专利名称：用于制备富氢气体的紧凑型燃料处理器的制作方法
背景技术：
燃料电池通过化学氧化还原反应供电，并且从清洁和效率角度来讲比其它发电形式拥有明显的优点。通常，燃料电池应用氢作燃料且用氧作氧化剂。发电量与反应物的消耗速率成正比。
阻止燃料电池更广泛应用的明显缺点是缺乏广泛分布的氢基本设施。氢具有相对低的体积能量密度，并且比目前在大多数发电系统中应用的烃燃料更难贮存和输送。克服这种困难的一种方法是应用重整器将烃转化为富氢气流，而后者可以用作燃料电池的原料。
烃基燃料如天然气、LPG、汽油以及柴油，均需要转化过程以用作大多数燃料电池的燃料源。现有技术应用了组合初始转化过程及几个纯化过程的多步方法。初始过程是最常用的蒸汽重整(SR)、自热重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。纯化过程通常包括脱硫、高温水-气变换、低温水-气变换、选择性CO氧化、或选择性CO甲烷化的组合。其它过程包括氢的选择性膜反应器和过滤器。
尽管已经有上述工作，但仍需要一种简单的装置将烃燃料转化为用于燃料电池的富氢气流。
发明概述本发明主要涉及将烃燃料转化为富氢气体的装置和方法。在本发明的一个描述性实施方案中，将烃燃料转化为富氢气体的装置包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件。每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道。所述装置进一步包括包含在所述内部空间内的处理核心，从而使通过所述处理核心的气流发生化学、热或物理变化。本发明的一个优选方面是所述组件为圆筒状。在一个描述性和优选的实施方案中，每个组件在所述壳的第一端或第二端上包括环状凸缘，并且在所述壳的另一端包括环状凹陷部分。这种设计可以使一个组件的环状凸缘可以嵌入相邻组件的环状凹陷内。
根据组件内发生的反应，每个组件可以包括设置在所述壳和相应处理核心之间的环状隔热材料层。按照一种类似的方式，所述组件可以包括一个多孔支撑元件，例如筛、网、多孔板或多孔烧结板。包括这种多孔支撑元件可以支撑和装载组件的内容物，具体为颗粒状催化剂材料。
正如上文所述以及这里所描述的，本发明的装置用来进行一系列反应，将烃燃料转化为富氢气体。在这种装置的一个描述性实施方案中，第一组件优选具有处理核心，在所述处理核心中包含有部分氧化催化剂或另外的蒸汽重整催化剂或另外的自热重整催化剂或另外的这些催化剂的组合物和/或混合物。优选设计与第一组件相邻设置的第二组件，使第二组件的处理核心包括一个第一换热器。这种换热器可以是翅片式换热器、管式换热器、热管、或能够换热的类似装置。
在多个组件内部，第三组件优选与第二组件相邻设置，第三组件的处理核心包括脱硫剂。可以应用多种脱硫剂，但优选的脱硫剂包括氧化锌。与第三组件相邻设置并与第三组件流体连通的第四组件包括一个装有水气变化催化剂的处理核心。本领域熟练技术人员应该理解并意识到水气变化催化剂可以是低温水气变化催化剂，其包括选自铜、氧化铜、锌、铂、铼、钯、铑和金的催化剂材料以及这些及类似材料的组合物和混合物。另外，水气变化催化剂可以是高温水气变化催化剂，其包括选自氧化铁、氧化铬、铜、硅化铁、铂、钯和其它铂族元素的催化剂材料，以及这些及类似材料的组合物和混合物。
所述装置进一步设计为在多个组件内包括与第四组件相邻设置并与第四组件流体连通的第五组件。第五组件的处理核心包括一个第二换热器。这种换热器可以包括翅片式换热器、管式换热器、热管、或能够换热的类似装置。
多个组件进一步包括与第五组件相邻设置并与第五组件流体连通的第六组件。第六组件的处理核心包括一氧化碳氧化催化剂，其优选包括选自铂、钯、铁、铬、锰、铁氧化物、铬氧化物、锰物氧化、钌、金、铈、镧的材料，以及这些及类似化合物的组合物和混合物。
本发明还包括一种将烃燃料转化为富氢气体的方法。一个这种描述性方法应用这里所公开的装置。这种方法通常包括提供具有多个沿共轴首尾相连堆放的组件的燃料处理器，并且加入烃燃料，使之沿管状反应器的轴向方向连续通过上述组件中的每一个，从而产生富氢气体。
附图的简要描述参照附图进行描述，其中
