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CN105705459B - 包括气化器的液体燃料重整器和将液体可重整燃料重整的方法 - Google Patents

包括气化器的液体燃料重整器和将液体可重整燃料重整的方法 Download PDF

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CN105705459B CN201480061176.6A CN201480061176A CN105705459B CN 105705459 B CN105705459 B CN 105705459B CN 201480061176 A CN201480061176 A CN 201480061176A CN 105705459 B CN105705459 B CN 105705459B
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Watt Fuel Cell Corp
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Abstract

液体燃料重整器(400)包括燃料气化器(415)，所述燃料气化器(415)利用来自能在所述重整器(400)的启动模式中操作并且因此独立于所述重整器的重整反应区的上游热源特别是电加热器(406)的热以使燃料在下游气化区中气化。

Description

包括气化器的液体燃料重整器和将液体可重整燃料重整的 方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2013年11月6日提交的美国专利申请序号61/900,510的权益，将其全部内容引入本文作为参考。
技术领域
本公开内容涉及液体燃料重整器和更具体地涉及这样的重整器：其包括用于使液体燃料在其引入到气相重整反应区(zone)中之前气化或蒸发的燃料气化器。
背景技术
液体燃料气相重整器是其中使包含气化的液体燃料(例如甲醇、乙醇、馏出物、石脑油、煤油、汽油、柴油、生物柴油等、或其组合)和包含氧气的气体(含氧气体，oxygen-containing gas)典型地空气和在蒸汽重整器或自热重整器的情况下作为蒸汽的水的气态可重整反应混合物在气相中转化为富含氢气的重整物(通常被称为“合成气体”或“合成气”)的化学反应器。该类型的重整器包括用于使液体燃料在如下之前或者当如下时气化或蒸发的一些手段：所述燃料与可重整反应混合物的包含氧气的气体和蒸汽(如果使用的话)组分混合。
在一种已知类型的用于液体燃料重整器的气化器中，将处于环境温度的液体燃料作为喷雾引导向经电加热的表面，其中在与所述热表面接触时发生所述燃料的气化。基于所述燃料与热表面的接触即“接触气化”的原理而操作的液体燃料气化器易受以下缺点：将环境温度燃料(所谓的“冷燃料”)快速引入到热表面上可导致燃料液滴弹起而不气化以及粘附至所述热表面的燃料液滴通过热解而分解。这些事件的任一个可导致焦油和/或焦炭的累积，所述焦油和/或焦炭对如下有害：所述重整器的有效率的操作以及在重整器向燃料电池系统供应富含氢气的重整物的情况下，还可加上所述燃料电池系统的有效率的操作。
已知在液体燃料重整器中通过如下使液体燃料气化：将所述燃料用热气体加热至其气化温度，所述热气体由将所述液体燃料的一部分用作为空气供应的氧气燃烧得到。虽然该类型的燃料气化器避免了上述接触气化的缺点，但是其易受如下缺点：该燃烧反应有形成炭黑和/或其它富含碳的热解产物例如焦油和焦炭的风险，所述炭黑和/或其它富含碳的热解产物例如焦油和焦炭随着时间流逝将积聚，导致所述气化器为其一部分的重整器的性能的逐渐退化。
因此对于在液体燃料重整器中引入如下的燃料气化器存在需要：其避免了已知气化器装置的前述缺点，同时提供所有类型的可重整液体燃料的有效的和在热方面有效率的气化。
发明内容
根据本公开内容，提供用于制造富含氢气的重整物的液体燃料重整器系统，所述液体燃料重整器系统可包括：液体燃料重整器，可包括重整器入口；导管，其包括包含氧气的气体入口、位于所述包含氧气的气体入口下游的液体可重整燃料入口、和位于所述液体可重整燃料入口下游的气态反应混合物出口，其中所述导管可提供所述包含氧气的气体入口、所述液体可重整燃料入口和所述气态反应混合物出口之间的流体连通，并且所述气态反应混合物出口可与所述重整器入口流体连通；第一热源，可包括电加热器，所述第一热源可设置在所述导管中的在所述包含氧气的气体入口下游且在所述液体可重整燃料入口上游的位置处；第二热源，可包括来自所述液体燃料重整器和/或在所述液体燃料重整器外部的氢气重整物消耗装置的放热热(热量)，所述第二热源可与所述导管热连通并且处于在所述第一热源下游且在所述液体可重整燃料入口上游的位置处；气化器，所述气化器可设置在所述导管中的在所述液体可重整燃料入口下游或者限定所述液体可重整燃料入口的位置处；和富含氢气的重整物出口。
在所述液体燃料重整器系统中，第三热源可包括电加热器并且可设置在所述导管内在所述第二热源的下游。
在所述液体燃料重整器系统中，电加热器可为电阻加热器。
在所述液体燃料重整器系统中，可设置与所述液体重整器热连通的热交换器结构体。
在所述液体燃料系统中，所述主气流导管可进一步包括分支导管，所述分支导管具有设置在所述主导管内或者外部的包含氧气的气体入口，连接至所述主导管且设置在所述气化器下游的包含氧气的气体入口。
所述液体燃料重整器系统还可包括控制器，所述控制器与如下可操作地连通：位于所述导管中在所述气化器的出口处或下游的热电偶，位于所述导管中在所述气化器上游的热电偶，位于所述导管中在所述气化器上游的包含氧气的气体流量计，位于所述液体可重整燃料入口处或上游的液体可重整燃料流量计，包含氧气的气体的来源，液体可重整燃料的来源，所述第一热源和所述第二热源。
在所述液体燃料重整器系统中，所述氢气重整物消耗装置可包括燃料电池单元。
在所述液体燃料重整器系统中，所述第二热源可包括来自燃料电池堆和/或燃料电池堆的后燃烧器的放热热。
在所述液体燃料重整器系统中，所述气化器可包括液体燃料管线，所述液体燃料管线提供所述气化器和液体燃料的来源之间的流体连通。
在所述液体燃料重整器系统中，所述液体燃料管线的位于所述导管中的末端段(section)可包括燃料撒布器。
在所述液体燃料重整器系统中，所述液体燃料管线可包括热传递段，所述液体燃料管线的所述热传递段可与所述第一热源和所述第二热源的至少一个热连通并且与其邻近(接近)。
在所述液体燃料重整器系统中，所述气化器可包括燃料撒布器。
在所述液体燃料重整器系统中，所述燃料撒布器可为虹吸油芯(wick)或喷射器。
在所述液体燃料重整器系统中，所述液体燃料重整器可为自热重整器。
在所述液体燃料重整器系统中，所述包含氧气的气体入口可用水/蒸汽入口代替，并且所述液体燃料重整器可为蒸汽重整器。
在所述液体燃料重整器系统中，所述第二和任意第三热源可定位成邻近于所述气化器并且在所述气化器上游。
根据本公开内容，提供将液体可重整燃料重整的方法，所述方法可包括将包含氧气的气体引入到用于将流体朝着重整器的入口发送的导管中；将所述包含氧气的气体的物流用如下的至少一个加热：第一热源，包括来自所述反应器和/或外部的氢气重整物消耗装置的放热热，所述第二热源与所述导管在所述第一热源下游且在所述燃料入口上游热连通，所述第二热源提供经加热的包含氧气的气体的物流；通过气化器或晚于气化器将液体可重整燃料引入到所述经加热的包含氧气的气体的物流中以提供经加热的气态重整反应混合物；和将所述经加热的气态重整反应混合物重整以制造富含氢气的重整物。
所述方法可进一步包括将所述包含氧气的气体的物流和/或所述经加热的包含氧气的气体的物流用设置在所述导管内和所述第二热源下游的包括电加热器的第三热源加热。
所述方法可进一步包括停止用所述第一热源加热所述包含氧气的气体的物流，并且用所述第二和/或第三热源加热所述包含氧气的气体的物流。
所述方法可进一步包括通过所述第三热源调节由所述第一和/或第二热源供应的热。
所述方法可进一步包括在将所述液体可重整燃料引入到所述气化器中之前，使用所述第二热源和/或第三热源(当存在时)加热所述液体可重整燃料。
在所述方法中，引入到所述经加热的包含氧气的气体的物流中的所述液体可重整燃料可在与所述经加热的包含氧气的气体接触时气化。
在所述方法中，所述电加热器(一个或多个)可为电阻加热器。
