专利名称：脱硫床和与其结合的燃料生产系统的制作方法
所属领域一般而言，本发明是有关燃料生产系统，特别是有关利用重整催化剂由重整原料制得氢气的燃料生产系统。
背景技术：
纯化后的氢可用于制备许多产品，包括金属、食用油脂、半导体、和微电子。纯化后的氢还是许多能量转换装置使用的一种重要燃料。例如，燃料电池可以利用纯化后的氢和氧化剂产生一个电动势。一种名为蒸汽重整的工艺就是通过化学反应生产氢和一定副产品或杂质的。然后再通过净化工艺除去不需要的杂质，制得足够纯净的氢气，用于燃料电池。
蒸汽重整工艺是一种在重整催化剂存在的条件下，水蒸汽与含碳原料反应的工艺。蒸汽重整工艺要求在如250℃至900℃之间的高温下工作，产品主要是氢气和二氧化碳，同时也会形成少量一氧化碳。蒸汽重整工艺还会留存有微量未参加反应的反应物以及形成的微量副产品。适用的含碳原料包括，但并不仅限于此，醇(如甲醇和乙醇)和碳氢化合物燃料(如甲烷、丙烷、汽油、柴油或煤油)。
几乎所有的碳氢化合物燃料都包含有不同浓度的有机含硫化合物，其浓度一般在约3ppm～约300ppm范围之内。这些含硫化合物将会毒害传统的蒸汽重整(和自热重整)催化剂，因而必须在将碳氢化合物燃料输送至重整催化剂之前将其除去。
一般而言，可以使碳氢化合物原料通过一个带有吸附材料的床而达到降低其中含硫化合物浓度的目标。一些众所周知的吸附材料大都是氧化锌基材料。这些材料并不能完全有效地除去有机含硫化合物，因为有些有机含硫化合物的反应活性很低，如噻吩和有机硫化物。尽管氧化锌一般能有效地除去碳氢化合物原料中的硫化氢，但其不能有效地去除其它含硫化合物。其它吸附材料大都是氧化镍基材料。尽管通常需要更高的反应温度，镍却能够与大多数含硫化合物形成化合物。但是，碳氢化合物原料一般会在镍上生成焦炭，这会降低的镍的反应活性，因为焦炭会阻塞反应点。
发明概述本发明是一种包括有改良的脱硫元件的燃料生产系统。燃料生产系统至少包括一个由水和含碳原料制备氢气的燃料生产器，含碳原料至少是碳氢化合物或醇中的一种。脱硫元件包括一个带有脱硫材料的脱硫床，其中脱硫材料能够除去或降低含碳原料中含硫化合物的浓度，例如低温变换(LTS)催化剂。
对于那些善于利用以下描述的具体实施方案和结合发明原则且以说明性例子揭示较佳实施例的简图的人而言，本发明的许多特征将变得一目了然。
附图简述
图1是依照本发明的一种燃料生产系统的一个示意图。
图2是图1所示的燃料生产系统的另一个实施例的一个示意图。
图3是图1所示的燃料生产系统的另一个实施例的一个示意图。
图4是依照本发明的一种脱硫元件的一个示意图。
图5是包括有一个加热元件的图4所示的脱硫元件的一个示意图。
图6是包括有一个加热元件的图4所示的脱硫元件的一个示意图。
图7是包括有一个加热元件的图4所示的脱硫元件的一个示意图。
图8是包括有一个加热元件的图4所示的脱硫元件的一个示意图。
图9是包括有一个能够监控脱硫元件状态的控制器的图1所示的燃料生产系统的一个示意图。
图10是有多个脱硫床的图9所示的燃料生产系统的一个示意图。
图11是可以与本发明中脱硫装置一同使用的蒸汽重整装置的一个示意图。
图12是图11所示的蒸汽重整装置的另一个实施例的一个示意图。
图13是一个燃料电池组的一个示意图。
图14是依照本发明的一个的脱硫元件的一个示意图。
图15是依照本发明的一个的脱硫元件的一个示意图。
图16是依照本发明的一个的脱硫元件的一个示意图。
图17是依照本发明的一个的脱硫元件的一个示意图。
图18是依照本发明的一个的脱硫元件的一个示意图。
发明详述和其最佳的模式依照本发明的一个燃料生产系统是图1中的10。系统10至少包括一个由原料蒸汽24生产氢气22的燃料生产器20。原料蒸汽24包括一个含碳原料28，例如至少碳氢化合物或醇中的一种。适用的碳氢化合物包括甲烷、丙烷、天然气、柴油、煤油、汽油和其它类似物质。适用的醇包括甲醇、乙醇和诸如乙烯基乙二醇和丙稀基乙二醇的多羟基化合物。
在一些实施例中，原料蒸汽24还包括水26，其中水或者被单独被输送至燃料生产器中，或者与含碳原料在相同的流动蒸汽中被输送至燃料生产器中。图1中原料蒸汽24包括分离的水蒸汽和含碳原料蒸汽。尽管这种构造也可用于原料为醇或其它水溶性原料28的情况，但其一般是用于含碳原料为碳氢化合物的情况。为了通过示图说明水和含碳原料可以在被输送至燃料生产器20之前混合，图1采用了虚线以显示原料蒸汽24可以包括含有水26和含碳原料28的单个蒸汽，虚线还表明了在输送至燃料生产器之前分离的水和含碳原料才进行混合的。
