TW202306887A - 產氫裝配 - Google Patents

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Abstract

本文揭示產氫裝配及方法。在一個具體實例中，方法包括在燃料處理裝配中接收進料流，以及經由一或多個燃燒器使燃料處理裝配的產氫區域加熱到至少最低製氫溫度。方法另外包括在燃料處理裝配的經加熱的產氫區域中從接收的進料流產生輸出流，以及在燃料處理裝配的純化區域中從輸出流產生產物氫流及副產物流。方法進一步包括從副產物流分離至少一部分二氧化碳氣體以產生二氧化碳濃度小於副產物流的燃料流，且使燃料流饋入一或多個燃燒器。

Description

產氫裝配
無
製氫裝配是一種使一或多個原料轉化為含有氫氣作為主要組分的產物流的裝配。原料可包括含碳原料，且在一些具體實例中，也可包括水。從原料輸送系統輸送原料到產氫裝配的製氫區域，通常在壓力及高溫下輸送原料。製氫區域通常與溫度調節裝配，諸如加熱裝配或冷卻裝配相關聯，該溫度調節消耗一或多個燃料流以使製氫區域維持在合適的溫度範圍內以有效地製氫。產氫裝配可經由任何合適的機構，諸如蒸汽重組、自發性熱重組、熱解、及/或催化部分氧化來產氫。
然而，所產生或製造的氫氣可能具有雜質。該氣體可被稱作含有氫氣及其他氣體的混合氣流。在使用混合氣流之前，必須對其進行純化，諸如除去至少一部分其他氣體。因此，產氫裝配可包括用於提高混合氣流的氫純度的氫純化裝置。氫純化裝置可包括至少一個氫選擇性膜以使混合氣流分離成產物流及副產物流。產物流含有來自混合氣流的較高濃度的氫氣及/或較低濃度的一或多個其他氣體。使用一或多個氫選擇性膜的氫純化為壓力驅動的分離方法，其中一或多個氫選擇性膜包含在壓力容器中。混合氣流與膜的混合氣體表面接觸，且產物流由滲透通過膜的至少一部分混合氣流所形成。壓力容器通常被密封以防止氣體進入或離開壓力容器，除了通過限定的入口及出口或導管以外。
產物流可用於各種應用。此類應用其一為能源製造，諸如在電化學燃料電池中。電化學燃料電池為一種使燃料及氧化劑轉化為電、反應產物及熱的裝置。例如，燃料電池可使氫及氧轉化為水及電。在那些燃料電池中，氫為燃料，氧為氧化劑，而水為反應產物。燃料電池堆包括多個燃料電池，且可與產氫裝配一同使用以提供能量製造裝配。
產氫裝配、氫處理裝配及/或這些裝配的組件的實施例描述在以下：美國專利號5,861,137、6,319,306、6,494,937、6,562,111、7,063,047、7,306,868、7,470,293、7,601,302、7,632,322、8,961,627、9,187,324、9,914,641、10,717,040；以及美國專利申請公開號2006/0090397、2006/0272212、2007/0266631、2007/0274904、2008/0085434、2008/0138678、2008/0230039、及2010/0064887。上述專利案及專利申請公開案的完整揭示為用於所有目的而藉由引用併入本文。
一些具體實例包括產氫的方法。在一個具體實例中，方法包括在燃料處理裝配中接收進料流。進料流含有含碳原料。方法另外包括經由一或多個燃燒器使燃料處理裝配的產氫區域加熱到至少最低製氫溫度。方法進一步包括在燃料處理裝配的經加熱的產氫區域中從接收的進料流產生輸出流。輸出流含有氫氣及二氧化碳氣體。
方法另外包括在燃料處理裝配的純化區域中從輸出流產生產物氫流及副產物流。產物氫流具有大於輸出流的氫濃度及小於輸出流的二氧化碳濃度，而副產物流具有小於輸出流的氫濃度及大於輸出流的二氧化碳濃度。方法進一步包括從副產物流分離至少一部分二氧化碳氣體，以產生二氧化碳濃度小於副產物流的燃料流。方法另外包括使燃料流饋入一或多個燃燒器。
一些具體實例包括產氫裝配。在一個具體實例中，裝配包括外殼及包含在外殼內的製氫區域。製氫區域經配置以從至少一個進料流製造輸出流。輸出流含有氫氣及二氧化碳氣體，至少一個進料流含有含碳原料。裝配另外包括加熱裝配，其經配置以接收至少一個空氣流及至少一個燃料流，並在包含在外殼內的燃燒區域內燃燒至少一個燃料流，從而製造經加熱排氣流以用於使製氫區域加熱到至少最低製氫溫度。
裝配進一步包括包含在外殼內的純化區域。純化區域經配置以製造產物氫流及副產物流，產物氫流具有大於輸出流的氫濃度及小於輸出流的二氧化碳濃度，副產物流具有小於輸出流的氫濃度及大於輸出流的二氧化碳濃度。裝配另外包括氣體除去裝配，其經配置以從副產物流分離至少一部分二氧化碳氣體，並由此製造至少一部分至少一個燃料流。
圖1示出產氫裝配20的實施例。除非特別排除，否則產氫裝配20可包括本文揭示中描述的其他產氫裝配的一或多個組件。產氫裝配可包括任何經配置以產生產物氫流21的合適結構。例如，產氫裝配可包括原料輸送系統22及燃料處理裝配24。原料輸送系統可包括經配置以選擇性地使至少一個進料流26輸送到燃料處理裝配的任何合適結構。
在一些具體實例中，原料輸送系統22可另外包括經配置以選擇性地使至少一個燃料流28輸送到燃燒器或燃料處理裝配24的其他加熱裝配的任何合適結構。在一些具體實例中，進料流26及燃料流28可為輸送到燃料處理裝配的不同部分的相同的流。原料輸送系統可包括任何合適的輸送機構，諸如用於推進流體流的正排量泵或其他合適的泵或機構。在一些具體實例中，原料輸送系統可經配置以輸送進料流26及/或燃料流28，而不需要使用泵及/或其他電動流體輸送機構。可與產氫裝配20一同使用的合適原料輸送系統的實施例包括美國專利號7,470,293及7,601,302以及美國專利申請公開號2006/0090397中描述的原料輸送系統。上述專利案及專利申請公開案的完整揭示為用於所有目的而藉由引用併入本文。
進料流26可包括至少一個製氫流體30，其可包括一或多個可用作反應物以產生產物氫流21的流體。例如，製氫流體可包括含碳原料，諸如至少一個烴及/或醇。合適的烴的實例包括甲烷、丙烷、天然氣、柴油、煤油、汽油等。合適的醇的實例包括甲醇、乙醇、多元醇(諸如乙二醇及丙二醇)等。另外，製氫流體30可包括水，諸如當燃料處理裝配經由蒸汽重組及/或自發性熱重組產生產物氫流時。當燃料處理裝配24經由熱解或催化部分氧化產生產物氫流時，進料流26不含水。
