CN104321272A - 用于将醇重整成包括氢的气体的混合物的醇重整器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了重整的醇。醇被引入到醇重整器的导管中，以使所述醇流过所述导管内的催化剂级。所述催化剂级包括醇重整催化剂和传热构件，所述传热构件包含导热材料。所述传热构件与所述导管和所述醇重整催化剂热接触。同时，将排气从内燃机引入到排气通道中。所述排气通道中的所述排气接触从所述导管向外延伸的散热片，以使来自所述排气的热量通过所述散热片、所述导管以及所述传热构件而传递至所述醇重整催化剂。

Description

用于将醇重整成包括氢的气体的混合物的醇重整器
发明领域
本公开总体涉及一种用于将醇重整成包括氢的气体的混合物的醇重整器以及一种执行这种重整的方法。
发明背景
醇重整可为将醇转化成氢和其它气体的混合物的吸热催化过程。作为用于内燃机的燃料，产品“醇重整物”比母体醇优越。醇重整物(尤其是由甲醇和乙醇形成的那些)的优越性主要归于氢的存在。重整物比原料醇燃烧得更快，并且更耐受空气和排气的稀释。在部分负载下，稀释通过减少节流损失和燃烧热量到冷却剂的损失而有益于效率。另外，重整物的燃烧热量大于原料醇的燃烧热量。醇和重整物两者都是可耐受高压缩比的高辛烷值燃料。
发明概述
在一方面，一种醇重整器总体包括：导管，其包括具有外表面和内表面的壁，所述内表面至少部分限定醇蒸气沿着醇流路而流过的内腔，所述导管壁包含导热材料；多个散热片，其大体上从所述导管壁的所述外表面径向向外延伸，所述散热片包含导热材料，其中所述散热片与所述导管壁热接触；催化剂级，其位于所述导管的所述内腔中，其中所述催化剂级被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述催化剂级，所述催化剂级包括醇重整催化剂和传热构件，所述传热构件包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管壁和所述醇重整催化剂热接触，由此热量可从所述多个散热片传递至所述醇重整催化剂从而使得所述醇蒸气能够在其流过所述催化剂级时重整。
另一方面，一种醇重整***总体包括：外部重整器壳，所述外部重整器壳限定排气沿着排气路径而流过的大体上水平的排气通道；和醇重整器，所述醇重整器被接收在所述排气通道中，所述重整器包括：导管，其包括具有外表面和内表面的壁，所述内表面至少部分限定醇蒸气沿着醇流路而流过的内腔，其中所述导管壁包含导热材料，所述内腔不与所述排气通道流体连通；多个散热片，其大体上从所述导管壁的所述外表面径向向外延伸并位于所述排气通道内，所述散热片包含导热材料，其中所述散热片与所述导管壁热接触；以及催化剂级，所述催化剂级位于所述导管的所述内腔中，其中所述催化剂级被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述催化剂级。所述催化剂级包括：醇重整催化剂；和传热构件，所述传热构件包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管壁和所述醇重整催化剂热接触，由此来自在所述排气腔中流动的排气的热量可从所述多个散热片传递至所述醇重整催化剂从而使得所述醇蒸气能够在其流过所述催化剂级时重整。
又一方面，一种重整醇的方法总体包括：将醇引入到醇重整器的导管中，以使所述醇流过所述导管内的催化剂级，所述催化剂级包括醇重整催化剂和传热构件，所述传热构件包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管和所述醇重整催化剂热接触；以及在所述将醇引入的同时，将排气从内燃机递送至排气通道，其中所述排气通道中的所述排气接触从所述导管向外延伸的散热片，以使来自所述排气的热量通过所述散热片、所述导管以及所述传热构件而传递至所述醇重整催化剂。
其它特征将在下文中部分地显而易见并且部分地指出。
附图简述
图1是重整器***的实施方案的示意截面；
图2是用于图1中的重整器***的末端配件或端帽的放大前正视图；
图3是图2中的末端配件的右正视图；
图4是从重整器***的重整器中移除的挡板的分解示意图；
图4A是图4中的挡板的前正视图；
图5是图1的重整器***的重整器中的重整级的示意表示；
图6是穿过重整器的另一实施方案的示意截面；
图7是图6中的重整器的重整器导管中接收的传热元件的放大前正视图；
图8是重整器***的另一实施方案的示意图示；
图9是沿图8中的线9-9截得的截面；
图10是重整器***的另一实施方案的示意图示；
图11是根据图10中的示意图示构造的重整器的透视截面图；
图12是用于图11中的重整器的每个区块的止动板的顶部透视图；
图12A是止动板的底部透视图；
图13是另一重整器***的顶部透视图；
图14是图13中的重整器***的底部透视图；
图15是图13中的重整器***的透视截面图；
图16是图13的重整器***的重整器导管中的重整器级的示意图示；
图17是图13中的重整器***的顶部平面图，其中顶部已被移除；
图18是示出在根据实施例4的教义在催化剂床中未整合铜纱圆盘的情况下在所述催化剂床中重整5ml/min的乙醇时的温度曲线的图；
图19是示出在根据实施例4的教义在催化剂床中整合铜纱圆盘的情况下在催化剂床中重整5ml/min的乙醇时的温度曲线的图；
图20是示出实施例5的实验的重整器温度的图；
图21是示出实施例5的实验的重整器气态产物分布的图；
图22示出内燃机、传输装置以及包括排气集管的排气***，其中重整器定位在传输装置上方并紧密地联接至内燃机上以减少升温时间，并且供给有来自两侧的排气流；并且
图23是适用于图22的***的重整器***的示意图示。
在整个附图中，对应参考标号指示对应部分。
详述
醇重整物(尤其是由甲醇和乙醇形成的那些)作为用于内燃机的燃料的优越性主要归于氢的存在。重整物比原料醇燃烧得更快，并且更耐受空气和排气的稀释。在过量空气的情况下，稀释程度通常是由参数兰姆达(λ)描述，λ表示引入到气缸中的空气的比率，所述比率达到化学计量所要求的用于燃料燃烧的比率。过量空气(λ>1)的使用使催化转化器失去控制优先污染物NOx的能力。然而，相对高的λ值(尤其是在结合一定级别的排气再循环(EGR)时)抑制内燃机外的NOx含量。这些含量低到足以使得目标尾管NOx排放物可以通过使用小型贫燃NOx捕集器获取。
甲醇重整通常在250℃以上的温度下进行。甲醇重整反应以等式1给出。
CH3OH→CO+2H2      (1)
例如已在美国专利号7,682,724B2和美国专利号8,100,093B2中所报告，镀铜镍海绵催化剂对于通过等式2中示出的途径在250℃以上进行的乙醇重整而言是活性的并稳定的。所述催化剂还有效地用于根据等式1的甲醇重整。
CH3CH2OH→CH4+CO+H2      (2)
镀铜镍海绵是无载体金属催化剂。催化剂载体有助于维持活性金属的分散，并且结构化载体可防止催化剂移动，但是它们表现出非生产性的热质量。在车辆应用中，有利的是，快速地使重整催化剂达到操作温度，以使内燃机可在几乎整个驱动循环中依靠重整物来操作。
类似地，为了实现可接受的升温时间，可能有必要最小化其它重整器部件的热质量。例如，Emonts等报告了在使用12kW甲醇燃烧器时在50kW甲醇重整器达到反应温度之前为22分钟的最小升温时间(B.Emonts等，J.Power Sources，第86卷，第228至36页，2000)。