燃料生产器20包括一个由原料蒸汽24生产氢气产品22的产氢区30。燃料生产器20也可以通过任何适用的机制由水26和含碳原料28制得氢气。适用的机制包括蒸汽重整和自热重整，其中重整催化剂用于由水26和含碳原料28制得氢气。另一种生产氢气的适用机制是部分催化氧化醇和碳氢化合物机制。一般情况下，产氢区30至少包括一个催化床32，例如一个重整催化床和一个部分氧化催化床。蒸汽重整工艺中，产氢区30可以认为是重整区30，催化床32可以认为是重整催化床或蒸汽重整催化床。同样，自热重整工艺中，产氢区30可以认为是自热重整区30，催化床32可以认为是自热重整催化床。
系统10可以，但并非必须，包括至少一个燃料电池组34。每个燃料电池组34至少包括一个，一般包括多个，燃料电池36，该燃料电池能由氢气中产生出电流，氢气是诸如由燃料生产器20中制得的蒸汽22。适用的燃料电池包括质子交换膜(PEM)燃料电池和碱性燃料电池。另外，一些和所有的蒸汽22可以通过一个适当的管路输送至另一个耗氢工艺中，燃烧后供以燃料/加热，或存贮以备后用。适用的存贮装置例子包括压力罐和氢化物床。
一个燃料电池组的说明范例如图13所示。电池组34(和此处所包括的单个燃料电池36)包括有一个阳极区130和一个阴极区132，两者被一个氢离子可以透过的电解质薄膜或障碍134分隔开。阳极区和阴极区分别包括有阳极136和阴极138。燃料电池组的阳极区130接受氢气22。阴极区132接收空气140，并释放部分或全部用尽氧气的阴极空气废气142。氢气中释放的电子不能通过障碍134，相反就必须由一个外部电路144流出，这样就会产生电流，该电流可以负载一个或多个设备146，也可以为燃料生产系统提供电源。
阳极区130会定期充气，并释放可能包含氢气的充气流147。或者氢气可以通过燃料电池组的阳极区连续排放出和循环使用。燃料电池组34产生的电流能够负载诸如146的设备。图2给出的也是一种空气输送元件148，它适用于输送空气152至燃料电池组34，例如输送给阴极区132。图13中的空气输送元件148可以采取任何适用的形式。本发明范围内的空气输送元件148可以是一个单一设备，或是一种分离设备。同样地，空气输送元件148可以为燃料生产器20输送空气，或燃料生产器20可以包括自己的空气输送系统。
系统10还包括一个脱硫元件40，它适用于将含碳原料28中的含硫化合物除去，从而生产出含硫化合物浓度降低的原料28’。在实施例中，原料蒸汽包括水和含碳原料。应该认为，元件40在含碳原料与水26混合之前或之后都可以除去包括有含碳原料蒸汽中的含硫化合物。例如，图1中的虚线表示包括有含碳原料28和水26的单一气流，或是表示含有水26和含碳原料28的分离气流的混合点。本发明的范围内在汽化之前含碳原料和水不发生混合。
图1所示的脱硫元件40与燃料生产器20是分离的。“分离”表明脱硫系统与燃料生产器是通过流体连通的，但是在物理空间是分隔的。但是，本发明的范围内还允许元件40可以直接与燃料生产器连接，或者位于燃料生产器的外壳42中，如图2、图3所示。
如图4所示，元件40包括至少一个脱硫床44，含碳原料可以在被输送至燃料生成器的重整区之前穿过脱硫床。尽管图4中只有一个脱硫床44，但应该认为，脱硫床44的数量和大小是可变的，所以，元件40可以包括两个或两个以上并行排列的脱硫床(见图10)，或连续排列的脱硫床(见图14)。每个脱硫床44包含一种能脱去含碳原料中的含硫化合物并生产出含硫化合物浓度降低的原料28’的脱硫材料46。较为理想的是，在元件40的工作环境下材料46不会促使甲烷或焦炭的形成。
这里的术语“床”广义上表示其不仅包括含碳原料能穿过的填充柱和管，而且也包括其它相对较高的表面积区域，以及有相对较低的压降结构，或者具有脱硫材料46所处位置能够与含碳原料28接触的其他结构。本发明允许的其它脱硫床的例子包括浸渍或含有材料46的过滤器，以及能支撑材料46的多孔支撑体。这些支撑体具体包括的多孔材料如陶瓷材料、筛网、其它机织织物、编织筛，以及波形材料。
