RU113729U1 - PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS - Google Patents
PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS Download PDFInfo
- Publication number
- RU113729U1 RU113729U1 RU2010135825/04U RU2010135825U RU113729U1 RU 113729 U1 RU113729 U1 RU 113729U1 RU 2010135825/04 U RU2010135825/04 U RU 2010135825/04U RU 2010135825 U RU2010135825 U RU 2010135825U RU 113729 U1 RU113729 U1 RU 113729U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- conversion
- catalyst
- gas
- reformer
- channels
- Prior art date
Links
Abstract
1. Процессор для осуществления конверсии углеводородных топлив, в том числе, воздушной, паровой и автотермической, в синтез-газ для применения в твердооксидных топливных элементах, содержащий риформер для проведения конверсии, узел подготовки исходной смеси, состоящий из испарителя, пароперегревателя и смесителя реагирующей исходной смеси, нагревательное устройство со встроенным дожигателем анодных газов, образующихся в результате работы твердооксидных топливных элементов, отличающий тем, что риформер выполнен в виде плоских блоков, которые содержат экзотермические и эндотермические каналы, внутри которых расположен катализатор, состоящий из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых каталитических лент, образующих каналы для прохождения реагирующей смеси, поступающей из узла подготовки смеси. ! 2. Процессор по п.1, отличающийся тем, что в риформере расположен катализатор одного состава, обеспечивающий конверсию различных видов углеводородных топлив в синтез-газ. ! 3. Процессор по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что катализатор представляет собой плоскую или гофрированную ленту на основе теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых материалов, на которую нанесен методом пропитки или методом спекания с подложкой носителя каталитически активный компонент. ! 4. Процессор по п.1, отличающийся тем, что испаритель и пароперегреватель выполнены в виде змеевика или в виде двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от нагревательного устройства, а в другие в зависимости от типа конверсии воздух с газообр 1. A processor for the conversion of hydrocarbon fuels, including air, steam and autothermal ones, into synthesis gas for use in solid oxide fuel cells, containing a reformer for conversion, an initial mixture preparation unit consisting of an evaporator, a superheater and a reacting initial mixer mixtures, a heating device with a built-in afterburner of anode gases formed as a result of the operation of solid oxide fuel cells, characterized in that the reformer is made in the form of flat blocks that contain exothermic and endothermic channels, inside which there is a catalyst consisting of alternating flat and corrugated heat-conducting metal mesh or metal-porous catalytic tapes that form channels for the passage of the reacting mixture coming from the mixture preparation unit. ! 2. The processor according to claim 1, characterized in that the reformer contains a catalyst of the same composition, which ensures the conversion of various types of hydrocarbon fuels into synthesis gas. ! 3. A processor according to any one of claims 1 and 2, characterized in that the catalyst is a flat or corrugated ribbon based on heat-conducting metal mesh or metal-porous materials, onto which a catalytically active component is applied by impregnation or by sintering with a support. ! 4. The processor according to claim 1, characterized in that the evaporator and the superheater are made in the form of a coil or in the form of two types of flat channels, one of which is supplied with hot gas from the heating device, and into others, depending on the type of conversion, air with gas
Description
Изобретение относится к устройству для осуществления каталитической конверсии различных углеводородных топлив типа С1-С12 с целью получения синтез-газа, используемого в качестве топлива в твердооксидных топливных элементах. Устройство также может быть использовано для получения синтез - газа и его дальнейшего использования при получении водорода для энергоустановок мощностью не более 1-2 кВт, работающих на твердополимерных топливных элементах.The invention relates to a device for the catalytic conversion of various hydrocarbon fuels of the type C1-C12 to produce synthesis gas used as fuel in solid oxide fuel cells. The device can also be used to produce synthesis gas and its further use in the production of hydrogen for power plants with a capacity of not more than 1-2 kW, operating on solid polymer fuel cells.
Известно устройство (US 00929735, 18.10.2001) для получения синтез-газа из углеводородных топлив, сжиженных газов, спиртов посредством паровой конверсии. Устройство состоит из скольких коаксиально расположенных труб разного диаметра, образующих цилиндрические каналы, служащие для осуществления подвода или отвода тепла и расположения слоев катализатора различного назначения: паровой конверсии исходного топлива, паровой конверсии СО, селективного каталитического окисления СО или селективного метанирования. В центральной трубе размещена пламенная горелка для сжигания части исходного топлива с целью генерации тепла, которое в виде дымовых газов подается в соответствующие теплообменные коаксиальные каналы. Поскольку в таком реакторе одновременно могут осуществляться несколько каталитических реакций, протекающих при разных температурах, то часть коаксиальных каналов используется подогрева катализатора или для съема тепла посредством подаваемого в них воздуха или жидкости, а часть для засыпки катализатора. При расположении каналов выдержан принцип максимальной рекуперации тепла, поэтому наиболее высокотемпературные каналы находятся в центре устройства, а низкотемпературные ближе к внешней поверхности. В зависимости от количества коаксиальных каналов устройство может быть использовано либо для получения синтез-газа, либо для водородсодержащего газа с концентрацией СО на уровне 10 ррт.Устройство достаточно универсальное, его общим недостатком является использование пламенной горелки, что приводит к необходимости использования жаропрочных сталей и наличием оксидов азота в продуктах сгорания, а также чрезмерная сложность конструкции и из-за высокой теплопроводности металла и тепловых контактов возможность переточек тепла, затрудняющих обеспечение и регулирование требуемых тепловых режимов.A device is known (US 00929735, 10/18/2001) for producing synthesis gas from hydrocarbon fuels, liquefied gases, alcohols through steam conversion. The device consists of how many coaxially arranged pipes of different diameters, forming cylindrical channels, used to supply or remove heat and arrange catalyst layers for various purposes: steam conversion of the initial fuel, steam conversion of CO, selective catalytic oxidation of CO, or selective methanation. In the central pipe there is a flame burner for burning part of the initial fuel in order to generate heat, which is supplied in the form of flue gases to the corresponding heat-exchange coaxial channels. Since in this reactor several catalytic reactions can occur at different temperatures, part of the coaxial channels is used to heat the catalyst or to remove heat by means of air or liquid supplied to them, and part to fill the catalyst. When arranging the channels, the principle of maximum heat recovery is maintained, therefore, the highest-temperature channels are located in the center of the device, and the low-temperature ones are closer to the outer surface. Depending on the number of coaxial channels, the device can be used either to produce synthesis gas or for a hydrogen-containing gas with a CO concentration of 10 ppm. The device is quite universal, its common drawback is the use of a flame burner, which makes it necessary to use heat-resistant steels and the presence of nitrogen oxides in the combustion products, as well as the excessive design complexity and due to the high thermal conductivity of the metal and thermal contacts, the possibility of heat transfer, making it difficult their provision and regulation of the required thermal conditions.
