專利名稱：?jiǎn)畏磻?yīng)室的緊湊型燃料處理器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
燃料電池利用化學(xué)上的氧化—還原反應(yīng)來(lái)發(fā)出電能，其在清潔性和效率方面顯著地優(yōu)越于其它的發(fā)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(fā)電量與反應(yīng)劑的消耗量成比例。
阻礙燃料電池獲得廣泛使用的一個(gè)主要缺點(diǎn)在于缺乏可普及的儲(chǔ)氫基礎(chǔ)設(shè)施。氫氣的體積能量密度相對(duì)較低，且其比目前大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)所采用的碳?xì)浠衔锶剂细y于儲(chǔ)存和運(yùn)輸。解決此難題的一種方案是利用重整裝置將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)化為富含氫氣的氣流，再將該氣流作為燃料電池的原料。
盡管存在上述的設(shè)計(jì)方案，但仍然需要能有一種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)單元，其可與燃料電池配套使用，用于將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)化為富含氫氣的氣流。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還可理解和領(lǐng)會(huì)到本發(fā)明其它的示例性實(shí)施例包括一種緊湊型的燃料處理器，用于將碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料轉(zhuǎn)化為富氫氣體，該燃料處理器是由如下的部件構(gòu)成的一反應(yīng)室；在所述反應(yīng)室內(nèi)預(yù)先形成了多個(gè)反應(yīng)區(qū)，其中，各個(gè)反應(yīng)區(qū)的特征體現(xiàn)在該反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；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于所述反應(yīng)室內(nèi)。在一這樣的示例性實(shí)施方式中，一第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)容納有自熱重整催化劑；一第二反應(yīng)區(qū)中容納有脫硫催化劑；一第三反應(yīng)區(qū)中容納有水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑；以及一反應(yīng)區(qū)模塊中容納有優(yōu)先氧化催化劑。在對(duì)這樣的示例性實(shí)施方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮基本上不將熱交換器設(shè)置在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)。某個(gè)示例性實(shí)施例中的碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料在被引流到反應(yīng)室內(nèi)之前、先流經(jīng)熱交換器而被預(yù)熱。作為備選方案，碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料、空氣以及水的混合物在被引流到第一反應(yīng)區(qū)中之前先流經(jīng)熱交換器而被預(yù)熱。可使用上述列出的、范圍廣泛的碳?xì)浠衔锶剂稀?br> 本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)多個(gè)反應(yīng)區(qū)中的每個(gè)反應(yīng)區(qū)都包含一種或多種催化劑。在某個(gè)這樣的示例性實(shí)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(zhuǎn)換催化劑、優(yōu)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(lái)將含有多于一種催化劑的任一特定反應(yīng)區(qū)與相鄰的反應(yīng)區(qū)分隔開(kāi)，其中的板件還可用來(lái)支撐相鄰的反應(yīng)區(qū)。在一示例性的實(shí)施例中，板件可被選擇為多孔金屬板、金屬屏網(wǎng)、金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)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(shí)施例中，優(yōu)選地是所述板件至少在部分上是由鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不銹鋼組成的。
本發(fā)明還包括一種用于將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)化為富氫氣體的方法。一種示例性的方法采用了上述的裝置。該方法總體上所采用的措施是設(shè)置一個(gè)帶有反應(yīng)室的燃料處理器，在所述反應(yīng)室中裝入了多種催化劑。反應(yīng)氣體是以這樣的方式流經(jīng)所述反應(yīng)室的使得反應(yīng)區(qū)中的各個(gè)區(qū)域形成了多級(jí)離散的反應(yīng)區(qū)。通過(guò)使碳?xì)浠衔锶剂弦灶A(yù)定的方式依次地經(jīng)過(guò)各個(gè)反應(yīng)區(qū)，就可以制出一種富含氫氣的氣體，該生產(chǎn)方式能優(yōu)化空間利用因素及傳熱因素。