在一些具體實例中，原料輸送系統22可經配置以輸送含有水及可與水混溶的含碳原料(諸如甲醇及/或另一種水溶性醇)的混合物的製氫流體30。在這種流體流中，水與含碳原料的比率可根據一或多個因素而變化，諸如所使用的特定含碳原料、使用者偏好、燃料處理裝配的設計、燃料處理裝配用於產生產物氫流的機構等。例如，水與碳的莫耳比率可為約1:1至3:1。另外，水及甲醇的混合物可用1:1或接近1:1的莫耳比率(37重量%的水，63重量%的甲醇)輸送，而烴或其他醇的混合物可用大於1:1的水-碳莫耳比率輸送。
當燃料處理裝配24經由重組產生產物氫流21時，進料流26可包括例如約25到75體積%的甲醇或乙醇(或另一種合適的與水混溶的含碳原料)及約25到75體積%的水。對於至少基本上包括甲醇及水的進料流，那些流可包括約50到75體積%的甲醇及約25到50體積%的水。含有乙醇或其他水混溶性醇的流可含有約25到60體積%的醇及約40到75體積%的水。利用蒸汽重組或自發性熱重組的產氫裝配20的進料流的實施例含有69體積%的甲醇及31體積%的水。
儘管示出原料輸送系統22經配置以輸送單個進料流26，然而原料輸送系統可經配置以輸送兩個或更多個進料流26。那些流可含有相同或不同的原料，且可具有不同的組成、至少一個共同組分、無共同組分或相同的組成。例如，第一進料流可包括第一組分，諸如含碳原料，且第二進料流可包括第二組分，諸如水。另外，儘管原料輸送系統22在一些具體實例中可經配置以輸送單個燃料流28，然而原料輸送系統可經配置以輸送兩個或更多個燃料流。燃料流可具有不同的組成、至少一個共同組分、無共同組分或相同的組成。另外，進料流及燃料流可在不同階段中從原料輸送系統排出。例如，一個流可為液體流，而另一個為氣體流。在一些具體實例中，兩個流都可為液體流，而在其他具體實例中，兩個流都可為氣體流。另外，雖然示出產氫裝配20為包括單個原料輸送系統22，然而產氫裝配可包括兩個或更多個原料輸送系統22。
燃料處理裝配24可包括製氫區域32，其經配置以經由任何合適的製氫機構製造含氫氣的輸出流34。輸出流可包括氫氣作為至少主要組分，且可包括額外氣態組分。因此，輸出流34可被稱作「混合氣流」，其含有氫氣作為其主要成分但包括其他氣體。
製氫區域32可包括任何合適的含催化劑床或區域。當製氫機構為蒸汽重組時，製氫區域可包括合適的蒸汽重組催化劑36以促進從含有含碳原料及水的進料流26製造輸出流34。在這樣的具體實例中，燃料處理裝配24可稱作「蒸汽重組器」，製氫區域32可稱作「重組區域」，且輸出流34可稱作「重組流」。可能存在於重組流中的其他氣體可包括一氧化碳、二氧化碳、甲烷、蒸汽及/或未經反應的含碳原料。
當製氫機構為自發性熱重組時，製氫區域32可包括合適的自發性熱重組催化劑，以促進在空氣存在下從含有水及含碳原料的進料流26製造輸出流34。另外，燃料處理裝配24可包括空氣輸送裝配38，其經配置以使空氣流輸送到製氫區域。
在一些具體實例中，燃料處理裝配24可包括純化(或分離)區域40，其可包括任何合適結構，該結構經配置以從輸出(或混合氣體)流34製造至少一個富氫流42。富氫流42可包括比輸出流34更高的氫濃度及/或比存在於該輸出流中的一或多個其他氣體(或雜質)降低的濃度。產物氫流21包括至少一部分富氫流42。因此，產物氫流21及富氫流42可為相同的流，且具有相同的組成及流速。或者，富氫流42中的一些經純化氫氣可被儲存以供日後使用，諸如儲存在合適的氫儲存裝配中及/或由燃料處理裝配消耗。純化區域40也可稱作「氫純化裝置」或「氫處理裝配」。
在一些具體實例中，純化區域40可製造至少一個副產物流44，其可不含氫氣或一些氫氣。副產物流可被排出、送到燃燒器裝配及/或其他燃燒源、用作經加熱的流體流、儲存以供日後使用、及/或以其他方式使用、儲存及/或處理。另外，純化區域40可回應輸出流34的輸送而以連續流的形式排出副產物流，或可間歇地排出該副產物流，諸如在批式過程或當輸出流的副產物部分至少暫時保留時在純化區域中時。
燃料處理裝配24可包括一或多個純化區域，其經配置以製造一或多個副產物流，該副產物流含有足夠量的氫氣以合適用作燃料處理裝配的加熱裝配的燃料流(或進料流)。在一些具體實例中，副產物流可具有足夠的燃料值或氫含量，使得加熱裝配能夠使製氫區域維持在期望的操作溫度或在選定的溫度範圍內。例如，副產物流可包括氫氣，諸如10到30體積%的氫氣、15到25體積%的氫氣、20到30體積%的氫氣、至少10或15體積%的氫氣、至少20體積%的氫氣等。
純化區域40可包括任何合適結構，其經配置以濃化(及/或增加)輸出流21的至少一個組分的濃度。在大多數應用中，富氫流42將具有比輸出流(或混合氣流)34更高的氫濃度。富氫流也可具有降低濃度的一或多個非氫組分，其存在於輸出流34中，其中富氫流的氫濃度高於、等於或小於輸出流。例如，在傳統燃料電池系統中，若一氧化碳以甚至百萬分之幾的量存在，則一氧化碳可能會使燃料電池堆損壞；而可能存在於輸出流34中的其他非氫組分，諸如水，即使以更高的濃度存在，也不會使電池堆損壞。因此，在這樣的應用中，純化區域可能不會增加總體氫濃度，但會降低對產物氫流的期望應用有害或潛在有害的一或多個非氫組分的濃度。
用於純化區域40的合適裝置的實例包括一或多個氫選擇性膜46、化學一氧化碳除去裝配48、及/或變壓吸附(PSA)系統50。純化區域40可包括多於一種類型的純化裝置，且這些裝置可具有相同或不同的結構，及/或藉由相同或不同的機構操作。燃料處理裝配24可包括至少一個節流孔及/或純化區域下游的其他限流器，諸如與一或多個產物氫流、富氫流及/或副產物流相關。
氫選擇性膜46對氫氣是可滲透的，但對輸出流34的其他組分至少基本上(若非完全)是不可滲透的。膜46可形成自任何適用於操作純化區域40的操作環境及參數的氫滲透性材料。用於膜46的合適材料的實例包括鈀及鈀合金，且特別是這種金屬及金屬合金的薄膜。鈀合金已被證明是特別有效的，特別是含有35重量%至45重量%銅的鈀。含有約40重量%銅的鈀-銅合金已被證明是特別有效的，儘管也可使用其他相對濃度及組分。三種其他特別有效的合金是具有2重量%至20重量%金的鈀，特別是具有5重量%金的鈀；具有3重量%至10重量%銦加上0重量%至10重量%釕的鈀，特別是具有6重量%銦加上0.5重量%釕的鈀；以及具有20重量%至30重量%的銀的鈀。當使用鈀及鈀合金時，氫選擇性膜46有時可稱作「箔」。氫滲透性金屬箔的典型厚度小於25微米，較佳小於或等於15微米，且最佳介於5和12微米之間。箔可為任何合適的尺寸，諸如110 mm × 270 mm。