在所述方法中，所述氢气重整物消耗装置可包括燃料电池单元并且所述放热热可包括来自燃料电池堆和/或所述燃料电池堆的后燃烧器的热。
所述方法可进一步包括监测所述经加热的包含氧气的气体的物流的流速、液体可重整燃料的流速、所述气化器的温度、所述经加热的包含氧气的气体的物流的温度和所述液体可重整燃料的温度；和响应于所述监测的结果而控制所述液体可重整燃料的气化。
在所述方法中，控制所述气化可包括调节由所述第二热源和/或所述第三热源供应的热。
在所述方法中，将所述经加热的气态重整反应混合物重整可包括自热重整，并且所述方法可进一步包括将蒸汽引入到所述导管中以提供包括所述气态的液体可重整燃料、包含氧气的气体和蒸汽的经加热的气态重整反应混合物。
在所述方法中，将蒸汽引入到所述导管中可包括将蒸汽通过所述气化器引入。
在所述方法中，所述气化器可包括燃料撒布器并且将蒸汽通过所述气化器引入可包括将蒸汽通过所述燃料撒布器引入。
根据本公开内容，提供对液体可重整燃料进行蒸汽重整的方法，所述方法可包括将水和/或蒸汽引入到用于将流体朝着重整器的入口发送的导管中；将所述水和/或蒸汽的物流加热以提供蒸汽的物流；通过气化器或晚于气化器将液体可重整燃料引入到所述蒸汽的物流中以提供经加热的气态蒸汽重整反应混合物；和将所述经加热的气态重整反应混合物重整以制造富含氢气的重整物。
所述方法可进一步包括使用热源产生蒸汽，所述热源可为来自所述重整器和/或在所述重整器外部的氢气重整物消耗装置的放热热。
所述方法可进一步包括将蒸汽通过所述气化器的燃料撒布器引入。
根据本公开内容提供用于制造富含氢气的重整物的液体燃料重整器，所述重整器可包括：
用于接收包括包含氧气的气体和气化的液体可重整燃料的气态反应混合物的流的入口，重整反应区，和用于富含氢气的重整物的出口；
用于将包含氧气的气体和气化的液体可重整燃料朝着所述重整器的入口发送的导管，所述导管包括用于包含氧气的气体的入口、用于液体可重整燃料的入口以及与所述重整器的入口气流连通的出口；
能在所述重整器的操作的启动模式中操作以对引入到所述重整器中的包含氧气的气体进行加热的第一热源，所述第一热源包括设置在所述导管内的在所述用于包含氧气的气体的入口下游且在所述用于液体可重整燃料的入口上游的位置处的电加热器和第一加热区，由所述电加热器产生的被传递至引入到所述导管中的包含氧气的气体，从而将所述包含氧气的气体在所述气体穿过所述第一加热区时加热至预设的温度范围内；
能在所述重整器的操作的稳态模式中操作以对引入到所述重整器中的包含氧气的气体进行加热的第二热源，所述第二热源包括从所述重整器和/或在所述重整器外部的重整物消耗装置回收到设置在所述导管内的在所述用于包含氧气的气体的入口下游且在所述用于液体可重整燃料的入口上游的位置处的第二加热区内的放热热，从所述重整器和/或重整物消耗装置回收的放热热被传递至被引入到所述导管中的包含氧气的气体，从而将所述包含氧气的气体在所述气体穿过所述第二加热区时加热至预设的温度范围内；和
用于将液体可重整燃料气化的气化器，所述气化器设置在所述导管内的在用于引入到所述导管中的液体可重整燃料的入口下游或者充当用于引入到所述导管中的液体可重整燃料的入口的位置处，所述液体可重整燃料被在所述重整器的启动模式期间从所述第一加热区通过和在所述重整器的稳态模式期间从所述第二加热区通过的经加热的包含氧气的气体所气化并且与其组合。
进一步地，根据本公开内容，提供在重整器的操作的启动和稳态模式中将液体可重整燃料重整以制造富含氢气的重整物的方法，所述方法可包括：
a)在启动模式中：
(i)将包含氧气的气体引入到用于将气体朝着重整器的入口发送的导管中，所述导管包括用于包含氧气的气体的入口、用于液体可重整燃料的入口以及与所述重整器的入口气流连通的用于经加热的气态反应混合物的出口，
(ii)将所述包含氧气的气体通过设置在所述导管内的在所述用于包含氧气的气体的入口下游且在所述用于液体可重整燃料的入口上游的位置处的包括电加热器和第一加热区的第一热源加热，由所述电加热器产生的热被传递至引入到所述导管中的包含氧气的气体，从而将所述包含氧气的气体在所述气体穿过所述第一加热区时加热至预设的温度范围内，
(iii)将液体可重整燃料引入到所述导管中，
(iv)通过设置在所述导管内的在用于引入到所述导管中的液体可重整燃料的入口下游、或者充当用于引入到所述导管中的液体可重整燃料的入口的位置处的气化器，使引入到所述导管中的液体可重整燃料气化，所述液体可重整燃料被从所述第一加热区通过的经加热的包含氧气的气体所气化并且与其组合，从而提供经加热的气态重整反应混合物，
(v)将来自步骤(iv)的经加热的气态重整反应混合物引入到所述重整器的入口中，和
(vi)将所述经加热的气态重整反应混合物在所述重整器内重整以开始富含氢气的重整物的制造；和
b)在稳态模式中：
(vii)将包含氧气的气体引入到所述导管中,
(viii)通过第二热源加热所述包含氧气的气体，所述第二热源包括从所述重整器和/或在所述重整器外部的重整物消耗装置回收到设置在所述导管内的在所述用于包含氧气的气体的入口下游且在所述用于液体可重整燃料的入口上游的位置处的第二加热区内的放热热，从所述反应器和/或重整物消耗装置回收的放热热被传递至引入到所述导管中的包含氧气的气体，从而将所述包含氧气的气体在所述气体穿过所述第二加热区时加热至预设的温度范围内，
(ix)将液体可重整燃料引入到所述导管中，
(x)将引入到所述导管中的液体可重整燃料通过步骤(iv)的气化器气化，所述液体可重整燃料被从所述第二加热区通过的经加热的包含氧气的气体所气化并且与其组合，从而提供经加热的气态重整反应混合物，
(xi)将来自步骤(x)的经加热的气态重整反应混合物引入到所述重整器的入口中，
(xii)维持所述重整器内的所述经加热的气态反应混合物的重整，从而继续富含氢气的重整物的制造，和
(xiii)由于步骤(xii)的持续而限制或停止所述第一加热源的操作。
附图说明
应理解，以下描述的附图仅用于说明目的。附图未必是按比例的，重点通常放在说明本教导的原理上。附图绝不意图限制本教导的范围。相似的附图标记通常是指相似的部分。
图1A和1B为根据本教导的重整器和液体燃料气化器的两实施方式的示意性方框图。
图2A为用于管理图1A的液体燃料重整器的操作的示例性控制系统的示意性方框图。
图2B为通过控制器例如图2A中所示的控制系统执行的示例性控制程序的流程图。
图3A为根据本教导的液体重整器的一种实施方式的纵截面图。
图3B为图4A中所示的液体燃料重整器的液体燃料气化器系统的放大的纵截面图。
图3C和3D分别为图3A和3B中所示的液体燃料重整器的液体燃料气化器系统的燃料撒布器部件的一种实施方式的放大的透视图和纵截面图。
图4A为根据本教导的液体燃料重整器的另一实施方式的纵截面图。
图4B为图4A中所示的液体燃料重整器的一种变型的纵截面图。
图5为根据本教导的液体燃料重整器的另外的实施方式(以在所述重整器的操作的稳态模式期间包含氧气的气体和/或液体可重整燃料的外部加热为特征)的纵截面图。
图6A和6B分别为在控制图4A和5中所示的CPOX反应器单元的CPOX反应区内的温度中的热交换器结构体的实施方式的纵截面和俯视截面图。
图7呈现显示在本教导的液体燃料重整器内当所述重整器以稳态模式操作时在变化的最大燃料(柴油)转化本领百分数下重整反应混合物的氧对碳的摩尔比对重整反应温度之间的关系的图形数据。
具体实施方式
应理解，本文中的本教导不限于所描述的具体程序、材料和改动并且因此可变化。还应理解，所使用的术语仅用于描述具体实施方式的目的并且不意图限制本教导的范围，本教导的范围将仅由所附权利要求限制。
为了简要起见，本文中的讨论和描述将主要关注于部分氧化重整反应和反应物，包括催化部分氧化重整反应和反应物(可重整燃料和包含氧气的气体)。然而，本文中描述的装置、组件、系统和方法可应用于其它重整反应例如蒸汽重整和自热重整以及它们各自的反应物(分别地，可重整燃料和蒸汽，以及可重整燃料、蒸汽和包含氧气的气体)以及本文中描述的其它反应。因此，当在本文中结合装置或方法提及包含氧气的气体时，本教导应被认为包括组合的或单独的蒸汽，即，包含氧气的气体和/或蒸汽，除非明确地另有叙述或者通过上下文理解。此外，当在本文中结合装置或方法提及可重整燃料时，本教导应被认为包括组合的或单独的蒸汽，即可重整燃料和/或蒸汽，除非明确地另有叙述或者如通过上下文理解。