同样地，尽管图示中的元件40至少带有一个内置脱硫床44，但这并不代表是否应根据需要为脱硫床外部构建外罩。因此，本发明的范围内允许脱硫床包括一个环绕且与外罩分离的衬套，脱硫床也可以没有这样的衬套。
一种适用的脱硫材料46是低温变换(LTS)催化剂。LTS催化剂很容易中含硫化合物的毒，所以能够有效的将含碳原料中的硫化物脱去。LTS催化剂的活性也高于氧化锌，因此比氧化锌能更有效地脱去含碳原料中的含硫化合物。此外，在元件40的工作环境中，LTS催化剂不会促使焦炭的形成。
LTS催化剂的典型成分是铜和锌，且任何形状都行之有效。脱硫床中适用的一种形状是球团形。LTS也可以被挤压成所希望的形状，例如颗粒状、粉末状。一般而言，包括铜和锌的LTS催化剂包括约10-90％的铜(I)和/或铜(II)氧化物，以及约10-90％氧化锌。这里指的“氧化铜”是铜(I)和/或铜(II)氧化物。LTS催化剂还可以包括其它材料，如0-50％的氧化铝。其它LTS催化剂可以是20-60％的氧化铜，20-50％的氧化铜，或20-40％氧化铜。其它还包括上述例证范围的氧化铜和20-60％氧化锌，20-50％氧化锌，或者30-60％氧化锌。还有些LTS催化剂包括铬。LTS催化剂也可以包括其他脱硫材料，惰性和/或辅助材料。一种适用的LTS催化剂是由英国得利(ICI)公司制备并销售的商品名为52-1产品。这种LTS催化剂含大约30％的氧化铜，大约45％的氧化锌和大约13％的氧化铝。另一种适用的LTS催化剂是66GB制造并由美国肯塔基州路易(斯)维尔的联合化学(Süd-Chemie)公司出售的产品。其它适用的催化剂包括德国巴斯夫(BASF)公司出售的K3-100。
应该认为，只要满足下述标准的其它LTS催化剂都是适用的。在低于350℃的工作温度下，一种适用的LTS催化剂应该能够有效地脱去含碳原料28中的含硫化合物，能够促使一氧化碳和水转化生成氢气和二氧化碳，且在低于350℃的温度下，还能被约为1-10ppm硫浓度的含硫化合物毒害。
实际工作中，含碳原料是穿过含有LTS催化剂球团的脱硫床。脱硫床的工作温度在约20℃至400℃范围之内，更为理想的是在约100℃至400℃范围之内。有机含硫化合物(以及可能存在硫化氢)与催化剂球团在这些条件下发生反应生成稳定的铜和锌的硫化物，所以能够保存硫，而生产出低硫浓度的气流。利用LTS催化剂的优点在于铜和锌都不会促使碳氢化合物形成碳(焦炭)。
更为理想的是，元件40包括一个热元件50，或与热元件50存在热连通。“热连通”意味着热元件会向脱硫元件传递热，无论其与脱硫元件是集成的或是分离的，都能够输送热蒸汽至脱硫元件。例如，与脱硫元件分离的炉子或燃烧区被用于加热脱硫元件(或至少该处的脱硫床)。或者还可以通过输送热的废蒸汽至脱硫元件加热脱硫床。
图5中的一种适用的加热元件50形式是加热脱硫床44的电加热器52。加热器52可以采用任何适当的结构，电源由诸如外部电流或燃料电池组34产生的电流54提供。另一种适用的加热元件50形式说明性例子是图6所示的燃烧室56，它可以燃烧一种燃料蒸汽58生产出一种经加热的燃烧蒸汽60，该蒸汽可以在脱硫元件中加热脱硫床。燃烧室56包括一个燃烧器、燃烧催化剂、火花塞，或其它适用的点火源。燃料蒸汽58可以是任何适用的燃烧蒸汽，例如一个外部燃料蒸汽、部分氢气蒸汽22、燃料生成器20的燃烧副产品蒸汽，或这些蒸汽的结合。
加热元件50可以采用一种或多种形式的热蒸汽通过热交换加热脱硫元件或脱硫床。图7和图8所示的是包括换热蒸汽的加热元件。图7中的换热蒸汽66输送热流体68至脱硫元件40，蒸汽70脱去元件40中的流体。蒸汽66和70可以形成一个连续的流体回路，或蒸汽70将流体输送至下游目的地，以备使用、存储和处理。图8中吸硫床44包括一个或多个通道72，热蒸汽穿过它就可以加热脱硫床。图8中还有一种可选择的配水器76，它分布蒸汽流体74于通道之间。换热流体包括，但并不仅限于此，空气、水、油、乙烯乙二醇和硅树脂流体。
另外，加热元件50还可以通过加热输送至此的含碳原料28间接地加热脱硫床44。前面描述的示例的任何加热元件都可用于加热原料28。这可由图4说明，其中加热元件50在加热原料28。
