專(zhuān)利名稱(chēng)：用于制備富氫氣體的緊湊型燃料處理器的制作方法
背景技術(shù)：
燃料電池通過(guò)化學(xué)氧化還原反應(yīng)供電，并且從清潔和效率角度來(lái)講比其它發(fā)電形式擁有明顯的優(yōu)點(diǎn)。通常，燃料電池應(yīng)用氫作燃料且用氧作氧化劑。發(fā)電量與反應(yīng)物的消耗速率成正比。
阻止燃料電池更廣泛應(yīng)用的明顯缺點(diǎn)是缺乏廣泛分布的氫基本設(shè)施。氫具有相對(duì)低的體積能量密度，并且比目前在大多數(shù)發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的烴燃料更難貯存和輸送。克服這種困難的一種方法是應(yīng)用重整器將烴轉(zhuǎn)化為富氫氣流，而后者可以用作燃料電池的原料。
烴基燃料如天然氣、LPG、汽油以及柴油，均需要轉(zhuǎn)化過(guò)程以用作大多數(shù)燃料電池的燃料源。現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用了組合初始轉(zhuǎn)化過(guò)程及幾個(gè)純化過(guò)程的多步方法。初始過(guò)程是最常用的蒸汽重整(SR)、自熱重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。純化過(guò)程通常包括脫硫、高溫水-氣變換、低溫水-氣變換、選擇性CO氧化、或選擇性CO甲烷化的組合。其它過(guò)程包括氫的選擇性膜反應(yīng)器和過(guò)濾器。
盡管已經(jīng)有上述工作，但仍需要一種簡(jiǎn)單的裝置將烴燃料轉(zhuǎn)化為用于燃料電池的富氫氣流。
發(fā)明概述本發(fā)明主要涉及將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置和方法。在本發(fā)明的一個(gè)描述性實(shí)施方案中，將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件。每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道。所述裝置進(jìn)一步包括包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，從而使通過(guò)所述處理核心的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面是所述組件為圓筒狀。在一個(gè)描述性和優(yōu)選的實(shí)施方案中，每個(gè)組件在所述殼的第一端或第二端上包括環(huán)狀凸緣，并且在所述殼的另一端包括環(huán)狀凹陷部分。這種設(shè)計(jì)可以使一個(gè)組件的環(huán)狀凸緣可以嵌入相鄰組件的環(huán)狀凹陷內(nèi)。
根據(jù)組件內(nèi)發(fā)生的反應(yīng)，每個(gè)組件可以包括設(shè)置在所述殼和相應(yīng)處理核心之間的環(huán)狀隔熱材料層。按照一種類(lèi)似的方式，所述組件可以包括一個(gè)多孔支撐元件，例如篩、網(wǎng)、多孔板或多孔燒結(jié)板。包括這種多孔支撐元件可以支撐和裝載組件的內(nèi)容物，具體為顆粒狀催化劑材料。
正如上文所述以及這里所描述的，本發(fā)明的裝置用來(lái)進(jìn)行一系列反應(yīng)，將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體。在這種裝置的一個(gè)描述性實(shí)施方案中，第一組件優(yōu)選具有處理核心，在所述處理核心中包含有部分氧化催化劑或另外的蒸汽重整催化劑或另外的自熱重整催化劑或另外的這些催化劑的組合物和/或混合物。優(yōu)選設(shè)計(jì)與第一組件相鄰設(shè)置的第二組件，使第二組件的處理核心包括一個(gè)第一換熱器。這種換熱器可以是翅片式換熱器、管式換熱器、熱管、或能夠換熱的類(lèi)似裝置。
在多個(gè)組件內(nèi)部，第三組件優(yōu)選與第二組件相鄰設(shè)置，第三組件的處理核心包括脫硫劑?？梢詰?yīng)用多種脫硫劑，但優(yōu)選的脫硫劑包括氧化鋅。與第三組件相鄰設(shè)置并與第三組件流體連通的第四組件包括一個(gè)裝有水氣變化催化劑的處理核心。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員應(yīng)該理解并意識(shí)到水氣變化催化劑可以是低溫水氣變化催化劑，其包括選自銅、氧化銅、鋅、鉑、錸、鈀、銠和金的催化劑材料以及這些及類(lèi)似材料的組合物和混合物。另外，水氣變化催化劑可以是高溫水氣變化催化劑，其包括選自氧化鐵、氧化鉻、銅、硅化鐵、鉑、鈀和其它鉑族元素的催化劑材料，以及這些及類(lèi)似材料的組合物和混合物。
所述裝置進(jìn)一步設(shè)計(jì)為在多個(gè)組件內(nèi)包括與第四組件相鄰設(shè)置并與第四組件流體連通的第五組件。第五組件的處理核心包括一個(gè)第二換熱器。這種換熱器可以包括翅片式換熱器、管式換熱器、熱管、或能夠換熱的類(lèi)似裝置。
多個(gè)組件進(jìn)一步包括與第五組件相鄰設(shè)置并與第五組件流體連通的第六組件。第六組件的處理核心包括一氧化碳氧化催化劑，其優(yōu)選包括選自鉑、鈀、鐵、鉻、錳、鐵氧化物、鉻氧化物、錳物氧化、釕、金、鈰、鑭的材料，以及這些及類(lèi)似化合物的組合物和混合物。
本發(fā)明還包括一種將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法。一個(gè)這種描述性方法應(yīng)用這里所公開(kāi)的裝置。這種方法通常包括提供具有多個(gè)沿共軸首尾相連堆放的組件的燃料處理器，并且加入烴燃料，使之沿管狀反應(yīng)器的軸向方向連續(xù)通過(guò)上述組件中的每一個(gè)，從而產(chǎn)生富氫氣體。