此外，本教导的重整器、系统和方法应被理解为适合于进行蒸汽重整和自热重整，其例如在与本文中描述的相同结构体和部件内和/或用与本文中描述的相同的总体方法发生。即，本教导的反应器、系统和方法可将合适的液体反应物例如液体可重整燃料和/或液体水从液体可重整燃料储器输送至气化器以分别产生气化的液体可重整燃料和蒸汽，并且将合适的气态反应物，例如，包含氧气的气体、气态可重整燃料和蒸汽的至少一种，从它们各自的来源输送至燃料电池单元或系统的期望部件，例如重整器。
当在输送系统中使用水时，可使用来自燃料电池单元或系统的重整器、燃料电池堆和后燃烧器的一个或多个的再循环热使所述水气化以产生蒸汽，其可存在于所述输送系统中和/或从独立的来源引入到所述输送系统中。
在整个本申请中，当结构(体)、组成(组合物)等被描述为具有、包括或包含特定部件(组分)时，或者当方法被描述为具有、包括或包含特定方法步骤时，所思虑到的是，这样的结构(体)、组成(组合物)等还基本上由所列举的部件(组分)构成或者由所列举的部件(组分)构成，和这样的方法还基本上由所列举的方法步骤构成或者由所列举的方法步骤构成。
在本申请中，当一个要素(元件)或部件(组分)被认为包括在所列举的要素(元件)或部件(组分)的列表中和/或选自所列举的要素(元件)或部件(组分)的列表时，应理解，所述要素(元件)或部件(组分)可为所列举的要素(元件)或部件(组分)的任一个，或者所述要素(元件)或部件(组分)可选自所列举的要素(元件)或部件(组分)的两个或更多个。进一步地，应理解，在不背离本教导的焦点和范围的情况下。本文中所描述的结构(体)、组成(组合物)或方法的要素和/或特征可以多种方式组合，无论是在其中明示的还是暗示的。例如，当介绍具体的结构(体)、步骤或操作时，该结构(体)、步骤或操作可在本教导的液体燃料重整器和/或液体燃料重整方法的多种实施方式中使用。
术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、或“含”(包括其语法等同物)的使用应通常被理解为是开放式的和非限制性的，例如，不排除另外的未列举的要素(元件)或步骤，除非另有具体叙述或者由上下文理解。
本文中单数例如“一个(种)(a，an)”和“该(所述)”的使用包括复数(并且反过来也成立)，除非另有具体叙述。
当在数量值之前使用术语“约”时，本教导也包括所述具体数量值本身，除非另有具体叙述。如本文中使用的，术语“约”指的是与标称值的±10％变化，除非另有指示或暗示。
应理解，步骤的顺序或者用于进行某些动作的顺序是不重要的，只要本教导仍然是可操作的。例如，此处描述的方法可以任何合适的顺序进行，除非本文中另有指示或者明显与上下文矛盾。此外，除非步骤本来就必须依序进行，否则它们可同时进行。
在本说明书中的多个位置处，值是以集合或者以范围公开的。具体意图是，本文中公开的数值的范围包括在所述范围内的每一个值以及其任意子范围。例如，在0-20范围内的数值具体地意图单独地公开0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19和20，以及其任意子范围，例如，0-10、8-16、16-20等。
本文中提供的任意和全部实例、或示例性语言例如“例如”的使用仅意图更好地阐明本教导且不对本发明的范围加以限制，除非有声明。本说明书中的语言均不应被理解为将任何未声明的要素指示为对于本教导的实践是必要的。
指示空间方位或高度的术语和表述例如“上部”、“下部”、“顶部”、“底部”、“水平(的)”、“竖直(的)”等除非它们的上下文用法另有指示，否则在本文中应被理解为不具有结构、功能或操作意义并且仅反映附图的某些中所说明的本教导的液体燃料重整器的多种视图的任意选择的方位。
如本文中使用的，“可重整燃料”指的是液体可重整燃料和/或气态可重整燃料。
表述“液体可重整燃料”和“液体燃料”应被理解为包括在经历重整时进行向富含氢气的重整物的转化的在标准温度和压力(STP)条件下为液体的可重整的包含碳和氢的燃料，例如，甲醇、乙醇、石脑油、馏出物、汽油、煤油、喷气发动机燃料、柴油、生物柴油等。表述“液体可重整燃料”应进一步理解为包括这样的燃料，无论它们处于液态还是气态即蒸气。
如本文中使用的，“气态重整反应混合物”指的是包括如下的混合物：气态的液体可重整燃料(例如，气化的液体可重整燃料)、气态可重整燃料或其组合，以及包含氧气的气体(例如，空气)和/或水(例如，以蒸汽形式)。气态重整反应混合物可经历重整反应以产生富含氢气的产物(“重整物”)，其也可包含一氧化碳。当要进行催化部分氧化重整反应时，所述气态重整反应混合物可被称为“气态CPOX重整反应混合物”，其包括可重整燃料和包含氧气的气体。当要进行蒸汽重整反应时，所述气态重整反应混合物可被称为“气态蒸汽重整反应混合物”，其包括可重整燃料和蒸汽。当要进行自热重整反应时，所述气态重整反应混合物可被称为“气态自热重整反应混合物”，其包括可重整燃料、包含氧气的气体和蒸汽。
术语“重整器”应被理解为包括其中发生气化的液体可重整燃料向富含氢气的重整物的转化的所有反应器并且包括，例如，部分氧化(POX)、催化部分氧化(CPOX)、蒸汽和自热型的重整器。
术语“重整”应被理解为包括在可重整燃料重整或转化为富含氢气的重整物期间发生的反应。
术语“重整反应”应被理解为包括在气态反应介质转化为富含氢气的重整物期间发生的放热和/或吸热反应。本文中的表述“重整反应”因此包括，例如，CPOX、自热和蒸汽重整。
再则如之前所述，为了简要起见，本文中的讨论和描述将关注于部分氧化重整反应和反应物，包括催化部分氧化重整反应和反应物(可重整燃料和包含氧气的气体)。然而，本文中描述的装置、组件、系统和方法可同等地适用于其它重整反应例如蒸汽重整和自热重整和它们各自的反应物以及本文中描述的其它反应。例如，对于蒸汽重整，在本文中的描述中，蒸汽可代替包含氧气的气体。对于自热重整，在本文中的描述中，蒸汽可与包含氧气的气体和/或可重整燃料一起引入。
术语“重整物”应被理解为适用于重整器的富含氢气的流出物以及其可氧化的组分。
表述“重整物消耗装置”应被理解为包括所有消耗富含氢气的重整物或者其组分(一种或多种)的装置例如燃料电池、燃料电池后燃烧器(尾气燃烧器)和通过重整物的至少一种可燃性组分的燃烧产生热的其它装置。
发明的详细描述
应理解，虽然本描述被描述为应用于CPOX重整器，但是本公开内容适用于其它重整器和/或反应。
图1A说明催化部分氧化(CPOX)类型的重整器。然而，应理解，本文中的发明不限于CPOX重整器，而是适用于其中所处理的燃料为液体并且在(与包含氧气的气体一起)引入气相重整反应区中之前必须气化的所有类型的液体燃料重整器，包括非催化部分氧化重整器、蒸汽重整器、自热重整器和组合前述中的任意者的方面的重整器。
现在参照附图，图1A说明根据本教导的液体燃料重整器特别是液体燃料CPOX重整器的一种实施方式，其中在所述液体燃料重整器的操作的稳态模式期间，重整反应混合物的包含氧气的气体组分通过由CPOX重整得到的放热热被加热。
如图1A中所示，液体燃料重整器100包括用于将包含氧气的气体(在此处以及本教导的其它实施方式中通过空气示例)引入到导管103并且用于驱动这个和其它气态物流(包括气化的燃料-空气混合物和富含氢气的重整物)通过所述重整器的多种通道(包括开放的气体流动通道(气流通道))的离心式鼓风机102。导管103可包括流量计104和热电偶105。这些和类似装置可安排在液体燃料重整器内的各种位置处以如结合图2A中所示的控制系统更充分地解释的那样测量、监测和控制所述液体燃料重整器的操作。
在示例性液体燃料重整器100的操作的启动模式中，通过鼓风机102引入到导管103中的处于环境温度的空气穿过第一加热区106，其中在给定流速下，所述空气初始被(例如，电阻型的)第一加热器107加热至预设的、或目标的升高的温度的第一范围内。所述经初始加热的空气然后穿过热传递区108，热传递区108在CPOX重整器100的操作的稳态模式中被从发生在管式CPOX反应器单元109的CPOX反应区110内的CPOX反应回收的放热热所加热。一旦实现了重整器100的这样的稳态操作，即，在CPOX反应器单元109内的CPOX反应变成自持时，可减少第一加热器107的热输出或者停止其操作，因为进来的空气已经通过穿过热传递区108而被加热至在其第一范围的升高的温度内、或者接近其第一范围的升高的温度。
