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DE19956378A1 - Introduction of liquids into gas fed to diesel reformer, e.g. for SOFC avoiding solids deposition, takes place in alternating stages of heating and liquid addition - Google Patents

Introduction of liquids into gas fed to diesel reformer, e.g. for SOFC avoiding solids deposition, takes place in alternating stages of heating and liquid addition

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DE19956378A1
DE19956378A1 DE19956378A DE19956378A DE19956378A1 DE 19956378 A1 DE19956378 A1 DE 19956378A1 DE 19956378 A DE19956378 A DE 19956378A DE 19956378 A DE19956378 A DE 19956378A DE 19956378 A1 DE19956378 A1 DE 19956378A1
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liquid
fuel
mixture
thermal energy
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DE19956378A
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Rainer Autenrieth
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

A gas (3) is heated (4) and vaporizes a subsequently-introduced liquid (5). Further heat supplied (8), vaporizes a second liquid introduction (9) downstream. The mixture enters the reaction chamber (1). Each vaporization may be partial. An Independent claim is included for plant carrying out the reforming process. This includes appropriate pipework and two heat exchangers (4, 8) followed by mixing nozzles (6, 10) introducing the liquids (5, 9). Preferred features: Heat (12) added before introduction into the reaction chamber is sufficient for vaporization of all liquids, and to reach the reforming temperature. Heating the gas, takes it above the boiling temperature of the first liquid introduction. Heat addition after the second liquid introduction, brings the mixture above the boiling temperature of the second introduction (9). Second and third introductions include atomization. The gas is air and/or steam. The first liquid (5) is a hydrocarbon (especially diesel) which is liquid at normal temperatures. The second liquid is water. In the plant, there is a further heat exchanger (12) near the second mixing nozzle. The mixing nozzles each have a constriction and a duct supplying the liquid. A plate heat exchanger (4, 8, 12) construction is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einbringen von verschiedenen gasförmigen und/oder flüssigen Be­ triebsstoffen zur Reformierung eines Kohlenwasser­ stoffs in einen Reaktionsraum, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem be­ trifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for introduction of various gaseous and / or liquid be fuels for reforming a hydrocarbon substance in a reaction space, according to the generic term of claim 1 defined in more detail. Also be the invention meets a device for performing of the procedure.

Der allgemeine Stand der Technik kennt verschiedenar­ tige Aufbauten von Düsen oder Düsenelementen, welche Betriebsstoffe in einen Reaktionsraum einbringen bzw. eindosieren.The general state of the art knows different structures of nozzles or nozzle elements, which Introduce operating materials into a reaction space or dose.

Verschiedene solcher Düsen sind dabei aus der Ein­ spritztechnik von Verbrennungskraftmaschinen bekannt. So beschreibt beispielsweise die DE 38 00 711 U1 einen Venturi-Mischer zum Mischen von Gas und Luft für den Einsatz in einem Verbrennungsmotor. Various such nozzles are from the one Spray technology of internal combustion engines known. For example, DE 38 00 711 U1 describes one Venturi mixer for mixing gas and air for the Use in an internal combustion engine.  

Die DE 27 39 206 A1 zeigt eine Vorrichtung zur Verwir­ belung eines Brennstoff/Luft-Gemischs, mit dem Ziel, eine ideale Vermischung der beiden gasförmigen Be­ triebsstoffe zu erreichen. In einem optionalen Aufbau hiervon kann gleichzeitig eine dritte gasförmige Kom­ ponente eingemischt werden.DE 27 39 206 A1 shows a device for entangling fuel / air mixture, with the aim of an ideal mixture of the two gaseous be to achieve fuels. In an optional setup a third gaseous com component can be mixed in.

Die nicht vorveröffentlichte DE 199 29 945.5-41 zeigt eine Mischdüse, welche zwei ihr unabhängig voneinander zugeführte Komponenten beim Einbringen in einen Reak­ tor miteinander vermischt.The unpublished DE 199 29 945.5-41 shows a mixing nozzle, which two you independently components fed into a reak gate mixed together.

Im Rahmen eines "Solid Oxide Fuelcell (SOFC)"-Brenn­ stoffzellensystems ist in der US 5,686,196 ein Aufbau beschrieben, bei dem eine Mischung aus Wasserstoff und Diesel hergestellt wird, welche dann durch einen Wär­ metauscher und eine Entschwefelungseinrichtung gelei­ tet wird. Vor dem Eintritt in den eigentlichen Refor­ mer wird diesem Gemisch Wasser zugeführt.As part of a "Solid Oxide Fuelcell (SOFC)" distillery Stoffzellensystems is a structure in US 5,686,196 described in which a mixture of hydrogen and Diesel is produced, which is then replaced by a heat Metauscher and a desulfurization facility is tested. Before entering the actual refor Water is added to this mixture.

