專利名稱：緊湊型燃料處理器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及用于產(chǎn)生含氫氣流例如合成氣流的燃料處理器。本發(fā)明的裝 置和方法特別適用于發(fā)動機系統(tǒng)應用中使用的燃料處理器，該應用中需要含 氫氣體且空間有限。
背景技術(shù)：
對于需要供應氫的車或其它移動應用中的發(fā)動機系統(tǒng)，由于與次級燃料 的車載儲存和加氫基礎結(jié)構(gòu)缺乏有關(guān)的這些難題，氫優(yōu)選地是在車上使用燃 料處理器來產(chǎn)生。來自燃料處理器的含氫氣體可被用于再生、脫硫和/或加熱 發(fā)動機排氣后處理裝置，可被用作用于發(fā)動機的補充燃料，和/或可一皮用作用 于次級能量源的燃料，例如燃料電池。
一種類型的燃料處理器是合成氣發(fā)生器(SGG),其把燃料轉(zhuǎn)變?yōu)楹瑲?(H2)和一氧化碳(CO)的氣流，稱為合成氣?？諝夂?或一部分發(fā)動機排 氣流可被用作用于燃料轉(zhuǎn)換處理的氧化劑。排氣流典型地包含氧(02)、水 (H20)、 二氧化碳(C02)、氮(N2)和熱函(sensibleheat)，其有助于合成 氣的產(chǎn)生。氣流和/或水可以選擇添加。供應到SGG的燃料可方便地選擇為 與發(fā)動機中使用的燃料相同的燃料。替換地，可使用不同的燃料，盡管這通 常需要單獨的二次燃料源和特別用于SGG的供應系統(tǒng)。仏和CO在用于再
生排氣后處理裝置的處理中是有益的。對于其它應用，例如，用作燃料電池 中的燃料，合成氣流可需要在使用前進行額外處理。
合成氣生產(chǎn)可被隔離為三個主要處理過程混合、氧化和重整 (reformation),如圖1所示。第一處理過程是混合處理過程且其通常發(fā)生在 入口處或附近，在那里氧化劑和燃料流被引入到SGG中，.進入所謂的"混 合區(qū)"。混合處理過程的主要功能是供應均勻混合和分布的燃料-氧化劑混合 物，用于隨后的燃燒和重整。如果燃料是液體，其典型地被霧化并蒸發(fā)，同 時在該區(qū)域中與氧化劑混合。下一處理過程，氧化處理過程，發(fā)生在混合區(qū) 的下游，在所謂的"燃燒區(qū)"中。氧化處理過程的主要功能是點燃燃料-氧化劑混合物，以產(chǎn)生主要產(chǎn)物H2和CO以及下游吸熱性重整反應所需的熱 函。最后的處理過程，重整處理過程，是這發(fā)生在所謂的"重整區(qū)，，中氧化
產(chǎn)物和剩余燃料成分被通過重整反應進一步轉(zhuǎn)化為H2和CO。合成氣流然后 離開SGG且被引導用于附加的下游處理和/或引導到適當?shù)暮臍溲b置(一個 或多個)。在這些區(qū)域之間沒有嚴格的分隔；而是，這些區(qū)域;f皮此過渡或并 入，但是發(fā)生在每個區(qū)域中的主要處理通常如上所述。
在車或其它移動應用中，車載SGG通常應成本低、緊湊、重量輕且與 發(fā)動機系統(tǒng)的其它部件有效地封裝在一起。與發(fā)動機系統(tǒng)中使用的把燃料和 發(fā)動機排氣流轉(zhuǎn)變?yōu)楹瑲錃饬鞯娜剂咸幚砥鞯脑O計關(guān)聯(lián)的一些特別難題如 下
(a) 發(fā)動機排氣流輸出參數(shù)，例如質(zhì)量流、壓力、溫度、組分和發(fā)射 水平，在發(fā)動機的運行范圍上顯著變化。
(b) 來自燃料處理器的所需的輸出典型地可變化。含氫氣流優(yōu)選地根 據(jù)耗氫裝置的可變需求而按需產(chǎn)生。這減少了對于額外儲存和控制裝置的需要。
(c)徹底混合燃料和氧化劑反應物是重要的。利用液體燃料，燃料與氧化 劑氣流的未充分蒸發(fā)和混合可導致局部富含燃料的狀況，導致焦炭和煙灰 (碳)、殘渣和熱點的形成。在典型的SGG運行溫度例如1000°C -1200°C , 用于引入和蒸發(fā)燃料且同時有效地將燃料和氧化劑氣流混合的時機受到限 制，這是由于極端的內(nèi)部溫度造成的。
(d) 發(fā)動機排氣流壓力受到限制，特別是在發(fā)動機怠速狀況下?？捎?于輔助燃料與氧化劑流的混合和分布的壓力由此在至少一些運行狀況下受
到限制。
(e) 高發(fā)動機排氣背壓可降低發(fā)動機的效率和性能，增加運行成本。 優(yōu)選地，跨擴燃料處理器和其相關(guān)聯(lián)部件(例如混合和計量裝置，以及顆粒 過濾器)的壓力降由此保持較低。
(f) 通常需要較高的系統(tǒng)可靠性和耐用性。
(g) 內(nèi)燃機發(fā)動機排氣后處理裝置具有成本、體積和重量方面的約束， 特別是對于車輛應用來說。
具有流通結(jié)構(gòu)的圓筒形反應器 一 一其中組合的燃料和氧化劑反應物混 合物主要沿一個方向向下游流動軸向地穿過該圓筒——普遍用于燃料處理器或SGG。這些類型的反應器的缺點包括反應器體積的一些部分不能被完 全利用，需要附加裝置來促進反應物的混合和/或分布，以及需要附加裝置來 穩(wěn)定燃燒火焰在反應器中的位置。這些缺點會增加燃料處理器的體積、重量、 成本和/或減少運4亍范圍。
在燃料處理器的啟動處理過程中，常使用次級氧化劑和燃料流線路或燃 燒腔，以在貧乏或理論配比狀況(stoichiometric condition)下產(chǎn)生熱量，減 少用于燃料處理器達到期望的運行溫度的時間來。因為如果在啟動處理過程 中使用主氧化劑和燃料流線路，則可能產(chǎn)生不期望的量的碳，因此使用次級 氧化劑和燃料流線路或燃燒腔。但是，對于次級氧化劑和燃料流線路或燃燒 腔的需求增加了燃料處理器的復雜性、尺寸和成本。
在發(fā)動機系統(tǒng)應用和其它燃料處理器應用中，具有改進的反應器設計
發(fā)明內(nèi)容
