COMBUSTIÓN DE ETAPAS MÚLTIPLES PARA PROCESADO DE COMBUSTIBLE,
PARA UTILIZARSE CON CELDA DE COMBUSTIBLE
ANTECEDENTES DE IA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un proceso para recuperar calor de la combustión de gases de desecho de ánodo producidos en celdas de combustible. Más específicamente, la presente invención se refiere a un proceso para la combustión en etapas múltiples de gases de desecho de ánodo en procesadores de combustible, para suministrar calor a un procesador de combustible, para convertir un combustible como metano en combustible rico en hidrógeno para utilizarse en una celda de combustible. La operación de generadores de energia de celda de combustible para uso estacionario y móvil comprende un procesador de combustible y una celda de combustible integrados, para convertir eficientemente una corriente de alimentación de hidrocarburos o alcoholes en un combustible rico en hidrógeno. Típicamente, la conversión de la corriente de alimentación ocurre en un procesador de combustible, donde tiene lugar una reacción de reformación o una reacción de oxidación parcial en presencia de vapor, para producir hidrógeno y óxidos de carbono. El proceso de reformación, con frecuencia llamado reformación de vapor, es una reacción química endotérmica, que requiere una significativa cantidad de calor para impulsar la reacción de reformación a la producción de hidrógeno. La reacción de oxidación parcial es una reacción exotérmica que requiere la extracción de calor para la reacción de' equilibrio, para favorecer la producción de combustible rico en hidrógeno para la celda de combustible. Con frecuencia un procesador de combustible utiliza alguna combinación de reacción de reformación de vapor y reacción de oxidación parcial para suministrar calor a la reacción de reformación de vapor a partir del calor liberado en la reacción de oxidación parcial. La reacción de oxidación parcial típicamente se realiza en presencia de un gas que contiene oxígeno y un catalizador de oxidación selectivo, para la producción de hidrógeno y óxidos de carbono. La celdas de combustible son fuentes de energía química, donde la energía eléctrica se genera en una reacción química. La celda de combustible más común se basa en la reacción química entre un agente de reducción como hidrógeno, y un agente oxidante como oxígeno. El consumo de estos agentes es proporcional a la carga de energía. Como es difícil almacenar y distribuir el hidrógeno, y dado que el hidrógeno tiene una baja densidad volumétrica de energía en comparación a combustibles como gasolina, el hidrógeno para utilizarse en celdas de combustible deberá producirse en un punto cercano a la celda de combustible, en vez de producirse en una instalación refinadora centralizada y distribuido como gasolina. Los polímeros con altas conductividades protónicas son útiles como membranas de intercambio de protones en las celdas de combustible. Entre las primeras membranas de intercambio de protones estaban los poliestirenos sulfonados y reticulados. Más recientemente se han considerado polímeros de fluorocarbonos sulfonados. Estas membranas de intercambio de protones se describen en un artículo titulado "New Hydrocarbo Protón Exchange Membranes Based on Sulfona ted Styrene-Ethylene/Butylene-Styrene Triblock Copolimers" , por G. E. Wnek, J. ?. Rider, J. M. Serpico, A. Einset, S. G.
Ehrenberg, y L. Raboin presentado en la El ectrochemi cal
Society Proceedings (1995), Volumen 95-23, páginas 247 a 251. La operación de la celda de combustible comprende hacer pasar la corriente de alimentación rica en hidrógeno del procesador de combustible al lado del ánodo de la celda de combustible, y simultáneamente ponerse en contacto con el lado del cátodo de la celda de combustible con una corriente que contiene oxígeno, típicamente aire, para producir electricidad dentro de la celda de combustible. Un gas de desecho del ánodo que comprende hidrógeno, y un gas de desecho de cátodo que comprende oxígeno son también producidos como productos secundarios de la celda de combustible durante el proceso de generación de electricidad. Ei gas del ánodo tiene un valor combustible, y típicamente se devuelve al procesador de la celda de combustible para enriquecer aun más el hidrógeno, o para combustión, con lo que se genera calor para el proceso de reformación. La operación eficiente de un sistema de celda de combustible requiere del equilibrio de la demanda de energía general del procesador de combustible. El gas de desecho del cátodo es generalmente escaso en oxígeno, y con frecuencia se utiliza para moderar la combustión. En un sistema de celdas de combustible, la operación de la celda de combustible depende de la demanda externa de energía eléctrica. Cuando la demanda de energía es alta, el procesador de combustible debe suministrar combustible rico en hidrógeno a la celda de combustible. La celda de combustible, a su vez, produce gases de desecho del ánodo que en su esquema más básico se quema para suministrar calor al procesador de combustible. Cuando la demanda de energía eléctrica de la celda de combustible varía, ocurren variaciones en el contenido de hidrógeno, y por consiguiente del valor de calentamiento del gas de desecho del ánodo. La respuesta de la celda de combustible es relativamente rápida a una reducción en el suministro de combustible rico en hidrógeno. Sin embargo, el procesador de combustible no responde tan rápidamente a las variaciones en la demanda de energía eléctrica. Una variación en el valor de calentamiento del gas de desecho del ánodo puede reducir la eficiencia del procesador de combustible, y aumentar significativamente el costo general de energía de producir electricidad con la celda de combustible. Además, la variación en la demanda de energía eléctrica produce grandes oscilaciones de temperatura dentro del procesador de combustible, que puede producir esfuerzos térmicos en el equipo de intercambio de calor, y producir una falla prematura o incendio. En un intento para resolver este doble problema de la calidad variable de gas de ánodo, y la necesidad de recuperar la energía del gas de desecho del ánodo, otros han empleado zonas especiales de combustión, Estas zonas de combustión operan en íntimo contacto térmico con el procesador de combustible para suministrar calor a la zona de reacción de reformación. Uno de estos enfoques utiliza una zona de combustión de etapa única. En una zona de combustión de etapa única, la temperatura de los gases de combustión que salen de la zona de combustión es controlada por el régimen de aire, o la cantidad de aire excedente, que se introduce en la zona de combustión al quemarse el combustible. Los gases de combustión extraídos de la zona de combustión generalmente se hacen pasar al procesador de combustible para suministrar calor a la zona de reformación. La temperatura de los gases de combustión, o efluente de zona de combustión, establece el nivel de conversión en la zona de reformación, y también establece el tipo de metalurgia en la zona de transferencia de calor entre los gases de combustión calientes y la zona de reformación. En muchos sistemas de procesador y celda de combustible que utilizan zonas de combustión simples y de etapa única, la zona de combustión comprende un solo quemador rodeado por una zona de reformación anular, para obtener la máxima cantidad de energía del proceso de combustión. Se pueden hallar ejemplos de tales disposiciones en US-A 5,110,559, UA-A 4,925,456, US-A 5,181,937, y US-A 4,861,348. Se utiliza una metalurgia exótica