图1描述了本发明的一个描述性实施方案的流程简图。
图2描述了本发明的紧凑型燃料处理器装置的一个描述性实施方案。
图3是在紧凑型燃料处理器装置中所采用的组件的部分切去的剖视图。
描述性实施方案的说明本发明主要涉及将烃燃料转化为富氢气体的装置。在一个优选方面，这里所描述的装置和方法涉及一种紧凑型处理器，用于由烃燃料产生用于燃料电池的富氢气体。但对于这里所描述的装置和方法来说，预期还存在其它可能的用途，包括其中需要富氢物流的任何一种用途。相应地，尽管在这里本发明是针对用于燃料电池而进行描述的，但是本发明的范围并不局限于这种用途。
本发明的每一个描述性实施方案均描述燃料处理器或应用这种燃料处理器的方法，其中烃燃料进料被引导通过燃料处理器。在环境温度下烃燃料可以是液体或气体，只要它能够被蒸发即可。在这里所使用的术语“烃”包括含有C-H键的有机化合物，所述化合物能够通过部分氧化或蒸汽重整反应产生氢。并不排除在化合物的分子结构中存在有不同于碳和氢的其它原子。这样，适用于这里所公开的方法和装置的燃料包括烃燃料如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油和柴油燃料、以及醇类如甲醇、乙醇、丙醇等，但不局限于此。
燃料处理器的进料包括烃燃料、氧和水。氧可以为空气、富集空气或基本纯氧的形式。水可以以液体或蒸汽引入。进料组分的组成百分比由所希望的操作条件来确定，这将在下文中讨论。
本发明的燃料处理器流出物流包括氢和二氧化碳，也可以包括一些水、未转化的烃、一氧化碳、杂质(例如硫化氢和氨)、以及惰性组分(例如氮和氩，特别当空气作为进料物流的组分时)。
图1的基本流程图描述了本发明的描述性实施方案中所包括的处理步骤。本领域的熟练技术人员应该意识到通过这里所公开的反应器的反应物的流量需要一定量的累积量级。
步骤A是一种自热的重整过程，其中两种反应，即部分氧化(下面通式I)和任选的蒸汽重整(下面通式II)组合进行，将进料物流F转化为含有氢和一氧化碳的合成气。通式I和II是例举性反应通式，其中甲烷被认为是烃(I)(II)部分氧化反应发生得非常快，从而完全转化所加入的氧并生成热。蒸汽重整反应发生得慢一些并消耗热。在进料物流中氧浓度较高有利于部分氧化反应，而水蒸汽浓度较高有利于蒸汽重整反应。因此，氧对烃的比率和水对烃的比率成为一个特征参数。这些比率影响操作温度和氢的收率。
根据进料条件和催化剂，自热重整步骤的操作温度范围可以为约550℃至约900℃。本发明应用包含或不包含蒸汽重整催化剂的部分氧化催化剂的催化剂床层。所述催化剂可以为任何形式，包括丸、球、挤出物、整料等。对本领域熟练技术人员来说，部分氧化催化剂应该是公知的，并且经常包括在整料、挤出物、丸或其它载体上的氧化铝修补基面涂层(washcoat)上的贵金属如铂、钯、铑和/或钌。非贵金属如镍或钴也被应用。其它修补基面涂层如二氧化钛、氧化锆、二氧化硅和氧化镁已经在文献中引述。在文献中许多附加材料如镧、铈和钾作为“助催化剂”被引述，其能改善部分氧化催化剂的性能。
对本领域熟练技术人员来说，蒸汽重整催化剂应该是已知的，并且可以包括镍及一定量钴或贵金属如铂、钯、铑、钌和/或铱。催化剂可以载带在氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆或铝酸镁上，这些载体单独或组合应用。另外，蒸汽重整催化剂可以包括镍，优选载带在氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆或铝酸镁上，并利用碱金属如钾进行促进，其中这些载体单独或组合应用。
过程步骤B是冷却步骤，用于将来自过程步骤A的合成气流冷却到温度为约200℃至约600℃，优选为约300℃至约500℃，并且更优选为约375℃至约425℃，从而优化下一步的合成气流出物流的温度。这一冷却可以依据设计规范和回收/循环气流热量的需要通过受热器、热管或换热器来实现。步骤B的一个描述性实施方案是应用换热器，该换热器应用进料物流F作为循环通过换热器的冷却剂。该换热器可以应用领域熟练技术人员已知的任何适当结构，包括管壳式、板式、盘管式等。另外或附加的是，冷却步骤B可以伴随着注入附加的进料组分如燃料、空气或水。水是优选的，因为当其蒸发为蒸汽时能够吸收大量的热。所加组分的量取决于所希望的冷却程度，并且可以由本领域熟练技术人员确定。