Известно интегрированное устройство для реформинга углеводородов (US 6641625, B01J8/04; С01 ВЗ/36, 04.11.2003). Устройство для реформинга углеводородов включает два реактора с теплообменником. Первый реактор генерирует водородсодержащий газ посредством парциального окисления или паровой конверсии углеводородного сырья, либо иным способом. Второй реактор содержит катализатор, обеспечивающий шифт-реакцию богатого водородом реформата. Теплообменник обеспечивает поступление пара, необходимого для проведения шифт-реакции, во второй реактор.An integrated device for the reforming of hydrocarbons is known (US 6641625, B01J8 / 04; C01 VZ / 36, 04/04/2003). The hydrocarbon reforming apparatus includes two reactors with a heat exchanger. The first reactor generates a hydrogen-containing gas through partial oxidation or steam reforming of hydrocarbon feeds, or in another way. The second reactor contains a catalyst providing a shift reaction of a hydrogen-rich reformate. The heat exchanger provides the flow of steam necessary for carrying out the shift reaction into the second reactor.
Известен каталитический реактор (RU 2208475, B01J8/04; С01 ВЗ/00, 20.07.2003) для получения синтез-газа радиального типа, содержащий газораспределительную трубку со слоем катализатора, который выполнен в виде газопроницаемых плоских и гофрированных армированных лент, навитых и спеченных с газораспределительной трубкой с зазорами между витками с образованием газовоздушных каналов между лентами. Реактор имеет устройство подогрева для запуска его в работу. Газораспределительная трубка имеет отверстия перфорации с диаметром, меньшим критического диаметра для предотвращения проникновения пламени внутрь газораспределительной трубки. В качестве катализатора используют армированный пористый материал, содержащий активные компоненты: родий, никель, платину, палладий, железо, кобальт, рений, рутений или их смеси. Недостатком этого устройства является, высокая трудоемкость изготовления армированных пористых материалов, снижение общей каталитической активности в связи с использованием армирующих материалов и высокая температура выходящего синтез-газа.Known catalytic reactor (RU 2208475, B01J8 / 04; C01 VZ / 00, 07.20.2003) for producing radial type synthesis gas containing a gas distribution pipe with a catalyst layer, which is made in the form of gas-permeable flat and corrugated reinforced tapes, wound and sintered with gas distribution pipe with gaps between the turns with the formation of gas channels between the tapes. The reactor has a heating device to put it into operation. The gas distribution pipe has perforation holes with a diameter smaller than the critical diameter to prevent flame from entering the gas distribution pipe. As a catalyst, a reinforced porous material containing active components is used: rhodium, nickel, platinum, palladium, iron, cobalt, rhenium, ruthenium, or a mixture thereof. The disadvantage of this device is the high complexity of manufacturing reinforced porous materials, a decrease in the total catalytic activity due to the use of reinforcing materials and the high temperature of the outgoing synthesis gas.
Изобретение [US 7368482, B01J1900, 06.05.2008] касается проведения каталитического процесса парциального окисления углеводородов, в том числе, сжиженного нефтяного газа, с целью получения синтез-газа в реакторе, состоящем из входной зоны, в которую подавали реагенты и предварительно нагревали реакционную смесь до 400°С, с последующим прохождением реакционной смеси через слой керамического материала. Далее в каталитической зоне реактора происходилаThe invention [US 7368482, B01J1900, 05/06/2008] relates to a catalytic process for the partial oxidation of hydrocarbons, including liquefied petroleum gas, in order to produce synthesis gas in a reactor consisting of an inlet zone into which reactants were fed and the reaction mixture was preheated up to 400 ° C, followed by the passage of the reaction mixture through a layer of ceramic material. Further, in the catalytic zone of the reactor,
каталитическая реакция парциального окисления углеводородов (скорость потока реакционной смеси 1000-1000000 л/лкатч, давление 10-50 атм.) до достижения температуры на выходе 450-1350°С.Соотношение Н2О/С варьировали от 0 до 2, соотношение О2/С=0,1-0,8. Подложкой для катализатора служили нитриды, оксиды, оксинитриды или карбиды, содержащих один или более металл из перечисленных: Rh, Ru, Ir, Pt, Ni, Fe, Co, Mo в количестве 0,05-15 вес.%. Для приготовления катализатора носитель погружали в раствор соответствующей соли, например Rh4(Co2)i2, Rh6(CO)16, Ir4(CO)12, Pt(CH3COCHCOCH3)2, Ni(CH3COCHCOCH3)2 и др. и далее сушили и прокаливали при температуре разложения соответствующей соли.the catalytic reaction of partial oxidation of hydrocarbons (flow rate of the reaction mixture 1000-1000000 l / l cat , pressure 10-50 atm.) until the outlet temperature reaches 450-1350 ° C. The H2O / C ratio varied from 0 to 2, the O 2 ratio / C = 0.1-0.8. The catalyst support was nitrides, oxides, oxynitrides or carbides containing one or more of the following metals: Rh, Ru, Ir, Pt, Ni, Fe, Co, Mo in an amount of 0.05-15 wt.%. To prepare the catalyst, the support was immersed in a solution of the corresponding salt, for example, Rh4 (Co 2 ) i2, Rh 6 (CO) 16 , Ir 4 (CO) 12 , Pt (CH 3 COCHCOCH 3 ) 2 , Ni (CH 3 COCHCOCH 3 ) 2 and etc. were further dried and calcined at the decomposition temperature of the corresponding salt.