Speziell bei Diesel, der als ein Gemisch aus vielen Substanzen mit unterschiedlichen Siedepunkten anzuse­ hen ist, tritt das zusätzliche Problem auf, daß es bei ungenügender Verdampfung, beispielsweise durch zu ge­ ringe Temperaturen, zu einer Rückstandsbildung von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen kommt. Diese Rück­ stände führen dann zu einer Beeinträchtigung oder so­ gar zu einem Verstopfen des Verdampfers bzw. Wärmetau­ schers oder der Katalysatorstrukturen in dem Reformer.Especially with diesel, which is a mixture of many To use substances with different boiling points hen, there is the additional problem that it is insufficient evaporation, for example due to ge temperatures, to form a residue of high-boiling hydrocarbons. This return Stands then lead to impairment or something even clogging of the evaporator or heat build-up Schers or the catalyst structures in the reformer.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Ein­ bringen von verschiedenen gasförmigen und/oder flüssi­ gen Betriebsstoffen zur Reformierung eines Kohlenwas­ serstoffs mittels partieller Oxidation oder autother­ mer Reformierung zu schaffen, welches die Produkte vor der Zugabe in den Reaktionsraum als homogenes Gemisch hoher Temperatur zur Verfügung stellt, und welches die flüssigen Betriebsstoffe zu deren überwiegend größtem Teil in einer gasförmigen Phase zur Verfügung stellen kann. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustel­ len.It is an object of the invention to provide a method for bring various gaseous and / or liquid fuel for reforming coal  by means of partial oxidation or autothermal mer reform to create the products the addition into the reaction space as a homogeneous mixture high temperature, and which the liquid fuels to their mostly largest Provide part in a gaseous phase can. It is also an object of the invention to provide a to provide direction for performing the method len.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genann­ ten Merkmalen gelöst.According to the invention, this object is achieved by the method with the genann in the characterizing part of claim 1 characteristics solved.

Dadurch, daß gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren die Zufuhr, das Mischen und das Erhitzen, durch die Zufuhr von thermischer Energie, der jeweiligen Betriebsstoffe in einer mehrstufigen Anordnung nacheinander erfolgt, läßt sich ein ideal erhitztes, verdampftes und gut durchmischtes Gemisch aus den drei Betriebsstoffen dem Reaktionsraum zuführen. Dadurch, daß der jeweilige Betriebsstoff bzw. das Gemisch aus Betriebsstoffen vor der Zufuhr des nächsten Betriebsstoffs bereits durch die Zufuhr von thermischer Energie erhitzt worden ist, kann der jeweils zugeführte, flüssige Betriebsstoff sofort nach dessen Einbringen in den Stoffstrom Ener­ gie aus dem jeweiligen Stoffstrom aufnehmen und dabei wenigstens teilweise verdampfen. Durch diese mehrstu­ fige Anordnung kann erreicht werden, daß der entspre­ chende Kohlenwasserstoff, insbesondere Diesel, sofort auf eine sehr hohe Temperatur, bei Diesel beispiels­ weise wenigstens 400°C, gebracht wird. Dadurch kann vermieden werden, daß es zu Rückstandsbildungen von hochsiedenden Kohlenwasserstoffen kommt, welche in dem System Verschmutzungen oder gar Verstopfungen verursa­ chen könnten.The fact that according to the inventive method Feed, mixing and heating by the feed of thermal energy, the respective operating materials takes place in a multi-stage arrangement one after the other, can be an ideally heated, vaporized and good mixed mixture of the three operating materials Feed reaction space. Because the respective Operating fluid or the mixture of operating fluids the supply of the next fuel the supply of thermal energy has been heated can the supplied liquid operating fluid immediately after its introduction into the Ener material flow gie from the respective material flow and thereby evaporate at least partially. Through this multi-step Fige arrangement can be achieved that the correspond hydrocarbon, especially diesel, immediately to a very high temperature, for example with diesel wise at least 400 ° C is brought. This can be avoided that residues of high-boiling hydrocarbons, which comes in the  System contamination or even blockages could.

Durch das Einbringen des jeweiligen flüssigen Be­ triebsstoffs, hier insbesondere Diesel und Wasser, in den bereits sehr stark angewärmten Gasstrom, kann eine sehr hohe Geschwindigkeit für die Zufuhr der jeweili­ gen Betriebsstoffe in der jeweils gewünschten Zusam­ mensetzungen realisiert werden. Diese hohe Geschwin­ digkeit des Verfahrens zum Einbringen von verschiede­ nen gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen ermöglicht es also, in besonders vorteilhafter Weise, daß das System sehr schnell auf Anforderungen, wie z. B. Lastwechsel oder dergleichen, zu reagieren ver­ mag. Das dynamische Ansprechverhalten eines Systems zur Reformierung eines Kohlenwasserstoffs wird durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Einbringen von ver­ schiedenen gasförmigen und/oder flüssigen Betriebs­ stoffen in vorteilhafter Weise erhöht.By introducing the respective liquid Be fuel, especially diesel and water, in the already very strongly warmed gas stream, can very high speed for feeding the resp gen operating materials in the desired combination realizations can be realized. This high speed validity of the procedure for the introduction of various gaseous and / or liquid supplies thus enables, in a particularly advantageous manner, that the system responded very quickly to requests such as e.g. B. load changes or the like to react ver like. The dynamic response behavior of a system to reform a hydrocarbon is by the inventive method for introducing ver different gaseous and / or liquid operation substances increased in an advantageous manner.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von An­ spruch 10 näher definiert.An apparatus for performing the method is by the characteristics of the characteristic part of An Proof 10 defined in more detail.