化學一氧化碳除去裝配48為這樣的裝置，即讓一氧化碳及/或輸出流34的其他不希望的組分發生化學反應，以形成不那麼具有潛在危害的其他組合物。化學一氧化碳除去裝配的實例包括以下：水煤氣變換反應器，其經配置以從水及一氧化碳製造氫及二氧化碳；部分氧化反應器，其經配置以使一氧化碳及氧氣(通常來自空氣)轉化為二氧化碳；以及甲烷化反應器，其經配置以使一氧化碳及氫氣轉化為甲烷及水。燃料處理裝配24可包括多於一種類型及/或數量的化學除去裝配48。
變壓吸附(PSA)為一種化學過程，其中基於某些氣體在合適的溫度及壓力條件下比其他氣體更強烈地吸附到吸附材料上的原理，而從輸出流34中除去氣態雜質。通常，非氫雜質被吸附並從輸出流34中除去。雜質氣體的吸附發生在高壓下。當壓力降低時，雜質從吸附材料中脫附，從而使吸附材料再生。通常，PSA為一個循環過程，並需要至少兩個床用於連續操作(與批式相反)。可用於吸附床的合適吸附材料的實例為活性碳及沸石。PSA系統50也提供用於純化區域40的裝置的實例，其中副產物或經除去的組分不是在純化輸出流的同時作為氣流直接從該區域排出。反而，當吸附材料再生或以其他方式從純化區域中除去時，這些副產物組分被除去。
在圖1中，純化區域40顯示在燃料處理裝配24內。如圖1中的虛線所示意說明，純化區域也可單獨位於燃料處理裝配的下游。純化區域40也可包括燃料處理裝配內部及外部的部分。
燃料處理裝配24也可包括加熱裝配52形式的溫度調節裝配。加熱裝配可經配置以從至少一個加熱燃料流28製造至少一個經加熱排氣流(或燃燒流)54，其通常在空氣存在下燃燒。經加熱排氣流54在圖1中示意性說明為加熱製氫區域32。加熱裝配52可包括經配置以產生經加熱排氣流的任何合適結構，諸如燃燒器或燃燒催化劑，其中燃料與空氣燃燒以製造經加熱排氣流。加熱裝配可包括經配置以啟動燃料燃燒的點火器或點火源58。合適的點火源的實例包括一或多個火花塞、電熱塞、燃燒催化劑、指示燈、壓電點火器、火花點火器、熱表面點火器等。
在一些具體實例中，加熱裝配52可包括燃燒器裝配60，且可被稱作基於燃燒的或燃燒驅動的加熱裝配。在基於燃燒的加熱裝配中，加熱裝配52可經配置以接收至少一個燃料流28，並在空氣存在下燃燒燃料流以提供燃燒流54，其可用於至少加熱燃料處理裝配的製氫區域。空氣可經由多種機構輸送到加熱裝配。例如，如圖1所示，空氣流62可作為單獨的流被輸送到加熱裝配。或者或更甚者，空氣流62可與用於加熱裝配52的燃料流28中的至少一個一同被輸送到加熱裝配，及/或從加熱裝配被使用的環境中被抽出。
或者或更甚者，燃燒流54可用於加熱燃料處理裝配及/或與加熱裝配一同使用的燃料電池系統的其他部分。另外，可使用其他配置及類型的加熱裝配52。例如，加熱裝配52可為電動加熱裝配，其經配置以藉由使用至少一個加熱元件(諸如電阻加熱元件)來產生熱量，從而加熱燃料處理裝配24的至少製氫區域32。在那些具體實例中，加熱裝配52可不接收及燃燒可燃燃料流，以使製氫區域加熱到合適的製氫溫度。加熱裝配的實例在美國專利號7,632,322中揭示，其全部揭示藉由引用併入本文以用於所有目的。
加熱裝配52可與製氫區域及/或分離區域一同容納在共同筒殼或外殼中(如以下進一步討論的)。加熱裝配可相對於製氫區域32單獨設置，但與該區域熱及/或流體連通以至少為製氫區域提供所需的加熱。加熱裝配52可部分或完全位於共同筒殼內，及/或加熱裝配的至少一部分(或全部)可位於該筒殼的外部。當加熱裝配位於筒殼的外部時，來自燃燒器裝配60的熱燃燒氣體可經由合適的熱傳輸導管被輸送到筒殼內的一或多個組件。
加熱裝配也可經配置以加熱原料輸送系統22、原料供應流、製氫區域32、純化(或分離)區域40、或那些系統、流及區域的任何合適的組合。原料供應流的加熱可包括使用於在製氫區域中製造氫氣的製氫流體的液體反應流或組分汽化。在該具體實例中，燃料處理裝配24可描述為包括汽化區域64。加熱裝配可另外經配置以加熱產氫裝配的其他組件。例如，經加熱排氣流可經配置以加熱壓力容器及/或其他筒罐，該壓力容器罐及/或其他筒罐含有加熱形成進料流26及燃料流28的至少一部分的燃料及/或製氫流體。
加熱裝配52可在製氫區域32中達到及/或維持任何合適的溫度。蒸汽重組器通常在200°C及900°C的溫度範圍內操作。然而，該範圍之外的溫度在本文揭示的範圍內。當含碳原料為甲醇時，蒸汽重組反應通常在約200至500°C的溫度範圍內操作。該範圍的示例性子集包括350到450°C、375到425°C、及375到400°C。當含碳原料為烴、乙醇或另一種醇時，通常將約400到900°C的溫度範圍用於蒸汽重組反應。該範圍的示例性子集包括750到850°C、725到825°C、650到750°C、700到800°C、700到900°C、500到800°C、400到600°C、及600到800°C。製氫區域32可包括兩個或更多個區域或部分，其每一個可在相同或不同的溫度下操作。例如，當製氫流體包括烴時，製氫區域32可包括兩個不同的製氫部分或區域，其中一個在比另一個低的溫度下操作以提供預重組區域。在那些具體實例中，燃料處理裝配也可包括兩個或更多個製氫區域。
燃料流28可包括任何可燃液體及/或氣體，其適於被加熱裝配52消耗以提供所需的熱輸出。一些燃料流在被輸送並由加熱裝配52燃燒時可為氣體，而其他燃料流可作為液體流輸送到加熱裝配。用於燃料流28的合適加熱燃料的實例包括含碳原料，諸如甲醇、甲烷、乙烷、乙醇、乙烯、丙烷、丙烯、丁烷等。另外的實例包括低分子量可冷凝燃料，諸如液化石油氣、氨、輕質胺、二甲醚及低分子量烴。其他實例包括氫及一氧化碳。在包括冷卻裝配而非加熱裝配形式的溫度調節裝配(諸如當使用放熱產氫過程(例如部分氧化)而非吸熱過程(諸如蒸汽重組)時)的產氫裝配20的具體實例中，原料輸送系統可經配置以向裝配供應燃料或冷卻劑流。可使用任何合適的燃料或冷卻劑流體。