附圖的簡(jiǎn)要描述參照附圖進(jìn)行描述，其中

圖1描述了本發(fā)明的一個(gè)描述性實(shí)施方案的流程簡(jiǎn)圖。
圖2描述了本發(fā)明的緊湊型燃料處理器裝置的一個(gè)描述性實(shí)施方案。
圖3是在緊湊型燃料處理器裝置中所采用的組件的部分切去的剖視圖。
描述性實(shí)施方案的說(shuō)明本發(fā)明主要涉及將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置。在一個(gè)優(yōu)選方面，這里所描述的裝置和方法涉及一種緊湊型處理器，用于由烴燃料產(chǎn)生用于燃料電池的富氫氣體。但對(duì)于這里所描述的裝置和方法來(lái)說(shuō)，預(yù)期還存在其它可能的用途，包括其中需要富氫物流的任何一種用途。相應(yīng)地，盡管在這里本發(fā)明是針對(duì)用于燃料電池而進(jìn)行描述的，但是本發(fā)明的范圍并不局限于這種用途。
本發(fā)明的每一個(gè)描述性實(shí)施方案均描述燃料處理器或應(yīng)用這種燃料處理器的方法，其中烴燃料進(jìn)料被引導(dǎo)通過(guò)燃料處理器。在環(huán)境溫度下烴燃料可以是液體或氣體，只要它能夠被蒸發(fā)即可。在這里所使用的術(shù)語(yǔ)“烴”包括含有C-H鍵的有機(jī)化合物，所述化合物能夠通過(guò)部分氧化或蒸汽重整反應(yīng)產(chǎn)生氫。并不排除在化合物的分子結(jié)構(gòu)中存在有不同于碳和氫的其它原子。這樣，適用于這里所公開(kāi)的方法和裝置的燃料包括烴燃料如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石腦油、汽油和柴油燃料、以及醇類(lèi)如甲醇、乙醇、丙醇等，但不局限于此。
燃料處理器的進(jìn)料包括烴燃料、氧和水。氧可以為空氣、富集空氣或基本純氧的形式。水可以以液體或蒸汽引入。進(jìn)料組分的組成百分比由所希望的操作條件來(lái)確定，這將在下文中討論。
本發(fā)明的燃料處理器流出物流包括氫和二氧化碳，也可以包括一些水、未轉(zhuǎn)化的烴、一氧化碳、雜質(zhì)(例如硫化氫和氨)、以及惰性組分(例如氮和氬，特別當(dāng)空氣作為進(jìn)料物流的組分時(shí))。
圖1的基本流程圖描述了本發(fā)明的描述性實(shí)施方案中所包括的處理步驟。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到通過(guò)這里所公開(kāi)的反應(yīng)器的反應(yīng)物的流量需要一定量的累積量級(jí)。
步驟A是一種自熱的重整過(guò)程，其中兩種反應(yīng)，即部分氧化(下面通式I)和任選的蒸汽重整(下面通式II)組合進(jìn)行，將進(jìn)料物流F轉(zhuǎn)化為含有氫和一氧化碳的合成氣。通式I和II是例舉性反應(yīng)通式，其中甲烷被認(rèn)為是烴(I)(II)部分氧化反應(yīng)發(fā)生得非?？?，從而完全轉(zhuǎn)化所加入的氧并生成熱。蒸汽重整反應(yīng)發(fā)生得慢一些并消耗熱。在進(jìn)料物流中氧濃度較高有利于部分氧化反應(yīng)，而水蒸汽濃度較高有利于蒸汽重整反應(yīng)。因此，氧對(duì)烴的比率和水對(duì)烴的比率成為一個(gè)特征參數(shù)。這些比率影響操作溫度和氫的收率。
根據(jù)進(jìn)料條件和催化劑，自熱重整步驟的操作溫度范圍可以為約550℃至約900℃。本發(fā)明應(yīng)用包含或不包含蒸汽重整催化劑的部分氧化催化劑的催化劑床層。所述催化劑可以為任何形式，包括丸、球、擠出物、整料等。對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，部分氧化催化劑應(yīng)該是公知的，并且經(jīng)常包括在整料、擠出物、丸或其它載體上的氧化鋁修補(bǔ)基面涂層(washcoat)上的貴金屬如鉑、鈀、銠和/或釕。非貴金屬如鎳或鈷也被應(yīng)用。其它修補(bǔ)基面涂層如二氧化鈦、氧化鋯、二氧化硅和氧化鎂已經(jīng)在文獻(xiàn)中引述。在文獻(xiàn)中許多附加材料如鑭、鈰和鉀作為“助催化劑”被引述，其能改善部分氧化催化劑的性能。
對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，蒸汽重整催化劑應(yīng)該是已知的，并且可以包括鎳及一定量鈷或貴金屬如鉑、鈀、銠、釕和/或銥。催化劑可以載帶在氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁酸鎂上，這些載體單獨(dú)或組合應(yīng)用。另外，蒸汽重整催化劑可以包括鎳，優(yōu)選載帶在氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁酸鎂上，并利用堿金屬如鉀進(jìn)行促進(jìn)，其中這些載體單獨(dú)或組合應(yīng)用。
過(guò)程步驟B是冷卻步驟，用于將來(lái)自過(guò)程步驟A的合成氣流冷卻到溫度為約200℃至約600℃，優(yōu)選為約300℃至約500℃，并且更優(yōu)選為約375℃至約425℃，從而優(yōu)化下一步的合成氣流出物流的溫度。這一冷卻可以依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范和回收/循環(huán)氣流熱量的需要通過(guò)受熱器、熱管或換熱器來(lái)實(shí)現(xiàn)。步驟B的一個(gè)描述性實(shí)施方案是應(yīng)用換熱器，該換熱器應(yīng)用進(jìn)料物流F作為循環(huán)通過(guò)換熱器的冷卻劑。該換熱器可以應(yīng)用領(lǐng)域熟練技術(shù)人員已知的任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，包括管殼式、板式、盤(pán)管式等。另外或附加的是，冷卻步驟B可以伴隨著注入附加的進(jìn)料組分如燃料、空氣或水。水是優(yōu)選的，因?yàn)楫?dāng)其蒸發(fā)為蒸汽時(shí)能夠吸收大量的熱。所加組分的量取決于所希望的冷卻程度，并且可以由本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員確定。