虽然最小化重整器的热质量可能是必要的，但这无法通过将重整器的部件制造得任意薄来实现。利用重整醇的实际动力***优选地并入存储车辆冷态起动和高功率瞬态所要求的重整物的缓冲罐。对缓冲罐中的重整物加压使得缓冲罐能够更小，从而使其更容易地封装在车辆上。另外，用于将重整物引入内燃机中的燃料注射器要求几个大气压的驱动压。如果重整器中使用粉末状催化剂，那么催化剂床上的压降形成进一步反压。因此，虽然准确要求取决于车辆设计和内燃机策略，但实际车载醇重整器应当能够在相关过程温度下(通常在催化剂侧上高达约350℃并且在排气侧上高达约700℃)利用从约100psi至约150psi的反压来安全地操作。
醇重整器性能的第二量度是热量从排气传递至催化剂的效率。高的传热效率使重整器能够快速起动，但内燃机气缸中的稀释降低排气温度，尤其是在过量空气用作稀释剂时。在重整器传热效率高时，相对高度的气缸中稀释是可以耐受的，从而使内燃机能够实现更高效率。
对于重整含镍的催化剂，产生另外问题。在相对高的温度下，镍催化不合需要的副反应“甲烷化”。等式3中示出的甲烷化反应破坏氢，因此限制可在内燃机中实现的稀释，同时还使重整物的燃烧的焓减少。在使用镀铜镍催化剂的情况下，已经发现，优选将催化剂温度维持低于约370℃，并且更优选地低于约350℃，以便抑制甲烷化。理想地，维持催化剂质量的温度分布尽可能地接近等温，以使所有催化剂都可维持高的活性并且都不处于甲烷化温度范围内。
3H2+CO→CH4+H2O      (3)
本公开涉及一种用于通过利用排气热量驱动吸热催化的醇重整反应来改进使用醇燃料的车辆的效率和排放的方法。这个反应将醇(通常是甲醇和乙醇)转化成包括氢的气体的混合物，所述混合物可高效率地用于内燃机。重整过程要求维持高的催化活性以及从排气至催化剂的充分热量传递。在一个实施方案中，本公开包括使用具有高的重整活性的铜镍催化剂以及如下设计的重整器：所述设计提供从排气至催化剂的良好热量传递，同时最小化热质量，使得重整器在催化剂起动时快速升温。
本公开的至少一些重整器实施方案以具有最小热质量，但可承受燃料注射器和缓冲罐所形成的反压的设计实现从排气至催化剂的有效热量传递。这通过在排气侧上使用散热片用于热量传递，而非使用壳与管道或者其它高热质量设计来实现。本公开的至少一些重整器实施方案还通过提供与催化剂的并入相容的催化剂侧几何形状并且提供充分热量传递而使得能够使用丸状或其它结构化重整催化剂。使用装有散热片的设计而非例如壳与管道、板与框架或是其它常见热交换几何形状避免了将结构化催化剂挤压到热交换器板之间的薄空间中或将它们填装在管道周围的需要。
本公开的至少一些重整器实施方案包括与并入传热能力但无催化剂的级交替的多个催化剂级。醇的重整是吸热的。活性重整催化剂可使得重整能够在高速率下进行，以致热量消耗快于可从排气提供的热量供应。利用实现乙醇/重整物流再热的中介级将催化剂分级允许催化剂在整个重整器中被维持处于可接受的操作温度。
醇和汽油的共混物也可用作本公开的重整器的供料。具体来说，通常称为“E85”的高含量乙醇共混物是合适的燃料。
本公开的重整器的至少一些实施方案包括在一侧上带有铜镍催化剂的热交换器。例如，乙醇被供应至催化剂侧并而排气流过另一侧。在一些实施方案中，并入粉末状催化剂、优选镀铜镍海绵以便提供重整活性。当使用粉末状催化剂时，可出于传热目的将金属丝网或毡(在广义上，即传热介质或传热构件)并入催化剂床中并可以使用内部过滤器来防止催化剂在重整器内移动或催化剂散逸。本公开还使得能够使用结构化催化剂。在一个实施例中，催化剂是由已形成为合适刚性形状(通常为圆柱形)的镀铜镍海绵构成的无载体结构。
内部过滤器可主要用于防止催化剂从重整器中散逸出来，但还可以用来防止催化剂在重整器内移动，尤其是在催化剂被布置成级的情况下。虽然出于这个目的可以使用烧结金属介质，但也可以使用纤维金属深度过滤介质，诸如来自NV Bekaert SA,Zwevegem的Bekipor介质以及来自Mott Corporation,Farmington,CT的Mott公司的纤维金属深度过滤介质。过滤器可正好放置在重整物出口内部。在分级设计中，更薄的过滤层也可被放置在每个催化剂级后面。
热量传递扩大非常重要，因为颗粒的填装床不像均匀固体那样通过简单传导进行传热。通过颗粒床的传热众所周知是相当缓慢的。以下实施例3描述一种带有大直径粉末床的重整器，其示出了通过粉末床的不良径向传热以及所造成的径向热梯度。
一种通过催化剂质量提供传热的示例性方法是将催化剂嵌入到金属丝网或毡片材中，或将层施加至金属丝网或毡薄片(在广义上，它们各自被视为传热构件)的表面上。可以使用其它纤维金属介质，诸如实施例4中描述的铜纱、钢绒、或甚至松散金属纤维。金属丝网片材可以是有利的，因为镀铜镍海绵可被容易地施加至片材上，并且因为装载催化剂的片材随后在重整器组装期间用作方便的催化剂载体，从而提供带有高催化剂密度和出色的导热性的催化剂床。合适介质的实例包括G-Mat，即一种来自Micron Fiber-Tech of Debary,FL的铁铬铝合金丝网产品以及来自Porvair of Ashland,VA的Sinterflo F和M。
在一个实施例中，可在催化剂或丝网没有钝化或在没有使用诸如滚压机这类侵略性的且耗时的技术的情况下将催化剂装载到丝网上。铜镍催化剂、尤其是镀铜镍海绵是弱铁磁性的，如果它们尚未干燥和钝化的话。颗粒间的吸引致使未钝化的催化剂浆具有与花生酱类似的浓稠度，从而允许通过手动地将浓浆(优选地至少50重量％的催化剂)铺展到一个或两个外表面上来将厚的催化剂层施加至丝网、箔或筛网上。
涂布和/或浸渍铜镍催化剂的丝网片材可容易地***本公开的重整器中。或者，可以使用结构化催化剂。优选地，结构化催化剂包括铜和镍并具有高表面积、优选地如由布鲁诺尔-艾米特-泰勒(BET)方法测量出的大于10m2/g以便提供所要求的催化活性和最小惰性结构材料(诸如氧化铝)，从而最小化热质量和由载体催化的不合需要的副反应。常见的催化剂载体氧化铝催化乙醇到乙烯的脱水反应(这可引起焦化)，并且还可催化自甲醇、乙醇以及其它醇的***形成。金属载体的使用最小化副反应并且提供更好的导热性。将雷尼(Raney)合金喷涂到金属载体上随后进行活化和镀覆可提供这样的催化剂。在不进行镀覆的情况下在金属载体上的金属海绵催化剂的制备在T.Turek等的美国公开2006/0224027中描述，其中涉及金属海绵催化剂的制备的部分以引用方式并入本文。
催化剂可以是由铜镍颗粒的粘结颗粒构成的高表面积结构，优选的是镀铜镍海绵。在一个实施例中，催化剂是已镀铜的镍海绵(雷尼镍)的刚性高表面积团聚体。合适的催化剂包括通过将雷尼合金和粘结剂喷涂到聚苯乙烯球体上、随后燃烧聚苯乙烯并使合金活化来制备的成形空心催化剂、诸如空心球体。这个技术由Ostgard等在美国专利号6,573,213B1中进行描述，其中涉及这个技术的部分以引用方式并入本文。或者，可将水中的活化雷尼催化剂粉末压制到圆柱形丸上，如由Birkenstock等在美国专利号5,253,993中描述，其中涉及这个技术的部分以引用方式并入本文。在后者情况中，在催化剂形成之前利用铜喷渡镍海绵可以是优选的。