В заявке US 2009/0261020, B01J23/755, C10G35/06, 22.10.2009 заявлены никелевые катализаторы гидроталькитного типа с общей формулой Nix/MgyAl, где: х и у - мольные отношения никеля и магния по отношению к алюминию (х=0,25-1,0, у=0,5-5,5 и х/у=1,15-0,45) для процесса паровой конверсии сжиженного нефтяного газа (LPG). Для приготовления катализатора водные растворы солей азотнокислого никеля и магния и алюминия смешивали при комнатной температуре, далее добавили водный раствор гидроксида натрия (до доведения уровня рН раствора до 10) и выдерживали полученный раствор при 60-80°С 12-18 ч. Далее отфильтрованный продукт сушили при 80-90°С 1-2 ч и прокаливали на воздухе при 700-900°С 5 ч. Процесс паровой конверсии LPG проводили в реакторе с фиксированным слоем катализатора при атмосферном давлении, температуре 700-950°С, соотношении Н2О/С=1-4:1, объемной скорости 2500-2500000 ч"1. Преимущественное содержание пропана в LPG 10-40 об.% и бутана - 60-90 об.%. Во всех опытах при температуре 800°С достигалась полная конверсия метана. Выход водорода при данной температуре составил 66,2% (соотношение пар/пропан =3) и 65,2% (пропан: бутан =30:70, соотношение пар/углеводород =3). Катализаторы гидроталькитного типа более активны в реакции конверсии по сравнению с традиционным нанесенным никелевым катализатором благодаря образованию более гомогенной и дисперсной структуры. Но эти катализаторы имеют низкую теплопроводность, затрудняющую перенос тепла от стенки реактора в его объем, где протекает эндотермическая реакция паровой конверсии углеводородных топлив.In the application US 2009/0261020, B01J23 / 755, C10G35 / 06, 10.22.2009, hydrotalcite type nickel catalysts with the general formula Ni x / Mg y Al are claimed, where: x and y are the molar ratios of nickel and magnesium with respect to aluminum (x = 0.25-1.0, y = 0.5-5.5 and x / y = 1.15-0.45) for the steam reforming process of liquefied petroleum gas (LPG). To prepare the catalyst, aqueous solutions of salts of nickel nitrate and magnesium and aluminum were mixed at room temperature, then an aqueous solution of sodium hydroxide was added (to bring the pH of the solution to 10) and the resulting solution was kept at 60-80 ° C for 12-18 hours. Next, the filtered product dried at 80-90 ° C for 1-2 hours and calcined in air at 700-900 ° C for 5 hours. The LPG steam reforming process was carried out in a reactor with a fixed catalyst bed at atmospheric pressure, a temperature of 700-950 ° C, and a ratio of Н2О / С = 1-4: 1, space velocity 2500-2500000 h " 1. Pre the propane content in LPG was 10–40 vol.% and butane - 60–90 vol.%. In all experiments, a complete methane conversion was achieved at a temperature of 800 ° C. The hydrogen yield at this temperature was 66.2% (vapor / propane ratio = 3) and 65.2% (propane: butane = 30: 70, steam / hydrocarbon ratio = 3). Hydrotalcite type catalysts are more active in the conversion reaction compared to the traditional supported nickel catalyst due to the formation of a more homogeneous and dispersed structure. But these catalysts have low thermal conductivity, which hinders the transfer of heat from the wall of the reactor to its volume, where the endothermic reaction of steam reforming of hydrocarbon fuels takes place.