過(guò)程步驟C是純化步驟。烴物流的一種主要雜質(zhì)是硫，其通過(guò)自熱重整步驟A轉(zhuǎn)化為硫化氫。用于過(guò)程步驟C的處理核心優(yōu)選包括能夠吸收和轉(zhuǎn)化硫化氫的氧化鋅和/或其它材料，并且可以包括載體(例如整料、擠出物、丸等)。脫硫是按照下列反應(yīng)通式III將硫化氫轉(zhuǎn)化成水完成的(III)其它雜質(zhì)如氯化物也可以被脫除。所述反應(yīng)優(yōu)選在溫度為約300℃至約500℃下進(jìn)行，更優(yōu)選為約375℃至約425℃。氧化鋅在約25℃至約700℃的很寬溫度范圍內(nèi)均是有效的硫化氫吸收劑，并且通過(guò)適當(dāng)選擇操作溫度對(duì)于優(yōu)化過(guò)程步驟的順序來(lái)說(shuō)具有很大的靈活性。
然后可以將流出物流送入混合步驟D，其中任選向該氣流中加入水。水的加入使得當(dāng)其蒸發(fā)時(shí)降低了反應(yīng)物流的溫度，并且為過(guò)程步驟E(在下文討論)的水氣變換反應(yīng)提供更多的水。水蒸汽和其它流出物流組分通過(guò)流過(guò)惰性材料如陶瓷球或其它類(lèi)似材料的處理核心進(jìn)行混合，這些惰性材料有效混合和/或有助于水的蒸發(fā)。另外，任何附加的水都可以與進(jìn)料一起引入，并且可以重新安排混合步驟，從而為下面公開(kāi)的CO氧化步驟G提供更好的氧化氣體混合。
過(guò)程步驟E為水氣變換反應(yīng)，其按照通式IV將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳(IV)這是一個(gè)重要的步驟，因?yàn)橐谎趸汲藢?duì)人具有高毒性外，對(duì)燃料電池也是一種毒物。一氧化碳的濃度應(yīng)該優(yōu)選降低到能夠被燃料電池忍受的水平，通常低于50ppm。根據(jù)所應(yīng)用的催化劑，通常水氣變換反應(yīng)可以在溫度為150℃-600℃時(shí)發(fā)生。在這種條件下，氣流中的大部分一氧化碳在這一步中轉(zhuǎn)化。
低溫變換催化劑在溫度為約150℃至約300℃時(shí)操作，并且包括例如銅氧化物、或載帶在其它過(guò)渡金屬氧化物如氧化鋯上的銅、載帶在過(guò)渡金屬氧化物或耐火載體如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等上的鋅、或在適當(dāng)載體如二氧化硅、氧化鋁、氧化鋯等上的貴金屬如鉑、錸、鈀、銠或金。
高溫變換催化劑優(yōu)選在溫度范圍約300℃至約600℃下操作，并且可以包括過(guò)渡金屬氧化物如氧化鐵或氧化鉻，并且任選包括一種助催化劑如銅或鐵的硅化物。高溫變換催化劑還包括載帶的貴金屬如載帶的鉑、鈀和/或其它鉑族元素。
用于進(jìn)行這一步驟的處理核心可以包括如上述高溫或低溫變換催化劑的填充床、或者高溫和低溫變換催化劑的組合。所述過(guò)程應(yīng)該在適合水氣變換反應(yīng)的任何溫度下操作，依據(jù)所用催化劑的類(lèi)型優(yōu)選在溫度為150℃至約400℃下進(jìn)行。任選地，冷卻元件如冷卻盤(pán)管可以設(shè)置在變換反應(yīng)器的處理核心中，從而降低在催化劑填充床層內(nèi)的反應(yīng)溫度。較低的溫度有利于一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。另外，通過(guò)利用在高溫和低溫變換步驟之間的脫硫組件提供高溫和低溫變換的獨(dú)立步驟，可以使純化處理步驟C在高和低變換轉(zhuǎn)化率之間進(jìn)行。
過(guò)程步驟F是在一種實(shí)施方案中利用換熱器進(jìn)行的冷卻步驟。所述換熱器可以為任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)，包括管板式、板式和盤(pán)管式等。另外也可以應(yīng)用熱管或其它形式的受熱器。換熱器的目的是降低氣流溫度，從而產(chǎn)生溫度范圍優(yōu)選為約90℃至約150℃的流出物。
向步驟F中的過(guò)程中加入氧。所述氧由下面描述的過(guò)程步驟G的反應(yīng)消耗。所述氧可以為空氣、富集空氣、或基本上純氧的形式。換熱器可以通過(guò)設(shè)計(jì)提供空氣與富氫氣體的混合。另外，過(guò)程步驟D的實(shí)施方案可以用于進(jìn)行混合。
過(guò)程步驟G是氧化步驟，其中在流出物流中幾乎所有的剩余一氧化碳均被轉(zhuǎn)化為二氧化碳。所述處理在一氧化碳氧化催化劑存在時(shí)進(jìn)行，并且所述催化劑可以為任何適當(dāng)?shù)男问饺缤?、小球、整料等。一氧化碳氧化催化劑是已知的，并且通常包括貴金屬(例如鉑、鈀)和/或過(guò)渡金屬(如鐵、鉻、錳)、和/或貴金屬或過(guò)渡金屬的化合物，具體為氧化物。優(yōu)選的氧化催化劑為氧化鋁修補(bǔ)基面涂層上的鉑。所述修補(bǔ)基面涂層可以被涂到整料、擠出物、丸或其它載體上?？梢约尤敫郊硬牧先玮嫽蜩|以改善性能。在文獻(xiàn)中已經(jīng)引述了許多其它配方，同時(shí)一些實(shí)施者宣稱(chēng)銠或氧化鋁催化劑有優(yōu)越的性能。釕、鈀、金以及其它材料在文獻(xiàn)中也作為此用途的活性物質(zhì)而被引述。