本公开的重整器和重整器***可利用排气和乙醇的并流或逆流来操作。在一个实施例中，使用并流(平行流)，因为其可引起更等温的温度分布。还使用了水平的排气流，因为排气从正常的内燃机水平地离开，并从车辆后部排放出来。将排气流方向从水平改变成竖直并且变回原样可以形成排气反压，从而对内燃机造成附加负载。
穿过重整器的排气流优选地利用定位在重整器下游的阀进行计量，以便维持合适的催化剂温度。在一个实施方案中，计量阀被控制，以将离开重整器的重整物的温度维持在约300℃与约360℃之间。在其中催化剂必须维持更高的转换率的高内燃机负载下，更高的重整物离开温度(对应于更高的催化剂温度)是优选的。可以采用阀的下游定位，因为如果阀在重整器的上游，其会呈现在重整器变得可操作之前将必须被加热的额外的热质量。
在至少一些实施方案中，本公开的重整器将醇蒸发和重整功能合并成单个单元以方便封装在车辆上并且使热质量减少。因此，在这些实施方案中，没有必要使用单独的气化器。然而，可将单独紧凑式热交换器并入***中以提供在进入醇燃料流与离开重整器的重整物之间的热交换。这提供了燃料的部分蒸发、同时将重整物冷却至燃料的沸点(通常约80℃)附近，这简化了重整物处理和其到内燃机的递送。紧凑板与框架“平板”热交换器可用于这个目的。
参照图1至图5，重整器***的一个实施方案总体以参考数字10指示。总体来说，重整器***10包括：外部重整器壳12，其在本实施方案中是排气套管(例如，管道或管子)，来自排气***的排气EG沿着大体上水平的路径流过所述排气套管(如由图1中的箭头所示)；以及内部重整器(总体以13指示)，其大体上同轴地接收在外部排气套管中，并且醇A(即醇蒸气)流过所述内部重整器(如由图1中的箭头所示)。虽然应当理解，醇在进入重整器13时或甚至在重整器中时可不完全蒸发，并且至少一部分的醇将在其流过重整器时被重整成重整物混合物(例如，包括氢气和液体的混合物)，本公开将进入和离开重整器的流体称为“醇”。内部重整器13包括重整器导管14(例如，管子或管道)，所述导管14具有相反闭合纵向末端、具有外表面和内表面的壁，所述内表面至少部分限定醇蒸气A沿着醇流路而流过的内腔。多个交替催化剂级16和再热级18被设置在重整器导管14的腔内。催化剂级16可以包括例如嵌入金属丝网中的粉末状铜镍催化剂或小铜镍丸，诸如本文上述那些。使用铜镍丸时，催化剂丸可为约2mm至约6mm，这提供了热量传递、机械强度以及甚至醇流分布之间得平衡。小型内部过滤器(图1中未示出)可以直接地定位在每个催化剂级下游，以便防止粉末(包括来自结构化催化剂的磨耗的粉末)移动并对催化剂丸提供减震。
再热级18可以包括与导管14热接触的多孔金属介质，诸如金属泡沫、金属丝网、钢绒、或其它导热材料(在广义上，即传热构件)。多个挡板20被设置在重整器导管14中，介于交替催化剂级16与再热级18之间。每个挡板20包括开口或槽21(图4和图4A)以便允许醇蒸气沿着醇流路流过挡板，如图1描绘。挡板20在形状上可基本上相同，但相对于重整器导管14在旋转取向上交替(诸如图1所示那样)以引导醇蒸气在交替上流方向和下流方向上(例如，在波状或正弦状流路中)穿过催化剂级16和再热级18。因为铜的高导热性和其即使是在装有散热片的重整器导管14或管道略微失圆的情况下也足以被***的柔性的事实，挡板20可以由铜形成。挡板20可由其它导热材料形成。
多个散热片22从重整器导管14向外延伸并与所述导管14热接触。散热片22被设置在介于重整器导管14的外表面与排气套管12的内表面之间的排气EG的流路内，以有利于从排气朝重整器导管14的热量传递。在一个实施方案中，散热片22从重整器导管14径向向外延伸，并且在所示实施例中被定向成围绕重整器导管(即，围绕导管的纵向轴线)的盘旋或螺旋状构造。在另一实施方案中，散热片22可以被构造成平行于排气EG流的方向。散热片22可以由能承受汽车排气中呈现的热量和腐蚀性化合物的钢形成，或由铜或其它导热材料形成。散热片22末端与排气套管12的内表面之间的间隙可以小于0.25英寸(6.25mm)，以最小化排气旁通。在排气围绕散热片22流动时，热量通过散热片传递至导管14，并且随后被传递至催化剂级16和再热级18。
在所示实施方案中，内部重整器导管14的上游和下游轴向末端闭合，以便禁止排气EG进入内部重整器导管。如图1所示，醇入口50(例如，管子或管道)邻近上游闭合末端径向延伸穿过重整器导管14，而醇出口52(例如，管子或管道)邻近下游闭合末端径向延伸穿过重整器导管14。进入重整器13、更确切地说进入重整器导管14的醇首先穿过包括没有催化剂的多孔介质的蒸发级26(即第一级)，所述蒸发级26用于在使用E85或类似汽油-乙醇共混物作为供料时基本上完成醇的蒸发和预热并且捕集供料中的非挥发性组分，诸如汽油的高沸点组分。在一个实施例中，蒸发级26可以包括不锈钢绒、或其它导热材料。同样在这个实施方案中，最终级或最后一个级28包括过滤器。描绘内部重整器导管14内的重整级16、18、26、28的布置的示意图在图5中示出。
在图1至图4A中示出的实施方案中，上游和下游端帽或末端配件(总体以32指示)包括：本体33，其被***外部排气套管12的敞开纵向末端；以及固定凸缘34(图1)，其用于将重整器10固定至排气***上。参照图2，每个本体33分别包括同心的内环36和外环38。多个辐条或腹板40从内环36径向向外延伸并且将内环36与外环38互连。内环36限定中心开口39，所述中心开口39被构造来将重整器导管14大体上同轴地接收并保持在外部排气套管12内。内环36和外环38与腹板40之间的空间42允许排气EG在外部排气套管12的内表面与内部重整器导管14的外表面之间限定的排气通路46(图1)内流动。配件本体33包括被接收在排气套管12的对应打开末端中并被焊接至所述打开末端上的减少直径部分58。
参照图6，与重整器***10或另一重整器***一起使用的重整器的另一实施方案总体以70指示。除非以下另外描述，否则这个实施方案与图1至图4中的前述实施方案中的重整器13是相同的，其中相同部件以相同参考数字指示并且具有如上所述相同公开内容。本重整器70与前述实施方案的重整器13之间的主要差异在于，本重整器70的每个催化剂级72包括不同于前述实施方案中的多孔金属材料的传热构件(总体以74指示)。传热构件74与导管14热接触以有利于传热至催化剂。在图6中，示出单个催化剂级72，其中应当理解，重整器70中可以包括多个催化剂级。在一个实施方案中，传热构件74包括轮状结构(图7)，所述轮状结构包括外环或外轮辋76、轮毂78以及多个辐条或腹板80，所述多个辐条或腹板80从轮毂78径向向外延伸并且将轮毂与轮辋互连。多个齿82从轮辋76向外延伸。传热构件74可由铜或其它导热材料形成。在一个实施例中，传热构件74是切割自1/4”铜片。轮辋和辐条是1/8”厚。轮辋是1/16”宽且其直径正好配合在装有散热片的导管14内(通常为1.37”)。
催化剂被接收(例如，填装)在传热构件74的外轮辋76、轮毂78以及多个辐条80之间的空间84中。如图6所示，每个催化剂级72包括填装有催化剂的多个传热构件74以及介于相邻传热构件74中间的导热丝网圆盘88(例如，铁洛铝合金圆盘)。当使用粉末状催化剂时，挡板20可以用于提供穿过所填装的催化剂的上流，并且内部过滤器28、诸如Bekipor介质层位于催化剂级72下游以便防止催化剂移动。装载催化剂的若干金属丝网圆盘92被定位在导管14入口附近。这个另外催化剂的目的在于填装催化剂级72中因催化剂沉降或移动到内部过滤器28中而造成的任何间隙。这种布置形成带有高催化剂密度和从装有散热片的导管14的壁到催化剂床的出色导热性的催化剂床。
