紧凑的单室燃料处理装置制造方法及图纸

一种装置（２０），以多步工艺将碳氢化合物燃料（Ｆ）转换成基本上纯净的氢气原料（Ｈ），该装置包括许多反应区域（２０２、２０４、２０６、２０８、２１０），这些反应区域配置在一个共用的反应室（２１２）内。该多步工艺包括将燃料（Ｆ）输入到燃料处理装置（２２６），使得燃料（Ｆ）发生反应，形成富氢气体（Ｈ），中间气体产物通过配置在反应器内的各个反应区域，产生富氢气体（Ｈ）。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
技术介绍
根据35U.S.C.§119规定，本专利技术要求2001年4月26日提出的美国临时专利申请No.60/286,684的优先权。燃料电池通过化学氧化-还原反应产生电力，在清洁性和效率方面显著优于其它的发电方法。燃料电池通常用氢作燃料，用氧作氧化剂。发电量正比于反应物的消耗速度。限制燃料电池广泛使用的一个重要缺点是氢缺乏流行的内部结构。氢的体积能量密度相当低，而且比现在用在大多数发电系统中的碳氢化合物燃料更难于储存和运输。克服这种困难的一种方法是应用重整器将碳氢化合物转换成富氢气流，将该富氢气流用作燃料电池的原料。作为大多数燃料电池的燃料源，碳氢化合物基燃料例如天然气、LPG、汽油和柴油需要采用转换工艺。现代技术采用多步骤工艺，使固有转换工艺与若干提纯工艺相结合。固有工艺通常是蒸汽重整(SR)工艺、自热重整(ATR)工艺、催化部分氧化(SPOX)工艺，或者非催化部分氧化(POX)工艺。提纯步骤通常包括联合应用脱硫工艺、高温水煤气转换工艺、低温水煤气转换工艺、选择性一氧化碳氧化工艺，或者选择性使一氧化碳甲烷化的工艺。其它的工艺包括氢的选择性薄膜反应工艺和薄膜过滤工艺。尽管已有上述工作，但是仍需要一种简单的装置将碳氢化合物燃料转换成富氢气流，以便用在燃料电池上。专利技术概要本专利技术总的目的在于一种将碳氢化合物燃料转换成富氢气体装置。在一个例示性实施例中，本专利技术包括将碳氢化合物原料转换成富氢气体的紧凑燃料处理装置，在这种装置中，燃料处理装置组件包括反应缸，该反应缸具有进料端和集管端、可卸下的集管和许多在反应缸内的预定反应区域，其中各个反应区的特征在于在反应区域中发生的化学反应。燃料处理装置还包括至少一个冷却盘管，该盘管具有入口端和连接于集管端的出口端，其中该至少一个冷却盘管中的至少一个盘管装在反应区域内部，以便除去特定反应区域中的热量。在此例示性实施例中，许多催化剂包括自热重整催化剂、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和类似催化剂的混合催化剂。在例示性燃料处理装置中用的碳氢化合物原料最好在进入到反应缸之前通过热交换器被预热，或者由位于自热重整反应区域上游操作位置的燃料预热器进行预热。在一个例示性实施例中，反应缸最好大体垂直取向，使反应缸的集管端位于顶部，而反应物的气流一般从输入端向上流到集管端。这种例示性的实施例包括装有自热重整催化剂的第一反应区、装有脱硫催化剂的第二反应区、装有水煤气转换催化剂的第三反应区和装有优先氧化催化剂的第四反应区。最好是，第一反应区配置在反应缸的输入端，第二反应区邻接第一反应区，第三反应区邻接第二反应区，而第四反应区配置在反应缸的集管端板上。还在第三和第四反应区域之间配置陶瓷小球区域，以便改进富氢气体和空气的混合，该空气通过集管中固定喷管注入到陶瓷小球区域。采用众所周知的装置例如简单的气体喷射管或者多孔管可以进行这种空气注入。技术人员应当看到，许多反应区域中的各个反应区域可以包括一种或者多种催化剂。技术人员应当看到，许多反应区域中的各个反应区域可以包括一个或者多个催化剂。在一种这样的例示实施例中，催化剂选自自热重整催化剂、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和类似催化剂的混合物和联合物。任何包含一个以上催化剂的特定反应区域可以用透气板与相邻的反应区域分开，该透气板也用来支承相邻的反应区域。在一个例示性实施例中，这种透气板可以选择有孔的金属板、金属栅板、金属网板、烧结金属板、多孔陶瓷板，或者这些材料和类似材料的联用板。在这种例示性实施例中，该透气板最好至少部分由镍铬铁合金、不锈钢、hatelloy，或者其它耐高温耐高压的材料，以及复合材料组成。在本专利技术的一个优选方面中，紧凑的燃料处理装置还包括第二反应缸，该缸具有阳极尾气氧化催化剂床，以便使燃料电池中的阳极尾气氧化，形成废气。