本發(fā)明的各個(gè)示例性實(shí)施方式都描述了一種燃料處理器或采用這種燃料處理器的處理方法，在其中的處理方法中，碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料被引導(dǎo)著而經(jīng)過(guò)該燃料處理器。所述碳?xì)浠衔锶剂峡梢允翘幱诃h(huán)境條件下的液體或氣體，只要其能被蒸發(fā)汽化就可以。在本文的語(yǔ)境中，“碳?xì)浠衔铩笔侵妇哂蠧-H鍵的有機(jī)化合物，這些化合物能通過(guò)部分氧化反應(yīng)或蒸汽重整反應(yīng)而生成氫氣。并不排除化合物分子結(jié)構(gòu)中含有除碳元素與氫元素之外其它原子的情況。因而，適于用在本文所公開(kāi)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，但所述燃料并不僅限于此。
燃料處理器的進(jìn)料包括碳?xì)浠衔锶剂?、氧氣以及水。氧氣進(jìn)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(tài)水，也可以是水蒸氣的形式。如下文將要討論的那樣，可根據(jù)所需的生產(chǎn)條件而確定進(jìn)料中各種組分的百分比。
根據(jù)本發(fā)明，燃料處理器所排出的氣流中包括氫氣和二氧化碳，并可包括一些水份、未被轉(zhuǎn)化的碳?xì)浠衔?、一氧化碳、雜質(zhì)(例如硫化氫和氨)、以及惰性組分(例如氮?dú)夂蜌鍤猓绕涫窃谶M(jìn)氣流中存在空氣組分的情況下)。


圖1是一個(gè)總體的流程圖，表示本發(fā)明示例性實(shí)施例中的各個(gè)工序步驟。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能領(lǐng)會(huì)在反應(yīng)劑流經(jīng)本文所述反應(yīng)器的過(guò)程中，將需要有一定程度的漸進(jìn)次序。
處理步驟A是一個(gè)自熱重整過(guò)程，在該步驟中集合了兩個(gè)反應(yīng)部分氧化反應(yīng)(見(jiàn)下文的化學(xué)反應(yīng)式I)、以及一個(gè)可選的蒸汽重整反應(yīng)(見(jiàn)如下的化學(xué)反應(yīng)式II)，這兩個(gè)反應(yīng)被組合起來(lái)，用于將進(jìn)料流F轉(zhuǎn)化成一種含有氫氣和二氧化碳的合成氣體?；瘜W(xué)反應(yīng)式I和II是示范性的化學(xué)式，其中以甲烷作為所述的碳?xì)浠衔?
(I)(II)部分氧化反應(yīng)的發(fā)生速度非?？欤瑥亩芡瓿蓪?duì)所加入氧氣的轉(zhuǎn)化，并能產(chǎn)生出熱量。蒸汽重整反應(yīng)的速度較慢，且要消耗熱量。進(jìn)料氣流中氧的濃度越高，越有利于部分氧化反應(yīng)的發(fā)生，而進(jìn)料中水蒸汽的濃度越高，則越有利于蒸汽重整。因而，氧氣對(duì)碳?xì)浠衔锏谋戎?、以及水?duì)碳?xì)浠衔锏谋戎凳莾蓚€(gè)特征指標(biāo)。這兩個(gè)比值會(huì)影響到工作溫度和氫氣的產(chǎn)量。
自熱重整步驟的工作溫度約在550℃到900℃的范圍內(nèi)，具體的溫度取決于進(jìn)料條件和催化劑。本發(fā)明采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(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講，部分氧化催化劑應(yīng)當(dāng)是公知的，其通常是由鉑、鈀、銠、和/或釕等貴金屬制成，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涂敷層(washcoat)上。也可以使用鎳、鈷等非貴重金屬。在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中已提出可用氧化鈦、氧化鋯、氧化硅和氧化鎂作為涂敷層。在技術(shù)文獻(xiàn)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(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)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、氧化硅、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、氧化硅、氧化鋯、或鋁酸鎂的單種材料或組合材料上，并用鉀等堿金屬作為其促進(jìn)劑。
處理步驟B是一個(gè)冷卻步驟，用于將步驟A輸出的合成氣流大約冷卻到200℃到600℃，該溫度范圍優(yōu)選地是在約300℃到500℃之間，最好是在375℃到425℃左右，從而可優(yōu)化合成氣體的出流溫度，以有利于下一步的處理?？衫蒙崞?、熱導(dǎo)管或熱交換器來(lái)執(zhí)行該冷卻工作，具體采用何種形式取決于設(shè)計(jì)規(guī)格、以及是否需要回收/循環(huán)氣流的焓量。步驟B的一個(gè)示例性實(shí)施方式采用了一個(gè)熱交換器，該熱交換器利用循環(huán)流經(jīng)其自身的進(jìn)料流F作為冷卻劑。可采取對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)講公知的任何合適構(gòu)造來(lái)設(shè)計(jì)該熱交換器，這些熱交換器構(gòu)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(bǔ)充，冷卻步驟B也可通過(guò)另外噴射燃料、空氣、水等進(jìn)料組分而進(jìn)行冷卻。其中，優(yōu)選是噴射水，原因在于其在蒸發(fā)成水蒸氣的過(guò)程中能吸收大量的熱。組分的添加量取決于所需的冷卻程度，本領(lǐng)域技術(shù)人員可很方便地確定出該添加量。
步驟C是一個(gè)提純步驟。碳?xì)浠衔锪髦械闹饕s質(zhì)是硫，硫雜質(zhì)在先前的自熱重整步驟A中已被轉(zhuǎn)化為硫化氫。優(yōu)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(zhuǎn)化硫化氫的材料，并包括一載體(例如為單塊體、擠壓型材、丸粒體等)。通過(guò)按照下面的化學(xué)反應(yīng)式III而將硫化氫轉(zhuǎn)化為水，從而完成脫硫(III)諸如氯化物等的其它雜質(zhì)也能被除去。優(yōu)選地是在約300℃到500℃的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，最為理想的溫度范圍是在約375℃到425℃之間。在約25℃到700℃這一很寬泛的溫度范圍內(nèi)，氧化鋅都一直是效果很好的硫化氫吸收劑，因而，通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x擇工作溫度，氧化鋅能使后續(xù)的處理步驟具有很大的生產(chǎn)柔性。
