CN100412491C - 单反应室的紧凑型燃料处理器 - Google Patents

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CN100412491C CNB01820449XA CN01820449A CN100412491C CN 100412491 C CN100412491 C CN 100412491C CN B01820449X A CNB01820449X A CN B01820449XA CN 01820449 A CN01820449 A CN 01820449A CN 100412491 C CN100412491 C CN 100412491C
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Abstract

本发明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)。

Description

单反应室的紧凑型燃料处理器
技术领域
燃料电池利用化学上的氧化一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***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。
背景技术
对于大多数燃料电池，诸如天然气、LPG、汽油、柴油等的碳氢化合物基燃料需要经过多个转化过程才能成为其燃料源。现有技术采用多级处理过程，这些处理过程将初始时的转化过程与几个提纯过程结合到一起。初始处理过程多数为常见的蒸汽重整处理(SR)、自热重整(ATR)、催化型部分氧化重整(CPOX)、或非催化剂型部分氧化重整(POX)。而其中的提纯过程通常是由如下的几个处理组成的：脱硫、高温水煤气转换、低温水煤气转换、选择性CO氧化、或选择性CO甲烷化。其它的可选处理包括经过氢选择甲烷化反应器和过滤器执行的处理。
尽管存在上述的设计方案，但仍然需要能有一种简单的***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。
发明内容
本发明总的目的是提供一种用于将碳氢化合物燃料转化成富氢气体的装置和方法。在本发明的一种示例性实施方式中，设计了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，在该实施例中，燃料处理器组件包括：一圆筒体，该圆筒体具有一入口端和一出口端，其中，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；一热交换器，其具有一入口端和一出口端，其中，该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。在该示例性实施例中，所述的多种催化剂包括：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、以及这些催化剂或类似催化剂的混合物和化合物。在该示例性的燃料处理器中，所使用的碳氢化合物燃料进料在被导流到圆筒体中之前先被预热一优选地是通过流经热交换器而获得加热，或者可以是利用一个设置在自热重整区上游运行位置处的燃料预热器来进行加热。可被使用的碳氢化合物的种类范围很广，但是，在一示例性实施例中，碳氢化合物燃料可从如下的种类中选择：天然气、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油气、甲醇、乙醇、其它合适且类似的碳氢化合物、以及这些燃料的混合物。
本领域技术人员还可理解和领会到：本发明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INCONEL
Figure C0182044900061
(关系到镍合金和铬镍铁合金的使用的注册商标)、碳素钢、以及不锈钢组成的。
本发明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。
附图说明
下文将参照附图进行描述，在附图中：
图1是一个简化的流程图，表示了本发明的一示例性实施例；
图2表示了根据本发明的紧凑型燃料处理器的第一种示例性实施方式；以及
图3表示了根据本发明的紧凑型燃料处理器的第二种示例性实施方式。
具体实施方式
