專利名稱：緊湊的單室燃料處理裝置的制作方法
背景技術(shù)：
根據(jù)35U.S.C.§119規(guī)定，本發(fā)明要求2001年4月26日提出的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.60/286,684的優(yōu)先權(quán)。
燃料電池通過(guò)化學(xué)氧化-還原反應(yīng)產(chǎn)生電力，在清潔性和效率方面顯著優(yōu)于其它的發(fā)電方法。燃料電池通常用氫作燃料，用氧作氧化劑。發(fā)電量正比于反應(yīng)物的消耗速度。
限制燃料電池廣泛使用的一個(gè)重要缺點(diǎn)是氫缺乏流行的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。氫的體積能量密度相當(dāng)?shù)停冶痊F(xiàn)在用在大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)中的碳?xì)浠衔锶剂细y于儲(chǔ)存和運(yùn)輸?？朔@種困難的一種方法是應(yīng)用重整器將碳?xì)浠衔镛D(zhuǎn)換成富氫氣流，將該富氫氣流用作燃料電池的原料。
作為大多數(shù)燃料電池的燃料源，碳?xì)浠衔锘剂侠缣烊粴?、LPG、汽油和柴油需要采用轉(zhuǎn)換工藝?，F(xiàn)代技術(shù)采用多步驟工藝，使固有轉(zhuǎn)換工藝與若干提純工藝相結(jié)合。固有工藝通常是蒸汽重整(SR)工藝、自熱重整(ATR)工藝、催化部分氧化(SPOX)工藝，或者非催化部分氧化(POX)工藝。提純步驟通常包括聯(lián)合應(yīng)用脫硫工藝、高溫水煤氣轉(zhuǎn)換工藝、低溫水煤氣轉(zhuǎn)換工藝、選擇性一氧化碳氧化工藝，或者選擇性使一氧化碳甲烷化的工藝。其它的工藝包括氫的選擇性薄膜反應(yīng)工藝和薄膜過(guò)濾工藝。
盡管已有上述工作，但是仍需要一種簡(jiǎn)單的裝置將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣流，以便用在燃料電池上。
發(fā)明概要本發(fā)明總的目的在于一種將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣體裝置。在一個(gè)例示性實(shí)施例中，本發(fā)明包括將碳?xì)浠衔镌限D(zhuǎn)換成富氫氣體的緊湊燃料處理裝置，在這種裝置中，燃料處理裝置組件包括反應(yīng)缸，該反應(yīng)缸具有進(jìn)料端和集管端、可卸下的集管和許多在反應(yīng)缸內(nèi)的預(yù)定反應(yīng)區(qū)域，其中各個(gè)反應(yīng)區(qū)的特征在于在反應(yīng)區(qū)域中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。燃料處理裝置還包括至少一個(gè)冷卻盤管，該盤管具有入口端和連接于集管端的出口端，其中該至少一個(gè)冷卻盤管中的至少一個(gè)盤管裝在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)部，以便除去特定反應(yīng)區(qū)域中的熱量。在此例示性實(shí)施例中，許多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和類似催化劑的混合催化劑。在例示性燃料處理裝置中用的碳?xì)浠衔镌献詈迷谶M(jìn)入到反應(yīng)缸之前通過(guò)熱交換器被預(yù)熱，或者由位于自熱重整反應(yīng)區(qū)域上游操作位置的燃料預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱。
在一個(gè)例示性實(shí)施例中，反應(yīng)缸最好大體垂直取向，使反應(yīng)缸的集管端位于頂部，而反應(yīng)物的氣流一般從輸入端向上流到集管端。這種例示性的實(shí)施例包括裝有自熱重整催化劑的第一反應(yīng)區(qū)、裝有脫硫催化劑的第二反應(yīng)區(qū)、裝有水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑的第三反應(yīng)區(qū)和裝有優(yōu)先氧化催化劑的第四反應(yīng)區(qū)。最好是，第一反應(yīng)區(qū)配置在反應(yīng)缸的輸入端，第二反應(yīng)區(qū)鄰接第一反應(yīng)區(qū)，第三反應(yīng)區(qū)鄰接第二反應(yīng)區(qū)，而第四反應(yīng)區(qū)配置在反應(yīng)缸的集管端板上。還在第三和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置陶瓷小球區(qū)域，以便改進(jìn)富氫氣體和空氣的混合，該空氣通過(guò)集管中固定噴管注入到陶瓷小球區(qū)域。采用眾所周知的裝置例如簡(jiǎn)單的氣體噴射管或者多孔管可以進(jìn)行這種空氣注入。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，許多反應(yīng)區(qū)域中的各個(gè)反應(yīng)區(qū)域可以包括一種或者多種催化劑。
技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，許多反應(yīng)區(qū)域中的各個(gè)反應(yīng)區(qū)域可以包括一個(gè)或者多個(gè)催化劑。在一種這樣的例示實(shí)施例中，催化劑選自自熱重整催化劑、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和類似催化劑的混合物和聯(lián)合物。任何包含一個(gè)以上催化劑的特定反應(yīng)區(qū)域可以用透氣板與相鄰的反應(yīng)區(qū)域分開，該透氣板也用來(lái)支承相鄰的反應(yīng)區(qū)域。在一個(gè)例示性實(shí)施例中，這種透氣板可以選擇有孔的金屬板、金屬柵板、金屬網(wǎng)板、燒結(jié)金屬板、多孔陶瓷板，或者這些材料和類似材料的聯(lián)用板。在這種例示性實(shí)施例中，該透氣板最好至少部分由鎳鉻鐵合金、不銹鋼、hatelloy，或者其它耐高溫耐高壓的材料，以及復(fù)合材料組成。
在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面中，緊湊的燃料處理裝置還包括第二反應(yīng)缸，該缸具有陽(yáng)極尾氣氧化催化劑床，以便使燃料電池中的陽(yáng)極尾氣氧化，形成廢氣。該第二反應(yīng)缸具有在碳?xì)浠衔锶剂陷斔偷降谝环磻?yīng)缸之前加熱該碳?xì)浠衔锶剂系念A(yù)熱熱交換器，這種預(yù)熱熱交換器配置在陽(yáng)極尾氣氧催化劑床中?？梢灶A(yù)見到，本例示性實(shí)施例還包括裝有另一優(yōu)先氧化催化劑床的第五反應(yīng)區(qū)域。在這種實(shí)施例中，包含上述空氣注入噴管的陶瓷小球第二區(qū)域配置在第四和第五反應(yīng)區(qū)域之間，以便確保充分的混合。
附圖的簡(jiǎn)要說(shuō)明下面參考附圖進(jìn)行說(shuō)明，這些附圖是