在导管103内继续进一步地在下游，已经通过在操作的启动模式期间穿过第一加热区106或者通过操作的在稳态模式期间穿过热传递区108而经初始加热的空气穿过第二加热区111，在第二加热区111中其进一步地被第二加热器112(其也可为电阻型的)加热至升高的温度的第二范围内。第二加热器112操作以完成(top-off)先前被加热的空气的温度，从而满足液体燃料重整器100的若干操作要求，即，辅助在快速响应和按需的基础上对所述重整器的热需求进行调节和微调，提供足够的热用于在进一步地下游被引入到导管103中的液体可重整燃料的随后气化和提供经加热的气态重整反应混合物。
将液体可重整燃料(在此处以及在本教导的其它实施方式中通过柴油来示例)从存储器经由泵113通过装备有任选的流量计115和任选的流量控制阀116的燃料管线114连续地引入并且进入到主导管103中，在主导管103中所述燃料通过利用来自从第二加热区111流出的经加热的空气的热的气化器系统117而被气化。经气化的即气态燃料与所述经加热的空气的物流在导管103的液体燃料气化区118中组合。在导管103的(与液体燃料气化区118重合的)混合区内设置混合器例如静态混合器例如在线混合器119、和/或形成于导管103的内表面内的涡流产生用螺旋形凹槽、或者以外部方式供以动力的混合器(未示出)以提供与否则的情况相比更均匀的燃料-空气气态CPOX反应混合物。
经加热的气化的燃料-空气混合物(经加热的气态重整反应混合物)进入歧管或增压室(plenum)120，其起到将所述反应混合物更均一地和例如以更均匀的温度分布到管式CPOX反应器单元109中的作用。虽然所述导管和所述歧管通常被热绝缘体(例如，图3A中所示的液体燃料重整器300的绝缘体310)包围，但是所述气态重整反应混合物可由于通过所述歧管(其与长度相当的所述导管的相比，典型地具有更大的体积并且因此更大的壁表面积)的壁的热损失而仍然经历温度下降。可导致歧管内的气态重整反应混合物的温度下降的另一因素是所述混合物在其离开所述导管以及进入到更大空间的所述歧管时经历的在压力和速度方面的降低。
由于这些因素的任一个引起的在气态重整反应混合物的温度方面的降低，特别是发生在与所述歧管的壁、拐角和/或其它凹处邻近或者接触的反应混合物区域中的那些，可引起气化的燃料的局部冷凝。为了使这样的冷凝的可能性最小化，歧管可设置有用于将所述气态重整反应混合物的温度维持为高于其气化的燃料组分的冷凝阈值的手段。例如，如图1A中所示，在歧管120内设置电阻型加热器121和用于温度控制目的的热电偶或热敏电阻探针122以实现该目标。作为加热器的替代物或者除其之外，重整器可设置有用于将从发生在管式重整反应器单元的重整反应区内的CPOX重整反应回收的放热热传递至歧管内的其中燃料蒸气的冷凝的潜能可为最大的这样的位置(例如，在燃料-空气出口附近的壁表面和/或所述歧管的可导致气化的燃料的局部冷凝的其它部位例如拐角和其它凹处)的热传导结构体(一个或多个)(例如，图3A中所示的液体燃料重整器的热传导元件334)。
从歧管110将经加热的重整用CPOX反应混合物引入到管式重整反应器单元109中。在液体燃料重整器100的操作的启动模式中，点火器123引发管式重整反应器单元109的重整反应区110内的气态重整反应混合物的CPOX重整反应，从而开始富含氢气的重整物的制造。一旦已经实现稳态重整反应温度(例如，在CPOX重整的情况下250℃-1,100℃)，反应变成自持的并且可停止所述点火器的操作。提供热电偶124和125以分别监测发生在导管103的气化区118内的气化操作和发生在管式重整用CPOX反应器单元109内的重整反应的温度，温度测量结果作为所监测的参数被转发至重整器控制系统126。
重整器100还可包括电流来源例如可再充电的锂离子电池系统127，以为其电驱动部件例如鼓风机102，流量计104和115，加热器107、112和121，液体燃料泵113，流量控制阀116，点火器123，以及热电偶105、122、124和125提供动力并且如果需要，存储过剩的电力用于后续使用。
如果需要，可将来自液体重整器100的产物流出物或富含氢气的重整物引入到一个或多个常规的或以其它方式知晓的一氧化碳除去装置128中以降低其一氧化碳(CO)含量，例如，当要将所述产物流出物作为燃料引入至使用特别易被CO中毒的催化剂的燃料电池堆例如聚合物电解质膜燃料电池时。因此，例如，可将所述产物流出物引入到水煤气变换(WGS)转化器中，在其中CO被转化为二氧化碳(CO2)，并且同时产生额外的氢气，或者可将所述产物流出物引入到其中使CO经历向CO2的优先氧化(PROX)的反应器中。也可采用这些工艺的组合(例如，WGS，之后为POX，以及反过来)进行CO减少。
通过使所述产物重整物穿过装备有提供将所述产物重整物分离为氢气物流和包含CO的副产物物流的氢气选择性膜的已知的或常规的清除单元或装置而降低所述产物重整物中的CO的水平也在本教导的范围内。该种类的单元/装置也可与一种或多种其它CO减少用单元例如前述WGS转化器和/或PROX反应器组合。
与其中在操作的稳态模式期间空气在导管103的热传递区108内通过从CPOX反应器单元109回收的放热热而被加热的图1A的液体燃料重整器100形成对照，在图1B的示例性的液体燃料CPOX重整器150中，经由离心式鼓风机151引入到导管153中的空气通过穿过被供应有从重整器150所连接至的重整物消耗装置(例如燃料电池堆156的燃料电池堆后燃烧器(尾气燃烧器)段155)回收的放热热的热交换器154而被加热。在所有其它方面中，图1B的CPOX重整器150的部件和它们的功能基本上与图1A的CPOX重整器100的那些相同。即使在液体燃料重整器在所述重整器的操作的稳态模式期间不产生放热或者对于将引入到导管103中的空气充分预热而言足够量的放热(如对于蒸汽或自热重整器的情况那样)，由在这样的重整器所连接至的燃料电池的后燃烧器段内尾气的可燃性组分的燃烧得到的热也可提供用于该目的的必需的热。
为了控制根据本教导的液体燃料重整器的操作，提供图2A中所示的控制系统200。如图2A中所示，控制系统200包括用于对液体燃料重整器202在其操作的启动、稳态和关停模式中进行管理的控制器201。所述控制器可为在处理器上运行的软件。然而，采用如下控制器在本教导的范围内：其用一个或多个数字或模拟电路、或其组合实施。
控制系统200进一步包括与控制器201连通并且适合于监测CPOX重整器202的所选择的操作参数的多个传感器组件，例如，燃料压力计204、空气压力计209、混合区热电偶213和CPOX反应区热电偶214。
响应于来自所述传感器组件的输入信号、来自用户输入装置的用户指令和/或程序化的子程序和指令序列，控制器201可管理根据本教导的液体燃料重整器的操作。更特别地，控制器201可通过如下而与液体燃料重整器的期望段或部件的控制信号接收部分通信：向其发送指示具体动作的指令信号。因此，例如，响应于来自压力计204和209的流速输入信号和/或来自热电偶213和214的温度输入信号，控制器201可发送控制信号至燃料泵203和/或燃料流量控制阀205，例如，以控制通过燃料管线206去往导管207的燃料的流量，至离心式鼓风机208以控制进入到导管207中的空气的流量和驱动经加热的气态CPOX反应混合物在CPOX重整器202内和通过CPOX重整器202的流动，至加热器210以控制其热输出，至点火器211以控制其开-关状态，和至电池/电池充电器系统212以管理其作用。
此处的传感器组件、控制信号接收装置和通信通路可为任何合适的构造和本领域中知晓的那些。所述传感器组件可包括对于被监测的操作参数而言任何合适的传感器装置。例如，燃料流速可用任何合适的流量计监测，压力可用任何合适的压力传感或者压力调节装置监测，等等。所述传感器组件还可，但是不一定，包括与所述控制器连通的变换器(换能器，transducer)。所述通信通路通常是有线的电信号，但是也可采用任何其它合适形式的通信通路。
在图2A中，通信通路示意性地示为单或双向箭头。在控制器201处终止的箭头示意性地表示输入信号，例如测量的流速或测量的温度的值。从控制器201延伸的箭头示意性地表示为了指示来自该箭头所终止处的部件的响应动作而发送的控制信号。双向通路示意性地表示，控制器201不仅发送指令信号至液体燃料重整器202的相应部件以提供所确定的响应动作，而且接收来自重整器202和机械单元例如燃料泵203、燃料控制阀205和鼓风机208的操作输入以及来自传感器组件例如压力计204和209及热电偶213和214的测量输入。
