专利名称：改性装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对作为改性原料的甲醇等醇类，甲烷、丁烷等烃类，石脑油、LNG(液化天然气)等化石燃料等进行水蒸汽改性，制备以氢为主成分的改性气体的改性装置。更具体涉及使水蒸汽改性后的改性气体中所含一氧化碳的浓度降低至10ppm左右的改性装置。
背景技术：
以往众所周知的是对改性原料进行水蒸汽改性处理，生成以氢为主成分的改性气体的改性装置。上述改性气体的用途之一是用作燃料电池的发电燃料，但这种情况下，由于改性气体中所含的一氧化碳(CO)会转变为对燃料电池的电极有影响的物质，所以希望除去一部分一氧化碳，使其浓度降低至100ppm以下。为此，如日本专利公开公报平5-251104号所示，通过设置对改性原料进行水蒸汽改性；利用水性转移反应使所得改性气体中的CO浓度降低；选择性地使CO氧化，进一步降低其浓度这三个步骤来除去CO。但是，以往由于上述3个反应步骤需要在不同的装置中进行，所以整个改性体系就变成一个大型的装置。而且，由于各反应步骤都需要提供反应热的热源，所以热损失很大。因此，希望出现既能够减少以往改性装置中的热损失，又能够达到小型化目的的装置。
针对于此，日本专利公开公报平7-126001号揭示了以小型化为目的进行了改良的改性装置。下面对该改性装置进行说明。该改性装置具有改性处理层和燃烧气体通道层交替配置的结构，即在使燃料燃烧的燃烧部分上面设置了改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分沿气体流向竖直配置的平板状改性处理层与来自燃烧部分的燃烧气体所流经的平板状燃烧气体通道层。该改性装置中，由于上述燃烧气体通道层为上述3个反应部分提供了热，所以，燃烧部分的热被上述3个反应部分有效地利用了，而且，将上述3个反应部分合并，也有利于达到小型化目的。
但是，上述以往例子的改性装置存在无法控制各反应部分的确切温度的缺点。即，上述3个反应部分所进行的反应都是催化反应，各反应部分的反应需要不同的反应温度范围。例如，水蒸汽改性反应的反应温度范围由于改性原料种类的不同而不同，改性原料为丁烷等烃类原料时，大致在400～1000℃的范围内，较好为600～900℃，为甲醇原料时，大致在250～400℃的范围内。另外，水性转移反应和CO选择氧化反应的温度大致为200～350℃，较好为220～300℃，CO选择氧化反应的温度大致为100～250℃，较好为120～180℃。总之，反应温度范围按照改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分这样的顺序依次降低。因此，各反应部分的温度需要控制在上述各反应温度范围内。
但是，上述以往例子的改性装置中，上述改性反应部分和转移反应部分不分成独立的段，而是在同一段内相互连接，所以被改性处理的气体的反应状态随着温度的降低在功能上有所区别，即从水蒸汽改性反应转变为水性转移反应。因此，该改性装置能够有效地进行改性温度和转移反应的温度差较小的甲醇的水蒸汽改性。但对烃类原料进行水蒸汽改性时，从上述改性反应部分向转移反应部分转移时需要上升较高的温度，所以对水蒸汽改性反应的反应温度较高的丁烷等烃类原料进行改性时存在较大的问题。而且，上述改性处理层和燃烧气体通道层是交替设置的层叠结构，即使是同一个反应部分，在层叠位置也会出现温度差别，特别是接近外表面的位置由于被外面的空气冷却，所以与中心位置相比，温度差更大。这种温度差别在反应温度范围很窄的CO氧化部分尤为突出。如果各反应部分中存在不在反应温度范围内的部分，则所得改性气体中的氢含量降低或CO浓度降低可能就不够充分。
发明的揭示本发明解决了上述以往例子中存在的问题，其目的是提供实现改性反应部分和转移反应部分及CO氧化部分的一体化，使其小型化，并能够有效利用热源的热，而且能够良好地控制各反应部分的温度的改性装置。
本发明的改性装置包括独立，但一体化设计的3个部分，即包含因燃气的燃烧而发热的热源，由该热源直接获得反应热，对改性原料进行水蒸汽改性，生成以氢为主成分的改性气体的原料改性部分；利用水性转移反应使原料改性部分生成的改性气体中所含的CO降低的转移反应部分；使经过转移反应部分处理后的改性气体中所含的CO氧化，进一步降低CO浓度的CO氧化部分。上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分是按照上述转移反应部分和CO氧化部分可被来源于上述原料改性部分热源的传递热间接加热的状态设置的。
由于该改性装置中的上述3个反应部分，即原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分是一体化设置的，所以能够单用该装置获得除去了CO的改性气体。因此，不需要另外除去CO的步骤，使整个装置小型化。此外，各反应部分都是独立的部分，而且，上述原料改性部分的需要最高温度的水蒸汽改性反应是在热源直接加热下进行的，而温度比其低的转移反应部分和CO氧化部分是通过上述热源的传递热间接加热的，所以，能够将温度控制在各反应温度范围内。
本发明中，上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分以同心状设置，较好的是上述CO氧化部分至少被设置在外周侧。即由于上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分以同心状设置，所以上述转移反应部分和CO氧化部分中，在同一反应部分内不易出现来源于上述热源的传递热和向外部的放热量的局部偏差。因此，上述转移反应部分和CO氧化部分的温度偏差变小，易于将反应温度控制在所需要的温度范围内。3个反应部分中至少需要将温度控制在最低范围内的上述CO氧化部分被设置在最外周侧，易于向外部放热，其结果是，容易将温度控制在低温范围内。此外，同心设置还易于实现整个装置的小型化。
本发明中，上述原料改性部分由作为上述热源的近似筒状燃烧室和对改性原料进行水蒸汽改性，生成以氢为主成分的改性气体的改性反应部分构成时，上述改性反应部分为受到上述燃烧室的直接加热而与燃烧室以同心状设置，另一方面，上述转移反应部分和上述CO氧化部分为受到上述燃烧室的间接加热也可与其同心状设置。上述燃烧室近似筒状的形状并不限于圆筒状，也包括方筒状。此外，对上述燃烧室中使燃料燃烧的燃烧方式也没有特别限定，例如使用燃烧嘴或燃烧催化剂等。
上述燃烧室和改性反应部分的位置关系有2种状态。一种是上述改性反应部分被设置在上述燃烧室内的状态(图23～27)，另一种是上述改性反应部分被设计成连接在上述燃烧室外周的状态(
图1～22)。这2种情况的不同之处在于，前者是上述改性反应部分仅受到来自周围的热的加热，而没有来自表面的放热，后者则有来自上述改性反应部分外周的放热。