本发明总体上涉及一种用于将碳氢化合物燃料转化为富氢气体的装置。在一优选方面，本文所述的装置和方法涉及一种紧凑的处理器，其用于从碳氢化合物燃料中制得燃料电池所用的、富含氢气的气流。但是，还可以考虑将本文所描述的装置和方法用作其它的用途，这些用途包括任何希望获得富氢气流的场合。因而，尽管此处所描述的本发明被设计成与燃料电池配套使用，但本发明并不仅限于此类应用。
本发明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。
根据本发明，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)。
图1是一个总体的流程图，表示本发明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：
CH4+1/2O2→2H2+CO    (I)
CH4+H2O→3H2+CO      (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。本发明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中所用的处理芯包括氧化锌和/或其它能吸收、转化硫化氢的材料，并包括一载体(例如为单块体、挤压型材、丸粒体等)。通过按照下面的化学反应式III而将硫化氢转化为水，从而完成脱硫：
H2S+ZnO→H2O+ZnS    (III)
诸如氯化物等的其它杂质也能被除去。优选地是在约300℃到500℃的温度范围内进行反应，最为理想的温度范围是在约375℃到425℃之间。在约25℃到700℃这一很宽泛的温度范围内，氧化锌都一直是效果很好的硫化氢吸收剂，因而，通过适当地选择工作温度，氧化锌能使后续的处理步骤具有很大的生产柔性。
流出的气流然后被输送到一混合步骤D中，在该步骤中，可选择在气流中加入水份。加入的水份由于会发生蒸发，所以其可降低反应剂流的温度，且加入的水份会为在步骤E(下文将进行讨论)中发生的水煤气转换反应提供更多的水。水蒸气和其它的出流组分通过流经一处理芯而被混合起来，其中的处理芯例如是用瓷珠等惰性材料或其它类似材料制成的，其能有效地进行混合和/或有助于水的蒸发。作为备选方案，也可以在进料时一并引入任意的另加水份，并对混合步骤重新进行定位，以便于在下文将要介绍的CO氧化步骤G中更好地对氧化剂气体进行混合。
处理步骤E是一个水煤气转换反应，其按照如下的反应式IV将一氧化碳转化为二氧化碳：
H2O+CO→H2+CO2    (IV)
这一步骤是非常重要的，原因在于一氧化碳不仅对人体而言是高毒性的，而且对燃料电池也是有害的。一氧化碳的浓度应当被降低到能被燃料电池容许的水平上，通常应当低于50ppm。一般来讲，发生水煤气转换反应的温度范围是从150℃到600℃，具体的温度取决于所使用的催化剂。在此条件下，气流中的大部分一氧化碳能在该步骤中被转化。
工作温度大约在150℃到300℃之间的低温型转换催化剂例如包括：氧化铜；承载在氧化锆等其它过渡金属氧化物上的铜；承载在过渡金属氧化物或耐火载体上的锌，其中的耐火载体例如为氧化硅、氧化铝、氧化锆等；或者是位于适当载体上的贵重金属，其中的贵金属例如为铂、铼、钯、铑、或金，载体例如为氧化硅、氧化铝、氧化锆等。
高温型转换催化剂的理想工作温度大约在300℃到600℃之间，此类转换催化剂包括三氧化二铁或氧化铬等过渡金属氧化物，且可选地包含铜或硅化铁等促进剂。高温型转换催化剂还包括位于载体上的贵重金属，例如位于载体上的铂、钯、和/或其它的铂系金属。
用于执行该步骤的处理芯包括一个由上述高温转换催化剂或低温转换催化剂构成的填料床，该填料床或者也可以是由高温转换催化剂和低温转换催化剂共同构成的。该步骤的执行温度是适于执行水煤气转换反应的任何温度，优选地约是在150℃到400℃之间，具体的温度取决于所用催化剂的类型。可选的设计是：在转换反应器的处理芯中设置一冷却旋管等的冷却元件，用于降低催化剂填料床中的反应温度。温度越低，越有利于一氧化碳转化为二氧化碳。此外，如果高温转换与低温转换是两个独立的步骤，则还可利用一脱硫模块在高温变换与低温变换之间执行一提纯处理步骤C，其中的脱硫模块位于高温转换步骤与低温转换步骤之间。
处理步骤F’是一个冷却步骤，在一实施例中，该步骤是通过一热交换器进行的。热交换器可以是任何合适的结构，这些结构包括壳管式、板式、螺旋式等。作为备选方案，也可以使用热管或其它形式的散热片。热交换器的目的是降低气流的温度，从而使出流的温度最好是在约90℃到150℃之间。