在過(guò)程步驟G中發(fā)生兩個(gè)反應(yīng)所希望的一氧化碳氧化(通式V)和不希望的氫氧化(通式VI)，如下所示(V)(VI)利用低溫優(yōu)先氧化一氧化碳是有利的。因?yàn)閮蓚€(gè)反應(yīng)都產(chǎn)生熱，有利的是任選包括一個(gè)冷卻元件，如設(shè)置在過(guò)程內(nèi)的冷卻盤(pán)管。所述過(guò)程的操作溫度優(yōu)選保持在約90℃至約150℃的范圍內(nèi)。過(guò)程步驟G優(yōu)選降低一氧化碳的含量至低于50ppm，該含量適合用于燃料電池，但是本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到本發(fā)明可以用于產(chǎn)生一氧化碳含量更高和更低的富氫產(chǎn)品。
流出燃料處理器的流出物為含有二氧化碳和其它組分的富氫氣體，其中可以存在的如水、惰性組分(例如氮、氬)、殘余烴等。產(chǎn)品氣體可以用作燃料電池的進(jìn)料或用于其中需要富氫氣體進(jìn)料物流的其它用途。任選地，可以將產(chǎn)品氣體送到進(jìn)一步的處理過(guò)程中，以脫去二氧化碳、水或其它組分。
在本發(fā)明的一個(gè)描述性實(shí)施方案中，燃料處理器為具有單獨(dú)的組件單元的組件結(jié)構(gòu)，這些組件單元是可拆卸、可重裝并且可單獨(dú)更換。參照?qǐng)D2，本發(fā)明的燃料處理器100包括一系列獨(dú)立組件(110、120、130、140、150、160和170)。所述組件單元可以用于任何取向，如垂直或水平取向，并且適用于燃料電池，從而將這里描述的反應(yīng)器的富氫產(chǎn)品氣體作為進(jìn)料物流直接供給燃料電池。盡管所述組件可以具有任何橫截面結(jié)構(gòu)，如圓形、矩形、三角形等，但圓形橫截面對(duì)通常為管狀的燃料處理器100來(lái)說(shuō)是優(yōu)選的。
如果不另外指出的話，所述組件是按照下面參照?qǐng)D3所給出的描述進(jìn)行構(gòu)造的。所述組件可以用能承受這里所描述的反應(yīng)的操作條件和化學(xué)環(huán)境的任何材料來(lái)制造，并且可以包括不銹鋼、鉻鎳鐵合金、耐熱鎳鉻鐵合金(Incoloy)、耐蝕鎳基合金等。盡管可以應(yīng)用更高的壓力，但反應(yīng)壓力優(yōu)選為約0至約100psig。所述燃料處理器的操作壓力取決于燃料電池所要求的傳送壓力。對(duì)于在1-20kW范圍內(nèi)操作的燃料電池，操作壓力為0至約100psig通常就足夠了。所述組件的尺寸能夠在所希望的操作壓力和溫度下安全進(jìn)行反應(yīng)。
圖2所示的燃料處理器100實(shí)現(xiàn)了圖1中所示的過(guò)程。進(jìn)料物流F通過(guò)入口管102引入，產(chǎn)品氣體P通過(guò)出口管103采出。所述裝置100包括幾個(gè)可以堆放形成組件組的組件，所述組件組可以通過(guò)更換單個(gè)組件而進(jìn)行調(diào)整。每個(gè)組件具有獨(dú)立的操作功能，并且通常如圖2所示建造。組件110為與圖1中過(guò)程步驟A對(duì)應(yīng)的自熱重整組件。組件120為與圖1中過(guò)程步驟B對(duì)應(yīng)的冷卻步驟。在該描述性實(shí)施方案中，換熱器121是作為組件120的常用受熱器給出的。組件130為與圖1的過(guò)程步驟C對(duì)應(yīng)的純化組件。組件140為與圖1的過(guò)程步驟D對(duì)應(yīng)的任選混合步驟。進(jìn)料噴嘴131為組件140提供任選的水物流進(jìn)料，以幫助推進(jìn)組件150中的水氣變換反應(yīng)(通式IV)。組件150為與圖1的過(guò)程步驟E對(duì)應(yīng)的水氣變換組件。進(jìn)料噴嘴151為組件170中的氧化反應(yīng)(通式V)的過(guò)程氣體提供氧源。組件150還含有位于催化劑床層內(nèi)部或圍繞催化劑床層的換熱器(未畫(huà)出)，從而保持所希望的水氣變換反應(yīng)溫度。組件160為與圖1的過(guò)程步驟F對(duì)應(yīng)的冷卻步驟。在該描述性實(shí)施方案中，換熱器161是作為組件160的常用受熱器給出的。組件170為與圖1的過(guò)程步驟G對(duì)應(yīng)的氧化步驟。組件170還含有位于催化劑床層內(nèi)部或圍繞催化劑床層的換熱器(未畫(huà)出)，從而保持所希望的氧化反應(yīng)溫度。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員應(yīng)該意識(shí)到在該實(shí)施方案中所描述的過(guò)程構(gòu)造可以依據(jù)許多因素變化，這些因素包括原料質(zhì)量和所要求的產(chǎn)品質(zhì)量，但不局限于此。
圖3描述了單個(gè)組件10，其中包括殼11、任選的支撐板12、環(huán)狀墊片13、任選的絕緣材料14、以及處理核心15。殼11可以具有任何橫截面形狀例如圓形、方形、三角形等。但是殼11優(yōu)選為帶有軸向鉆孔的圓筒形管狀元件。由于上述原因，殼11優(yōu)選應(yīng)用不銹鋼、鉻鎳鐵合金、耐熱鎳鉻鐵合金(Incoloy)、或耐蝕鎳基合金材料制成。殼11包括一個(gè)環(huán)狀上部凹陷11a和一個(gè)環(huán)狀下部凸緣11b，這兩者具有配合特性以利于堆放兩個(gè)或多個(gè)組件。上部凹陷11a適合于接收墊片13和下部凸緣11b。
任選的支撐板12優(yōu)選由篩、網(wǎng)、多孔板、多孔燒結(jié)金屬板等制成。其可以由金屬合金如不銹鋼、鉻鎳鐵合金、耐熱鎳鉻鐵合金(Incoloy)、或耐蝕鎳基合金、或適合的陶瓷材料制成。支撐板12不僅為組件10內(nèi)所包含的組分提供支撐，而且用作氣體分布器，從而使流過(guò)反應(yīng)器的氣體均勻分布在反應(yīng)器的整個(gè)橫截面上。氣體的均勻分布有利于達(dá)到反應(yīng)器的最優(yōu)性能。