较好的是在上述燃烧室中设置不燃性芯(图19、11、14～17、21、22、24～26)。即通过设置上述芯，使上述燃烧室内的燃烧气体通道变窄，其结果是能够使燃烧气体的流速变大，提高与上述改性反应部分的热交换率。为了不影响上述燃烧室的温度上升，上述芯较好的是热容量较小的材料，如中空体等。
此外，本发明中间接加热上述转移反应部分和CO氧化部分的手段有(1)利用中间体从上述燃烧室外周以固体传热或辐射传热的方法传入热(图1～7,27)；(2)利用来源于上述燃烧室的燃烧后气体的热量(图8～27)。
利用上述(1)的方法，间接加热上述转移反应部分和CO氧化部分的改性装置的一个例子是沿上述燃烧室外周设置上述改性反应部分，然后沿改性反应部分外周设置上述转移反应部分和CO氧化部分。
该改性装置中，上述改性反应部分起到了上述中间体的作用，来源于上述燃烧室的热由于上述改性反应部分的介入而减少，然后再传递给上述转移反应部分和CO氧化部分。特别是由于在上述改性反应部分进行的水蒸汽改性反应为吸热反应，所以来源于上述燃烧室的热在上述改性反应部分被消耗而减少，然后再传递给上述转移反应部分和CO氧化部分。而且，该构成中，以上述燃烧室为中心，在其周围设置上述改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分，这样也有利于降低整个装置的高度(高度方向的小型化)。
此外，在上述改性反应部分、上述转移反应部分和CO氧化部分之间，较好的是设置具有调节传递热功能的隔壁，具有调节传递热功能的隔壁是指具有以下功能的隔壁，即上述改性反应部分的余热仍旧高于所需温度，但为了不使热直接传递给位于其外侧的上述转移反应部分和CO氧化部分，在一定程度上减少了所传递的热量，将所传递的热的温度调节到所需温度范围。上述隔壁可以是隔热材料或空气层等，通过适当地调节其材质和厚度，获得最适宜的调节传递热的效果。由于该改性装置能够利用上述具有调节传递热功能的隔壁调节来自上述改性反应部分的传递热，所以，能够容易地控制转移反应部分和CO氧化部分的温度。
此外，连接上述改性反应部分和上述转移反应部分的通道可以迂回设置在上述转移反应部分和上述CO氧化部分外侧。一般刚从上述改性反应部分放出的改性气体的温度比上述转移反应部分的反应温度高，通过在外侧迂回设置连接上述改性反应部分和上述转移反应部分的通道，可使其放热，将温度调节到适当的范围内。
而且，对应于上述改性反应部分的温度分布，较好的是在该改性反应部分的高温侧设置上述转移反应部分，在其低温侧设置上述CO氧化部分(参考图2)。
本发明中，利用上述(2)的方法间接加热上述转移反应部分和CO氧化部分的改性装置的一个例子是在上述燃烧室的垂直上方连接直接流入来自上述燃烧室的燃烧后气体的排气空间，在该排气空间的周围设置上述转移反应部分，在该转移反应部分的周围设置上述CO氧化部分而构成的装置(参考图8～26)。
该改性装置的上述排气空间通过燃烧后气体被加热，从上述排气空间的周围向上述转移反应部分传热，而上述转移反应部分又向上述CO氧化部分传热。此时，由于上述燃烧后气体的温度低于上述燃烧室的温度，所以上述转移反应部分的加热温度被控制在低于上述改性反应部分的温度范围，而位于外侧的上述CO氧化部分的温度也被控制在低于上述转移反应部分的温度范围。因此，能够将各反应部分的温度控制在一定范围内。
这种情况下，较好的是在上述燃烧室和上述排气空间之间为吸入外面空气而设置空气吸入口(图12)。即由于刚从上述燃烧室出来的燃烧后气体的温度与上述燃烧室的温度差不多，所以通过上述空气吸入口吸入的外面的空气能够适当降低燃烧后气体的温度，以调节温度，将其送入上述排气空间，这样就能够调节上述转移反应部分的加热温度。
此外，在这种情况下，较好的是设置可加热上述排气空间的辅助加热装置(图16、17)。上述辅助加热装置可用于在上述转移反应部分的加热温度较低时加热上述排气空间。而且，在对生成的改性气体进行处理的初期阶段，也能够对上述转移反应部分进行预热。
此外，在这种情况下，还在向外部排出上述排气空间内的燃烧后气体的排气口上设置了开关，另外，可在上述转移反应部分和上述CO氧化部分间插入与上述排气空间交叉但连通的槽1，在上述CO氧化部分周围设置与上述槽1连通的槽2(图21)。该改性装置利用上述开关来关闭上述排气口，使上述排气空间内的燃烧后气体流入上述槽1，然后再流入槽2，此时上述转移反应部分和CO氧化部分也可被流入槽1和槽2的燃烧后气体加热。此外，如果打开上述排气口，则上述排气空间的燃烧后气体就从排气口被排到外部，几乎不流入槽1和槽2。因此，利用上述开关可控制上述排气口的打开和关闭，自如地调节上述转移反应部分和CO氧化部分的温度。
上述槽2上最好设置可吸入外面空气的空气吸入口(图22)。通过设置的空气吸入口，利用上述开关关闭排气口时，外面空气被吸入槽2，单独降低了流入其中的燃烧后气体温度，可对上述CO氧化部分进行更好的温度控制。
此外，较好的是在上述排气空间中心设置不燃性芯(图10、11、14、15)。此时，上述排气空间可获得与上述燃烧室内的芯同样的效果。
本发明的改性装置较好的是至少在上述改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分中的一个部分表面设置热传导率高于构成该表面的材料的高传热材料(图15)。即上述各反应部分沿气体流向有生成温度差的倾向，例如由于上述改性反应部分为吸热反应，所以下风口的温度降低，而上述转移反应部分和CO氧化部分为放热反应，所以下风口的温度有上升的倾向。设置在上述反应部分表面的上述传热材料有消除温度差的效果。
此外，本发明的改性装置中，还可在上述CO氧化部分外表面设置散热片(图19、20)。通过设置的上述散热片，如果从上述燃烧室向上述CO氧化部分间接传递的热量过剩时，则利用该散热片放热，可将CO氧化部分的温度控制在反应所需温度范围内。
本发明中，利用上述(2)的方法间接加热上述转移反应部分和CO氧化部分的改性装置的另一个例子是具备直接流入来自上述燃烧室的燃烧后气体的主排气空间、将主排气空间内的燃烧后气体直接排到外部的主排气口和控制主排气口打开和关闭的开关。另外，还具备与主排气空间交叉但连通的设置在该主排气空间周围的槽1，以及与槽1连通的设置在其周围的槽2，上述转移反应部分被设置在上述槽1内，上述CO氧化部分被设置在上述槽2内(图23～26)。
该改性装置中，如果利用上述开关关闭上述主排气口，则来自上述燃烧室的燃烧后气体流入上述槽1，再流入槽2，使上述槽1内的上述转移反应部分和上述槽2内的上述CO氧化部分被燃烧后气体加热。另一方面，如果打开上述主排气口，则来自上述燃烧室的燃烧后气体主要通过上述主排气空间从上述主排气口排出，几乎不流入上述槽1和槽2。此时，上述转移反应部分和CO氧化部分主要靠来自上述主排气空间的辐射传热和固体传热，以及流入上述部分的改性气体自身的热量来加热，可将温度控制在低于上述改性反应部分的温度范围内。所以，该改性装置中，在生成改性气体前的运转初期，事先利用上述开关使上述主排气口处于关闭状态，使上述燃烧室内进行燃烧，这样不仅可预热上述改性反应部分，还可对上述转移反应部分和CO氧化部分进行预热，正常运转时，打开上述主排气口，就能够很好地控制各反应部分的温度。
