單反應室的緊湊型燃料處理器的製作方法
2023-04-27 07:57:21 2
專利名稱：單反應室的緊湊型燃料處理器的製作方法
技術領域：
燃料電池利用化學上的氧化—還原反應來發出電能，其在清潔性和效率方面顯著地優越於其它的發電形式。通常，燃料電池以氫氣作為其燃料，而以氧氣作為氧化劑。其發電量與反應劑的消耗量成比例。
阻礙燃料電池獲得廣泛使用的一個主要缺點在於缺乏可普及的儲氫基礎設施。氫氣的體積能量密度相對較低，且其比目前大多數發電系統所採用的碳氫化合物燃料更難於儲存和運輸。解決此難題的一種方案是利用重整裝置將碳氫化合物轉化為富含氫氣的氣流，再將該氣流作為燃料電池的原料。
儘管存在上述的設計方案，但仍然需要能有一種簡單的系統單元，其可與燃料電池配套使用，用於將碳氫化合物燃料轉化為富含氫氣的氣流。
本領域技術人員還可理解和領會到本發明其它的示例性實施例包括一種緊湊型的燃料處理器，用於將碳氫化合物燃料進料轉化為富氫氣體，該燃料處理器是由如下的部件構成的一反應室；在所述反應室內預先形成了多個反應區，其中，各個反應區的特徵體現在該反應區內發生的化學反應；以及一熱交換器，其具有一入口端和一出口端，其中，該熱交換器至少部分地位於所述反應室內。在一這樣的示例性實施方式中，一第一反應區內容納有自熱重整催化劑；一第二反應區中容納有脫硫催化劑；一第三反應區中容納有水煤氣轉換催化劑；以及一反應區模塊中容納有優先氧化催化劑。在對這樣的示例性實施方式進行設計時，可以考慮基本上不將熱交換器設置在第一反應區內。某個示例性實施例中的碳氫化合物燃料進料在被引流到反應室內之前、先流經熱交換器而被預熱。作為備選方案，碳氫化合物燃料進料、空氣以及水的混合物在被引流到第一反應區中之前先流經熱交換器而被預熱。可使用上述列出的、範圍廣泛的碳氫化合物燃料。
本領域技術人員可以領會多個反應區中的每個反應區都包含一種或多種催化劑。在某個這樣的示例性實施方式中，所述催化劑是從如下的類別中選出的自熱重整催化劑、脫硫催化劑、水煤氣轉換催化劑、優先氧化催化劑、以及這些催化劑與其它類似催化劑的混合物及化合物。可用一滲透性的板件來將含有多於一種催化劑的任一特定反應區與相鄰的反應區分隔開，其中的板件還可用來支撐相鄰的反應區。在一示例性的實施例中，板件可被選擇為多孔金屬板、金屬屏網、金屬絲網、燒結金屬、多孔陶瓷、或這些材料和其它類似材料的組合物。在一示例性的實施例中，優選地是所述板件至少在部分上是由鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不鏽鋼組成的。
本發明還包括一種用於將碳氫化合物燃料轉化為富氫氣體的方法。一種示例性的方法採用了上述的裝置。該方法總體上所採用的措施是設置一個帶有反應室的燃料處理器，在所述反應室中裝入了多種催化劑。反應氣體是以這樣的方式流經所述反應室的使得反應區中的各個區域形成了多級離散的反應區。通過使碳氫化合物燃料以預定的方式依次地經過各個反應區，就可以制出一種富含氫氣的氣體，該生產方式能優化空間利用因素及傳熱因素。
本發明的各個示例性實施方式都描述了一種燃料處理器或採用這種燃料處理器的處理方法，在其中的處理方法中，碳氫化合物燃料進料被引導著而經過該燃料處理器。所述碳氫化合物燃料可以是處於環境條件下的液體或氣體，只要其能被蒸發汽化就可以。在本文的語境中，「碳氫化合物」是指具有C-H鍵的有機化合物，這些化合物能通過部分氧化反應或蒸汽重整反應而生成氫氣。並不排除化合物分子結構中含有除碳元素與氫元素之外其它原子的情況。因而，適於用在本文所公開方法和裝置中的燃料包括天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石腦油、汽油、柴油、酒精(例如甲醇、乙醇、丙醇)等等，但所述燃料並不僅限於此。