圖1示出本發(fā)明一個(gè)例示性實(shí)施例的簡(jiǎn)單工藝流程圖；圖2示出本發(fā)明緊湊燃料處理裝置的第一例示性實(shí)施例；圖3示出本發(fā)明緊湊燃料處理裝置的第二例示性實(shí)施例；圖4示出本發(fā)明緊湊燃料處理裝置的第三例示性實(shí)施例；例示實(shí)施例的說(shuō)明本發(fā)明總的目的在于一種將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣體的裝置。在優(yōu)選方面中，本文所述的裝置和方法涉及一種用碳?xì)浠衔锶剂袭a(chǎn)生富氫氣流的緊湊燃料處理裝置，這種富氫氣流用于燃料電池。然而對(duì)于所述的裝置和方法也可以用在其它方面，包括需要用富氫氣流的任何方面。因此，盡管本發(fā)明是說(shuō)明用在燃料電池上的，但本發(fā)明的范圍不限于這種應(yīng)用。
本發(fā)明例示實(shí)施例中的各種實(shí)施例說(shuō)明一種燃料處理裝置或者使用這種燃料處理裝置的工藝，碳?xì)浠衔锶剂现苯油ㄟ^(guò)該燃料處理裝置。該碳?xì)浠衔镌诃h(huán)境條件下可以是液體或者氣體，只要它能夠蒸發(fā)。本文中所用的術(shù)語(yǔ)“碳?xì)浠衔铩卑ň哂蠸-H化學(xué)鍵的有機(jī)化合物，這些化合物可以用部分氧化或者蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。在化合物的分子結(jié)構(gòu)中不排除存在除碳和氫以外的原子。因此，用在本文中方法和裝置中的適合的原料包括(但不限于)碳?xì)浠衔锶剂?，例如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、粗汽油、汽油和柴油燃料以及醇類燃料例如甲醇、乙醇、丙醇等?br> 燃料處理裝置用的原料包括碳?xì)浠衔锶剂稀⒀鹾退?。氧可以是空氣中的氧、富含氧的空氣或者完全純的氧。水可以作為液體和蒸汽注入。原料組份的組成百分?jǐn)?shù)由下面要說(shuō)明的操作條件確定。本發(fā)明的燃料處理裝置的流出氣流包括氫氣和二氧化碳，還包括一定量的水、沒(méi)有轉(zhuǎn)換的碳?xì)浠衔?、一氧化碳、雜質(zhì)(即硫化氫和氨氣)以及惰性成份(即氮?dú)夂蜌鍤?，在空氣是原料氣流的組份時(shí)特別容易產(chǎn)生)。
圖1是總的工藝流程圖，示出包含在本發(fā)明例示性實(shí)施例中的操作步驟。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，在反應(yīng)物流過(guò)本文所述的反應(yīng)缸時(shí)需要某種程度的過(guò)程順序。
操作步驟A是自熱重整工藝，在這種工藝中聯(lián)合兩種反應(yīng)即部分氧化反應(yīng)(下面的反應(yīng)式I)和選擇性蒸汽重整反應(yīng)(下面的反應(yīng)是II)，將原料氣流F轉(zhuǎn)換成包含氫氣和一氧化碳的合成氣體。反應(yīng)式I和II是例示性的反應(yīng)式，其中甲烷是碳?xì)浠衔?I)(II)部分氧化反應(yīng)反應(yīng)很快，可以完全轉(zhuǎn)換加入的氧氣，產(chǎn)生熱量。這種蒸汽重整反應(yīng)反應(yīng)較慢，消耗熱量，在輸入氣流中高濃度的氧氣有助于部分氧化反應(yīng)，而較高濃度的水蒸汽有助于蒸汽重整。因此，氧與碳?xì)浠衔锏谋壤约八c碳?xì)浠衔锏谋壤翘卣鲄?shù)。這些比值影響操作溫度和氫氣的產(chǎn)率。
自熱重整步驟的操作溫度在約550℃至約900℃的范圍內(nèi)，溫度取決于輸入狀態(tài)和催化劑。本發(fā)明采用部分氧化催化劑的催化劑床，這種催化劑床可以加入或者不加入蒸汽重整催化劑。催化劑可以為任何形狀，包括片狀、球狀、壓出型材、大塊料等。部分氧化催化劑應(yīng)當(dāng)是技術(shù)人員周知的催化劑，通常包括貴金屬，例如鉑、鈀、銠和/或者釕，這些貴金屬鍍?cè)诖髩K材料、擠壓型材、片或者其它載帶體上的氧化鋁耐洗涂層上?？梢詰?yīng)用非貴金屬例如鎳或者鈷。在文獻(xiàn)中已經(jīng)說(shuō)明其它的耐洗涂層例如氧化鈦、氧化鋯、氧化硅和氧化鎂涂層。在文獻(xiàn)中還說(shuō)明用很多其它的材料例如鑭、鈰和鉀作“促進(jìn)劑”，這種促進(jìn)劑可以提高部分氧化催化劑的催化性。
蒸汽重整催化劑是技術(shù)人員周知的催化劑，包括具有一定量鈷的鎳，或者貴金屬例如鉑、鈀、銠、釕和/或銥。催化劑可以載帶在例如氧化鎂、氧化鋁、氧化硅、氧化鋯或者鋁酸鎂上，可以只支承一種催化劑或者多種催化劑。或者，蒸汽重整催化劑最好包括單獨(dú)或者聯(lián)合載帶于氧化鎂、氧化鋁、氧化硅、氧化鋯或者鋁酸鎂上的鎳，并用堿金屬例如鉀作促進(jìn)劑。
操作步驟B是冷卻步驟。用于將操作步驟A的合成氣流冷卻到約200℃到約600℃的溫度，較好到約300℃至約500℃之間，最好在約375℃至約425℃之間，以便優(yōu)化流入下一操作步驟的合成氣體溫度?？梢愿鶕?jù)設(shè)計(jì)參數(shù)和需要回收/重新利用氣流中的熱量，用散熱器、熱管或者熱交換器進(jìn)行這種冷卻。操作步驟B的一個(gè)例示性實(shí)施例是應(yīng)用熱交換器，這種熱交換器利用輸入氣流F作流過(guò)熱交換器的冷卻劑。該熱交換器可以具有技術(shù)人員已知的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，包括圓筒體和管子、熱交換板、盤管等，可以用另外一種方式或者加上這種方式執(zhí)行操作步驟B，方法是注入另外的原料成份例如燃料、空氣或者水。水是最好的冷卻劑，因?yàn)樗谡舭l(fā)成蒸汽時(shí)可以吸收大量熱量，外加成份的量取決于所需要的冷卻程度，技術(shù)人員很容易確定。
操作步驟C是提純步驟。碳?xì)浠衔餁饬髦兄饕s質(zhì)之一通常是硫，該硫由自熱重整步驟A轉(zhuǎn)換成硫化氫。在操作步驟C中所用的處理芯部件最好包括氧化鋅和/或能夠吸收和轉(zhuǎn)換硫化氫的其它材料，可以包括載帶體(例如大塊物料、壓出型件、片材等)。按照以下的反應(yīng)式III轉(zhuǎn)換硫化氫，實(shí)現(xiàn)脫硫(III)還可除去其它的雜質(zhì)例如氯化物。較好在約300℃至約500℃，最好在375℃至約425℃之間進(jìn)行這種反應(yīng)。氧化鋅在約25℃至約700℃之間的大范圍溫度范圍內(nèi)是硫化氫的有效吸附劑，因此為適當(dāng)選擇操作溫度而優(yōu)化反應(yīng)步驟的順序，提供了很大的彈性。
然后將流出的氣流輸送到混合操作步驟D，在此操作步驟中，可選擇性將水加到氣流中。加入的水在蒸發(fā)時(shí)降低了反應(yīng)物氣流的溫度，并為操作步驟E(下面說(shuō)明)的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)輸送了更多的水。使水蒸汽和其它的氣流流出成份流過(guò)惰性材料例如陶瓷小球或者其它能夠有效混合和/或有助于水蒸發(fā)的處理芯部件，可以使水蒸汽和其它的流出氣流組份相混合?；蛘撸梢詫㈩~外的水隨同原料一起引入，然后再配置混合操作步驟，以便在下面說(shuō)明的一氧化碳氧化步驟G中更好地混合氧化劑氣體。
操作步驟E是水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)，該反應(yīng)使一氧化碳按照以下的反應(yīng)式轉(zhuǎn)換成二氧化碳(IV)這是一個(gè)重要的操作步驟，因?yàn)橐谎趸疾粌H對(duì)于人有很大的毒性，而且對(duì)于燃料電池也是有毒的。一氧化碳的含量最好降低到燃料電池能允許的水平，通常低于50ppm。水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)根據(jù)使用的催化劑一般在約150℃至600℃之間的溫度范圍發(fā)生。在這種條件下，在此操作步驟中，氣流中的絕大多數(shù)一氧化碳被轉(zhuǎn)換成二氧化碳。
