单反应室的紧凑型燃料处理器制造技术

本发明专利技术涉及一种用于执行多步骤处理的装置，用于将碳氢化合物燃料（２００）转化为基本上纯的氢气（２１６），该装置包括多个反应区（２０８、２１０、２１２、和２１４），这些反应区位于同一个反应室（２０）内，装置还包括一热交换器（２０２），其沿反应室（２０）的长度方向从其内部穿过，以便于根据各个特定反应区的需要而产生热量或吸收热量。所述的多步骤处理包括：向反应室（２０）输送燃料（２００），从而使燃料发生反应而形成富氢气体（２１６）；使中间气体产品流经设置在反应室（２０）内的各个反应区，从而产生出最终的富氢气体（２１６）。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

燃料电池利用化学上的氧化—还原反应来发出电能，其在清洁性和效率方面显著地优越于其它的发电形式。通常，燃料电池以氢气作为其燃料，而以氧气作为氧化剂。其发电量与反应剂的消耗量成比例。阻碍燃料电池获得广泛使用的一个主要缺点在于缺乏可普及的储氢基础设施。氢气的体积能量密度相对较低，且其比目前大多数发电系统所采用的碳氢化合物燃料更难于储存和运输。解决此难题的一种方案是利用重整装置将碳氢化合物转化为富含氢气的气流，再将该气流作为燃料电池的原料。尽管存在上述的设计方案，但仍然需要能有一种简单的系统单元，其可与燃料电池配套使用，用于将碳氢化合物燃料转化为富含氢气的气流。本领域技术人员还可理解和领会到本专利技术其它的示例性实施例包括一种紧凑型的燃料处理器，用于将碳氢化合物燃料进料转化为富氢气体，该燃料处理器是由如下的部件构成的一反应室；在所述反应室内预先形成了多个反应区，其中，各个反应区的特征体现在该反应区内发生的化学反应；以及一热交换器，其具有一入口端和一出口端，其中，该热交换器至少部分地位于所述反应室内。在一这样的示例性实施方式中，一第一反应区内容纳有自热重整催化剂；一第二反应区中容纳有脱硫催化剂；一第三反应区中容纳有水煤气转换催化剂；以及一反应区模块中容纳有优先氧化催化剂。在对这样的示例性实施方式进行设计时，可以考虑基本上不将热交换器设置在第一反应区内。某个示例性实施例中的碳氢化合物燃料进料在被引流到反应室内之前、先流经热交换器而被预热。作为备选方案，碳氢化合物燃料进料、空气以及水的混合物在被引流到第一反应区中之前先流经热交换器而被预热。可使用上述列出的、范围广泛的碳氢化合物燃料。本领域技术人员可以领会多个反应区中的每个反应区都包含一种或多种催化剂。在某个这样的示例性实施方式中，所述催化剂是从如下的类别中选出的自热重整催化剂、脱硫催化剂、水煤气转换催化剂、优先氧化催化剂、以及这些催化剂与其它类似催化剂的混合物及化合物。可用一渗透性的板件来将含有多于一种催化剂的任一特定反应区与相邻的反应区分隔开，其中的板件还可用来支撑相邻的反应区。在一示例性的实施例中，板件可被选择为多孔金属板、金属屏网、金属丝网、烧结金属、多孔陶瓷、或这些材料和其它类似材料的组合物。在一示例性的实施例中，优选地是所述板件至少在部分上是由铬镍铁合金、碳素钢、以及不锈钢组成的。本专利技术还包括一种用于将碳氢化合物燃料转化为富氢气体的方法。一种示例性的方法采用了上述的装置。该方法总体上所采用的措施是设置一个带有反应室的燃料处理器，在所述反应室中装入了多种催化剂。反应气体是以这样的方式流经所述反应室的使得反应区中的各个区域形成了多级离散的反应区。通过使碳氢化合物燃料以预定的方式依次地经过各个反应区，就可以制出一种富含氢气的气体，该生产方式能优化空间利用因素及传热因素。本专利技术的各个示例性实施方式都描述了一种燃料处理器或采用这种燃料处理器的处理方法，在其中的处理方法中，碳氢化合物燃料进料被引导着而经过该燃料处理器。所述碳氢化合物燃料可以是处于环境条件下的液体或气体，只要其能被蒸发汽化就可以。在本文的语境中，“碳氢化合物”是指具有C-H键的有机化合物，这些化合物能通过部分氧化反应或蒸汽重整反应而生成氢气。并不排除化合物分子结构中含有除碳元素与氢元素之外其它原子的情况。因而，适于用在本文所公开方法和装置中的燃料包括天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油、柴油、酒精(例如甲醇、乙醇、丙醇)等等，但所述燃料并不仅限于此。燃料处理器的进料包括碳氢化合物燃料、氧气以及水。氧气进料的形式可以是空气、浓氧空气、或者也可以基本上为纯氧气。供入的水可以是液态水，也可以是水蒸气的形式。