如圖1所示，燃料處理裝配24可另外包括筒殼或外殼66，其中至少包含製氫區域32。在一些具體實例中，汽化區域64及/或純化區域40可另外包含在筒殼內。筒殼66可使蒸汽重組器或其他燃料處理機構的組件作為一個單元移動。筒殼也可藉由提供保護性罩殼來保護燃料處理裝配的組件免受損壞，及/或可減少燃料處理裝配的加熱需求，這是因為該等組件可作為一個單元被加熱。筒殼66可包括絕緣材料68，諸如固體絕緣材料、毯狀絕緣材料及/或充氣空腔。絕緣材料可在筒殼內部、筒殼外部、或兩者。如圖1示意性說明，當絕緣材料在筒殼外部時，燃料處理裝配24可進一步包括在絕緣材料外部的外罩或護套70。燃料處理裝配可包括不同的筒殼，該筒殼包括燃料處理裝配的附加組件，諸如原料輸送系統22及/或其他組件。
燃料處理裝配24的一或多個組件可延伸超出筒殼或位於筒殼外部。例如，純化區域40可位於筒殼66的外部，諸如與筒殼隔開但藉由合適的流體傳輸導管流體連通。作為另一個實施例，一部分製氫區域32(諸如一或多個重組催化劑床的部分)可延伸到筒殼之外，諸如圖1中代表的替代筒殼配置的虛線示意性指示。合適的產氫裝配及其組件的實例在美國專利號5,861,137、5,997,594及6,221,117中揭示，其全部揭示在此藉由引用併入本文用於所有目的。
產氫裝配20的另一個實施例如圖2所示，且一般以72表示。除非特別排除，否則產氫裝配72可包括產氫裝配20的一或多個組件。如圖2所示，產氫裝配72可包括原料輸送系統74、汽化區域76、製氫區域78、加熱裝配80、以及純化區域82。
原料輸送系統可包括任何合適結構，其經配置以使一或多個原料及/或燃料流輸送到產氫裝配的一或多個其他組件。例如，原料輸送系統可包括原料罐(或容器)84及泵86。原料罐可含有任何合適的製氫流體88，諸如水及/或含碳原料(例如甲醇/水混合物)。泵86可具有任何合適結構，其經配置以使製氫流體輸送到汽化區域76及/或製氫區域78，該製氫流體可為至少一個包括水及含碳原料的含液體進料流90的形式。在一些具體實例中，原料輸送系統可經配置以輸送進料流90，而不需要使用泵及/或其他電動流體輸送機構。
汽化區域76可包括任何合適結構，其經配置以接收及汽化至少一部分含液體進料流，諸如含液體進料流90。例如，汽化區域76可包括汽化器92，其經配置以使含液體進料流90至少部分地轉化成一或多個蒸氣進料流。在一些具體實例中，蒸氣進料流可包括液體。合適的蒸發器的一個實例為盤管蒸發器，諸如盤繞的不鏽鋼管。
製氫區域78可包括任何合適結構，其經配置以接收一或多個進料流，諸如來自汽化區域的蒸氣進料流，以製造一或多個含有氫氣作為主要組分及其他氣體，諸如二氧化碳的輸出流96。製氫區域可經由任何合適的機構製造輸出流。例如，製氫區域78可經由蒸汽重組反應、自發性熱重組反應或部分氧化反應來產生輸出流96。當經由蒸汽重組反應產生輸出流96時，製氫區域78可包括具有經配置以促進及/或改善蒸汽重組反應的重組催化劑98的蒸汽重組區域97。當製氫區域78經由蒸汽重組反應產生輸出流96時，產氫裝配72可被稱作「蒸汽重組產氫裝配」，且輸出流96可被稱作「重組流」。
加熱裝配80可包括任何合適結構，其經配置以製造至少一個經加熱排氣流99，該排氣流用於加熱產氫裝配72的一或多個其他組件。例如，加熱裝配可使汽化區域加熱到任何合適的溫度，諸如至少最低汽化溫度或至少一部分含液體進料流被汽化以形成蒸汽進料流的溫度。或者或更甚者，加熱裝配80可使製氫區域加熱到任何合適的溫度，諸如至少最低製氫溫度或至少一部分蒸氣進料流反應而製造氫氣以形成輸出流的溫度。加熱裝配可與產氫裝配的一或多個組件熱連通，諸如汽化區域及/或製氫區域。
如圖2所示，加熱裝配可包括燃燒器裝配100及至少一個鼓風機102。燃燒器裝配可包括任何合適結構，其經配置以接收至少一個空氣流106及至少一個燃料流107，並在燃燒區域110內燃燒該至少一個燃料流以製造經加熱排氣流99。如下文進一步討論的，燃料流可由原料輸送系統74及/或純化區域82提供。燃燒區域可包含在產氫裝配的罩殼內。鼓風機102可包括經配置以產生氣流106的任何合適結構。在一些具體實例中，加熱裝配可包括經配置以點燃燃料流107的點火器裝配(未示出)。
純化區域82可包括任何合適結構，其經配置以製造至少一個富氫流或產物氫流112，其可包括比輸出流96更高的氫濃度及/或降低濃度的存在於該輸出流中的一或多個其他氣體或雜質，諸如二氧化碳。純化區域可製造至少一個副產物流108，其包括比輸出流96更低的氫濃度及/或增加濃度的一或多個其他氣體或雜質。純化區域82可包括膜裝配114。在一些具體實例中，純化區域82也可包括甲烷化反應器裝配，諸如在膜裝配的下游，以使一氧化碳及氫轉化為甲烷及水。
膜裝配114可包括任何合適結構，其經配置以接收含有氫氣及其他氣體的輸出或混合氣流96，並產生含有比混合氣流更高濃度的氫氣及/或更低濃度的其他氣體的滲透物或富氫流112。膜裝配114可結合平面或管狀的氫滲透性(或氫選擇性)膜，且可使一個以上的氫滲透性膜結合到膜裝配114中。滲透物流可用於任何合適的應用，諸如用於一或多個燃料電池。在一些具體實例中，膜裝配可產生至少一個副產物流108，其包括至少大部分的其他氣體，諸如二氧化碳氣體。儘管純化區域82示出為包括膜裝配114，但純化區域可或者或更甚者包括一或多個其他組件，該一或多個其他組件經配置以純化輸出流96及/或產生一或多個產物氫流及/或一或多個副產物流。
在一些具體實例中，產氫裝配72可包括筒殼或外殼120，其可至少部分地包有該裝配的一或多個其他組件。例如，如圖2所示，筒殼120可至少部分地包含汽化區域76、製氫區域78、加熱裝配80及/或純化區域82。筒殼120可包括一或多個排氣口122，其經配置以排放由加熱裝配80所製造的至少一個燃燒排氣流124。
在一些具體實例中，產氫裝配72可包括氣體除去裝配126，其經配置以從副產物流108中分離至少一部分二氧化碳氣體來產生二氧化碳氣體濃度小於副產物流的燃料流128以及二氧化碳氣體濃度高於副產物流的廢氣流129。廢氣流可被壓縮及/或液化、作為壓縮氣體儲存、排放到管線、化學轉化成其他化合物等。燃料流128可形成由燃燒器裝配100使用或燃燒的燃料流107的全部或部分。節流孔130可限制燃料流128流向燃燒器裝配100。氣體除去裝配126可包括如下進一步討論的任何合適的組件。