在步骤F’中的处理过程中加入氧气。氧气将被下述处理步骤G中的反应所消耗。氧气的输入形式可以是空气、富氧空气、或基本上纯的氧气。热交换器可被设计成能将空气与富氢气体混合起来。作为备选方案，也可以用步骤D的实施方式来进行混合。
处理步骤G是一个氧化步骤，在该步骤中，出料流中几乎所有的剩余一氧化碳都被转化成了二氧化碳。该处理过程是在设置了催化剂的情况下进行的，该催化剂用于对一氧化碳进行氧化，其可以是任何合适的形式，例如可以为丸粒体、球形体、单块体等的形式。用于对一氧化碳进行氧化的氧化催化剂是公知的，这类催化剂一般包括贵金属(例如铂、钯等)和/或过渡金属(例如铁、钴、锰等)，和/或贵金属或过渡金属的化合物-尤其是指这些金属的氧化物。一种优选的氧化催化剂是位于氧化铝涂敷层上的铂。所述涂敷层可被覆盖到单块体、挤压型材、丸粒体、或其它形式的载体上。还可以另外加入铈或镧等其它材料，以促进催化剂的效能。在现有技术文献中，某些专业人员已经提出了许多种其它的配方，并声称这些配方的性能优越于铑催化剂或氧化铝催化剂。文献中还提到了钌、钯、金等其它的材料对于上述用途也是有效的。
在步骤G中发生了如下的两个反应：所希望的对一氧化碳的氧化(反应式V)、以及不希望的对氢的氧化(反应式VI)，这两个反应为：
CO+1/2O2→CO2    (V)
H2+1/2O2→H2O    (VI)
低温条件将有利于对一氧化碳的优先氧化，由于上述的两个反应都是生热反应，所以如选择在该处理步骤中设置一个冷却盘管等的冷却元件，则将是有利的。该处理的工作温度最好能保持在90℃到150℃的大致范围内。处理步骤G最好能将一氧化碳的浓度降低到小于50ppm的等级，该浓度水平对于燃料电池中的使用环境而言是合适的，但本领域技术人员可以领会：本发明也可被设计成其能产出一氧化碳水平较高或较低的富氢气体。
从燃料处理器排出的出流是一种富含氢气的气体P，其含有二氧化碳和其它的组分，其它的组分例如为水、惰性组分(例如氮气、氩)、残留的碳氢化合物等。气体产品可用作燃料电池的原料，或用在需要富氢气流的其它应用场合中。可选的方案是：气体产品可被输送到另一个处理流程中，例如用于除去其中的二氧化碳、水或其它组分。
图2表示了一个燃料处理器20的横剖视图，该燃料处理器是本发明一个示例性的实施例。本领域普通技术人员应能明白和领会：燃料、或备选的燃料/氧气混合物、或备选的燃料/氧气/水混合物200被引流到一螺旋管热交换器202的入口端处。将热交换器设置在燃料处理器内部，以使得热交换器基本上沿燃料处理器的长度方向延伸。热交换器对燃料进行预热，并对各个反应区进行冷却/对其温度进行控制。本领域技术人员应能领会：有很多因素可影响热交换，这些因素包括燃料的流率、燃料的热容、在任一特定反应区内的螺管数目、制造螺旋管的管道的直径、螺旋管上是否带有翅片、如此等等。但是，通过常规的计算和实验就可以对该热交换设计进行优化。预热后的燃料离开热交换器之后，通过一条反应器进料管204流向第一反应区208。反应器进料管可带有流量控制装置以及其它类似的装置，用于在燃料混合物进入到第一反应区208中之前对其进行调节和优化。该示例性实施例中的第一反应区208被用自热重整反应催化剂进行了填充。这种催化剂可以为丸粒的形式、或承载在一单块体上。在某些实例中，可能会需要设置一分布板206，以便于使燃料在整个第一反应区内都能均匀地分布。此外，还可采用这样的可选设计：用一电预热器(图中未示出)来对燃料处理器进行启动。在燃料已到达第一反应区、从而能形成富氢气体之后，由于存在了富氢气体压力，所以气体能自然地流到第二反应区210中。在该示例性实施例中，第二反应区中填充了脱硫催化剂，该催化剂优选为氧化锌。富氢气体在流经脱硫催化剂-例如氧化锌之后，气流中含硫化合物的浓度就显著地降低了。脱硫后的富氢气体随后流入到第三反应区212中。本示例性实施例中的第三反应区用水煤气转换催化剂、或上述此类催化剂的混合物进行填充。富氢气体在流经该催化剂之后，其含氢量进一步提高，而一氧化碳含量则被降低。然后，富氢气体流到第四反应区214中，该反应区内容纳有优先氧化催化剂。如上文讨论的那样，该催化剂最好能将一氧化碳的浓度降低到小于50ppm。在某些实例中，可向第四反应区中喷入空气或其它合适的氧源性气体，以便于对优先氧化反应进行优化。可利用公知的装置来执行该喷射过程，其中的装置例如为简单的气体喷射管(图中未示出)，其***到部分氧化催化剂的料床中。在一优选实施例中，优先氧化反应区的结构设计中基本上采用了多孔管的形式，该多孔管被设计成能使喷入的氧气分布均匀。最终的产品是一种富氢气体216。还应当指出的是：在一优选的示例性实施例中，可在反应区之间的过渡区218中采用不活泼、但带有孔眼的柔性材料，此类材料例如为玻璃棉、陶瓷棉、石棉或其它类似的惰性材料。该材料的作用在于：有利于用各种催化剂对反应区进行填充、有助于防止运输过程中催化剂在无意中被混合起来、以及在各个不同的反应区之间形成一过渡区或缓冲区。对本领域技术人员显然可见的是：产出的富氢气体优选是被用在燃料电池中，但也可被储存起来或用在其它流程中。