低溫轉(zhuǎn)換催化劑的工作溫度在約150℃至約300℃的范圍內(nèi)，該催化劑包括例如氧化銅，或者載帶于其它過(guò)渡金屬氧化物例如氧化鋯的銅、載帶于過(guò)渡金屬氧化物或者難熔載帶體例如氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等的鋅、或者載帶于適當(dāng)載帶體例如氧化硅、氧化鋁、氧化鋯上的貴金屬例如鉑、錸、鈀、銠或者金。
高溫轉(zhuǎn)換催化劑最好工作在300℃至約600℃之間的范圍內(nèi)，該催化劑包括過(guò)渡金屬氧化物例如三氧化二鐵或者三氧化鉻，可以選擇性包括促進(jìn)劑，例如銅或者鐵的硅化物。作為高溫轉(zhuǎn)換催化劑還包括載帶的貴金屬例如載帶的鉑、鈀和/或其它的鉑族元素。
用來(lái)執(zhí)行這一步驟的處理芯部件包括例如上述高溫或者低溫轉(zhuǎn)換催化劑的填充床，或者高溫和低溫轉(zhuǎn)換催化劑的混合物填充床。水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)工藝應(yīng)當(dāng)操作在適合于水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)的溫度，根據(jù)使用的催化劑類型最好在約150℃至約400℃之間的溫度。冷卻部件例如冷卻盤管可以選擇性配置在轉(zhuǎn)換反應(yīng)器的處理芯部件內(nèi)，以便降低催化劑填充床中的反應(yīng)溫度。較低的溫度有利于一氧化碳轉(zhuǎn)換成二氧化碳。另外，可以在高溫和低溫轉(zhuǎn)換反應(yīng)之間進(jìn)行提純加工步驟C，方法是對(duì)高溫和低溫轉(zhuǎn)換形成單獨(dú)的步驟，而脫硫步驟位于高溫和低溫轉(zhuǎn)換步驟之間。
操作步驟F是在一個(gè)實(shí)施例中由熱交換器進(jìn)行的冷卻步驟。該熱交換器可以為任何合適的結(jié)構(gòu)，包括圓筒體和管、熱交換板、盤管等?；蛘呖梢岳脽峁芑蛘咂渌问降纳崞鳌峤粨Q器的主要作用是降低氣流的溫度，形成溫度最好在約90℃至約150℃的流出物。
在操作步驟F中加入氧氣。下面說(shuō)明的操作步驟G的反應(yīng)需要氧氣。該氧氣可以為空氣、富氧空氣，或者完全純氧。該熱交換器可以設(shè)計(jì)成使空氣與富氫氣體混合?；蛘呖梢杂貌僮鞑襟ED的實(shí)施例來(lái)進(jìn)行混合。
操作步驟G是氧化步驟，在該步驟中幾乎所有流出流體中的剩余一氧化碳均被轉(zhuǎn)換成二氧化碳。該工藝可以在存在氧化一氧化碳的催化劑條件下進(jìn)行，該催化劑可以為任何形式例如片狀、球狀或者大塊狀等。一氧化碳的氧化催化劑是眾所周知，通常包括貴金屬(例如鉑、鈀)和/或過(guò)渡金屬(例如鐵、鉻、錳)，和/或貴金屬或過(guò)渡金屬的化合物特別是氧化物。優(yōu)選的氧化催化劑是載帶于氧化鋁耐洗涂層上的鉑。該耐洗涂層可以涂在大塊料即壓出型材、片材或者其它載帶體上。也可以加入其它材料例如鈰或者鑭來(lái)改進(jìn)催化性。在文獻(xiàn)中已經(jīng)說(shuō)明很多其它的催化劑配方，一些專業(yè)人士聲稱用銠或者氧化鋁催化劑可以得到極好的催化性。在文獻(xiàn)中已經(jīng)說(shuō)明釕、鈀、金和其它材料，認(rèn)為對(duì)于這種應(yīng)用是有效的。
在操作步驟G中發(fā)生下面兩個(gè)反應(yīng)，即要求的一氧化碳氧化反應(yīng)(反應(yīng)式v)和不需要的氫的氧化反應(yīng)(反應(yīng)式VI)
(V)(VI)低溫有利于一氧化碳的優(yōu)先氧化。因?yàn)閮煞N反應(yīng)都產(chǎn)生熱量，所以最好選擇性包括冷卻部件，例如配置在工藝中的冷卻盤管。工藝的操作溫度最好保持在約90℃至約150℃之間，操作步驟G最好將一氧化碳濃度降低到小于50ppm，這一濃度是用在燃料電池上的適合濃度，但是技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，本發(fā)明適合于產(chǎn)生具有較高和較低一氧化碳濃度的富氫氣體。
流出處理裝置的流出物是富氫氣體，該富氫氣體包括二氧化碳和其它的成份例如水、惰性成份例如氮、氬氣、殘留的碳?xì)浠衔锏?，可以用產(chǎn)品氣體作燃料電池的原料，或者用在需要應(yīng)用富氫原料氣流的其它方面。該產(chǎn)品氣流可以選擇性進(jìn)行進(jìn)一步的處理，例如除去二氧化碳、水或者其它組份的處理。
圖2是本發(fā)明例示實(shí)施例的燃料處理裝置20的橫截面圖。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到和理解到，可以將燃料，或者燃料/氧氣混合物，或者燃料/氧氣/水的混合物F引入到熱交換器200的入口。預(yù)熱的燃料F’離開熱交換器200，進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)域202。在本例示實(shí)施例中的第一反應(yīng)區(qū)域202裝入自熱重整反應(yīng)催化劑?；蛘?，該區(qū)域可以填充蒸汽重整催化劑。這種催化劑可以是片狀、小球形或者壓出型材，或者載帶于大塊件上、網(wǎng)狀泡沫上，或者任何其它催化劑載帶材料上。在一些情況下，需要分布板(未示出)，以使燃料均勻分布在整個(gè)第一反應(yīng)區(qū)域上。還可以選擇性應(yīng)用電加熱的預(yù)熱器(未示出)來(lái)起動(dòng)燃料處理裝置。在燃料已經(jīng)在第一反應(yīng)區(qū)域中反應(yīng)，形成富氫氣體以后，由氣體壓力形成的自然流動(dòng)可使富氫氣體流入第二反應(yīng)區(qū)域204。在此例示實(shí)施例中，第二反應(yīng)區(qū)域填充脫硫催化劑，該催化劑最好為氧化鋅。富氫氣體流過(guò)脫硫催化劑例如氧化鋅將顯著減小富氫氣流中含硫化合物的濃度。隨后，脫硫的富氫氣體進(jìn)入第三反應(yīng)區(qū)域206。此例示實(shí)施例的第三反應(yīng)區(qū)域裝有上述的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)催化劑或者這種催化劑的混合物。富氫氣體流過(guò)該催化劑可以進(jìn)一步富集氫含量并減小一氧化碳濃度。在一些情況下，可以將空氣或者其它合適的氧氣源噴到第四反應(yīng)區(qū)，使得可以優(yōu)化優(yōu)先氧化反應(yīng)。采用眾所周知的裝置例如插入到部分反應(yīng)催化劑床中的簡(jiǎn)單氣體噴射管(未示出)可以達(dá)到這種注入。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在優(yōu)先氧化反應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)的裝置中主要包括多孔管，該多孔管設(shè)計(jì)成可以均勻分布注入的氧氣。