墊片13是環(huán)狀小片，有助于密封組件間的連接并防止氣體泄露。它可以由能夠承受反應(yīng)器操作條件的石墨、陶瓷、銅或其它材料制成。
任選的內(nèi)部絕熱器14設(shè)置在圓筒狀殼11的軸向鉆孔內(nèi)，并且包含一個(gè)帶有軸向鉆孔的圓筒片。絕熱器14使散失在環(huán)境的熱損失最小，所述熱損失會(huì)降低系統(tǒng)效率。這能縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間并減少對(duì)殼11和環(huán)境的熱傳遞。內(nèi)部絕熱器14可以由適用于這里所描述的目的任何材料制造。優(yōu)選的材料包括interam膨脹纖維陶瓷墊、saffil氧化鋁纖維墊、彈性的編織鋼網(wǎng)墊(如Wire Wrap)、以及其它由氧化鋁或二氧化硅纖維及類(lèi)似的這類(lèi)材料制成的彈性陶瓷墊。
處理核心15包含在殼11的軸向鉆孔內(nèi)，并且如果內(nèi)部絕熱器14存在的話，也在內(nèi)部絕熱器的鉆孔內(nèi)。處理核心15完成組件的功能，并且可以為催化劑、吸附劑、吸收劑、換熱器或惰性材料。
本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員還應(yīng)該意識(shí)到本發(fā)明還包含如下描述性實(shí)施方案。這樣一個(gè)描述性實(shí)施方案包括將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，所述裝置包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，其中每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，并且還包括包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，從而使軸向流過(guò)其中的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化。這種裝置可以包括一個(gè)外套，在所述外套內(nèi)設(shè)置多個(gè)組件。雖然這種裝置預(yù)計(jì)包括多種形狀和取向，但本裝置的一個(gè)優(yōu)選方面是對(duì)任選的外套和組件來(lái)說(shuō)均為圓筒狀。有多種元件可用于將組件連接在一起從而形成本發(fā)明的裝置。但本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面是對(duì)每一個(gè)組件來(lái)說(shuō)，其在所述殼的第一端或第二端包括一個(gè)環(huán)狀凸緣，并且在所述殼相對(duì)的另一端包括有環(huán)狀凹陷部位，從而一個(gè)組件的環(huán)狀凸緣可以嵌入到相鄰組件的環(huán)狀凹陷中。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方面是對(duì)于一個(gè)或多個(gè)組件來(lái)說(shuō)，均包括設(shè)置在所述殼和對(duì)應(yīng)的處理核心之間的環(huán)狀隔熱材料層。至少一個(gè)組件包括在所述殼的一端附近安裝的多孔支撐元件，其中多孔支撐元件選自篩、網(wǎng)、多孔板或多孔燒結(jié)板。
本發(fā)明的另一個(gè)描述性實(shí)施方案是用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，其中包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，其中每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，并且還包括包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，從而使軸向流過(guò)其中的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化。第一組件含有包括部分氧化催化劑的處理核心。部分氧化催化劑可以包括金屬如鉑、鈀、銠、釕、鎳、鈷或其任意組合。第一組件任選還可以包含蒸汽重整催化劑。蒸汽重整催化劑可以包括金屬如鉑、鈀、銠、釕、銥、鎳、鉀或其任意組合。所述部分氧化催化劑可以載帶在材料如氧化鎂、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯或二氧化硅上。所述蒸汽重整催化劑可以載帶在材料如氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯或鋁酸鎂上。與第一組件相鄰設(shè)置的第二組件在處理核心內(nèi)部包含一個(gè)換熱器，用來(lái)冷卻第一組件所產(chǎn)生的氣流。與第二組件相鄰設(shè)置的第三組件在處理核心內(nèi)部包含脫硫劑如氧化鋅。任選可以包含與第三組件相鄰設(shè)置的第四組件，并且可以包含惰性材料如陶瓷球用于混合水和過(guò)程氣流中的組分。如果在裝置中不包括第四組件，則應(yīng)該在第五組件之前加入水。第五組件與第四組件相鄰設(shè)置或當(dāng)不包括第四組件時(shí)與第三組件相鄰設(shè)置，其在處理核心內(nèi)部包含水氣變換催化劑。本發(fā)明打算在第五組件中可以應(yīng)用低溫水氣變換催化劑、高溫水氣變換催化劑或兩者的組合。可能的低溫水氣變換催化劑包括銅、氧化銅、鋅、鉑、錸、鈀、銠和金?？赡艿母邷厮畾庾儞Q催化劑包括選自氧化鐵、氧化鉻、銅、硅化鐵、鉑和鈀的材料。為了保持所希望的變換反應(yīng)溫度范圍，第五組件還可以包括一個(gè)設(shè)置在水氣變換催化劑床層內(nèi)部的換熱器。與第五組件相鄰設(shè)置的第六組件在處理核心內(nèi)部包含一個(gè)換熱器，用于冷卻由第五組件產(chǎn)生的氣流。與第六組件相鄰設(shè)置的第七組件在處理核心中包含一氧化碳氧化催化劑。這種一氧化碳氧化催化劑可以是鉑、鈀、鐵、鉻、錳、鐵氧化物、鉻氧化物、錳氧化物、釕、鈀、金、或其任意組合。為了保持所希望的氧化反應(yīng)溫度范圍，第七組件還可以包括一個(gè)位于在水氣變換催化劑床層內(nèi)部的換熱器。