Durch den Aufbau mit zwei Wärmetauschern und wenig­ stens zwei in Strömungsrichtung des Stoffstroms je­ weils hinter den Wärmetauschern angeordneten Mischdü­ sen ist eine sehr einfache und kompakte Realisierung einer Vorrichtung zur Durchführung des oben beschrie­ benen Verfahrens möglich.By building with two heat exchangers and little at least two each in the flow direction of the material flow because of the mixing nozzle arranged behind the heat exchangers sen is a very simple and compact implementation a device for performing the above described procedure.

Durch diesen einfachen und sehr störungsunanfälligen Aufbau mittels einfacher Wärmetauscher und Mischdüsen wird eine robuste Anordnung erreicht. Die Anordnung kann in ihrer Abmessung und in dem in ihr enthaltenen Volumen so günstig und klein ausgeführt werden, daß sie die besonders vorteilhaften Auswirkungen auf die Dynamik des Gesamtsystems, welche sich durch das oben genannte Verfahren ergeben, zusätzlich zu unterstützen vermag.Through this simple and very trouble-free Setup using simple heat exchangers and mixing nozzles a robust arrangement is achieved. The order  can in its dimension and in that contained in it Volume run so cheap and small that they have the particularly beneficial impact on the Dynamics of the overall system, which are characterized by the above mentioned procedures result in additional support can

In einer besonders günstigen Ausführungsform des er­ findungsgemäßen Verfahrens und der dazugehörigen Vor­ richtung, welches in den Unteransprüchen 4 und 11 be­ schrieben ist, wird der jeweilige flüssige Betriebs­ stoff beim Einbringen in den Stoffstrom zerstäubt. Dies kann beispielsweise durch entsprechende Mischdü­ sen erfolgen, welche eine Verengung für den sie durch­ strömenden Stoffstrom vorsehen, wobei die Zufuhr des einzubringenden flüssigen Stoffs im Bereich dieser Verengung des durchströmten Querschnitts erfolgt.In a particularly favorable embodiment of the inventive method and the associated Vor direction, which in the dependent claims 4 and 11 be is written, the respective liquid operation atomized when introduced into the material flow. This can be done, for example, by appropriate mixing nozzles sen, which is a narrowing for them by provide flowing material flow, the supply of the liquid substance to be introduced in the area of this The cross-section through which flow is narrowed.

Dadurch läßt sich eine sehr feine Zerstäubung des zu­ geführten flüssigen Betriebsstoffs mit einer gleich­ zeitigen sehr guten Durchmischung der beiden Stoffe erreichen. Durch den bereits vorgewärmten Gasstrom kann der zugeführte flüssige Betriebsstoff damit sehr schnell und auf einer sehr kurzen zu durchströmenden Weglänge zu seinem wenigstens annähernd größten Teil verdampfen. Außerdem ergeben sich hierdurch weitere Vorteile bezüglich der Dynamik eines mit dem Verfahren arbeitenden Gesamtsystems, sowie der möglichst homoge­ nen Durchmischung der Betriebsstoffe und der rück­ standsfreien Zufuhr dieser Betriebsstoffe in den Reak­ tionsraum.This allows a very fine atomization of the led liquid operating fluid with an equal very good mixing of the two substances to reach. By the preheated gas flow the supplied liquid fuel can do a lot quickly and on a very short flow Path length to its at least approximately the largest part evaporate. This also results in more Advantages in terms of the dynamics of one with the procedure working overall system, as well as the most homogeneous mixing of the operating materials and the back steady supply of these operating materials into the reak tion room.

Prinzipiell ist es selbstverständlich auch angedacht, das erfindungsgemäße Verfahren wie auch die Vorrich­ tung für den Einsatz von mehr als drei Betriebsstoffen entsprechend zu erweitern, was sich beispielsweise durch einen modularen Aufbau ohne weiteres realisieren läßt.In principle, it is of course also considered the inventive method as well as the Vorrich  tion for the use of more than three operating materials to expand accordingly, for example easily realized through a modular structure leaves.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun­ gen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Un­ teransprüchen und aus dem anhand der Zeichnung nach­ folgend dargestellten Ausführungsbeispiel.Further advantageous refinements and developments gene of the invention result from the further Un claims and from which based on the drawing following illustrated embodiment.

Es zeigt:It shows:

Fig. 1 einen Aufbau zur Bereitstellung eines Dreikom­ ponentengemischs für einen Reformer; und Fig. 1 shows a construction for providing a Dreikom ponentengemischs for a reformer; and

Fig. 2 den Bereich II in Fig. 1 in einer detaillier­ teren Darstellung. Fig. 2 shows the area II in Fig. 1 in a more detailed representation.

Fig. 1 zeigt eine prinzipmäßige Darstellung der Vor­ richtung wie sie zur Durchführung des Verfahrens zum Einbringen von verschiedenartigen gasförmigen und/oder flüssigen Betriebsstoffen zur Reformierung eines Koh­ lenwasserstoffs in einem Reaktionsraum 1 bzw. einem Reformer 1 vorgesehen ist. Die Vorrichtung läßt sich dabei für verschiedenartige Anwendungszwecke einset­ zen, ist jedoch insbesondere für die Bereitstellung der Betriebsstoffe bei der Dieselreformierung mittels partieller Oxidation oder autothermer Reformierung für die Erzeugung von wasserstoffhaltigem Gas für ein On­ board-Brennstoffzellensystem gedacht. Fig. 1 shows a schematic representation of the on device as it is provided for performing the method for introducing various gaseous and / or liquid fuels for reforming a hydrogen carbon in a reaction chamber 1 or a reformer 1 . The device can be used for various applications, but is particularly intended for the provision of operating materials in diesel reforming by means of partial oxidation or autothermal reforming for the production of hydrogen-containing gas for an on-board fuel cell system.