流出的氣流然后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。加入的水份由于會(huì)發(fā)生蒸發(fā)，所以其可降低反應(yīng)劑流的溫度，且加入的水份會(huì)為在步驟E(下文將進(jìn)行討論)中發(fā)生的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)提供更多的水。水蒸氣和其它的出流組分通過(guò)流經(jīng)一處理芯而被混合起來(lái)，其中的處理芯例如是用瓷珠等惰性材料或其它類似材料制成的，其能有效地進(jìn)行混合和/或有助于水的蒸發(fā)。作為備選方案，也可以在進(jìn)料時(shí)一并引入任意的另加水份，并對(duì)混合步驟重新進(jìn)行定位，以便于在下文將要介紹的CO氧化步驟G中更好地對(duì)氧化劑氣體進(jìn)行混合。
處理步驟E是一個(gè)水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，其按照如下的反應(yīng)式IV將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳(IV)這一步驟是非常重要的，原因在于一氧化碳不僅對(duì)人體而言是高毒性的，而且對(duì)燃料電池也是有害的。一氧化碳的濃度應(yīng)當(dāng)被降低到能被燃料電池容許的水平上，通常應(yīng)當(dāng)?shù)陀?0ppm。一般來(lái)講，發(fā)生水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的溫度范圍是從150℃到600℃，具體的溫度取決于所使用的催化劑。在此條件下，氣流中的大部分一氧化碳能在該步驟中被轉(zhuǎn)化。
工作溫度大約在150℃到300℃之間的低溫型轉(zhuǎn)換催化劑例如包括氧化銅；承載在氧化鋯等其它過(guò)渡金屬氧化物上的銅；承載在過(guò)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硅、氧化鋁、氧化鋯等；或者是位于適當(dāng)載體上的貴重金屬，其中的貴金屬例如為鉑、錸、鈀、銠、或金，載體例如為氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等。
高溫型轉(zhuǎn)換催化劑的理想工作溫度大約在300℃到600℃之間，此類轉(zhuǎn)換催化劑包括三氧化二鐵或氧化鉻等過(guò)渡金屬氧化物，且可選地包含銅或硅化鐵等促進(jìn)劑。高溫型轉(zhuǎn)換催化劑還包括位于載體上的貴重金屬，例如位于載體上的鉑、鈀、和/或其它的鉑系金屬。
用于執(zhí)行該步驟的處理芯包括一個(gè)由上述高溫轉(zhuǎn)換催化劑或低溫轉(zhuǎn)換催化劑構(gòu)成的填料床，該填料床或者也可以是由高溫轉(zhuǎn)換催化劑和低溫轉(zhuǎn)換催化劑共同構(gòu)成的。該步驟的執(zhí)行溫度是適于執(zhí)行水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的任何溫度，優(yōu)選地約是在150℃到400℃之間，具體的溫度取決于所用催化劑的類型?？蛇x的設(shè)計(jì)是在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的處理芯中設(shè)置一冷卻旋管等的冷卻元件，用于降低催化劑填料床中的反應(yīng)溫度。溫度越低，越有利于一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。此外，如果高溫轉(zhuǎn)換與低溫轉(zhuǎn)換是兩個(gè)獨(dú)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(zhí)行一提純處理步驟C，其中的脫硫模塊位于高溫轉(zhuǎn)換步驟與低溫轉(zhuǎn)換步驟之間。
處理步驟F是一個(gè)冷卻步驟，在一實(shí)施例中，該步驟是通過(guò)一熱交換器進(jìn)行的。熱交換器可以是任何合適的結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)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(guò)程中加入氧氣。氧氣將被下述處理步驟G中的反應(yīng)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(shè)計(jì)成能將空氣與富氫氣體混合起來(lái)。作為備選方案，也可以用步驟D的實(shí)施方式來(lái)進(jìn)行混合。
處理步驟G是一個(gè)氧化步驟，在該步驟中，出料流中幾乎所有的剩余一氧化碳都被轉(zhuǎn)化成了二氧化碳。該處理過(guò)程是在設(shè)置了催化劑的情況下進(jìn)行的，該催化劑用于對(duì)一氧化碳進(jìn)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。用于對(duì)一氧化碳進(jìn)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(guò)渡金屬(例如鐵、鈷、錳等)，和/或貴金屬或過(guò)渡金屬的化合物—尤其是指這些金屬的氧化物。一種優(yōu)選的氧化催化劑是位于氧化鋁涂敷層上的鉑。所述涂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(jìn)催化劑的效能。在現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)中，某些專業(yè)人員已經(jīng)提出了許多種其它的配方，并聲稱這些配方的性能優(yōu)越于銠催化劑或氧化鋁催化劑。文獻(xiàn)中還提到了釕、鈀、金等其它的材料對(duì)于上述用途也是有效的。