图2B呈现可由控制系统的控制器执行以使根据本教导的液体燃料重整器的操作自动化的示例性控制程序的流程图。所述流程图可由控制器以固定的间隔例如每10毫秒左右执行。图2B中所示的控制逻辑执行若干功能，包括在操作的启动和稳态模式中的气体流量、加热、燃料气化和重整反应温度的管理和用于重整器操作的关停模式的程序的管理。
如代表本教导的进一步实施方式的图3A-3E中所示的示例性的液体燃料CPOX重整器300和其部件中所示，将作为包含氧气的气体的空气在环境温度下并且经由离心式鼓风机302以预设的质量流速通过导管304(其包括有利于紧凑设计的通常U形的导管段)的入口303引入。所述环境温度空气初始在所述重整器的启动模式操作中通过穿过被供应有来自电加热器306(其可为额定为例如10-80瓦或者甚至更大(取决于重整器300的燃料处理本领的设计范围)的常规的或以其它方式知晓的电阻型)的热的第一加热区305而被加热至预设的升高的温度范围内。电阻加热器能够将引入到导管中的环境空气的温度升高至对于相对宽范围的CPOX重整器构型和操作本领而言期望的水平。在重整器300的操作的稳态模式期间，可关掉电加热器306，引入到导管304中的空气于是初始在第二加热区307内通过从(例如，具有以上结合图1A的CPOX反应器单元109描述的结构和组成的)伸长管式透气性CPOX反应器单元308的CPOX反应区309回收的放热热而被加热。以此方式，引入到导管304中的空气的温度可从环境升高至某一预设的温度升高范围内并且如本领域技术人员将容易认识到的，具体温度受多种设计(即结构和操作)因素影响。
热绝缘体310(例如，微孔的或者基于氧化铝的难熔类型的)包围大部分的主导管304以及CPOX反应器单元308的与它们的CPOX反应区309对应的那些部分以减少来自这些部件的热损失。
为了提高已经初始通过在启动模式中穿过第一加热区305或者在稳态模式中穿过第二加热区307而被加热的空气的温度，在该经初始加热的空气继续在导管304中向下游流动时，其有利地流经被供应有来自任选的第二电加热器单元313的热的任选的第三加热区312。由于任选的第二电加热器单元313仅需要将所述经初始加热的空气的温度提高相对小的程度，因此其可起到能够进行有益于所述重整器的精确和快速的热管理(关于其燃料气化系统和其管式CPOX反应器单元的运行两者)的在空气温度方面的典型地小的调节的增量加热器的作用。
将液体可重整燃料(例如以上提及的任意那些以及在本教导的该和其它实施方式中示例为汽车柴油的)经由在导管304内终止的燃料管线314引入液体燃料撒布器装置315(例如，图3B-3D中所示的虹吸油芯316，或者图3E中所示的喷射装置317)中。
可使用用于使流体穿过液体燃料CPOX重整器的通道和导管例如将液体燃料通过燃料管线314引入到导管304中的任何常规的或者以其它方式知晓的泵或等效装置318。例如，计量泵、旋转泵、叶轮泵、隔膜泵、蠕动泵、正位移泵例如内齿轮油泵、齿轮泵、压电泵、电动泵、电渗泵、毛细泵等可用于此目的。在一些实施方式中，泵或等效装置318可基于间歇或者脉冲流动输送燃料。在某些实施方式中，泵或等效装置可将燃料作为基本上连续的流输送。在具体实施方式中，泵或等效装置可响应于变化的CPOX重整器操作要求而在燃料流速方面进行快速调节。
如上所示，可将经加压的液体燃料通过任何像燃料注射器、加压喷嘴、雾化器(包括超声类型的那些)、喷雾器等这样的常规或者以其它方式知晓的喷射装置作为细的喷雾或者以液滴形式、或者通过虹吸油芯在导管内撒布。
在启动模式中通过第一加热区305内的电加热器306产生的热或者在稳态模式期间从CPOX回收到第二加热区307内的放热热(如果需要的话，与通过任选的加热区312内的任选的第二电加热器313产生的热组合)协调运行以使引入到导管304中的液体燃料气化并且一起构成重整器的燃料气化器系统的主要部件。
任选的第二电加热器313用于不仅渐增地提高在其相关的任选的第三加热区内通过的所述经初始加热的环境温度空气的温度，而且还可用于在所述液体燃料引入到导管304中之前对其进行加热，从而促进一旦所述燃料进入所述导管就使其气化。该任选的在液体燃料引入到导管中之前对其进行加热的措施可使如下成为可能：与对在其进入导管304时处于环境温度的可重整燃料进行操作的相同的气化器系统相比，更快地将给定量的液体可重整燃料或者在给定时期内将更大量的液体燃料气化。
为了保证液体燃料在其进入主导管304之前的加热并且如图3B-3E中所示的气化器系统或组件中所示，燃料管线314来回穿行(横穿，traverse)导管304的壁(其中燃料管线的段319在长度上延伸以延长在其中流动的燃料在所述燃料管线穿过之处的停留时间)，或者邻近于主导管304的任选的第三加热区312。为此目的，延伸的燃料管线段可呈现各种各样的构型，例如，设置在导管的与第二加热区对应的外表面上或者与导管的与第二加热区对应的外表面邻近的线圈状或者螺旋的绕组(如所示的)或者一系列的纵向折叠体或者设置在所述导管的内部在所述第二加热区处或附近的任何类似的这样的构型。不管其精确的构型和/或布置为何，延伸的燃料管线段319必须是在任选的第三加热区312的有效热传递附近以接收足以将其中的燃料的温度升高至某一预设的温度范围内的量的热。因此，在导管304的第三加热区312内的任选的第二电加热器313的热输出的一部分，除了进一步加热在该区内流动的空气之外，还将传递至在燃料管线314的远侧段319内流动的燃料例如柴油燃料(燃料管线314的该远侧段可如附图标记319所示那样延长或延伸)，从而将其温度升高至预设的范围内。对于所述燃料管线内的燃料无论选择哪个范围的温度值，如果要避免重整器300的气阻和因之而来的关停，则其均不应超过所述燃料的沸点(在柴油的情况下150℃-350℃)。
在导管304内在任选的第三加热区312和相关的任选的第二电加热器313下游且在混合区320的上游设置液体燃料撒布器315。在室336内设置热电偶322和在混合区320内设置热电偶323以分别监测发生在CPOX反应器单元308的CPOX反应区309内的CPOX重整的温度和气化的燃料-空气混合物的温度。
如代表本教导的进一步实施方式的图4A中所示的示例性液体燃料重整器400的多种视图中所示，将作为包含氧气的气体的空气在环境温度下并且经由离心式鼓风机系统402以预设的质量流速通过主导管404(其包括有利于紧凑设计的通常U形的导管段)的入口403引入。所述环境温度空气初始在所述重整器的启动模式操作中通过穿过被供应有来自第一加热器单元406的热的第一加热区405而被加热至预设的升高的温度范围内。第一加热器单元406和在其下游的第二加热器单元413可为额定为例如10-80瓦、或者甚至更大(取决于所述重整器的燃料处理本领的设计范围)的常规的或者以其它方式知晓的电阻型。这样的加热器能够将引入到导管中的环境空气的温度升高至对于相对宽范围的液体燃料重整器构型和操作本领而言期望的水平。在重整器400的操作的稳态模式期间，可关掉第一加热器单元406，引入到主导管404中的空气于是初始在热传递区407内通过从管式透气性重整器反应器单元408的CPOX反应区409回收的放热热而被加热。以此方式，引入到导管中的空气的温度可从环境升高至某一预设的温度升高范围内并且如本领域技术人员将容易认识到的，具体温度受多种设计(即结构和操作)因素影响。
热绝缘体410(例如，微孔的或者基于氧化铝的难熔类型的)包围大部分的主导管404以及重整器反应器单元408的与它们的重整反应区409对应的那些部分以减少来自这些部件的热损失。
随着经加热的空气物流在主导管404内向下游流动，其可被分流或者分割为两个物流，其中一个物流继续通过主导管404运行并且另一物流转向到分支导管411中，其从分支导管411离开以在合并区421处重新进入主导管404，在那里与从第一混合区420(其中设置有第一静态混合器和/或螺旋形凹槽化的内壁表面)混合通过的气化的燃料-空气合并。合并的气体然后进入第二混合区422(同样地，其中设置有第二静态混合器和/或螺旋形凹槽化的内壁表面)以提供相当均匀组成的气态重整反应混合物用于通过出口425引入到(其结构和操作在本文中更充分地描述的)歧管426的气体分布器427中。