en la zona de combustión donde tiene lugar la transferencia de calor a temperaturas por encima de los 800°C. US-A 5,609,834 intenta reducir la cantidad de excedente de aire que se hace pasar a la zona de combustión, equilibrando y dirigiendo el calor suministrado a la zona de reformación mediante una zona de combustión interna, que puede ajustar la magnitud y ubicación de la temperatura de combustión en la zona de combustión. El resultado es una operación más eficiente, donde se transfiere más calor útil a la zona de reformación, y se reduce la cantidad de aire excedente en la zona de combustión. Sin embargo, en la práctica, es difícil equilibrar la entrada de calor con el intercambio de calor, porque la ubicación y magnitud de la máxima temperatura dentro de la zona de reformación varía con la capacidad de la planta o la demanda de energía eléctrica. Además, es difícil dirigir los gases de desecho de ánodo a este punto exacto en la zona de combustión sin imponer una gran caída de presión en la distribución de desechos del ánodo. En este esquema, la corriente de aire excedente de aire se utiliza para controlar la temperatura de gases de purga, dejando que entre a la zona de reformación el reformador, en vez de la temperatura de los gases de purga. Es necesario un complejo y avanzado esquema de control, junto con una pluralidad de exóticos elementos de detección de temperatura en la zona de combustión, para identificar la temperatura máxima en la zona de reformación, y para evitar exceder la temperatura máxima e impedir daños en el equipo de la zona de reformación. Puesto que se utiliza aire relativamente frío para controlar la temperatura de los gases de purga, se introducen grandes esfuerzos térmicos cuando el ritmo de flujo de aire se aumenta súbitamente para compensar un incremento en el valor de calentamiento de los gases de desecho del ánodo. US-A 5,776,421 reconoce la dificultad de controlar el esfuerzo térmico resultante, y busca reducir los esfuerzos térmicos mediante disposiciones del reactor reformador y la parte interna del quemador. Se buscan procesos para producir combustión de los gases de desecho del ánodo, que simplifiquen el proceso general de quemar los gases de desecho del ánodo y mejorar la operación de la zona de reformación. Es un objetivo de la presente invención mejorar la eficiencia del procesador de combustible para la conversión de hidrocarburos y compuestos oxigenados como alcoholes, cetonas, éteres y similares. Es un objetivo de la presente invención proporcionar un proceso para la combustión de gases de desecho del ánodo que moderen las oscilaciones de temperatura en el procesador de combustible. Es un objeto de la presente invención reducir al mínimo las temperaturas de reformación, y al mismo tiempo recuperar calor para la combustión de gases de desecho del ánodo. SUMARIO DE LA INVENCIÓN La operación de procesadores de combustible en conjunto con celdas de combustible, donde se quema el gas de desecho del ánodo para proporcionar una porción del calor para producir hidrógeno, está sujeta a grandes oscilaciones de temperatura como resultado de las variaciones en el contenido de calor de los gases de desecho del ánodo, que varían en respuesta a la demanda de energía eléctrica. La presente invención proporciona una solución simple al problema de equilibrar la demanda de energía con las fluctuaciones en el valor de calentamiento de los gases de desecho del ánodo sin requerir de materiales exóticos para la construcción de la zona de reformación, para compensar las altas temperaturas de reformación y las rápidas oscilaciones de temperatura. La presente invención además proporciona un sistema de control simple y directo para ajustar la temperatura de reformación, que se basa en el ritmo de aire suministrado a la zona de combustión. La presente invención no requiere de avanzados métodos de control o exóticos métodos de medición de la temperatura de las llamas. El proceso resultante representa un esquema de integración económico y confiable para operar un procesador de combustible en combinación con una celda de combustible para generar electricidad. En una modalidad, la presente invención proporciona un proceso para reformar una corriente de alimentación en presencia de vapor en una zona de reformación en conexión con una celda de combustible. El proceso comprende hacer pasar la corriente de alimentación y el vapor a la zona de reformación para producir una corriente de reformados que comprende hidrógeno. La zona de reformación está cuando menos parcialmente calentada por intercambio indirecto de calor con una primera corriente de efluente de combustión para suministrar una primera corriente efluente de combustión enfriada. La primera corriente de efluente de combustión enfriada es recalentada por recombustión de la primera corriente de efluente de combustión enfriada con cuando menos una porción de corriente de gas de desecho de ánodo extraída de la celda de combustible para suministrar una segunda corriente de efluente de combustión. La zona de reformación se calienta aun más mediante intercambio indirecto de calor con la segunda corriente de efluente de combustión. En otra modalidad más, la presente invención proporciona un proceso para reformar una corriente de alimentación en presencia de vapor en una zona de reformación en conexión con una celda de combustible. El proceso comprende hacer pasar la corriente de alimentación que comprende un hidrocarburo o un oxigenado y vapor a condiciones efectivas de reformación hacia una zona de reformación que contiene un catalizador de reformación de vapor para producir una corriente de reformación que comprende hidrógeno. La zona de reformación se calienta mediante intercambio indirecto de calor con una primera corriente de efluente de combustión para suministrar una primera corriente de efluente de combustión enfriada. La primera corriente de efluente de combustión enfriada se recalienta por recombustión de la primera corriente de efluente de combustión enfriada mediante una corriente auxiliar de combustible para suministrar una segunda corriente de efluente de combustión a una segunda temperatura de combustión. La zona de reformación se calienta aun más por intercambio indirecto de calor con la segunda corriente de efluente de combustión. Esencialmente la totalidad de la corriente de gases de desecho del ánodo extraída de la celda de combustible se hace combustión con una corriente de aire excedente para suministrar la primera corriente de efluente de combustión a una primera temperatura de efluente de combustión esencialmente igual a la segunda temperatura de combustión. En otra modalidad más, la presente invención proporciona un proceso para controlar un procesador de combustible utilizado en conjunto con una celda de combustible, donde el procesador de combustible comprende cuando menos dos zonas de combustión y una zona de reformación, donde una porción de una corriente de gases de desecho del ánodo extraída de la celda de combustible hace combustión con una corriente excedente de aire a un ritmo de aire excedente en una primera zona de combustión para suministrar una primera corriente de efluente de combustión a una primera temperatura de combustión, y donde la primera corriente de efluente de combustión es enfriada por contacto indirecto con la zona de reformación para producir un primer efluente de combustión enfriado, y donde el primer efluente de combustión enfriado hace recombustión en una segunda zona de combustión con cuando menos una porción de la corriente de gases de desecho del ánodo para suministrar una segunda corriente de efluente de combustión a una segunda temperatura de combustión, donde el proceso comprende medir la primera temperatura de combustión y ajustar el régimen de aire excedente para mantener una primera temperatura de combustión uniforme.