在步驟G中發(fā)生了如下的兩個(gè)反應(yīng)所希望的對(duì)一氧化碳的氧化(反應(yīng)式V)、以及不希望的對(duì)氫的氧化(反應(yīng)式VI)，這兩個(gè)反應(yīng)為(V)(VI)低溫條件將有利于對(duì)一氧化碳的優(yōu)先氧化，由于上述的兩個(gè)反應(yīng)都是生熱反應(yīng)，所以如選擇在該處理步驟中設(shè)置一個(gè)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℃的大致范圍內(nèi)。處理步驟G最好能將一氧化碳的濃度降低到小于50ppm的等級(jí)，該濃度水平對(duì)于燃料電池中的使用環(huán)境而言是合適的，但本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)本發(fā)明也可被設(shè)計(jì)成其能產(chǎn)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?dú)狻?、殘留的碳?xì)浠衔锏?。氣體產(chǎn)品可用作燃料電池的原料，或用在需要富氫氣流的其它應(yīng)用場(chǎng)合中?？蛇x的方案是氣體產(chǎn)品可被輸送到另一個(gè)處理流程中，例如用于除去其中的二氧化碳、水或其它組分。
圖2表示了一個(gè)燃料處理器20的橫剖視圖，該燃料處理器是本發(fā)明一個(gè)示例性的實(shí)施例。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)能明白和領(lǐng)會(huì)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(shè)置在燃料處理器內(nèi)部，以使得熱交換器基本上沿燃料處理器的長(zhǎng)度方向延伸。熱交換器對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱，并對(duì)各個(gè)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行冷卻/對(duì)其溫度進(jìn)行控制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能領(lǐng)會(huì)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(yīng)區(qū)內(nèi)的螺管數(shù)目、制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(guò)常規(guī)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)就可以對(duì)該熱交換設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)熱后的燃料離開(kāi)熱交換器之后，通過(guò)一條反應(yīng)器進(jìn)料管204流向第一反應(yīng)區(qū)208。反應(yīng)器進(jìn)料管可帶有流量控制裝置以及其它類似的裝置，用于在燃料混合物進(jìn)入到第一反應(yīng)區(qū)208中之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。該示例性實(shí)施例中的第一反應(yīng)區(qū)208被用自熱重整反應(yīng)催化劑進(jìn)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(shí)例中，可能會(huì)需要設(shè)置一分布板206，以便于使燃料在整個(gè)第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)都能均勻地分布。此外，還可采用這樣的可選設(shè)計(jì)用一電預(yù)熱器(圖中未示出)來(lái)對(duì)燃料處理器進(jìn)行啟動(dòng)。在燃料已到達(dá)第一反應(yīng)區(qū)、從而能形成富氫氣體之后，由于存在了富氫氣體壓力，所以氣體能自然地流到第二反應(yīng)區(qū)210中。在該示例性實(shí)施例中，第二反應(yīng)區(qū)中填充了脫硫催化劑，該催化劑優(yōu)選為氧化鋅。富氫氣體在流經(jīng)脫硫催化劑—例如氧化鋅之后，氣流中含硫化合物的濃度就顯著地降低了。脫硫后的富氫氣體隨后流入到第三反應(yīng)區(qū)212中。本示例性實(shí)施例中的第三反應(yīng)區(qū)用水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑、或上述此類催化劑的混合物進(jìn)行填充。富氫氣體在流經(jīng)該催化劑之后，其含氫量進(jìn)一步提高，而一氧化碳含量則被降低。然后，富氫氣體流到第四反應(yīng)區(qū)214中，該反應(yīng)區(qū)內(nèi)容納有優(yōu)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于50ppm。在某些實(shí)例中，可向第四反應(yīng)區(qū)中噴入空氣或其它合適的氧源性氣體，以便于對(duì)優(yōu)先氧化反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化。可利用公知的裝置來(lái)執(zhí)行該噴射過(guò)程，其中的裝置例如為簡(jiǎn)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(yōu)選實(shí)施例中，優(yōu)先氧化反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基本上采用了多孔管的形式，該多孔管被設(shè)計(jì)成能使噴入的氧氣分布均勻。最終的產(chǎn)品是一種富氫氣體216。還應(yīng)當(dāng)指出的是在一優(yōu)選的示例性實(shí)施例中，可在反應(yīng)區(qū)之間的過(guò)渡區(qū)218中采用不活潑、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。