燃料處理器，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流，包括燃料入口 、 氧化劑入口、產(chǎn)物出口和盛裝反應腔的外殼體。燃料處理器還包括混合管， 其被流體連接以接收來自氧化劑入口的氧化劑流和來自燃料入口的燃料流。 混合管是用于形成組合反應物流且將其大致軸向地導向進入反應腔中。反應 腔還包括轉(zhuǎn)向腔(其為整個反應腔的一部分)和轉(zhuǎn)向壁，該轉(zhuǎn)向壁位于轉(zhuǎn)向 腔的一個端部處。該轉(zhuǎn)向壁是用于重定向組合反應物流，以使得在轉(zhuǎn)向腔內(nèi) 重定向的流環(huán)繞且接觸組合反應物流，該組合反應物流沿相反方向基本上軸 向地流動。在燃料處理器的運行過程中，認為低速區(qū)域建立在轉(zhuǎn)向腔中的相 反的反應物流之間。這穩(wěn)定了燃料處理器中的燃燒火焰的位置。在一些實施 例中，燃料處理器包括熱線點火塞或其它點火裝置，用于反應腔內(nèi)的燃燒反 應的開始。該熱線點火塞或其它點火裝置有利地位于轉(zhuǎn)向腔中且其尖端位于 低速區(qū)域中。
在其它實施例中，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流的燃料處理 器包括燃料入口、氧化劑入口、產(chǎn)物出口和盛裝反應腔的外殼體。燃料處理 器還包括混合管，其被流體連接以接收來自氧化劑入口的氧化劑流和來自燃 料入口的燃料流?；旌瞎苁怯糜谛纬山M合反應物流且將其大致軸向地導向進 入反應腔中。轉(zhuǎn)向壁位于轉(zhuǎn)向腔的一個端部處，該轉(zhuǎn)向壁重定向沿基本上相反方向離開混合管的組合反應物流，且環(huán)形顆粒過濾器基本上同心地設置在 混合管周圍。
在上述實施例中，為了使得沿基本上相反方向流動的氣流彼此接觸以建 立低速區(qū)域，轉(zhuǎn)向腔優(yōu)選地沒有流動分隔結(jié)構(gòu)和流動阻擋結(jié)構(gòu)。而且，優(yōu)選 地該轉(zhuǎn)向腔不包含催化劑來促進燃料和氧化劑流的轉(zhuǎn)換。
在上述實施例中，轉(zhuǎn)向壁可被特別設置形狀，以重定向組合反應物流從 中心軸線向外且然后沿相反方向返回穿過轉(zhuǎn)向腔。例如，其可^^皮設置形狀以 具有中心峰頂，該峰頂朝向混合管突出且與混合管的軸線對齊。
在上述實施例中，燃料處理器還可包括盛裝在殼體內(nèi)的熱交換器，用于 把熱量從產(chǎn)物流傳遞到進入的氧化劑流。
燃料處理器的運行方法包括
(a)把氧化劑流和燃料流引入到燃料處理器中和混合燃料和氧化劑流 以形成組合反應物流；
(b )把組合反應物流大致軸向地引導進入燃料處理器內(nèi)的轉(zhuǎn)向腔中， 以使得其撞擊在轉(zhuǎn)向壁上且被該壁重定向以沿基本上相反方向流動，以使得 其環(huán)繞且接觸軸向地流入轉(zhuǎn)向腔中的組合反應物流；
(c)至少部分地燃燒和轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)向腔內(nèi)的的組合反應物流，以形成含氫 產(chǎn)物流。
在該方法的優(yōu)選實施例中，低速區(qū)建立在在轉(zhuǎn)向腔內(nèi)流動的相反流之間 的交界處，其穩(wěn)定了燃料處理器內(nèi)的燃燒火焰的位置。
該方法還可包括引導燃料流和氧化劑流穿過位于轉(zhuǎn)向腔上游的混合管， 且可選地穿過位于混合管上游的臨界流體文氏管。
該方法還可包括引導產(chǎn)物流以及殘余的未反應的組合反應物流穿過顆 粒過濾器，該過濾器位于燃料處理器中，在轉(zhuǎn)向腔的下游。如果存在未反應 的組合反應物流剩余，當它穿過顆粒過濾器時可被進一步轉(zhuǎn)變。在緊湊型設 計中，該過濾器可以是大致同心地設置在混合管(如果存在的話)周圍的環(huán) 形顆粒過濾器。
流的熱量傳遞。該熱交換器例如可以是同心套形式的熱交換器，氧化劑流被 引導穿過混合管上游的熱交換器的內(nèi)管，且產(chǎn)物流在離開燃料處理器之前被 引導穿過熱交換器的外環(huán)形腔。優(yōu)選地，氧化劑流和產(chǎn)物流被引導穿過通向流動配置的同心套形式的熱交換器。
在啟動方法的實施例中，燃料流和氧化劑流被供應到燃料處理器且被混 合以形成組合反應物流。氧化處理過程被在燃料處理器中開始，其產(chǎn)生熱量。 當燃料處理器的被監(jiān)控的參數(shù)處于預定閾值之下時，燃料和氧化劑流被以大 致理論配比供應，且當被監(jiān)控的參數(shù)達到預定閾值時，燃料對氧化劑的比例 被降低。該參數(shù)例如可以是燃料處理器的運行溫度或運行時間。在優(yōu)選實施 例中，通過燃料的質(zhì)量流的控制來控制燃料對氧化劑的比例。氧化劑流和燃 料流可被引導穿過臨界流動文氏管。
在上述裝置和方法中，燃料處理器優(yōu)選為非催化劑合成氣發(fā)生器。在發(fā) 動機系統(tǒng)應用中，氧化劑入口可被流體連接以接收來自內(nèi)燃機的排放氣體， 以使得氧化劑流包括發(fā)動機排放氣體以及附加的空氣(或另一氧化劑)或基 本上由排放氣體組成。
在上述燃料處理器設計和運行方法中，相反反應物流流動配置在轉(zhuǎn)向腔 內(nèi)建立低速區(qū)，其穩(wěn)定了燃料處理器中的火焰的位置且提供如下進一步詳述 的伊乙點。


圖l是處理過程流程圖，示出了合成氣發(fā)生器內(nèi)的典型燃料轉(zhuǎn)換處理過
程；
圖2是內(nèi)燃機發(fā)動機系統(tǒng)的實施例的示意圖，該系統(tǒng)具有燃料處理器和
排氣后處理系統(tǒng)；