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es un diagrama de flujo esquemático del proceso que ilustra un esquema de combustión de etapa única de la técnica anterior. La Figura 2 es un diagrama de flujo esquemático de proceso que ilustra un reformador de la técnica anterior con combustión interna en etapas. La Figura 3 es un diagrama de flujo esquemático de proceso del esquema de combustión de recalentamiento de etapas múltiples de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En general, un procesador de combustible para producir gases de síntesis, una mezcla de hidrógeno y óxidos de carbono, comprende un paso de preparación de alimentación para purificar la corriente de alimentación; una combinación de pasos de reformación y oxidación parcial para convertir el combustible en gas de síntesis; y una serie de convertidores para reducir la cantidad de monóxido de carbono en el gas de síntesis. El gas de síntesis puede requerir de extracción ulterior de monóxido de carbono para evitar la contaminación de la celda de combustible. Esta reducción ulterior en los niveles de monóxido de carbono puede lograrse mediante oxidación preferente o separación. La presente invención se refiere al uso de una zona de combustión de etapas múltiples con recalentamiento, para integrar la operación del procesador de combustible y la celda de combustible proporcionando un método eficiente para quemar los gases de desecho del ánodo producidos en la celda de combustible, para suministrar calor al procesador de combustible. Más específicamente, la presente invención está dirigida a proporcionar una zona de combustión de etapas múltiples con recalentamiento, para suministrar calor más eficientemente a la zona de reformación de un procesador de combustible. El procesador de combustible de la presente invención utiliza un gas con contenido de hidrocarburos como gas natural, como corriente de alimentación. La corriente de alimentación también comprende alcoholes o hidrocarburos más pesados como propano, gas natural licuado, nafta, o diesel. El gas natural y las corriente similares de hidrocarburos en general contienen impurezas como azufre en la forma de sulfuro de hidrógeno, mercaptanos y óxidos de azufre que deber extraerse en un paso de pretratamiento antes de introducir la corriente de alimentación a una zona de reformación de vapor. La extracción de azufre de la corriente de alimentación de hidrocarburos puede lograrse mediante cualquier forma convencional incluyendo adsorción, quimiosorción y desulfurización catalítica. Con el fin de reducir el tamaño general del equipo de generación de hidrógeno, se prefiere la quimiosorción con un material como óxido de zinc. La operación de desulfurización generalmente tiene lugar a condiciones efectivas incluyendo una presión de desulfurización de entre 100 a aproximadamente 1000 kPa. Preferiblemente, la operación de desulfurización se realiza a una presión de desulfurización de entre 200 a 300 kPa. Preferiblemente, la operación de desunfurización se realiza a una temperatura de desulfurización de menos de unos 300°C, y más preferiblemente, la operación de desulfurización se realiza a una temperatura de desulfurización de entre 50° a aproximadamente 300 °C. Preferiblemente, la concentración de azufre en la corriente de alimentación "de desulfurización es de menos de unos 10 ppm-mol, y más preferiblemente, la concentración de azufre en la corriente de alimentación de desulfurización será de menos de aproximadamente 1 ppm-mol. La corriente de alimentación puede dividirse en dos corrientes separadas, la corriente de alimentación de reformación y una corriente de combustibles de quemador. La corriente de alimentación de reformación preferiblemente se desulfuriza para proporcionar una corriente de alimentación desulfurizada. Opcionalmente, se desulfuriza la totalidad de la corriente alimentadora antes de dividir la corriente alimentadora en una corriente alimentadora desulfurizada y una corriente de combustible de quemador que también está desulfurizada. Se requiere agua en el proceso de reformación de vapor para utilizarse como reactivo. Además, el producto de hidrógeno debe suministrarse a la celda de combustible como gas húmedo, para evitar que se sequen las membranas de intercambio de protones en la celda de combustible. El agua que se utiliza en el proceso de reformación de vapor preferiblemente estará desionizado para eliminar metales disueltos incluyendo sodio, calcio, plomo, cobre, arsénico y aniones como iones de cloruros para impedir la desactivación prematura del catalizador de reformación de vapor u otros materiales catalíticos contenidos en la celda de combustible, el catalizador de arrastre de gas de agua, o el catalizador de oxidación de monóxido de carbono. La desionización de agua a utilizarse en el proceso puede lograse mediante cualquier forma convencional. La zona de reformación contiene un catalizador de reformación de vapor. Preferiblemente, el catalizador de reformación de vapor incluye níquel con cantidades de metales nobles como cobalto, platino, paladio, rodio, rutenio, iridio, y un soporte como magnesia, aluminato de magnesio, alúmina, sílice, circonio, por sí solos o en combinación. Más preferiblemente, el catalizador de reformación de vapor puede ser un sólo metal como níquel o un metal noble soportado en un transporte refractario como magnesia, aluminato de magnesio, alúmina, sílice o circonio, por sí solos o en combinación, promovidos por un metal alcalino como potasio. Más preferiblemente, el catalizador de reformador de vapor comprende níquel soportado sobre alúmina, y promovido por un metal alcalino como potasio. El catalizador de reformador de vapor puede ser granular, y está soportado dentro de la zona de reformación dentro de una zona compacta de intercambio de calor. Generalmente, estas zonas de intercambio contienen el catalizador de reformación como un revestimiento o deposito en una capa fina en las paredes de la zona del cambiador. Estas paredes están generalmente formadas como placas planas o placas con canales, con aletas en uno o ambos lados. Típicamente se utilizan aletas para extender la superficie de intercambio de calor, y cuando se utilizan estas aletas, el catalizador está revestido o depositado en la superficie con aletas de la zona del cambiador. También se puede incorporar un catalizador granular en la zona de intercambio disponiendo o empacando el catalizador granular ea canales formados en las placas de la zona de intercambio de calor. Los canales están formados como aletas rectas en una dirección paralela al flujo a través de la zona de reformación. Estos canales también pueden formarse en un patrón inclinado para crear una trayectoria irregular de flujo a través de la zona de reformación. Dado que el catalizador de reformador puede incrementar la caída de presión a través de la zona de reformación, es preferible disponer los granulos de catalizador de reformación en un lado del cambiador de calor de la placa que no tenga aletas, en tanto que se colocan aletas en el lado opuesto de la placa de las zonas de intercambio de calor a través de las que se hace pasar gases de combustión para calentar la zona de reformación. El patrón inclinado