过程步骤C是纯化步骤。烃物流的一种主要杂质是硫，其通过自热重整步骤A转化为硫化氢。用于过程步骤C的处理核心优选包括能够吸收和转化硫化氢的氧化锌和/或其它材料，并且可以包括载体(例如整料、挤出物、丸等)。脱硫是按照下列反应通式III将硫化氢转化成水完成的(III)其它杂质如氯化物也可以被脱除。所述反应优选在温度为约300℃至约500℃下进行，更优选为约375℃至约425℃。氧化锌在约25℃至约700℃的很宽温度范围内均是有效的硫化氢吸收剂，并且通过适当选择操作温度对于优化过程步骤的顺序来说具有很大的灵活性。
然后可以将流出物流送入混合步骤D，其中任选向该气流中加入水。水的加入使得当其蒸发时降低了反应物流的温度，并且为过程步骤E(在下文讨论)的水气变换反应提供更多的水。水蒸汽和其它流出物流组分通过流过惰性材料如陶瓷球或其它类似材料的处理核心进行混合，这些惰性材料有效混合和/或有助于水的蒸发。另外，任何附加的水都可以与进料一起引入，并且可以重新安排混合步骤，从而为下面公开的CO氧化步骤G提供更好的氧化气体混合。
过程步骤E为水气变换反应，其按照通式IV将一氧化碳转化为二氧化碳(IV)这是一个重要的步骤，因为一氧化碳除了对人具有高毒性外，对燃料电池也是一种毒物。一氧化碳的浓度应该优选降低到能够被燃料电池忍受的水平，通常低于50ppm。根据所应用的催化剂，通常水气变换反应可以在温度为150℃-600℃时发生。在这种条件下，气流中的大部分一氧化碳在这一步中转化。
低温变换催化剂在温度为约150℃至约300℃时操作，并且包括例如铜氧化物、或载带在其它过渡金属氧化物如氧化锆上的铜、载带在过渡金属氧化物或耐火载体如二氧化硅、氧化铝、氧化锆等上的锌、或在适当载体如二氧化硅、氧化铝、氧化锆等上的贵金属如铂、铼、钯、铑或金。
高温变换催化剂优选在温度范围约300℃至约600℃下操作，并且可以包括过渡金属氧化物如氧化铁或氧化铬，并且任选包括一种助催化剂如铜或铁的硅化物。高温变换催化剂还包括载带的贵金属如载带的铂、钯和/或其它铂族元素。
用于进行这一步骤的处理核心可以包括如上述高温或低温变换催化剂的填充床、或者高温和低温变换催化剂的组合。所述过程应该在适合水气变换反应的任何温度下操作，依据所用催化剂的类型优选在温度为150℃至约400℃下进行。任选地，冷却元件如冷却盘管可以设置在变换反应器的处理核心中，从而降低在催化剂填充床层内的反应温度。较低的温度有利于一氧化碳转化为二氧化碳。另外，通过利用在高温和低温变换步骤之间的脱硫组件提供高温和低温变换的独立步骤，可以使纯化处理步骤C在高和低变换转化率之间进行。
过程步骤F是在一种实施方案中利用换热器进行的冷却步骤。所述换热器可以为任何适当结构，包括管板式、板式和盘管式等。另外也可以应用热管或其它形式的受热器。换热器的目的是降低气流温度，从而产生温度范围优选为约90℃至约150℃的流出物。
向步骤F中的过程中加入氧。所述氧由下面描述的过程步骤G的反应消耗。所述氧可以为空气、富集空气、或基本上纯氧的形式。换热器可以通过设计提供空气与富氢气体的混合。另外，过程步骤D的实施方案可以用于进行混合。
过程步骤G是氧化步骤，其中在流出物流中几乎所有的剩余一氧化碳均被转化为二氧化碳。所述处理在一氧化碳氧化催化剂存在时进行，并且所述催化剂可以为任何适当的形式如丸、小球、整料等。一氧化碳氧化催化剂是已知的，并且通常包括贵金属(例如铂、钯)和/或过渡金属(如铁、铬、锰)、和/或贵金属或过渡金属的化合物，具体为氧化物。优选的氧化催化剂为氧化铝修补基面涂层上的铂。所述修补基面涂层可以被涂到整料、挤出物、丸或其它载体上。可以加入附加材料如铈或镧以改善性能。在文献中已经引述了许多其它配方，同时一些实施者宣称铑或氧化铝催化剂有优越的性能。钌、钯、金以及其它材料在文献中也作为此用途的活性物质而被引述。
