用于燃料电池动力厂的烃燃料转化炉设备制造技术

一种由粗燃料生产富含氢气的工艺燃料的燃料转化炉，其包括绝热壳体内紧凑排列的催化剂管（３０）。催化剂管束包括多根以阵列排列的催化剂管（３０）。催化剂管的内部包括中空的一端封死的中心管（７６），该中心管用作燃料气流夹带粉末的粉末捕集器。催化剂管具有上截锥形部分（６４），其延伸提供催化剂储备的催化剂床（７２）。设备包括侧加热的启动燃烧器，在转化炉的顶部该燃烧器具有扩散燃烧器孔阵列。催化剂管（３０）由设备的侧壁支撑，该侧壁稳定了设备中的催化剂管。内部的横向管板通过管组件连接在一起来支撑催化剂管束的重量。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种催化反应系统。更确切地说，本专利技术涉及一种具有一列催化剂管的系统，每个催化剂管具有环形的催化剂床。
技术介绍
催化反应装置通常用于工业中生产诸如富含氢的燃料气之类的工业气体，所以在本领域是众所周知的。生产氢气的最普通的方法是水蒸汽转化工艺，其中粗燃料气与蒸汽混合并通过排列在管式转化炉中的催化剂床。加热炉为该吸热反应提供热量，在加热炉内炉管以宽距离间隔构造设置。由于这些工业装置的体积大和有限的操作灵活性，所以直到美国专利US 4,098,587；US 4,098,588和US 4,098,589公开的内容申请成功，才使得水蒸汽转化技术与动力厂的使用成功地融为一体，该动力厂利用耗氢的燃料电池。上述专利提出的新型设计由具有许多重要特征的紧凑反应装置组成，这些重要特征使蒸汽转化技术适合于燃料电池动力厂的应用。换句话说，新型的设计是蒸汽转化粗燃料的紧凑反应装置，其主要特点在于其具有紧密地排列在加热炉内的许多垂直的管式转化炉(按照本领域的标准)，并被屏蔽以便在管束的任何位置产生均匀加热的管子；具有炉腔区域和增强的换热区域；以及在反应产物和生产用水蒸汽之间引入的再生性热传递能力相结合的环形转化炉。新型设计产生的蒸汽转化炉装置满足了燃料电池动力厂的规模和操作特点的需要，而维持较高的热效率以保证竞争性的所有的动力厂操作效率是必需的。虽然上述专利公开的设计对于燃料电池动力厂氢生产技术的应用来说是里程碑式的成就，但是这些早期设计仍需要改进来使其真正地更紧凑、重量更轻、热分布更均匀和催化剂床更稳定。这些问题的关键是开发一种有效的支撑结构，该支撑结构能使管束(trbe array)直立并能够适当地分布由管子和催化剂以及辅助设备所产生负荷力和而不会因此使重量过多地增加或使结构固定装置过于复杂和昂贵。本专利技术的公开本专利技术涉及一种紧凑、有效的转化炉，其用于从诸如天然气等之类的粗燃料气中生产出富含氢气的工艺燃料。本专利技术的转化炉包括一列容纳在绝热壳体内的紧凑的催化剂管。催化剂管束优选包括多根以正六边形排列的管子。为了生产和结构效率，壳体优选圆形的，在圆形壳体的内部充满形状上与之匹配的保温层。例如，当转化炉管采用六边形排列时，保温层将具有正六边形的周界来面对转化炉管束。在阵列中最外面的管子同样有效地绝热防止热损失。管径也以大小排列使得阵列中相邻管子的间距因有效热传递而最小化。在转化炉操作温度下的静重载荷条件下，刚性管支撑结构保持着管子间的临界间距。每根催化剂管的内部包括一中空的、一端封死的中心管，加工过的燃料离开催化剂反应床层后流经该中心管。一端封死的管子用作收集催化剂粉末的粉末捕集器，该催化剂粉末是燃料气流经过催化剂床层时夹带的。催化剂管的最上面还具有延长了催化剂床的圆锥形的顶盖，当建造和装配管子时可以将过量的催化剂装载在床内。即使发生催化剂的突然下降和沉降的情况下，装配的和封闭的催化剂管将含有过量的催化剂来维持催化剂床的理想高度。通过催化剂颗粒各自的大小和催化剂床的径向厚度来控制催化剂的沉降。此外，当流动面积增加时，通过减小气体流速圆锥形顶帽的形状可以阻止催化剂反应区上部催化剂床的流化。因为流化导致在该区域内每个热循环的催化剂的过量沉降和破碎，所以这一点是很重要的。这样加剧了希望降到最小的催化剂层高度损失。该设计的特征还在于使用了侧加热启动燃烧器，而不是使用以前所用的中心加热启动燃烧器。侧加热燃烧器在转化炉的顶部具有改进的扩散的燃烧器孔阵列。这样，可以实现不受位于中心的启动燃烧器干扰的燃烧器孔阵列，以便于更容易并更有效地获得来自扩散燃烧器的热分布。可以理解，位于中心的启动燃烧器的存在将影响扩散炉模式，并且当启动燃烧器停车时将会在加热炉上端的中心部位产生空白。