还可在该改性装置中设置将上述槽1内的燃烧后气体排到外部的次排气口和打开及关闭该次排气口的开关(图21～26)。此时，如果在上述主排气口打开的状态下打开上述次排气口，则来自与上述主排气空间交叉的部分的燃烧后气体只有极少量流入上述槽1，其他从上述次排气口排出。这样，极少量流入槽1内的燃烧后气体起到了将上述转移反应部分的温度提高到高于上述CO氧化部分温度的作用。所以，能够很好地控制各反应部分的温度。
此外，较好的是将上述转移反应部分和CO氧化部分中的至少一个部分设计成旋管状(图23～26)。此时，由于上述转移反应部分和CO氧化部分为旋管状，所以在利用燃烧后气体加热时，能够获得良好的热交换率。
另外，较好的是在上述槽2上设置吸入外部空气的空气供给通道(图23～26)。此时，利用上述槽2上的上述空气供给通道吸入的外部空气能够调节上述CO氧化部分的温度。
本发明的改性装置较好的是将至少一部分供给上述原料改性部分改性原料和水蒸汽的原料供给通道设置在经过来源于上述原料改性部分热源的热量预热的位置上(图3～27)。
即，来自上述原料供给通道的改性原料和水蒸汽最终是以混合气的状态供给上述原料改性部分的，但如果能够预热上述原料供给通道，就能够在上述原料供给通道内将水转变为水蒸汽，这样来自供给源的提供给上述原料供给通道的就可以不是水蒸汽而是水。所以，不用另外设置水蒸汽发生装置，其结果是能够使整个改性系统达到小型化目的。此外，预热上述原料供给通道，可预先将改性原料和水蒸汽的温度调整到水蒸汽改性反应所需温度范围内，所以在上述原料改性反应的初期不用降低改性催化剂温度，就可直接开始改性反应。
上述情况中，对预热上述原料供给通道的方法没有特别限定，例如，可使至少一部分上述原料供给通道与上述3个反应部分的至少一个部分的表面连接(图3～6,8～24,26)；或将至少一部分上述原料供给通道设置在与来自上述原料改性部分热源的燃烧后气体相接触的位置上(图7)；或将其设置在被上述原料改性部分热源直接加热的位置上(图25和27)。
此外，本发明的改性装置中，上述原料改性部分的热源为催化燃烧而放出的热量时，较好是设置可预热该热源的燃烧催化剂的预热装置(图18)。上述热源为催化燃烧而放出的热量时，如果燃烧催化剂的温度达不到一定程度以上而无法引起燃烧反应，则利用上述预热装置预热燃烧催化剂，就可在燃烧开始初期直接开始燃烧。
本发明的改性装置对水蒸汽改性反应的反应温度较高的改性原料特别有效，例如，所用改性原料为丁烷时，上述改性反应部分的温度需控制在400～1000℃，上述转移反应部分和上述CO氧化部分的温度则分别控制在200～350℃和100～250℃的范围内。如果上述改性反应部分的反应温度较高，则其与上述转移反应部分和上述CO氧化部分的温度差就较大，对温度就难以控制。但是，如上所述，本发明的改性装置由3个各自独立的反应部分构成，上述改性反应部分由热源直接加热，易于将温度控制在高温区域，而上述转移反应部分和CO氧化部分则由热源的传递热间接加热，易于将温度控制在低温区域。
对附图的简单说明图1为以图解表示的本发明实施例1的改性装置的剖面斜视图。
图2为以图解表示的本发明实施例2的改性装置主要部分的剖面图。
图3为以图解表示的本发明实施例3的改性装置主要部分的剖面图。
图4为以图解表示的本发明实施例4的改性装置主要部分的剖面图。
图5为以图解表示的本发明实施例5的改性装置的剖面图。
图6为以图解表示的本发明实施例6的改性装置的剖面图。
图7为以图解表示的本发明实施例7的改性装置主要部分的剖面图。
图8为以图解表示的本发明实施例8的改性装置的剖面图。
图9为以图解表示的本发明实施例9的改性装置的剖面图。
图10为以图解表示的本发明实施例10的改性装置的剖面图。
图11为以图解表示的本发明实施例11的改性装置的剖面图。
图12为以图解表示的本发明实施例12的改性装置的剖面图。
图13为实施例12的改性装置的斜视图。
图14为以图解表示的本发明实施例13的改性装置的剖面图。
图15为以图解表示的本发明实施例14的改性装置的剖面图。
图16为以图解表示的本发明实施例15的改性装置的剖面图。
图17为以图解表示的本发明实施例16的改性装置的剖面图。
图18为以图解表示的本发明实施例17的改性装置的剖面图。
图19为以图解表示的本发明实施例18的改性装置的剖面图。
图20(A)和(B)为实施例18的改性装置经过改进后的主要部分的剖面图。
图21为以图解表示的本发明实施例19的改性装置的剖面图。
图22为以图解表示的本发明实施例20的改性装置的剖面图。
图23为以图解表示的本发明实施例21的改性装置的剖面图，(A)表示开始运转时的状态，(B)表示正常运转时的状态。
图24为以图解表示的本发明实施例22的改性装置的剖面图。
图25为以图解表示的本发明实施例23的改性装置的剖面图。
图27为以图解表示的本发明实施例25的改性装置的剖面图，(A)表示开始运转时的状态，(B)表示正常运转时的状态。
实施发明的最佳状态以下，对本发明改性装置的实施状态进行说明，为了便于说明，使改性装置上下方向与图的纸面的上下方向一致，对各构成进行说明。
实施例1首先，对本发明实施例1的改性装置进行说明。这里，将实施例1～7作为一组，表示主要部分具有相同结构的改性装置，实施例1为它们的基本形。
实施例1的改性装置如图1所示，具备作为热源的近似筒状的燃烧室1，其周围设置了对改性原料进行水蒸汽改性，生成以氢为主成分的改性气体的改性反应部分2。该改性反应部分2周围设置了转移反应部分3和CO氧化部分4，转移反应部分3能够利用水性转移反应使改性反应部分2生成的改性气体中所含的CO减少，CO氧化部分4能够氧化经过转移反应部分3处理后的改性气体中所含的CO，使其进一步减少。上述改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4都是互相独立的，它们以同心状态分布。
上述燃烧室1被设置在近似圆筒状的该改性装置的中心部分。燃烧室1以轴向为上下方向，其上方开口，下方设置了作为燃烧装置9的燃烧嘴9a。此外，燃烧室1不限于圆筒状，还可以是方筒状的，燃烧装置9还可使用其他如催化燃烧等方法。
上述改性反应部分2是沿燃烧室1的外周，在形成环状层的气体通道内填入改性催化剂而构成的，由燃烧室直接加热。而且，改性反应部分2中设置了用于供给改性原料和水蒸汽的原料供给通道6。实施例1中，原料供给通道6被连接在改性反应部分2的下端。