在此圖示出的實(shí)施例中，該富氫氣體流過(guò)陶瓷小球208形成的區(qū)域，該區(qū)域可以使富氫氣體在進(jìn)入第四反應(yīng)區(qū)域210之前與空氣進(jìn)行充分混合。然后富氫氣體才流過(guò)包含優(yōu)先氧化催化劑的第四反應(yīng)區(qū)域210。如上所述，這種催化劑最好將一氧化碳濃度降低到小于50ppm。最后的產(chǎn)品是富氫氣體H。還應(yīng)當(dāng)注意到，在一個(gè)優(yōu)選例示性實(shí)施例中，可以在反應(yīng)區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域212中采用惰性的多孔柔性材料例如玻璃纖維、陶瓷纖維、礦石纖維或者其它類似的惰性材料。這種材料有助于在反應(yīng)器中充填各種催化劑，有助于防止在運(yùn)輸期間催化劑在無(wú)意中混合，并在各個(gè)不同反應(yīng)區(qū)域之間形成一個(gè)緩沖區(qū)域。在第二、第三和第四反應(yīng)區(qū)域中用冷卻盤管218、220、222控制反應(yīng)溫度，該盤管使冷卻劑例如水、空氣、碳?xì)浠衔镌匣蛘呷魏纹渌鋮s劑流過(guò)催化床。在此例示性實(shí)施例中，各個(gè)冷卻盤管的入口和出口端固定在集管224上，該集管裝在反應(yīng)缸226的頂蓋上，該頂蓋密封各個(gè)反應(yīng)區(qū)域。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，許多因素影響熱量傳輸過(guò)程，這些因素包括燃料的流速、裝在任何反應(yīng)區(qū)域中的盤管的數(shù)目、用來(lái)制造盤管的管子直徑、在盤管上存在與不存在葉片等等因素。然而，這種熱量傳輸方式可以通過(guò)常規(guī)計(jì)算和試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。在此實(shí)施例中，還將空氣A通過(guò)集管224中的固定噴管注入到陶瓷小球區(qū)域。富氫氣體H也從集管224流出。
圖2還示出加上另一熱交換器214和優(yōu)先氧化催化劑床216的選擇性實(shí)施例。熱交換器214的用途主要是冷卻富氫氣體H。冷卻的程度可以達(dá)到或者不能達(dá)到在氣體中形成冷凝水，以便在床216中進(jìn)一步氧化，這樣便能確保在富氫氣體H′中的一氧化碳濃度低于50ppm。該富氫氣體H或者H′最好用在燃料電池中，或者可以儲(chǔ)存起來(lái)，或者用在技術(shù)人員可以明顯看出的其它工藝中。本發(fā)明的另外優(yōu)選實(shí)施例包括陽(yáng)極尾氣氧化器，該氧化器氧化燃料電池(未示出)中的陽(yáng)極尾氣T，這種外加的氧化器是在熱交換器200中的預(yù)熱碳?xì)浠衔锶剂螰的有效熱源。
在閱讀圖2的上述說(shuō)明以后，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白和看出，各個(gè)反應(yīng)區(qū)域完成單獨(dú)的操作功能。反應(yīng)區(qū)域202是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟A的自熱重整反應(yīng)區(qū)域。為開始加熱，可以在反應(yīng)器的底部入口處安裝電熱器(未示出)。反應(yīng)區(qū)域204是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟C的提純反應(yīng)區(qū)域。反應(yīng)區(qū)域206是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟E的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)域。對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟F的冷卻步驟由冷卻盤管220執(zhí)行。反應(yīng)區(qū)域210是對(duì)應(yīng)圖1操作步驟G的氧化步驟，空氣源(未示出)構(gòu)成處理氣體的氧氣源，以便在氧化區(qū)域210的氧化反應(yīng)(反應(yīng)式v)。反應(yīng)區(qū)域210還包括配置在催化劑床內(nèi)的或者圍繞該催化劑床的冷卻盤管222，從而可以保持要求的氧化反應(yīng)溫度。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，在此實(shí)施例中說(shuō)明的處理裝置的結(jié)構(gòu)可以根據(jù)許多因素改變，這些因素包括(但不限于)原料的質(zhì)量和要求的產(chǎn)品質(zhì)量。
圖3是本發(fā)明另一例示實(shí)施例燃料處理裝置30的橫截面圖。普通技術(shù)人員可以看到和看出，可以將燃料，或者燃料/氧氣混合物，或者燃料/氧氣/水的混合物F引入到容器300的入口，該容器包括陽(yáng)極尾氣氧化器的催化劑床，該氧化器氧化燃料電池(未示出)來(lái)的陽(yáng)極尾氣T。該容器還包括有效預(yù)熱碳?xì)浠衔锶剂螰的熱交換器。已預(yù)熱的燃料F′離開容器300，進(jìn)入第一反應(yīng)區(qū)域302。在此例示實(shí)施例中的第一反應(yīng)區(qū)域302裝入自熱重整反應(yīng)催化劑。這種催化劑可以為片狀、球形或者壓出型件，或者可以載帶于大塊載帶體、網(wǎng)狀泡沫載帶體，或者任何其它催化劑載帶體上。在一些情況下，需要分布板(未示出)將燃料均勻分布在整個(gè)第一反應(yīng)區(qū)域中。另外，為了起動(dòng)燃料處理裝置，還可以選擇性應(yīng)用電加熱的預(yù)熱器(未示出)。在燃料于第一反應(yīng)區(qū)域中反應(yīng)，形成富氫氣體以后，氣體靠壓力的自然流動(dòng)，使得富氫氣體流入第二反應(yīng)區(qū)域304。在此例示性實(shí)施例中，第二反應(yīng)區(qū)域包含脫硫催化劑，該脫硫催化劑最好是氧化鋅。富氫氣體流過(guò)脫硫催化劑例如氧化鋅可以顯著減小在富氫氣流中含硫化合物的濃度。脫硫的富氫氣體然后進(jìn)入第三反應(yīng)區(qū)域306。此例示性實(shí)施例的第三反應(yīng)區(qū)域充填上述水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)催化劑或者這些催化劑的混合物。富氫氣體流過(guò)該催化劑可以進(jìn)一步富集氫濃度，并降低一氧化碳濃度。在一些情況下，現(xiàn)在可以將空氣或者其它適合的氧氣源注入到第四反應(yīng)區(qū)域，使得可以優(yōu)化優(yōu)先氧化反應(yīng)。采用眾所周知的裝置例如插入部分氧化催化劑床的簡(jiǎn)單氣體噴射管(未示出)可以進(jìn)行這種氧氣源注入。在一種優(yōu)選實(shí)施例中，在優(yōu)先氧化反應(yīng)區(qū)域涉及的裝置中主要包括多孔管，該多孔管設(shè)計(jì)成可以均勻分布注入的氧氣。在此圖所示的實(shí)施例中，富氫氣體流過(guò)陶瓷小球區(qū)域308，此區(qū)域可以使富氫氣體和空氣在進(jìn)入第四區(qū)域310之前進(jìn)行充分混合。該富氫氣體然后流入包含優(yōu)先氧化催化劑的第四反應(yīng)區(qū)域310。這種催化劑如上所述將使一氧化碳濃度減小到低于50ppm?；蛘呖梢圆捎酶郊拥奶沾尚∏騾^(qū)域和包含優(yōu)先氧化催化劑的第五反應(yīng)區(qū)域(未示出)，以確保一氧化碳濃度降低到最好小于50ppm。