在过程步骤G中发生两个反应所希望的一氧化碳氧化(通式V)和不希望的氢氧化(通式VI)，如下所示(V)(VI)利用低温优先氧化一氧化碳是有利的。因为两个反应都产生热，有利的是任选包括一个冷却元件，如设置在过程内的冷却盘管。所述过程的操作温度优选保持在约90℃至约150℃的范围内。过程步骤G优选降低一氧化碳的含量至低于50ppm，该含量适合用于燃料电池，但是本领域的熟练技术人员应该意识到本发明可以用于产生一氧化碳含量更高和更低的富氢产品。
流出燃料处理器的流出物为含有二氧化碳和其它组分的富氢气体，其中可以存在的如水、惰性组分(例如氮、氩)、残余烃等。产品气体可以用作燃料电池的进料或用于其中需要富氢气体进料物流的其它用途。任选地，可以将产品气体送到进一步的处理过程中，以脱去二氧化碳、水或其它组分。
在本发明的一个描述性实施方案中，燃料处理器为具有单独的组件单元的组件结构，这些组件单元是可拆卸、可重装并且可单独更换。参照图2，本发明的燃料处理器100包括一系列独立组件(110、120、130、140、150、160和170)。所述组件单元可以用于任何取向，如垂直或水平取向，并且适用于燃料电池，从而将这里描述的反应器的富氢产品气体作为进料物流直接供给燃料电池。尽管所述组件可以具有任何横截面结构，如圆形、矩形、三角形等，但圆形横截面对通常为管状的燃料处理器100来说是优选的。
如果不另外指出的话，所述组件是按照下面参照图3所给出的描述进行构造的。所述组件可以用能承受这里所描述的反应的操作条件和化学环境的任何材料来制造，并且可以包括不锈钢、铬镍铁合金、耐热镍铬铁合金(Incoloy)、耐蚀镍基合金等。尽管可以应用更高的压力，但反应压力优选为约0至约100psig。所述燃料处理器的操作压力取决于燃料电池所要求的传送压力。对于在1-20kW范围内操作的燃料电池，操作压力为0至约100psig通常就足够了。所述组件的尺寸能够在所希望的操作压力和温度下安全进行反应。
图2所示的燃料处理器100实现了图1中所示的过程。进料物流F通过入口管102引入，产品气体P通过出口管103采出。所述装置100包括几个可以堆放形成组件组的组件，所述组件组可以通过更换单个组件而进行调整。每个组件具有独立的操作功能，并且通常如图2所示建造。组件110为与图1中过程步骤A对应的自热重整组件。组件120为与图1中过程步骤B对应的冷却步骤。在该描述性实施方案中，换热器121是作为组件120的常用受热器给出的。组件130为与图1的过程步骤C对应的纯化组件。组件140为与图1的过程步骤D对应的任选混合步骤。进料喷嘴131为组件140提供任选的水物流进料，以帮助推进组件150中的水气变换反应(通式IV)。组件150为与图1的过程步骤E对应的水气变换组件。进料喷嘴151为组件170中的氧化反应(通式V)的过程气体提供氧源。组件150还含有位于催化剂床层内部或围绕催化剂床层的换热器(未画出)，从而保持所希望的水气变换反应温度。组件160为与图1的过程步骤F对应的冷却步骤。在该描述性实施方案中，换热器161是作为组件160的常用受热器给出的。组件170为与图1的过程步骤G对应的氧化步骤。组件170还含有位于催化剂床层内部或围绕催化剂床层的换热器(未画出)，从而保持所希望的氧化反应温度。本领域的熟练技术人员应该意识到在该实施方案中所描述的过程构造可以依据许多因素变化，这些因素包括原料质量和所要求的产品质量，但不局限于此。
图3描述了单个组件10，其中包括壳11、任选的支撑板12、环状垫片13、任选的绝缘材料14、以及处理核心15。壳11可以具有任何横截面形状例如圆形、方形、三角形等。但是壳11优选为带有轴向钻孔的圆筒形管状元件。由于上述原因，壳11优选应用不锈钢、铬镍铁合金、耐热镍铬铁合金(Incoloy)、或耐蚀镍基合金材料制成。壳11包括一个环状上部凹陷11a和一个环状下部凸缘11b，这两者具有配合特性以利于堆放两个或多个组件。上部凹陷11a适合于接收垫片13和下部凸缘11b。
任选的支撑板12优选由筛、网、多孔板、多孔烧结金属板等制成。其可以由金属合金如不锈钢、铬镍铁合金、耐热镍铬铁合金(Incoloy)、或耐蚀镍基合金、或适合的陶瓷材料制成。支撑板12不仅为组件10内所包含的组分提供支撑，而且用作气体分布器，从而使流过反应器的气体均匀分布在反应器的整个横截面上。气体的均匀分布有利于达到反应器的最优性能。