上述改性催化剂能够引起所谓的水蒸汽改性反应，即在高温下使改性原料和水蒸汽的混合气接触，生成以氢为主成分的改性气体。例如，可使用在氧化铝或氧化锆等形成的载体上载有Ni、Rh、Ru等金属的催化剂。改性反应部分2中，改性原料和水蒸汽的混合气通过改性催化剂粒子间的缝隙与改性催化剂接触，进行水蒸汽改性反应，生成了以氢为主成分的改性气体。改性气体中除了氢气之外，还混合了二氧化碳、一氧化碳和甲烷等。该水蒸汽改性反应为吸热反应，利用燃烧室1的热量直接加热，提供反应热。所以，该水蒸汽改性反应的改性原料为烃类气体时，一般反应温度在约500℃以上为好。上述改性原料包括为气体的甲烷、丙烷、丁烷等烃类气体，常温下为液体的醇类和汽油、灯油、石脑油等。因此，原料气体为丁烷时，利用上述水蒸汽改性反应，能够获得氢含量约70％、二氧化碳含量约15％、一氧化碳含量约10％、其他如甲烷等含量为余份的改性气体。通过适当调节燃烧室1的燃烧嘴9a中火焰的大小等能够控制该改性反应部分2的加热温度。
转移反应部分3和CO氧化部分4利用隔壁8沿改性反应部分2的外周设置。转移反应部分3由与改性反应部分2连通，且在沿改性反应部分2的外周形成环状层的气体通道中的上风口侧填充转移催化剂而构成，CO氧化部分4是在上述气体通道中的下风口侧与上述转移反应部分3形成间隔并填充CO氧化催化剂而构成的。在连接转移反应部分3和CO氧化部分4的连接部分中设置了吸入空气的空气供给通道5。实施例1中，转移反应部分3被设置在改性反应部分2的上方外周侧，它们的上端是连通的，CO氧化部分4则被设置在改性反应部分2下方外周侧，其上端与转移反应部分3的下端相连。在CO氧化部分4的下端设置了排出被除去了CO的改性气体的改性气体排出通道7。
上述转移催化剂可通过水性转移反应使改性反应部分2生成的改性气体中所含的CO减少，例如，可使用在氧化铝或氧化锆等形成的载体上载有Cu、Zn、Fe、Cr等而构成的催化剂。转移反应部分3通过改性反应部分2生成的改性气体与转移催化剂的接触，使改性气体中所含的一氧化碳与水蒸汽进行转移反应，转变为氢气和二氧化碳，这样就能够除去改性气体中的大部分一氧化碳，使其浓度降至1％左右。上述转移反应为放热反应，该反应是在比改性反应部分2的水蒸汽改性反应温度低的温度范围内进行的。因此，使用烃类气体作为转移反应的原料气体时，反应温度约为200～350℃，较好为220～300℃。
另外，CO氧化催化剂能够使经过转移反应部分3处理后的改性气体中残存的CO选择性地被氧化，从而进一步减少CO，例如，可使用在氧化铝或氧化锆等形成的载体上载有Pt、Ru等而构成的催化剂。CO氧化部分4中，在转移反应部分3中CO有所减少的改性气体与通过空气供给通道5吸入的空气(氧气)混合后，与上述CO氧化催化剂接触，选择性地将CO氧化为二氧化碳而将其除去。这时，改性气体中的CO浓度被进一步降低，达到100ppm以下的程度。利用CO氧化催化剂进行的一氧化碳的氧化反应为放热反应，可在低于上述转移反应温度的范围内进行。因此，其反应温度约为100～250℃，较好的是在120～180℃的范围内。
设置在改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4之间的隔壁8具有调节传递热的功能，即上述改性反应部分的余热仍旧高于所需温度，但为了不使热直接传递给位于其外侧的转移反应部分3和CO氧化部分4，在一定程度上减少了所传递的热量，将来自改性反应部分2的传递热的温度调节到转移反应部分3和CO氧化部分4所需的反应温度范围内。例如，可使用公知的隔热材料和中空层等，通过适当调节其材质和厚度，能够获得适宜的调节传递热的效果。
该改性装置中，以燃烧室1为中心，沿其外周，以同心状一体化设置了改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4，所以，能够使获得除去了CO的改性气体的整个改性体系达到小型化目的。而且，燃烧室1的热量被高温下进行作为吸热反应的水蒸汽改性反应的改性反应部分2消耗，其余热被间接传递给外侧的转移反应部分3和CO氧化部分4，这样，燃烧室1的热量就被改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4有效利用，能够减少热量损失。特别是由于改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4以同心状设置，所以，对应于作为热源的燃烧室1不会出现局部偏差，获得了良好的平衡，同时也减少了反应部分内的温度差。此外，来自改性反应部分2的传递热通过隔壁5被调整到适宜温度后，被传递到比改性反应部分2温度低的外侧的转移反应部分3和CO氧化部分4，所以，转移反应部分3和CO氧化部分4能够在适宜的反应温度范围内进行反应。
实施例2以下，对实施例2的改性装置进行说明。实施例2的改性装置如图2所示，其改性反应部分2和转移反应部分3通过迂回于转移反应部分3和CO氧化部分4外侧的迂回通道10相连，这点与实施例1是不同的。实施例2中，转移反应部分3被设置在改性反应部分2的下方外周侧，CO氧化部分4被设置在改性反应部分2的上方外周侧，上述迂回通道10与改性反应部分2的上端和转移反应部分3的下端相连，改性气体排出通道7被设置在CO氧化部分4的上端。
实施例2的改性装置中，产生于改性反应部分2的高温改性气体通过迂回通道10放热，达到转移反应部分3所需的温度范围，然后该气体被送入转移反应部分3，这样转移反应部分3就能够顺利进行反应。
此外，由于转移反应部分3位于改性反应部分2的下方外周侧，CO氧化部分4位于改性反应部分2的上方外周层，所以对应于改性反应部分2的温度分布，相应地设定了转移反应部分3和CO氧化部分4的位置。即，在改性反应部分2的下方靠近燃烧室1的燃烧嘴9的位置为高温侧，而其上方远离燃烧嘴9的位置为低温侧。如前所述，转移反应部分3的反应温度区域高于CO氧化部分4，这样就能够很好地控制转移反应部分3和CO氧化部分4的温度。
实施例3以下，对实施例3的改性装置进行说明。实施例3的改性装置如图3所示，在改性反应部分2和转移反应部分3及CO氧化部分4之间介有隔壁8，其内部从上至下设置了原料供给通道6，这点与实施例1是不同的。
实施例3的改性装置中，通过上述原料供给通道6的改性原料和水蒸汽的混合气被改性反应部分2预热后才传递至改性反应部分2。所以，改性原料和水蒸汽的混合气在进入改性反应部分2后能够很快被加热至反应温度范围，能够容易地控制改性反应部分2中的温度。而且，原料供给通道6是同时提供改性原料和水的，所以，能够在该原料供给通道6内产生水蒸汽，这样就不需要另外设置水蒸汽发生装置。
实施例4以下，对实施例4的改性装置进行说明。实施例4的改性装置如图4所示，它与实施例3中的改性反应部分2、转移反应部分3、CO氧化部分4和原料供给通道的设置是上下相反的，即转移反应部分3被设置在改性反应部分2下方外周侧，而CO氧化部分4被设置在改性反应部分2上方外周侧，原料供给通道6在隔壁8内从下至上设置，与改性反应部分2的上端相连。
该改性装置中，与实施例3同样，能够利用改性反应部分2的热对原料供给通道6进行预热，而且，与实施例2同样，对应于改性反应部分2的温度分布，相应地设定了转移反应部分3和CO氧化部分4的位置。所以，能够很好地控制该改性装置各反应部分的温度。