最后的產(chǎn)物是富氫氣體H。還應(yīng)當(dāng)注意到，在一個(gè)優(yōu)選的例示性實(shí)施例中，可以在反應(yīng)區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域312應(yīng)用惰性的多孔的柔性材料例如玻璃纖維、陶瓷纖維、礦石纖維或者其它的類似惰性材料。這種材料有助于反應(yīng)器充填各種催化劑，有助于防止在運(yùn)輸期間催化劑的無(wú)意混合，并在各個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)域之間形成一個(gè)緩沖區(qū)域。采用冷卻盤管318、320、322控制第二、第三和第四反應(yīng)區(qū)域中的反應(yīng)溫度，該盤管使冷卻劑例如水、空氣、碳?xì)浠衔镌匣蛘呷魏卫鋮s劑流過(guò)催化劑床。在此例示性實(shí)施例中，各個(gè)冷卻盤管的入口和出口固定在集管324上，該集管裝在反應(yīng)缸326的頂蓋上，該頂蓋密封各個(gè)反應(yīng)區(qū)域。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，許多因素影響熱傳輸過(guò)程，這些因素包括燃料的流速、裝在任何特定反應(yīng)區(qū)域的盤管數(shù)目、制造盤管管子的直徑、在盤管上存在或者不存在葉片等等。然而，這種熱傳輸方式可以通過(guò)常規(guī)計(jì)算和試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。在此實(shí)施例中，空氣A通過(guò)集管324中的固定噴射管注入到陶瓷小球區(qū)域。富氫氣體H也通過(guò)集管324送出。
在閱讀圖3的上述說(shuō)明后，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解和預(yù)見到，各個(gè)反應(yīng)區(qū)域執(zhí)行單獨(dú)的操作功能。反應(yīng)區(qū)域302是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟A的自熱重整反應(yīng)區(qū)域。為開始加熱，可以在反應(yīng)器的底部入口處安裝電熱器(未示出)。反應(yīng)區(qū)域304是對(duì)應(yīng)于圖1步驟C的提純反應(yīng)區(qū)域。反應(yīng)區(qū)域306是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟E的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)域。對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟F的冷卻步驟由冷卻盤管320執(zhí)行。反應(yīng)區(qū)域310是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟G的氧化步驟?？諝庠?未示出)提供氧氣源，以便處理氣體，便于氧化區(qū)域310的氧化反應(yīng)(反應(yīng)式v)。反應(yīng)區(qū)域310還包括配置在催化劑床內(nèi)或者圍繞該催化劑床的冷卻盤管322，使得可以保持要求的氧化反應(yīng)溫度。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，在此實(shí)施例的處理裝置結(jié)構(gòu)取決于許多因素而改變，這些因素包括(但不限于)原料質(zhì)量和要求的產(chǎn)品質(zhì)量。
圖4示出本發(fā)明再一例示性實(shí)施例燃料處理裝置40的橫截面圖。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到和預(yù)見到，可以將燃料，或者燃料/氧氣混合物，或者燃料/氧氣/水的混合物F引入到熱交換器400的入口。已預(yù)熱的燃料F′離開熱交換器400，流到第一反應(yīng)區(qū)域402。此例示性實(shí)施例的第一反應(yīng)區(qū)域402充填自熱重整催化劑或者蒸汽重整催化劑。這種催化劑可以為片狀、球狀或者壓出的型件，或者載帶于大塊載帶材料上、網(wǎng)狀泡沫載帶材料上，或者任何其它的催化劑載帶材料上。在一些情況下，需要用分布板(未示出)來(lái)使燃料均勻分布在整個(gè)第一區(qū)域中。為了起動(dòng)燃料處理裝置，還可以選擇性應(yīng)用電加熱預(yù)熱器(未示出)。在第一區(qū)域中燃料已經(jīng)反應(yīng)，形成富氫氣體以后，該氣體可以靠壓力自然流動(dòng)，使得富氫氣體流入第二反應(yīng)區(qū)域404。在此例示性的實(shí)施例中，第二反應(yīng)區(qū)域包括脫硫催化劑，該脫硫催化劑最好是氧化鋅。富氫氣體流過(guò)脫硫催化劑例如氧化鋅可以顯著減低富氫氣流中含硫化合物的濃度。脫硫的富氫氣體然后進(jìn)入第三反應(yīng)區(qū)域406。此例示性實(shí)施例的第三反應(yīng)區(qū)域包括上述水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)催化劑或者這些催化劑的混合物。富氫氣體流過(guò)這種催化劑可以進(jìn)一步富集氫濃度，并降低一氧化碳濃度。在有些情況下，將空氣或者其它的合適的氧氣源注入到第四反應(yīng)區(qū)域，以便優(yōu)化優(yōu)先氧化反應(yīng)。采用眾所周知的裝置例如插入到部分氧化催化劑床中的簡(jiǎn)單氣體注入管(未示出)便可以達(dá)到這種注入。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，在優(yōu)先氧化反應(yīng)區(qū)域設(shè)計(jì)的裝置中主要包括多孔管，該多孔管設(shè)計(jì)成可以均勻分布注入的氧氣。在此圖示出的實(shí)施例中，富氫氣體流過(guò)陶瓷小球區(qū)域408，該陶瓷小球可以使富氫氣體和空氣在進(jìn)入第四反應(yīng)區(qū)域410之前進(jìn)行充分混合。富氫氣體然后流入包含優(yōu)先氧化催化劑的第四反應(yīng)區(qū)域410。這種催化劑如上所述將使一氧化碳濃度降低到最好小于50ppm。最后的產(chǎn)物是富氫氣體H。應(yīng)當(dāng)注意到，在一個(gè)優(yōu)選的例示性實(shí)施例中，可以在反應(yīng)區(qū)域的過(guò)渡區(qū)域412中采用惰性的多孔的柔性材料例如玻璃纖維、陶瓷纖維、礦石纖維或者其它類似的惰性材料。這種材料有助于在反應(yīng)器中填充各種催化劑，有助于防止在運(yùn)輸期間催化劑的無(wú)意混合，并在各個(gè)不同的反應(yīng)區(qū)域之間形成一層緩沖區(qū)?？梢酝ㄟ^(guò)直接將水噴入到催化劑床來(lái)控制第二、第三、第四反應(yīng)區(qū)域中的反應(yīng)溫度。在此例示性實(shí)施例中，各個(gè)噴射管的進(jìn)入噴管固定在集管424上，該集管裝在反應(yīng)缸426的頂蓋上，該頂蓋密封各個(gè)反應(yīng)區(qū)域。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，各種因素影響反應(yīng)溫度的控制，這些因素包括噴管的尺寸、燃料的流速和在各個(gè)催化劑床中的噴管的數(shù)量和位置。然而，這種熱傳輸方式可以通過(guò)常規(guī)計(jì)算和試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化。在此實(shí)施例中，還通過(guò)固定在集管424上的噴管將空氣A噴入陶瓷小球區(qū)域。富氫氣體H也通過(guò)集管424送出。