该第二反应缸具有在碳氢化合物燃料输送到第一反应缸之前加热该碳氢化合物燃料的预热热交换器，这种预热热交换器配置在阳极尾气氧催化剂床中。可以预见到，本例示性实施例还包括装有另一优先氧化催化剂床的第五反应区域。在这种实施例中，包含上述空气注入喷管的陶瓷小球第二区域配置在第四和第五反应区域之间，以便确保充分的混合。附图的简要说明下面参考附图进行说明，这些附图是附图说明图1示出本专利技术一个例示性实施例的简单工艺流程图；图2示出本专利技术紧凑燃料处理装置的第一例示性实施例；图3示出本专利技术紧凑燃料处理装置的第二例示性实施例；图4示出本专利技术紧凑燃料处理装置的第三例示性实施例；例示实施例的说明本专利技术总的目的在于一种将碳氢化合物燃料转换成富氢气体的装置。在优选方面中，本文所述的装置和方法涉及一种用碳氢化合物燃料产生富氢气流的紧凑燃料处理装置，这种富氢气流用于燃料电池。然而对于所述的装置和方法也可以用在其它方面，包括需要用富氢气流的任何方面。因此，尽管本专利技术是说明用在燃料电池上的，但本专利技术的范围不限于这种应用。本专利技术例示实施例中的各种实施例说明一种燃料处理装置或者使用这种燃料处理装置的工艺，碳氢化合物燃料直接通过该燃料处理装置。该碳氢化合物在环境条件下可以是液体或者气体，只要它能够蒸发。本文中所用的术语“碳氢化合物”包括具有S-H化学键的有机化合物，这些化合物可以用部分氧化或者蒸汽重整反应产生氢气。在化合物的分子结构中不排除存在除碳和氢以外的原子。因此，用在本文中方法和装置中的适合的原料包括(但不限于)碳氢化合物燃料，例如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、粗汽油、汽油和柴油燃料以及醇类燃料例如甲醇、乙醇、丙醇等。燃料处理装置用的原料包括碳氢化合物燃料、氧和水。氧可以是空气中的氧、富含氧的空气或者完全纯的氧。水可以作为液体和蒸汽注入。原料组份的组成百分数由下面要说明的操作条件确定。本专利技术的燃料处理装置的流出气流包括氢气和二氧化碳，还包括一定量的水、没有转换的碳氢化合物、一氧化碳、杂质(即硫化氢和氨气)以及惰性成份(即氮气和氩气，在空气是原料气流的组份时特别容易产生)。图1是总的工艺流程图，示出包含在本专利技术例示性实施例中的操作步骤。技术人员应当看到，在反应物流过本文所述的反应缸时需要某种程度的过程顺序。操作步骤A是自热重整工艺，在这种工艺中联合两种反应即部分氧化反应(下面的反应式I)和选择性蒸汽重整反应(下面的反应是II)，将原料气流F转换成包含氢气和一氧化碳的合成气体。反应式I和II是例示性的反应式，其中甲烷是碳氢化合物(I)(II)部分氧化反应反应很快，可以完全转换加入的氧气，产生热量。这种蒸汽重整反应反应较慢，消耗热量，在输入气流中高浓度的氧气有助于部分氧化反应，而较高浓度的水蒸汽有助于蒸汽重整。因此，氧与碳氢化合物的比例以及水与碳氢化合物的比例是特征参数。这些比值影响操作温度和氢气的产率。自热重整步骤的操作温度在约550℃至约900℃的范围内，温度取决于输入状态和催化剂。本专利技术采用部分氧化催化剂的催化剂床，这种催化剂床可以加入或者不加入蒸汽重整催化剂。催化剂可以为任何形状，包括片状、球状、压出型材、大块料等。部分氧化催化剂应当是技术人员周知的催化剂，通常包括贵金属，例如铂、钯、铑和/或者钌，这些贵金属镀在大块材料、挤压型材、片或者其它载带体上的氧化铝耐洗涂层上。可以应用非贵金属例如镍本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑的燃料处理装置，用于将输入的碳氢化合物燃料转换成富氢气体，该处理装置包括：　　　　反应缸，具有输入端和集管端，其中反应缸具有可取下的集管；　　　　在反应缸中的许多预定反应区域，其中各个反应区域特征在于化学反应发生在各个反应区域；　　　　至少一个冷却盘管，具有连接于集管端的入口端和出口端，其中每一所述至少一个冷却盘管配置在内部，从而可以移除特定反应区域中的热量。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯蒂斯L克劳斯，詹妮弗L潘，维贾伊A德什潘德，保罗马丁，
申请(专利权)人：德士古发展公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]