垫片13是环状小片，有助于密封组件间的连接并防止气体泄露。它可以由能够承受反应器操作条件的石墨、陶瓷、铜或其它材料制成。
任选的内部绝热器14设置在圆筒状壳11的轴向钻孔内，并且包含一个带有轴向钻孔的圆筒片。绝热器14使散失在环境的热损失最小，所述热损失会降低系统效率。这能缩短开车时间并减少对壳11和环境的热传递。内部绝热器14可以由适用于这里所描述的目的任何材料制造。优选的材料包括interam膨胀纤维陶瓷垫、saffil氧化铝纤维垫、弹性的编织钢网垫(如Wire Wrap)、以及其它由氧化铝或二氧化硅纤维及类似的这类材料制成的弹性陶瓷垫。
处理核心15包含在壳11的轴向钻孔内，并且如果内部绝热器14存在的话，也在内部绝热器的钻孔内。处理核心15完成组件的功能，并且可以为催化剂、吸附剂、吸收剂、换热器或惰性材料。
本领域的熟练技术人员还应该意识到本发明还包含如下描述性实施方案。这样一个描述性实施方案包括将烃燃料转化为富氢气体的装置，所述装置包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，其中每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，并且还包括包含在所述内部空间内的处理核心，从而使轴向流过其中的气流发生化学、热或物理变化。这种装置可以包括一个外套，在所述外套内设置多个组件。虽然这种装置预计包括多种形状和取向，但本装置的一个优选方面是对任选的外套和组件来说均为圆筒状。有多种元件可用于将组件连接在一起从而形成本发明的装置。但本发明的一个优选方面是对每一个组件来说，其在所述壳的第一端或第二端包括一个环状凸缘，并且在所述壳相对的另一端包括有环状凹陷部位，从而一个组件的环状凸缘可以嵌入到相邻组件的环状凹陷中。本发明的一个优选方面是对于一个或多个组件来说，均包括设置在所述壳和对应的处理核心之间的环状隔热材料层。至少一个组件包括在所述壳的一端附近安装的多孔支撑元件，其中多孔支撑元件选自筛、网、多孔板或多孔烧结板。
本发明的另一个描述性实施方案是用于将烃燃料转化为富氢气体的装置，其中包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，其中每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，并且还包括包含在所述内部空间内的处理核心，从而使轴向流过其中的气流发生化学、热或物理变化。第一组件含有包括部分氧化催化剂的处理核心。部分氧化催化剂可以包括金属如铂、钯、铑、钌、镍、钴或其任意组合。第一组件任选还可以包含蒸汽重整催化剂。蒸汽重整催化剂可以包括金属如铂、钯、铑、钌、铱、镍、钾或其任意组合。所述部分氧化催化剂可以载带在材料如氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化锆或二氧化硅上。所述蒸汽重整催化剂可以载带在材料如氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆或铝酸镁上。与第一组件相邻设置的第二组件在处理核心内部包含一个换热器，用来冷却第一组件所产生的气流。与第二组件相邻设置的第三组件在处理核心内部包含脱硫剂如氧化锌。任选可以包含与第三组件相邻设置的第四组件，并且可以包含惰性材料如陶瓷球用于混合水和过程气流中的组分。如果在装置中不包括第四组件，则应该在第五组件之前加入水。第五组件与第四组件相邻设置或当不包括第四组件时与第三组件相邻设置，其在处理核心内部包含水气变换催化剂。本发明打算在第五组件中可以应用低温水气变换催化剂、高温水气变换催化剂或两者的组合。可能的低温水气变换催化剂包括铜、氧化铜、锌、铂、铼、钯、铑和金。可能的高温水气变换催化剂包括选自氧化铁、氧化铬、铜、硅化铁、铂和钯的材料。为了保持所希望的变换反应温度范围，第五组件还可以包括一个设置在水气变换催化剂床层内部的换热器。与第五组件相邻设置的第六组件在处理核心内部包含一个换热器，用于冷却由第五组件产生的气流。与第六组件相邻设置的第七组件在处理核心中包含一氧化碳氧化催化剂。这种一氧化碳氧化催化剂可以是铂、钯、铁、铬、锰、铁氧化物、铬氧化物、锰氧化物、钌、钯、金、或其任意组合。为了保持所希望的氧化反应温度范围，第七组件还可以包括一个位于在水气变换催化剂床层内部的换热器。