床44必须定期更换和重新装料以保持其中脱硫材料46的脱硫性能。一般而言，一个床可用于净化碳氢化合物，直至床的脱硫能力至少高于原始脱硫能力的80％和大约小于原始脱硫能力的98％。应该认为，只要脱硫能力发生变化，床就应该更换和重新装料。但床达到一定的能力，和能力范围，床就应该从生产线中取出更换和重新装料。
若仅用一个床44，更为理想的是(但不一定必须)燃料生产系统10包括一个适当的控制器80，其用于确定何时到达所需能力百分数，并启动用户通知响应。图9说明了一种适用的控制器80，包括一个传感器82，它在床工作时，测量床脱硫能力的百分数。这个测量可以利用任何适用的传感设备直接或间接地实现。例如传感器可以直接用以量得床中硫的含量。当得知原料28中硫的含量，传感器82可以采取定时器和流量计的形式间接地测量硫的含量，他们分别是测量床使用时的工作时间和通过床的原料流量。为了证明这点，可参见图9和图10所示的适用传感器和传感器可能的位置。传感器82通过通讯链83与控制器80连通，通讯链83可以是任何适用的有线或无线且能实现单向或双向通讯的装置。
将所测得的脱硫能力级别与所存储的临界脱硫能力级别相对比，控制器可以产生一个系统响应，如控制信号85。类似于通讯链83，系统响应可以是任何适用的有线或无线能实现单向或双向通讯的装置。若测得的脱硫能力级别小于所存储的临界脱硫能力级别，则没有相应信号，因为脱硫材料还有足够的剩余脱硫能力。若测得的脱硫能力级别大于所存储的临界脱硫能力级别，控制器就会启动一个用户通知设备84，例如一种音频和/或视频设备。如上所述，控制器80包括存储部件87或至少一种存储设备，其用于存储至少一个脱硫床的临界值。
较为理想的临界值的选定不需要用户在脱硫材料的脱力能力降低至不能有效去除原料28中含硫化合物之前立即做出反应。更具体地讲，控制器最好在脱硫材料达到有效去除原料28中含硫化合物之前就启动通知用户设备。例如，控制器可以在脱硫材料的脱硫能力达80％、85％或90％时启动通知用户设备。应该认为，可以采用任何要求的临界值，上述临界值仅是一个说明例子。
控制器80中的与所测量的脱硫能力值比较的临界值可以多于一个。例如，当材料46的测量值大于一个较低的临界值时，用户通知设备84可以通知用户材料的能力将接近脱去含硫化合物能力的最低值，因而需要更换或装料。但是，如果测量值达到一个较高值时，这个值是指材料不再能有效地脱去原料28中的含硫化合物，那么控制器就应该启动系统控制响应，例如关闭部分或所有燃料生产系统或阻止输送原料至燃料生产器中，从而阻止了重整催化剂中带有含硫化合物原料的毒。
正如所讨论的，脱硫元件40可以包括一个以上的脱硫床44。图10就是一个说明性实施例。如图所示，脱硫元件40包括一对脱硫床，即床44’和44″。应该认为，床数量是任选的，可以包括两个以上的床。而且，床可以串行排列和/或并行排列。如图所示，控制器80包括一个传感器82，传感器用于测量每个床44的工作能力以确定床的工作能力是否超过一个或多个所存储的临界值。
在一些应用中，组件40还可以包括至少一个在特殊时间不运转的“空闲”床。但是，当某个床需要更换或装料时，就开始使用该空闲床，所使用过的床就停止作业。一旦离线，使用过的床就被更换和/或再装料，但是燃料系统不需要关闭或停止作业。图10中的控制80与一个选择性地输送原料至一个或多个床44的阀元件86连通。如图所示，阀元件86适用于输送原料至床44’。但是，例如当床44’的脱硫能力达到临界值时，响应控制器80发出信号，阀元件86就相反地输送原料至床44″。另外，阀元件86还可以手控，可以位于元件40的内部或外部。与含碳原料28分离之后，床44″可以更换或再装料。一种适用的床再装料或更具体地说更换床的脱硫材料46的机制是在氧气或空气中加热这些材料将硫化物转变成氧化物，然后还原氧化物并回收基体金属材料。