圖4還示出加上另一個(gè)熱交換器414和優(yōu)先氧化催化劑床416的選擇性實(shí)施例。熱交換器414的用途主要是冷卻富氫氣體H，由此使水W從氣體中冷凝出來(lái)，以便在床416中進(jìn)行進(jìn)一步氧化，這樣便可以確保富氫氣體H′中的一氧化碳濃度低于50ppm。該富氫氣體H或者H′最好用在燃料電池中，或者儲(chǔ)存起來(lái)，或者用在技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明顯看出的其它工藝上。本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施例是陽(yáng)極尾氣氧化器，該氧化器氧化燃料電池(未示出)中的陽(yáng)極尾氣T。這種附加裝置是在熱交換器400中預(yù)熱碳?xì)浠衔颋的有效熱源。
在閱讀圖4的上述說(shuō)明后，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解和預(yù)見到，各個(gè)反應(yīng)區(qū)域執(zhí)行單獨(dú)的操作功能。反應(yīng)區(qū)域402是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟A的自熱重整反應(yīng)區(qū)域。為開始加熱，可以在反應(yīng)器的底部入口處安裝電熱器(未示出)。反應(yīng)區(qū)域404是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟C的提純反應(yīng)區(qū)域。反應(yīng)區(qū)域406是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟E的水煤氣轉(zhuǎn)換反應(yīng)區(qū)域。對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟F的冷卻步驟通過(guò)將水直接噴入到反應(yīng)區(qū)域406而實(shí)現(xiàn)。反應(yīng)區(qū)域410是對(duì)應(yīng)于圖1操作步驟G的氧化步驟?？諝庠?未示出)向處理氣體提供氧氣源，以便進(jìn)行反應(yīng)區(qū)域410的氧化反應(yīng)(反應(yīng)式v)。反應(yīng)區(qū)域410還包括直接噴入水，以保持要求的氧化反應(yīng)溫度。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看出，此實(shí)施例中的處理裝置結(jié)構(gòu)取決于若干因素而變化，這些因素包括(但不限于)原料質(zhì)量和要求的產(chǎn)物質(zhì)量。
通過(guò)上述的說(shuō)明，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解和看出，本發(fā)明包括依賴設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的許多可能例示性實(shí)施例。一個(gè)這種例示性實(shí)施例包括用于將碳?xì)浠衔镌限D(zhuǎn)換成富氫氣體的緊湊燃料處理裝置，在此實(shí)施例中，燃料處理裝置組件包括具有輸入端和集管端的反應(yīng)缸、可取下的集管以及許多位于反應(yīng)缸內(nèi)的預(yù)定反應(yīng)區(qū)域，其中各個(gè)反應(yīng)區(qū)域的特征在于在該反應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。該燃料處理裝置還包括至少一個(gè)冷卻盤管，該盤管具有入口端和連接于集管端板的出口端，其中該至少一個(gè)冷卻盤管中的各個(gè)管配置在內(nèi)部，使其可以除去特定反應(yīng)區(qū)域中的熱量，或者還包括噴入水，以控制特定反應(yīng)區(qū)域中的溫度。在這種例示性實(shí)施例中，許多催化劑包括自熱重整催化劑或者蒸汽重整催化劑、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和類似催化劑的混合物或者說(shuō)聯(lián)合物。在例示性燃料處理器中用的碳?xì)浠衔镌献詈檬蛊湓谶M(jìn)入反應(yīng)缸之前通過(guò)預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱，或者通過(guò)裝在自熱重整反應(yīng)區(qū)域上游工作位置的燃料預(yù)熱器進(jìn)行預(yù)熱?？梢詰?yīng)用各種碳?xì)浠衔锶剂稀Ｈ欢谝粋€(gè)例示性實(shí)施例中，該碳?xì)浠衔镞x自天然氣、汽油、柴油、粗石油、甲烷、液化石油、甲醇、乙醇或者其它類似的適當(dāng)碳?xì)浠衔镆约斑@些化合物的混合物。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該反應(yīng)缸最好垂直取向，汽缸的集管端位于頂部，而反應(yīng)物的氣流一般從入口端向上流到集管端?，F(xiàn)在的例示性實(shí)施例包括充填自熱重整催化劑的第一反應(yīng)區(qū)域、充填脫硫催化劑的第二區(qū)域、充填水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑的第三區(qū)域以及充填優(yōu)先氧化催化劑的第四區(qū)域。最好是，第一反應(yīng)區(qū)域位于反應(yīng)缸的輸入端，第二反應(yīng)區(qū)域鄰接第一反應(yīng)區(qū)域，第三反應(yīng)區(qū)域鄰接第二反應(yīng)區(qū)域，而第四反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的集管端上。還可以在第三反應(yīng)區(qū)域和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置陶瓷小球區(qū)域，以使富氫氣體和空氣均勻混合，該空氣通過(guò)集管中的固定噴管噴入到陶瓷小球區(qū)域。利用眾所周知的裝置例如簡(jiǎn)單的噴氣管或者多孔管可以實(shí)現(xiàn)這種空氣的噴入。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，許多反應(yīng)區(qū)域中的各個(gè)反應(yīng)區(qū)域可以包括一種和多種催化劑。在一個(gè)這種例示性實(shí)施例中，該催化劑選自自熱重整催化劑、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和類似催化劑的混合物和聯(lián)合物。包含一種以上催化劑的任何特定反應(yīng)區(qū)域可以用透氣板與相鄰反應(yīng)區(qū)域分開，該透氣板也支承相鄰反應(yīng)區(qū)域。在此例示性實(shí)施例中，該透氣板至少部分由鎳鉻鐵合金、碳鋼、不銹鋼、hatelloy，或者其它的耐高溫高壓的材料以及復(fù)合材料構(gòu)成。在本發(fā)明的優(yōu)選方面中，該緊湊的燃料處理裝置還包括第二反應(yīng)缸，該第二反應(yīng)缸具有用于氧化燃料電池中陽(yáng)極尾氣而產(chǎn)生廢氣的陽(yáng)極尾氣氧化催化劑床。該第二反應(yīng)缸具有熱交換器，這種熱交換器可以在碳?xì)浠衔锶剂献⑷氲降谝环磻?yīng)缸之前加熱該碳?xì)浠衔锶剂?，這種預(yù)熱交換器配置在陽(yáng)極尾氣氧化催化劑床中。應(yīng)當(dāng)預(yù)見到，本實(shí)施例還包括第五反應(yīng)區(qū)，該第五反應(yīng)區(qū)包括另外的優(yōu)先氧化劑床。在這種實(shí)施例中，可以在第四反應(yīng)區(qū)域和第五反應(yīng)區(qū)域之間配置陶瓷小球的第二區(qū)域，包括如上所述的空氣噴射噴管，以便確保充分的混合。