Известен каталитический интегрированный реактор [ЕР 1779925, Al, BO1J 8/04, 25.05.2007] для проведения паровой конверсии углеводородных топлив в синтез-газ и затем в водородсодержащий газ, содержащий СО не более 10 ррт. Реактор состоит из ряда цилиндрических коаксиальных секций, расположенных в одном корпусе, заполненных катализаторов для осуществления реакций получения водорода из углеводородного сырья. В пространстве между каталитическими каналами расположены каналы, в которые подаются дымовые газа от пламенной горелки. Движение реагирующих и дымовых газов осуществляется методом противотока, что увеличивает интенсивность теплообмена.Known catalytic integrated reactor [EP 1779925, Al, BO1J 8/04, 05.25.2007] for conducting steam conversion of hydrocarbon fuels into synthesis gas and then into a hydrogen-containing gas containing CO not more than 10 ppm. The reactor consists of a series of cylindrical coaxial sections located in one housing, filled with catalysts for the implementation of reactions for the production of hydrogen from hydrocarbon feedstocks. In the space between the catalytic channels are channels in which flue gas from a flame burner is supplied. The movement of reacting and flue gases is carried out by the counterflow method, which increases the intensity of heat transfer.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является устройство, приведенное в патенте [RU 2372277, B01J 7/00, С01 ВЗ/38, 10.11.2009]. В этом решении в одном корпусе размещены реактор паровой конверсии углеводородного топлива, шифт-реактор, реактор селективного метанирования, парогенератор, штуцера подвода и отвода реагентов. Реактора выполнены таким образом, что объединены по высоте, а между собой разделены инертной засыпкой зернистого материала. Регулирование тепловых режимов в реакторе паровой конверсии осуществляется за счет изменения расхода топлива и избытка воздуха, подаваемых на горелку, а в реакторе метанирования за счет холодного воздуха, подаваемого затем на горелку. Недостатком данного устройства является сложность регулирования тепловых режимов в реакторах устройства, связанная с возможными перетоками тепла между внутренними частями устройства, ограниченность регулирования режимов работы реакторов только за счет пламенной горелки и ее использование для запуска и подогрева, приводящее к наличию оксидов азота в дымовых газах, которые после их использования удаляются в окружающую среду.Closest to the claimed technical solution is the device described in the patent [RU 2372277, B01J 7/00, C01 VZ / 38, 10.11.2009]. In this solution, the hydrocarbon fuel steam reforming reactor, shift reactor, selective methanation reactor, steam generator, reagent supply and outlet fitting are located in one building. The reactors are designed in such a way that they are combined in height and are separated by inert filling of granular material. The thermal conditions in the steam conversion reactor are controlled by changing the fuel consumption and excess air supplied to the burner, and in the methanation reactor due to cold air, which is then supplied to the burner. The disadvantage of this device is the difficulty of regulating thermal conditions in the reactors of the device associated with possible heat flows between the internal parts of the device, the limited regulation of the operating modes of the reactors only due to the flame burner and its use for starting and heating, leading to the presence of nitrogen oxides in flue gases, which after their use they are disposed of into the environment.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания компактного устройства для получения синтез-газа из различных углеводородных газов типа С1-С12, например, природного газа, пропан-бутана, дизельного топлива, бензина, биодизельного топлива, биоэтанола, с повышенной эффективностью при содержании Нг+СО>76% для энергоустановок на основе твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ).The present invention solves the problem of creating a compact device for producing synthesis gas from various hydrocarbon gases of type C 1 -C 12 , for example, natural gas, propane-butane, diesel fuel, gasoline, biodiesel, bioethanol, with increased efficiency in the content of Ng + CO > 76% for power plants based on solid oxide fuel cells (SOFC).
Задача решается следующей конструкцией устройства топливного процессора.The problem is solved by the following design of the fuel processor device.
В общем случае топливный процессор конверсии углеводородных топлив в синтез - газ содержит в зависимости от типа конверсии (парциальное окисление, автотермическая конверсия, паровая конверсия) пусковое или нагревательное устройство, узел подготовки смеси, состоящий из испарителя и пароперегревателя реагирующей смеси с узлом смешения, риформер для проведения конверсии углеводородного топлива до синтез-газа.In the general case, the fuel processor for converting hydrocarbon fuels to synthesis gas contains, depending on the type of conversion (partial oxidation, autothermal conversion, steam conversion) a starting or heating device, a mixture preparation unit, consisting of an evaporator and a superheater of the reacting mixture with a mixing unit, a reformer for Conversion of hydrocarbon fuel to synthesis gas.
Процессор для осуществления конверсии (воздушной, паровой и автотермической) углеводородных топлив в синтез - газ для применения в твердооксидных топливных элементах - ТОТЭ, содержит риформер для проведения конверсии, узел подготовки исходной смеси, состоящий из испарителя, пароперегревателя и смесителя реагирующей смеси, нагревательное устройство со встроенным дожигателем анодных газов, образующихся в результате работы твердооксидных топливных элементов.The processor for converting (air, steam, and autothermal) hydrocarbon fuels to synthesis gas for use in solid oxide fuel cells — SOFC, contains a reformer for the conversion, an initial mixture preparation unit, consisting of an evaporator, a superheater and a reacting mixture mixer, a heating device with built-in afterburner of the anode gases resulting from the operation of solid oxide fuel cells.
Риформер выполнен в виде плоских блоков, которые содержат экзотермические и эндотермические каналы, внутри которых расположен катализатор, состоящий из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых каталитических лент, образующих каналы для прохождения реагирующей смеси, поступающей из узла подготовки смеси.The reformer is made in the form of flat blocks that contain exothermic and endothermic channels, inside of which there is a catalyst consisting of alternating flat and corrugated heat-conducting metal mesh or metal-porous catalytic tapes forming channels for the passage of the reaction mixture coming from the mixture preparation unit.
Для улучшения теплового контакта между каналами катализатор может быть спечен со стенкой риформера.To improve thermal contact between the channels, the catalyst can be sintered with the reformer wall.
В риформере расположен катализатор одного состава, обеспечивающий конверсию различных видов углеводородных топлив в синтез - газ.The reformer contains a catalyst of the same composition, which provides the conversion of various types of hydrocarbon fuels into synthesis gas.
Катализатор представляет собой плоскую или гофрированную ленту на основе теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых материалов, на которую нанесен методом пропитки или методом спекания с подложкой носителя каталитически активный компонент.The catalyst is a flat or corrugated tape based on heat-conducting metal mesh or metal-porous materials, onto which a catalytically active component is applied by impregnation or by sintering with a support substrate.
Испаритель и пароперегреватель узла подготовки смеси могут быть выполнены в виде змеевика или в виде двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от нагревательного устройства, а в другие, в зависимости от типа конверсии, воздух с газообразными или жидкими углеводородами при воздушной конверсии, вода с углеводородным топливом при паровой конверсии, воздух, вода и углеводородное топлива при автотермической конверсии. В качестве смесителя при использовании жидких топлив могут быть использованы форсунки для подачи воды и топлива раздельно или совместно.The evaporator and superheater of the mixture preparation unit can be made in the form of a coil or in the form of two types of flat channels, one of which feeds hot gas from a heating device, and the other, depending on the type of conversion, air with gaseous or liquid hydrocarbons during air conversion , water with hydrocarbon fuel in steam conversion, air, water and hydrocarbon fuel in autothermal conversion. As a mixer when using liquid fuels, nozzles for supplying water and fuel separately or jointly can be used.