正如所讨论的，可以适用任何利用一种重整催化剂32的燃料生成器20都可以使用，例如蒸汽重整和自热重整。美国专利5861137和5997594，以及美国申请序列号09190917和09802361的美国专利都揭示有这样的例子，本发明也包括了这些专利中所披露的特征。图11是一例采用蒸汽重整装置100形式的燃料生产系统20。重整装置100包括重整或制氢区30，该区内原料蒸汽24产生含氢蒸汽或混合气体蒸汽104。如图11所示，原料蒸汽24是指含水26和含碳原料28’的分离蒸汽。含氢蒸汽一般包括杂质，因而被输送至分离区和净化区106净化蒸汽。在分离区106中含氢蒸汽被分离成一种或多种副产品蒸汽108以及一种经净化的氢蒸汽110，它可以通过适当的压力驱动分离程序形成氢蒸汽产品。正如所讨论的，产品氢蒸汽22可以被输送至燃料电池组34。或者一些或所有蒸汽22可以被输送至一个适用的存储设备，比如一个氢化物床和存储罐，或被输送至需要纯净氢气的工艺中。
分离区106的一种适当结构的例子是一个薄膜组件112，它包含一个或多个透氢金属薄膜114。美国专利6221117披露了一例由多个透氢金属薄膜组成的适用的薄膜组件，本文参照了其披露的整个特征。在该申请中，多个薄膜集成于一个有气流通道的薄膜组件中，通过气流通道，杂质气体可以被输送至薄膜，纯净气体可以由薄膜处获得，副产品蒸汽由薄膜处去除。衬垫，比如灵活的石墨衬垫，可用于密封进口和透过通道。
薄的平面式的透氢薄膜最好由钯合金制得，且大多数是含有35wt％至45wt％铜的钯合金。这些薄膜一般由约0.001英尺厚的薄箔制得。但是，本发明的范围内允许可以由择氢金属和不同于上述的金属合金制成，薄膜的厚度可以大于和小于上述厚度。例如，薄膜厚度可以制成更薄，且可随氢气流量增加而增加。透氢膜可以按照适用的结构排列，如按照子专利应用中揭示的在公用渗透通道周围成对排列。透氢膜也可以采取其它结构，例如管状结构。
另一个适用的压力分离工艺是压力互换吸附法(SPA)。所以，区106还应包括适当的能实施压力互换吸附的结构。
重整装置100还包括一个抛光区116，如图12所示。抛光区116从分离区106接受富氢蒸汽110，并通过降低和去除可能破坏燃料电池组34的成分如一氧化碳和二氧化碳的浓度，达到进一步净化蒸汽的目的。区116包括任何用于除去或降低蒸汽110中所选成分浓度的适用结构。例如，当产品蒸汽是用于质子交换膜燃料电池组(PEM)或其他当蒸汽中的一氧化碳和二氧化碳含量超过一定值会受到损坏的设备时，就有必要包括至少一个甲烷化催化床118。床118将一氧化碳和二氧化碳转变成甲烷和水，这两种物质都不会损坏PEM燃料电池组。抛光区116还可以包括另一个能将任何未反应的原料转化成氢气的产氢设备120，例如另一个重整催化床。在这样的实施例中，较为理想的是，第二个重整催化床在甲烷催化床的上游区，这样就不会将一氧化碳和二氧化碳重新引入甲烷催化床的下游区。
在前面的讨论中，重点集中在列举适用于本发明脱硫床44的脱硫材料46的特殊例子。本发明的范围内还允许LTS催化剂单独使用或与其他脱硫床共同使用，例如图15中160。例子中的床160包括带有传统的脱硫材料162的床，脱硫材料如氧化锌、氧化镍、氧化铁、和/或活性木炭。另一种适用的床160是一种脱硫催化床164。脱硫催化剂用于将传统脱硫材料162不能吸附的硫化物通过一种称为转化成加氢脱硫法的工艺将硫化物转化成硫化氢。在此工艺中，含碳原料在高温下与催化剂接触，在高的氢分压环境中将传统脱硫材料不易去除的含硫化合物转化成硫化氢，这些含硫化合物包括硫醇、诸如噻吩的有机硫磺、和硫化物和二硫化物复合物。然后，通过传统脱硫材料将硫化氢脱去。
图15中床160在床44之前，但是相反的顺序也是可行的，如图16所示。同样地，图17中的床44可以在160之前和之后，床160还可以有相同的和不同的结构。再举一例，图18表明床44可以包含材料46以及其他脱硫材料如材料162。
工业应用本发明适用于所有的燃料生产和燃料电池系统，其中原料蒸汽包括一种含碳原料，该原料则可以包括含硫化合物或被含硫化合物污染。
可以相信，上述披露包括多个能独立使用的独特发明。尽管每个发明被以较为理想的形式披露，但其在此披露和示例的具体实施例并不仅限于此，其存在尽可能多的变化形式。本发明主题包括所有新颖的和在此披露的不同器件、特征和/或性能的不显著结合与亚结合。同样地，权利要求中陈述的″一个″或″第一个″或其他类似的陈述应理解为包括一种或一种以上这样元件的结合，既不需要也不排除两种或两种以上的元件。
