用于蒸汽产生和气体预热的传热装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种传热装置，其整合有锅炉和气体预热器以进行蒸汽产生和气体预热。在一个实施例中，本发明专利技术的传热装置可以在燃料处理应用中使用。在这个实施例中，传热装置可以位于例如阳极尾气氧化器的燃烧室的下游。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术通常涉及用于蒸汽产生和气体预热的传热装置。本专利技术尤 其涉及一种传热装置，其中，锅炉和气体预热器整合到一个装置中以 产生过热蒸汽和高温气体(空气或燃料)。在一个说明性实施例中，本 专利技术应用于燃料处理应用，具体地，可以位于燃烧室或阳极尾气氧化 器的下游。
技术介绍
燃料电池通过化学氧化还原反应提供电能并且就清洁度和效率来 说明显优于其它形式的能量产生。典型地，燃料电池使用氢气作为燃 料，使用氧气作为氧化剂。能量产生与反应物的消耗率成比例。限制燃料电池更广泛使用的明显缺陷在于缺少分布广泛的氢气基 础设施。氢气具有比较低的体积能量密度，与目前在大多数发电系统 中使用的烃类燃料相比更难储存和输送。克服该难题的一个方法是使 用重整装置将烃类转化为富氢气体流，其可以用作燃料电池的原料。烃基燃料，例如天然气、LPG、汽油和柴油需要转化处理以用作 大多数燃料电池的燃料源。当前技术使用多步骤工艺，将初始转化工 艺与几个净化工艺相结合。初始工艺最常见为蒸汽重整(SR)、自热 重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。 净化工艺通常由脱硫、高温水气变换、低温水气变换、选择性的CO 氧化或选择性的CO甲烷化的组合构成。可选的工艺包括氢气选择性 膜反应器和过滤器。在燃料处理装置，例如SR或ATR反应器中，需要过热蒸汽和预 热空气和/或燃料。燃料处理效率直接受到蒸汽过热程度以及热空气或 燃料预热程度的影响。4通常，来自燃烧室或阳极尾气氧化器(ATO)的热燃烧排气(也 称作烟道气)用作蒸汽产生和空气/燃料预热的热源。除了燃料重整装 置之外，燃料处理系统典型地包括锅炉和空气/燃料预热器，所述预热 器由内部具有用于热交换和蒸汽产生的几个螺旋盘管的壳体构成。热 燃烧排气通常只流过壳体一次，同时水和冷气体(空气或燃料)流过 内盘管。在这种结构中，虽然可以产生蒸汽，但蒸汽未充分过热到希 望的温度(例如，600°C)。另外，由于在盘管内部容易形成栓流，蒸 汽产量不稳定。另外，用于气体预热的传热效率非常有限，因此，空 气和/或燃料不能充分预热到对于ATR应用来说足够的高温。低蒸汽产量和传热效率归因于锅炉和空气/燃料预热器的设计。首 先，燃烧排气只流过壳体一次，这不能确保热排气和冷蒸汽之间足够 的接触时间。其次，典型的锅炉使用1/4英寸螺旋盘管，两相流在盘 管内的流动非常接近于水平方向，因此，在如此小直径盘管中更易形 成栓流。再次，在大部分时间里，热蒸汽和冷蒸汽同时流动，这限制 了将冷蒸汽加热到高于ATO排气的出口温度的温度。需要兼顾有效热传递和稳定蒸汽产量的锅炉和气体预热器设计。 本专利技术提供了一种用于蒸汽产生和气体预热的传热装置。选择性地， 本专利技术的传热装置在燃料处理应用中可以位于燃烧室或ATO下游。
技术实现思路
本专利技术公开了一种热交换器，其中，锅炉和气体预热器整合到一 个装置中以产生过热蒸汽和高温气体(空气或燃料)。在一个实施例中， 本专利技术的传热装置在燃料处理应用中可以位于燃烧室例如阳极尾气氧 化器(ATO)的下游。本专利技术的传热装置设计的特征之一在于，来自燃烧室或ATO的热 排气三次(向上或向下)流过本专利技术的柱状壳体，而不是传统的流过 一次。该特征增加了热排气接触冷蒸汽的接触时间，从而提高了热传 递。本专利技术的传热装置设计的第二个特征在于，锅炉设计兼顾流动沸腾和池沸腾。本专利技术的钟形环状空间内的水可以几乎与流动沸腾一样 向上流动，但由于顶部存在较大开放空间用于将液滴击落而不易结块， 从而形成不连续的两相流动，使蒸汽与水分开。