当使用本专利技术的侧加热启动燃烧器时，就不会发生这种不理想的结果。该设计的特征还在于使用了转化炉管帽，该管帽比普通使用的具有更厚的厚度来承受增加的温度操作范围，这是因为操作范围主要受腐蚀和强度需要所限制。增加位于转化炉管最热部分的顶帽的厚度可以提高转化炉的能力来处理设计和结构变化，并增加了设计的安全限度。设备壳体的侧壁以稳定设备中管道的方式支撑催化剂管，并且催化剂管使设备可以利用具有独特结构特点的组件设备元件以改善其强度和刚度，以及在不增加重量和体积的条件下的抗热应力性能，该装配。在上述的美国专利US 4,098,587中，催化剂管的重量由装置的底壁支撑，该装置的底壁也是容器的压力界限。在本专利技术的装置中，内部的横向多管板(manifold plates)由管组件部分连接在一起，以便形成支撑催化剂管束重量的复合柱。多管板和连接的管组件部分以产生复合柱的结构和效果的方式互相接触，该复合柱将负荷自外面管子传递到装置的圆柱形侧壁。形成的结构以类似于蜂窝板的形式具有增加的负荷承受力。两个内部的横向多管板用作蜂窝状结构的面板，其中多管板之间的管截面部分用作蜂窝状结构的核心。由于设备的底部区域不再承受管重和负荷支撑，因此底部区域可用于其它的功能，例如附加的粉末俘获器，或者集中热交换部分。这是一个理想的特点，其在重量和体积敏感的动力厂设计方面能够达到最大化的组装密度。因此，本专利技术的一个目的是提供一种用于转化燃料供应的更加有效、紧凑的装置，以便使燃料适于燃料电池动力厂的应用。本专利技术的另一个目的是提供一种具有描述的特征的装置，其中催化剂床的聚集可以改善。通过下面结合附图的详细描述，本专利技术的这些和其它目的及优点将变得更加明显，其中附图简述附图说明图1是根据本专利技术形成的转化炉设备的轴向截面视图； 图1A是表示在图1中的环形燃料气入口通道的放大和局部视图；图2是图1转化炉设备上部的局部轴向截面视图；图3是转化炉设备的横向截面视图；图4是其中一个催化剂管组件的轴向的截面视图，它表示出了转化炉设备中催化剂管组件的安装方式；和图5是其中一个催化剂管组件下部的局部轴向截面视图。本专利技术的详细描述现参照附图，图1公开了一种依照本专利技术组成的转化炉装置10的实施方式，该转化炉装置包括容纳多根催化剂管14的壳体12，在催化剂管内进行粗烃燃料油的加工。转化炉装置10包括将粗烃燃料导入到装置10中的粗燃料入口16，和一个将转化后的烃燃料自装置10中除去的转化后的燃料出口18。装置10还包括将燃烧器燃料导入装置10的燃烧器燃料入口20，和为了支持燃烧器燃料的燃烧来为粗烃燃料的加工提供热量而将环境空气或其它氧气源导入装置10的燃料燃烧器空气入口22。燃烧器废气出口24是用于从装置10中排空燃烧器燃料废气流。在附图中，箭头A和B分别表示燃烧器气体和燃烧器空气气流的流动方向。箭头C和D分别表示启动燃烧器气流和转化后的加工燃料的流动方向。如图1、2和3所示，十九个独立的催化剂管组件14以紧密组装的正六边形阵列的形式排列。催化剂管组件阵列具有七个催化剂管组件的中心族和十二个催化剂管组件的外部族。每个催化剂管组件14包括外面的具有内表面32和外表面34的转化炉管30。转化炉管30的密封上端36具有位于转化炉管30最上部的顶帽38。转化炉管30具有下端40和从下端40延伸到顶帽38的管体42。再生器管50同轴地位于转化炉管30的内部。再生器管50分别有内表面52和外表面54，并从催化剂管组件14的下端56延伸到其上端本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于将粗燃料气转化成富含氢气的工艺气体的烃燃料气转化炉设备，所述的富含氢气的工艺气体适合于燃料电池动力厂的使用，所述的设备包括： ａ）绝热壳体； ｂ）设置在所述的壳体内的多根催化剂管； ｃ）设置在每根所述的催化剂管内的环形催化剂床；和 ｄ）在每根所述催化剂管内的中心再生器管组件，所述的再生器管组件径向向内设置在所述的催化剂床内。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：SP邦克，GW斯切夫勒，PF福利，TJ科里甘，RA塞德奎斯特，FA科卡姆，
申请(专利权)人：UTC燃料电池有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]