在可适用于最小化反压的另一实施方案中，粉末状催化剂被嵌入相对厚的金属丝网圆盘(例如，1cm厚)中并随后以由挡板分开的交替上流级和下流级(诸如如图1所示)***重整器中。这种布置尤其适用于将催化剂分散，从而使得能够消除除了重整器的入口处的气化器段和出口处的最终过滤器之外的内部过滤器和另外的传热材料。
参照图8和图9，重整器***的另一实施方案总体以100指示。重整器***100包括聚集在单个排气通道102周围的多个重整器(例如，来自第一重整器***实施方案10的重整器13，如图所示，或者其它类型的重整器)以便在紧凑封装中提供增加的重整容量。排气流EG由阀104控制，诸如朝着排气通道102的出口末端定位的蝶阀。在这个实施方案中，可能有利的是，将重整器10的散热片22以盘旋的散热片型式(如图9所示)布置并且正切地将排气引入重整器13以使排气流过盘旋型式的散热片，从而提供良好的排气-散热片热量传递、同时最小化排气反压。
图8中的布置是围绕螺旋腔110布置的五个装有散热片的管道(或装有散热片的导管)重整器13的阵列，其中螺旋顶侧敞开以便容纳阀杆114和阀致动器116。每个重整器13容纳在重整器壳115内。排气EG从纸平面上方流入腔110，如图8所示，并且流入环绕重整器13并由重整器壳115限定的单独排气通道117。壳可包括环绕排气通道117的隔热材料。图8示出醇和排气流的逆流对准，但是并流(平行流)是可能的。如图9所示，醇可使用***100的一端处的入口歧管120来分布至所有重整器13，并且来自重整器的重整物可使用***的相对端处的出口歧管122收集。出口歧管122可以包括用于调节流动至热交换器和/或缓冲罐的重整物流量的止回阀123。重整器***100允许对排气流进行控制以便维持催化剂温度并最小化排气反压。带有更少或更多装有散热片的导管重整器13的布置也是可能的。然而，已经发现，这些布置仅在相当大的车辆上是必要的。带有单个装有散热片的导管重整器13的重整器***(诸如图1的实施方案中所示的)可为典型四或六气缸内燃机提供充足的重整物。
参照图10和图11，重整器***的另一实施方案总体以参考数字150指示。在这个实施方案中，总体以152指示的重整器被分别布置成位于重整器壳(总体以161指示)(图11)所限定的排气通道或通路160内的交替的上流区块154和下流区块156。在这个实施方案中，存在重整器152的两个上流区块154和两个下流区块156，但是也可存在其它构造。如图所示，区块154、156可以被认为是按时间顺序从左至右排列的，其中第一区块(在左侧上)是首先接收醇的区块，并且第四区块(在右侧上)是重整物离开重整***150之前的最后一个区块。如图11所示，排气EG在排气入口164处进入壳161的上游末端，并且在排气出口166处离开壳的下游末端。每个重整器152包括导管170(例如，管子或管道)和从导管向外延伸的多个散热片172。所有导管170可以嵌入连续的散热片172之中，而非针对每个区块154、156嵌入单独的散热片之中。已经发现，水平散热片172的益处在于，除了提供从排气至催化剂的传热之外，散热片还改进管道阵列重整器中的温度分布。进入燃料大体上相对冷，而重整物在例如从约300℃至约350℃的反应温度下离开重整器。散热片172用于从下游导管170传热至上游导管170，在下游导管170处，优选地避免过高温度，在上游导管170处，要求热量蒸发并且预热进入燃料。为了最大导热性散热片172可以小于0.1英寸厚并且由铜制造，但也可以使用钢散热片。
参照图16，每个导管170(除了图10和图11的实施方案的第一区块156a中的导管)包括一个或多个催化剂级175(例如，在图16中是两个催化剂级)，所述催化剂级175包括嵌入金属丝网中的粉末状铜镍催化剂或成形铜镍催化剂。在一个实施方案中，重整器152可类似于图1中的重整器，不同之处在于重整器152并不包括挡板。如图16所示，过滤器173被设置成正好位于催化剂级175下游，并且再热级174被设置成正好位于催化剂级上游。其它布置和构造是可能的。第一区块156a中的导管170并不包括催化剂但包括用于蒸发醇的传热介质(诸如钢绒)。用于在使用粉末状催化剂时填装导管170的一种特定布置在图16中示出。在此情况下，使用带有7/8英寸内径的5英寸管道。所述布置针对用于下流(由箭头A示出)的导管来示出。部件次序(从顶部至底部)针对上流而言将会颠倒。金属泡沫、丝网以及绒可用作再热级174的材料。如果使用粉末状催化剂，那么在将其***到导管170中之前，可将其嵌入金属绒或丝网之中。这个布置在催化剂床174中提供热量传递，并且简化催化剂到重整器152的装载。粉末状催化剂级174是这样一个组件：它由粉末状催化剂层、在下游方向上接着的一系列2至5个孔隙度减小的多孔金属圆盘构成。在重整条件下，粉末被流驱动成这种分散在流动方向上的“密度梯度”，其中最精细的颗粒嵌入最低孔隙度层。由于粉末状催化剂的这种纵向分散，反压被最小化并且热量传递得到改进。一系列粉末状催化剂层172(在下游方向上)后跟着金属泡沫圆盘173和两个或更多个金属丝网圆盘174(诸如孔隙度增加的Bekipor)。
一种用于利用丸状催化剂或其它结构化催化剂填装导管170的方法类似于用于粉末状催化剂的方法，不同之处在于使用多个催化剂级175，这些催化剂级由软性金属传热介质(诸如钢泡沫或钢绒)隔开。每英寸约一个催化剂级可以是优选的。这种布置通过利用软性多孔金属“枕垫”来隔开催化剂丸而减少催化剂丸的颤动和磨耗。
现参考图10和图11，区块154、156通过腔室180彼此流体连接，以便允许气化了的醇从上游区块流动至下游区块。上部腔室180是由壳161的上部部分(图11中分解地示出)和重整器区块154、156、156a的上部部分限定。在图10和图11中的实施方案中，醇从***150顶部处的入口184进入第一区块156a，并且向下行进穿过传热介质(通常是钢绒)，在传热介质处，气化完成并且非挥发性组分排出。如上所述，其余三个区块154、156包括导管(例如，管道)170，所述导管170包括催化剂级175以及传热介质。重整发生在三个区块154、156的导管170中，并且重整物混合物通过重整***的壳161顶部处的出口190离开重整器***150。如上提及，排气EG流过排气通路160，并且热量通过散热片172从排气传递至重整器152。通过重整器***150的排气流可使用阀计量，所述阀可位于重整器***的下游。
每个区块154、156的管道或导管170的数量以及导管170的长度可以根据车辆燃料需求和填装约束来变化。重整器***150中的区块154、156数量也可变化。实施例7至10描述带有四个区块154、156的导管或管道阵列重整器的组装和性能，如图10和图11所示。为最小化热质量，导管优选是薄壁的，所具有的直径为0.5英寸至2英寸，更优选地直径为0.75英寸至1.5英寸。导管170可以由不锈钢形成，以便承受汽车排气的腐蚀性化合物和高温。