Über ein erstes Leitungselement 2 wird ein gasförmiger Betriebsstoff 3, hier insbesondere Luft, einem Wärme­ tauscher 4 zugeführt. Bei dem Wärmetauscher 4 kann es sich beispielweise um einen Kreuzstromwärmetauscher in Plattenbauweise handeln, welcher gemäß den durch die Pfeile 4a, 4b symbolisierten Anschlußelementen von einem Heizmedium durchströmt wird. In dem Wärmetau­ scher 4 wird der gasförmige Betriebsstoff 3 auf eine Temperatur erhitzt, welche oberhalb der Siedetempera­ tur eines zweiten, flüssigen Betriebsstoffs 5 liegt. Dieser flüssige Betriebsstoff 5, hier insbesondere Diesel, wird in einer Mischdüse 6, welche in Strö­ mungsrichtung des gasförmigen Betriebsstoffs 3 hinter dem Wärmetauscher 4 angeordnet ist, in den Stoffstrom des gasförmigen Betriebsstoffs 3 eingebracht. Durch den entsprechenden Aufbau der Mischdüse 6, auf den später noch näher eingegangen wird, wird der flüssige Betriebsstoff 5 in dem Gasstrom des Betriebsstoffs 3 verteilt und kann durch die über den Wärmetauscher 4 dem gasförmigen Betriebsstoff 3 zugeführte Energie in dem Stoffstrom wenigstens teilweise verdampfen.Via a first conduit element 2, a gaseous fuel 3, in particular air, a heat exchanger is supplied. 4 The heat exchanger 4 can be, for example, a cross-flow heat exchanger in plate construction, through which a heating medium flows according to the connection elements symbolized by the arrows 4 a, 4 b. In the Wärmetau shear 4 , the gaseous fuel 3 is heated to a temperature which is above the boiling temperature of a second, liquid fuel 5 . This liquid fuel 5 , here in particular diesel, is introduced into the material flow of the gaseous fuel 3 in a mixing nozzle 6 , which is arranged in the flow direction of the gaseous fuel 3 behind the heat exchanger 4 . Due to the corresponding structure of the mixing nozzle 6 , which will be discussed in more detail later, the liquid operating material 5 is distributed in the gas flow of the operating material 3 and can at least partially evaporate in the material flow through the energy supplied to the gaseous operating material 3 via the heat exchanger 4 .

An die Mischdüse 6 schließt sich ein weiteres Lei­ tungselement 7 an. In diesem Leitungselement 7 kann beispielsweise die angesprochene Verdampfung des ein­ gebrachten flüssigen Betriebsstoff 5 erfolgen. Um die Dynamik bzw. das dynamische Ansprechverhalten des Ge­ samtsystems möglichst ideal zu gestalten, ist das Lei­ tungselement 7 in möglichst kurzer Länge ausgeführt, was überwiegend durch den später noch beschriebenen Aufbau der Mischdüse 6 ermöglicht wird.At the mixing nozzle 6 another Lei line element 7 follows. In this line element 7 , for example, the mentioned evaporation of the liquid fuel 5 brought in can take place. In order to make the dynamics or the dynamic response behavior of the entire system as ideal as possible, the line element 7 is made as short as possible, which is made possible primarily by the construction of the mixing nozzle 6 , which will be described later.

Nach dem kurzen Leitungselement 7 tritt der Stoff­ strom, welcher nun ein Gemisch aus dem gasförmigen Betriebsstoff 3 und dem flüssigen, mittlerweile zu seinem wenigstens annähernd größten Teil verdampften Betriebsstoff 5 ist, in einen weiteren Wärmetauscher 8 ein. Auch dieser Wärmetauscher 8 wird von einem ent­ sprechenden Heizmedium durchströmt wie dies durch die Pfeile 8a, 8b, welche die Anschlußelemente des Wärme­ tauschers 8 symbolisieren, angedeutet ist.After the short line element 7 , the material flow, which is now a mixture of the gaseous operating material 3 and the liquid operating medium 5 , which has meanwhile largely been evaporated at least to a large extent, enters a further heat exchanger 8 . This heat exchanger 8 is flowed through by a corresponding heating medium as indicated by the arrows 8 a, 8 b, which symbolize the connection elements of the heat exchanger 8 , indicated.