本发明的另一个描述性实施方案是应用燃料处理器将烃燃料转化为富氢气体的方法，其中所述燃料处理器具有多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，在该方法中沿轴向加入烃燃料使之连续通过每个组件，从而产生富氢气体。第一组件可以按照前面的描述性实施方案来设计，用于进行烃燃料的部分氧化和蒸汽重整，该组件在温度范围为约550℃至约900℃内操作。可以按照前面描述性实施方案来设计的第二组件然后将第一组件的流出物冷却至温度为约200℃至约600℃。可以按照前面描述性实施方案来设计的第三组件应用氧化锌作脱硫剂，使第二组件流出物脱硫。可以按照前面描述性实施方案来设计的任选的第四组件使水和第三组件流出物混合，从而产生第五组件的进料。可以按照前面描述性实施方案来设计的第五组件在水气变换反应中使水和在工艺物流中包含的一氧化碳反应，从而降低离开第五组件的一氧化碳浓度。本发明的一个优选的方面是第五组件在温度范围为约150℃至约400℃下操作。可以按照前面描述性实施方案来设计的第六组件将第五组件流出物冷却至温度为约90℃至约150℃。可以按照前面描述性实施方案来设计的第七组件氧化工艺气流中的至少部分一氧化碳，从而产生富氢气体。本发明的一个优选的方面是第七组件在约90℃至约150℃的温度下操作。本发明的另一个方面是可能进行热量整合。按本实施方案来说，在第二组件、第五组件、第六组件和第七组件中的热交换可以用于预热进入装置的烃进料。本发明的打算是能够降低富氢气体中的一氧化碳浓度至低于50ppm。
尽管已经利用优选的或描述性的实施方案对本发明的装置、组成和方法进行了描述，但对本领域的熟练技术人员来说是很明显的是，在不偏离本发明的概念和范围的情况下，可以对这里所描述的方法作各种改变。对本领域熟练技术人员来说很明显的所有这种类似替换和改进均应认为在本发明的范围和概念内，正如在下文权利要求中所述。
权利要求
1.一种用于将烃燃料转化为富氢气体的装置，包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，其中多个组件中的每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，以及一个包含在所述内部空间内的处理核心，所述处理核心使轴向通过的气流发生化学、热或物理变化。
2.权利要求1所述的装置，其中多个组件为圆筒形状。
3.权利要求1所述的装置，其中多个组件中的每个组件均包括位于所述壳的第一端或第二端的环状凸缘，以及在所述壳的另一端环状凹陷部位，并且其中一个组件的环状凸缘可以嵌入相邻组件的环状凹陷内。
4.权利要求1所述的装置，其中多个组件中的至少一个组件包括设置在所述壳和对应的处理核心之间的环状隔热材料层。
5.权利要求1所述的装置，其中多个组件中的至少一个组件包括安装在所述壳的第一端附近的多孔支撑元件。
6.权利要求1所述的装置，其中多个组件中的至少一个组件包括安装在所述壳的第二端附近的多孔支撑元件。
7.权利要求6所述的装置，其中多孔支撑元件选自筛、网、多孔板或多孔烧结板。
8.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第一组件，其中第一组件的处理核心包括部分氧化催化剂。
9.权利要求8所述的装置，其中所述第一组件还包括蒸汽重整催化剂。
10.权利要求8所述的装置，其中所述部分氧化催化剂包括选自铂、钯、铑、钌、镍、钴及其任意组合的金属。
11.权利要求9所述的装置，其中所述蒸汽重整催化剂包括选自铂、钯、铑、钌、铱、镍、钾及其任意组合的金属。
12.权利要求10所述的装置，其中所述部化氧化催化剂的金属载带在选自氧化镁、氧化铝、二氧化钛、氧化锆和二氧化硅的材料上。
13.权利要求11所述的装置，其中所述蒸汽重整催化剂的金属载带在选自氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆和铝酸镁的材料上。