在特定实施方案中，壳161的顶部部件和底部部件各自整体地形成为单个一体结构，诸如图11所示那样，以便改进重整器的机械强度。可以使用激光焊接来实现腔室180之间的无泄漏密封，但也可使用其它技术。为了使重整器升温时间减少，重整器***150的侧壁、更具体地壳161的侧壁可以是隔热的。刚性陶瓷基隔热材料(诸如“K绒”)的薄层有效用于这个目的。另外，整个重整器150优选地隔热，以最小化向环境的热量损失。
本公开的重整器导管170可以使用推弹杆从顶部开始填装，以便使内部部分牢固就位。如图11和图12所示，止动件200是呈限定与导管170对准的多个开口202的板形式，其可附着至导管的底部。止动件包括在开口202中的十字形件204或其它结构以便在利用推弹杆将内部部分驱动到导管170中时支撑它们。此外，在一个实施例中，重整器***150可以通过以下方式组装：将导管170***到散热片172之间的空间中，并且随后通过向下朝着管道撞击滚珠轴承扩展导管。随后，可对组件进行铜焊。止动件200可焊接至导管170底部，并在填塞导管之后，另外止动件200可附接至导管170顶部。
最小化诸如***150的醇重整器***中的反压可以是有益的，因为其使重整器***能够在导管170和壳161中使用较薄金属来构造，从而降低成本和热质量。已经发现，载体上的包含作为主要活性金属的铜和极少镍的催化剂丸对重整条件下的醇解和水解是稳定的。活性炭是合适载体。在一个实施方案中，在上述梯度填装布置中，铜碳丸级与粉末状催化剂级交替。
示例性类型的催化剂是沉积到铂碳或钯碳丸催化剂上的铜。铂或钯的载量可为0.5重量％至3重量％。由于这些催化剂不包含大量的镍，因此发生乙醇的脱氢作用(等式4)，而非等式2的反应。
CH3CH2OH→CH3CHO+H2      (4)
制备催化剂的示例性方式是化学镀覆Pd/C或Pt/C丸。这种催化剂制备的方式针对粉末载体在美国专利号5,916,840、5,689,000和5,627,125“Process for Preparing Carboxylic Acid Salts and CatalystsUseful in Such Process”中描述，制备的相关教义以引用方式并入本文。用于丸的合适过程在实施例6中示出。
在一个实施方案中，用于将甲醇重整成包括氢的气体的混合物的重整***(诸如重整器***10、100、150)的一个或多个重整器(诸如重整器13、70、152)可以包括以上所公开的镀铜Pd/C或Pt/C丸，并且镀铜镍海绵催化剂可从重整器省略。在这个实施方案中，仅仅使用Pd/C或Pt/C丸并且省略镀铜镍海绵使得***反压得到改进。
参照图13至图15以及图17，通过使用重整器***150'可进一步减少反压和热质量。这个实施方案类似于图10至图12中示出的实施方案150，其中相似部件是由对应参考数字加上角分符号指示。除非另外指示，否则以上关于重整器150所述的公开内容同等地适用于本重整器***150'。一般来说，重整器***150'包括壳161'，所述壳161'限定排气通道160'、排气入口164'以及排气出口166'。在排气通道160'内的是具有七个重整器13'的三个区块154'，但是重整器***150'可以包括更多或更少的区块，每个区块带有比所示的更多或更少的重整器13'。每个区块154'均是上流区块，因为醇蒸气是向上流过每个区块中的管道170′。具体来说，在所示实施方案中，醇蒸气通过入口184'进入第一区块154'且并向上流过对应导管170′，然后进入与第一区块关联的上部腔室180'。如可从图15和图17理解，醇从第一上部腔室180'向下流过分流导管或管道193(图17)并流入与第二催化剂级154'(即，中间催化剂级)关联的第二下部腔室。随后，醇蒸气向上流过第二催化剂级154'的对应导管170'并流入与第二催化剂级关联的对应第二上部腔室180'。醇从第二上部腔室180'向下流过分流管道193并流入与第三催化剂级154'(即，最后一个催化剂级)关联的第三下部腔室。随后，醇蒸气向上流过第三催化剂级154'的对应导管170'并流入对应第三上部腔室180'，然后通过出口190'离开壳161'。
已经发现，根据重整器***150'的教义构造的重整器***为V6内燃机提供充足的重整容量，并且在燃料侧或排气侧在重整器上没有显著的压降。在一个实施例中，相比以上关于图11所述的40英寸导管重整器(其包括五英寸导管)，这种质量减少的重整器的导管170'可仅为三英寸长。这种设计的有效填装在实施例11中描述。排气入口164'和排气出口166'可具有2.5英寸直径，并且排气通道160'具有2.5英寸高度(图15)。重整器导管170'可具有在重整器壳161'顶部和底部上伸入腔室180'中的1/4英寸突起以供用于焊接目的。如四区块式设计中那样，隔热面板被***在排气通道160'的任一侧上。
在另一个实施方案中，可修改排气流以便实现更快升温时间，同时改进内燃机、尤其是V6和V8内燃机的效率。本公开的重整器***在利用包含乙醇的燃料或包含甲醇的燃料来操作时产生的产物气体(重整物)使得内燃机能够在高稀释度下运行。当稀释采用高级别的排气再循环(EGR)形式时，可以实现效率和超低NOx排放的改进。通常，排气再循环由“内部EGR”实现。在本领域众所周知的这个EGR模式涉及保持排气阀在吸气冲程的一部分期间打开，因此使得来自排气歧管的排气抽吸回内燃机中。高级别的内部EGR使排气阀打开的时间段延长。
侵略性内部EGR可能由于排气歧管内的动态压力波而在一些气缸(在V6内燃机的情况下，典型地是气缸3和6)中引起过度排气，这就造成在排气离开歧管之前在最后一个气缸中发生额外EGR。在一些排气歧管设计中，来自每个区块的前部气缸的排气脉冲沿着歧管行进，并正好在最后一个气缸的排气阀闭合之前，紧邻该最后一个气缸造成增加的压力。
参照图22，上述条件可以通过使用排气歧管来修正，所述排气歧管各自总体以200指示，带有从内燃机203的每个气缸的排气装置通向收集器204的等长流道(例如，管子)202。此类型的歧管200可被称为“排气集管”。使用排气集管200使得修改过的竖直导管阵列式重整器***(总体以208指示)能够紧密地联接至内燃机203上，从而减少升温时间。图22中示出的这种构造依赖于将来自从相反侧进入重整器***208的两根歧管200的排气流会聚。此构造中，排气集管200优选地略向上成角度，以便使得重整器***208定位在传输装置210上方，如图22所示。
用于图22的构造中的重整器***208的合适构造在图23中示出。此重整器***208基本上类似于重整器***150'，其中相似部件是由相同参考数字指示。本***208与***150'之间的主要差异在于，本***具有的壳212带有允许用于排气流EG的不同路径的不同构造。在本***208中，排气进入位于壳212两端处的入口214、214并且离开大体上在壳的中心处的出口216。排气EG可以水平方向或向下方向离开出口216(如图23所示)。此***208不包括排气流EG和乙醇/重整器流的并流取向。图23中的重整器***208包括与***150'的区块相同的三个重整器区块154'，但可构造更短的两区块式重整器***(或每个区块带有更少排的导管152'的三区块式重整器***)，在此情况下，内燃机的尺寸或内燃机隔室中的可用空间所强加的几何约束倾向于较短的设计。如果优选的是维持较大散热片区和/或导管体积，那么可以将重整器***208制造得更宽或更深(横向于排气流EG的方向)。
在详细描述了本发明后，显而易见的是，在不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围的情况下，修改和变化是可能的。