通过将用于期望的重整反应的总量的空气分流为两个物流，在刚气化的燃料和经加热的空气开始合并时开始形成的燃料-空气混合物中包含的气化的液体燃料组分的量可在与所述空气组分的氧气含量的比例方面保持为高，从而消除或者降低该不均匀的初始燃料-空气混合物的一些区域将包含高到足以支持燃烧/点火和因之而来的焦炭形成的浓度的氧气的可能性。一旦所述初始燃料-空气混合物穿过设置在第一混合区内的第一静态混合器，从而达到使得相对高氧气浓度的引起点火的区域的存在为很少有可能的程度的组成均匀性，则某种程度上更均匀的燃料-空气混合物然后可与离开分支导管411的第二经加热的空气物流在合并区处合并，从而满足期望气态重整反应混合物的预设的O对C摩尔比。该燃料-空气混合物然后可流经设置在混合区内的第二静态混合器以刚好在如下之前提供组成更均匀的气态重整反应混合物：所述混合物进入歧管的气体分布器。
为了提高已经初始通过穿过第一加热区405和/或热传递区407而被加热的空气的温度，在该经初始加热的空气继续在主导管404中向下游流动时，使该经初始加热的空气途经被供应有来自第二加热器单元413的热的第二加热区412。由于所述第二加热器单元仅需要将所述经初始加热的空气的温度提高相对小的程度，因此其可起到能够进行有益于所述重整器的精确和快速的热管理(关于本文中描述的其燃料气化系统和其管式重整器反应器单元的运行两者)的在空气温度方面的典型地小的调节的增量加热器的作用。
将液体可重整燃料(例如以上提及的任意那些以及在本教导的该和其它实施方式中示例为柴油燃料的)经由在主导管404内终止的燃料管线414引入液体燃料撒布器装置415例如虹吸油芯或者喷射装置(未示出)中。在操作中，虹吸油芯通过芯吸或毛细管作用将通过燃料出口排出的柴油燃料汲取上来。被汲取上来至虹吸油芯的表面和到虹吸油芯的表面上的柴油随即可在与从第二加热区向下游流动的经加热的空气接触时气化并且开始与所述经加热的空气组合以初始地形成不均匀的气态燃料-空气混合物，即，不均匀的气态重整反应混合物。穿过在第一混合区420内的第一静态混合器之后的该初始燃料-空气混合物然后与从分支导管411流入到合并区421中的经加热的空气的剩余补足物合并并且合并的物流从那儿流入到在第二混合区422内的第二静态混合器中，组成更均匀的气态重整反应混合物从那儿离开。
可使用用于将液体燃料通过燃料管线414引入到主导管404中的任何常规的或者以其它方式知晓的泵装置418，例如，计量泵、旋转泵、叶轮泵、隔膜泵、蠕动泵、正位移泵例如内齿轮油泵、齿轮泵、压电泵、电动泵、电渗泵、毛细泵等。如上所示，可将经加压的液体燃料通过任何像燃料注射器、加压喷嘴、雾化器(包括超声类型的那些)、喷雾器等这样的常规或者以其它方式知晓的喷射装置作为细的喷雾或者以液滴形式、或者通过虹吸油芯在导管内撒布。第二加热器单元和燃料撒布器装置可协调运行以使引入到所述导管中的液体燃料气化并且一起构成重整器的燃料气化器系统的主要部件。在一些实施方式中，泵或等效装置可基于间歇或者脉冲流动输送燃料。在其它实施方式中，泵或等效装置可将燃料作为基本上连续的流输送。在具体实施方式中，泵或等效装置可响应于变化的重整器操作要求而在燃料流速方面进行快速调节。
虽然重整器可使用任何热源来驱动在操作的启动模式期间液体燃料的气化(例如，电阻型的加热器(如在加热器406和413的情况中那样)，尤其是当使燃料的气化在主导管404外发生时)，但是所示的液体燃料重整器400采用加热器413以不仅渐增地提高所述经初始加热的环境温度空气的温度，而且在液体燃料引入到主导管404中之前对其进行加热并且提供足够的热用于一旦所述燃料进入所述导管就将其气化。该任选的在液体燃料引入到主导管404中之前对其进行加热的措施可使如下成为可能：与对在其进入所述导管时处于环境温度的可重整燃料进行操作的相同的气化器系统相比，更快地将给定量的液体可重整燃料或者在给定时期内将更大量的液体燃料气化。
为了保证液体燃料在其进入主导管404之前的加热，燃料管线414来回穿行主导管404的壁(其中燃料管线的段419在长度上延伸以延长在其中流动的燃料在所述燃料管线穿过之处的停留时间)，或者邻近于主导管404的第二加热区412。为此目的，延伸的燃料管线段可呈现各种各样的构型，例如，设置在主导管404的与第二加热区412对应的外表面上或者与主导管404的与第二加热区412对应的外表面邻近的线圈状或者螺旋的绕组(如所示的)或者一系列的纵向折叠体或者设置在所述导管的内部在所述第二加热区处或附近的任何类似的这样的构型。不管其精确的构型和/或布置为何，延伸的燃料管线段419必须是在第二加热区412的有效热传递附近以接收足以将其中的燃料的温度升高至某一预设的温度范围内的量的热。因此，在主导管404的第二加热区412内的加热器413的热输出的一部分，除了进一步加热在该区内流动的空气之外，还将传递至在燃料管线414的远侧段419内流动的燃料例如柴油燃料(燃料管线414的该远侧段可如段419所示那样延长或延伸)，从而将其温度升高至预设的范围内。对于所述燃料管线内的燃料无论选择哪个范围的温度，如果要避免重整器400的气阻和因之而来的关停，则其均不应超过所述燃料的沸点(在柴油的情况下150℃-450℃)。
液体燃料撒布器415设置在主导管404内在第二加热区412和相关的加热器413的下游并且在第一混合区420的上游。在主导管404内在所述气化器的下游设置热电偶423以监测其中开始形成的气化的燃料-空气混合物的温度。液体燃料撒布器415可配置作为图3B-3D中描述的虹吸油芯316。
可套在液体燃料出口上的虹吸油芯316的主体可由任何合适的耐热材料制造。有用的耐热材料的实例包括金属、陶瓷、高温聚合物等、及其组合，例如螺旋卷绕的交织的金属或碳纤维(用于赋予结构强度)与陶瓷纤维(用于芯吸作用)的片材。
在本文中所述的液体燃料气化器系统中，所述柴油很少有机会或者没有机会与经加热的表面例如电阻加热器元件的经加热的表面进行直接接触，所述直接接触会造成如下风险：将所述柴油燃料的温度升高至等于或高于其闪点，以造成所述燃料的飞溅而不是其气化和/或造成所述燃料的热解，从而导致焦炭形成。因此，所述柴油燃料的温度可容易地和可靠地维持在低于其闪点的水平并且没有飞溅或结焦的显著发生。
再次参照图4A，在其穿过设置在第二混合区422内的第二静态混合器之后，气态反应混合物通过出口425离开主导管404并且进入配置成提供去往管式重整反应器单元408的和在管式重整反应器单元408内的反应混合物的更均匀分布的歧管426的气体分布器427。这样的排列或者本教导内的其它排列可提供气态重整反应混合物的如下分布：其中任意两个重整反应器单元内的气态重整反应混合物的流速的差异不大于约20％，例如不大于约10％或者不大于约5％。
与相关的管式重整反应器单元408在一起的歧管426包括限定歧管室429的歧管壳(housing)或围壳428，在歧管室429内经加热的气态重整反应混合物(气体)分布器427连接至主导管404的出口425。通过出口425离开主导管404的经加热的气态重整反应混合物进入气体分布器427，之后向外穿过位于所述气体分布器的底部或下部部分处的孔洞(aperature)(例如，孔(hole)或缝)430，所述气体然后围绕所述分布器的外表面流动至其顶部或上部部分并且从那里进入管式重整反应器单元408的入口431中。所述气态重整反应混合物在其穿过孔洞430和进入入口431中时的路径示于图4B中。
为了消除或者减少歧管室429的一些区域和/或表面内的温度下降至等于或低于其中存在的气态重整反应混合物的气化的液体可重整燃料的冷凝温度的可能性，可将电阻加热器432和热电偶433设置在歧管室429内，例如，在其内表面的一个或多个上或者嵌入其壁的一个或多个内，以提供用于维持所述室内的温度高于燃料冷凝温度的主动加热器系统。除了主动加热器系统(例如，如以上描述的)之外，或者作为其替代物，可在重整器400内排列将管式重整器反应器单元408的重整反应区409与歧管室429热关联的被动热传递系统(包括热传导元件434(例如由热的良导体例如铜制造))以将来自重整反应区409的放热热传送至歧管室429内的区域和/或表面以便将其中的气化的燃料的温度维持为高于其冷凝温度。
除了它们防止或者最少化燃料冷凝的发生的功能之外，这样的主动和/或被动加热系统还可在气态重整混合物被引入到重整器反应器单元的入口中时用于使所述气态重整混合物的温度更均匀，并且因此对于重整器操作和控制两者均有益。因此，例如，可操作一种或全部两种歧管加热系统以提供遍及歧管室具有一致地均匀的温度的气态重整反应混合物，使得在进入任意两个管式重整反应器单元的气态重整反应混合物的温度方面，将存在不超过约10％差异、例如不超过约5％差异。