In dem Wärmetauscher 8 erfolgt wieder die Zufuhr von thermischer Energie zu dem Gemisch aus den Betriebs­ stoffen 3 und 5. Diese werden auf eine Temperatur ge­ bracht, welche oberhalb der Siedetemperatur eines in Strömungsrichtung nach dem Wärmetauscher 8 einzubrin­ genden dritten, flüssigen Betriebsstoffs 9, hier ins­ besondere Wasser, liegt. In dem Wärmetauscher 8 werden dabei gegebenenfalls noch verbleibende flüssige Antei­ le des zweiten Betriebsstoffs 5 in dem Stoffstrom end­ gültig verdampft, so daß der flüssige Betriebsstoff 9 wiederum in einen Gasstrom eingebracht wird. Auch das Einbringen des Betriebsstoffs 9 erfolgt über eine Mischdüse 10, die in ihrem später noch zu beschreiben­ den Funktionsprinzip der Mischdüse 6 entspricht. In der Mischdüse 10 und dem sich daran anschließenden Leitungselement 11 finden prinzipmäßig die gleichen Vorgänge wie in der Mischdüse 6 und dem Leitungsele­ ment 7 statt.In the heat exchanger 8 there is again the supply of thermal energy to the mixture of the operating substances 3 and 5 . These are brought to a temperature which is above the boiling point of a third liquid fuel 9 to be introduced in the direction of flow after the heat exchanger 8 , here in particular water. In the heat exchanger 8 any remaining liquid portions of the second fuel 5 are finally evaporated in the material flow, so that the liquid fuel 9 is again introduced into a gas stream. The introduction of the operating medium 9 also takes place via a mixing nozzle 10 , which corresponds to the functional principle of the mixing nozzle 6 in its description, which will be described later. In principle, the same processes as in the mixing nozzle 6 and the line element 7 take place in the mixing nozzle 10 and the line element 11 adjoining it.

An das Leitungselement 11 kann sich dann unmittelbar der Reaktionsraum 1 anschließen oder es kann, wie in Fig. 1 dargestellt, ein weiterer, optionaler Wärmetau­ scher 12 eingesetzt sein, welcher auch wiederum von einem Heizmedium, gekennzeichnet durch die Anschluße­ lemente 12a, 12b, durchströmt wird, und in dem das Gemisch aus den Betriebsstoffen 3, 5 und 9 weiter überhitzt werden. An diesen optionalen Wärmetauscher 12 schließt sich dann ein weiteres Leitungselement 13 an, durch welches das erhitzte Gemisch aus den Be­ triebsstoffen 3, 5 und 9 in den Reaktionsraum 1 einge­ leitet wird.The reaction chamber 1 can then be connected directly to the line element 11 or, as shown in FIG. 1, a further, optional heat exchanger 12 can be used, which in turn is also a heating medium, characterized by the connecting elements 12 a, 12 b is flowed through, and in which the mixture of the operating materials 3 , 5 and 9 are further overheated. This optional heat exchanger 12 is then followed by a further line element 13 through which the heated mixture of the fuel 3 , 5 and 9 is introduced into the reaction chamber 1 .

In dem Reaktionsraum 1 findet dann in an sich bekann­ ter Art und Weise eine partielle Oxidation oder eine autotherme Reformierung des eingebrachten Kohlenwas­ serstoffs, hier insbesondere Diesel, statt. Das bei der Reformierung durch eine Wasser-Gas-Shiftreaktion entstehende wasserstoffhaltige Gas dient dann zur Wei­ terverwendung in einem hier nicht dargestellten System zur Stromerzeugung, wie z. B. einem Brennstoffzellensy­ stem.In the reaction chamber 1 then takes place in a manner known per se, a partial oxidation or an autothermal reforming of the introduced hydrocarbon, in particular diesel. The resulting in the reforming by a water-gas shift reaction hydrogen-containing gas is then used for further use in a system for power generation, not shown here, such as. B. a fuel cell system.

Um das wasserstoffhaltige Gas aus der Reformierung in dem Reaktionsraum 1 auf ein für die Brennstoffzelle gut verträgliches Temperaturniveau, wie z. B. ca. 80°C bei Verwendung einer PEM-Brennstoffzelle, zu bringen, wird das Gas entsprechend rückgekühlt. Abfallprodukte der Reformierung, wie Kohlenmonoxid oder Reste an Koh­ lenwasserstoff werden thermisch zersetzt bzw. ver­ brannt. Die dabei entstehende Wärme, wie auch die Wär­ me, welche im Rahmen der Rückkühlung zurückgewonnen wird, kann wiederum auf das Heizmedium übertragen und so den zwei bis drei Wärmetauschern 4, 8, (12) in der Vorrichtung zum Einbringen der Betriebsstoffe zuge­ führt werden. Bei sinnvoller Gestaltung dieser Wärme­ rückkopplung in dem Gesamtsystem, z. B. durch mehrere Teilkreisläufe für das Heizmedium mit dem jeweiligen Wärmetauscher 4, 8 (12) angepaßten Temperaturniveau, kann so ein sehr hoher Wirkungsgrad des Gesamtsystems mit sehr geringen thermischen Verlusten erreicht wer­ den.To the hydrogen-containing gas from the reforming in the reaction chamber 1 to a temperature level well tolerated for the fuel cell, such as. B. bring about 80 ° C when using a PEM fuel cell, the gas is recooled accordingly. Reforming waste products, such as carbon monoxide or residues of hydrocarbon, are thermally decomposed or burned. The resulting heat, as well as the heat me, which is recovered as part of the recooling, can in turn be transferred to the heating medium and thus the two to three heat exchangers 4 , 8 , ( 12 ) in the device for introducing the operating materials are supplied. With sensible design of this heat feedback in the overall system, for. B. by several sub-circuits for the heating medium with the respective heat exchanger 4 , 8 ( 12 ) adapted temperature level, so a very high efficiency of the overall system can be achieved with very low thermal losses.