实施例5以下，对实施例5的改性装置进行说明。实施例5的改性装置如图5所示，它是将实施例3的设置在隔壁8内的原料供给通道6呈旋管状安装在改性反应部分2的周围而构成的。这种情况下，原料供给通道6的预热很充分，而且，具有与隔壁8同样的调节传递热的作用，即流入其内部的改性原料和水蒸汽的混合气吸收了来自改性反应部分2的过剩的传递热，这样就对传递给转移反应部分3和CO氧化部分4的热的温度进行了调节。
实施例6以下，对实施例6的改性装置进行说明。实施例6的改性装置如图6所示，它是将实施例1的原料供给通道6呈旋管状安装在转移反应部分3和CO氧化部分4的外周而构成的。这种情况下，利用转移反应部分3和CO氧化部分4的热量对原料供给通道6进行预热，这样就能够将从转移反应部分3和CO氧化部分4放出的废热用于原料供给通道6的预热，有效地利用热源的热量，减少热损失。
实施例7以下，对实施例7的改性装置进行说明。实施例7的改性装置如图7所示，在其构造中，改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4的设置与实施例1上下相反，一部分原料供给通道6呈旋管状导入靠近燃烧室1内部上端，同时与改性反应部分2的上端相连。这种情况下，利用燃烧室1的燃烧后气体对原料供给通道6进行预热，与燃烧后气体同时从燃烧室1排出的废热也被用于原料供给通道6的预热，这样就有效地利用了热源的热量，减少了热损失。
实施例8以下，对实施例8的改性装置进行说明，这里将实施例8～20作为一组，表示主要部分具有同样结构的改性装置，实施例8为它们的基本形。
实施例8的改性装置如图8所示，在中心位置沿轴向上下设置了圆筒状燃烧室1，在其周围连接设置了改性反应部分2。在燃烧室1上方，与该燃烧室1同轴上连接设置了流向上方的来自燃烧室1的燃烧后气体的排气空间14。该排气空间14周围设置了转移反应部分3，在转移反应部分3的周围有一空隙层，在其周围设置了CO氧化部分4。
原料供给通道6被连接在改性反应部分2的下端。该原料供给通道6由只供给改性原料的原料用导管6a和供给水蒸汽(水)的水蒸汽导管6b在中途汇合而构成。上述水蒸汽导管6b的一部分与改性反应部分2的外周相连，被改性反应部分2的热量预热。
而且，改性反应部分2的上端和转移反应部分3的下端通过连接管12相连。转移反应部分3的上端和CO氧化部分4的上端通过连接管13相连。该连接管13中设置了CO氧化部分4所需的用于吸入空气的空气供给通道5，在CO氧化部分4的下端设置了改性气体排出通道7。
燃烧室1内部填充了作为燃烧装置9的燃烧催化剂9b。该燃烧催化剂9b可使用载体上载有Pt、Ru、Pd、Rh等构成的催化剂。而且，燃烧室1的下端连接了用于提供燃气和燃烧用空气的燃料供给通道11。该燃料供给通道11在与燃烧室1的入口相连的位置上有一个孔11a，这样能够匀速地将燃气送入燃烧室1内。此外，燃烧室1中作为燃烧装置9还可使用燃烧嘴。
以下，对该改性装置的操作进行说明。首先从燃料供给通道11将燃气和空气导入燃烧室1，使它们与燃烧催化剂9b接触，燃烧并放热。在燃烧室1中燃烧后的排气通过排气空间14被排到外部。另一方面，从原料供给通道6将改性原料和水蒸汽的混合气导入改性反应部分2。此时，水蒸汽导管6b中提供的是水，但水能够在中途被改性反应部分2的热量预热而转变为水蒸汽，然后与改性原料混合。改性原料转变为改性反应部分2中的含有CO的改性气体，然后使其依次通过转移反应部分3和CO氧化部分4，转变为除去了CO的改性气体，接着从改性气体排出通道7排出。上述情况下，改性反应部分2直接由燃烧室1加热，其温度被控制在最高温区域，而转移反应部分3被流入了燃烧后气体的排气空间14加热，其温度被控制在低于改性反应部分2的低温区域，CO氧化部分4由转移反应部分3的传递热加热，其温度被控制在低于转移反应部分3的低温区域。这样通过直接加热改性反应部分2，间接加热转移反应部分3和CO氧化部分4，能够很好地控制温度。此外，由于这些反应部分是同心设置的，所以温度偏差很小。另外，在CO氧化部分4外部设置的风扇等会吹入冷却风，这样就更易于温度的控制。
实施例9以下，对实施例9的改性装置进行说明。该改性装置如图9所示，通过在实施例8的燃烧室1内的中心位置设置不燃性芯16而构成。该芯16是中空的，热容量较小。通过设置该芯16，使燃烧室1内的燃烧气体通道变窄，其结果是加快了燃烧气体的流速，提高了与改性反应部分2的热交换率。而且，加热改性反应部分2主要是利用流入燃烧室1内周附近的燃烧气体，而不是利用流入燃烧室1中心位置的燃烧气体，这样就提高了燃烧气体从燃烧室1排出的可能性，芯16占据了燃烧室1的中心位置，燃烧气体流入燃烧室1的内周附近，这样就减少了热损失。
实施例10以下，对实施例10的改性装置进行说明。该改性装置如图10所示，通过在实施例8的排气空间14内的中心位置设置不燃性芯17而构成。该芯17是中空的，而且热容量较小。该芯17的作用与实施例9所述相同，使排气空间14内的燃烧后气体通道变窄，其结果是加快了燃烧气体的流速，提高了与转移反应部分3的热交换率。此外，燃烧气体不被导入对转移反应部分3的加热没有多大作用的排气空间14的中心位置能够减少热损失。
实施例11以下，对实施例11的改性装置进行说明。该改性装置如图11所示，通过在燃烧室1和排气空间14的中心位置分别设置芯16和17而构成。该改性装置能够获得实施例9和实施例10所述的相乘效果。
实施例12以下，对实施例12的改性装置进行说明。该改性装置如图12、图13所示，通过在实施例8的燃烧室1和排气空间14间设置用于吸入外部空气的空气吸入口18而构成。具体来讲就是空气吸入口18具有在与燃烧室1和排气空间14相连部分周围的环状通道18b和以环状形成于上述连接部分的多个开口18a，从空气吸入口18吸入的空气从环状通道18b出来在上述连接部分周围沿圆周流动，再从形成环状的多个开口18a被均匀地吸入燃烧后气体通道。这种情况下，刚从燃烧室1出来的高温燃烧后气体被空气吸入口18吸入的外部空气冷却至适宜温度，进行温度调节后被送入排气空间14，然后对转移反应部分3的加热温度进行调整。此外，图13的斜视图中，11b为燃料供给通道11中只装有燃气的燃料导管，11c为燃料供给通道11中只装有燃烧用空气的空气导管。而且，50为用于插入检查改性反应部分2中温度的热电偶等装置的插入口，51为用于插入检查CO氧化部分4中温度的热电偶等装置的热电偶插入口，52为用于插入检查转移反应部分3中温度的热电偶等装置的热电偶插入口，53为改性催化剂的填充口。
实施例13以下，对实施例13的改性装置进行说明。该改性装置如图14所示，通过在实施例12的燃烧室1和排气空间14的中心位置分别设置16和17而构成。这种情况下，能够获得实施例11和实施例12所述的相乘效果。