Нагревательное (или пусковое) устройство объединено с дожигателем анодных газов, образующихся в результате работы твердооксидных топливных элементов -ТОТЭ, и состоит из катализатора регулярной структуры, например, гранулированного катализатора, либо катализатора, который содержит носитель из металлопористого жаропрочного материала и активный компонент для окисления углеводородных топлив в смеси с воздухом либо смеси с добавками водородсодержащего анодного газа и получением горячих продуктов реакции окисления при температуре 700-1000°С.The heating (or starting) device is combined with an anode gas afterburner resulting from the operation of solid oxide fuel cells (SOFCs) and consists of a catalyst of regular structure, for example, a granular catalyst, or a catalyst that contains a carrier made of metal-porous heat-resistant material and an active component for the oxidation of hydrocarbon fuels mixed with air or mixtures with additives of a hydrogen-containing anode gas and obtaining hot products of the oxidation reaction at a temperature of 700-1000 ° FROM.
Нагревательное устройство оборудовано системой запуска, состоящей из тангенциального ввода с запальной свечой.The heating device is equipped with a starting system consisting of a tangential input with a spark plug.
Риформер выполнен в виде одного или нескольких блоков, состоящих из параллельных планарных экзотермических и эндотермических каналов. Каналы имеют регулярную структуру и расположены таким образом, что на один экзотермический канал приходится два эндотермических канала. Эндотермические каналы заполнены структурированным катализатором конверсии углеводородных топлив, приготовленных на термостойкой металлической сетке или металлопористом носителе, имеющим теплопроводность 1-5 W/m·K. В качестве катализатора используются различные комбинации оксидов переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном, четвертого и пятого периодов, преимущественно Со, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, и металлы платиновой группы, в основном, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно, Pt, Rh, Ru. Катализатор в каналах расположен таким образом, что имеет хороший тепловой контакт с металлической стенкой, образующей данный канал. Экзотермические каналы выполнены в форме плоских щелей, в которые подается горячий газ, полученный в результате окисления углеводородного топлива или анодного газа от ТОТЭ на дожигателе, встроенном в пусковое нагревательное устройство.The reformer is made in the form of one or more blocks consisting of parallel planar exothermic and endothermic channels. The channels have a regular structure and are arranged in such a way that there are two endothermic channels per exothermic channel. The endothermic channels are filled with a structured catalyst for the conversion of hydrocarbon fuels prepared on a heat-resistant metal mesh or metal-porous carrier having a thermal conductivity of 1-5 W / m · K. As a catalyst, various combinations of oxides of transition and rare-earth elements of 4-6 periods, mainly of the fourth and fifth periods, mainly Co, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, and platinum group metals, mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru. The catalyst in the channels is arranged in such a way that it has good thermal contact with the metal wall forming this channel. The exothermic channels are made in the form of flat slits into which hot gas is obtained, obtained as a result of oxidation of hydrocarbon fuel or anode gas from SOFC on an afterburner integrated in the starting heating device.
Вода (в случае паровой или автотермической конверсии) и углеводородное топливо подаются совместно в смесительное устройство, а затем в испаритель, где происходит предварительное испарение воды за счет тепла от нагревательного устройства. Смесительное устройство и испаритель могут быть объединены, возможен также вариант раздельной подачи воды и углеводородного топлива. В испарителе происходит перемешивание образовавшегося пара и газа с последующей подачей в пароперегреватель. Пароперегреватель состоит из двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от нагревательного устройства, а в другие в зависимости от типа конверсии - смесь паров воды с углеводородным топливом (паровая конверсия) либо смесь паров воды с углеводородным топливом и воздухом (автотермическая конверсия). Полученная перегретая смесь при температуре 800-900°С поступает в эндотермические каналы риформера, где осуществляется реакция конверсии с получением синтез-газа. В случае парциального окисления использование пускового устройства необходимо только на стадии начального подогрева, а испаритель и пароперегреватель используются для транзита реакционной смеси, подаваемой в риформер.Water (in the case of steam or autothermal conversion) and hydrocarbon fuel are supplied together to the mixing device, and then to the evaporator, where water is pre-evaporated by heat from the heating device. The mixing device and the evaporator can be combined; a separate supply of water and hydrocarbon fuel is also possible. In the evaporator, the resulting vapor and gas are mixed, followed by supply to the superheater. A superheater consists of two types of flat channels, one of which feeds hot gas from a heating device, and the other, depending on the type of conversion, uses a mixture of water vapor with hydrocarbon fuel (steam conversion) or a mixture of water vapor with hydrocarbon fuel and air (autothermal conversion ) The resulting superheated mixture at a temperature of 800-900 ° C enters the endothermic channels of the reformer, where the conversion reaction is carried out to produce synthesis gas. In the case of partial oxidation, the use of a starting device is necessary only at the initial heating stage, and the evaporator and superheater are used to transit the reaction mixture fed to the reformer.