在一些具體實例中，產氫裝配72可包括熱交換裝配136，其可包括一或多個熱交換器138，該一或多個熱交換器138經配置以使熱量從產氫裝配的一部分傳遞到另一部分。例如，熱交換裝配136可使熱量從副產物流108傳遞到進料流90，以在進料流進入汽化區域76之前升高進料流的溫度，以及冷卻副產物流108。
氣體除去裝配126的實施例如圖3所示，且一般以184表示。除非特別排除，否則氣體除去裝配184可包括本文揭示中描述的其他氣體除去裝配的一或多個組件。氣體除去裝配184可包括至少一個氣體分離裝配186。
氣體分離裝配186可包括任何合適結構，其經配置以從副產物流108中分離二氧化碳氣體，從而製造與副產物流108相比具有降低的二氧化碳氣體濃度及/或增加濃度的其他氣體的燃料流128。例如，氣體分離裝配186可包括至少一個吸收器194，其經配置以接收至少一個化學試劑或吸收劑196，該化學試劑或吸收劑適用於經由可逆的化學結合及/或物理溶解從副產物流108吸收至少一部分二氧化碳氣體。
吸收器經配置以接收吸收劑196並引導副產物流108流過吸收劑以從該流吸收二氧化碳氣體。如本文所用，「吸收」是指二氧化碳氣體藉由可逆或不可逆的過程結合到吸收劑或由吸收劑固定，該等過程包括弱化學結合及/或物理溶劑化，且經結合的二氧化碳氣體可涉及與吸收劑的表面相互作用、與吸收劑的大量相互作用、或兩者。吸收劑196可為液體形式、固體形式、或其組合。二氧化碳吸收劑的合適實例包括結合二氧化碳的任何化學品或化學品的混合物，諸如金屬氫氧化物(例如，氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鎂等)；金屬氧化物(例如，氧化鈉、氧化鉀、氧化鈣、氧化鎂、氧化鐵等)；有機胺，特別是烷醇胺(例如，單乙醇胺及二乙醇胺，兩者在正常溫度及壓力條件下均為液體)；用於除去酸性氣體的UCARSOL®配製的溶劑(由Dow Chemical公司製造及銷售)；金屬氫氧化物的水溶液；Ascarite®(Thomas Scientific)；CarboLime™(Allied Health Products公司)；SodaLime(Airgas公司)；固定化的有機胺(諸如結合到聚合物基材，特別是聚合物珠粒上的有機胺)；二甲基聚乙二醇、碳酸丙烯酯、聚乙二醇二烷基醚(例如，由Clariant銷售的Genosorb® 1753)；有機離子液體；上述化學品及/或化學試劑的混合物；以及藉由弱化學相互作用及/或物理溶解可逆地吸收二氧化碳的其他試劑或試劑混合物。
與副產物流108相比，離開吸收器194的燃料流128可包括降低濃度的二氧化碳氣體及/或增加濃度的其他氣體。較佳地，燃料流包含小於25%的二氧化碳，且特別較佳小於10%的二氧化碳。吸收器194可在大於50 psig的壓力下操作，且較佳在100 psig和500 psig之間的壓力下操作。
當吸收劑196為固體形式時，吸收器194可包括兩個或更多個吸收床197，且可經配置使將副產物流108引導到那些吸收床的第一床。當該床幾乎被二氧化碳飽和時，吸收器可經配置以引導流動到吸收床的另一床，以讓先前吸收床的吸收劑能被再裝填及/或再生。當吸收劑196為液體形式時，吸收劑可經配置以在相對較低的溫度下吸收或結合二氧化碳氣體，接著在高溫下釋放或脫附氣體。這個過程被稱作變溫吸附或TSA。或者，可選擇在高壓下結合二氧化碳並在低壓下釋放二氧化碳(也稱作變壓吸附)的二氧化碳吸收劑。
氣體分離裝配186可或者或更甚者包括膜接觸器裝配198，其可包括一或多個可滲透膜200(諸如一或多個二氧化碳選擇性膜)。膜接觸器裝配198可經配置以從副產物流108中分離二氧化碳氣體。例如，可滲透膜200可相對於其他氣體而言相對高的二氧化碳氣體滲透性，從而能讓來自副產物流108的二氧化碳氣體從可滲透膜的進料側傳遞到滲透側。
膜接觸器裝配198可另外經配置以接收至少一個液體化學試劑或液體吸收劑202，其適用於從與副產物流108分離的二氧化碳氣體(諸如從滲透膜的進料側傳遞到滲透側的二氧化碳氣體)中吸收至少一部分二氧化碳氣體。例如，膜接觸器裝配可在可滲透膜200的滲透側接收吸收劑。液體吸收劑202可經配置以在相對較低的溫度下吸收或結合二氧化碳氣體，接著在高溫下釋放或脫附氣體。合適的液體吸收劑的實例包括烷醇胺，諸如單乙醇胺或二乙醇胺、或其水溶液。然而，可使用其他有機胺、有機胺溶液或無機氫氧化物鹽及/或有機氫氧化物鹽的溶液。
當氣體分離裝配186包括接收液體吸收劑的吸收器194及/或可滲透膜200時，氣體分離裝配可製造至少一個具有經吸收二氧化碳氣體的液體吸收劑流204(其也可稱作「廢液體吸收劑流」或「載有氣體的液體吸收劑流」。當製造廢液體吸收劑流204且該流中氣體的吸收為可逆時，氣體除去裝配184可另外包括至少一個氣體抽出裝配206。
氣體抽出裝配206可包括經配置以從液體吸收劑流204抽出(或脫附)經吸收氣體的任何合適結構。例如，氣體抽出裝配206可包括一或多個汽提塔208。在一些具體實例中，當液體吸收劑包括經吸收二氧化碳氣體時，氣體抽出裝配可經配置以抽出或脫附至少大部分經吸收二氧化碳氣體，從而形成至少基本上經再生液體吸收劑流(或經汽提液體吸收劑流)210，其中至少大部分二氧化碳氣體被抽出，以及形成具有經抽出二氧化碳氣體的廢氣流212。
經汽提液體吸收劑流210可被泵送或以其他方式輸送到氣體分離裝配186，以進一步從副產物流108吸收二氧化碳氣體。或者或更甚者，經汽提液體吸收劑流210可被儲存以供日後使用。廢氣流212可被泵送或以其他方式輸送到精煉裝配的一或多個其他組件，以諸如補充一或多個加熱燃料流。或者，廢氣流212可被儲存、排放到空氣中或以其他方式處理。
氣體抽出裝配206可使用任何合適的機構來再生具有經吸收氣體的液體吸收劑流204。當氣體分離裝配186中使用的液體吸收劑經配置以在相對較低的溫度下吸收或結合二氧化碳氣體，接著在高溫下釋放或脫附氣體時，氣體除去裝配184可進一步包括至少一個加熱裝配214。加熱裝配可經配置以從至少一個加熱燃料流218製造至少一個經加熱排氣流(或燃燒流)216，其通常在空氣存在下燃燒。經加熱排氣流216在圖3中示意性說明為加熱氣體抽出裝配206。如圖3所示，經加熱排氣流可或者或更甚者在氣體抽出裝配206之前加熱廢液體吸收劑流204。