本發(fā)明的另一個(gè)描述性實(shí)施方案是應(yīng)用燃料處理器將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法，其中所述燃料處理器具有多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，在該方法中沿軸向加入烴燃料使之連續(xù)通過(guò)每個(gè)組件，從而產(chǎn)生富氫氣體。第一組件可以按照前面的描述性實(shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)，用于進(jìn)行烴燃料的部分氧化和蒸汽重整，該組件在溫度范圍為約550℃至約900℃內(nèi)操作?？梢园凑涨懊婷枋鲂詫?shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的第二組件然后將第一組件的流出物冷卻至溫度為約200℃至約600℃?？梢园凑涨懊婷枋鲂詫?shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的第三組件應(yīng)用氧化鋅作脫硫劑，使第二組件流出物脫硫?？梢园凑涨懊婷枋鲂詫?shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的任選的第四組件使水和第三組件流出物混合，從而產(chǎn)生第五組件的進(jìn)料?？梢园凑涨懊婷枋鲂詫?shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的第五組件在水氣變換反應(yīng)中使水和在工藝物流中包含的一氧化碳反應(yīng)，從而降低離開(kāi)第五組件的一氧化碳濃度。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的方面是第五組件在溫度范圍為約150℃至約400℃下操作。可以按照前面描述性實(shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的第六組件將第五組件流出物冷卻至溫度為約90℃至約150℃。可以按照前面描述性實(shí)施方案來(lái)設(shè)計(jì)的第七組件氧化工藝氣流中的至少部分一氧化碳，從而產(chǎn)生富氫氣體。本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選的方面是第七組件在約90℃至約150℃的溫度下操作。本發(fā)明的另一個(gè)方面是可能進(jìn)行熱量整合。按本實(shí)施方案來(lái)說(shuō)，在第二組件、第五組件、第六組件和第七組件中的熱交換可以用于預(yù)熱進(jìn)入裝置的烴進(jìn)料。本發(fā)明的打算是能夠降低富氫氣體中的一氧化碳濃度至低于50ppm。
盡管已經(jīng)利用優(yōu)選的或描述性的實(shí)施方案對(duì)本發(fā)明的裝置、組成和方法進(jìn)行了描述，但對(duì)本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)是很明顯的是，在不偏離本發(fā)明的概念和范圍的情況下，可以對(duì)這里所描述的方法作各種改變。對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)很明顯的所有這種類(lèi)似替換和改進(jìn)均應(yīng)認(rèn)為在本發(fā)明的范圍和概念內(nèi)，正如在下文權(quán)利要求中所述。
權(quán)利要求
1.一種用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，其中多個(gè)組件中的每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，以及一個(gè)包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，所述處理核心使軸向通過(guò)的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化。
2.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件為圓筒形狀。
3.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件中的每個(gè)組件均包括位于所述殼的第一端或第二端的環(huán)狀凸緣，以及在所述殼的另一端環(huán)狀凹陷部位，并且其中一個(gè)組件的環(huán)狀凸緣可以嵌入相鄰組件的環(huán)狀凹陷內(nèi)。
4.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件中的至少一個(gè)組件包括設(shè)置在所述殼和對(duì)應(yīng)的處理核心之間的環(huán)狀隔熱材料層。
5.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件中的至少一個(gè)組件包括安裝在所述殼的第一端附近的多孔支撐元件。
6.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件中的至少一個(gè)組件包括安裝在所述殼的第二端附近的多孔支撐元件。
7.權(quán)利要求6所述的裝置，其中多孔支撐元件選自篩、網(wǎng)、多孔板或多孔燒結(jié)板。
8.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第一組件，其中第一組件的處理核心包括部分氧化催化劑。
