针对紧凑型燃料处理器开车而加热催化剂的装置和方法制造方法及图纸

为开车而加热催化剂床层（４１０）以及在过渡操作过程中为保持所希望的反应温度而为催化剂床层（４１０）供热的方法和装置。电加热元件（４００）可以直接或间接加热所述催化剂。直接加热催化剂通过使加热器元件（４００）与催化剂直接接触来实现。间接加热通过直接加热流体如工艺物流，而所述工艺物流反过来流过催化剂从而将热量传递给催化剂来实现。另外，间接加热可以通过将加热元件（４００）放置在套内，而所述套随后与催化剂或流过催化剂的流体直接接触来实现。通过这些方式，多种形式的催化剂都可以应用这种催化剂加热器（４００），包括丸、挤出物、球以及整料。本发明专利技术的催化剂加热器（４００）可以由任何电阻丝、释热元件或棒材制成，且所述加热器可以与电源偶合，从而提供能量进而产生热量。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
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与其它发电形式相比拥有明显的优点。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进料。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。对于该问题任何解决方案所面临的实际困难是启动催化剂床层并在过渡操作过程中保持所希望的反应温度。本专利技术致力于满足这一需要。专利技术概述本专利技术具体涉及为开车而加热催化剂床层以及在过渡操作过程中为保持所希望的反应温度而为催化剂床层供热的方法和装置。这种方法和装置可以用于燃料处理器中，从而使燃料处理器的开车更加快速和容易。在燃料处理器中有几种催化剂可用于本专利技术，包括自热重整催化剂、部分氧化催化剂、蒸汽重整催化剂、水气变换催化剂、优先氧化催化剂和硫吸收剂，以及与邻接的燃料电池相连的阳极尾气氧化催化剂，但不局限于此。作为本专利技术的实施方案，电加热元件可以直接或间接加热催化剂，从而在催化剂床层内迅速达到所希望的反应温度。直接加热催化剂通过使加热器元件与催化剂直接接触来实现。间接加热通过直接加热流体如工艺物流，而所述工艺物流反过来流过催化剂从而将热量传递给催化剂来实现。另外，间接加热可以通过将加热元件放置在套内，而所述套随后与催化剂或流过催化剂的流体直接接触来实现。如本专利技术范围所涉及的，多种形式的催化剂都可以应用催化剂加热器，包括丸、挤出物、球以及整料。在本专利技术的一种描述性实施方案中，本专利技术的催化剂加热器可以由任何电阻丝、释热元件(cartridge)或棒材制成，所述催化剂加热器可以如下文所述形成。能源如电源提供能量进而产生预热催化剂床层的热量。本专利技术的一个描述性实施方案为一个在燃料处理器中的反应器，其中包括催化剂床层、设置在催化剂床层内的用于除去正常操作中过量热量的冷却盘管、以及设置在冷却盘管内的用于在开车或过渡操作中将催化剂加热到所希望的反应温度的电加热元件。这个优选的以及描述性的实施例在本专利技术中通常称之为套式加热。该描述性实施方案的重要的描述性优点包括为快速和有效开车而为催化剂供热，预热加入燃料处理器的烃燃料原料，并且为在过渡操作过程中有助于反应器保持反应温度。附图的简要描述参照附图进行描述，其中附图说明图1描述了燃料处理器的流程简图。图2描述了紧凑型燃料处理器。图3描述了用于催化剂床层的表面加热器的一个描述性实施方案。图4描述了利用电加热元件迂回穿过(weaving)整料型催化剂床层的一个描述性实施方案。图5描述了利用电加热元件缠绕整料型催化剂床层的一个描述性描述性实施方案的说明本专利技术主要涉及为开车而加热催化剂床层以及在过渡操作过程中为保持所希望的反应温度而为催化剂床层供热的装置和方法。在一个优选方面，这里所描述的装置和方法涉及对紧凑型燃料处理器中的催化剂床层供热，而所述燃料处理器用于由烃燃料进料产生富氢气流。由这种紧凑型燃料处理器产生的富氢气体在燃料电池的发展中将会越来越重要，所述燃料电池包括用于电动车辆的燃料电池。但对于这里所描述的装置和方法来说，也预期存在其它可能的用途，包括不用于燃料处理器的放热催化剂床层的开车和保持反应温度。相应地，尽管在这里本专利技术是针对用于紧凑型燃料处理器和燃料电池而进行描述的，但是本专利技术的范围并不局限于该用途。本专利技术的每一个描述性实施方案均涉及与燃料处理器相关的放热催化剂床层，其中烃燃料进料被引导通过所述燃料处理器。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。燃料处理器流出物流包括氢和二氧化碳，并且也可以包括一些水、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描述了燃料处理器的的基本流程图。本领域的熟练技术人员应该意识到在通过这里所公开的反应器的反应物流中需要一定量的累积量级(progressive order)。步骤A是一个自热重整过程，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，其中将甲烷当作烃(I)(II)部分氧化反应发生得非常快，从而完全转化所加的氧并生成热。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。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℃。本专利技术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，并且经常包括贵金属如在整料、挤出物、丸或其它载体上的氧化铝修补基面涂层(washcoat)上的铂、钯、铑和/或钌。非贵金属如镍或钴也已经被应用。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的合成气流冷却到约200℃至约600℃的温度，优选为约300℃至约500℃，并且更优选为约375℃至约425℃，从而优化去下一步的合成气流出物的温度。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(heat sink)、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，该换热器应用进料本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种为开车而加热催化剂床层的方法，包括：提供具有上游表面和下游表面的催化剂床层；提供沿催化剂床层一个表面设置的电加热元件；使少量反应物通过电加热元件和催化剂床层；以及加热电加热元件，从而在催化剂床层表面引发放热反应，其中反应 热在整个催化剂床层内传播，从而为开车加热催化剂床层。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：P马丁，TG斯科特，JL潘，JF史蒂文斯，C克劳斯，
申请(专利权)人：德士古发展公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]