经加热的气态重整反应混合物从歧管426进入重整反应器单元408的入口431并且进入到重整反应区409中，在重整反应区409中所述反应混合物经历气相CPOX反应以产生富含氢气的、包含一氧化碳的重整物。在启动模式中，一个或多个点火器435引发重整。在重整变成自持的之后，例如，当所述反应区的温度达到约250℃-约1100℃时，可将所述点火器关掉，因为不再需要外部点火来维持现在自持的重整反应。
图4B的示例性液体燃料重整器450是图4A的重整器400的变型。如图4B中所示，与图4A的重整器中的分支导管411的入口(其设置在主导管411内)形成对照，在分支导管411的外部入口452处将包含氧气的气体的流引入到液体燃料重整器450中。在所有其它方面中，重整器400和450基本上相同并且它们的操作基本上相同。
图5的液体燃料重整器500包括图3A的液体燃料重整器300的大部分元件和特征并且以与图3A的液体燃料重整器300基本上相同的方式操作，并且因此将仅在与后者有显著差异的方面进行描述。
在液体燃料重整器500中，通过所显示的离心式鼓风机系统提供的经加压的环境温度空气流被引入到热交换器501中并且穿过热交换器501，热交换流体(例如，来自外部的热产生来源例如燃料电池堆(未示出)的后燃烧器段的热的燃烧气体)循环通过热交换器501。该排列不同于液体燃料重整器300中用于加热空气的措施，在液体燃料重整器300中在所述重整器的操作的稳态模式期间进入所述重整器的环境空气穿过主导管304的热传递区307，所述空气在区307内通过从发生在重整器反应器单元308的重整反应区309内的重整反应的放热回收的热而被加热。此外，与其中在燃料管线段314内流动的燃料通过加热器313被加热的示于图3A中的燃料加热系统形成对照，在液体燃料重整器500中，燃料管线的一段可途经热交换器501，以类似地在燃料气化之前提供所述燃料的加热。在所有其它方面中，液体燃料重整器500可以与液体重整器300基本上相同的方式操作。
用于冷却本教导的液体燃料重整器的手段虽然是任选的，但是在提供所述重整器的进一步热管理和控制方面可为有用的。为了提供这样的进一步程度的重整器控制，液体燃料重整器600和650(分别地，图6A和6B的)包括用于将它们的重整器反应器单元冷却到在预设范围的温度例如约750℃-约950℃内的热交换器。
如图6A中所示，液体燃料重整器600包括用于将冷却剂物流例如处于环境温度的空气引导向重整器反应器单元603的下部段602的暴露的外表面的离心式鼓风机601。可使用用于提供冷却剂物流的任何其它合适的装置例如风扇、叶轮等代替离心式鼓风机。
在图6B的液体燃料重整器650中，热传导组件包括不同地配置和排列的热传导构件651和654。热传导构件可例如作为由具有合适地高的热导率的材料(例如金属(特别是铜和铜合金)、碳、陶瓷和复合材料等)的材料制造的棒、板、管等提供。热传导构件可将辐射热(例如，从室653内的重整器反应器单元652的暴露的外表面辐射的热)传导至同样由呈现高的热导率的材料例如铜制造、在热辐射构件655(例如所显示的散热片系列)中终止的热传导构件654。离心式鼓风机单元656将冷却剂物流例如处于环境温度的空气引导向带有多个散热片的热辐射构件655以耗散其热。
图7呈现了展现气化的柴油燃料-空气重整反应混合物的氧(O)对碳(C)摩尔比和重整反应温度之间的关系的图形数据。如该数据显示，当重整反应混合物的O对C摩尔比逐渐降低时，即，当将反应混合物从相对贫碳的反应混合物调节为相对富碳的反应混合物时，重整反应温度下降。这些数据对于根据本教导的液体燃料CPOX重整器的最优化操作有着若干暗示。
为了促进重整催化剂的快速加热以及因此，气相CPOX反应的开始，在重整器的操作的启动模式期间可使用具有较高的O对C摩尔比的气态CPOX反应混合物(即，贫燃料的反应混合物)。与贫燃料的CPOX反应混合物相关的较高的操作温度可促进CPOX催化剂温度的较快速的升高以及减少的到稳态操作的时间。另外，贫燃料比率倾向于帮助在CPOX催化剂已经达到其最优温度并且变成充分活化之前抑制焦炭形成。一旦CPOX催化剂已经达到约650℃和更高的温度，就可随着增加燃料流量而降低O对C摩尔比。O对C摩尔比降低使催化剂温度下降并且可使得能够处理更多的燃料，而不失去CPOX反应器单元的并且进而，燃料气化器单元的热控制。对于关停操作可采取相反的动作，即，在维持的O对C摩尔比下降低燃料流量。随着CPOX反应器单元的CPOX反应区的温度开始接近或者下降至低于导致焦炭形成的温度例如低于约650℃，可提高O对C摩尔比以防止或者最少化随着CPOX催化剂减活而结焦。典型地，当CPOX反应混合物的温度下降至低于约500℃时，可将CPOX重整器关停。在燃料流已经停止之后，可使包含氧气的气体的流继续最高达约15-20秒左右。这样的关停程序可容许可包含于导管或者在燃料控制阀和将燃料引入到导管中的场所之间的燃料管线段内的燃料的气化和从重整器除去。该控制特性可被多种重整器部件(包括在具体重整器设计中使用的特定的气化器系统和控制器单元部件)所影响。
在理解改变O对C摩尔比可导致重整物的品质和/或组成的变化的情况下，可在操作期间控制燃料-空气CPOX反应混合物的O对C摩尔比以设计其输出热条件。当CPOX温度增加至高于约650℃时，存在从贫燃料偏移到富燃料的O对C摩尔比范围。不同的CPOX催化剂可影响操作窗口和CPOX温度。另外，不同的燃料(气态或液态)可改变CPOX温度，这取决于重整反应的效率。
进一步地，根据本教导,可将蒸汽引入到所述重整器中，使得所述重整器可操作以进行自热和/或蒸汽重整反应。
在一种实施方式中，所述重整器可初始地操作以进行液态或气态可重整燃料的CPOX转化，从而提供放热热，所述放热热，在有或者没有由例如由电加热器供应的另外的热的情况下，可被回收以在蒸气发生器中产生蒸汽。由此产生的蒸汽可引入到所述重整器中的其中的一个或多个位置中。一个合适的位置是蒸发器，在所述蒸发器中所述蒸汽可提供热以使液体燃料气化。例如，引入到图4A中所示的重整器400中的虹吸油芯315中的蒸汽可提供热用于使虹吸油芯表面上的液体燃料气化，同时帮助消除或抑制这样的表面的堵塞。
在另一实施方式中，根据本教导的重整器可连接至燃料电池堆，在燃料电池堆中，来自所述重整器的富含氢气的重整物被转化为电流。所述燃料电池堆以及当存在时，相关的后燃烧器单元的操作可提供废热的来源，再次地，在有或没有例如由电加热器供应的另外的热的情况下，所述废热可被回收和用于蒸汽发生器的操作。来自所述蒸汽发生器的蒸汽然后可被引入到所述重整器中(例如，通过图4的重整器400的虹吸油芯315)以支持自热或蒸汽重整。在集成的重整器和燃料电池堆的该排列中，所提及的废热的来源可供应驱动自热和蒸汽重整过程中涉及的吸热反应所必需的热。
总之，应理解，本教导的输送系统可输送合适的反应物用于进行重整反应，包括部分氧化(“POX”)重整例如催化部分氧化(“CPOX”)重整、蒸汽重整、和自热(“AT”)重整。液体反应物例如液体可重整燃料和水可从如下和通过如下输送：所述输送系统的“液体可重整燃料”输送部件、导管、和组件。气态反应物例如气态可重整燃料、蒸汽、和包含氧气的气体例如空气可从如下和通过如下输送：所述输送系统的“气态可重整燃料”输送部件、导管、和组件。某些气态反应物例如蒸汽和包含氧气的气体可从如下和通过如下输送：在本教导的输送系统外围或者对于本教导的输送系统次要的部件和组件，例如，包含氧气的气体可从独立地与气化器、重整器、和燃料电池单元或系统的燃料电池堆的至少一个可操作地流体连通的包含氧气的气体的来源输送，例如，以与重整之前的液体可重整燃料和/或气化的液体可重整燃料混合。
本教导涵盖其它具体形式的实施方式而不背离其精神或本质特性。前述实施方式因此应被认为在所有方面都是说明性的，而不是限制本文中描述的本教导。本发明的范围因此由所附权利要求而不是由前述描述指示，并且其中意图包含进入权利要求内的等同含义和范围内的所有变化。

Claims (35)

1.用于制造富含氢气的重整物的液体燃料重整器系统，所述液体燃料重整器系统包括：
包括重整器入口的液体燃料重整器；
导管，其包括包含氧气的气体入口、位于所述包含氧气的气体入口的下游的液体可重整燃料入口、和位于所述液体可重整燃料入口的下游的气态反应混合物出口，其中所述导管提供所述包含氧气的气体入口、所述液体可重整燃料入口和所述气态反应混合物出口之间的流体连通，并且所述气态反应混合物出口与所述重整器入口流体连通；