本领域技术人员在阅读了上文对图2的描述之后，应当能理解和看出：各个模块都能单独地完成一项功能。进料流F(200)经过一条入口管(图中未示出)被引入，气体产品P216则被从出口管(图中未示出)抽吸出。反应区208是与图1中步骤A相对应的自热重整反应区。可在反应器底部入口处选装一电热器(图中未示出)，用于在启动时提供热量。反应区210是与图1中处理步骤C相对应的提纯反应区。反应区212与图1中处理步骤E相对应，为水煤气转换反应区。与图1中处理步骤F’相对应的冷却工作由热交换器202来完成。反应区214用于执行与图1中处理步骤G相对应的氧化工作。一空气源(图中未示出)作为氧气来源，用于向反应区214中的氧化反应(见反应式V)提供生产用气。反应区214还包括一热交换器202，该热交换器设置在催化剂料床中、或环绕着催化剂料床，用于将氧化反应的温度保持在理想的数值上，本领域技术人员应能领会：可根据多种因素对该实施例中的上述处理构造进行改动，其中的影响因素包括原料质量和所需的产品质量，但并不仅限于这二者。
下面参见图3，图中表示了本发明第二种示例性的实施方式，该图是一燃料处理器反应室40的横剖面图。本领域普通技术人员应能理解、领会：燃料、或备选的燃料/氧气混合物、或备选的燃料/氧气/水混合物300被引流到一第一螺旋管热交换器302的入口端处。设置了多个热交换器(302、304、以及306)，这些热交换器优选地是相互连通的。各个热交换器都设置在燃料处理器中，并使得各个热交换器基本上是沿特定反应区的长度方向延伸。热交换器对燃料进行预热，并对各个反应区进行冷却/对其温度进行控制。本领域技术人员应能领会：有很多因素可影响热交换，这些因素包括燃料的流率、燃料的热容、任一特定反应区内的螺管数目、制造螺旋管的管道的直径、螺旋管上是否带有翅片、如此等等。但是，通过常规的计算和实验就可以对热交换设计进行优化。预热后的燃料离开热交换器之后，通过一条反应器进料管308流向第一反应区312。反应器进料管可带有流量控制装置以及其它类似的装置，用于在燃料混合物进入到第一反应区312中之前对其进行调节和优化。该示例性实施例中的第一反应区312内填充有自热重整反应催化剂。这种催化剂可以为丸粒的形式、或承载在一单块体上。在某些实例中，可能需要设置一分布板310，以便于使燃料在整个第一反应区内都能均匀地分布。此外，还可选用这样的设计：用一电预热器(图中未示出)来对燃料处理器进行启动。在燃料已到达第一反应区、从而能形成富氢气体之后，由于压力作用，气体能自然地流过第一支撑板314，从而流入到第二反应区316中。在该示例性实施例中，第二反应区中填充了脱硫催化剂，该催化剂优选为氧化锌。富氢气体在流经脱硫催化剂-例如氧化锌之后，气流中含硫化合物的浓度就会显著降低。第二反应区中的温度至少部分地由第三热交换器306进行控制。脱硫后的富氢气体随后流经第二支撑板318而流入到第三反应区320中。本示例性实施例中的第三反应区用水煤气转换催化剂、或上述此类催化剂的混合物进行填充。富氢气体在流经该催化剂之后，其含氢量进一步提高，而一氧化碳含量则被降低。第三反应区中的温度至少部分地由第二热交换器304进行控制。然后，富氢气体流经第三支撑板322流入到第四反应区324中，该反应区内容纳有优先氧化催化剂。如上文讨论的那样，该催化剂可将一氧化碳的浓度降低到小于50ppm。在某些实例中，可向第四反应区中喷入空气或其它合适的氧源性气体，以便于对优先氧化反应进行优化。可利用公知的装置来执行该喷射过程，其中的装置例如为简单的气体喷射管(图中未示出)，其***到部分氧化催化剂的料床中。在一优选实施例中，优先氧化反应区的结构设计中基本上包括有多孔管，该多孔管被设计成能使喷入的氧气分布均匀。第四反应区中的温度至少部分地由第一热交换器302进行控制，该热交换器在对输入的燃料进行预热的同时，还对要从反应区排出的最终气体产品进行冷却。最终的产品是一种富氢气体326。还应当指出的是：利用惰性、但带有孔眼的支撑板将该示例性实施例中的各个反应区相互分隔开。该支撑板优选为刚性的，且在用作反应器之间过渡区的反应器材料的条件下是化学惰性的。该材料的作用在于：有利于用各种催化剂对反应区进行填充、有助于防止运输过程中催化剂在无意中被混合起来、以及在各个不同的反应区之间形成一过渡区或缓冲区。对本领域技术人员显然可见的是：产出的富氢气体优选是被用在燃料电池中，但也可被储存起来或用在其它流程中。