可以相信，以下权利要求会显著地指出所披露的发明、新颖的和不明显的结合与局部结合。发明的其他特征、功能、器件和/或性能的结合与局部结合的具体实施例可以通过修正本发明专利要求或再该申请或相关申请的新的权利要求中提出权利要求。这样的修正或新权利要求，不管他们是否是指不同的发明或相同的发明，与原始权利要求相比他们的范围无论是不同的、拓宽的、变窄的或是相同的，都将被认为是属于现在所披露的发明主题。
权利要求
1.一种燃料生产系统，包括一种脱硫元件，包括至少一种接受带有含碳原料和硫化物蒸汽的脱硫床，该床含有能够降低蒸汽中含硫化合物浓度的脱硫材料，而且在低于约350℃条件下，脱硫材料能促使一氧化碳和水发生变化生成氢气和二氧化碳；和一种用于接受来自与脱硫元件的带有含碳原料的蒸汽，并生产出一种含有氢的氢蒸汽。
2.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组在床温度低于约400℃条件下工作时，不会促使含碳原料生成甲烷的材料。
3.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组在床温度低于约400℃条件下工作时不会促使含碳原料生成焦炭的材料。
4.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料在100℃至400℃范围之内脱除含碳原料中硫化物的活性比氧化锌更高。
5.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料适用于吸收有机硫化物。
6.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组能中硫化物毒的材料。
7.根据权利要求6所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组能中硫化物毒的材料，这些硫化物的浓度范围在1-10ppm之内，温度低于350℃。
8.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括10-90％的氧化铜。
9.根据权利要求8所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括20-60％的氧化铜。
10.根据权利要求9所述的燃料生产系统，其中脱硫材料还包括氧化锌。
11.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括铬。
12.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫床工作温度范围在20℃至约400℃之内。
13.根据权利要求12所述的燃料生产系统，其中燃料生产系统包括一个加热元件，其适用于加热至少一个脱硫床至100℃至约400℃范围之内。
14.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫元件包括多个含有脱硫材料的脱硫床。
15.根据权利要求14所述的燃料生产系统，其中脱硫元件包括一个阀元件，阀元件选择性地输送带有含碳原料的蒸汽到至少一个但少于全部脱硫床，这样至少有一个脱硫床不会接受一部分包含有含碳原料的蒸汽。
16.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床具有一定的脱硫能力，并且燃料生产系统包括至少一个传感器用于测量工作的每个床的脱硫能力百分数。
17.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床具有一定的脱硫能力，并且燃料生产系统包括一个控制器，其适用于确定何时达到与预先确定的脱硫能力百分数相对应的临界值，并由此而启动用户通知响应元件。
18.根据权利要求17所述的燃料生产系统，其中根据确定床在大于临界值的状态下工作，控制器给一个用户通知设备发送一个控制信号。
19.根据权利要求17所述的燃料生产系统，其中控制器至少包括一个用于测量每个床在其工作时的脱硫能力百分数的传感器。
20.根据权利要求19所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床包括一个与控制器连通的传感器，它用于测量脱硫床在其工作时的脱硫能力百分数。