包括电加热器的第一热源，所述第一热源设置在所述导管中的在所述包含氧气的气体入口的下游且在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处；
包括来自所述液体燃料重整器和/或在所述液体燃料重整器外部的氢气重整物消耗装置的放热热的第二热源，所述第二热源与所述导管热连通并且处于在所述第一热源的下游在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处；
包括电加热器的第三热源，所述第三热源设置在所述导管中的在所述第一和第二热源的下游且在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处；和
气化器，所述气化器设置在所述导管中的在所述液体可重整燃料入口的下游或者限定所述液体可重整燃料入口的位置处。
2.权利要求1的液体燃料重整器系统，其中各所述电加热器为电阻加热器。
3.权利要求1的液体燃料重整器系统，其包括与所述重整器热耗散连通的热交换器。
4.权利要求1的液体燃料重整器系统，其包括控制器，所述控制器与如下可操作地连通：位于所述导管中在所述气化器的出口处或下游的热电偶，位于所述导管中在所述气化器的上游的热电偶，位于所述导管中在所述气化器的上游的包含氧气的气体流量计，位于所述液体可重整燃料入口处或上游的液体可重整燃料流量计，包含氧气的气体的来源，液体可重整燃料的来源，第一热源，第二热源，和第三热源。
5.权利要求1的液体燃料重整器系统，其中所述氢气重整物消耗装置包括燃料电池单元。
6.权利要求1的液体燃料重整器系统，其中所述第三热源包括来自燃料电池单元的燃料电池堆和/或后燃烧器的放热热。
7.权利要求1的液体燃料重整器系统，其中所述气化器包括液体燃料管线，所述液体燃料管线提供所述气化器和液体燃料的来源之间的流体连通。
8.权利要求7的液体燃料重整器系统，其中所述液体燃料管线的位于所述导管中的末端段包括燃料撒布器。
9.权利要求8的液体燃料重整器系统，其中所述液体燃料管线包括热传递段，所述液体燃料管线的热传递段与所述第一热源、所述第二热源、和所述第三热源的至少一个热连通并且与其邻近。
10.权利要求1-9任一项的液体燃料重整器系统，其中所述气化器包括燃料撒布器。
11.权利要求10的液体燃料重整器系统，其中所述燃料撒布器为虹吸油芯或喷射器。
12.权利要求1-9任一项的液体燃料重整器系统，其中所述液体燃料重整器为自热重整器。
13.权利要求1-9任一项的液体燃料重整器系统，其中将所述包含氧气的气体入口用水/蒸汽入口代替，并且所述液体燃料重整器为蒸汽重整器。
14.权利要求1-9任一项的液体燃料重整器系统，其中所述第二热源定位成邻近所述气化器并且在所述气化器的上游。
15.权利要求1-9任一项的液体燃料重整器系统，其中所述导管为主导管并且所述液体燃料重整器进一步包括连接至所述主导管的分支导管。
16.权利要求15的液体燃料重整器系统，其中所述分支导管包括：设置在所述主导管内的包含氧气的气体入口，和连接至所述主导管并且设置在液体燃料气化区的下游的包含氧气的气体出口。
17.权利要求15的液体燃料重整器系统，其中所述分支导管包括：设置在所述主导管外部的包含氧气的气体入口，和连接至所述主导管并且设置在所述液体燃料气化区的下游的包含氧气的气体出口。
18.权利要求1的液体燃料重整器系统，其中于在所述重整器中的反应之前不存在燃烧室。
19.将液体可重整燃料重整的方法，所述方法包括：
将包含氧气的气体引入到用于将流体朝着重整器的入口发送的导管中；
在启动模式中：
将所述包含氧气的气体的物流用设置在所述导管中的包括电加热器的第一热源加热以提供经加热的包含氧气的气体的物流；
在稳态模式中：
将所述导管中的所述包含氧气的气体的物流用包括来自所述液体燃料重整器和/或在所述液体燃料重整器外部的氢气重整物消耗装置的放热热的第二热源加热以提供经加热的包含氧气的气体的物流；
将所述经加热的包含氧气的气体的物流用设置在所述导管中在所述第一和第二热源的下游且在气化器的上游的包括电加热器的第三热源加热；
通过所述气化器或者邻近于所述气化器，将液体可重整燃料引入到所述经加热的包含氧气的气体的物流中以提供经加热的气态重整反应混合物；和将所述经加热的气态重整反应混合物重整以制造富含氢气的重整物。
20.权利要求19的方法，其包括：
停止用所述第一热源对所述包含氧气的气体的物流进行加热；和
将所述包含氧气的气体的物流用所述第二和第三热源加热。
21.权利要求19的方法，其包括调节由所述第二热源和/或第三热源供应的热。
22.权利要求19的方法，其包括在将所述液体可重整燃料引入到所述气化器中之前，将所述液体可重整燃料使用所述第二热源和/或当存在时的第三热源加热。
23.权利要求19的方法，其中引入到所述经加热的包含氧气的气体的物流中的所述液体可重整燃料在与所述经加热的包含氧气的气体接触时气化。
24.权利要求19-23任一项的方法，其中各所述电加热器为电阻加热器。
25.权利要求19的方法，其中所述氢气重整物消耗装置包括燃料电池单元并且所述放热热包括来自所述燃料电池单元的燃料电池堆和/或后燃烧器的热。
26.权利要求19-23和25任一项的方法，其包括：
监测所述经加热的包含氧气的气体的物流的流速、液体可重整燃料的流速、所述气化器的温度、所述经加热的包含氧气的气体的物流的温度和所述液体可重整燃料的温度；和
响应于所述监测的结果而控制所述液体可重整燃料的气化。
27.权利要求26的方法，其中控制所述气化包括调节由所述第二热源和所述第三热源供应的热。
28.权利要求19-23和25任一项的方法，其中将所述经加热的气态重整反应混合物重整包括自热重整，并且所述方法进一步包括将蒸汽引入到所述导管中以提供包括所述气态的液体可重整燃料、所述包含氧气的气体和蒸汽的经加热的气态重整反应混合物。
29.权利要求28的方法，其中将蒸汽引入到所述导管中包括将蒸汽通过所述气化器引入。
30.权利要求29的方法，其中所述气化器包括燃料撒布器并且将蒸汽通过所述气化器引入包括将蒸汽通过所述燃料撒布器引入。
31.权利要求19-23和25任一项的方法，其进一步包括蒸汽重整。
32.权利要求31的方法，其进一步包括：
用选自如下的热源产生蒸汽：电加热器、重整反应的放热热和来自氢气重整物消耗装置的热；
将所述蒸汽通过所述气化器或者邻近于所述气化器引入以提供经加热的气态蒸汽重整反应混合物；和
将所述经加热的气态蒸汽重整反应混合物重整以制造富含氢气的重整物。
33.权利要求32的方法，其进一步包括：
将蒸汽通过所述气化器的燃料撒布器引入。
34.权利要求19-23和25任一项的方法，其中将构成气态重整反应混合物的所述包含氧气的气体的一部分在所述气化器的下游引入至所述导管。
35.用于制造富含氢气的重整物的液体燃料重整器系统，所述液体燃料重整器系统包括：
包括重整器入口的液体燃料重整器；
导管，其包括包含氧气的气体入口、位于所述包含氧气的气体入口下游的气化的液体可重整燃料入口和位于所述气化的液体可重整燃料入口下游的气态反应混合物出口，其中所述导管提供所述包含氧气的气体入口、所述气化的液体燃料入口和所述气态反应混合物出口之间的流体连通，且所述气态反应混合物出口与所述重整器入口流体连通；
气化器单元，所述气化器单元包括：用于液体可重整燃料的入口和用于气化的液体可重整燃料的出口，所述用于气化的液体可重整燃料的出口与所述导管在所述包含氧气的气体入口的下游且在所述气态反应混合物出口的上游流体连通；
包括电加热器的第一热源，所述第一热源设置在所述导管中的在所述包含氧气的气体入口的下游且在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处；
包括来自所述液体燃料重整器和/或在所述液体燃料重整器外部的氢气重整物消耗装置的放热热的第二热源，所述第二热源与所述导管热连通并且处于在所述第一热源的下游在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处；和
包括电加热器的第三热源，所述第三热源设置在所述导管中的在所述第一和第二热源的下游且在所述液体可重整燃料入口的上游的位置处。
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