加熱裝配214可包括經配置以產生經加熱排氣流的任何合適結構，諸如燃燒器或燃燒催化劑，其中燃料與空氣燃燒以製造經加熱排氣流。加熱裝配可包括經配置以啟動燃料燃燒的點火器或點火源220。加熱裝配214可在氣體抽出裝配206及/或在該裝配之前的管線中實現及/或保持任何合適的溫度。例如，加熱裝配214可使氣體抽出裝配加熱到至少目標操作溫度及/或至少所使用的特定液體吸收劑的最小抽出或脫附溫度。
在一些具體實例中，加熱裝配214可包括燃燒器裝配222，且可經配置以接收至少一個燃料流218，並在空氣存在下燃燒燃料流，以提供可用於加熱氣體除去反應器的熱燃燒流216。空氣可經由多種機構輸送到加熱裝配。例如，空氣流224可作為單獨的流被輸送到加熱裝配，如圖3所示。或者或更甚者，空氣流224可與用於加熱裝配214的燃料流218中的至少一個一同被輸送到加熱裝配，及/或從加熱裝配被使用的環境中被抽出。
燃料流218可包括任何可燃液體及/或氣體，其適於被加熱裝配214消耗以提供所需的熱輸出。一些燃料流在被輸送並由加熱裝配214燃燒時可為氣體，而其他燃料流可作為液體流輸送到加熱裝配。用於燃料流218的合適的加熱燃料的實例包括含碳原料、低分子量可冷凝燃料及低分子量烴。其他實例包括來自一或多個副產物流226的二氧化碳氣體。例如，來自燃料處理系統的其他組件及/或裝配的一或多個副產物流226可用作燃料流218的合適的加熱燃料。在一些實施例中，至少一部分燃料流128用於副產物流226。
或者或更甚者，燃燒流216可用於加熱燃料處理系統及/或與加熱裝配一同使用的其他系統的其他部分。另外，可使用其他配置及類型的加熱裝配214。例如，加熱裝配214可為電動加熱裝配，其經配置以藉由使用至少一個加熱元件(諸如電阻加熱元件)、廢熱流、太陽能加熱、電加熱等產生熱量來加熱氣體抽出裝配206及/或該裝配上游的管線。在那些具體實例中，加熱裝配214可不接收及燃燒可燃燃料流以使汽化器加熱到合適的汽化溫度及/或使製甲烷反應器加熱到合適的製甲烷溫度。
加熱裝配也可經配置以加熱其他組件及/或裝配，諸如原料輸送系統、原料供應流、製甲烷裝配及/或純化裝配的其他裝配、或這些系統、流及區域的任何合適的組合。加熱裝配可另外經配置以加熱精煉裝配的其他組件。例如，經加熱排氣流可經配置以加熱壓力容器及/或其他筒罐，該壓力容器罐及/或其他筒罐含有加熱燃料及/或製氫流體，該加熱燃料及/或製氫流體形成用於燃料處理系統的至少部分進料及/或燃料流。
加熱裝配214可與氣體分離及氣體抽出裝配一同容納在裝配筒殼或外殼227中。加熱裝配可相對於這些裝配中的一或兩個單獨設置，但與一或兩個裝配熱及/或流體連通以提供所需的加熱。加熱裝配214可部分或完全位於共同筒殼內，及/或加熱裝配的至少一部分(或全部)可位於該筒殼的外部。當加熱裝配位於筒殼的外部時，來自燃燒器裝配222的熱燃燒氣體可經由合適的熱傳輸導管被輸送到筒殼內的一或多個組件。
雖然所示的氣體除去裝配184(圖3)及製氫區域78及/或汽化區域76(圖2)各自包括加熱裝配，然而氣體除去裝配184、汽化區域76及製氫區域可具有共同的加熱裝配，該加熱裝配可位於筒殼120內、一或多個氣體除去裝配的筒殼內、或那些筒殼的外部。當存在共同加熱裝配時，加熱裝配可包括合適的熱傳輸導管以使熱量傳遞到氣體除去裝配、汽化區域及/或製氫區域的組件。另外，當氣體抽出裝配206包括兩個或更多個汽提塔208時，氣體抽出裝配可包括用於兩個或更多個汽提塔(且在一些具體實例中，用於所有汽提塔)的共同加熱裝配214。另外，如圖3中的虛線所示，雖然所示的氣體除去裝配184包括單個氣體分離裝配186、單個氣體抽出裝配206及單個加熱裝配214，但是氣體除去裝配可包括兩個或更多個氣體分離裝配、兩個或更多個氣體抽出裝配、及/或兩個或更多個加熱裝配。
氣體除去裝配184的另一個實施例如圖4所示，且一般以350表示。除非特別排除，否則氣體除去裝配350可包括本文揭示中其他氣體除去裝配及/或其他裝配的一或多個組件。氣體除去裝配350可包括至少一個吸收器352、至少一個汽提塔354、至少一個加熱裝配356、至少一個泵358及至少一個熱交換器360。
吸收器352可包括任何合適結構，其經配置以接收適用於從副產物流108吸收至少一部分二氧化碳氣體的液體吸收劑流362，及/或引導該流的流動通過液體吸收劑流。例如，吸收器352可包括至少一個噴嘴364，其經配置以至少部分地使液體吸收劑流霧化成一或多個經噴射液體吸收劑流366。吸收器可經配置成以任何合適的流動配置(諸如逆流、橫流或平行流)來引導副產物流108流過經噴射液體吸收劑流366。當副產物流108流過經噴射液體吸收劑流時，二氧化碳氣體可至少部分地被經噴射的流吸收，以形成沒有經吸收二氧化碳氣體的燃料流128，以及具有經吸收二氧化碳氣體的廢液體吸收劑流368。吸收器352可在大於50 psig的壓力下操作，且較佳在100 psig和500 psig之間的壓力下操作。
一種可供選擇的合適配置為不使用噴嘴而使液體吸收劑流362返回到吸收器中。例如，液體吸收劑流362可藉由合適的管或管線連接進入吸收器352的頂部、中部或底部，且可能讓液體吸收劑累積以填充吸收器底部的體積。可引導副產物流108鼓泡向上通過液體吸收劑的體積以除去至少一部分二氧化碳氣體，從而形成燃料流128。
汽提塔354可包括任何合適結構，其經配置以接收一或多個廢液體吸收劑流368、從那些流汽提經吸收二氧化碳氣體、及/或使一或多個經汽提液體吸收劑流370輸送到吸收器352。例如，汽提塔354可包括至少一個噴嘴372，其經配置以至少部分地使廢液體吸收劑流霧化成一或多個經噴射廢液體吸收劑流374。汽提塔354可經由任何合適的機構使經吸收二氧化碳氣體汽提。例如，當用於液體吸收劑流362的液體吸收劑在第一溫度範圍內吸收或結合二氧化碳氣體，並在高於第一溫度範圍的第二溫度範圍內釋放或脫附二氧化碳氣體時，汽提塔354可經配置以接收來自加熱裝配356的一或多個經加熱排氣流376，並引導這些流的流動通過經噴射廢液體吸收劑流。