21.根据权利要求17所述的燃料生产系统，其中控制器包括一个存储部件，它为每个含有脱硫材料的脱硫床存有至少一个临界值。
22.根据权利要求21所述的燃料生产系统，其中控制器包括一个存储部件，它为每个含有脱硫材料的脱硫床至少存有一个较低的和较高的临界值。根据确定含有脱硫材料的脱硫床在工作时脱硫能力超过较低的临界值，控制器发送第一个控制信号给一个用户通知设备，进而根据确定含有脱硫材料的脱硫床在工作时脱硫能力超过较高的临界值，控制器发送第二个控制信号给一个用户通知设备。
23.根据权利要求22所述的燃料生产系统，其中用户通知设备在收到第一个和第二个控制信号时会产生不同的响应。
24.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中脱硫元件还进一步包括至少一个脱硫区，该区采用不同于脱硫材料的方法除去含碳原料中的硫化物。
25.根据权利要求24所述的燃料生产系统，其中至少一个脱硫区利用加氢脱硫法去除硫化物。
26.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中含碳原料包括至少一种碳氢化合物。
27.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中含碳原料包括至少一种醇。
28.根据权利要求1所述的燃料生产系统，其中原料蒸汽包括水，燃料生产器包括一个重整区，重整区中通过重整反应，重整催化床将会由原料蒸汽生产出含有氢气的蒸汽，而且氢蒸汽产品是由含有氢气的蒸汽形成的。
29.根据权利要求28所述的燃料生产系统，其中含氢蒸汽还包括其他气体，且其中的燃料处理器包括一个分离区，分离区将含氢蒸汽分离成至少含有大量氢气的富氢蒸汽和至少含有大量其他气体的副产品蒸汽。
30.根据权利要求29所述的燃料生产系统，其中分离区通过压力驱动分离工艺将含氢蒸汽分离成富氢蒸汽中和副产品蒸汽。
31.根据权利要求30所述的燃料生产系统，其中分离区包括至少一种与含氢蒸汽接触的透氢膜，而且富氢蒸汽由透过薄膜的部分含氢蒸汽形成，副产品蒸汽由未透过薄膜的含氢蒸汽形成。
32.根据权利要求31所述的燃料生产系统，还进一步包括一个燃料电池组，其用于接受至少一部分氢气蒸汽产品，并由此形成电流。
33.根据权利要求31所述的燃料生产系统，其中至少一种薄膜包括至少钯和钯合金中的一种。
34.根据权利要求33所述的燃料生产系统，其中分离区包括多个成对排列的透氢膜，每对薄膜形成一个透氢通道，通过它生产出富氢蒸汽。
35.根据权利要求1所述的燃料生产系统，还包括一个燃料电池组，其用于接受至少一部分氢气蒸汽产品，并由此形成电流。
36.一种燃料生产系统，包括一种脱硫元件，包括至少一种用于接受带有含碳原料和硫化物蒸汽的脱硫床，该床含有能够降低蒸汽中含硫化合物的浓度的脱硫材料，而且脱硫材料选自一组在床温度低于约400℃条件下工作不会促使含碳原料生成甲烷和焦炭的材料，另外脱硫材料适用于吸收有机硫化物；和一种燃料生产器，用于从脱硫元件中接受带有含碳原料和硫化物蒸汽，生产含有氢气的氢蒸汽，燃料生产器包括至少一种重整催化床，在其中含有氢气和其他气体的混合蒸汽产自于包括有带有含碳原料和水的原料蒸汽，而且燃料生产器还包括一个通过压力驱动分离工艺将混合蒸汽分离成至少含有大量氢气的富氢蒸汽和至少含有大量其他气体的副产品蒸汽的分离区。
37.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫材料在100℃至400℃范围之内脱除含碳原料中的硫化物的活性比氧化锌更高。
38.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组暴露在硫化物中能中毒的材料。
39.根据权利要求38所述的燃料生产系统，其中脱硫材料选自一组暴露在硫化物中能中毒的材料，这些硫化物的浓度在1-10ppm范围之内，温度低于约350℃。
40.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括10-90％的氧化铜。
41.根据权利要求40所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括20-60％的氧化铜。