de las aletas en el lado de combustión y los granos de catalizador en el lado de reformación promueven un flujo turbulento dentro de la zona de reformación y las zonas de intercambio de calor. Las aletas en un lado de la superficie de intercambio proporcionan resistencia adicional a la placa, y aumentan el rango de presiones de operación del cambiador. Preferiblemente, la zona de reformación es operada a condiciones efectivas de reformación que incluyen una temperatura de reformación de entre "600° y 950 °C, y una presión de reformación de entre 100 a 350 kPa. Cuando se utiliza una zona de oxidación parcial, el efluente de la zona de reformación se hace pasar a condiciones efectivas de oxidación parcial a una zona de oxidación parcial donde la corriente efluente desde la zona de reformación se pone en contacto con una corriente que contiene oxígeno o primera corriente de aire, en presencia de un catalizador de oxidación parcial para producir el producto de oxidación parcial. Si la corriente efluente desde la zona de reformación no está a condiciones efectivas de oxidación parcial, como durante el arranque del procesador de combustible donde hay insuficiente combustible para que la zona del quemador caliente la zona de reformación, la corriente de reformados y la corriente que contiene oxígeno se encienden para iniciar la reacción de oxidación parcial en la zona de oxidación parcial. El producto de oxidación parcial comprende hidrógeno, monóxido de carbono, dióxido de carbono y algunos hidrocarburos no convertidos. El catalizador de oxidación parcial se dispone en la zona de oxidación parcial como lecho fijo. Las composiciones catalizadores adecuadas para utilizarse en la oxidación parcial catalítica de hidrocarburos son bien conocidas en la técnica (ver US-A 4,691,071 que se incorpora a la presente por referencia) . Los catalizadores preferidos para utilizarse en la zona de oxidación parcial de -la presente invención comprenden como componente catalítico activo un metal seleccionado de los metales nobles del grupo VIII, un metal del grupo IVA y un metal del grupo IA o IIA de la tabla periódica de elementos compuesto sobre un soporte de óxido metálico, donde el soporte comprende una alúmina que contenga cerio. La alúmina puede ser alfa-alúmina o una mezcla de alfa-alúmina y theta-alúmina. Preferiblemente, el cero está presente en la alúmina en una cantidad de entre 0.01 a aproximadamente 5.0 por ciento del _peso de soporte de alúmina. Preferiblemente, el metal noble del grupo VIII en el catalizador de oxidación parcial _es un metal noble seleccionado del grupo que consiste en platino, paladio y rodio. Preferiblemente, el metal del grupo IVA que está presente en el catalizador de oxidación parcial está seleccionado del grupo que consiste en germanio, plomo y estaño, y el metal del grupo IVA está presente en una cantidad de entre 0.01 a aproximadamente 5 por ciento del peso del catalizador de oxidación parcial. Preferiblemente, el metal del grupo IA o ILA está presente en el catalizador de oxidación parcial y está seleccionado del grupo consistente en sodio, potasio, litio, rubidio, cesio, berilio, magnesio, calcio, francio, radio, estroncio y bario, y el metal del grupo IA o IIA está presente en una cantidad en el rango de entre 0.01 a aproximadamente 10 por ciento del peso del catalizador de oxidación parcial. El metal catalíticamente activo también puede estar soportado sobre materiales adecuados de transporte bien conocidos en la técnica, incluyendo óxidos refractarios, como sílice, alúmina, titania, circonia y mezclas de éstos. Preferiblemente, el catalizador de oxidación parcial es granular y está soportado como lecho catalizador fijo dentro de la zona de oxidación parcial. En el proceso de la presente invención, la zona de oxidación parcial se opera a condiciones efectivas de oxidación parcial incluyendo una temperatura de oxidación parcial de menos de 1400°C y una baja presión de oxidación parcial de entre 100 a aproximadamente 350 kPa. Más preferiblemente, la temperatura de oxidación parcial varía de entre 500° a aproximadamente 1400°C, y más preferiblemente, la temperatura de oxidación parcial está entre 600 y aproximadamente 1100°C. El uso de la oxidación parcial proporciona mejores funcionamientos de arranque, aunque reduce la eficiencia general de la operación. Por otra parte, la reformación es de arranque lento y opera a una eficiencia general más elevada. La combinación de la oxidación parcial y la reformación son especialmente útiles para controlar y tolerar las fluctuaciones en el régimen de combustible al variar la demanda de energía eléctrica. El efluente de reformación, o reformado, comprende aproximadamente de 5 a 15 por ciento molar de monóxido de carbono. Dado que el monóxido de carbono puede actuar como contaminante en ciertas celdas de combustible, particularmente las celdas de combustible con membranas de intercambio de protones, la concentración de monóxido de carbono debe reducirse para producir un gas producto de hidrógeno. Esto se logra haciendo pasar el efluente desde el reformador o zona de oxidación parcial a una serie de zonas de reacción de arrastre de gas de agua que hacen reaccionar exotérmicamente el monóxido de carbono sobre un catalizador de arrastre en presencia de una cantidad excedente de agua para producir dióxido de carbono e hidrógeno. El efluente de reformación o de la zona de oxidación parcial se reduce de temperatura a una temperatura efectiva- de arrastre de alta temperatura de entre 400° a aproximadamente 450°C y se hace pasar sobre un catalizador de arrastre de alta temperatura para producir un efluente de arrastre de alta temperatura. El catalizador de arrastre de alta temperatura está seleccionado del grupo que consiste en óxido de hierro, óxido de cromo y mezclas de éstos. El efluente de arrastre de alta temperatura se enfría a una temperatura de entre 180° a aproximadamente 220°C, a condiciones efectivas, para una reacción de arrastre de baja temperatura. El efluente enfriado de arrastre de alta temperatura es hecho pasar a una zona de arrastre de baja temperatura y puesto en contacto con un catalizador de arrastre de baja temperatura para reducir aun más el monóxido de carbono y producir un efluente de arrastre de baja temperatura. El catalizador de arrastre de baja temperatura comprende óxido de cobre (CuO)y óxido de zinc (ZnO). Otros tipos de catalizadores de arrastre de baja temperatura incluyen cobre soportado sobre otro óxido de metal de transición como circonia, zinc soportado sobre óxidos metálicos de transición o soportes refractarios como sílice o alúmina, platino soportado, renio soportado, paladio soportado, rodio soportado y oro soportado. La reacción d4e arrastre de baja temperatura es una reacción altamente exotérmica, y una porción del calor de la reacción de arrastre de baja temperatura se extrae de forma convencional mediante intercambio indirecto de calor con una corriente de agua para producir vapor para combinarse con la alimentación a la zona de reformación. El efluente de arrastre de baja temperatura comprende menos de 0.5 por ciento molar de monóxido de carbono, y se hace pasar a una zona preferente de oxidación a condiciones efectivas de oxidación y se pone en contacto con un catalizador de oxidación para producir una corriente producto de gas de hidrógeno que comprende menos de 40 ppm-moles de monóxido de carbono. Preferiblemente, la corriente de gas producto de hidrógeno comprende menos de aproximadamente 10 ppm-moles de monóxido de carbono, y más