燃料處理器的進料包括碳氫化合物燃料、氧氣以及水。氧氣進料的形式可以是空氣、濃氧空氣、或者也可以基本上為純氧氣。供入的水可以是液態水，也可以是水蒸氣的形式。如下文將要討論的那樣，可根據所需的生產條件而確定進料中各種組分的百分比。
根據本發明，燃料處理器所排出的氣流中包括氫氣和二氧化碳，並可包括一些水份、未被轉化的碳氫化合物、一氧化碳、雜質(例如硫化氫和氨)、以及惰性組分(例如氮氣和氬氣，尤其是在進氣流中存在空氣組分的情況下)。
圖1是一個總體的流程圖，表示本發明示例性實施例中的各個工序步驟。本領域技術人員應能領會在反應劑流經本文所述反應器的過程中，將需要有一定程度的漸進次序。
處理步驟A是一個自熱重整過程，在該步驟中集合了兩個反應部分氧化反應(見下文的化學反應式I)、以及一個可選的蒸汽重整反應(見如下的化學反應式II)，這兩個反應被組合起來，用於將進料流F轉化成一種含有氫氣和二氧化碳的合成氣體。化學反應式I和II是示範性的化學式，其中以甲烷作為所述的碳氫化合物
(I)(II)部分氧化反應的發生速度非常快，從而能完成對所加入氧氣的轉化，並能產生出熱量。蒸汽重整反應的速度較慢，且要消耗熱量。進料氣流中氧的濃度越高，越有利於部分氧化反應的發生，而進料中水蒸汽的濃度越高，則越有利於蒸汽重整。因而，氧氣對碳氫化合物的比值、以及水對碳氫化合物的比值是兩個特徵指標。這兩個比值會影響到工作溫度和氫氣的產量。
自熱重整步驟的工作溫度約在550℃到900℃的範圍內，具體的溫度取決於進料條件和催化劑。本發明採用一種用部分氧化催化劑組成的催化劑床，該催化劑床帶有或不帶有蒸汽重整催化劑。其中的催化劑可以是任意形式，這些形式包括丸粒狀、球狀、擠壓型材、單塊料形式等等。對於本領域技術人員來講，部分氧化催化劑應當是公知的，其通常是由鉑、鈀、銠、和/或釕等貴金屬製成，這些金屬被制在單塊料、擠壓型材、丸粒體或其它載體的氧化鋁塗敷層(washcoat)上。也可以使用鎳、鈷等非貴重金屬。在現有技術文獻中已提出可用氧化鈦、氧化鋯、氧化矽和氧化鎂作為塗敷層。在技術文獻中還提到了鑭、鈰、鉀等可作為「助催化劑」的許多其它材料，這些材料能提高部分氧化催化劑的效能。
蒸汽重整催化劑對本領域技術人員來講也是公知的，其包括帶有一定量鈷的鎳或鉑、鈀、銠、和/或釕等的貴金屬。催化劑例如可被承載在氧化鎂、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、或鋁酸鎂的單種材料或組合材料上。作為備選方案，蒸汽重整催化劑也可包括鎳，其最好是被承載在氧化鎂、氧化鋁、氧化矽、氧化鋯、或鋁酸鎂的單種材料或組合材料上，並用鉀等鹼金屬作為其促進劑。
處理步驟B是一個冷卻步驟，用於將步驟A輸出的合成氣流大約冷卻到200℃到600℃，該溫度範圍優選地是在約300℃到500℃之間，最好是在375℃到425℃左右，從而可優化合成氣體的出流溫度，以有利於下一步的處理。可利用散熱片、熱導管或熱交換器來執行該冷卻工作，具體採用何種形式取決於設計規格、以及是否需要回收/循環氣流的焓量。步驟B的一個示例性實施方式採用了一個熱交換器，該熱交換器利用循環流經其自身的進料流F作為冷卻劑。可採取對本領域技術人員來講公知的任何合適構造來設計該熱交換器，這些熱交換器構造包括殼管式、板式、螺旋式等，作為替代方案，或者是作為上述方案的補充，冷卻步驟B也可通過另外噴射燃料、空氣、水等進料組分而進行冷卻。其中，優選是噴射水，原因在於其在蒸發成水蒸氣的過程中能吸收大量的熱。組分的添加量取決於所需的冷卻程度，本領域技術人員可很方便地確定出該添加量。