本领域技术人员在阅读了上文对图3的描述之后，应当能理解和看出：各个模块都能单独地完成一项功能。进料流F(300)经过一条入口管(图中未示出)被引入，气体产品P326则被从出口管(图中未示出)抽吸出。反应区312是与图1中处理步骤A相对应的自热重整反应区。可在反应器底部入口处选装一电热器(图中未示出)，用于在启动时提供热量。反应区316是与图1中处理步骤C相对应的提纯反应区。反应区320与图1中处理步骤E相对应，为水煤气转换反应区。与图1中处理步骤F’相对应的冷却工作由热交换器304来完成。反应区324用于执行与图1中处理步骤G相对应的氧化工作。一空气源(图中未示出)作为氧气来源，用于向反应区324中的氧化反应(见反应式V)提供生产用气。反应区324还包括一热交换器302，该热交换器设置在催化剂料床中、或环绕着催化剂料床，用于将氧化反应的温度保持在理想的数值上，本领域技术人员应能领会：可根据多种因素对该实施例中的上述处理构造进行改动，其中的影响因素包括原料质量和所需的产品质量，但并不仅限于这二者。
鉴于上文公开的内容，本领域普通技术人员将会理解、领会到：按照设计规范的不同，本发明可以有很多种可行的实施方式。其中的一个示例性实施例包括一种紧凑型的燃料处理器，其用于将碳氢化合物燃料进料转化为富氢气体，在该实施例中，燃料处理器组件包括：一圆筒体，该圆筒体具有一入口端和一出口端，其中，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；一热交换器，其具有一入口端和一出口端，其中，该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。在该示例性实施例中，所述的多种催化剂包括：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、以及这些催化剂或类似催化剂的混合物和化合物。在一优选的示例性实施例中，热交换器并未被设置在自热重整催化剂中。在该示例性的燃料处理器中，所使用的碳氢化合物燃料进料在被导流到圆筒体中之前先被预热-优选地是通过流经热交换器而获得加热，或者可以是利用一个设置在自热重整区上游运行位置处的燃料预热器来进行加热。可被使用的碳氢化合物的种类范围很广，但是，在一示例性实施例中，碳氢化合物燃料是从如下的种类中选择的：天然气、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油气、甲醇、乙醇、其它合适且类似的碳氢化合物、以及这些燃料的混合物。在一示例性实施例中，优选的设计是：圆筒体的定向姿态基本上是垂直的，其出口端位于顶部，反应剂的流动基本上是从入口端向出口端向上流动。
本领域技术人员还能理解和领会：本发明另一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。在某个示例性实施例中，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。可被使用的碳氢化合物的种类范围很广，但是，在一示例性实施例中，碳氢化合物燃料是从如下的种类中选择的：天然气、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油气、甲醇、乙醇、其它合适且类似的碳氢化合物、以及这些燃料的混合物。在一示例性实施例中，热交换器的入口端位于第四反应区，而出口端则位于第二反应区。
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，其中的板件还被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INCONEL(关系到镍合金和铬镍铁合金的使用的注册商标)、碳素钢、以及不锈钢组成的。