preferiblemente, la corriente de gas producto de hidrógeno comprende menos de 1 ppm-mol de monóxido de carbono. El calor de la oxidación producido en la zona de oxidación de óxido de carbono se extrae de forma convencional enfriando la zona de oxidación de óxido de carbono de forma convencional, como con mangas de agua y corrientes de enfriado con agua. La corriente de gas producto de hidrógeno que comprende agua en el punto de saturación y a una temperatura de menos de 100°C es hecha pasar al lado del ánodo de una zona de celda de combustión que comprende cuando menos una membrana de intercambio de protones. La membrana de intercambio de protones tiene un lado de ánodo y un lado de cátodo, y está equipada con conductores eléctricos que extraen la energía eléctrica producida por la celda de combustible cuando se pone en contacto una corriente que contiene oxígeno con el lado del cátodo de la membrana de intercambio de protones. Es necesario que la membrana de intercambio de protones no se seque, conservando la corriente de producto de hidrógeno a condiciones de saturación. Es también de importancia crítica que la membrana de intercambio de protones se mantenga a una temperatura de menos de 100°C. La membrana de intercambio de protones tiene una eficiencia de sólo 70 a 90 por ciento en su uso con la corriente de producto de hidrógeno y como resultado, la celda de combustible produce un gas de desecho de ánodo que comprende hidrógeno, y un gas de desecho de cátodo que comprende oxígeno. El gas de desecho del ánodo producido por la presente invención comprende menos de un 25 por ciento molar de hidrógeno (sobre una base seca) , y el gas de desecho del cátodo comprende menos de un 15 por ciento molar de oxígeno. El gas de desecho de ánodo tiene un valor neto de calentamiento de entre 500 a aproximadamente 3000 kJ por metro cúbico convencional. El uso de los gases de desecho del ánodo como combustible para el proceso, se revela en US-A 4,746,329 cuando se mezcla con aire y se hace combustión para suministrar calor a una zona de reformación. En la superficie, parece ser ventajoso utilizar gases de desecho del ánodo de esta manera porque el calor de la combustión de desecho de los gases del ánodo pueden recuperarse; sin embargo, una consideración más cuidadosa del funcionamiento general del proceso revela varios problemas. La combustión de los gases de desecho del ánodo en la zona de combustión producen menos gases de escape o de purga desde el quemador, pero el quemado del gas de desecho del ánodo puede producir llamas de mayor temperatura que de los gases del combustible quemado. Cuando la temperatura en la zona de las llamas se hace excesiva, el equipo del proceso puede dañarse. A la inversa, cuando aumenta la demanda eléctrica de las celdas de combustible, cae la concentración de hidrógeno en los gases de desecho del ánodo. Esto reduce la calidad (valor neto de calentamiento) de los gases de desecho del ánodo, y reducen la temperatura de las llamas de la zona de combustión, o quemador. Las variaciones en la temperatura de las llamas y las resultantes variaciones en el ritmo de calentamiento suministrado por la zona de combustión, produce un ciclo térmico que puede producir fallas en el equipo. El proceso de combustión de recalentamiento en etapas múltiples de la presente invención sorprendentemente disminuye la cantidad de aire necesaria para la combustión de la corriente de gases de desecho del ánodo para mantener la zona de reformación a condiciones efectivas de reformació sobre una amplia variedad en el contenido de hidrógeno, o valor neto de calentamiento, de la corriente de gases d desecho del ánodo. El esquema de control requerido par operar el proceso de combustión de recalentamiento en etapas múltiples de la presente invención no requiere un avanzado sistema de control con sensores de temperatura de la zona de combustión. Se necesita únicamente un sensor de temperatura, que controle la temperatura del primer efluente de combustión, para ajustar una válvula o ventilador de control de aire excedente. Preferiblemente, la temperatura del primer efluente de zona de combustión variará de entre 600° a 800°C. Más preferiblemente, la temperatura del primer efluente de zona de combustión variará de 650° a aproximadamente 700°C. Preferiblemente, la temperatura del primer efluente de' zona de combustión será esencialmente igual a la temperatura del segundo efluente de zona de combustión, o se moderará de forma que se evitarán amplias variaciones en las diferencias de temperatura entre el primero y segundo efluentes de combustión. Preferiblemente, la diferencia de temperaturas entre las corrientes de efluente de combustión primera y segunda comprenderá menos de unos 200°C. Más preferiblemente, las diferencias de temperatura entre las corrientes de efluente de combustión primera y segunda comprenderán menos de 100°C, y más preferiblemente aun, la diferencia de temperaturas entre las corrientes de efluente de combustión primera y segunda comprenderá menos de unos 50°C. Además, la máxima temperatura_ del gas de purga suministrado al procesador de combustible se mide y controla fácilmente para evitar cuestiones relacionadas con materiales y seguridad de la técnica anterior. La presente invención puede practicarse con diversas combinaciones y alternativas de combustión incluyendo: quemar una mezcla de gases de desecho del ánodo y de gases de combustible en todas las etapas de la zona de combustión de etapas múltiples; quemar esencialmente la totalidad de los gases de desecho del ánodo en la primera zona de combustión o en alguna de las zonas secundarias de combustión, en tanto que se quema la corriente de gases de combustible en las restantes zonas secundarias de combustión; y, distribuyendo cuando menos una porción de los gases de desecho del ánodo en todas las zonas de combustión. Por consiguiente, el primer efluente de zona de combustión puede comprender efluentes producidos por la combustión de una corriente de gases de combustible; de la combustión de una mezcla de la corriente de gases de combustible y una porció de la corriente de gases de desecho del ánodo; y de l combustión de esencialmente sólo la corriente de gases d desecho del ánodo. La eficiencia de hidrógeno del proceso general d procesador de combustible y celdas de combustible se defin como el valor menor de calentamiento del hidrógeno net producido (es decir, el hidrógeno producido .menos e hidrógeno que se devuelve en forma de gases de desecho de ánodo) dividido por-, el mínimo valor de calentamiento de combustible expresado como porcentaje, y multiplicado por la utilización de hidrógeno de la celda de combustible (es decir, el porcentaje de hidrógeno que se convierte en la celda de combustible) . Sorprendentemente, la combustión en etapas múltiples con esquema de recalentamiento puede significar una mejora de más del 20 por ciento en la eficiencia de hidrógeno respecto a un esquema de combustión de etapa única para un sistema de reformación de vapor y celda de combustible con una reducción del 50 por ciento en el aire excedente requerido para combustión. Para un procesador de combustible que comprende una zona de reformación y una zona de oxidación parcial, una combustión de dos etapas con esquema de recalentamiento reduce los requisitos de aire excedente en aproximadamente 50 por ciento y significa una mejora adicional de 8 por ciento en la eficiencia de la recuperación de calor de la zona de reformación. Para un esquema donde esencialmente todo el gas de desecho del ánodo