圖3a是合成氣發(fā)生器的俯視圖3b是圖3a所示的合成氣發(fā)生器的橫截面?zhèn)纫晥D4是由合成氣發(fā)生器內(nèi)的通過絕緣件形成的轉(zhuǎn)向壁的橫截面透視圖5是合成氣發(fā)生器的啟動處理過程的實施例的流程圖，示出了確定燃
料的質(zhì)量流設定值的步驟。
具體實施例方式
圖1示出了典型合成氣發(fā)生器(SGG)燃料轉(zhuǎn)換處理過程，且如上所述。 圖2示出了具有燃料處理器和排氣后處理系統(tǒng)的發(fā)動機系統(tǒng)的實施例的 示意圖。在該示出的實施例中，燃料處理器是合成氣發(fā)生器(SGG)。在圖2中，燃料箱21供應液體燃料，穿過燃料供應管線22，到達內(nèi)燃機23?？蛇x 的燃料過濾器、燃料泵、燃料壓力調(diào)節(jié)裝置和燃料流量控制裝置(在圖2中 均未示出)可被并入到燃料箱21中，或并入到燃料供應管線22中?？蛇x的 燃料返回管線(在圖2中未示出)可把燃料返回到燃料箱21。內(nèi)燃機23, 可以是柴油、汽油、液化石油氣(LPG)、煤油、天然氣、丙烷、曱醇、乙 醇、燃油(fijeloil)或其它碳氫化合物、酒精或合適的被供給燃料的發(fā)動機， 該發(fā)動機例如是壓燃或火花點燃式的。內(nèi)燃機23可以具有各種設計，包括 往復活塞、汪克爾發(fā)動機(Wankd)和燃氣輪機。發(fā)動機可以是車輛或非車 輛系統(tǒng)的部分。內(nèi)燃機典型地包括傳統(tǒng)的空氣供應子系統(tǒng)(在圖2中未示出) 以供應空氣到發(fā)動機。
發(fā)動機排氣管線24，引導至少部分發(fā)動機排氣流到排氣后處理子系統(tǒng) 25。發(fā)動機排氣管線24可合并其它排放減少裝置，例如排放氣體再循環(huán) (EGR)系統(tǒng)(在圖2中未示出)。發(fā)動機排氣管線24可包括渦輪壓縮機和 /或中冷器(intercooler)(圖2中未示出)。排氣后處理子系統(tǒng)25可包括各種 排氣后處理裝置，例如貧NOx捕獲裝置(LNTs: Lean NOx Traps)、柴油顆 粒過濾器(DPFs)、柴油氧化催化裝置(DOCs)和消音器和相關(guān)聯(lián)的閥、傳感 器和控制器。被處理后的發(fā)動機排放氣體流流動穿過排氣管26且排入到周 圍大氣中。
來自管線24的發(fā)動機排氣流的一部分經(jīng)由SGG氧化劑入口管線27引 導到SGG200?？蛇x地，來自空氣供應子系統(tǒng)的空氣，和/或來自流供應子系 統(tǒng)(在圖2中未示出)的水或流還可經(jīng)由氧化劑入口管線27和/或經(jīng)由一個 或多個其它入口、在SGG200的運行期間在一些點處或連續(xù)地被引入到SGG 200中。來自燃料箱21的燃料經(jīng)由SGG燃料入口管線28從燃料供應管線 22供應到SGG 200?？蛇x的燃料過濾器、燃料泵、燃料溫度調(diào)節(jié)裝置和/或 燃料熱交換器(均未在圖2中示出)可被整合到SGG燃料入口管線28中。 可選地，燃料預加熱器還可^皮并入到該系統(tǒng)中。管線28中的燃料計量組件 29控制供應到SGG 200的燃料的質(zhì)量流(mass flow)和壓力。使用臨界流 動文氏管(CFV: critical flow venturi)在SGG 200內(nèi)部計量氧化劑流。
SGG 200把包括發(fā)動機排氣的燃料和氧化劑流轉(zhuǎn)換合成氣流。產(chǎn)生的合 成氣流的至少一部分經(jīng)由合成氣出口管線201供應到排氣后處理子系統(tǒng)25。 合成氣出口管線201可包括可選的閥、傳感器、控制器或類似的設備。合成氣流被用于再生、脫硫和/或用于加熱排氣后處理子系統(tǒng)25中的一個或多個 裝置，且可被引導到整個系統(tǒng)中的其它耗氫裝置，例如燃料電池(未示出) 和/或發(fā)動機自身。
圖3a是SGG300的實施例的俯視圖，圖3b是(沿圖3a的截面A-A的) 橫截面視圖。在圖3a和3b中，氧化劑流通過氧化劑入口管301進入SGG300, 流動穿過可選的管中管或同心套管形式的熱交換器302 ，且進入氧化劑腔303 中。熱交換器302可以是不同類型的熱交換器，例如盤繞管或平板型。燃料 流經(jīng)由燃料入口管313和燃料引入管304被引導引入到氧化劑流中且靠近 CFV(臨界流動文氏管)的入口或喉部。燃料流和氧化劑流持續(xù)向下游流動 穿過CFV305且進入混合管306,形成組合反應物流。在圖3a和3b中，氧 化劑入口管301和出口管311 4皮示出為從SGG300的頂部垂直向上延伸，燃 料入口管313向下延伸。氧化劑入口管301、出口管311和燃料入口管313 可并非如圖3a和3b所示的位置處定向。
當組合燃料和氧化劑流行進穿過CFV305時，優(yōu)選地在SGG300的至少 一部分設計運行范圍內(nèi)，且更有選在SGG300的大部分設計運行范圍，組合 反應物流達到音速。在至少一部分運行范圍內(nèi)，組合反應物流的參數(shù)(空氣 -燃料比、溫度、壓力)典型地使得該流處于其可燃和自動點火范圍內(nèi)。CFV305 和混合管306內(nèi)的組合反應物流的速度優(yōu)選地被保持高于該流的火焰速度。 這降低了閃回(flashback)向上游傳播到CFV的可能性。在至少一部分運行 范圍內(nèi)，CFV305和混合管306內(nèi)的組合反應物流的滯留時間優(yōu)選地被保持 低于該流的自動點火延遲時間，降低了自動點火發(fā)生在CFV和混合管內(nèi)的 可能性。CFV305和混合管306優(yōu)選地基本上同心地繞SGG300的縱向軸線 定位。反應腔307在圖3b中由虛線示出。組合反應物流以高速離開混合管 306,流動計入反應腔307中，該速度例如高于局部火焰速度，該反應腔由 絕緣件308形成且熱絕緣。絕緣件308優(yōu)選地使用真空成形過程來形成。該 熱絕緣件優(yōu)選地包括一層陶瓷絕緣材料或具有不同的導熱性和機械性能的 多層陶資絕緣材料。多層絕緣件構(gòu)造使得SGG的設計熱損失超過其運行范 圍。第二層絕緣件在圖3b中示出為是絕緣件314。
