用于制备富氢气体的紧凑型燃料处理器制造技术

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）。（*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。专利技术概述本专利技术主要涉及将烃燃料转化为富氢气体的装置和方法。在本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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，其中附图说明图1描述了本专利技术的一个描述性实施方案的流程简图。图2描述了本专利技术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专利技术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，尽管在这里本专利技术是针对用于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这种用途。本专利技术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。本专利技术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专利技术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、二本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：C克劳斯，JK沃尔芬巴杰，P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]