步驟C是一個提純步驟。碳氫化合物流中的主要雜質是硫，硫雜質在先前的自熱重整步驟A中已被轉化為硫化氫。優選的是處理步驟C中所用的處理芯包括氧化鋅和/或其它能吸收、轉化硫化氫的材料，並包括一載體(例如為單塊體、擠壓型材、丸粒體等)。通過按照下面的化學反應式III而將硫化氫轉化為水，從而完成脫硫(III)諸如氯化物等的其它雜質也能被除去。優選地是在約300℃到500℃的溫度範圍內進行反應，最為理想的溫度範圍是在約375℃到425℃之間。在約25℃到700℃這一很寬泛的溫度範圍內，氧化鋅都一直是效果很好的硫化氫吸收劑，因而，通過適當地選擇工作溫度，氧化鋅能使後續的處理步驟具有很大的生產柔性。
流出的氣流然後被輸送到一混合步驟D中，在該步驟中，可選擇在氣流中加入水份。加入的水份由於會發生蒸發，所以其可降低反應劑流的溫度，且加入的水份會為在步驟E(下文將進行討論)中發生的水煤氣轉換反應提供更多的水。水蒸氣和其它的出流組分通過流經一處理芯而被混合起來，其中的處理芯例如是用瓷珠等惰性材料或其它類似材料製成的，其能有效地進行混合和/或有助於水的蒸發。作為備選方案，也可以在進料時一併引入任意的另加水份，並對混合步驟重新進行定位，以便於在下文將要介紹的CO氧化步驟G中更好地對氧化劑氣體進行混合。
處理步驟E是一個水煤氣轉換反應，其按照如下的反應式IV將一氧化碳轉化為二氧化碳(IV)這一步驟是非常重要的，原因在於一氧化碳不僅對人體而言是高毒性的，而且對燃料電池也是有害的。一氧化碳的濃度應當被降低到能被燃料電池容許的水平上，通常應當低於50ppm。一般來講，發生水煤氣轉換反應的溫度範圍是從150℃到600℃，具體的溫度取決於所使用的催化劑。在此條件下，氣流中的大部分一氧化碳能在該步驟中被轉化。
工作溫度大約在150℃到300℃之間的低溫型轉換催化劑例如包括氧化銅；承載在氧化鋯等其它過渡金屬氧化物上的銅；承載在過渡金屬氧化物或耐火載體上的鋅，其中的耐火載體例如為氧化矽、氧化鋁、氧化鋯等；或者是位於適當載體上的貴重金屬，其中的貴金屬例如為鉑、錸、鈀、銠、或金，載體例如為氧化矽、氧化鋁、氧化鋯等。
高溫型轉換催化劑的理想工作溫度大約在300℃到600℃之間，此類轉換催化劑包括三氧化二鐵或氧化鉻等過渡金屬氧化物，且可選地包含銅或矽化鐵等促進劑。高溫型轉換催化劑還包括位於載體上的貴重金屬，例如位於載體上的鉑、鈀、和/或其它的鉑系金屬。
用於執行該步驟的處理芯包括一個由上述高溫轉換催化劑或低溫轉換催化劑構成的填料床，該填料床或者也可以是由高溫轉換催化劑和低溫轉換催化劑共同構成的。該步驟的執行溫度是適於執行水煤氣轉換反應的任何溫度，優選地約是在150℃到400℃之間，具體的溫度取決於所用催化劑的類型。可選的設計是在轉換反應器的處理芯中設置一冷卻旋管等的冷卻元件，用於降低催化劑填料床中的反應溫度。溫度越低，越有利於一氧化碳轉化為二氧化碳。此外，如果高溫轉換與低溫轉換是兩個獨立的步驟，則還可利用一脫硫模塊在高溫變換與低溫變換之間執行一提純處理步驟C，其中的脫硫模塊位於高溫轉換步驟與低溫轉換步驟之間。
處理步驟F是一個冷卻步驟，在一實施例中，該步驟是通過一熱交換器進行的。熱交換器可以是任何合適的結構，這些結構包括殼管式、板式、螺旋式等。作為備選方案，也可以使用熱管或其它形式的散熱片。熱交換器的目的是降低氣流的溫度，從而使出流的溫度最好是在約90℃到150℃之間。
在步驟F中的處理過程中加入氧氣。氧氣將被下述處理步驟G中的反應所消耗。氧氣的輸入形式可以是空氣、富氧空氣、或基本上純的氧氣。熱交換器可被設計成能將空氣與富氫氣體混合起來。作為備選方案，也可以用步驟D的實施方式來進行混合。
處理步驟G是一個氧化步驟，在該步驟中，出料流中幾乎所有的剩餘一氧化碳都被轉化成了二氧化碳。該處理過程是在設置了催化劑的情況下進行的，該催化劑用於對一氧化碳進行氧化，其可以是任何合適的形式，例如可以為丸粒體、球形體、單塊體等的形式。用於對一氧化碳進行氧化的氧化催化劑是公知的，這類催化劑一般包括貴金屬(例如鉑、鈀等)和/或過渡金屬(例如鐵、鈷、錳等)，和/或貴金屬或過渡金屬的化合物—尤其是指這些金屬的氧化物。一種優選的氧化催化劑是位於氧化鋁塗敷層上的鉑。所述塗敷層可被覆蓋到單塊體、擠壓型材、丸粒體、或其它形式的載體上。還可以另外加入鈰或鑭等其它材料，以促進催化劑的效能。在現有技術文獻中，某些專業人員已經提出了許多種其它的配方，並聲稱這些配方的性能優越於銠催化劑或氧化鋁催化劑。文獻中還提到了釕、鈀、金等其它的材料對於上述用途也是有效的。
