所述氣流導(dǎo)管包括上游段和下游段并且在所述導(dǎo)管內(nèi)從其上游段到下游段依序設(shè)置有所述包含氧氣氣體的入口、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口、第一加熱區(qū)、第二加熱區(qū)、第三加熱區(qū)、液體燃料氣化器、以及與所述公共的液體燃料和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)氣流連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出□O14.權(quán)利要求8的重整器，其中所述氣流導(dǎo)管包括上游段和下游段并且在所述導(dǎo)管內(nèi)從其上游段到下游段依序設(shè)置有所述包含氧氣氣體的入口、第一加熱區(qū)、第二加熱區(qū)、第三加熱區(qū)、液體燃料氣化器、氣態(tài)燃料入口或者包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)混合物入口、以及與所述公共的液體燃料和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)氣流連通的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物出□O15.權(quán)利要求1-14任一項(xiàng)的重整器，其中重整反應(yīng)區(qū)包含CPOX催化劑。16.權(quán)利要求1-15任一項(xiàng)的重整器，其包括控制器。17.權(quán)利要求1-16任一項(xiàng)的重整器，其中所述氣態(tài)重整反應(yīng)混合物點(diǎn)火器系統(tǒng)包括與所述液體燃料重整反應(yīng)區(qū)熱連通的第一點(diǎn)火器以及與所述氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)熱連通的第二點(diǎn)火器。18.在包括第一或者說(shuō)液體燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)、第二或者說(shuō)氣態(tài)燃料氣相重整反應(yīng)區(qū)、或者公共或者說(shuō)液體和氣態(tài)燃料重整反應(yīng)區(qū)的液體和氣態(tài)燃料兩用重整器內(nèi)的重整方法，所述方法包括: (d)使包括包含氧氣的氣體和氣化的液體燃料的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物在第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)重整以制造富含氫氣的重整物； (e)在重整步驟(a)之前或之后，使包括包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料的第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物在第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)重整以制造富含氫氣的重整物;和 (f)從重整步驟(a)轉(zhuǎn)變至重整步驟(b)使得從重整步驟(a)回收的熱在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下被用于引發(fā)重整步驟(b)，或者從重整步驟(b)轉(zhuǎn)變至重整步驟(a)使得從重整步驟(b)回收的熱在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下被用于在重整步驟(a)開(kāi)始之前使液體燃料氣化和加熱第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)。19.權(quán)利要求17的方法，其中在重整步驟(b)中，被吸入到離心式鼓風(fēng)機(jī)中的包含氧氣的氣體和氣態(tài)燃料作為基本上均勻的第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物從其排出，第二重整反應(yīng)混合物之后被引入到第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)中。20.權(quán)利要求17的重整方法，其包括: 在液體燃料的重整的冷啟動(dòng)模式中: (a)將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)中， (b)在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造和提供維持重整反應(yīng)的放熱； 在液體燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式中: (C)如步驟(a)中那樣將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中，和 (d)在步驟(C)之前、期間或者之后，在維持重整反應(yīng)從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造的同時(shí)，停止CPOX引發(fā)步驟(b);和 在其中使液體燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式的重整模式中: (e)停止將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述CPOX反應(yīng)區(qū)中的步驟(C)， (f)將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中， (g)利用從在步驟(d)期間由液體燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造和提供維持重整反應(yīng)的放熱，和 (h)維持步驟(g)中引發(fā)的重整反應(yīng)，從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造。21.權(quán)利要求17的重整方法，其包括: 在液體燃料的重整的冷啟動(dòng)模式中: (a)對(duì)包含氧氣的氣體進(jìn)行加熱， (b)將之前引入到所述反應(yīng)器中的液體燃料通過(guò)使所述液體燃料與來(lái)自步驟(a)的經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體接觸而氣化，該氣化的液體燃料與所述經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體組合以提供經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物， (C)將來(lái)自步驟(b)的經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)中，和 (d)在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)所述經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造和提供維持重整反應(yīng)的放熱； 在液體燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式中: (e)利用從在步驟(d)中由液體燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，對(duì)包含氧氣的氣體進(jìn)行加熱， (f)將之前引入到所述反應(yīng)器中的液體燃料通過(guò)使所述液體燃料與來(lái)自步驟(e)的經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體接觸而氣化，該氣化的液體燃料與所述經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體組合以提供經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物， (g)如步驟(C)中那樣將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中，和 (h)在步驟(g)之前、期間或之后，在維持步驟(d)中引發(fā)的重整反應(yīng)從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造的同時(shí)，停止重整引發(fā)步驟(d);和 在其中使液體燃料的CPOX重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式的重整模式中: (i)停止將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中的步驟(g)， (j)將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)中， (k)利用從在步驟(h)期間由液體燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造并且提供維持重整反應(yīng)的放熱，和 (I)維持步驟(k)中引發(fā)的重整反應(yīng)，從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造。22.權(quán)利要求17的重整方法，其包括: 在氣態(tài)燃料的重整的冷啟動(dòng)模式中: (a)將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)中，和 (b)在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)所述第二重整反應(yīng)混合物的重整從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造并且提供維持重整反應(yīng)的放熱； 在氣態(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式中: (c)將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)中，和 (d)在步驟(C)之前、期間或之后，在維持步驟(b)中引發(fā)的重整反應(yīng)從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造的同時(shí)，停止重整引發(fā)步驟(b);和 在其中使氣態(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式的重整模式中: (e)停止將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中的步驟(c)， (f)將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第一或者公共重整反應(yīng)區(qū)的重整反應(yīng)區(qū)中， (g)利用從在步驟(d)期間由氣態(tài)燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)所述經(jīng)加熱的氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造并且提供維持重整反應(yīng)的放熱，和 (h)維持步驟(g)中引發(fā)的重整反應(yīng)，從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造。23.權(quán)利要求17的重整方法，其包括: 在氣態(tài)燃料的重整的冷啟動(dòng)模式中: (a)將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第二或者公共重整反應(yīng)區(qū)中， (b)在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造并且提供維持重整反應(yīng)的放熱； 在氣態(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式中: (C)如步驟(a)中那樣將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中， (d)在步驟(C)之前、期間或之后，在維持重整反應(yīng)從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造的同時(shí)，停止重整引發(fā)步驟(b);和 在其中使氣態(tài)燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐后w燃料的重整的穩(wěn)態(tài)模式的重整模式中: (e)停止將第二氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到所述重整反應(yīng)區(qū)中的步驟(c)， (f)將包含氧氣的氣體引入到所述重整器中， (g)利用從在步驟(d)期間由氣態(tài)燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，對(duì)所述包含氧氣的氣體進(jìn)行加熱， (h)將之前引入到所述反應(yīng)器中的液體燃料通過(guò)使所述液體燃料與來(lái)自步驟(g)的經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體接觸而氣化，該氣化的液體燃料與所述經(jīng)加熱的包含氧氣的氣體組合以提供經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物， (i)將經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物引入到第一或公共重整反應(yīng)器段中， (j)利用從在步驟(d)期間由氣態(tài)燃料的重整產(chǎn)生的放熱回收的殘余熱，在有或者沒(méi)有另外的熱的情況下，在所述重整反應(yīng)區(qū)內(nèi)引發(fā)所述經(jīng)加熱的第一氣態(tài)重整反應(yīng)混合物的重整，從而開(kāi)始富含氫氣的重整物的制造并且提供維持重整反應(yīng)的放熱，和(k)維持步驟(j)中引發(fā)的重整反應(yīng)，從而繼續(xù)富含氫氣的重整物的制造。24.權(quán)利要求17-22任一項(xiàng)的方法，其為CPOX重整。25.權(quán)利要求17-23任一項(xiàng)的方法，其通過(guò)控制器控制。
【文檔編號(hào)】H01M8/04298GK105874636SQ201480072093
【公開(kāi)日】2016年8月17日
【申請(qǐng)日】2014年11月6日
【發(fā)明人】C.M.芬納蒂, P.德瓦爾德
【申請(qǐng)人】瓦特燃料電池公司