例如，經噴射廢液流可由經加熱排氣流在60°C和200°C之間，且較佳地在80°C和150°C之間加熱，以驅除經吸收二氧化碳氣體，從而製造或產生至少基本上經再生液體吸收劑流370。經釋放脫附氣體可形成至少一個廢氣流377。汽提塔354可在0 psig和50 psig，且較佳在0 psig和10 psig的範圍內操作。
加熱裝配356可包括任何合適結構，其經配置以製造至少一個經加熱排氣流376，以用於加熱經噴射廢液體吸收劑流374。例如，加熱裝配可使汽提塔加熱到任何合適的溫度，諸如至少為經噴射廢液體吸收劑流中的二氧化碳氣體的最小釋放或脫附溫度。
加熱裝配356可包括由至少一個電力裝配(未示出)所供電的至少一個加熱器394。加熱器394可包括至少一個加熱元件398(諸如電阻加熱元件)。加熱元件可在汽提塔354(及/或噴嘴372)之前加熱廢液體吸收劑流368及/或可加熱汽提塔中的廢液體吸收劑流。電力裝配可包括一或多個電線(以讓使用者將加熱器***電源插座)、太陽能電池板、風力渦輪機、燃料電池等。
另外，可使用其他配置及類型的加熱裝配356。例如，如圖5所示，加熱裝配356可包括燃燒器裝配378、至少一個鼓風機380、及點火器裝配382。燃燒器裝配可包括任何合適結構，其經配置以接收至少一個空氣流384及至少一個燃料流386，並燃燒該至少一個燃料流以製造經加熱排氣流376。燃料流可由原料輸送系統74、吸收器352及/或一或多個其他氣體除去裝配提供。另外，至少一部分廢氣流377可用作該副產物燃料流。燃料流386可經由泵及/或其他合適的裝置輸送到燃燒器裝配378。鼓風機380可包括經配置以產生氣流384的任何合適結構。點火器裝配382可包括經配置以點燃燃料流386的任何合適結構。
如圖4所示，泵358可經配置以使廢液體吸收劑流368輸送或運輸到汽提塔354，以從液體吸收劑流中脫附至少一部分經吸收二氧化碳氣體。或者，如圖5所示，泵358可經配置以使經汽提液體吸收劑流370輸送或運輸到吸收器352，以從副產物流108中吸收至少一部分二氧化碳氣體。在一些具體實例中，廢液體吸收劑流及/或經汽提液體吸收劑流在吸收器和汽提塔之間流動，而不需要使用泵及/或其他電動流體輸送機構。熱交換器360可包括任何合適結構，其經配置以使熱量從經汽提液體吸收劑流傳遞到廢液體吸收劑流。
在一些具體實例中，氣體除去裝配350可包括筒殼或外殼392，其可至少部分地包含該裝配的一或多個其他組件。例如，如圖5所示，筒殼392可至少部分地包含吸收器352、汽提塔354、加熱裝配356、泵358及/或熱交換器360。筒殼或外殼可包括絕緣材料及/或護套。或者，氣體除去裝配可包含在燃料處理裝配的其他組件的共同筒殼或外殼內。
氣體除去裝配184的另一個實施例如圖6所示，且一般以400表示。除非特別排除，否則氣體除去裝配400可包括本文揭示中其他氣體除去裝配的一或多個組件。例如，氣體除去裝配400可包括一或多個吸收器402。
吸收器402可包括至少一個固體吸收劑406(諸如在固體吸收床中)，其適用於從副產物流108吸收至少一部分二氧化碳氣體，及/或引導該流流過固體吸收劑。當副產物流108流過固體吸收劑時，二氧化碳氣體可至少部分地被吸收，形成沒有經吸收二氧化碳氣體的燃料流128。氣體除去裝配400可包括任何合適數量的吸收器402。例如，如圖6所示，氣體除去裝配可包括第一吸收器408及第二吸收器410。儘管第二氣體除去裝配400被示出為包括兩個吸收器402，但是該裝配可包括任何合適數量的吸收器，諸如一個吸收器或三個或更多個吸收器。
當氣體除去裝配400包括兩個或更多個吸收器402時，氣體除去裝配可包括兩個或更多個控制閥(未示出)及/或其他結構，以隔離一個或更多個吸收器402及/或使流動引導到一或多個其他吸收器402。例如，可引導副產物流108流過第一吸收器408，直到該吸收器中的固體吸收劑被二氧化碳氣體飽和或基本上飽和為止。在那時，控制閥可隔離第一吸收器408，並引導副產物流108流過第二吸收器410，直到第二吸收器中的固體吸收劑飽和或基本上飽和為止。在副產物流108流過第二吸收器時，可使經隔離第一吸收器中的固體吸收劑再裝填或再生，反之亦然。在一些具體實例中，氣體除去裝配400可包括筒殼或外殼413，其可至少部分地包含該裝配的一或多個其他組件。例如，如圖6所示，筒殼413可至少部分地包含吸收器402。筒殼或外殼可包括絕緣材料及/或護套。或者，氣體除去裝配可包含在燃料處理裝配的其他組件的共同筒殼或外殼內。
氣體除去裝配184的另一個實施例如圖7所示，且一般以414表示。除非特別排除，否則氣體除去裝配414可包括本文揭示中其他氣體除去裝配及/或其他裝配的一或多個組件。氣體除去裝配414可包括膜裝配418。
膜裝配418可包括任何合適結構，其經配置以從副產物流108中分離至少一部分二氧化碳氣體，從而形成燃料流128。經分離二氧化碳氣體可形成廢氣流333。例如，膜裝配418可包括一或多個二氧化碳選擇性膜428，其經配置以從副產物流108中分離至少一部分二氧化碳氣體。如圖7中的虛線所示，膜裝配418可包括任何合適數量的膜428。當膜裝配418包括兩個或更多個膜428時，那些膜可並聯或串聯排列。在一些具體實例中，氣體除去裝配414可包括筒殼或外殼429，其可至少部分地包含該裝配的一或多個其他組件。例如，如圖7所示，筒殼429可至少部分地包含膜裝配418。筒殼或外殼可包括絕緣材料及/或護套。或者，氣體除去裝配可包含在燃料處理裝配的其他組件的共同筒殼或外殼內。
氣體除去裝配184的另一個實施例如圖8所示，且一般以430表示。除非特別排除，否則氣體除去裝配430可包括本文揭示中其他氣體除去裝配及/或其他裝配的一或多個組件。氣體除去裝配430可包括膜接觸器裝配434、至少一個汽提塔436、至少一個加熱裝配438、至少一個熱交換器440及至少一個泵442。
膜接觸器裝配434可包括任何合適結構，其經配置以從副產物流108中分離二氧化碳氣體，從而形成燃料流128。例如，膜接觸器裝配434可包括一或多個膜接觸器452。膜接觸器可包括多個二氧化碳選擇性膜454，其經配置以從副產物流108中分離至少一部分二氧化碳氣體。