該材料的作用在于有利于用各種催化劑對(duì)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行填充、有助于防止運(yùn)輸過(guò)程中催化劑在無(wú)意中被混合起來(lái)、以及在各個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)之間形成一過(guò)渡區(qū)或緩沖區(qū)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可見(jiàn)的是產(chǎn)出的富氫氣體優(yōu)選是被用在燃料電池中，但也可被儲(chǔ)存起來(lái)或用在其它流程中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了上文對(duì)圖2的描述之后，應(yīng)當(dāng)能理解和看出各個(gè)模塊都能單獨(dú)地完成一項(xiàng)功能。進(jìn)料流F(200)經(jīng)過(guò)一條入口管(圖中未示出)被引入，氣體產(chǎn)品P216則被從出口管(圖中未示出)抽吸出。反應(yīng)區(qū)208是與圖1中步驟A相對(duì)應(yīng)的自熱重整反應(yīng)區(qū)。可在反應(yīng)器底部入口處選裝一電熱器(圖中未示出)，用于在啟動(dòng)時(shí)提供熱量。反應(yīng)區(qū)210是與圖1中處理步驟C相對(duì)應(yīng)的提純反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)212與圖1中處理步驟E相對(duì)應(yīng)，為水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)。與圖1中處理步驟F相對(duì)應(yīng)的冷卻工作由熱交換器202來(lái)完成。反應(yīng)區(qū)214用于執(zhí)行與圖1中處理步驟G相對(duì)應(yīng)的氧化工作。一空氣源(圖中未示出)作為氧氣來(lái)源，用于向反應(yīng)區(qū)214中的氧化反應(yīng)(見(jiàn)反應(yīng)式V)提供生產(chǎn)用氣。反應(yīng)區(qū)214還包括一熱交換器202，該熱交換器設(shè)置在催化劑料床中、或環(huán)繞著催化劑料床，用于將氧化反應(yīng)的溫度保持在理想的數(shù)值上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能領(lǐng)會(huì)可根據(jù)多種因素對(duì)該實(shí)施例中的上述處理構(gòu)造進(jìn)行改動(dòng)，其中的影響因素包括原料質(zhì)量和所需的產(chǎn)品質(zhì)量，但并不僅限于這二者。
下面參見(jiàn)圖3，圖中表示了本發(fā)明第二種示例性的實(shí)施方式，該圖是一燃料處理器反應(yīng)室40的橫剖面圖。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)能理解、領(lǐng)會(huì)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(shè)置了多個(gè)熱交換器(302、304、以及306)，這些熱交換器優(yōu)選地是相互連通的。各個(gè)熱交換器都設(shè)置在燃料處理器中，并使得各個(gè)熱交換器基本上是沿特定反應(yīng)區(qū)的長(zhǎng)度方向延伸。熱交換器對(duì)燃料進(jìn)行預(yù)熱，并對(duì)各個(gè)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行冷卻/對(duì)其溫度進(jìn)行控制。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能領(lǐng)會(huì)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(yīng)區(qū)內(nèi)的螺管數(shù)目、制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(guò)常規(guī)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)就可以對(duì)熱交換設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。預(yù)熱后的燃料離開(kāi)熱交換器之后，通過(guò)一條反應(yīng)器進(jìn)料管308流向第一反應(yīng)區(qū)312。反應(yīng)器進(jìn)料管可帶有流量控制裝置以及其它類似的裝置，用于在燃料混合物進(jìn)入到第一反應(yīng)區(qū)312中之前對(duì)其進(jìn)行調(diào)節(jié)和優(yōu)化。該示例性實(shí)施例中的第一反應(yīng)區(qū)312內(nèi)填充有自熱重整反應(yīng)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(shí)例中，可能需要設(shè)置一分布板310，以便于使燃料在整個(gè)第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)都能均勻地分布。此外，還可選用這樣的設(shè)計(jì)用一電預(yù)熱器(圖中未示出)來(lái)對(duì)燃料處理器進(jìn)行啟動(dòng)。在燃料已到達(dá)第一反應(yīng)區(qū)、從而能形成富氫氣體之后，由于壓力作用，氣體能自然地流過(guò)第一支撐板314，從而流入到第二反應(yīng)區(qū)316中。在該示例性實(shí)施例中，第二反應(yīng)區(qū)中填充了脫硫催化劑，該催化劑優(yōu)選為氧化鋅。富氫氣體在流經(jīng)脫硫催化劑—例如氧化鋅之后，氣流中含硫化合物的濃度就會(huì)顯著降低。第二反應(yīng)區(qū)中的溫度至少部分地由第三熱交換器304進(jìn)行控制。脫硫后的富氫氣體隨后流經(jīng)第二支撐板318而流入到第三反應(yīng)區(qū)320中。本示例性實(shí)施例中的第三反應(yīng)區(qū)用水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑、或上述此類催化劑的混合物進(jìn)行填充。富氫氣體在流經(jīng)該催化劑之后，其含氫量進(jìn)一步提高，而一氧化碳含量則被降低。第三反應(yīng)區(qū)中的溫度至少部分地由第二熱交換器304進(jìn)行控制。