42.根据权利要求41所述的燃料生产系统，其中脱硫材料还包括氧化锌。
43.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫材料包括铬。
44.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫床工作温度范围在20℃至约400℃。
45.根据权利要求44所述的燃料生产系统，其中燃料生产系统包括一个加热元件，其适用于加热至少一个脱硫床至100℃至约400℃范围之内。
46.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中脱硫元件包括多个含有脱硫材料的脱硫床。
47.根据权利要求46所述的燃料生产系统，其中脱硫元件包括一个阀元件，阀元件选择性地输送带有含碳原料的蒸汽到至少一个但少于全部的脱硫床，这样至少有一个脱硫床不会接受一部分包含有含碳原料的蒸汽。
48.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床具有一定的脱硫能力，并且燃料生产系统包括至少一个传感器用于测量工作的每个床的脱硫能力百分数。
49.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床具有一定的脱硫能力，并且燃料生产系统包括一个控制器，其适用于确定何时达到与预先确定的脱硫能力百分数相对应的临界值，并由此而启动用户通知响应元件。
50.根据权利要求49所述的燃料生产系统，其中根据确定床在大于临界值的状态下工作，控制器给一个用户通知设备发送一个控制信号。
51.根据权利要求49所述的燃料生产系统，其中控制器至少包括一个用于测量每个床在其工作时的脱硫能力百分数的传感器。
52.根据权利要求51所述的燃料生产系统，其中每个含有脱硫材料的脱硫床包括一个与控制器连通的传感器，它用于测量脱硫床在其工作时的脱硫能力百分数。
53.根据权利要求49所述的燃料生产系统，其中控制器包括一个存储部件，它为每个含有脱硫材料的脱硫床存有至少一个临界值。
54.根据权利要求53所述的燃料生产系统，其中控制器包括一个存储部件，它为每个含有脱硫材料的脱硫床至少存有一个较低的和较高的临界值，根据确定含有脱硫材料的脱硫床在工作时脱硫能力超过较低的临界值，控制器发送第一个控制信号给一个用户通知设备，进而根据确定含有脱硫材料的脱硫床在工作时脱硫能力超过较高的临界值，控制器发送第二个控制信号给一个用户通知设备。
55.根据权利要求54所述的燃料生产系统，其中用户通知设备在受到第一个和第二个控制信号时会产生不同的响应。
56.根据权利要求36所述的燃料生产系统，其中分离区包括至少一种与含氢蒸汽接触的透氢膜，而且富氢蒸汽由透过薄膜的部分含氢蒸汽形成，副产品蒸汽由未透过薄膜的含氢蒸汽形成。
57.根据权利要求56所述的燃料生产系统，其中至少一种薄膜包括至少钯和钯合金中的一种。
58.根据权利要求57所述的燃料生产系统，其中分离区包括多个成对排列的透氢膜，每对薄膜形成一个透氢通道，通过它生产出富氢蒸汽。
59.根据权利要求36所述的燃料生产系统，还进一步包括一个燃料电池组，其用于接受至少一部分氢气蒸汽产品，并由此形成电流。
60.一个蒸汽重整装置，它用于接受包括水和含碳原料的原料蒸汽，它包括一个至少有一个重整催化床的重整区，重整区中含氢蒸汽是由原料蒸汽制得的，蒸汽重整装置的改进包括一个至少包括一个在重整区上游的含有低温变换催化剂的脱硫元件，它用于在将原料蒸汽输送至重整区之前脱去原料蒸汽的至少一部分的含硫化合物。
全文摘要
一种包括经改良的脱硫元件的燃料生产系统。燃料生产系统至少包括一个由水和含碳原料制备氢气的燃料生产器，含碳原料至少是碳氢化合物或醇中的一种。脱硫元件包括一个带有脱硫材料的脱硫床，其中脱硫材料能够除去或降低含碳原料中含硫化合物的浓度，例如低温变换(LTS)催化剂。
文档编号B01J8/04GK1471427SQ01818158
公开日2004年1月28日 申请日期2001年11月2日 优先权日2000年11月3日
发明者戴维·J·埃德伦, 戴维 J 埃德伦 申请人:益达科技有限责任公司