Нагревательное устройство, объединенное с дожигателем анодных газов от ТОТЭ, состоит из катализатора регулярной структуры, приготовленного на основе гранулированного катализатора, либо носителей из металлопористого жаропрочного материала и активного компонента, состоящего из оксидов переходных и редкоземельных элементов 4-6 периодов, в основном, четвертого и пятого периодов, преимущественно, Со, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, и металлов платиновой группы, в основном, Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, преимущественно, Pt, Rh, Ru. В слое катализатора нагревательного устройства осуществляется каталитическое окисление газообразного или испаренного углеводородного топлива воздухом с получением горячих продуктов реакции окисления при температуре 700-1000°С. Эти горячие газы обеспечивают испарение воды в испарителе, перегрев реакционной смеси в пароперегревателе и осуществление реакции паровой конверсии в риформере. Полученный в результате реакции конверсии синтез-газ подается непосредственно в батарею ТОТЭ.The heating device, combined with the SOFC anode gas burner, consists of a regular structure catalyst prepared on the basis of a granular catalyst, or supports made of heat-resistant metal-porous material and an active component consisting of transition and rare-earth oxides of periods 4–6, mainly the fourth and fifth periods, mainly Co, Ni, Fe, Cr, Mn, Ti, Zr; La, Ce, Y, Sm, Pr, Gd, and platinum group metals, mainly Pt, Pd, Rh, Ir, Ru, mainly Pt, Rh, Ru. In the catalyst bed of the heating device, the gaseous or vaporized hydrocarbon fuel is catalytically oxidized by air to produce hot oxidation reaction products at a temperature of 700-1000 ° C. These hot gases provide evaporation of water in the evaporator, overheating of the reaction mixture in the superheater and the implementation of the steam reforming reaction in the reformer. The synthesis gas resulting from the conversion reaction is fed directly to the SOFC battery.
При запуске нагревательного устройства можно использовать пусковой нагреватель, например, пламенный, работающий на углеводородном топливе и воздухе, который обеспечивает предварительный разогрев катализатора до температуры 500-600°С. После достижения такой температуры пусковой нагреватель отключают, и на разогретый слой катализатора подают смесь воздуха и газообразного или испаренного углеводородного топлива в соотношении 1.1-1.15 от стехиометрического. Это приводит к каталитической реакции полного окисления с получением горячих газов, используемых для осуществления процессов в реакторе при паровой конверсии. В случае воздушной или автотермической конверсии нагревательное устройство используется, главным образом, ля компенсации тепловых потерь. Система запуска, система подачи и дозирования реагентов, риформер, теплообменники, система управления представляют собой единую конструкцию.When starting the heating device, you can use a starting heater, for example, a flame heater that runs on hydrocarbon fuel and air, which provides preliminary heating of the catalyst to a temperature of 500-600 ° C. After reaching this temperature, the starting heater is turned off, and a mixture of air and gaseous or vaporized hydrocarbon fuel is fed to the heated catalyst layer in a ratio of 1.1-1.15 of the stoichiometric one. This leads to a catalytic reaction of complete oxidation to produce hot gases used to carry out processes in the reactor during steam reforming. In the case of air or autothermal conversion, a heating device is used mainly to compensate for heat loss. The start-up system, the reagent supply and dosing system, the reformer, the heat exchangers, the control system are a single design.
Отличительными признаками изобретения являются:Distinctive features of the invention are:
1. Выполнение риформера в виде плоских блоков, содержащих экзотермические и эндотермические канал, внутри которых расположен катализатор, состоящий из чередующихся между собой плоских и гофрированных теплопроводных металлопористых каталитических лент, образующих каналы для прохождения реагирующей смеси с парами воды, поступающих из испарителя при автотермической или паровой конверсии, или газообразного углеводородного топлива и воздуха при парциальном окислении, в качестве носителя для катализатора используется лента на основе освоенных промышленностью теплопроводных металлических сетчатых или металлопористых материалов с последующей технологией нанесения методом пропитки или методом спекания каталитически активных компонентов с подложкой носителя.1. The implementation of the reformer in the form of flat blocks containing an exothermic and endothermic channel, inside of which there is a catalyst consisting of alternating flat and corrugated heat-conducting metal-porous catalytic tapes forming channels for the passage of the reacting mixture with water vapor coming from the evaporator during autothermal or steam of conversion, or gaseous hydrocarbon fuel and air during partial oxidation, a catalyst based on organic light is used as a carrier for the catalyst industrial heat-conducting metal mesh or metal-porous materials, followed by deposition technology by impregnation or sintering of catalytically active components with a carrier substrate.
2. Наличием узла подготовки смеси, состоящей из испарителя, пароперегревателя и смесителя. Испаритель и пароперегреватель могут быть выполнены в виде змеевика или в виде двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от нагревательного устройства, а в другие в зависимости от типа конверсии либо углеводородное топливо с воздухом при воздушной конверсии, либо - смесь паров воды с углеводородным топливом и воздухом при автотермической или углеводородное топливо с парами воды при паровой конверсии. Для подачи жидких топлив могут быть использованы форсунки либо капилляры, где происходит предварительное испарение воды за счет тепла от нагревательного устройства. Одновременно в испарителе происходит перемешивание образовавшегося пара и газа с последующей подачей в пароперегреватель. Пароперегреватель также состоит из двух типов плоских каналов, в одни из которых подают горячий газ от нагревательного устройства, а в другие - смесь паров воды с углеводородным топливом и воздухом. Полученная перегретая смесь при температуре 800-900°С поступает в эндотермические каналы риформера, где осуществляется реакция соответствующей конверсии.2. The presence of the unit for preparing the mixture, consisting of an evaporator, superheater and mixer. The evaporator and superheater can be made in the form of a coil or in the form of two types of flat channels, one of which feeds hot gas from a heating device, and the other, depending on the type of conversion, either hydrocarbon fuel with air during air conversion, or a mixture of water vapor with hydrocarbon fuel and air during autothermal or hydrocarbon fuel with water vapor during steam conversion. To supply liquid fuels, nozzles or capillaries can be used, where the preliminary evaporation of water occurs due to the heat from the heating device. At the same time, the resulting vapor and gas are mixed in the evaporator, followed by supply to the superheater. The superheater also consists of two types of flat channels, one of which feeds hot gas from the heating device, and the other a mixture of water vapor with hydrocarbon fuel and air. The resulting superheated mixture at a temperature of 800-900 ° C enters the endothermic channels of the reformer, where the corresponding conversion reaction is carried out.