14.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第二组件，其中第二组件的处理核心包括用于冷却气流的第一换热器。
15.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第三组件，其中第三组件的处理核心包括脱硫剂。
16.权利要求14所述的装置，其中所述脱硫剂包括氧化锌。
17.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第四组件，其中第四组件的处理核心包括用于混合从中通过的气流组分的惰性材料。
18.权利要求17所述的装置，其中所述惰性材料包括陶瓷球。
19.权利要求17所述的装置，其中所述第四组件设计为向气流中引入水。
20.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第五组件，其中第五组件的处理核心包括水气变换催化剂床层；和用于保持所希望的变换反应温度范围的设置于水气变换催化剂床层内部的换热器。
21.权利要求20所述的装置，其中水气变换催化剂是低温水气变换催化剂。
22.权利要求21所述的装置，其中所述低温水气变换催化剂包括选自铜、氧化铜、锌、铂、铼、钯、铑和金的材料。
23.权利要求20所述的装置，其中水气变换催化剂是高温水气变换催化剂。
24.权利要求23所述的装置，其中所述高温水气变换催化剂包括选自氧化铁、氧化铬、铜、硅化铁、铂和钯的材料。
25.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第六组件，其中第六组件的处理核心包括用于冷却气流的第二换热器。
26.权利要求1所述的装置，其中多个组件包括第七组件，其中第七组件的处理核心包括一氧化碳氧化催化剂床层；和用于保持所希望的氧化反应温度范围的设置于一氧化碳氧化催化剂床层内部的换热器。
27.权利要求26所述的装置，其中设计所述第七组件从而引导含氧物流在与一氧化碳氧化床层接触前进入气流中。
28.权利要求26所述的装置，其中一氧化碳氧化催化剂床层包括选自铂、钯、铁、铬、锰、铁氧化物、铬氧化物、锰氧化物、钌、钯、金及其任意组合的材料。
29.一种用于将烃燃料转化为富氢气体的装置，包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，其中多个组件中的每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，以及一个包含在所述内部空间内的处理核心，所述处理核心使轴向通过的气流发生化学、热或物理变化；并且其中多个组件包括其中装有部分氧化催化剂床层的第一组件，与所述第一组件相邻设置且其中装有用于冷却气流的第一换热器的第二组件，与所述第二组件相邻设置且其中装有脱硫剂的第三组件，与所述第三组件相邻设置且其中装有用于混合从中通过的气流组分的惰性材料的第四组件，与所述第四组件相邻设置且其中装有水气变换催化剂床层的第五组件，与所述第五组件相邻设置且其中装有用于冷却气流的第二换热器的第六组件，以及与所述第六组件相邻设置且其中装有一氧化碳氧化催化剂床层的第七组件。
30.一种用于将烃燃料转化为富氢气体的装置，包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件，其中多个组件中的每个组件均包括一个具有内部空间的壳，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，以及一个包含在所述内部空间内的处理核心，所述处理核心使轴向通过的气流发生化学、热或物理变化；并且其中多个组件包括其中装有部分氧化催化剂床层的第一组件，与所述第一组件相邻设置且其中装有用于冷却气流的第一换热器的第二组件，与所述第二组件相邻设置且其中装有脱硫剂的第三组件，与所述第三组件相邻设置且其中装有水气变换催化剂床层的第四组件，与所述第四组件相邻设置且其中装有用于冷却气流的第二换热器的第五组件，以及与所述第五组件相邻设置且其中装有一氧化碳氧化催化剂床层的第六组件。