另一個(gè)這樣的例示性實(shí)施例包括用于將碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣體的緊湊燃料處理裝置，在這種實(shí)施例中，燃料處理裝置組件包括具有輸入端和集管端的反應(yīng)缸、可取下的集管以及許多在反應(yīng)缸內(nèi)的預(yù)定反應(yīng)區(qū)域，其中各個(gè)反應(yīng)區(qū)域的特征在于在該反應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)直接噴水來(lái)控制各個(gè)反應(yīng)區(qū)域中的溫度，而不用冷卻盤管或者其它的熱交換器。在一個(gè)例示性實(shí)施例中，該反應(yīng)缸最好基本上垂直取向，反應(yīng)缸的集管端位于頂部，而反應(yīng)物的氣流一般從進(jìn)料端向上流到集管端。此例示性實(shí)施例包括裝有自熱重整催化劑的第一區(qū)域、裝有脫硫催化劑的第二區(qū)域、裝有水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑的第三區(qū)域以及裝有優(yōu)先氧化催化劑的第四區(qū)域。最好是，第一反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的進(jìn)料端，第二反應(yīng)區(qū)域鄰接第一反應(yīng)區(qū)域，第三反應(yīng)區(qū)域鄰接第二反應(yīng)區(qū)域，而第四反應(yīng)區(qū)域位于反應(yīng)缸的集管端上。還可以在第三反應(yīng)區(qū)域和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置陶瓷小球區(qū)域，以便使富氫氣體和空氣充分混合，該空氣通過(guò)在集管中的固定噴管注入到陶瓷小球區(qū)域?？梢圆捎帽娝苤难b置例如簡(jiǎn)單的氣體噴射管或者多孔管實(shí)現(xiàn)這種空氣噴入。技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)看到，許多反應(yīng)區(qū)域中的各個(gè)反應(yīng)區(qū)域可以包括一種和多種催化劑。在一種這樣的例示性實(shí)施例中，該催化劑選自自熱重整催化劑或者蒸汽重整催化劑、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和類似催化劑的混合物和聯(lián)合物。包含一個(gè)以上催化劑的任何特定反應(yīng)區(qū)域可以用通氣板與相鄰區(qū)域分開，該通氣板也可以支承相鄰的反應(yīng)區(qū)域。在一個(gè)例示性實(shí)施例中，該空氣板選自多孔金屬板、金屬柵板、金屬網(wǎng)板、燒結(jié)金屬板、多孔陶瓷板，或者這種材料和類似材料的混合材料板。在這種例示性的實(shí)施例中，該通氣板最好至少部分由鎳鉻鈦合金、碳鋼、不銹鋼、hastelloy，或者其它耐高溫高壓的材料以及復(fù)合材料構(gòu)成。
盡管已利用優(yōu)選或者例示性的實(shí)施例說(shuō)明本發(fā)明的裝置、組成和方法，但是技術(shù)人員可以明顯看出，本文所述的工藝可以改變而不超出本發(fā)明的原理和范圍。技術(shù)人員可以明顯看出的所有這些替代裝置和變型可認(rèn)為是在以下權(quán)利要求書陳述的本發(fā)明的范圍和原理內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種緊湊的燃料處理裝置，用于將輸入的碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣體，該處理裝置包括反應(yīng)缸，具有輸入端和集管端，其中反應(yīng)缸具有可取下的集管；在反應(yīng)缸中的許多預(yù)定反應(yīng)區(qū)域，其中各個(gè)反應(yīng)區(qū)域特征在于化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在各個(gè)反應(yīng)區(qū)域；至少一個(gè)冷卻盤管，具有連接于集管端的入口端和出口端，其中每一所述至少一個(gè)冷卻盤管配置在內(nèi)部，從而可以移除特定反應(yīng)區(qū)域中的熱量。
2.如權(quán)利要求1所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，反應(yīng)缸基本上垂直取向，反應(yīng)缸的集管端位于頂部。
3.如權(quán)利要求1所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，第一反應(yīng)區(qū)域包括自熱重整催化劑或者蒸汽重整催化劑，第二反應(yīng)區(qū)域包含脫硫催化劑，第三反應(yīng)區(qū)域包含水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑，而第四反應(yīng)區(qū)域包含優(yōu)先氧化催化劑。
4.如權(quán)利要求3所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該第一反應(yīng)區(qū)域鄰接反應(yīng)缸的輸入端，該第二反應(yīng)區(qū)域鄰接第一反應(yīng)區(qū)域，該第三反應(yīng)區(qū)域鄰接第二反應(yīng)區(qū)域，而第四反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的集管端上。
5.如權(quán)利要求4所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，在第三反應(yīng)區(qū)域和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置一層陶瓷小球。
6.如權(quán)利要求5所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，還包括將空氣噴入到該陶瓷小球區(qū)域的空氣噴射裝置，該空氣噴射裝置連接集管。
7.如權(quán)利要求4所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，包含一種以上催化劑的反應(yīng)區(qū)域通過(guò)透氣板與相鄰反應(yīng)區(qū)域分開。