然后，富氫氣體流經(jīng)第三支撐板322流入到第四反應(yīng)區(qū)324中，該反應(yīng)區(qū)內(nèi)容納有優(yōu)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于50ppm。在某些實(shí)例中，可向第四反應(yīng)區(qū)中噴入空氣或其它合適的氧源性氣體，以便于對(duì)優(yōu)先氧化反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化?？衫霉难b置來(lái)執(zhí)行該噴射過(guò)程，其中的裝置例如為簡(jiǎn)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(yōu)選實(shí)施例中，優(yōu)先氧化反應(yīng)區(qū)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中基本上包括有多孔管，該多孔管被設(shè)計(jì)成能使噴入的氧氣分布均勻。第四反應(yīng)區(qū)中的溫度至少部分地由第一熱交換器302進(jìn)行控制，該熱交換器在對(duì)輸入的燃料進(jìn)行預(yù)熱的同時(shí)，還對(duì)要從反應(yīng)區(qū)排出的最終氣體產(chǎn)品進(jìn)行冷卻。最終的產(chǎn)品是一種富氫氣體326。還應(yīng)當(dāng)指出的是利用惰性、但帶有孔眼的支撐板將該示例性實(shí)施例中的各個(gè)反應(yīng)區(qū)相互分隔開(kāi)。該支撐板優(yōu)選為剛性的，且在用作反應(yīng)器之間過(guò)渡區(qū)的反應(yīng)器材料的條件下是化學(xué)惰性的。該材料的作用在于有利于用各種催化劑對(duì)反應(yīng)區(qū)進(jìn)行填充、有助于防止運(yùn)輸過(guò)程中催化劑在無(wú)意中被混合起來(lái)、以及在各個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)之間形成一過(guò)渡區(qū)或緩沖區(qū)。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可見(jiàn)的是產(chǎn)出的富氫氣體優(yōu)選是被用在燃料電池中，但也可被儲(chǔ)存起來(lái)或用在其它流程中。
本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀了上文對(duì)圖3的描述之后，應(yīng)當(dāng)能理解和看出各個(gè)模塊都能單獨(dú)地完成一項(xiàng)功能。進(jìn)料流F(300)經(jīng)過(guò)一條入口管(圖中未示出)被引入，氣體產(chǎn)品P326則被從出口管(圖中未示出)抽吸出。反應(yīng)區(qū)312是與圖1中處理步驟A相對(duì)應(yīng)的自熱重整反應(yīng)區(qū)?？稍诜磻?yīng)器底部入口處選裝一電熱器(圖中未示出)，用于在啟動(dòng)時(shí)提供熱量。反應(yīng)區(qū)316是與圖1中處理步驟C相對(duì)應(yīng)的提純反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)320與圖1中處理步驟E相對(duì)應(yīng)，為水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)。與圖1中處理步驟F相對(duì)應(yīng)的冷卻工作由熱交換器304來(lái)完成。反應(yīng)區(qū)324用于執(zhí)行與圖1中處理步驟G相對(duì)應(yīng)的氧化工作。一空氣源(圖中未示出)作為氧氣來(lái)源，用于向反應(yīng)區(qū)324中的氧化反應(yīng)(見(jiàn)反應(yīng)式V)提供生產(chǎn)用氣。反應(yīng)區(qū)324還包括一熱交換器202，該熱交換器設(shè)置在催化劑料床中、或環(huán)繞著催化劑料床，用于將氧化反應(yīng)的溫度保持在理想的數(shù)值上，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)能領(lǐng)會(huì)可根據(jù)多種因素對(duì)該實(shí)施例中的上述處理構(gòu)造進(jìn)行改動(dòng)，其中的影響因素包括原料質(zhì)量和所需的產(chǎn)品質(zhì)量，但并不僅限于這二者。
鑒于上文公開(kāi)的內(nèi)容，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將會(huì)理解、領(lǐng)會(huì)到按照設(shè)計(jì)規(guī)范的不同，本發(fā)明可以有很多種可行的實(shí)施方式。其中的一個(gè)示例性實(shí)施例包括一種緊湊型的燃料處理器，其用于將碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料轉(zhuǎn)化為富氫氣體，在該實(shí)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(gè)串聯(lián)的反應(yīng)區(qū)；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(zhǎng)度方向從其內(nèi)部穿過(guò)，以便于根據(jù)各個(gè)特定反應(yīng)區(qū)的需要而產(chǎn)生熱量或吸收熱量。在該示例性實(shí)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(zhuǎn)換催化劑、優(yōu)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(yōu)選的示例性實(shí)施例中，熱交換器并未被設(shè)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?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料在被導(dǎo)流到圓筒體中之前先被預(yù)熱—優(yōu)選地是通過(guò)流經(jīng)熱交換器而獲得加熱，或者可以是利用一個(gè)設(shè)置在自熱重整區(qū)上游運(yùn)行位置處的燃料預(yù)熱器來(lái)進(jìn)行加熱?？