另外，本专利技术的锅炉 还类似于池沸腾，这是因为由于连续不断的水供给以及水位在稳定条 件下通常恒定，使得有一部分水保持在钟形储存器中。因此，在流动 沸腾型热交换器中经常遇到的不利结块减到最小程度，并且获得了更 稳定的蒸汽产量。本专利技术传热装置的设计的另一特征在于，它对蒸汽产量具有更好的调气比(turn-down ratio )，因为沸腾传热表面面积可以随水位而变， 而水位相应地随水流量而变。本专利技术传热装置的设计的附加特征在于，它整合有轧制翅片热交 换器，以便尤其是在热源已经冷却的位置增强气气热交换。另外，本专利技术的热传递设计在于，由于热排气和冷蒸汽之间的反 向流动路径，蒸汽或气体可以加热到更高的温度。总之，本专利技术的热交换器的设计提供了用于燃料处理应用的有效 热传递和稳定蒸汽产量。附图说明参考附图对本专利技术进行描述，其中图l显示了用于燃料处理器的简单工艺流程图。图2显示了紧凑的燃料处理器的实施例。图3显示了传热装置的实施例。图4显示了与混合燃烧室结合使用的传热装置的实施例。 具体实施例方式本专利技术公开了一种传热装置，其中，锅炉和气体预热器整合到一 个装置中以产生过热蒸汽和高温气体(空气或燃料)。在本专利技术的一个 实施例中，本专利技术的传热装置与燃料处理装置结合使用；然而，可以 想到，本专利技术的传热装置还可以用于其它应用并且不局限于燃料处理应用。燃料处理系统需要过热蒸汽和预热空气和/或燃料。燃料处理器通 常是用于将烃类燃料转换为富氢气体的设备。在本专利技术的一个实施例 中，这里描述的紧凑的燃料处理器从供燃料电池使用的烃类燃料中生产富氢气体流；然而，本专利技术的范围不局限于这种用途。用于燃料处理器的烃类燃料在环境条件下可以是液体或气体，只 要它可以汽化即可。当在此使用时，术语"烃类，，包括具有碳-氢键的有 机化合物，其能够通过部分氧化或蒸汽重整反应产生氢气。在化合物 的分子结构中不排除存在碳和氢以外的原子。因此，用于燃料处理器 的适用燃料包括但不限于例如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石 脑油、汽油和柴油的烃类燃料，以及例如曱醇、乙醇、丙醇的酒精等。燃料处理器进料包括烃类燃料、氧气和水。氧气可以是空气、富 氧空气或大体上纯氧。水可以液体或蒸汽形式引入。进料成分的组成 百分比由希望的工作条件决定，如下所述。燃料处理器排出流包括氢气和二氧化碳，还可以包括一部分水、 未转化的烃类、 一氧化碳、杂质(例如，硫化氢和氨)以及惰性组分 (例如，氮气和氩气，尤其是如果空气是进料流的一部分的话)。参见图1，图1显示了燃料处理器的简单工艺流程图，举例说明 了将烃类燃料转化为富氢气体所包括的工艺步骤。本领域的技术人员 应当认识到，在反应物通过这里公开的反应器流动的过程中需要一定 量的渐进顺序。处理步骤A是自热重整过程，其中，两个化学反应，即部分氧化 (下面的反应式I)和选择性的蒸汽重整(下面的反应式II)联合作用 以将进料流F转化为含有氢气和一氧化碳的合成气体。反应式I和II 是示例性的反应式，其中，甲烷被认为是烃类<formula>formula see original document page 7</formula>部分氧化反应非常迅速地发生以使添加的氧气完全转化并产生热 量。蒸汽重整反应较慢地发生并且消耗热量。进料流中氧气的浓度越高，越有助于部分氧化，而水蒸气浓度越高，越有助于蒸汽重整。因 此，氧气与烃类之比以及水与烃类之比成为特征参数。这些比值影响 工作温度和氢气产量。根据进料条件和催化剂，自热重整步骤的工作温度可以为大约550。C到大约900°C。本专利技术可以在有或没有水蒸气重整催化剂的情况 下使用部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传热装置，包括：　壳体；　锅炉；　气体预热器；　第一环形空间；　第二环形空间；　多个入口；和　多个出口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云权，
申请(专利权)人：德士古发展公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]