实施例14以下，对实施例14的改性装置进行说明。该改性装置如图15所示，通过在实施例11的改性反应部分2、转移反应部分3和CO氧化部分4的表面设置热传导率高于形成该表面的材料的高传热性材料19而构成。该传热材料19具有使各反应部分中气体流向的温度分布均一化的作用。即，上述各反应部分沿气体流向有产生温度差的倾向，例如，由于改性反应部分2为吸热反应，所以下风口的温度下降，而转移反应部分3和CO氧化部分4为放热反应，所以下风口的温度有上升的趋势。利用设置在上述反应部分表面的传热材料19能够使温度差减小。上述反应部分的表面材料可以是自身具备较高的热传导率的材料，由于它是在加热下被使用的，所以要求其具备耐热性，另外还要求耐腐蚀性和耐久性，综合起来考虑，可使用不锈钢等，又，作为传热材料19还可使用铜或铝等。它们虽然在耐热性和强度方面比不锈钢差，但热传导率良好。
实施例15以下，对实施例15的改性装置进行说明。该改性装置如图16所示，通过在实施例12的燃烧室1内的中心位置设置芯16，在燃烧室1和排气空间14的连接部分内设置作为加热排气空间14的辅助加热装置的燃烧嘴20而构成。图中，21为燃烧嘴20的点火装置，该燃烧嘴20在转移反应部分3的加热温度较低时，能够对排气空间14进行加热，而且，在生成改性气体的初期，还可用于对转移反应部分3的预热。
实施例16以下，对实施例16的改性装置进行说明。该改性装置如图17所示，通过在实施例15的排气空间14内设置燃烧催化剂22的填充部位，在排气空间14的入口设置由燃烧催化剂形成的催化剂网23而构成。该改性装置中，燃烧嘴20的使用方法除了与实施例15所述相同之外，还可利用燃烧嘴20的火焰对催化剂网23和燃烧催化剂22进行初期加热，将它们作为排气空间14的辅助加热装置使用。而且，燃烧催化剂22的燃烧使用了燃烧嘴20和空气吸入口18提供的燃料、残存于来自燃烧室1的燃烧后气体中的氧和空气吸入口18吸入的空气。
然后，对实施例17的改性装置进行说明。该改性装置如图18所示，通过在实施例8的燃烧室1入口设置作为用于预热燃烧室1内的燃烧催化剂9b的预热装置的由燃烧催化剂形成的催化剂网25，在燃料供给通道6设置点火装置24而构成。燃烧室1的热源为催化燃烧后的热量时，如果燃烧催化剂9b的温度达不到一定程度以上而无法引起燃烧反应，就可利用上述点火装置24点燃燃气，通过比较容易被加热的催化剂网25使燃烧反应开始，通过预热燃烧催化剂9b，能够在燃烧开始初期立即开始燃烧。
实施例18以下，对实施例18的改性装置进行说明。该改性装置如图19所示，通过在实施例8的CO氧化部分4外周设置散热片26而构成。这种情况下，各反应部分中要求反应温度最低的CO氧化部分4的温度可通过上述散热片26的放热来控制。散热片26的放热量可通过改变其数量、长度或冷却风的方向来调节。而且，如图20(A)(B)所示，使散热片26的高度沿CO氧化部分4的气流方向变化，能够改善CO氧化部分4内的温度分布。
实施例19以下，对实施例19的改性装置进行说明。该改性装置如图21所示，通过在实施例12的使排气空间14内的燃烧后气体排到外部的排气口27上设置作为开关的盖子28，在转移反应部分3和CO氧化部分4之间设置与排气空间14交叉且连通的第1槽29，在CO氧化部分4周围设置与第1槽29连通的第2槽30而构成。第1槽29与排气空间14的上端连通，第2槽30的下端与第1槽29的下端连通。第2槽30的上端向外开口，能够排气。
该改性装置中，利用盖子28使排气口27打开，能够使排气空间14内的燃烧后气体流向第1槽29，再流向第2槽30，此时，转移反应部分3和CO氧化部分4也可被流入第1槽29和第2槽30的燃烧后气体加热。另一方面，打开盖子28使排气口27处于开放状态时，排气空间14的燃烧后气体从该排气口27排到外部，几乎不流向第1槽29和第2槽30。因此，通过盖子28控制排气口27的开关，能够自如地调节转移反应部分3和CO氧化部分4的温度。
实施例20以下，对实施例20的改性装置进行说明。该改性装置如图22所示，通过在实施例19的第2槽30上设置用于吸入外部空气的空气吸入口31而构成。该空气吸入口31在第1槽29和第2槽30的连通处开口，导入外部空气。这种情况下，从空气吸入口31向第2槽30中导入外部空气，冷却了CO氧化部分4，使这部分温度得到控制。
实施例21以下，对实施例21的改性装置进行说明。这里将实施例21～24作为一组，表示主要部分具有同样的结构的改性装置。实施例21是它们的基本形。
实施例21的改性装置如图23(A)(B)所示，通过沿轴向上下设置圆筒状燃烧室1，在燃烧室1内以同心状导入旋管状改性反应部分2，燃烧室1的上方设置将来自燃烧室1的燃烧后气体直接排到外部的主排气口36，在该主排气口36上设置作为开关的第1盖子37，在主排气空间32周围设置与该主排气空间32交叉但连通的第1槽33，在该第1槽33周围设置与第1槽33连通的第2槽34，在第1槽33内设置转移反应部分3，在第2槽34内设置CO氧化部分4而构成。
燃烧室1内部填充了作为燃烧装置9的燃烧催化剂9b。而且，在燃烧室1下端连接了用于导入燃气和燃烧用空气的燃料供给通道11。该燃料供给通道11在与燃烧室1入口相连的位置有一个孔11a，能够将燃气匀速地送入燃烧室1内。而且，燃烧室1中作为燃烧装置9也可使用燃烧嘴。
改性反应部分2是在旋管状导管内填入改性催化剂而形成的，改性反应部分2的上端从燃烧室1上部导向外部，与原料供给通道6相连。该原料供给通道6由只提供改性原料的原料用导管6a和提供水蒸汽(水)的水蒸汽导管6b在中途汇合而构成。上述水蒸汽导管6b的一部分接于燃烧室1的外周呈夹套状，能够被燃烧室1的热量预热。而且，改性反应部分2的下端从燃烧室1的下部导向外部，与连接该改性反应部分2和转移反应部分3的连接管12相连。
转移反应部分3是在旋管状导管内填入转移催化剂而形成的，在第1槽33内由下至上盘旋而导入。上述连接管12与转移反应部分3的下端相连。
CO氧化部分4是在旋管状导管内填入CO氧化催化剂而形成的，在第2槽34内由上至下盘旋而导入。CO氧化部分4的上端与转移反应部分3的上端通过连接管13相连。该连接管13上设置了用于吸入CO氧化部分4所需的空气的空气供给通道5。CO氧化部分4的下端与向外部导出的改性气体排出通道7相连。
第1槽33的下端与主排气空间32连通，其上端与第2槽34连通。而且，在第1槽33的上端设置了将内部的燃烧后气体排到外部的次排气口39，在第2槽34的外周还形成了第3槽35，第2槽34和第3槽35在下端是连通的。第2槽34和第3槽35共同的上端部分是开口的。在第2槽34下端设置了用于吸入外部空气的空气供给通道40。
主排气空间32上端的主排气口36比上述第1～第3槽的上端位置低，而且，该改性装置上端还设置了包含主排气口36上方在内，且跨过上述第1槽和第2槽的能够自由开关的封闭的第2盖子38。