9.權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述第一組件還包括蒸汽重整催化劑。
10.權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述部分氧化催化劑包括選自鉑、鈀、銠、釕、鎳、鈷及其任意組合的金屬。
11.權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述蒸汽重整催化劑包括選自鉑、鈀、銠、釕、銥、鎳、鉀及其任意組合的金屬。
12.權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述部化氧化催化劑的金屬載帶在選自氧化鎂、氧化鋁、二氧化鈦、氧化鋯和二氧化硅的材料上。
13.權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述蒸汽重整催化劑的金屬載帶在選自氧化鎂、氧化鋁、二氧化硅、氧化鋯和鋁酸鎂的材料上。
14.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第二組件，其中第二組件的處理核心包括用于冷卻氣流的第一換熱器。
15.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第三組件，其中第三組件的處理核心包括脫硫劑。
16.權(quán)利要求14所述的裝置，其中所述脫硫劑包括氧化鋅。
17.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第四組件，其中第四組件的處理核心包括用于混合從中通過(guò)的氣流組分的惰性材料。
18.權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述惰性材料包括陶瓷球。
19.權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述第四組件設(shè)計(jì)為向氣流中引入水。
20.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第五組件，其中第五組件的處理核心包括水氣變換催化劑床層；和用于保持所希望的變換反應(yīng)溫度范圍的設(shè)置于水氣變換催化劑床層內(nèi)部的換熱器。
21.權(quán)利要求20所述的裝置，其中水氣變換催化劑是低溫水氣變換催化劑。
22.權(quán)利要求21所述的裝置，其中所述低溫水氣變換催化劑包括選自銅、氧化銅、鋅、鉑、錸、鈀、銠和金的材料。
23.權(quán)利要求20所述的裝置，其中水氣變換催化劑是高溫水氣變換催化劑。
24.權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述高溫水氣變換催化劑包括選自氧化鐵、氧化鉻、銅、硅化鐵、鉑和鈀的材料。
25.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第六組件，其中第六組件的處理核心包括用于冷卻氣流的第二換熱器。
26.權(quán)利要求1所述的裝置，其中多個(gè)組件包括第七組件，其中第七組件的處理核心包括一氧化碳氧化催化劑床層；和用于保持所希望的氧化反應(yīng)溫度范圍的設(shè)置于一氧化碳氧化催化劑床層內(nèi)部的換熱器。
27.權(quán)利要求26所述的裝置，其中設(shè)計(jì)所述第七組件從而引導(dǎo)含氧物流在與一氧化碳氧化床層接觸前進(jìn)入氣流中。
28.權(quán)利要求26所述的裝置，其中一氧化碳氧化催化劑床層包括選自鉑、鈀、鐵、鉻、錳、鐵氧化物、鉻氧化物、錳氧化物、釕、鈀、金及其任意組合的材料。
29.一種用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，其中多個(gè)組件中的每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，以及一個(gè)包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，所述處理核心使軸向通過(guò)的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化；并且其中多個(gè)組件包括其中裝有部分氧化催化劑床層的第一組件，與所述第一組件相鄰設(shè)置且其中裝有用于冷卻氣流的第一換熱器的第二組件，與所述第二組件相鄰設(shè)置且其中裝有脫硫劑的第三組件，與所述第三組件相鄰設(shè)置且其中裝有用于混合從中通過(guò)的氣流組分的惰性材料的第四組件，與所述第四組件相鄰設(shè)置且其中裝有水氣變換催化劑床層的第五組件，與所述第五組件相鄰設(shè)置且其中裝有用于冷卻氣流的第二換熱器的第六組件，以及與所述第六組件相鄰設(shè)置且其中裝有一氧化碳氧化催化劑床層的第七組件。
30.一種用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的裝置，包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件，其中多個(gè)組件中的每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，以及一個(gè)包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，所述處理核心使軸向通過(guò)的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化；并且其中多個(gè)組件包括其中裝有部分氧化催化劑床層的第一組件，與所述第一組件相鄰設(shè)置且其中裝有用于冷卻氣流的第一換熱器的第二組件，與所述第二組件相鄰設(shè)置且其中裝有脫硫劑的第三組件，與所述第三組件相鄰設(shè)置且其中裝有水氣變換催化劑床層的第四組件，與所述第四組件相鄰設(shè)置且其中裝有用于冷卻氣流的第二換熱器的第五組件，以及與所述第五組件相鄰設(shè)置且其中裝有一氧化碳氧化催化劑床層的第六組件。