在步驟G中發生了如下的兩個反應所希望的對一氧化碳的氧化(反應式V)、以及不希望的對氫的氧化(反應式VI)，這兩個反應為(V)(VI)低溫條件將有利於對一氧化碳的優先氧化，由於上述的兩個反應都是生熱反應，所以如選擇在該處理步驟中設置一個冷卻盤管等的冷卻元件，則將是有利的。該處理的工作溫度最好能保持在90℃到150℃的大致範圍內。處理步驟G最好能將一氧化碳的濃度降低到小於50ppm的等級，該濃度水平對於燃料電池中的使用環境而言是合適的，但本領域技術人員可以領會本發明也可被設計成其能產出一氧化碳水平較高或較低的富氫氣體。
從燃料處理器排出的出流是一種富含氫氣的氣體，其含有二氧化碳和其它的組分，其它的組分例如為水、惰性組分(例如氮氣、氬)、殘留的碳氫化合物等。氣體產品可用作燃料電池的原料，或用在需要富氫氣流的其它應用場合中。可選的方案是氣體產品可被輸送到另一個處理流程中，例如用於除去其中的二氧化碳、水或其它組分。
圖2表示了一個燃料處理器20的橫剖視圖，該燃料處理器是本發明一個示例性的實施例。本領域普通技術人員應能明白和領會燃料、或備選的燃料/氧氣混合物、或備選的燃料/氧氣/水混合物200被引流到一螺旋管熱交換器202的入口端處。將熱交換器設置在燃料處理器內部，以使得熱交換器基本上沿燃料處理器的長度方向延伸。熱交換器對燃料進行預熱，並對各個反應區進行冷卻/對其溫度進行控制。本領域技術人員應能領會有很多因素可影響熱交換，這些因素包括燃料的流率、燃料的熱容、在任一特定反應區內的螺管數目、製造螺旋管的管道的直徑、螺旋管上是否帶有翅片、如此等等。但是，通過常規的計算和實驗就可以對該熱交換設計進行優化。預熱後的燃料離開熱交換器之後，通過一條反應器進料管204流向第一反應區208。反應器進料管可帶有流量控制裝置以及其它類似的裝置，用於在燃料混合物進入到第一反應區208中之前對其進行調節和優化。該示例性實施例中的第一反應區208被用自熱重整反應催化劑進行了填充。這種催化劑可以為丸粒的形式、或承載在一單塊體上。在某些實例中，可能會需要設置一分布板206，以便於使燃料在整個第一反應區內都能均勻地分布。此外，還可採用這樣的可選設計用一電預熱器(圖中未示出)來對燃料處理器進行啟動。在燃料已到達第一反應區、從而能形成富氫氣體之後，由於存在了富氫氣體壓力，所以氣體能自然地流到第二反應區210中。在該示例性實施例中，第二反應區中填充了脫硫催化劑，該催化劑優選為氧化鋅。富氫氣體在流經脫硫催化劑—例如氧化鋅之後，氣流中含硫化合物的濃度就顯著地降低了。脫硫後的富氫氣體隨後流入到第三反應區212中。本示例性實施例中的第三反應區用水煤氣轉換催化劑、或上述此類催化劑的混合物進行填充。富氫氣體在流經該催化劑之後，其含氫量進一步提高，而一氧化碳含量則被降低。然後，富氫氣體流到第四反應區214中，該反應區內容納有優先氧化催化劑。如上文討論的那樣，該催化劑最好能將一氧化碳的濃度降低到小於50ppm。在某些實例中，可向第四反應區中噴入空氣或其它合適的氧源性氣體，以便於對優先氧化反應進行優化。可利用公知的裝置來執行該噴射過程，其中的裝置例如為簡單的氣體噴射管(圖中未示出)，其插入到部分氧化催化劑的料床中。在一優選實施例中，優先氧化反應區的結構設計中基本上採用了多孔管的形式，該多孔管被設計成能使噴入的氧氣分布均勻。最終的產品是一種富氫氣體216。還應當指出的是在一優選的示例性實施例中，可在反應區之間的過渡區218中採用不活潑、但帶有孔眼的柔性材料，此類材料例如為玻璃棉、陶瓷棉、石棉或其它類似的惰性材料。該材料的作用在於有利於用各種催化劑對反應區進行填充、有助於防止運輸過程中催化劑在無意中被混合起來、以及在各個不同的反應區之間形成一過渡區或緩衝區。對本領域技術人員顯然可見的是產出的富氫氣體優選是被用在燃料電池中，但也可被儲存起來或用在其它流程中。