在所示的實施例中，組合反應物流基本上平行且靠近反應腔307的縱向 軸線流動，且撞擊在轉(zhuǎn)向壁315上，使得該流分散或沿發(fā)散的徑向方向膨脹。 組合反應物流被轉(zhuǎn)向壁315 "反射"，沿大致相反方向(與其離開混合管306時的方向相反)轉(zhuǎn)向或流動，更靠近反應腔307的周壁，且進入環(huán)形顆粒過 濾器309中，該過濾器位于環(huán)繞混合管306的反應腔307中。反應腔307的 一部分——該部分中存在沿一個方向流動且被沿基本相反的方向流動的反 應物流所圍繞(并接觸)的組合反應物流的中心射流——該部分被稱為轉(zhuǎn)向 腔323。轉(zhuǎn)向腔323在圖3b中由雙點劃線示出。與轉(zhuǎn)向腔323的橫截面面積 相比，離開混合管306的組合反應物流的橫截面面積較小，允許當組合反應 物流流動進入轉(zhuǎn)向腔323時該反應物流膨脹。轉(zhuǎn)向壁315由絕緣件308形成， 且在所示的實施例中具有的構(gòu)造使得碰撞的組合反應物流從與碰撞的流縱 向地對齊的中心點軸向地向外擴張且被反射以沿大致相反的方向流動。轉(zhuǎn)向 壁315優(yōu)選地被設置形狀成適當?shù)鼗蛴欣卦谵D(zhuǎn)向腔323內(nèi)分配組合反應物 流的流動。例長o，其形狀可4皮i殳置為半環(huán)面(semi-ring torus )、半喇p八環(huán)面
(semi-horn torus )、半圓4偉環(huán)面(semi-cone torus )、半^求形或盤形。圖4是 轉(zhuǎn)向壁315的(沿圖3a所示的截面B-B)橫截面視圖，該轉(zhuǎn)向壁形成在絕 緣件308中，具有半喇叭環(huán)面形狀。轉(zhuǎn)向壁315不必由絕緣件308形成，而 是可以為分立的部件和/或由不同材料構(gòu)造。當組合反應物流沿一個方向(離 開混合管306)和沿相反方向(在被轉(zhuǎn)向壁315重定向后)流動進入環(huán)形顆 粒過濾器309時，在轉(zhuǎn)向腔323中沒有擋板、套筒、隔離件、催化劑床、整 塊結(jié)構(gòu)或其它結(jié)構(gòu)分開該組合反應物流。朝向顆粒過濾器309流動的外部或 環(huán)繞的流通常比離開混合管306的中心射流更緩慢地流動。在兩個流接觸的 地方，局部速度將典型地較低或接近零，且在這些流之間將存在一些混合。 混合管306、轉(zhuǎn)向腔323和轉(zhuǎn)向壁315的這種構(gòu)造(尺寸、形狀和位置)以 及具有雙向流動的開口或無障礙轉(zhuǎn)向腔323，有助于再循環(huán)區(qū)域和/或渦流
(如箭頭317所示)的形成?？烧J為，兩個相反的流彼此接觸且渦流317發(fā) 生的低速區(qū)或區(qū)域有助于穩(wěn)定燃燒火焰的位置。在渦流317處或附近的組合 反應物流的局部速度一般低于流的火焰速度。而且，局部流體動力學特性使 熱的燃燒反應物與新鮮的未燃燒反應物補充和混合，使得發(fā)生連續(xù)的燃燒過 程，這通常在起動后自維持。具有"轉(zhuǎn)向"腔的燃料處理器一一例如所述的 處理器一一提供了一個或多個可能的優(yōu)點，包括
(a) 通過在相反流的混合所發(fā)生之處建立低速區(qū)來增加燃燒火焰的穩(wěn) 定性，如前面段落所述。
(b) 通過SGG300的設計運行范圍，組合反應物流的流動樣式可被設計為把低速區(qū)定位在反應腔中的期望位置。
(C)在兩個相反流之間的低速區(qū)域中，速度足夠低，以使得火焰可燃燒而
不被吹走或吹滅(熄滅)，即使當進入的組合反應物流的質(zhì)量流率(mass flow rate)增加也如此。因此，轉(zhuǎn)向i殳計可增加反應物的空間速度而沒有不利地 影響燃燒火焰的位置和穩(wěn)定性。這可被實現(xiàn)而不使用附加部件(例如非流線 形體(bluff body))來穩(wěn)定火焰的位置，由此還降低了成本。與具有傳統(tǒng)直 線流穿設計的SGG相比，具有轉(zhuǎn)向腔的SGG已被證明空間速度增加到二至 四倍(依賴于氧化劑流)，同時保持穩(wěn)定的火焰和合成氣質(zhì)量。
(d) 轉(zhuǎn)向設計使得反應器體積的使用更有效，允許燃料處理器更緊湊。 例如，在傳統(tǒng)的直線流穿燃燒腔中，進入反應物射流周圍的體積典型地不能 被有效使用，而在轉(zhuǎn)向設計中，中心射流周圍的空間被沿相反方向回流的流 占據(jù)。組合反應物流在轉(zhuǎn)向壁上的碰撞(這降低了局部速度)和低速區(qū)域的 形成有助于穩(wěn)定火焰，這允許穿過燃料處理器的更大的空間速度。
(e) 由于相反流的混合，進入的組合反應物流被部分燃燒的流快速加 熱，便于點火和燃燒，即使當進入的流具有較低的氧含量(如同SGG運行 在發(fā)動機排氣上那樣)也如此。
在優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)向腔323的平均直徑比混合管306出口的直徑大出 約3-7倍，或更優(yōu)選地大出約5倍。從混合管306的出口到轉(zhuǎn)向壁315的距 離優(yōu)選地為混合管306的出口的直徑的約4-11倍，或更優(yōu)選地為混合管306 的出口的直徑的約7-8倍。由于轉(zhuǎn)向壁315通常不是平的，所以所提到的距 離是平行于混合管縱向入口、從混合管出口到轉(zhuǎn)向壁的平均平面(圖3b中 示出為平面324)測量得到的距離。已發(fā)現(xiàn)，該優(yōu)選距離范圍使得顆粒過濾 器的上游在反應腔307內(nèi)能發(fā)生流的膨脹、流的速度降低和形成渦流317。 混合管306、反應腔307和轉(zhuǎn)向腔323優(yōu)選地是圓筒形和/或圓錐形，但不是 必須的。