该改性装置如图23(A)所示，通过同时关闭第1盖子37和第2盖子38，能够堵住主排气口36、次排气口39和第2槽34的上端开口部分。如果在此状态下使燃烧室1内部燃烧，则来自燃烧室1的燃烧后气体能够从下至上流入第1槽33，再从第1槽33的上端往下流入第2槽34，然后从第2槽34的下端往上流入第3槽，最后排到外部。这种情况下，改性反应部分2被燃烧室1内的高温燃气加热，而第1槽33内的转移反应部分3和第2槽34内的CO氧化部分4被来自燃烧室1的燃烧后气体加热。这样各反应部分就都被预热了。
然后，如图23(B)所示，如果打开第1盖子37和第2盖子38，使主排气口36、次排气口39和第2槽34上端的开口部分处于开放状态，则来自燃烧室1的燃烧后气体主要通过主排气空间32，从主排气口36排出，只有少量上述燃烧后气体流入第1槽33，从次排气口39排出，几乎不流入第2槽34。此时，转移反应部分3被极少量流入的燃烧后气体、来自主排气空间32的辐射热和固体传热、流入其内部的改性气体自身具有的热量加热。因此，转移反应部分3的温度被控制在比改性反应部分2低的区域。另一方面，CO氧化部分4被来自转移反应部分3的辐射热和传递热、流入其内部的改性气体自身具有的热量加热。由于该CO氧化部分4没有被燃烧后气体加热，且上述辐射热和固体传热都较弱，所以其温度被控制在低于转移反应部分3的范围内。将CO氧化部分4的温度控制在较低区域时，可在第2槽34内流入来自空气供给通道40的外部空气。此外，第1盖子37和第2盖子38的开关随时间可任意设定。
该改性装置在生成改性气体前的运转初期，以预先关闭第1盖子37和第2盖子38的状态使燃烧室1燃烧，这样不仅能够预热改性反应部分2，还能够对转移反应部分3和CO氧化部分4进行预热，在正常运转时，打开第1盖子37和第2盖子38，能够很好地控制各反应部分的温度。
实施例22以下，对实施例22的改性装置进行说明。该改性装置如图24所示，通过在实施例21的燃烧室1内的中心位置设置不燃性芯16而构成。由于该芯16的存在，使燃烧室1内的气体通道变窄，流速加快，提高了改性反应部分2和燃气的热交换率。而且，燃烧室1内，燃烧催化剂9b只填充在其下侧部分。即，燃烧催化剂9b没有填满整个燃烧室1，也能够顺利进行燃烧反应，除去过剩的燃烧催化剂9b，能够减少燃气的压力损失。
实施例23以下，对实施例23的改性装置进行说明。该改性装置如图25所示，通过在实施例21的燃烧室1内的中心位置设置中空芯16，在芯16内设置为改性反应部分2提供改性原料和水蒸汽的原料供给通道6而构成。这种情况下，改性原料和水蒸汽能够在芯16内被预热，而且，芯16内还能够产生水蒸汽。
实施例24以下，对实施例24的改性装置进行说明。该改性装置如图26所示，通过在实施例22的芯16内设置为燃烧室1的燃烧催化剂9b提供燃料和燃烧用空气的燃料供给通道11而构成。由于这种情况是预热燃料和燃烧用空气之后才将它们提供给燃烧室1的燃烧催化剂9b的，所以能够利用燃烧催化剂9b很好地进行燃烧反应。
实施例25以下，对实施例25的改性装置进行说明。该改性装置如图27(A)(B)所示，通过沿轴向上下设置圆筒状燃烧室1，然后在燃烧室1内以同心状导入旋管状改性反应部分2。燃烧室1上方设置直接将来自燃烧室1的燃烧后气体排到外部的主排气口41，该主排气口41上设置作为开关的盖子42，在燃烧室1周围设置与燃烧室1侧壁上部连通的第1槽43，该第1槽43周围设置与该第1槽43下端连通的第2槽44，在第2槽44内设置旋管状CO氧化部分4而构成。
燃烧室1内填充了作为燃烧装置9的燃烧催化剂9b。燃烧室1下端连接了提供燃气和燃烧用空气的燃料供给通道11。该燃料供给通道11在与燃烧室1入口相连的位置有一个孔11a，能够将燃气匀速地送入燃烧室1内。而且，燃烧室1中作为燃烧装置9也可使用燃烧嘴。
改性反应部分2是在旋管状导管内填入改性催化剂而形成的，改性反应部分2的上端从燃烧室1上部导向外部，与原料供给通道6相连。该原料供给通道6由只提供改性原料的原料用导管6a和提供水蒸汽(水)的水蒸汽导管6b在中途汇合而构成。上述水蒸汽导管6b的一部分接于燃烧室1的外周呈夹套状，能够被燃烧室1的热量预热。而且，改性反应部分2的下端通过燃烧室1的中心位置从燃烧室1的上侧导出的连接管与转移反应部分3的上端相连。
转移反应部分3是在旋管状导管内填入转移催化剂而形成的，在第1槽43内由上至下盘旋而导入。
CO氧化部分4是在旋管状导管内填入CO氧化催化剂而形成的，在第2槽44内由下至上盘旋而导入。CO氧化部分4的下端与转移反应部分3的下端通过连接管相连。上述连接管上设置了用于吸入CO氧化部分4所需的空气的空气供给通道5。CO氧化部分4的上端与向外部导出的改性气体排出通道7相连。
第2槽44下端设置了吸入外部空气的空气供给通道45。
该改性装置如图27(A)所示，如果关闭盖子42，堵住主排气口41，以此状态使燃烧室1内部燃烧，则来自燃烧室1的燃烧后气体从上而下流入第1槽43，再往上流入第2槽44，然后排到外部。这种情况下，改性反应部分2被燃烧室1内的高温燃气加热，而第1槽43内的转移反应部分3和第2槽44内的CO氧化部分4被来自燃烧室1的燃烧后气体加热。这样各反应部分就都被预热了。
然后，如图27(B)所示，如果打开盖子42，使排气口41处于开放状态，则来自燃烧室1的燃烧后气体主要从主排气口41排出，几乎不流入第1槽43和第2槽44。此时，转移反应部分3被来自燃烧室1的辐射热和固体传热、流入其内部的改性气体自身具有的热量加热。因此，转移反应部分3的温度被控制在比改性反应部分2低的区域。另一方面，CO氧化部分4被来自转移反应部分3和第1槽43的辐射热和传递热、流入其内部的改性气体自身具有的热量加热。由于加热该CO氧化部分4的上述辐射热和固体传热都较弱，所以其温度被控制在低于转移反应部分3的范围内。将CO氧化部分4的温度控制在较低区域时，可在第2槽44内流入来自空气供给通道45的外部空气。
该改性装置在生成改性气体前的运转初期，以预先关闭第1盖子41的状态使燃烧室1燃烧，这样不仅能够预热改性反应部分2，还能够对转移反应部分3和CO氧化部分4进行预热，在正常运转时，打开第1盖子41，能够很好地控制各反应部分的温度。
产业上利用的可能性本发明的改性装置对提供作为例如燃料电池的发电燃料的改性气体有用。即，该改性装置通过很好地控制各反应部分的温度，能够制得CO浓度充分降低的优质改性气体。特别是使各反应部分连成一体，易于达到小型化目的，对燃料电池体系的小型化很有效。
权利要求
1．一种改性装置，其特征在于，具备独立但一体化设计的包含燃气燃烧放热而形成的热源、从热源直接获得反应热、对改性原料进行水蒸汽改性、生成以氢为主成分的改性气体的原料改性部分，利用水性转移反应使原料改性部分生成的改性气体中所含的CO减少的转移反应部分，以及使经过转移反应部分处理后的改性气体中所含CO氧化而进一步减少的CO氧化部分；上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分被设置成上述转移反应部分和CO氧化部分被来自上述原料改性部分的热源的传递热间接加热的状态。