本領域技術人員在閱讀了上文對圖2的描述之後，應當能理解和看出各個模塊都能單獨地完成一項功能。進料流F(200)經過一條入口管(圖中未示出)被引入，氣體產品P216則被從出口管(圖中未示出)抽吸出。反應區208是與圖1中步驟A相對應的自熱重整反應區。可在反應器底部入口處選裝一電熱器(圖中未示出)，用於在啟動時提供熱量。反應區210是與圖1中處理步驟C相對應的提純反應區。反應區212與圖1中處理步驟E相對應，為水煤氣轉換反應區。與圖1中處理步驟F相對應的冷卻工作由熱交換器202來完成。反應區214用於執行與圖1中處理步驟G相對應的氧化工作。一空氣源(圖中未示出)作為氧氣來源，用於向反應區214中的氧化反應(見反應式V)提供生產用氣。反應區214還包括一熱交換器202，該熱交換器設置在催化劑料床中、或環繞著催化劑料床，用於將氧化反應的溫度保持在理想的數值上，本領域技術人員應能領會可根據多種因素對該實施例中的上述處理構造進行改動，其中的影響因素包括原料質量和所需的產品質量，但並不僅限於這二者。
下面參見圖3，圖中表示了本發明第二種示例性的實施方式，該圖是一燃料處理器反應室40的橫剖面圖。本領域普通技術人員應能理解、領會燃料、或備選的燃料/氧氣混合物、或備選的燃料/氧氣/水混合物300被引流到一第一螺旋管熱交換器302的入口端處。設置了多個熱交換器(302、304、以及306)，這些熱交換器優選地是相互連通的。各個熱交換器都設置在燃料處理器中，並使得各個熱交換器基本上是沿特定反應區的長度方向延伸。熱交換器對燃料進行預熱，並對各個反應區進行冷卻/對其溫度進行控制。本領域技術人員應能領會有很多因素可影響熱交換，這些因素包括燃料的流率、燃料的熱容、任一特定反應區內的螺管數目、製造螺旋管的管道的直徑、螺旋管上是否帶有翅片、如此等等。但是，通過常規的計算和實驗就可以對熱交換設計進行優化。預熱後的燃料離開熱交換器之後，通過一條反應器進料管308流向第一反應區312。反應器進料管可帶有流量控制裝置以及其它類似的裝置，用於在燃料混合物進入到第一反應區312中之前對其進行調節和優化。該示例性實施例中的第一反應區312內填充有自熱重整反應催化劑。這種催化劑可以為丸粒的形式、或承載在一單塊體上。在某些實例中，可能需要設置一分布板310，以便於使燃料在整個第一反應區內都能均勻地分布。此外，還可選用這樣的設計用一電預熱器(圖中未示出)來對燃料處理器進行啟動。在燃料已到達第一反應區、從而能形成富氫氣體之後，由於壓力作用，氣體能自然地流過第一支撐板314，從而流入到第二反應區316中。在該示例性實施例中，第二反應區中填充了脫硫催化劑，該催化劑優選為氧化鋅。富氫氣體在流經脫硫催化劑—例如氧化鋅之後，氣流中含硫化合物的濃度就會顯著降低。第二反應區中的溫度至少部分地由第三熱交換器304進行控制。脫硫後的富氫氣體隨後流經第二支撐板318而流入到第三反應區320中。本示例性實施例中的第三反應區用水煤氣轉換催化劑、或上述此類催化劑的混合物進行填充。富氫氣體在流經該催化劑之後，其含氫量進一步提高，而一氧化碳含量則被降低。第三反應區中的溫度至少部分地由第二熱交換器304進行控制。然後，富氫氣體流經第三支撐板322流入到第四反應區324中，該反應區內容納有優先氧化催化劑。如上文討論的那樣，該催化劑可將一氧化碳的濃度降低到小於50ppm。在某些實例中，可向第四反應區中噴入空氣或其它合適的氧源性氣體，以便於對優先氧化反應進行優化。