熱線點火塞(glowplug) 316 (圖3b中示出)附連到殼體312,且位于 轉(zhuǎn)向腔323中，以在啟動過程中以及可選地在SGG300的其它運行點起動燃 燒或點燃組合反應物。在優(yōu)選實施例中，熱線點火塞316位于組合反應物流 的局部速度較低的區(qū)域中(例如低于流的火焰速度)或附近，且SGG300啟 動過程中處于燃料滴的噴射樣式內(nèi)。例如，其可被定位在靠近轉(zhuǎn)向腔323的 圓柱形輪廓與轉(zhuǎn)向壁315的環(huán)形輪廓相交的地方。在一些實施例中，是與轉(zhuǎn)向腔323或絕緣件308的表面距離10 ± 4mm處且在該腔的更低或最低部分 中。該定位可提供多個優(yōu)點，包括(a)當燃料與熱線點火塞直接接觸時， 特別是當該熱線點火塞位于該腔的較低部分中時，由于重力的作用將趨于把 燃料滴的噴射拉向熱線點火塞，在啟動過程中能增加火焰點燃的可靠性和速 度；和(b)由于燃燒火焰可被點燃且錨定在該腔的靠近轉(zhuǎn)向壁端部處，所 以增加了轉(zhuǎn)向腔323和/或反應腔307的體積利用。替換地，可使用 一個或多 個熱線點火塞，該熱線點火塞可被用于感應轉(zhuǎn)向腔323和/或反應腔307的溫 度，可使用其它點火裝置，例如線或絲網(wǎng)。
當反應物移動穿過轉(zhuǎn)向腔323時，氧化和然后的重整反應過程逐漸地發(fā) 生。流連續(xù)地穿過環(huán)形顆粒過濾器309,在那里碳顆粒被捕獲和儲存，直至 碳汽化處理啟動，或者替換地通過連續(xù)的碳汽化處理碳顆粒被立即氧化。在 再次翻轉(zhuǎn)方向和穿過可選的熱交換器302且經(jīng)由出口管311離開SGG300之 前，產(chǎn)生的合成氣流朝向與轉(zhuǎn)向壁315相對的反應腔307的端部連續(xù)地流動。
在所示實施例中，熱交換器302是管中管或同心套形式的熱交換器，其 把熱量從產(chǎn)生的合成氣流傳遞到進入的氧化劑流。熱交換器302包括同心地 定位的三個套筒外套筒318、中間套筒319和內(nèi)套筒320。外套筒318和 中間套筒319形成環(huán)形外腔321，產(chǎn)生的合成氣流在經(jīng)由出口管311離開 SGG300之前從反應腔307流動穿過該環(huán)形外腔。中間套筒319和內(nèi)套筒320 形成內(nèi)腔322,氧化劑流從氧化劑入口管301穿過該內(nèi)腔流到氧化劑腔303。 中間套筒319把氧化劑流與產(chǎn)生的合成氣流流體地分開，且把來自產(chǎn)生的合 成氣流的熱量傳遞到氧化劑流。熱交換器302可經(jīng)受極端的溫度(例如高達 約1200°C)、熱循環(huán)和熱應力。單獨的套筒優(yōu)選地利用有限數(shù)量的接頭和/ 或焊接接頭制造且更優(yōu)選地由單件材料制造以增加它們的耐用性。同心套形 式的熱交換器提供多個優(yōu)點，包括緊湊的體積、適應流體之間熱傳遞量的能 力、以及增加比例(increase in sale )而沒有不利地影響熱交換器的壓力降和 /或體積的能力。熱交換器302優(yōu)選地繞燃燒腔307和SGG300的縱向軸線同 心地定位，具有套筒結(jié)構(gòu)，以使得產(chǎn)生的合成氣流和氧化劑流沿同向流動方 向(盡管套筒可被構(gòu)造為允許存在其它相對流動方向)流動穿過熱交換器 302。同向流動氣體流構(gòu)造把進入的氧化劑流可實現(xiàn)的最大溫度限制到產(chǎn)生 的合成氣流的出口溫度。同向流動構(gòu)造提供多個優(yōu)點，包括氧化劑流溫度的 一些自身調(diào)節(jié)(通過改變氣體密度和由此改變穿過CFV的氧化劑的質(zhì)量流率，這然后影響產(chǎn)生的合成氣流的最終溫度和供應到熱交換器的熱量)和對
熱交換器302進行冷卻，這減少了其暴露于溫度極限之下。在一些應用中， 例如當空氣或高氧含量的氧化劑反應物被使用時，熱交換器302 (以及可選 的一部分殼體312、絕緣件308、絕緣件314和用于盛裝熱交換器302的反 應腔307)可被從SGG300消除，還降低了 SGG的體積和成本。
在SGG的啟動處理過程和/或消耗合成氣的系統(tǒng)的實施例中，通過調(diào)節(jié) 進入的氧化劑和燃料反應物流的當量比(或空燃比)，SGG可選擇性地運行 以在產(chǎn)物流中產(chǎn)生有限量的氫或產(chǎn)生可忽略量的氫。在圖5中，處理過程500 是合成氣發(fā)生器的啟動處理過程的例子，示出了確定燃料的質(zhì)量流的設定值 的步驟。處理過程500在步驟501開始，該步驟501確定SGG的開始處理 過程中產(chǎn)生的氫的期望量。在步驟501中，如果產(chǎn)物流中產(chǎn)生的可以忽略量 的氫是可接受的，且在該開始處理過程中期望更短的加熱時間段(實現(xiàn)期望 的SGG運行溫度的時間段)，則處理過程500將前進到步驟502。在步驟502 中，當量比可被選擇，以處于理論配比或靠近理論配比，以使得兩種反應物 都在燃燒過程中被基本上完全消耗，且SGG被基本上作為啟動時的燃燒器。 在步驟501中，如果期望在產(chǎn)物流中產(chǎn)生超過可以忽略量的氫且在啟動處理 過程中更長的加熱時間段是可接受的，則處理過程500將前進到步驟503 。 在步驟503中，當量比被選擇為富含燃料，這產(chǎn)生一些H2，但是傾向于導致 更長時間來使得SGG達到期望的運行溫度。當量比可通過在步驟504中調(diào) 節(jié)燃料的質(zhì)量流率而被控制，用于期望的啟動狀況，因為在啟動過程中，臨 界流動文氏管可被動地計量氧化劑的質(zhì)量流和有效地霧化液體燃料。使用 SGG來以所述的方式(快速地且基本沒有氫產(chǎn)生或更慢速地有一些氫產(chǎn)生) 自加熱(且可選地加熱其它系統(tǒng)部件)可降^f氐或消除系統(tǒng)中對于單獨的次級 氧化劑和/或燃料回路或燃燒室的需要。在步驟502和步驟503中，當量比不 必是一個恒定的設定值，例如，其可包括一個或多個當量比設定值和以可可 變的速度改變。