Fig. 2 zeigt nun den Aufbau einer der für das mehrstu­ fige Einbringen der Betriebsstoff 3, 5, 9 erforderli­ chen Stufe. Kernstück ist hierbei der Wärmetauscher 8, welcher zwischen den beiden Mischdüsen 6, 10 angeord­ net ist. Fig. 2 now shows the structure of one for the multi-stage introduction of the operating material 3 , 5 , 9 Chen stage. The centerpiece here is the heat exchanger 8 , which is arranged between the two mixing nozzles 6 , 10 .

Die prinzipmäßige Schnittdarstellung durch die Dosier­ stufe gemäß II in Fig. 1 zeigt eine Eintrittsöffnung 14, durch welche der gasförmige Betriebsstoff 3, wel­ cher aus dem Wärmetauscher 4 kommt, in die Mischdüse 6 gelangt und diese durchströmt. Die Mischdüse 6 hat dabei die Aufgabe, die flüssige Komponente 5 in mög­ lichst fein zerstäubter und gleichmäßig verteilter Form in den Stoffstrom des Betriebsstoffs 3 einzubrin­ gen. Prinzipiell sind hier sämtliche an sich bekannten Arten von Mischdüsen 6 denkbar, welche diese Aufgabe zu erfüllen vermögen.The basic sectional view through the metering stage according to II in Fig. 1 shows an inlet opening 14 through which the gaseous operating material 3 , which comes from the heat exchanger 4, gets into the mixing nozzle 6 and flows through it. The mixing nozzle 6 has the task of introducing the liquid component 5 into the material flow of the operating material 3 in the most finely atomized and evenly distributed form possible. In principle, all types of mixing nozzles 6 known per se which are capable of fulfilling this task are conceivable here.

Gemäß Fig. 2 ist die Mischdüse 6 als eine Art Venturi- Düse aufgebaut. Der von dem Gasstrom des Betriebs­ stoffs 3 zu durchströmende Querschnitt weist dabei eine Querschnittsverengung 15 auf. Im Bereich dieser Querschnittsverengung 15 wird über ein Leitungselement 16 der flüssige Betriebsstoff 5 zugeführt. Die Zufuhr des Betriebsstoffs 5 kann dabei entweder über eine Fördereinrichtung (nicht dargestellt), über die Schwerkraft oder über eine Selbstansaugung durch den von dem durch die Mischdüse 6 strömenden Betriebsstoff 3 erzeugten Unterdruck aufgrund der Querschnittsveren­ gung 15, erfolgen.Referring to FIG. 2, the mixing nozzle 6 is constructed as a kind of Venturi nozzle. The cross section to be flowed through by the gas flow of the operating material 3 has a cross-sectional constriction 15 . In the area of this cross-sectional constriction 15 , the liquid fuel 5 is supplied via a line element 16 . The supply of the operating fluid 5 can either be via a conveyor (not shown), gravity or self-priming by the negative pressure generated by the operating fluid 3 flowing through the mixing nozzle 6 due to the cross-sectional constriction 15 .

Der flüssige Betriebsstoff 5 wird dabei in der Misch­ düse 6 von dem erhitzten Gasstrom des Betriebsstoffs 3 mitgerissen und der flüssige Betriebsstoff 5 verteilt sich sehr fein in dem Gasstrom des Betriebsstoffs 3. The liquid fuel 5 is entrained in the mixing nozzle 6 by the heated gas stream of the fuel 3 and the liquid fuel 5 is distributed very finely in the gas stream of the fuel 3rd

Durch die in dem Gasstrom des Betriebsstoffs 3 mitge­ führte thermische Energie kommt es zu einem Verdampfen des flüssigen Betriebsstoffs 5 in der Mischdüse 6 und dem daran angeschlossenen Leitungselement 7. In dem hier als Plattenwärmetauscher ausgeführten Wärmetau­ scher 8 wird also ein Gemisch aus dem Betriebsstoff 3 und dem Betriebsstoff 5 eintreten, welches den Be­ triebsstoff 5 bereits zu seinem annähernd größten Teil als verdampften, gasförmigen Betriebsstoff 5 aufweist.Due to the entrained thermal energy in the gas flow of the operating medium 3 , the liquid operating medium 5 evaporates in the mixing nozzle 6 and the line element 7 connected to it . In the heat exchanger 8 designed here as a plate heat exchanger, a mixture of the operating material 3 and the operating material 5 will occur, which already has the fuel 5 for its most part as a vaporized, gaseous operating material 5 .

Der Wärmetauscher 8 wird über die Anschlußelemente 8a, 8b mit Heizmedium versorgt. Dabei tritt das heiße Heizmedium durch das Anschlußelement 8a in den Wärme­ tauscher 8 ein und verläßt diesen, nachdem es einen Großteil seiner thermischen Energie an den Stoffstrom aus den Betriebsstoffen 3 und 5 abgegeben hat, wieder durch das Anschlußelement 8b. Das Stoffgemisch aus den Betriebsstoffen 3 und 5 wird in dem Wärmetauscher 8 erwärmt und eventuell in ihrer flüssigen Phase in dem Gemisch zurückgebliebene Tröpfchen des Betriebsstoffs 5 werden in dem Wärmetauscher 8 verdampft.The heat exchanger 8 is supplied with heating medium via the connection elements 8 a, 8 b. Here, the hot heating medium in the heat exchanger 8 passes through the connecting element 8 a and leaves it after it has delivered a large part of its thermal energy to the material flow from the supplies 3 and 5, b again through the connecting element. 8 The mixture of materials from the operating materials 3 and 5 is heated in the heat exchanger 8 and any droplets of the operating material 5 remaining in their liquid phase in the mixture are evaporated in the heat exchanger 8 .