可利用公知的裝置來執行該噴射過程，其中的裝置例如為簡單的氣體噴射管(圖中未示出)，其插入到部分氧化催化劑的料床中。在一優選實施例中，優先氧化反應區的結構設計中基本上包括有多孔管，該多孔管被設計成能使噴入的氧氣分布均勻。第四反應區中的溫度至少部分地由第一熱交換器302進行控制，該熱交換器在對輸入的燃料進行預熱的同時，還對要從反應區排出的最終氣體產品進行冷卻。最終的產品是一種富氫氣體326。還應當指出的是利用惰性、但帶有孔眼的支撐板將該示例性實施例中的各個反應區相互分隔開。該支撐板優選為剛性的，且在用作反應器之間過渡區的反應器材料的條件下是化學惰性的。該材料的作用在於有利於用各種催化劑對反應區進行填充、有助於防止運輸過程中催化劑在無意中被混合起來、以及在各個不同的反應區之間形成一過渡區或緩衝區。對本領域技術人員顯然可見的是產出的富氫氣體優選是被用在燃料電池中，但也可被儲存起來或用在其它流程中。
本領域技術人員在閱讀了上文對圖3的描述之後，應當能理解和看出各個模塊都能單獨地完成一項功能。進料流F(300)經過一條入口管(圖中未示出)被引入，氣體產品P326則被從出口管(圖中未示出)抽吸出。反應區312是與圖1中處理步驟A相對應的自熱重整反應區。可在反應器底部入口處選裝一電熱器(圖中未示出)，用於在啟動時提供熱量。反應區316是與圖1中處理步驟C相對應的提純反應區。反應區320與圖1中處理步驟E相對應，為水煤氣轉換反應區。與圖1中處理步驟F相對應的冷卻工作由熱交換器304來完成。反應區324用於執行與圖1中處理步驟G相對應的氧化工作。一空氣源(圖中未示出)作為氧氣來源，用於向反應區324中的氧化反應(見反應式V)提供生產用氣。反應區324還包括一熱交換器202，該熱交換器設置在催化劑料床中、或環繞著催化劑料床，用於將氧化反應的溫度保持在理想的數值上，本領域技術人員應能領會可根據多種因素對該實施例中的上述處理構造進行改動，其中的影響因素包括原料質量和所需的產品質量，但並不僅限於這二者。
鑑於上文公開的內容，本領域普通技術人員將會理解、領會到按照設計規範的不同，本發明可以有很多種可行的實施方式。其中的一個示例性實施例包括一種緊湊型的燃料處理器，其用於將碳氫化合物燃料進料轉化為富氫氣體，在該實施例中，燃料處理器組件包括一圓筒體，該圓筒體具有一入口端和一出口端，其中，圓筒體中裝有多種催化劑，這些催化劑以串列的形式排布，從而形成了多個串聯的反應區；一熱交換器，其具有一入口端和一出口端，其中，該熱交換器沿所述圓筒體的長度方向從其內部穿過，以便於根據各個特定反應區的需要而產生熱量或吸收熱量。在該示例性實施例中，所述的多種催化劑包括自熱重整催化劑、脫硫催化劑、水煤氣轉換催化劑、優先氧化催化劑、以及這些催化劑或類似催化劑的混合物和化合物。在一優選的示例性實施例中，熱交換器並未被設置在自熱重整催化劑中。在該示例性的燃料處理器中，所使用的碳氫化合物燃料進料在被導流到圓筒體中之前先被預熱—優選地是通過流經熱交換器而獲得加熱，或者可以是利用一個設置在自熱重整區上遊運行位置處的燃料預熱器來進行加熱。可被使用的碳氫化合物的種類範圍很廣，但是，在一示例性實施例中，碳氫化合物燃料是從如下的種類中選擇的天然氣、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油氣、甲醇、乙醇、其它合適且類似的碳氫化合物、以及這些燃料的混合物。在一示例性實施例中，優選的設計是圓筒體的定向姿態基本上是垂直的，其出口端位於頂部，反應劑的流動基本上是從入口端向出口端向上流動。