在上述裝置和方法的優(yōu)選實施例中，燃料處理器是合成氣發(fā)生器 (SGG)，其為非催化的部分氧化重整器(reformer),其在正常的運行中被 操作以產(chǎn)生合成氣流。但是，這里描述的燃料處理器設計和運行方法可被用 于各種類型的燃料處理器，包括SGG、重整器或反應器，用于產(chǎn)生含氫氣流。 這些可以是各種類型的，例如催化部分氧化器、非催化的部分氧化器、和/或自熱重整器。適當?shù)闹卣骱?或水-氣轉(zhuǎn)換催化劑可^f皮用于燃料處理器中。 供應到燃料處理器的燃料可以是液體燃料(這里是指當處于IUPAC規(guī) 定的標準溫度和壓力條件下為液體的燃料)或氣體燃料。適當?shù)囊后w燃料包
括，例如，柴油、汽油、煤油、液化天然氣(LNG)、燃油、曱醇、乙醇或 其它醇類燃料、液化石油氣(LPG)、或其它可得到氫的液體燃料。替換的 氣體燃料包括天然氣和丙烷。
燃料處理器可被用于使用了耗氫裝置的各種最終用途的移動或靜止應 用中。產(chǎn)品流可被用于一個或多個耗氫裝置，例如排氣后處理裝置、燃料電 池、或內(nèi)燃片幾。
雖然本發(fā)明的具體元件、實施例和應用已被示出和說明，但是應理解， 本發(fā)明不限制于次，因為本領域技術(shù)人員可進行修改而不偏離本發(fā)明的范 圍，特別是根據(jù)前述教導。
權(quán)利要求
1.一種燃料處理器，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流，所述燃料處理器包括燃料入口、氧化劑入口、產(chǎn)物出口和盛裝反應腔的外殼體，其中所述燃料處理器還包括(a)混合管，其被流體連接以接收來自所述氧化劑入口的所述氧化劑流和來自所述燃料入口的所述燃料流，用于形成組合反應物流且將所述組合反應物流大致軸向地導向進入所述反應腔中；且其中所述反應腔還包括(i)轉(zhuǎn)向腔；和(ii)轉(zhuǎn)向壁，位于所述轉(zhuǎn)向腔的一個端部處，用于重定向所述組合反應物流，以使得在所述轉(zhuǎn)向腔內(nèi)重定向的流環(huán)繞且接觸沿相反方向基本上軸向地流動的所述組合反應物流。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中在所述燃料處理器的運行過程 中，所述轉(zhuǎn)向腔和所述轉(zhuǎn)向壁在相反的反應物流之間建立低速區(qū)域，以穩(wěn)定 所述燃料處理器中的火焰的位置。
3. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向腔沒有流動分隔結(jié)構(gòu) 和流動阻擋結(jié)構(gòu)。
4. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向腔不包含用于促進所 述燃料和氧化劑流的轉(zhuǎn)換的催化劑。
5. 如權(quán)利要求4所述的燃料處理器，其中所述燃料處理器是非催化的合 成氣發(fā)生器。
6. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述氧化劑入口被流體連接， 以接收來自內(nèi)燃機的排出氣體。
7. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向腔的直徑是所述混合 管的出口的直徑的約3-7倍。
8. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向腔的直徑是所述混合 管的出口的直徑的約5倍。
9. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中從所述轉(zhuǎn)向壁的平均平面到所 述混合管的出口的距離是所述混合管的出口的直徑的約4-11倍。
10. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中從所述轉(zhuǎn)向壁的平均平面到所述混合管的出口的距離是所述混合管的出口的直徑的約7-8倍。
11. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，還包括位于所述混合管上游的臨 界流動文氏管。
12. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述反應腔還包括環(huán)繞所述 混合管的環(huán)形部，位于所述轉(zhuǎn)向腔的下游。
13. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述反應腔包括環(huán)繞所述混 合管的環(huán)形顆粒過濾器，位于所述轉(zhuǎn)向腔的下游。
14. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向壁的形狀設定為將 所述組合反應物流重定向為/人中心軸線向外且然后基本上沿相反方向返回 穿過所述轉(zhuǎn)向腔。
15. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向壁的形狀具有中間 峰頂，該峰頂朝向所述混合管突出且與所述混合管的軸線對齊。
16. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述轉(zhuǎn)向壁包括半喇叭環(huán)面、 半圓環(huán)環(huán)面、半圓錐環(huán)面、半^i形和盤狀結(jié)構(gòu)中的一種。
17. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，還包括多于一層的熱絕緣件，其 中每個層都具有不同的熱絕緣性能。
18. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，其中所述反應腔由一熱絕緣層形成。
19. 如權(quán)利要求18所述的燃料處理器，其中所述熱絕緣層被真空成形。
20. 如權(quán)利要求1所述的燃料處理器，還包括同心套式的熱交換器，該 熱交換器包括內(nèi)腔，該內(nèi)腔被流體連接以接收來自所述氧化劑入口的氧化劑 流且把氧化劑流朝向所述混合管導向，且包括環(huán)繞的外環(huán)形腔，該外環(huán)形腔 流被流體連接以接收來自所述反應腔的產(chǎn)物流且把該產(chǎn)物流朝向所述產(chǎn)物 出口導向。
21. 如權(quán)利要求20所述的燃料處理器，其中所述熱交換器被流體連接， 以使得所述氧化劑流和所述產(chǎn)物流被沿同向流動方向?qū)虼┻^所述同心套 熱交換器。
22. —種燃料處理器，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流，所述 燃料處理器包括燃料入口、氧化劑入口、產(chǎn)物出口和盛裝反應腔的外殼體， 其中所述燃料處理器還包括(a)混合管，其被流體連接以接收來自所迷氧化劑入口的所述氧化劑流和來自所述燃料入口的所述燃料流，用于形成組合反應物流且將所述組合反應物流大致軸向地導向進入所述反應腔中；(b) 轉(zhuǎn)向壁，位于所述反應腔的一個端部處，該轉(zhuǎn)向壁沿基本上相反 方向?qū)㈦x開所述混合管的所述組合反應物流重定向；(c) 環(huán)形顆粒過濾器，基本上同心地設置在所述混合管周圍。
23. 如權(quán)利要求22所述的燃料處理器，還包括設置在所述外殼體中的同 心套式的熱交換器。
24. —種運行燃料處理器的方法，所述方法包括(a)把氧化劑流和燃料流引入到所述燃料處理器中和將所述燃料與氧 化劑流混合以形成組合反應物流；(b )把所述組合反應物流大致軸向地引導進入所述燃料處理器內(nèi)的轉(zhuǎn) 向腔中，以使得其撞擊在轉(zhuǎn)向壁上且被所述壁重定向以沿基本上相反方向流 動，以使得其環(huán)繞且接觸軸向地流入所述轉(zhuǎn)向腔中的組合反應物流；(c)至少部分地燃燒和轉(zhuǎn)化所述轉(zhuǎn)向腔內(nèi)的組合反應物流，以形成含 氫產(chǎn)物流。
25. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中低速區(qū)域建立在所述轉(zhuǎn)向腔內(nèi)流動 的相反流之間的交界處，這穩(wěn)定了所述燃料處理器內(nèi)的燃燒火焰的位置。
26. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中步驟(a)包括把所述燃料流和所 述氧化劑流導向穿過位于所述轉(zhuǎn)向腔的上游的混合管。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)向腔的直徑是所述混合管的 出口的直徑的大約3-7倍。
28. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述轉(zhuǎn)向腔的直徑是所述混合管的 出口的直徑的大約5倍。
29. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述轉(zhuǎn)向壁的平均平面到所述混 合管的出口的距離是所述混合管的出口的直徑的約4-11倍。
30. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中從所述轉(zhuǎn)向壁的平均平面到所述混 合管的出口的距離是所述混合管的出口的直徑的約7-8倍。
31. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述燃燒和轉(zhuǎn)換是非催化的。
32. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述燃料處理器是非催化的合成氣 發(fā)生器且所述含氬產(chǎn)物流是合成氣流。
33. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述氧化劑流包括來自內(nèi)燃機的排出氣體。
34. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述氧化劑流基本上包括來自內(nèi)燃 機的排出氣體。
35. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述燃料流和所述氧化劑流被導向 穿過位于所述燃料處理器的混合管上游的臨界流體文氏管。
36. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述燃料處理器的運行過程中的至 少一些時間，所述組合反應物流的速度在所述燃料處理器某處超過所述組合反應物流的火焰速度。
37. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述燃料處理器的運行過程中的至 少一些時間，所述轉(zhuǎn)向腔的一些區(qū)域中，所述組合反應物流的速度高于所述 組合反應物流的火焰速度，且在所述轉(zhuǎn)向腔的其它區(qū)域中，所述組合反應物 流的速度低于所述組合反應物流的火焰速度。
38. 如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述產(chǎn)物流和未反應的組合反應物 流被導向穿過位于所述燃料處理器中在所述轉(zhuǎn)向腔下游的顆粒過濾器。
39. 如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述產(chǎn)物流和未反應組合反應物流 被導向穿過環(huán)形顆粒過濾器，該過濾器基本上同心地設置在所述轉(zhuǎn)向腔的下 游的所述混合管周圍。
40. 如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述未反應物流穿過所述顆粒過濾 器時被進一步轉(zhuǎn)換為所述產(chǎn)物流。
41. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括經(jīng)由位于所述燃料處理器內(nèi)的熱 交換器把熱量從所述產(chǎn)物流傳遞到所述氧化劑流。
42. 如權(quán)利要求41所述的方法，其中所述熱交換器是同心套式的熱交換 器，且所述氧化劑流被導向穿過所述混合管上游的所述熱交換器的內(nèi)管，且 所述產(chǎn)物流在離開所述燃料處理器之前被導向穿過所述熱交換器的外環(huán)形 腔。
43. 如權(quán)利要求42所述的方法，其中所述氧化劑流和所述產(chǎn)物流被導向 穿過同向流動構(gòu)造的所述同心套式的熱交換器。
44. 一種運行燃料處理器的方法，所述方法包括(a) 供應燃料流和氧化劑流到所述燃料處理器中；(b) 將所述氧化劑流和所述燃料流混合，以形成組合反應物流；(c) 在所述燃料處理器內(nèi)開始氧化處理過程，由此通過所迷氧化處理過程產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)換所述組合反應物流；其中，當所述燃料處理器的被監(jiān)控的參數(shù)處于預定閾值之下時，所述燃 料和氧化劑流被以大致理論配比的比例供應，且一旦所述被監(jiān)控的參數(shù)達到 所述預定閾值時，燃料對氧化劑的比例增加。
45. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述被監(jiān)控的參數(shù)是所述燃料處理 器的運行溫度或已運行時間。
46. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中通過控制所述燃料的質(zhì)量流率來控 制燃料對氧化劑的所述比例。
47. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中所述氧化劑流和所述燃料流被導向 穿過臨界流動文氏管。
48. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中燃料對氧化劑的所述比例以至少一 種設定值增加。
49. 如權(quán)利要求44所述的方法，其中燃料對氧化劑的所述比例被以變化 的速率增加。
50. —種燃料處理器，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流，所述 燃料處理器包括燃料入口、氧化劑入口、產(chǎn)物出口和盛裝反應腔的外殼體， 其中所述燃料處理器還包括(a)混合管，其被流體連接以接收來自所述氧化劑入口的氧化劑流和 來自所述燃料入口的燃料流，用于形成組合反應物流且將所述組合反應物流 大致軸向地導向進入所述反應腔中； 且其中所迷反應腔還包括(i) 轉(zhuǎn)向腔；和(ii) 轉(zhuǎn)向壁，位于所述轉(zhuǎn)向腔的一個端部處，用于重定向所述組合反 應物流，以使得在所述轉(zhuǎn)向腔內(nèi)該重定向的流環(huán)繞且接觸沿相反方向基本上 軸向地流動的所述組合反應物流；和熱線點火塞。
51. 如權(quán)利要求50所述的燃料處理器，其中在所述燃料處理器的運行期 間，所述轉(zhuǎn)向腔和所述轉(zhuǎn)向壁在相反的反應物流之間建立低速區(qū)域，且其中 所述熱線點火塞的頂端位于所述低速區(qū)域中。
52. 如權(quán)利要求50所述的燃料處理器，其中所述熱線點火塞位于所述轉(zhuǎn) 向腔的下部。
全文摘要
燃料處理器，用于從燃料流和氧化劑流產(chǎn)生含氫產(chǎn)物流，包括混合管，其把組合的燃料和氧化劑流大致軸向地導向進入反應腔中。反應腔包括轉(zhuǎn)向腔和轉(zhuǎn)向壁，該轉(zhuǎn)向壁位于轉(zhuǎn)向腔的一個端部處，以使得在轉(zhuǎn)向腔內(nèi)重定向的流環(huán)繞且接觸沿相反方向基本上軸向地流動的組合反應物流。該設計和相反流動構(gòu)造建立低速區(qū)域，這穩(wěn)定了燃料處理器中的火焰的位置且提供了其它優(yōu)點。
文檔編號B01F5/00GK101687166SQ200880014450
公開日2010年3月31日 申請日期2008年5月1日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月1日
發(fā)明者威廉·A·洛根, 安德烈·鮑萊特, 李絢天, 理查德·A·塞德奎斯特, 雅各布·尼爾斯 申請人:恩克斯特根排放控制股份有限公司