se recicla hacia la zona de reformación, la eficiencia neta de hidrógeno representaba una mejora de 6 por ciento respecto al esquema de zona de combustión de etapa única de la técnica anterior, y requiere sólo la mitad del aire excedente del esquema de la técnica anterior. La reducción del 50 por ciento en el requisito de aire excedente en los esquemas anteriormente descritos proporciona un ahorro similar del 50 por ciento en el consumo de energía de-1 ventilador que suministra el aire hacia la zona de combustión. Una variación de la presente invención puede utilizarse cuando la zona de reformación requiere una entrada de calor mayor de la que puede suministrarse por la combustión de los gases de desecho del ánodo. Esto puede ocurrir cuando la zona de reformación comprendiera únicamente una zona de reformación, y no una combinación de reformación y oxidación parcial, o en un arranque en frío del procesador de combustible. Se proporcionan un encendedor y una corriente externa de combustible opcional para arrancar la primera zona de combustión, cuando la corriente de gases de desecho del ánodo no estén disponibles, y para utilizarse potencialmente cuando la corriente de gases de desecho del ánodo se haga demasiado escasa en hidrógeno, o con un bajo valor neto de calentamiento, para producir el primer efluente de combustión a la primera temperatura de combustión deseada. La presente invención proporciona una reducción en el régimen de aire excedente respecto a los esquemas de combustión de la técnica anterior, y proporcionan una combustión esencialmente completa de los gases de desecho del ánodo, una respuesta rápida de arranque para el sistema de procesador de combustible. La presente invención asegura una mínima cantidad de esfuerzos térmicos en el equipo de transferencia de-.calor, porque la primera y segunda temperaturas de efluentes de combustión son esencialmente constantes. Haciendo referencia a la Figura 1, se muestra un esquema de la técnica anterior de combustión en etapa única para combinar una zona de reformación 104 de una zona de procesador de combustible 102 con una celda de combustible (no se muestra) para la combustión de gases de desecho del ánodo en una zona de combustión 100. En este esquema de la técnica anterior, se hace pasar una corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 14 a una zona de combustión 100. La zona de combustión 100 tiene un encendedor 105 y una fuente externa de combustible como gas natural, hidrocarburos ligeros o alcoholes, que se muestran como corriente de combustible en la línea 16. La zona de combustión 100 también acepta una corriente de aire excedente en la línea 18, que entra a la zona de combustión 100 a través de la línea 18, la válvula de control 108 y la línea 20. La combustión de la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 14 tiene lugar en la zona de combustión 100 en presencia de la corriente de aire excedente en la línea 20 con el fin de producir una corriente de gases de escape en la línea 22. Durante el arranque del procesador de combustible, se requiere introducir una corriente de combustible externa por la línea 16 en presencia de una cantidad efectiva de la corriente de aire excedente en la línea 20 para suministrar la corriente de gases de purga en -la línea 22 a -la temperatura de gases de purga deseada, medida en la unidad de medición de temperatura de gases de purga 106. La corriente de gas de purga en la línea 22 es hecha pasar a una zona de intercambio de calor de gases de purga 103 de una zona de procesador de combustible 102. La zona procesadora de combustible 102 comprende una zona reformadora 104 que contiene catalizador reformador para entrar en contacto con una mezcla de vapor y corriente alimentadora introducida en la zona reformadora 104 por la línea 10. La zona de intercambio de calor de gases de purga 103 está en íntimo contacto térmico con la zona reformadora 104 para calentar la reacción endotérmica que tiene lugar dentro de la zona reformadora 104 y para suministrar una corriente de gases de purga enfriada en la línea 24. La corriente de gases de purga enfriada en la línea 24 es extraída de la zona de intercambio de calor de gases de purga 103 y se libera a la atmósfera. La corriente de gases de purga enfriada también puede utilizarse para precalentar la mezcla de vapor y corriente alimentadora en la línea 10. Típicamente, la temperatura deseada de gas de purga que sale de la zona de combustión 100 es controlada al controlar la cantidad o régimen de la corriente de aire excedente introducida en la línea 18, por ejemplo abriendo o constriñendo la válvula 108. La eficiencia de este esquema, medida en base a la energía recuperada en el reformador, es típicamente baja, porque el esquema de combustión de etapa única requiere una gran cantidad de aire excedente para controlar la temperatura de los gases de purga. Aunque direccionalmente, la eficiencia reformadora se incrementa conforme aumenta la temperatura de los gases de purga, existen limitaciones de equipo y materiales en el equipo de intercambio de calor y la tubería conectora que limita la temperatura del gas de purga. La corriente de gas de combustible externa en la línea 16 es necesaria para compensar deficiencias en el valor de calentamiento de la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 14 para compensar las variaciones del contenido de hidrógeno de la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 14, producida por variaciones en la demanda de energía eléctrica. Haciendo ahora referencia a la Figura 2, una representación de la técnica anterior de US-A 5,609,834 con una zona de combustión interna y múltiples quemadores, s hace pasar una mezcla de calor y corriente alimentadora po la línea 201 hacia la zona reformadora 211 de la zona d procesador de combustible 200. La zona reformadora 21 contiene un catalizador reformador y se opera a condicione efectivas de reformación para convertir la mezcla de vapor corriente alimentadora en la línea 201 para producir un corriente de efluente reformador en la línea 202. L corriente de efluente reformador comprende hidrógeno par utilizarse en una celda de combustible..- Típicamente, la corriente de efluente reformador en la línea 202 se procesará adicionalmente de forma convencional, que puede incluir una reacción de arrastre de gas de agua y oxidación preferente para reducir la concentración de monóxido de carbono. Una corriente de aire en la línea 204 es hecha pasar por una válvula de control de aire 217 y la línea 206 hacia una zona de combustión catalítica 215, donde se distribuyen porciones de la corriente de gas de desecho del ánodo en la línea 207 a la zona de combustión catalítica 215 por las líneas 208, 209 y 210 de conformidad a los dispositivos de distribución 218. Los dispositivos de distribución 218 distribuyen la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 207 a la porción apropiada de la zona de combustión catalítica 215 para suministrar calor por transferencia indirecta de calor hacia la zona de reformación 211, o para controlar la temperatura dentro de la zona de combustión catalítica 215. Se extrae una corriente de gases de purga de la zona de combustión catalítica 215 por la línea 212. La temperatura de gases de purga de la corriente de gases de purga en la línea 212 se mide mediante el dispositivo medidor de temperatura 214, y se hace pasar la señal de temperatura por la línea de señales 216 hacia la válvula de control de aire 217 para ajusta.r .la cantidad de aire excedente en la línea 204.