3. Нагревательным устройством, объединенным с дожигателем анодных газов от ТОТЭ, состоящим из катализатора регулярной структуры, приготовленного на основе гранулированного катализатора, либо носителей из металлопористого жаропрочного материала и активного компонента для окисления углеводородной смеси воздухом, либо смеси с добавками водородсодержащего анодного газа с получением горячих продуктов реакции окисления при температуре 700-1000°С. Для обеспечения запуска нагревательное устройство оборудовано системой запуска, состоящей из тангенциального ввода с запальной свечой.3. A heating device combined with a SOFC anode gas burner, consisting of a regular structure catalyst prepared on the basis of a granular catalyst, or supports made of a metal-porous heat-resistant material and an active component for oxidizing a hydrocarbon mixture with air, or a mixture with hydrogen-containing anode gas additives to produce hot oxidation reaction products at a temperature of 700-1000 ° C. To ensure start-up, the heating device is equipped with a start-up system consisting of a tangential input with a spark plug.
4. Новым является выполнение топливного процессора в одном корпусе с расположением в нем реактором конверсии различных углеводородных топлив в синтез-газ на одном катализаторе, каталитическим нагревательным устройством с системой запуска; узлом подготовки топлива, состоящем из испарителя, пароперегревателя смеси, состоящей из воды и углеводородного топлива и возможностью размещения в этом корпусе батареи ТОТЭ.4. New is the implementation of the fuel processor in one housing with the location in it of the reactor for the conversion of various hydrocarbon fuels into synthesis gas on one catalyst, a catalytic heating device with a start-up system; a fuel preparation unit, consisting of an evaporator, a superheater of a mixture consisting of water and hydrocarbon fuel and the possibility of placing a SOFC battery in this housing.
Сущность изобретения иллюстрируется примерами и Фиг.The invention is illustrated by examples and FIG.
На Фиг. представлена схема заявляемого топливного процессора. Он состоит из пускового (нагревательного) устройства - 1, узла подготовки смеси, состоящий из смесителя - 2, испарителя - 3 и пароперегревателя - 4, риформера конверсии углеводородного топлива в синтез-газ - 5, батареи ТОТЭ - 6.In FIG. presents a diagram of the inventive fuel processor. It consists of a starting (heating) device - 1, a mixture preparation unit, consisting of a mixer - 2, an evaporator - 3 and a superheater - 4, a reformer for converting hydrocarbon fuel to synthesis gas - 5, and a SOFC - 6.
Топливный процессор работает следующим образом.The fuel processor operates as follows.
Исходные реагенты: углеводородное топливо и воздух в соотношении α=1.10-1.15 от стехиометрического подают в систему запуска нагревательного устройства - 1, где происходит их поджиг. Смесь загорается и продуктами сгорания происходит разогрев каталитического блока нагревательного устройства. При нагреве каталитического блока до температуры начала окисления (500-600°С) реакция окисления переходит в режим гетерогенного окисления, при котором температура катализатора и продуктов реакции достигает 900-1000°С. Далее горячий газ поступает на разогрев каталитических блоков риформера -5, смесителя -2, испарителя -3 и пароперегревателя - 4. Когда температура в риформере достигнет температуры начала реакции 500-600°С, в узел подготовки топлива подают в зависимости от вида топлива и типа конверсии:Initial reagents: hydrocarbon fuel and air in the ratio α = 1.10-1.15 from the stoichiometric feed into the starting system of the heating device - 1, where they are ignited. The mixture lights up and the combustion products heat up the catalytic unit of the heating device. When the catalytic unit is heated to the temperature of the onset of oxidation (500-600 ° C), the oxidation reaction goes into a heterogeneous oxidation mode at which the temperature of the catalyst and reaction products reaches 900-1000 ° C. Next, the hot gas enters to heat the catalytic blocks of reformer -5, mixer -2, evaporator -3 and superheater - 4. When the temperature in the reformer reaches the temperature of the onset of the reaction 500-600 ° C, the fuel preparation unit is fed depending on the type of fuel and type conversions:
- при воздушной конверсии - природный газ-воздух в соотношении О2/С=0.6-0.7;- during air conversion - natural gas-air in the ratio of O 2 / C = 0.6–0.7;
- при паровой конверсии - углеводородное топливо-вода в соотношении Н2О/С=1.5-2;- in case of steam conversion - hydrocarbon fuel-water in the ratio of Н2О / С = 1.5-2;
- при автотермической конверсии жидких топлив - О2/С=0.6-0.7, Н2О/С=1.5-2.0.- in case of autothermal conversion of liquid fuels - О 2 /С=0.6-0.7, Н 2 О / С = 1.5-2.0.
Полученная перегретая смесь поступает в эндотермические каналы риформера, где происходит реакция конверсии с образованием синтез-газа. Образовавшийся синтез-газ поступает в виде топлива на батарею ТОТЭ - 6.The resulting superheated mixture enters the endothermic channels of the reformer, where the conversion reaction occurs with the formation of synthesis gas. The resulting synthesis gas is supplied as fuel to the SOFC-6 battery.
Пример 1.Example 1
Результаты испытаний топливного процессора при воздушной конверсии природного газа с тепловой мощностью 1 кВт.The test results of the fuel processor during the air conversion of natural gas with a thermal power of 1 kW.
риформере,
°СTemperature in
reformer
° C
%H 2 + CO,
%
Пример 2Example 2
Результаты испытаний топливного процессора паровой конверсии пропан-бутана с тепловой мощностью до 1 кВт.Test results of a propane-butane steam conversion fuel processor with a thermal power of up to 1 kW.