如下文将要讨论的那样，可根据所需的生产条件而确定进料中各种组分的百分比。根据本专利技术，燃料处理器所排出的气流中包括氢气和二氧化碳，并可包括一些水份、未被转化的碳氢化合物、一氧化碳、杂质(例如硫化氢和氨)、以及惰性组分(例如氮气和氩气，尤其是在进气流中存在空气组分的情况下)。附图说明图1是一个总体的流程图，表示本专利技术示例性实施例中的各个工序步骤。本领域技术人员应能领会在反应剂流经本文所述反应器的过程中，将需要有一定程度的渐进次序。处理步骤A是一个自热重整过程，在该步骤中集合了两个反应部分氧化反应(见下文的化学反应式I)、以及一个可选的蒸汽重整反应(见如下的化学反应式II)，这两个反应被组合起来，用于将进料流F转化成一种含有氢气和二氧化碳的合成气体。化学反应式I和II是示范性的化学式，其中以甲烷作为所述的碳氢化合物 (I)(II)部分氧化反应的发生速度非常快，从而能完成对所加入氧气的转化，并能产生出热量。蒸汽重整反应的速度较慢，且要消耗热量。进料气流中氧的浓度越高，越有利于部分氧化反应的发生，而进料中水蒸汽的浓度越高，则越有利于蒸汽重整。因而，氧气对碳氢化合物的比值、以及水对碳氢化合物的比值是两个特征指标。这两个比值会影响到工作温度和氢气的产量。自热重整步骤的工作温度约在550℃到900℃的范围内，具体的温度取决于进料条件和催化剂。本专利技术采用一种用部分氧化催化剂组成的催化剂床，该催化剂床带有或不带有蒸汽重整催化剂。其中的催化剂可以是任意形式，这些形式包括丸粒状、球状、挤压型材、单块料形式等等。对于本领域技术人员来讲，部分氧化催化剂应当是公知的，其通常是由铂、钯、铑、和/或钌等贵金属制成，这些金属被制在单块料、挤压型材、丸粒体或其它载体的氧化铝涂敷层(washcoat)上。也可以使用镍、钴等非贵重金属。在现有技术文献中已提出可用氧化钛、氧化锆、氧化硅和氧化镁作为涂敷层。在技术文献中还提到了镧、铈、钾等可作为“助催化剂”的许多其它材料，这些材料能提高部分氧化催化剂的效能。蒸汽重整催化剂对本领域技术人员来讲也是公知的，其包括带有一定量钴的镍或铂、钯、铑、和/或钌等的贵金属。催化剂例如可被承载在氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆、或铝酸镁的单种材料或组合材料上。作为备选方案，蒸汽重整催化剂也可包括镍，其最好是被承载在氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆、或铝酸镁的单种材料或组合材料上，并用钾等碱金属作为其促进剂。处理步骤B是一个冷却步骤，用于将步骤A输出的合成气流大约冷却到200℃到600℃，该温度范围优选地是在约300℃到500℃之间，最好是在375℃到425℃左右，从而可优化合成气体的出流温度，以有利于下一步的处理。可利用散热片、热导管或热交换器来执行该冷却工作，具体采用何种形式取决于设计规格、以及是否需要回收/循环气流的焓量。步骤B的一个示例性实施方式采用了一个热交换器，该热交换器利用循环流经其自身的进料流F作为冷却剂。可采取对本领域技术人员来讲公知的任何合适构造来设计该热交换器，这些热交换器构造包括壳管式、板式、螺旋式等，作为替代方案，或者是作为上述方案的补充，冷却步骤B也可通过另外喷射燃料、空气、水等进料组分而进行冷却。其中，优选是喷射水，原因在于其在蒸发成水蒸气的过程中能吸收大量的热。组分的添加量取决于所需的冷却程度，本领域技术人员可很方便地确定出该添加量。步骤C是一个提纯步骤。碳氢化合物流中的主要杂质是硫，硫杂质在先前的自热重整步骤A中已被转化为硫化氢。优选的是处理步骤C中所用的处理芯本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑的燃料处理器，用于将碳氢化合物燃料进料转化为富氢气体，其包括： 一圆筒体，该圆筒体具有一入口端和一出口端，其中，所述圆筒体中装有多种催化剂，这些催化剂以串列的形式排布，从而形成了多个串联的反应区；以及 一热交换器，其具有一入口端和一出口端，其中，所述热交换器沿所述圆筒体的长度方向从其内部穿过，以便于根据各个特定反应区的需要而产生热量或吸收热量。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：柯蒂斯L克劳斯，詹姆斯F史蒂文斯，詹妮弗L潘，
申请(专利权)人：德士古发展公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]