La presente invención, como se ilustra en la Figura 3, soluciona las limitaciones e ineficiencias de los esquemas de la técnica anterior que se muestran en la Figura 1 y la Figura 2 mediante el uso de una combustión de recalentamiento de etapas múltiples. En la presente invención, el gas de desecho del ánodo se divide entre dos o más zonas de combustión. Haciendo referencia a la figura 3, una corriente de aire en la línea 305 se introduce solamente a una primera zona de combustión 340 de cuando menos dos zonas de combustión (340 y 350) . El gas de desecho del ánodo en la línea 304 se divide entre las dos zonas de combustión de forma que una primera corriente de gases de desecho del ánodo se hacen pasar a la primera zona de combustión 340 por la línea 307, y una segunda corriente de gases de desecho del ánodo se hacen pasar a la segunda zona de combustión 350 por la línea 308. En la primera zona de combustión 340, la corriente de aire que se hizo pasar por la línea 305, la válvula de control del aire 370 y la línea 306 se combinan con la primera corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 307 y se hacen combustión para proporcionar una primera corriente de efluente de combustión en la línea 309 a una primera temperatura de combustión medida corriente debajo de la primera zona de combustión 340. Un encendedor 360 y una corriente de combustible externa opcional en la línea 303 se suministran para arrancar la primera zona de combustión 340, cuando no esté disponible la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 307, y para utilizarse potencialmente cuando la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 307 sea muy escasa en hidrógeno, o tenga un bajo valor neto de calentamiento, para producir el primer efluente de combustión a la primera temperatura de combustión deseada. El primer efluente de combustión en la línea 309 se hace pasar a una zona de intercambio de calor opcional de gases de purga 330 que suministran el intercambio indirecto de calor entre la primera corriente de efluente de combustión en la línea 309 y una segunda corriente efluente de combustión en la línea 311, extraída de la segunda zona de combustión 350. La zona opcional de intercambio de calor de gases de purga 330 proporciona un dispositivo pasivo para eliminar cualquier variación significativa de temperatura entre las corrientes de efluentes de combustión primera y segunda 309 y 311. La primera corriente moderada de efluente de combustión en la línea 310 se hace pasar a una primera zona de intercambio de calor de gases de combustión 326 en una zona de procesador de combustible 320. La zona procesadora de combustible 320 comprende una zona reformadora 322 y cuando menos dos zonas paralelas de intercambio de calor de gases de combustión (que se muestran en la presente como 326 y 324) . La zona reformadora contiene un catalizador reformador y opera a condiciones efectivas de reformación para convertir una mezcla de vapor y corriente alimentadora en la línea 301 para producir un efluente reformador en la línea 302. La primera corriente modificada de efluente de combustión en la línea 310 suministra calor a la zona reformadora 322 por intercambio de calor indirecto contra corriente y una primera corriente de efluente de combustión enfriada es extraída en la línea 316. La primera corriente de efluente de combustión enfriada en la línea 316 es hecha pasar a una segunda zona de combustión 350 y luego se enciende con la segunda porción de la corriente de gases de desecho del ánodo en la línea 308 para producir la segunda corriente de efluente de combustión en la línea 311. Como se describió anteriormente, la segunda corriente de efluente de combustión en la línea 311 es hecha pasar a una zona opcional de intercambio de calor de gases de purga 330 para suministrar una segunda corriente de efluente de combustión moderada en la línea 312. La zona opcional de intercambio de calor de gases de purga 330 proporcion transferencia de calor indirecta entre la primera y segund corrientes de efluentes de combustión colocando esta corrientes en un dispositivo que produce íntimo contact térmico. Preferiblemente, la primera y segunda corrientes d efluentes de combustión 309 y 311 se pasan separadament hacia la zona opcional de intercambio de calor de gases d purga 330 en una dirección a favor de la corriente o en un dirección de flujo cruzado respecto a la dirección del fluj de la- primera corriente de efluente de combustión. La zona opcional de intercambio de calor de gases de calor de purga proporciona una operación más estable de la zona de procesador de combustible 320 moderando las variaciones de temperatura entre la primera y segunda corrientes de efluentes de combustión antes de introducirse a la zona de procesador de combustible 320. La segunda corriente de efluente de combustión o la segunda corriente de efluente de combustión moderado en la línea 312 es hecha pasar a la segunda zona de intercambio de calor de gases de combustión 324 para suministrar calor a la zona reformadora 322 y producir una corriente enfriada de efluente de combustión neto en la línea 314 que se extrae de la zona procesadora de combustible 320. El proceso de combustión de recalentamiento en etapas múltiples de la presente invención sorprendentemente disminuye la cantidad de corriente de aire necesaria para la combustión de la corriente de gases ,de desecho del ánodo para mantener la zona reformadora a condiciones efectivas de reformación en una amplia variación de contenido de hidrógeno, o valor neto de calentamiento, de la corriente de gases de desecho del ánodo. El esquema de control necesario para operar el proceso de combustión de recalentamiento en etapas múltiples de la presente invención no requiere de un avanzado sistema de control con sensores de temperatura en la zona de combustión. Es necesario sólo un sensor de temperatura 365, que controle la temperatura del primer efluente de combustión, para ajustar__la válvula de control de aire excedente 370 mediante la línea de señales 375. Además, la máxima temperatura del gas de purga suministrado al procesador de combustible se mide y controla fácilmente para evitar las cuestiones de materiales y seguridad de la técnica anterior. Una variación en la presente invención que puede utilizarse cuando la zona de reformación requiere una entrada de calor mayor que la que puede suministrarse por la combustión de los gases de desecho del ánodo. Esto podría ocurrir cuando la zona reformadora comprendida sólo por una zona reformadora de vapor, y no una combinación de reformación de vapor y oxidación parcial, o en un arranque en frío del procesador de combustible. En este esquema limitado, esencialmente todo el gas de desecho del ánodo pasa por la línea 307 a la primera zona de combustión 340, y el flujo de aire en la línea 306 se ajusta para suministrar una temperatura de gases de purga esencialmente constante de la primera corriente de efluente de combustión en la línea 309 o 310 a intercambiarse con la zona reformadora 322, para suministrar la primera corriente de efluente de combustión enfriada en la línea 316. La primera corriente de efluente de combustión enfriada en la línea 316.se hace pasar a la segunda zona de combustión 350, donde la primera corriente de efluente de combustión enfriada en la línea 316 se recalienta por la combustión de una corriente de combustible auxiliar (no se muestra) como gas natural, propano, otros combustibles de hidrocarburos, alcoholes, otros compuestos oxigenados o combinaciones de éstos. La cantidad de combustible auxiliar que se hace pasar a la segunda zona de combustión se controla para obtener una temperatura constante de la segunda corriente de efluente de combustión en la línea 312. Como se muestra en la Figura 3, una porción de la corriente auxiliar de combustible en la línea 303 se pasa por la línea 303', la válvula de control 367 y la línea 369 hacia la segunda zona de combustión 350. La segunda temperatura de zona de combustión, o segunda temperatura de efluente de combustión, se mide en la línea 312 mediante el indicador de temperatura 366. La señal obtenida del indicador de temperatura 366 se hace pasar a la válvula de control 367 para ajustar el ritmo de gases de combustible auxiliares para mantener una segunda temperatura de efluente de combustión uniforme. La señal de control se hace pasar del indicador de temperatura 366 de forma convencional ya sea directamente, o como parte de un sistema de control general del procesador de combustible. Esta modalidad alternativa permite que el procesador de combustible 320 se reduzca aun más en su régimen de aire excedente respecto a la técnica -anterior, -y suministra una combustión esencialmente completa de los gases de desecho del ánodo, una rápida respuesta de arranque del sistema de procesador de combustible. La presente invención asegura una mínima cantidad de esfuerzos térmicos en el equipo de transferencia de calor, porque la primera y segunda temperaturas de efluente de combustión son esencialmente constantes. EJEMPLOS EJEMPLO I (Técnica Anterior) Un sistema de procesador de combustible y celda de combustible con membrana de intercambio de protones que utiliza el esquema de combustión de etapa única en la Figura