实施例
提供以下非限制性实施例来进一步说明本发明。在实施例中，以上描述中提到的重整器导管在以下被构造并称为“管道”。
实施例1
此实施例描述镀铜镍海绵的制备。产物是可直接施加至诸如G-Mat的纤维金属载体上的湿润催化剂浆。
在4升烧杯中，通过阿基米德方法在水下称出796g雷尼镍2800(WR Grace，通过Spectrum购得)，假定密度系数是1.16。倾析上清液。将619g CuSO4·5H2O(JT Baker和EMD，相对于基质20％的铜)溶解在2508g Versene 100(Dow，通过Spectrum购得)(相对于铜1.05当量的Na4EDTA)中并添加至催化剂。利用顶置搅拌器搅拌浆，并且在31分钟内逐滴添加1.0当量的50％NaOH(198g)。pH从8.5上升至12.0。最终温度为50℃。
倾析深蓝色的上清液并且用加热带将烧杯裹住。将973g的热50％葡萄糖酸(Alfa Aesar)与0.5升水一起加入。开始加热并且搅拌。在201分钟内逐滴添加309g CuSO4·5H2O(EMD，相对于基质10％的铜)在1.2升水中的溶液，并且另外搅拌5分钟。pH从4.2下降至2.1，并且温度从56℃上升至69℃。
棕色的催化剂用三升去离子水冲洗两次。将暗棕色的催化剂储存在水下。
实施例2
此实施例描述通过实施例1的方法并随后利用空气干燥和钝化来制备镀铜镍海绵。
在4升烧杯中，通过阿基米德方法在水下称出788g雷尼镍2800(WR Grace，通过Spectrum购得)，假定密度系数是1.16。倾析上清液。将626g CuSO4·5H2O(JT Baker和EMD，相对于基质20％的铜)溶解在2480g Versene 100(Dow，通过Spectrum购得)(相对于铜1.05当量的Na4EDTA)中并添加至催化剂。利用顶置搅拌器搅拌浆，并且在32分钟内逐滴添加1.0当量的50％NaOH(201g)。pH从8.4上升至12.5。最终温度为57℃。
倾析深蓝色的上清液并且用加热带将烧杯裹住。将983g的热50％葡萄糖酸(Alfa Aesar)与0.5升水一起加入。开始加热并且搅拌。在160分钟内逐滴添加313g CuSO4·5H2O(EMD，相对于基质10％的铜)在1.2升水中的溶液，并且另外搅拌5分钟。pH从3.9下降至2.0，并且温度从53℃上升至77℃。
棕色的催化剂用三升去离子水冲洗两次。在120℃下，利用氮气吹扫将催化剂在真空下干燥过夜。使得干燥的催化剂(851g)在烘箱中在氮气下冷却，并且随后将其分份倒入水槽中的烤盘之中，同时一直放水保持盘的外部冷却并且利用刮铲连续搅拌粉末。每隔几分钟添加少量水(每次几ml)，以便控制温度并通过搅拌来与催化剂彻底地混合。最初，看到一些火花。过程花费10分钟。随后，另外将盘静置1个小时，以便在相同条件下将催化剂重新干燥之前完成氧化。回收912g的钝化干燥催化剂。
实施例3
此实施例描述构建用于确定镀铜镍海绵的粉末床的传热性质的简单重整器。大型重整器由蒙乃尔合金制造出，带有直径两英寸的圆柱形催化剂腔。环绕热氮从中穿过的催化剂腔的是汽车排气模拟装置。
反应器的底部填装玻璃绒，所述玻璃绒承载在其中带有孔的金属筛网上。九个1/16”热电耦被供送穿过底部达到不同深度和若干径向位置。腔从凸缘到玻璃绒的深度在重整器中没有催化剂的情况下是五英寸。
将根据实施例2的过程制备出的267.0g干燥钝化镀铜镍海绵倒入到重整器中，以便形成均匀圆柱形床。并未使用填料(诸如G-Mat)。床深度为2.25英寸。将更多玻璃绒添加至床上方，以便防止乙醇的聚焦流在催化剂床的顶部冲掘出凹坑。
在蒸发器中预热并使用在离开重整器的氮气与进入流或乙醇之间交换热量的热交换器之后从顶部供送无水乙醇。使用来自Agilent的Micro-GC监测重整物的组分。
几乎很少看到催化剂温度随深度变化。将催化剂温度报告为随半径的函数，表示催化剂腔壁附近的热电耦组、中线上的热电耦组以及中间位置处的热电耦组的平均值。
实施例4
此实施例展示镀铜雷尼镍床中形成的显著温度梯度以及在很大程度上消除梯度的纤维金属介质的使用。使用5ml/min的乙醇供料速率来操作实施例3的反应器***和催化剂床。乙醇和氮气流率以及氮气温度在表1中给出。
执行实验之后，将催化剂从重整器去除，并且随后重新装载来与由铜纱形成的28个2英寸盘圆盘混合。(铜编织线行业清洁丝网(Copper Knitted Wire Industrial Cleaning Mesh))。将总重17.92g的28个圆盘与催化剂一起置于重整器中。圆盘叠堆延伸至催化剂床的顶部附近，但未完全到达其上表面。当将催化剂从反应器去除时，催化剂的颜色是灰色的并且不起火或自热。
在初始制备时，随着偶然敲击重整器壁，催化剂床具有裂缝，这些裂缝在几个小时的操作过程内消失。随后，重复表1中的实验。使用和不使用铜纱的情况下的温度曲线在图18和图19中示出。
表1：针对实施例4的报告
如在图18和图19中所见，铜纱大大减少反应器的半径上的温度梯度，尤其是在壁与中间热电偶之间的温度梯度。
实施例5
此实施例展示在催化剂温度超过350℃时出现甲烷化。实施例3和4的反应器和催化剂与表2中给出的乙醇和氮气流率以及氮气温度一起使用。这个数据是在利用并入催化剂床中的铜丝网的情况下获得。在氮气温度和流量恒定的情况下，乙醇流率的稳定减少引起催化剂温度稳定增加并且最终引起甲烷化。数据在图20和图21中示出。
表2：实施例5中使用的反应器条件
当乙醇流量在310分钟实验时间时从4ml/min减少至2ml/min之后，相对于其它永久气体(H2和CO)甲烷形成急剧增加。催化剂温度在此时为约390℃。在250分钟处发生先前流量改变时，甲烷化的较小增加是明显的，其中催化剂温度为约380℃。
实施例6
此实施例描述对0.5％Pd/碳丸催化剂镀铜以便产生适用于竖直管道阵列重整器的催化剂。基质是来自Alfa Aesar的0.5％Pd/碳丸还原的催化剂，库存号38289，批量号B23U050。催化剂丸的形状是格子状的，并以0.42g/cm3的密度来松散地填装。
称出200g的催化剂，并且制备以下溶液：
铜溶液
68.3g CuSO4·5H2O(0.27摩尔，17.3g铜)
400ml DI水
酒石酸盐溶液
270g罗谢尔盐(Rochelle salt)(3.5当量)
29g Na2CO3(1.0当量)
66g 50％NaOH(3.0当量)
1.0L DI水
甲醛溶液
44g 37％CH2O(2.0当量)
56ml DI水
将铜溶液和酒石酸盐溶液在4升烧杯中组合以产生富蓝紫色混合物。通过正好足以保持颗粒悬浮的柔和机械搅拌来添加Pd/C催化剂。立即以10ml一份(总共100ml)每隔3分钟开始添加包含还原剂的第三溶液。丸在第一次添加后短暂呈现出深铜色。
在添加最后一份还原剂之后的三分钟，过滤回收催化剂并用水冲洗。pH此时为10.8。立即过滤回收催化剂并且用去离子水冲洗。滤液仍是深蓝色的，但是明显弱于原浴颜色。从催化剂冲洗出极少量(肯定小于一克)的铜细粒并将其捕获在熔块上。并未看到对烧瓶或搅拌器的镀铜。
在用于重整器之前，通常通过暴露于空气中来使催化剂干燥并且钝化。在此情况下，将催化剂在120℃，24”Hg真空下利用氮气吹扫进行干燥。回收217.6g。钝化通过利用刮铲在金属盘中搅拌催化剂直至停止放出热量来进行。偶尔用水来喷涂盘以防止过热。