31.一种用于将烃燃料转化为富氢气体的方法，包括提供一个具有多个沿着共轴首尾相连堆放的组件的燃料处理器；以及，加入烃燃料，使之沿轴向连续通过每个组件，从而产生富氢气体。
32.权利要求31所述的方法，其中多个组件包括第一组件，用于对烃燃料进行部分氧化及蒸汽重整，从而产生第一组件流出物，第二组件，与所述第一组件相邻设置用于冷却第一组件流出物，从而产生第二组件流出物，第三组件，所述第三组件与第二组件相邻设置并使第二组件流出物脱硫，从而产生第三组件流出物，第四组件，所述第四组件与第三组件相邻设置并使第三组件流出物与水混合，从而产生第四组件流出物，第五组件，所述第五组件与第四组件相邻设置并使第四组件流出物中所包含的水和一氧化碳反应，从而产生一氧化碳浓度降低的第五组件流出物，第六组件，所述第六组件与第五组件相邻设置用于冷却第五组件流出物，从而产生第六组件流出物，第七组件，所述第七组件与第六组件相邻设置用于氧化至少部分一氧化碳，从而产生富氢气体。
33.权利要求32所述的方法，其中可以利用第二组件、第五组件、第六组件、第七组件或其任意组合对烃燃料进行预热。
34.权利要求32所述的方法，其中所述第一组件的操作温度范围为约550℃至约900℃。
35.权利要求32所述的方法，其中所述第二组件流出物为约200℃至约600℃。
36.权利要求32所述的方法，其中所述第五组件的操作温度范围为约150℃至约400℃。
37.权利要求32所述的方法，其中所述第五组件流出物被冷却至约90℃至约150℃。
38.权利要求32所述的方法，其中所述第七组件的操作温度为约90℃至约150℃。
39.权利要求32所述的方法，其中富氢气体含有低于50ppm的一氧化碳。
40.权利要求31所述的方法，其中所述多个组件包括第一组件，用于对烃燃料进行部分氧化及蒸汽重整，从而产生第一组件流出物，第二组件，与所述第一组件相邻设置用于冷却第一组件流出物，从而产生第二组件流出物，第三组件，所述第三组件与第二组件相邻设置并使第二组件流出物脱硫，从而产生第三组件流出物，第四组件，所述第四组件与第三组件相邻设置并使第三组件流出物中所包含的水和一氧化碳反应，从而产生一氧化碳浓度降低的第四组件流出物，第五组件，所述第五组件与第四组件相邻设置用于冷却第四组件流出物，从而产生第五组件流出物，第六组件，所述第六组件与第五组件相邻设置用于氧化至少部分一氧化碳，从而产生富氢气体。
41.权利要求40所述的方法，其中可以利用第二组件、第四组件、第五组件、第六组件或其任意组合对烃燃料进行预热。
42.权利要求40所述的方法，其中所述第一组件的操作温度范围为约550℃至约900℃。
43.权利要求40所述的方法，其中所述第二组件流出物为约200℃至约600℃。
44.权利要求40所述的方法，其中所述第四组件的操作温度范围为约150℃至约400℃。
45.权利要求40所述的方法，其中所述第四组件流出物被冷却至约90℃至约150℃。
46.权利要求40所述的方法，其中所述第六组件的操作温度为约90℃至约150℃。
47.权利要求40所述的方法，其中富氢气体含有低于50ppm的一氧化碳。
全文摘要
包括多个沿着共轴首尾相连堆放的组件的装置(100)以及利用所述装置(100)将烃燃料(F)转化成基本上纯的氢气(P)的多步方法。每个组件均包括一个具有内部空间的壳以及一个包含在所述内部空间内的处理核心，所述内部空间确定气流由所述壳的第一端流到与所述第一端相对的所述壳的第二端的流道，而所述处理核心使轴向通过所述组件的气流发生化学、热或物理变化。在一种实施方案中，所述多个组件包括其中装有部分氧化催化剂和蒸汽重整催化剂的第一组件(110)、其中装有第一换热器(121)的第二组件(120)、其中装有脱硫剂的第三组件(130)、其中装有用于混合从中通过的气流组分的惰性材料的第四组件(140)、其中装有水气变换催化剂床层的第五组件(150)、其中装有第二换热器(161)的第六组件(160)以及其中装有一氧化碳氧化催化剂床层的第七组件(170)。
文档编号C10J1/207GK1627986SQ01820046
公开日2005年6月15日 申请日期2001年12月5日 优先权日2000年12月5日
发明者C·克劳斯, J·K·沃尔芬巴杰, P·马丁 申请人:德士古发展公司