31.一種用于將烴燃料轉(zhuǎn)化為富氫氣體的方法，包括提供一個(gè)具有多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件的燃料處理器；以及，加入烴燃料，使之沿軸向連續(xù)通過(guò)每個(gè)組件，從而產(chǎn)生富氫氣體。
32.權(quán)利要求31所述的方法，其中多個(gè)組件包括第一組件，用于對(duì)烴燃料進(jìn)行部分氧化及蒸汽重整，從而產(chǎn)生第一組件流出物，第二組件，與所述第一組件相鄰設(shè)置用于冷卻第一組件流出物，從而產(chǎn)生第二組件流出物，第三組件，所述第三組件與第二組件相鄰設(shè)置并使第二組件流出物脫硫，從而產(chǎn)生第三組件流出物，第四組件，所述第四組件與第三組件相鄰設(shè)置并使第三組件流出物與水混合，從而產(chǎn)生第四組件流出物，第五組件，所述第五組件與第四組件相鄰設(shè)置并使第四組件流出物中所包含的水和一氧化碳反應(yīng)，從而產(chǎn)生一氧化碳濃度降低的第五組件流出物，第六組件，所述第六組件與第五組件相鄰設(shè)置用于冷卻第五組件流出物，從而產(chǎn)生第六組件流出物，第七組件，所述第七組件與第六組件相鄰設(shè)置用于氧化至少部分一氧化碳，從而產(chǎn)生富氫氣體。
33.權(quán)利要求32所述的方法，其中可以利用第二組件、第五組件、第六組件、第七組件或其任意組合對(duì)烴燃料進(jìn)行預(yù)熱。
34.權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第一組件的操作溫度范圍為約550℃至約900℃。
35.權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第二組件流出物為約200℃至約600℃。
36.權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第五組件的操作溫度范圍為約150℃至約400℃。
37.權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第五組件流出物被冷卻至約90℃至約150℃。
38.權(quán)利要求32所述的方法，其中所述第七組件的操作溫度為約90℃至約150℃。
39.權(quán)利要求32所述的方法，其中富氫氣體含有低于50ppm的一氧化碳。
40.權(quán)利要求31所述的方法，其中所述多個(gè)組件包括第一組件，用于對(duì)烴燃料進(jìn)行部分氧化及蒸汽重整，從而產(chǎn)生第一組件流出物，第二組件，與所述第一組件相鄰設(shè)置用于冷卻第一組件流出物，從而產(chǎn)生第二組件流出物，第三組件，所述第三組件與第二組件相鄰設(shè)置并使第二組件流出物脫硫，從而產(chǎn)生第三組件流出物，第四組件，所述第四組件與第三組件相鄰設(shè)置并使第三組件流出物中所包含的水和一氧化碳反應(yīng)，從而產(chǎn)生一氧化碳濃度降低的第四組件流出物，第五組件，所述第五組件與第四組件相鄰設(shè)置用于冷卻第四組件流出物，從而產(chǎn)生第五組件流出物，第六組件，所述第六組件與第五組件相鄰設(shè)置用于氧化至少部分一氧化碳，從而產(chǎn)生富氫氣體。
41.權(quán)利要求40所述的方法，其中可以利用第二組件、第四組件、第五組件、第六組件或其任意組合對(duì)烴燃料進(jìn)行預(yù)熱。
42.權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第一組件的操作溫度范圍為約550℃至約900℃。
43.權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第二組件流出物為約200℃至約600℃。
44.權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第四組件的操作溫度范圍為約150℃至約400℃。
45.權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第四組件流出物被冷卻至約90℃至約150℃。
46.權(quán)利要求40所述的方法，其中所述第六組件的操作溫度為約90℃至約150℃。
47.權(quán)利要求40所述的方法，其中富氫氣體含有低于50ppm的一氧化碳。
全文摘要
包括多個(gè)沿著共軸首尾相連堆放的組件的裝置(100)以及利用所述裝置(100)將烴燃料(F)轉(zhuǎn)化成基本上純的氫氣(P)的多步方法。每個(gè)組件均包括一個(gè)具有內(nèi)部空間的殼以及一個(gè)包含在所述內(nèi)部空間內(nèi)的處理核心，所述內(nèi)部空間確定氣流由所述殼的第一端流到與所述第一端相對(duì)的所述殼的第二端的流道，而所述處理核心使軸向通過(guò)所述組件的氣流發(fā)生化學(xué)、熱或物理變化。在一種實(shí)施方案中，所述多個(gè)組件包括其中裝有部分氧化催化劑和蒸汽重整催化劑的第一組件(110)、其中裝有第一換熱器(121)的第二組件(120)、其中裝有脫硫劑的第三組件(130)、其中裝有用于混合從中通過(guò)的氣流組分的惰性材料的第四組件(140)、其中裝有水氣變換催化劑床層的第五組件(150)、其中裝有第二換熱器(161)的第六組件(160)以及其中裝有一氧化碳氧化催化劑床層的第七組件(170)。
文檔編號(hào)C10J1/207GK1627986SQ01820046
公開(kāi)日2005年6月15日 申請(qǐng)日期2001年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月5日
發(fā)明者C·克勞斯, J·K·沃爾芬巴杰, P·馬丁 申請(qǐng)人:德士古發(fā)展公司