杀皇褂玫奶?xì)浠衔锏姆N類范圍很廣，但是，在一示例性實(shí)施例中，碳?xì)浠衔锶剂鲜菑娜缦碌姆N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?xì)浠衔?、以及這些燃料的混合物。在一示例性實(shí)施例中，優(yōu)選的設(shè)計(jì)是圓筒體的定向姿態(tài)基本上是垂直的，其出口端位于頂部，反應(yīng)劑的流動(dòng)基本上是從入口端向出口端向上流動(dòng)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員還能理解和領(lǐng)會(huì)本發(fā)明另一示例性實(shí)施例包括一種緊湊型的燃料處理器，用于將碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料轉(zhuǎn)化為富氫氣體，該燃料處理器是由如下的部件構(gòu)成的一反應(yīng)室；在所述反應(yīng)室內(nèi)預(yù)先形成了多個(gè)反應(yīng)區(qū)，其中，各個(gè)反應(yīng)區(qū)的特征體現(xiàn)在該反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；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于所述反應(yīng)室內(nèi)。在一這樣的示例性實(shí)施方式中，一第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)容納有自熱重整催化劑；一第二反應(yīng)區(qū)中容納有脫硫催化劑；一第三反應(yīng)區(qū)中容納有水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑；以及一反應(yīng)區(qū)模塊中容納有優(yōu)先氧化催化劑。在對(duì)這樣的示例性實(shí)施方式進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮基本上不將熱交換器設(shè)置在第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)。在某個(gè)示例性實(shí)施例中，碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料在被引流到反應(yīng)室內(nèi)之前、先流經(jīng)熱交換器而被預(yù)熱。作為備選方案，碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料、空氣以及水的混合物在被引流到第一反應(yīng)區(qū)中之前先流經(jīng)熱交換器而被預(yù)熱?？杀皇褂玫奶?xì)浠衔锏姆N類范圍很廣，但是，在一示例性實(shí)施例中，碳?xì)浠衔锶剂鲜菑娜缦碌姆N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?xì)浠衔铩⒁约斑@些燃料的混合物。在一示例性實(shí)施例中，熱交換器的入口端位于第四反應(yīng)區(qū)，而出口端則位于第二反應(yīng)區(qū)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)多個(gè)反應(yīng)區(qū)中的每個(gè)反應(yīng)區(qū)都包含一種或多種催化劑。在某個(gè)這樣的示例性實(shí)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(zhuǎn)換催化劑、優(yōu)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?？捎靡粷B透性的板件來(lái)將含有多于一種催化劑的任一特定反應(yīng)區(qū)與相鄰的反應(yīng)區(qū)分隔開(kāi)，其中的板件還被用來(lái)支撐相鄰的反應(yīng)區(qū)。在一示例性的實(shí)施例中，板件可被選擇為多孔金屬板、金屬屏網(wǎng)、金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)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(shí)施例中，優(yōu)選地是所述板件至少在部分上是由鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不銹鋼組成的。
盡管上文中以優(yōu)選實(shí)施例或示例性實(shí)施例的形式對(duì)本發(fā)明的裝置、組成和方法進(jìn)行了描述，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員很顯然的是無(wú)須悖離本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和保護(hù)范圍，就可對(duì)本文所述的處理方法作出改動(dòng)。所有這些對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)顯而易見(jiàn)的替換和改動(dòng)必然是在本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想和保護(hù)范圍內(nèi)，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由后續(xù)的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種緊湊的燃料處理器，用于將碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料轉(zhuǎn)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(gè)串聯(lián)的反應(yīng)區(qū)；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(zhǎng)度方向從其內(nèi)部穿過(guò)，以便于根據(jù)各個(gè)特定反應(yīng)區(qū)的需要而產(chǎn)生熱量或吸收熱量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于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(zhuǎn)換催化劑、優(yōu)先氧化催化劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述熱交換器未被設(shè)置在所述自熱重整催化劑中。