Beim Verlassen des Wärmetauschers 8 gelangt der gas­ förmige Stoffstrom aus den Betriebsstoffen 3 und 5 in die Mischdüse 10, welche ebenfalls eine Querschnitts­ verengung 17 und ein Leitungselement 18 zur. Zufuhr des flüssigen Betriebsstoffs 9 in den Bereich dieser Quer­ schnittsverengung 17 aufweist. Der hier zugeführte flüssige Betriebsstoff 9 wird dabei ebenfalls fein verteilt und kann aufgrund der durch den Wärmetauscher 8 zugeführten thermischen Energie in dem Stoffstrom aus den Betriebsstoffen 3 und 5 verdampfen. Das Ge­ misch aus den Betriebsstoffen 3, 5, 9 gelangt dann durch das Leitungselement 11 zu einer Austrittsöffnung 19 und zu dem Reaktionsraum 1.When leaving the heat exchanger 8 , the gaseous stream of materials from the operating materials 3 and 5 enters the mixing nozzle 10 , which also narrows a cross-section 17 and a line element 18 to. Supply of the liquid fuel 9 in the region of this cross-sectional constriction 17 . The liquid fuel 9 supplied here is also finely distributed and can evaporate from the fuel 3 and 5 in the material flow due to the thermal energy supplied by the heat exchanger 8 . The mixture of the operating materials 3 , 5 , 9 then passes through the line element 11 to an outlet opening 19 and to the reaction space 1 .

Bei dem Betriebsstoff 9 handelt es sich dabei insbe­ sondere um Wasser, welches dann in dem sich an die Mischstufe gemäß II in Fig. 1 direkt, oder über den weiteren optionalen Wärmetauscher 12 anschließenden Reaktionsraum I unter Anwesenheit eines Katalysators für eine Wasser-Gas-Shiftreaktion sorgt, welche die Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases aus dem Koh­ lenwasserstoff ermöglicht.The fuel 9 is in particular special water, which then in the mixing stage according to II in FIG. 1 directly, or via the further optional heat exchanger 12 subsequent reaction chamber I in the presence of a catalyst for a water-gas shift reaction provides, which enables the generation of the hydrogen-containing gas from the kohl hydrogen.

Durch den entsprechenden Aufbau mit den Mischdüsen 6, 10 und den Wärmetauschern 4, 8, (12) läßt sich so mit­ tels eines sehr schnell ansprechenden bzw. reagieren­ den Verfahrens die für die Reformierung erforderliche Temperatur von 800 bis 1000°C bei ideal vermischten zuzuführenden Komponenten erreichen.Due to the corresponding structure with the mixing nozzles 6 , 10 and the heat exchangers 4 , 8 , ( 12 ), the temperature required for the reforming of 800 to 1000 ° C. with ideally mixed feeds can be reacted or reacted to using the method Reach components.

Prinzipiell wäre es auch denkbar, in einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung als ersten Betriebsstoff 3 Wasserdampf oder ein Gemisch aus Wasserdampf und Luft einzusetzen, um so das dynamische Ansprechverhalten des entsprechenden Verfahrens zum Einbringen der Be­ triebsstoffe weiter zu verbessern.In principle, it would also be conceivable to use water vapor or a mixture of water vapor and air in an embodiment of the invention as the first operating material 3 , so as to further improve the dynamic response behavior of the corresponding method for introducing the operating materials.

Für mehr als drei Betriebsstoffe kann die Mischstufe gemäß II in Fig. 1 mehrfach verwendet werden. Dabei lassen sich annähernd beliebig viele dieser Mischstu­ fen zwischen ersten Wärmetauscher 4 und Reaktionsraum 1 bzw. dem Wärmetauscher 12 anordnen.The mixing stage according to II in FIG. 1 can be used several times for more than three operating materials. Almost any number of these mixing stages can be arranged between the first heat exchanger 4 and the reaction space 1 or the heat exchanger 12 .

Claims (13)