实施例7
此实施例描述使用通过实施例2中的过程制备的干燥粉末状催化剂的竖直管道重整器的组装，但是干燥粉末状催化剂使用的是已用筛子分类过以将平均粒度增加至86微米(对比未分类过的催化剂的38微米)的雷尼镍(W.R.Grace)。催化剂几乎不包含低于10微米的颗粒。
除了钢绒之外，还使用三种类型的多孔金属介质用于填装重整器，它们都由铁铬铝合金制造成。已知为半烧结的S-Mat的金属泡沫型材料(或简单地说下表中的“S-Mat”)是从Micron Fibertech获得。这种多孔铁铬铝合金片材易被粉末状催化剂穿透。
使用两种类型的Bekaert Bekipor烧结纤维衬垫(佐治亚州肯纳索的Bekaert Stainless Technologies)。带有一英寸厚度(21mm，孔隙度96.3％)的NPF-09013-000型是其中粉末状催化剂自身可分布的较低密度材料。这在以下称为“厚的Bekaert”。1/2英寸厚的材料BekaertNPF-09012-000型(12mm，孔隙度93.8％)具有更高密度并且可抵抗催化剂穿透。它被用来阻挡粉末状催化剂向下游的移动。这在以下称为“薄的Bekaert”。尽管名称不同，厚的Bekaert和薄的Bekaert在被填装到重整器中时都被压缩至约相同的密度(约1.2cm)。填装所用正常序列是“S-Mat”、“厚的Bekaert”以及“薄的Bekaert”。这种填装(从上游至下游)提供密度梯度，已发现所述密度梯度有利于于维持催化剂的分散。
另外，主要在管道的顶部和底部使用铁铬铝合金金属筛网圆盘。管道是从顶部开始填装。将一个或多个金属筛网圆盘放置在管道的底部提供在***期间承载内部部分的负载的平坦表面，而在顶部或底部处的筛网还用于避免在乙醇和重整物流所造成的压缩下折曲。筛网是从Micron Fibertech获得，并被称为“G-Mat”。
钢绒用于初始预热器-气化器段(第一管道区块)并且用于填充其它地方中的空间。在此实施例和其它实施例中，所使用的钢绒是来自McMaster Carr的316型精细级不锈钢绒(零件号7364T81)或McMasterCarr的0000级超细钢绒(非不锈的)(零件号7363T51)。
重整器具有图10和图11所示的设计，带有4个管道区块并且每个区块10个管道。管道为5英寸长，壁厚0.020英寸。在扩展后，管道外径为1.0英寸。
管道区块1(气化器)通过以下方式填塞：首先***3个G-Mat圆盘，然后***两个卷起的5”x4”钢绒件，之后***最终G-Mat以在焊接期间保留下来。区块2、3和4各自包含三个催化剂级，其中每级带有2g已分类过的镀铜镍海绵催化剂。填装序列在下表中给出。
表3：上流催化剂管(区块2和4)的内部部分的序列
表4：下流催化剂管(区块3)的内部部分的序列
实施例8
实施例7的重整器被安装至携载来自Ford 5.4升V8内燃机的一个4气缸区块的排气的3英寸排气线路之上。将无水变性乙醇供应至重整器上。通到缓冲罐中的重整物被维持处于4巴表压。通过气相色谱分析法来分析重整物，以确定转化率和选择性。转化率的准确性通过测量缓冲罐中收集的未反应的乙醇的量来确认。
离开重整器的重整物的温度通过***出口腔室中的热电偶来监测。这个温度借助通过气动致动器来控制的定制双重蝶阀来维持在设定点上。这个排气分流器阀位于重整器的下游。旁通排气线路使得一部分的排气绕过重整器旁通。排气分流器阀控制被允许绕过重整器旁通的一部分的排气，从而控制热量从排气传递至重整器的速率。重整物出口温度设定点大体上是325℃至350℃，并且在这个范围中，温度对转化率和选择性的影响很小。
实施例7的重整器使用从0.5kg/h变化至4.5kg/h的乙醇流率进行操作。反压在此流率范围上从700kPa变化为2300kPa，包括由于下游缓冲罐而造成的400kPa。反压在前70个小时之后稳定并且此后不会增加。在所述流率范围上，乙醇的转化率为约90％。乙醛至CO和甲烷的转化率从60％变化至90％。
实施例9
此实施例展示用于在竖直管道阵列重整器中进行乙醇重整的镀铜Pd/C丸与镀铜镍海绵粉末的交替级的效用。另外，此实施例示出即使仅仅为催化剂使用约一半的可用体积，也可实现高转化率。因此，重整器的大小可以减半，并且成本和升温时间得以同量改进。重整器的设计和尺寸与实施例7中的重整器相同，但是填装方案不同。
粉末状催化剂通过实施例2的方法制备，不同之处在于使用雷尼镍而非雷尼镍两种产品都来自于W.R.Grace。所述粉末状催化剂未经分类。Cu/Pd/碳丸催化剂通过实施例6的方法使用1.0％Pd/碳丸基质Noblyst 1006(Evonik)制备。在重整器中使用这两种催化剂的分开级。
为了仅仅使用约一半的可用体积，利用钢绒填塞区块4。管道区块2、3和4的填装序列在下表中示出。这些管道的大部分体积也用钢绒填塞。
表5：管道区块1(下流)的内部部分的序列，全深度为13cm
表6：管道区块2(上流)的内部部分的序列，全深度为13cm
表7：管道区块3(下流)的内部部分的序列，全深度为13cm
实施例10
此实施例描述使用如实施例8的相同过程对实施例9的重整器进行的测试，不同之处在于乙醇流率范围是0.5kg/h至2.5kg/h。反压最初上升并在75小时之后稳定在1200kPa至2500kPa，包括由于缓冲罐而造成的400kPa。在所述流率范围上，乙醇的转化率为约90％。在乙醇流率至多1.5kg/h的情况下，乙醛至CO和甲烷的转化率为约90％，并且在更高流率下，为约70％。
实施例11
此实施例描述利用实施例2的镀铜镍海绵催化剂填装本说明书中描述类型的装有散热片的重整器，所述镀铜镍海绵催化剂通过滚压机而被浸渍到Bekipor NPF-09013-000型(“厚的Bekaert”)的圆盘中。一种36英寸装有散热片的管道用于具有图4中所示设计的重整器，所述管道外径为1.5英寸、壁厚0.065英寸，每英寸8个散热片被布置成盘旋型式。散热片高度为0.45英寸，并且散热片厚度为0.014英寸。散热片以3英寸间隔施加以与1英寸平面段交替。排气套管外径为2.625±.01英寸，壁厚为0.065英寸。
浸渍到厚的Bekaert(“催化剂叠堆”)中的催化剂***到装有散热片的管道中与可***挡板交替，这形成了交替上流-下流型式。填装序列在下表中给出。
表8：填装序列
实施例12
此实施例描述使用如实施例8的相同过程对实施例11的重整器进行的测试，不同之处在于乙醇流率是0.5kg/h。重整器操作超过250小时。乙醇的转化率高于90％，并且在整个测试期间是稳定的。乙醛至CO和甲烷的转化率为约50％。压力在整个测试中增加，在250小时后达到2800kPa，包括由于缓冲罐而造成的400kPa。
实施例13
此实施例描述图13至图15以及图17中示出的三区块式竖直管道阵列重整器的填装。所使用的催化剂是与实施例2和6中的那些类似地制备的空气钝化的镀铜镍海绵粉末状催化剂和Cu/1％Pd/C丸。用于催化剂制备的基质是B 113W镍海绵以及Noblyst 10091％Pd/C，两者都是来自新泽西州帕西帕尼的Evonik Industries。使用119g的丸状催化剂和105g的金属海绵粉末。
所有管道都被用于上流模式，因为设计中并入了分流管道，如上讨论。分流管道被松散地填装钢绒，以便提供增强的热量传递。钢绒还可被用于第一区块以供进行乙醇预热。催化剂和其它内部部分使重整器质量增加0.58kg。总重整器质量是5.4kg，其中包括排气短管。