г/минn 2 about
g / min
%H 2 + CO,
%
Пример 3.Example 3
Результаты испытаний топливного процессора с тепловой мощностью до 1 кВт при автотермической конверсии дизельного топлива.Test results of a fuel processor with a thermal power of up to 1 kW during autothermal conversion of diesel fuel.
г/минH 2 O,
g / min
%CO
%
%CO 2
%
Пример 4.Example 4
Результаты испытаний топливного процессора с тепловой мощностью до 1 кВт при автотермической конверсии биодизельного топлива.Test results of a fuel processor with a thermal power of up to 1 kW during autothermal conversion of biodiesel.
г/минn 2 about
g / min
%CO
%
%H 2
%
%CH 4
%
%H 2 + CO,
%
Пример 5.Example 5
Результаты испытаний топливного процессора с тепловой мощностью до 1 кВт при паровой конверсии биоэтанола.Test results of a fuel processor with a thermal power of up to 1 kW with steam conversion of bioethanol.
г/минH 2 O,
g / min
%H 2 + CO,
%
Приведенные результаты испытаний подтверждают возможность реализации данной конструкции топливного процессора и использование различных видов углеводородных топлив для получения синтез-газа на одном катализаторе.The test results presented confirm the feasibility of implementing this design of the fuel processor and the use of various types of hydrocarbon fuels to produce synthesis gas on a single catalyst.
Claims (6)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135825/04U RU113729U1 (en) | 2010-08-30 | 2010-08-30 | PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010135825/04U RU113729U1 (en) | 2010-08-30 | 2010-08-30 | PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU113729U1 true RU113729U1 (en) | 2012-02-27 |
Family
ID=45852708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010135825/04U RU113729U1 (en) | 2010-08-30 | 2010-08-30 | PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU113729U1 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2523824C2 (en) * | 2012-07-06 | 2014-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Apparatus of producing synthesis gas |
| RU2673527C2 (en) * | 2014-03-04 | 2018-11-27 | Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани | Steam reforming |
| RU2673839C2 (en) * | 2014-03-04 | 2018-11-30 | Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани | Catalytic installation |
| RU191712U1 (en) * | 2018-10-08 | 2019-08-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) | Synthesis gas production device |
-
2010
- 2010-08-30 RU RU2010135825/04U patent/RU113729U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2523824C2 (en) * | 2012-07-06 | 2014-07-27 | Общество с ограниченной ответственностью "ВТР" | Apparatus of producing synthesis gas |
| RU2673527C2 (en) * | 2014-03-04 | 2018-11-27 | Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани | Steam reforming |
| RU2673839C2 (en) * | 2014-03-04 | 2018-11-30 | Джонсон Мэтти Паблик Лимитед Компани | Catalytic installation |
| US10246326B2 (en) | 2014-03-04 | 2019-04-02 | Johnson Matthey Public Limited Company | Steam reforming |
| RU191712U1 (en) * | 2018-10-08 | 2019-08-19 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Федеральный исследовательский центр "Институт катализа им. Г.К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук" (Институт катализа СО РАН, ИК СО РАН) | Synthesis gas production device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR101127688B1 (en) | Small-sized reformer of cylinder type | |
| Nahar et al. | Recent advances in hydrogen production via autothermal reforming process (ATR): a review of patents and research articles | |
| US8986405B2 (en) | Gas generator and processes for the conversion of a fuel into an oxygen-depleted gas and/or hydrogen-enriched gas | |
| EP1828085B1 (en) | Thermo-neutral reforming of petroleum-based liquid hydrocarbons | |
| US20080019902A1 (en) | Process for producing hydrogen | |
| US20020051741A1 (en) | Reformer | |
| JP2003506306A (en) | Compact reactor | |
| JP2004288434A (en) | Hydrogen production apparatus and fuel cell system | |
| JP2002510272A (en) | Method and apparatus for autothermal reforming of hydrocarbons | |
| JP2004525484A (en) | Apparatus and method for heating a catalyst for starting a compact fuel processor | |
| US20030188475A1 (en) | Dynamic fuel processor with controlled declining temperatures | |
| JP2015514654A (en) | Catalytic combustion integrated heat reformer for hydrogen production | |
| US7247258B2 (en) | Compact partial oxidation reactor assemblage with fast start-up capability | |
| JP2015517175A (en) | Catalytically heated fuel processor including a replaceable structured support for supporting a catalyst for a fuel cell | |
| CN105720285B (en) | A kind of closed-type fuel cell hydrogen source system | |
| TW574137B (en) | Process and apparatus for producing hydrogen | |
| RU113729U1 (en) | PROCESSOR FOR CONVERSION OF HYDROCARBON FUELS IN SYNTHESIS-GAS FOR APPLICATION IN SOLID-OXIDE FUEL ELEMENTS | |
| KR100857703B1 (en) | Reaction vessel and reaction device | |
| JP4464230B2 (en) | Reforming apparatus and method, and fuel cell system | |
| ITSA20080023A1 (en) | SELF-THERMAL CATALYTIC REACTOR WITH FLAT TEMPERATURE PROFILE FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN FROM LIGHT HYDROCARBONS | |
| EP3895795A1 (en) | A reactor with an electrically heated structured ceramic catalyst | |
| RU138423U1 (en) | DEVICE FOR PRODUCING A GAS MIXTURE ENHANCED WITH HYDROGEN | |
| KR20080060871A (en) | Multi layer catalyst reactor equipped with metal monolith heat exchanger for hydrocarbon steam reforming and producing method of hydrogen gas using the multi layer catalyst reactor | |
| JPH0794322B2 (en) | Methanol reformer | |
| RU2003115341A (en) | METHOD FOR WORKING THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20120318 |
|
| NF1K | Reinstatement of utility model |
Effective date: 20141110 |
|
| MM9K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20180831 |