8.如權(quán)利要求7所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該透氣板是多孔金屬板、金屬柵板、金屬網(wǎng)板、燒結(jié)金屬板，或者多孔陶瓷板。
9.如權(quán)利要求8所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該透氣板的材料選自一組材料，該組材料包括鎳鉻鐵合金、碳鋼、不銹鋼、hastelloy和耐高溫高壓的其它材料以及復(fù)合材料。
10.如權(quán)利要求1所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，還包括第二反應(yīng)缸，該第二反應(yīng)缸包括陽(yáng)極尾氣氧化催化劑床，用于氧化燃料電池中的陽(yáng)極尾氣，產(chǎn)生廢氣。
11.如權(quán)利要求10所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該第二反應(yīng)缸還包括預(yù)熱交換器，用于在碳?xì)浠衔锶剂线M(jìn)入第一反應(yīng)缸之前加熱該碳?xì)浠衔锶剂稀?br> 12.如權(quán)利要求11所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該預(yù)熱熱交換器配置在陽(yáng)極尾氣氧化催化劑床中。
13.如權(quán)利要求3所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，第五反應(yīng)區(qū)域包括優(yōu)先氧化催化劑。
14.如權(quán)利要求13所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，第一反應(yīng)區(qū)域靠近反應(yīng)缸的輸入端配置，第二反應(yīng)區(qū)域鄰接第一反應(yīng)區(qū)域，第三反應(yīng)區(qū)域鄰接第二反應(yīng)區(qū)域，第四反應(yīng)區(qū)域鄰接第三反應(yīng)區(qū)域，而第五反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的集管端上。
15.如權(quán)利要求14所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，還包括在第三反應(yīng)區(qū)域和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置的第一陶瓷小球?qū)右约霸诘谒姆磻?yīng)區(qū)域和第五反應(yīng)區(qū)域之間配置的第二陶瓷小球?qū)印?br> 16.如權(quán)利要求15所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，還包括將空氣噴入各個(gè)陶瓷小球?qū)拥目諝鈬娚溲b置，該空氣噴射裝置連接于集管。
17.一種緊湊燃料處理裝置，用于將輸入的碳?xì)浠衔锶剂限D(zhuǎn)換成富氫氣體，該處理裝置包括反應(yīng)缸，具有輸入端和集管端板，其中該反應(yīng)缸具有可取下的集管；在反應(yīng)缸內(nèi)的許多預(yù)定反應(yīng)區(qū)域，各個(gè)反應(yīng)區(qū)域的特征在于在反應(yīng)區(qū)域內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；至少一個(gè)噴射裝置，用于將水噴入到特定的反應(yīng)區(qū)域，其中各個(gè)噴射裝置連接于集管。
18.如權(quán)利要求17所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該反應(yīng)缸基本上垂直取向，該反應(yīng)缸的集管端位于頂部。
19.如權(quán)利要求17所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，第一反應(yīng)區(qū)域包括自熱重整催化劑或者蒸汽重整催化劑，第二反應(yīng)區(qū)域包括脫硫催化劑，第三反應(yīng)區(qū)域包括水煤氣轉(zhuǎn)換催化劑，而第四反應(yīng)區(qū)域包括優(yōu)先氧化催化劑。
20.如權(quán)利要求19所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，第一反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的輸入端，第二反應(yīng)區(qū)域鄰接第一反應(yīng)區(qū)域，第三反應(yīng)區(qū)域鄰接第二反應(yīng)區(qū)域，而第四反應(yīng)區(qū)域配置在反應(yīng)缸的集管端上。
21.如權(quán)利要求20所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，在第三反應(yīng)區(qū)域和第四反應(yīng)區(qū)域之間配置一層陶瓷小球。
22.如權(quán)利要求21所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，還包括用于將空氣噴入該陶瓷小球?qū)拥目諝鈬娚溲b置，該空氣噴射裝置連接于集管。
23.如權(quán)利要求19所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，反應(yīng)區(qū)域通過(guò)透氣板與相鄰反應(yīng)區(qū)域分開。
24.如權(quán)利要求23所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該透氣板是多孔金屬板、金屬柵板、金屬網(wǎng)板、燒結(jié)金屬板或者多孔陶瓷板。
25.如權(quán)利要求24所述的緊湊燃料處理裝置，其特征在于，該透氣板由從一組材料中選出的材料構(gòu)成，該組材料包括鎳鉻鐵合金、碳鋼、不銹鋼、hastelloy和耐高溫高壓的其它材料以及復(fù)合材料。
全文摘要
一種裝置(20)，以多步工藝將碳?xì)浠衔锶剂?F)轉(zhuǎn)換成基本上純凈的氫氣原料(H)，該裝置包括許多反應(yīng)區(qū)域(202、204、206、208、210)，這些反應(yīng)區(qū)域配置在一個(gè)共用的反應(yīng)室(212)內(nèi)。該多步工藝包括將燃料(F)輸入到燃料處理裝置(226)，使得燃料(F)發(fā)生反應(yīng)，形成富氫氣體(H)，中間氣體產(chǎn)物通過(guò)配置在反應(yīng)器內(nèi)的各個(gè)反應(yīng)區(qū)域，產(chǎn)生富氫氣體(H)。
文檔編號(hào)B01J8/00GK1503692SQ02808645
公開日2004年6月9日 申請(qǐng)日期2002年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2001年4月26日
發(fā)明者柯蒂斯·L·克勞斯, 詹妮弗·L·潘, 維賈伊·A·德什潘德, 保羅·馬丁, A 德什潘德, L 潘, 柯蒂斯 L 克勞斯, 馬丁 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司