利用以上实施例中未使用的来自Bekaert的两种金属丝网材料进行填装。Bekaert 30CL3是薄的柔性金属丝网，用作最终级过滤器，或在定位在粉末状催化剂级的底部时，防止粉末在重整器未操作时落入腔室之中。Bekaert 12003是更薄的深度过滤器，它也提供热量传递。
表9：区块1
表10：区块2
表11：区块3
当介绍本发明的要素或其优选实施方案时，冠词“一个(种)”、“所述”意在意味存在所述要素中的一个或多个。术语“包含”、“包括”和“具有”意在是包括性的并且意味可能存在除所列要素外的其它要素。
鉴于上文，将会看出，本发明的几个目标得到实现并且获得其它有利的结果。
由于可以在不脱离本发明的范围的情况下对以上构造、产品以及方法作出各种改变，因此，意在以上描述中包含的并在附图中示出的所有内容都应被解释为说明性的而不具有限制意义。

Claims (20)

1.一种醇重整器，其包括：
导管，其包括具有外表面和内表面的壁，所述内表面至少部分限定醇蒸气沿着醇流路而流过的内腔，所述导管壁包含导热材料；
多个散热片，其大体上从所述导管壁的所述外表面径向向外延伸，所述散热片包含导热材料，其中所述散热片与所述导管壁热接触；
催化剂级，其位于所述导管的所述内腔中，其中所述催化剂级被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述催化剂级，所述催化剂级包括
醇重整催化剂，以及
传热构件，其包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管壁和所述醇重整催化剂热接触，由此热量可从所述多个散热片传递至所述醇重整催化剂从而使得所述醇蒸气能够在其流过所述催化剂级时重整。
2.如权利要求1所述的醇重整器，其中所述催化剂级的所述传热构件包括金属绒、泡沫以及丝网中的至少一种。
3.如权利要求1或2中任一项所述的醇重整器，其中所述重整催化剂包括镀铜金属海绵、镀铜钯碳或铂碳丸中的至少一种或其组合。
4.如权利要求1至3中任一项所述的醇重整器，其中所述导管包括多个导管，所述多个导管并排布置在所述醇流路中的至少一个区块中。
5.如权利要求4所述的醇重整器，其中所述至少一个区块包括至少第一导管区块和第二导管区块，其中所述第一区块沿着所述醇流路在所述第二区块上游。
6.如权利要求5中任一项所述的醇重整器，其与限定排气沿着排气路径而流过的大体上水平的排气通道的重整器壳结合，其中所述醇重整器被接收在所述排气通道中，以使所述导管的所述内腔与所述排气通道隔绝，并且流过所述排气通道的排气与所述散热片热接触。
7.如权利要求6所述的醇重整器，其中所述第一区块和所述第二区块的所述导管在所述排气通道中大体上垂直地定向，并且穿过所述第一区块和所述第二区块的每个中的所述导管的所述醇流路是在下流方向和上流方向中之一上。
8.如权利要求7所述的醇重整器，其中穿过所述第一区块中的所述导管的所述醇流路在所述上流方向上，并且其中穿过所述第二区块中的所述导管的所述醇流路在所述上流方向上。
9.如权利要求8所述的醇重整器，其中所述重整器壳至少部分限定：第一下部入口腔室，所述第一下部入口腔室将醇蒸气供应至所述第一导管区块；第一上部出口腔室，所述第一上部出口腔室接收来自所述第一区块的所述导管的醇蒸气；分流导管，所述分流导管与所述第一上部出口腔室流体连通以接收来自所述第一上部出口腔室的醇蒸气；第二下部入口腔室，所述第二下部入口腔室与分流导管流体连通以接收来自所述分流导管的醇蒸气；以及第二上部出口腔室，所述第二上部出口腔室用于接收来自所述第二区块的所述导管的醇蒸气。
10.如权利要求7所述的醇重整器，其中穿过所述第一区块中的所述导管的所述醇流路是在穿过所述第二区块中的所述导管的所述醇流路的方向的相反方向上。
11.如权利要求6所述的醇重整器，其中所述至少一个区块进一步包括至少第三导管区块，其中所述第三导管区块沿着所述醇流路在所述第二区块下游。
12.如权利要求7所述的醇重整器，其进一步包括再热级，所述再热级在所述导管的每个所述内腔中并且被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述再热级，所述再热级包括第二传热构件，其中所述第二传热构件与所述导管壁热接触，由此热量可从所述多个散热片传递至所述第二传热构件从而使得所述醇蒸气在其流过所述再热级时加热。
13.如权利要求12所述的醇重整器，其中所述再热级沿着所述醇流路在所述催化剂级上游。
14.如权利要求1所述的醇重整器，其进一步包括再热级，所述再热级在所述导管的所述内腔中并且被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述再热级，所述再热级包括第二传热构件，其中所述第二传热构件与所述导管壁热接触，由此热量可从所述多个散热片传递至所述第二传热构件从而使得所述醇蒸气在其流过所述再热级时加热。
15.如权利要求14所述的醇重整器，其中所述再热级沿着所述醇流路在所述催化剂级上游。
16.如权利要求14所述的醇重整器，其中所述再热级沿着所述醇流路在所述催化剂级下游。
17.如权利要求16所述的醇重整器，其中所述再热级包括多个第二传热构件，所述多个第二传热构件具有不同孔隙度从而形成孔隙度梯度。
18.一种醇重整***，其包括：
外部重整器壳，其限定排气沿着排气路径而流过的大体上水平的排气通道；以及
醇重整器，其被接收在所述排气通道中，所述重整器包括：
导管，其包括具有外表面和内表面的壁，所述内表面至少部分限定醇蒸气沿着醇流路而流过的内腔，其中所述导管壁包含导热材料，所述内腔不与所述排气通道流体连通；
多个散热片，其大体上从所述导管壁的所述外表面径向向外延伸并位于所述排气通道内，所述散热片包含导热材料，其中所述散热片与所述导管壁热接触；以及
催化剂级，其位于所述导管的所述内腔中，其中所述催化剂级被构造成允许醇蒸气沿着所述醇流路流过所述催化剂级，所述催化剂级包括
醇重整催化剂，以及
传热构件，其包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管壁和所述醇重整催化剂热接触，由此在来自所述排气腔中流动的所述排气的热量可从所述多个散热片传递至所述醇重整催化剂从而使得所述醇蒸气能够在其流过所述催化剂级时重整。
19.一种重整醇的方法，其包括：
将醇引入到醇重整器的导管中，以使所述醇流过所述导管内的催化剂级，所述催化剂级包括醇重整催化剂和传热构件，所述传热构件包含导热材料，其中所述传热构件与所述导管和所述醇重整催化剂热接触；以及
在所述将醇引入的同时，将排气从内燃机递送至排气通道，其中所述排气通道中的所述排气接触从所述导管向外延伸的散热片，以使来自所述排气的热量通过所述散热片、所述导管以及所述传热构件而传递至所述醇重整催化剂。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述将醇引入包括将醇引入到多个醇重整器的多个导管中，所述多个导管沿着所述醇流路而布置在多个单独区块中，所述方法进一步包括引导所述醇沿着交替的上流路径和下流路径流过所述多个区块。
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