1. Verfahren zum Einbringen von verschiedenen gasför­ migen und/oder flüssigen Betriebsstoffen zur Re­ formierung eines Kohlenwasserstoffs in einen Reak­ tionsraum, insbesondere in einen Reformer zur Die­ selreformierung, wobei den Betriebsstoffen thermi­ sche Energie zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß einem ersten, gasförmigen Betriebsstoff (3) ther­ mische Energie zugeführt wird, welche ausreicht, einen zweiten, flüssigen Betriebsstoff (5), wel­ cher anschließend in den Stoffstrom des ersten Be­ triebsstoffs (3) eingebracht wird, wenigstens teilweise zu verdampfen, wonach dem Gemisch aus erstem und zweitem Betriebsstoff (3, 5) thermische Energie zugeführt wird, welche ausreicht, einen dritten, flüssigen Betriebsstoff (9), welcher an­ schließend in den Stoffstrom aus erstem und zwei­ tem Betriebsstoff (3, 5) eingebracht wird, wenig­ stens teilweise zu verdampfen, und wonach das Ge­ misch aus den drei Betriebsstoffen (3, 5, 9) dem Re­ aktionsraum (1) zugeführt wird.1. A method for introducing various gaseous and / or liquid fuels for the reformation of a hydrocarbon in a reaction space, in particular in a reformer for sel reforming, the fuels being supplied with thermal energy, characterized in that a first, gaseous fuel ( 3 ) thermal energy is supplied, which is sufficient to at least partially evaporate a second, liquid fuel ( 5 ), which is subsequently introduced into the stream of the first fuel ( 3 ), after which the mixture of the first and second fuel ( 3 , 5 ) thermal energy is supplied, which is sufficient to evaporate a third, liquid operating fluid ( 9 ), which is subsequently introduced into the material flow from the first and second system operating fluid ( 3 , 5 ), at least partially, and then the mixture of the three operating materials ( 3 , 5 , 9 ) is added to the reaction room ( 1 ) is heard. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gemisch aus den drei Betriebsstoffen (3, 5, 9) vor dem Eintritt in den Reaktionsraum (1) thermi­ sche Energie zugeführt wird, so daß das Gemisch aus den drei Betriebsstoffen (3, 5, 9) wenigstens annähernd vollständig verdampft und wenigstens an­ nähernd auf Prozesstemperatur der Reformierung vorgewärmt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the mixture of the three operating materials ( 3 , 5 , 9 ) before entering the reaction chamber ( 1 ) thermal energy is supplied so that the mixture of the three operating materials ( 3 , 5 , 9 ) is evaporated at least approximately completely and is preheated at least to approximately the process temperature of the reforming. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Zufuhr von thermischer Energie zu dem ersten Betriebsstoff (3) dieser auf eine Tempera­ tur oberhalb der Siedetemperatur des zweiten Be­ triebsstoffs (5) gebracht wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that by means of the supply of thermal energy to the first operating medium ( 3 ) this is brought to a temperature above the boiling point of the second operating fuel ( 5 ). 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Zufuhr von thermischer Energie nach dem Einbringen des zweiten Betriebsstoffs (5) das Gemisch aus erstem und zweitem Betriebsstoff (3, 5) auf eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur des dritten Betriebsstoffs (9) gebracht wird.4. The method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that by means of the supply of thermal energy after the introduction of the second fuel ( 5 ), the mixture of the first and second fuel ( 3 , 5 ) to a temperature above the boiling point of the third Operating fluid ( 9 ) is brought. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und der dritte Betriebsstoff (5, 9) beim Einbringen in den jeweiligen gasförmigen Stoff­ strom zerstäubt werden.5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the second and third operating material ( 5 , 9 ) are atomized stream when introduced into the respective gaseous substance. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Betriebsstoff (3) Luft verwendet wird. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that air is used as the first operating material ( 3 ). 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als erster Betriebsstoff (3) Wasserdampf verwendet wird.7. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that water vapor is used as the first operating material ( 3 ). 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als zweiter Betriebsstoff (5) ein unter Normalbe­ dingungen flüssig vorliegender Kohlenwasserstoff verwendet wird, und daß als dritter Betriebsstoff (9) Wasser verwendet wird.8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that a hydrocarbon which is liquid under normal conditions is used as the second operating material ( 5 ) and that water is used as the third operating material ( 9 ). 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Kohlenwasserstoff Diesel eingesetzt wird.9. The method according to claim 8, characterized in that is used as a hydrocarbon diesel. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einem Reformer und mit Leitungselementen zum Einbringen der Be­ triebsstoffe, sowie einer Einrichtung zur Zufuhr von thermischer Energie, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Wärmetauscher (4, 8) und wenigstens zwei in Strömungsrichtung des Stoffstroms jeweils hinter den Wärmetauschern (4, 8) angeordneten Mischdüsen (6, 10) zum Einbringen der Betriebsstof­ fe (5, 9).10. An apparatus for performing the method according to one of claims 1 to 9, with a reformer and with line elements for introducing the operating fluids, and a device for supplying thermal energy, characterized by at least two heat exchangers ( 4 , 8 ) and at least two in Flow direction of the material flow in each case behind the heat exchangers ( 4 , 8 ) arranged mixing nozzles ( 6 , 10 ) for introducing the operating fluids ( 5 , 9 ). 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich an die zweite Mischdüse (10) ein weiterer Wärmetauscher (12) anschließt.11. The device according to claim 10, characterized in that the second mixing nozzle ( 10 ) is followed by a further heat exchanger ( 12 ). 12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischdüsen (6, 10) jeweils eine Verengung (15, 17) eines von dem Stoffstrom durchströmten Querschnitts aufweisen, wobei die Mischdüsen (6, 10) jeweils wenigstens ein Leitungselement (16, 18) zur Zufuhr des zuzumischenden Betriebs­ stoffes (5, 9) in dem Bereich dieser Verengung (15, 17) aufweisen.12. The apparatus according to claim 10 or 11, characterized in that the mixing nozzles ( 6 , 10 ) each have a constriction ( 15 , 17 ) of a cross section through which the material flow flows, the mixing nozzles ( 6 , 10 ) each having at least one line element ( 16 , 18 ) for supplying the operating material to be mixed ( 5 , 9 ) in the area of this constriction ( 15 , 17 ). 13. Vorrichtung nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher (4, 8, 12) als Plattenwärmetau­ scher ausgebildet sind.13. The apparatus of claim 10, 11 or 12, characterized in that the heat exchanger ( 4 , 8 , 12 ) are designed as a plate heat shear.
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