本領域技術人員還能理解和領會本發明另一示例性實施例包括一種緊湊型的燃料處理器，用於將碳氫化合物燃料進料轉化為富氫氣體，該燃料處理器是由如下的部件構成的一反應室；在所述反應室內預先形成了多個反應區，其中，各個反應區的特徵體現在該反應區內發生的化學反應；以及一熱交換器，其具有一入口端和一出口端，其中，該熱交換器至少部分地位於所述反應室內。在一這樣的示例性實施方式中，一第一反應區內容納有自熱重整催化劑；一第二反應區中容納有脫硫催化劑；一第三反應區中容納有水煤氣轉換催化劑；以及一反應區模塊中容納有優先氧化催化劑。在對這樣的示例性實施方式進行設計時，可以考慮基本上不將熱交換器設置在第一反應區內。在某個示例性實施例中，碳氫化合物燃料進料在被引流到反應室內之前、先流經熱交換器而被預熱。作為備選方案，碳氫化合物燃料進料、空氣以及水的混合物在被引流到第一反應區中之前先流經熱交換器而被預熱。可被使用的碳氫化合物的種類範圍很廣，但是，在一示例性實施例中，碳氫化合物燃料是從如下的種類中選擇的天然氣、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油氣、甲醇、乙醇、其它合適且類似的碳氫化合物、以及這些燃料的混合物。在一示例性實施例中，熱交換器的入口端位於第四反應區，而出口端則位於第二反應區。
本領域技術人員可以領會多個反應區中的每個反應區都包含一種或多種催化劑。在某個這樣的示例性實施方式中，所述催化劑是從如下的類別中選出的自熱重整催化劑、脫硫催化劑、水煤氣轉換催化劑、優先氧化催化劑、以及這些催化劑與其它類似催化劑的混合物及化合物。可用一滲透性的板件來將含有多於一種催化劑的任一特定反應區與相鄰的反應區分隔開，其中的板件還被用來支撐相鄰的反應區。在一示例性的實施例中，板件可被選擇為多孔金屬板、金屬屏網、金屬絲網、燒結金屬、多孔陶瓷、或這些材料和其它類似材料的組合物。在一示例性的實施例中，優選地是所述板件至少在部分上是由鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不鏽鋼組成的。
儘管上文中以優選實施例或示例性實施例的形式對本發明的裝置、組成和方法進行了描述，但對於本領域技術人員很顯然的是無須悖離本發明的設計思想和保護範圍，就可對本文所述的處理方法作出改動。所有這些對本領域技術人員來說顯而易見的替換和改動必然是在本發明的設計思想和保護範圍內，本發明的保護範圍應由後續的權利要求限定。
權利要求
1.一種緊湊的燃料處理器，用於將碳氫化合物燃料進料轉化為富氫氣體，其包括一圓筒體，該圓筒體具有一入口端和一出口端，其中，所述圓筒體中裝有多種催化劑，這些催化劑以串列的形式排布，從而形成了多個串聯的反應區；以及一熱交換器，其具有一入口端和一出口端，其中，所述熱交換器沿所述圓筒體的長度方向從其內部穿過，以便於根據各個特定反應區的需要而產生熱量或吸收熱量。
2.根據權利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述的多種催化劑包括自熱重整催化劑、脫硫催化劑、水煤氣轉換催化劑、優先氧化催化劑。
3.根據權利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述熱交換器未被設置在所述自熱重整催化劑中。
4.根據權利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述換熱器碳氫化合物燃料進料在被導流到所述圓筒體中之前先通過流經所述熱交換器而被預熱。
5.根據權利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述碳氫化合物燃料是從如下的燃料組中選出的天然氣、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油氣、甲醇、乙醇、以及這些燃料的混合物。
6.根據權利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述熱交換器的入口端位於所述圓筒體的出口端處。