2．如权利要求1所述的改性装置，其特征还在于，上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分以同心状设置，至少上述CO氧化部分被设置在外周侧。
3．如权利要求2所述的改性装置，其特征还在于，上述原料改性部分由作为上述热源的近似筒状的燃烧室和对改性原料进行水蒸汽改性、生成以氢为主成分的改性气体的改性反应部分构成，上述改性反应部分、上述转移反应部分、上述CO氧化部分与上述燃烧室以同心状设置。
4．如权利要求3所述的改性装置，其特征还在于，上述改性反应部分被导入上述燃烧室内，以同心状设置。
5．如权利要求3所述的改性装置，其特征还在于，上述改性反应部分与上述燃烧室的外周相连，呈夹套状。
6．如权利要求3～5的任一项所述的改性装置，其特征还在于，上述燃烧室的中心设置了不燃性芯。
7．如权利要求5或6所述的改性装置，其特征还在于，上述改性反应部分外周设置了上述转移反应部分和CO氧化部分。
8．如权利要求7所述的改性装置，其特征还在于，上述改性反应部分和上述转移反应部分及CO氧化部分之间设置了具有调节传递热功能的隔壁。
9．如权利要求7或8所述的改性装置，其特征还在于，连接上述改性反应部分和上述转移反应部分的通道迂回设置在上述转移反应部分和上述CO氧化部分外侧。
10．如权利要求7～9的任一项所述的改性装置，其特征还在于，对应于上述改性反应部分的温度分布，在该改性反应部分的高温侧设置了上述转移反应部分，在其低温侧设置了上述CO氧化部分。
11．如权利要求1～6的任一项所述的改性装置，其特征还在于，被来自上述原料改性部分热源的燃烧后气体加热的位置上分别设置了上述转移反应部分和CO氧化部分。
12．如权利要求3～6的任一项所述的改性装置，其特征还在于，使直接流入了来自上述燃烧室的燃烧后气体的排气空间与上述燃烧室在其同轴上方处相连，在排气空间周围设置了上述转移反应部分，在转移反应部分周围设置了上述CO氧化部分。
13．如权利要求12所述的改性装置，其特征还在于，上述燃烧室和上述排气空间之间设置了吸入外部空气的空气吸入口。
14．如权利要求12或13所述的改性装置，其特征还在于，设置了加热上述排气空间的辅助加热装置。
15．如权利要求12～14的任一项所述的改性装置，其特征还在于，设置了将上述排气空间内的燃烧后气体排到外部的排气口和控制排气口的开关，另外，还具备与上述排气空间交叉、设置在转移反应部分和CO氧化部分之间的槽1，以及与槽1连通、设置在上述CO氧化部分周围的槽2。
16．如权利要求15所述的改性装置，其特征还在于，上述槽1上设置了吸入外部空气的空气吸入口。
17．如权利要求12～16的任一项所述的改性装置，其特征还在于，上述排气空间的中心设置了不燃性芯。
18．如权利要求3～17的任一项所述的改性装置，其特征还在于，在上述改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分中至少一个部分的表面设置了热传导率高于构成该表面的材料的高传热材料。
19．如权利要求3～18的任一项所述的改性装置，其特征还在于，在上述CO氧化部分外表面设置了散热片。
20．如权利要求3～6的任一项所述的改性装置，其特征还在于，具备直接流入来自上述燃烧室的燃烧后气体的主排气空间，将主排气空间内的燃烧后气体排到外部的主排气口和控制主排气口的开关，另外，还具备与主排气空间交叉且连通的设置在该主排气空间周围的槽1，以及与槽1连通并设置在其周围的槽2，上述转移反应部分设置在上述槽1内，上述CO氧化部分设置在上述槽2内。
21．如权利要求20所述的改性装置，其特征还在于，上述槽1上设置了将内部燃烧后气体排到外部的次排气口和控制次排气口的开关。
22．如权利要求20或21所述的改性装置，其特征还在于，上述改性反应部分、转移反应部分和CO氧化部分中至少一个部分为旋管状。
23．如权利要求20～22的任一项所述的改性装置，其特征还在于，上述槽2上设置了吸入外部空气的空气供给通道。
24．如权利要求1～23的任一项所述的改性装置，其特征还在于，向上述原料改性部分提供改性原料和水蒸汽的原料供给通道的至少一部分设置在被来自上述原料改性部分热源的热量预热过的位置上。
25．如权利要求24所述的改性装置，其特征还在于，至少一部分上述原料供给通道与上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分中至少一个部分的表面相连设置。
26．如权利要求24所述的改性装置，其特征还在于，至少一部分上述原料供给通道被设置在与来自上述原料改性部分热源的燃烧后气体靠近的位置上。
27．如权利要求24所述的改性装置，其特征还在于，至少一部分上述原料供给通道被设置在受上述原料改性部分热源直接加热的位置上。
28．如权利要求1～27的任一项所述的改性装置，其特征还在于，向上述原料改性部分热源提供燃料的燃料供给通道的至少一部分被设置在经过该热源的热量预热的位置上。
29．如权利要求1～28的任一项所述的改性装置，其特征还在于，上述原料改性部分的热源由催化燃烧而产生，还设置了预热该热源的燃烧催化剂的预热装置。
30．一种改性装置，其特征在于，具备独立但一体化设计的由燃气燃烧放热而形成的燃烧部分，对改性原料进行水蒸汽改性、生成以氢为主成分的改性气体的改性反应部分，利用水性转移反应使原料改性部分生成的改性气体中所含的CO减少的转移反应部分，以及使经过转移反应部分处理后的改性气体中所含CO氧化而进一步减少的CO氧化部分；利用上述燃烧部分的直接加热将上述改性反应部分的加热温度控制在400～1000℃，利用来自上述燃烧部分的传递热的间接加热将上述转移反应部分的加热温度控制在200～350℃，将上述CO氧化部分的加热温度控制在100～250℃。
全文摘要
本发明的改性装置具备独立但一体化设计的包含燃气燃烧放热而形成的热源、从热源直接获得反应热、对改性原料进行水蒸汽改性、生成以氢为主成分的改分性气体的原料改性部分,利用水性转移反应使原料改性部生成的改性气体中所含的CO减少的转移反应部分,以及使经过转移反应部分处理后的改性气体中所含CO氧化而进一步减少的CO氧化部分;上述原料改性部分、转移反应部分和CO氧化部分中,将上述转移反应部分和CO氧化部分设置成被来自上述原料改性部分的热源的传递热间接加热的状态。作为间接加热的方法,可利用中间体以固体传热方式或辐射传热方式来传递热量,或利用来自上述燃烧室的燃烧后气体的热量。本发明的改性装置使上述3个独立的反应部分连为一体,达到了小型化目的,使热源的热量被有效利用,能够很好地控制各反应部分的温度。
文档编号C01B3/58GK1223622SQ97195956
公开日1999年7月21日 申请日期1997年6月30日 优先权日1996年6月28日
发明者工藤均, 山鹿范行, 品川幹夫 申请人:松下电工株式会社