尽管上文中以优选实施例或示例性实施例的形式对本发明的装置、组成和方法进行了描述，但对于本领域技术人员很显然的是：无须悖离本发明的设计思想和保护范围，就可对本文所述的处理方法作出改动。所有这些对本领域技术人员来说显而易见的替换和改动必然是在本发明的设计思想和保护范围内，本发明的保护范围应由后续的权利要求限定。

Claims (14)

1. 一种紧凑型燃料处理器，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；所述多种催化剂包括容纳在第一反应区中的自热重整催化剂；
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，以便于根据特定反应区的需要而产生热量或吸收热量，其特征在于：所述热交换器未被设置在所述自热重整催化剂中；和
用于把预热燃料从所述热交换器导流到所述第一反应区的反应器进料管。
2. 根据权利要求1所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述的多种催化剂包括脱硫催化剂、水煤气转换催化剂或优先氧化催化剂。
3. 根据权利要求2所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述碳氢化合物燃料进料在被导流到所述圆筒体中之前先通过流经所述热交换器而被预热。
4. 根据权利要求2所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述碳氢化合物燃料是从如下的燃料组中选出的：天然气、汽油、柴油、燃料油、丙烷、液化石油气、甲醇、乙醇以及这些燃料的混合物。
5. 根据权利要求1所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述热交换器的入口端位于所述圆筒体的出口端处。
6. 根据权利要求1所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述圆筒体基本上垂直取向，且其出口端位于顶部。
7. 一种紧凑型燃料处理器，用于将碳氢化合物燃料进料转化为富氢气体，所述燃料处理器包括：
一反应室；
多个反应区，这些反应区是在所述反应室内预先形成的，各个反应区的特征体现在所述反应区内发生的化学反应，且第一反应区容纳有自热重整催化剂；
一热交换器，其具有一入口端和一出口端，其中，所述热交换器被设置在所述反应室中，所述热交换器未被设置在所述第一反应区中；和
用于把预热燃料从所述热交换器导流到所述第一反应区的反应器进料管。
8. 根据权利要求7所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：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；以及一第四反应区中容纳有优先氧化催化剂。
9. 根据权利要求7所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述碳氢化合物燃料进料在被导流到所述反应室中之前先通过流经所述热交换器而被预热。
10. 根据权利要求7所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：碳氢化合物燃料进料、空气以及水的混合物在被导流到所述第一反应区中之前先流经所述热交换器而被预热。
11. 根据权利要求8所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述热交换器的入口端位于所述第四反应区，而出口端则位于所述第二反应区。
12. 根据权利要求7所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：多个反应区中的每个反应区都包含一种或多种催化剂，所述催化剂是从一组催化剂中选出的，这组催化剂包括：自热重整催化剂、脱硫催化剂、水煤气转换催化剂以及优先氧化催化剂。
13. 根据权利要求12所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：含有多于一种催化剂的一个反应区利用一渗透性的板件与相邻的反应区分隔开，并被该板件支撑着。
14. 根据权利要求13所述的紧凑型燃料处理器，其特征在于：所述板件是从如下一组板件中选出的：多孔金属板、金属屏网、金属丝网、烧结金属以及多孔陶瓷。
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