1 y que se describió anteriormente representa una eficiencia neta de hidrógeno de aproximadamente 59.6 por ciento, determinado por la cantidad de hidrógeno consumido en la celda de combustible, dividida por el valor neto de calentamiento del combustible que se hace pasar al procesador de combustible. La capacidad de la celda de combustible es de
2.5 kW. El procesador de combustible comprende una zona reformadora de vapor que opera a aproximadamente 620°C, calentada por una corriente de gases de purga a una temperatura de gases de purga de aproximadamente 670°C. La energía recuperada para utilizarse en la zona reformadora puede medirse por el porcentaje del valor de calentamiento del combustible encendido, en la zona de combustión, con se recupera en el reformador. En el Ejemplo I, el valor neto de calentamiento de los gases de desecho del ánodo es de aproximadamente 14,550 kJ/hr, y la energía recuperada en la zona de reformación es de 7810 kJ/hr. Por consiguiente, la eficiencia de recuperación de calor de la zona de reformación es de aproximadamente 53.7 por ciento. EJEMPLO II (Comparación con la Presente Invención) El sistema de celdas de combustible y procesador de combustible del ejemplo I que posee un combustor de etapa única se modifica para tener un combustor de dos etapas como se muestra en la Figura 3. El régimen de carga de gas natural del procesador de combustible y el ritmo de producción de hidrógeno son los mismos que en el Ejemplo I. Las temperaturas de salida de las corrientes de efluente de combustión primera y segunda se controla a la misma temperatura, 670°C, como en el Ejemplo I. El régimen resultante de aire para quemar los gases de desecho del ánodo es de aproximadamente la mitad del Ejemplo I, reduciendo el consumo de energía del ventilador de aire en aproximadamente 48 por ciento respecto al Ejemplo I. La eficiencia neta de hidrógeno del esquema combustor de dos etapas de la presente invención es de 71.3 por ciento y la salida de energía es de aproximadamente 3 kW. La eficiencia de recuperación de calor del reformador del Ejemplo II es 65.3 por ciento, en base a un valor de calentamiento neto de combustible de la zona de combustión de aproximadamente 11,340 Kj/hr y aproximadamente 7410 _Kj/hr de energía, .recuperada en la zona reformadora.
Esto representa una mejora de aproximadamente 22 por ciento en la eficiencia de hidrógeno de la celda de combustible del procesador de combustible reformador de vapor con el esquema de combustión en etapas múltiples de la presente invención respecto a la técnica anterior. EJEMPLO III (Técnica Anterior) Un sistema de procesador de combustible y celda de combustible de la técnica anterior, donde la zona reformadora comprende una combinación de reformación de vapor y oxidación parcial, y el sistema utiliza una combustión de etapa única como se muestra en la Figura 1, representa una eficiencia neta de hidrógeno de aproximadamente 69.1 por ciento, y la producción de energía de la celda de combustible es de poco menos de 3 kW, siendo exactamente de 2.89 kW, con un régimen de aire de casi la mitad del Ejemplo II. La temperatura de gases de purga de los gases de combustión es de 650°C. El combustible hacia el quemador, o zona de combustión en el Ejemplo III, es significativamente menor que el Ejemplo I o II a aproximadamente 6882 kJ/hr, y la energía transferida a la porción de zona reformadora de la zona procesadora de combustible es de aproximadamente 4208 kJ/hr. La eficiencia de recuperación de calor del reformador del Ejemplo III es de 61.1 por ciento. EJEMPLO IV (Comparación con la Presente Invención) Una zona de combustión de etapas múltiples (con dos etapas de combustión) de la presente invención se substituye por el paso de combustión de etapa única en el Ejemplo III. La eficiencia neta resultante de hidrógeno es de 70.4 por ciento, aproximadamente 2 pro ciento más que el Ejemplo III. Sin embargo, el régimen de aire para la combustión del Ejemplo IV es de ahora aproximadamente la mitad del régimen de aire del Ejemplo III, y la eficiencia de recuperación de calor de la zona reformadora aumenta hasta aproximadamente 65.9 por ciento. Esto representa aproximadamente una mejora del 8 por ciento en el uso de la energía de los gases de desecho del ánodo para la zona de reformadora, y una reducción del 53 por ciento en el poder para suministrar aire a la zona de combustión, en comparación al Ejemplo III. EJEMPLO V (Técnica Anterior) Un procesador de combustible basado en la conversión de propano, o gas de petróleo licuado, se combina con una celda de combustible para producir aproximadamente 5 kW (4.7 kW) de energía eléctrica. Esencialmente todo el gas de desecho del ánodo se regresa a la zona reformadora, y una corriente externa de combustible suministra el combustible para combustión. El procesador de combustible comprende una zona reformadora que opera a una temperatura de entrada de 620 °C, calentada por gases de combustión producidos en la zona de combustión de etapa única de la técnica anterior, y una cantidad suficiente de aire excedente para mantener una temperatura de gases de combustión de aproximadamente 680°C. El gas combustible quemado tiene un valor neto de calentamiento de aproximadamente 15,650 kJ/hr y suministra aproximadamente 10,024 kJ/hr a la zona reformadora para obtener una eficiencia de recuperación de calor de la zona reformadora de aproximadamente 64.1 por ciento. Una zona de combustión de etapa única que quema combustible suplementario externo aplica calor para la zona reformadora de vapor. La eficiencia neta de hidrógeno para este esquema es de aproximadamente 74 por ciento, y el régimen de aire es de aproximadamente 29.45 metros cúbicos por hora. EJEMPLO VI (Ejemplo Comparativo) El sistema de procesador de combustible y celda de combustible del Ejemplo V, con el reciclado esencialmente completo de gases de desecho del ánodo para la zona reformadora se repite con un esquema de combustión de doble etapa de la presente invención. La eficiencia neta de hidrógeno del esquema con la zona de • combustión de la presente invención es de aproximadamente 78.6 por ciento, o una mejora de aproximadamente 6 por ciento respecto al caso de combustión de etapa única del Ejemplo V. La recuperación de calor del reformador en base a un valor de combustible de aproximadamente 13,190 kJ/hr y que suministra aproximadamente 10,044 kJ/hr al reformador a partir del diseño de recalentamiento de etapas múltiples de la presente invención resulta en una eficiencia de recuperación de calor de la zona de reformación del 76.1 por ciento. Esto representa una mejora de aproximadamente 19 por ciento respecto al esquema de combustión de etapa única del Ejemplo V. El aire de combustión del Ejemplo VI es de sólo 53 por ciento del Ejemplo V, significando ahorros de aproximadamente 50 por ciento en el consumo de energía del ventilador de aire.