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述換熱器碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料在被導(dǎo)流到所述圓筒體中之前先通過(guò)流經(jīng)所述熱交換器而被預(yù)熱。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述碳?xì)浠衔锶剂鲜菑娜缦碌娜剂辖M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(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述熱交換器的入口端位于所述圓筒體的出口端處。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述圓筒體的定向基本上為垂直方向，且其出口端位于頂部。
8.一種緊湊型的燃料處理器，用于將碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料轉(zhuǎn)化為富氫氣體，所述燃料處理器包括一反應(yīng)室；多個(gè)反應(yīng)區(qū)，這些反應(yīng)區(qū)是在所述反應(yīng)室內(nèi)預(yù)先形成的，各個(gè)反應(yīng)區(qū)的特征體現(xiàn)在所述反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)；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于所述反應(yīng)室內(nèi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于一第一反應(yīng)區(qū)內(nèi)容納有自熱重整催化劑；一第二反應(yīng)區(qū)中容納有脫硫催化劑；一第三反應(yīng)區(qū)中容納有水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑；以及一反應(yīng)區(qū)模塊中容納有優(yōu)先氧化催化劑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述熱交換器未被設(shè)置在所述第一反應(yīng)區(qū)中。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料在被引流到所述反應(yīng)室中之前先通過(guò)流經(jīng)所述熱交換器而被預(yù)熱。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)料、空氣以及水的混合物在被引流到所述第一反應(yīng)區(qū)中之前先流經(jīng)所述熱交換器而被預(yù)熱。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述熱交換器的入口端位于所述第四反應(yīng)區(qū)，而出口端則位于所述第二反應(yīng)區(qū)。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于多個(gè)反應(yīng)區(qū)中的每個(gè)反應(yīng)區(qū)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(zhuǎn)換催化劑、以及優(yōu)先氧化催化劑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于合有多于一種催化劑的一個(gè)反應(yīng)區(qū)利用一滲透性的板件與相鄰的反應(yīng)區(qū)分隔開(kāi)，并被該板件支撐著。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于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(wǎng)、金屬絲網(wǎng)、燒結(jié)金屬、以及多孔陶瓷。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的緊湊型燃料處理器，其特征在于所述板件的材料可從鉻鎳鐵合金、碳素鋼、以及不銹鋼中選出。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于執(zhí)行多步驟處理的裝置，用于將碳?xì)浠衔锶剂?200)轉(zhuǎn)化為基本上純的氫氣(216)，該裝置包括多個(gè)反應(yīng)區(qū)(208、210、212、和214)，這些反應(yīng)區(qū)位于同一個(gè)反應(yīng)室(20)內(nèi)，裝置還包括一熱交換器(202)，其沿反應(yīng)室(20)的長(zhǎng)度方向從其內(nèi)部穿過(guò)，以便于根據(jù)各個(gè)特定反應(yīng)區(qū)的需要而產(chǎn)生熱量或吸收熱量。所述的多步驟處理包括向反應(yīng)室(20)輸送燃料(200)，從而使燃料發(fā)生反應(yīng)而形成富氫氣體(216)；使中間氣體產(chǎn)品流經(jīng)設(shè)置在反應(yīng)室(20)內(nèi)的各個(gè)反應(yīng)區(qū)，從而產(chǎn)生出最終的富氫氣體(216)。
文檔編號(hào)C01B3/38GK1479854SQ01820449
公開(kāi)日2004年3月3日 申請(qǐng)日期2001年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月13日
發(fā)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(qǐng)人:德士古發(fā)展公司