7.根據權利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述圓筒體的定向基本上為垂直方向，且其出口端位於頂部。
8.一種緊湊型的燃料處理器，用於將碳氫化合物燃料進料轉化為富氫氣體，所述燃料處理器包括一反應室；多個反應區，這些反應區是在所述反應室內預先形成的，各個反應區的特徵體現在所述反應區內發生的化學反應；以及一熱交換器，其具有一入口端和一出口端，其中，所述熱交換器至少部分地位於所述反應室內。
9.根據權利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於一第一反應區內容納有自熱重整催化劑；一第二反應區中容納有脫硫催化劑；一第三反應區中容納有水煤氣轉換催化劑；以及一反應區模塊中容納有優先氧化催化劑。
10.根據權利要求9所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述熱交換器未被設置在所述第一反應區中。
11.根據權利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述碳氫化合物燃料進料在被引流到所述反應室中之前先通過流經所述熱交換器而被預熱。
12.根據權利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於碳氫化合物燃料進料、空氣以及水的混合物在被引流到所述第一反應區中之前先流經所述熱交換器而被預熱。
13.根據權利要求9所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述熱交換器的入口端位於所述第四反應區，而出口端則位於所述第二反應區。
14.根據權利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於多個反應區中的每個反應區都包含一種或多種催化劑，所述催化劑是從一組催化劑中選出的，這組催化劑包括自熱重整催化劑、脫硫催化劑、水煤氣轉換催化劑、以及優先氧化催化劑。
15.根據權利要求14所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於合有多於一種催化劑的一個反應區利用一滲透性的板件與相鄰的反應區分隔開，並被該板件支撐著。
16.根據權利要求15所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述板件是從如下一組板件中選出的多孔金屬板、金屬屏網、金屬絲網、燒結金屬、以及多孔陶瓷。
17.根據權利要求16所述的緊湊型燃料處理器，其特徵在於所述板件的材料可從鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不鏽鋼中選出。
全文摘要
本發明涉及一種用於執行多步驟處理的裝置，用於將碳氫化合物燃料(200)轉化為基本上純的氫氣(216)，該裝置包括多個反應區(208、210、212、和214)，這些反應區位於同一個反應室(20)內，裝置還包括一熱交換器(202)，其沿反應室(20)的長度方向從其內部穿過，以便於根據各個特定反應區的需要而產生熱量或吸收熱量。所述的多步驟處理包括向反應室(20)輸送燃料(200)，從而使燃料發生反應而形成富氫氣體(216)；使中間氣體產品流經設置在反應室(20)內的各個反應區，從而產生出最終的富氫氣體(216)。
文檔編號C01B3/38GK1479854SQ01820449
公開日2004年3月3日 申請日期2001年12月13日 優先權日2000年12月13日
發明者柯蒂斯·L·克勞斯, 詹姆斯·F·史蒂文斯, 詹妮弗·L·潘, F 史蒂文斯, L 潘, 柯蒂斯 L 克勞斯 申請人:德士古發展公司