如圖9所示，膜454可為中空纖維或小直徑管狀膜，其可密封(或封裝)到筒殼456中。筒殼456可包括入口及出口457以及任何合適數量的膜454，諸如數百到數千個那些膜。膜454可具有任何合適的長度，諸如從約一公分至約兩到三米，及/或任何合適的直徑，諸如從0.1毫米到5毫米。膜可經配置成微孔的及/或對二氧化碳氣體高度可滲透的。
膜454可由對副產物流108的組分具化學惰性的材料所構成，無論那些組分是氣相及/或液相。另外，當膜454是微孔時，膜可由一或多個不被副產物流108及/或液體吸收劑流470的組分的液相潤濕的材料所構成。換言之，那些組分的液相不會被毛細作用力拉入微孔結構。否則，若膜的微孔結構被液相填充，則二氧化碳氣體從經液體填充的孔中相對緩慢地擴散可能不利地影響膜的整體性能。合適的微孔聚丙烯膜的實例由Celgard®公司(Charlotte，NC)製造。
如圖10所示，膜接觸器452可引導副產物流108流過膜454的孔或內腔458。如圖10中462所示，至少一部分二氧化碳氣體可通過一或多個壁460進入膜接觸器筒殼。當引導副產物流108流入及/或流過膜454的內腔458時，內腔的內部可稱作「進料側466」，且筒殼的內部(及/或膜的外部)可稱作「滲透側468」。
或者，如圖11所示，膜接觸器可引導副產物流108流過膜接觸器筒殼及/或流過膜。如圖11中464所示，至少一部分二氧化碳氣體可通過壁460進入膜454的內腔458。當引導副產物流108流入及/或通過膜接觸器筒殼及/或流過膜時，膜接觸器筒殼的內部或膜的外部可稱作「進料側466」，且內腔的內部可稱作「滲透側468」。較佳地，當內腔直徑小且膜的長度長時，副產物流108被引導流過膜的內腔，以防止在液體吸收劑流470被引導流過內腔時將遇到的高壓降。
另外，膜接觸器452可在膜的滲透側接收至少一個液體吸收劑流470。液體吸收劑流可適用於吸收至少一部分從膜454的進料側到滲透物側通過的二氧化碳氣體，以形成具有經吸收二氧化碳氣體的液體吸收劑流472(其也可稱作「廢液體吸收劑流472」)。例如，當膜接觸器452經配置以藉由膜454的內腔458接收副產物流108時，膜接觸器可在接觸器筒殼456中接收膜的液體吸收劑流470。或者，當膜接觸器452經配置以藉由膜接觸器筒殼456接收副產物流108時，膜接觸器可藉由膜454的內腔458接收液體吸收劑流。液體吸收劑流470中的液體吸收劑可經配置以在相對低的溫度下吸收(或結合)至少一部分二氧化碳氣體，接著在高溫下釋放(或脫附)那些氣體。或者，液體吸收劑流470中的液體吸收劑由壓力循環驅動，在這種情況下，434中的二氧化碳吸收可在50到100 psig或特別是100到500 psig的相對高壓下進行，且436中的脫附在較低壓力下進行。
如圖8中的虛線所示，膜接觸器裝配434可包括任何合適數量的膜接觸器452。當膜接觸器裝配434包括兩個或更多個膜接觸器452時，那些膜接觸器可並聯或串聯排列。
汽提塔436可包括任何合適結構，其經配置以接收一或多個廢液體吸收劑流472、從那些流汽提經吸收二氧化碳氣體、及/或使一或多個經汽提液體吸收劑流474輸送到膜接觸器452。例如，汽提塔436可包括至少一個噴嘴476，其經配置以至少部分地使廢液體吸收劑流霧化成一或多個經噴射廢液體吸收劑流478。汽提塔436可經由任何合適的機構使經吸收二氧化碳氣體汽提。例如，當用於液體吸收劑流470的液體吸收劑在第一溫度範圍內吸收或結合二氧化碳氣體，並在高於第一溫度範圍的第二溫度範圍內釋放或脫附二氧化碳氣體時，汽提塔436可經配置以接收來自加熱裝配438的一或多個經加熱排氣流480，並引導這些流流過經噴射廢液體吸收劑流。
經噴射廢液流可由經加熱排氣流在60°C和200°C之間，且較佳地在80°C和150°C之間加熱，以驅除經吸收二氧化碳氣體，從而製造或產生至少基本上經再生液體吸收劑流474。經釋放或經脫附氣體可形成至少一個廢氣流333。汽提塔436可在0 psig和50 psig，且最佳在0 psig和10 psig的範圍內操作。
加熱裝配438可包括任何合適結構，其經配置以製造至少一個經加熱排氣流480，以用於加熱經噴射廢液體吸收劑流478。例如，加熱裝配可使汽提塔加熱到任何合適的溫度，諸如至少為經噴射廢液體吸收劑流中的二氧化碳氣體的最小釋放或脫附溫度。
如圖8所示，加熱裝配可包括燃燒器裝配484、至少一個鼓風機486、及點火器裝配488。燃燒器裝配可包括任何合適結構，其經配置以接收至少一個空氣流490及至少一個燃料流492，並燃燒該至少一個燃料流以製造經加熱排氣流480。燃料流492可藉由原料輸送系統232、膜接觸器裝配(諸如來自至少一部分燃料流128)及/或一或多個氣體除去裝配提供。在一些具體實例中，廢氣流333的至少一部分可補充燃料流492。燃料流492可經由泵及/或其他合適的裝置輸送到燃燒器裝配378。鼓風機486可包括經配置以產生氣流492的任何合適結構。點火器裝配488可包括經配置以點燃燃料流492的任何合適結構。
另外，可使用其他配置及類型的加熱裝配438。例如，如圖12所示，加熱裝配438可包括由至少一個電力裝配500供電的至少一個加熱器498。加熱器498可包括至少一個加熱元件502(諸如電阻加熱元件)。加熱元件可在汽提塔436(及/或噴嘴476)之前加熱廢液體吸收劑流472及/或可加熱汽提塔中的廢液體吸收劑流。電力裝配500可包括一或多個電線(以讓使用者將加熱器***電源插座)、太陽能電池板、風力渦輪機、燃料電池等。
熱交換器440可包括任何合適結構，其經配置以使熱量從經汽提液體吸收劑流傳遞到廢液體吸收劑流。泵442可包括合適結構，其經配置以使經汽提液體吸收劑流474輸送或運輸到膜接觸器452，以用於從副產物流108中額外吸收二氧化碳氣體。在一些具體實例中，廢液體吸收劑流及/或經汽提液體吸收劑流在吸收器和汽提塔之間流動，而不需要使用泵及/或其他電動流體輸送機構。
在一些具體實例中，氣體除去裝配430可包括筒殼或外殼508，其可至少部分地包含該裝配的一或多個其他組件。例如，如圖8及12所示，筒殼508可至少部分地包含膜接觸器裝配434、汽提塔436、加熱裝配438、熱交換器440及/或泵442。在一些具體實例中，筒殼508可包括絕緣材料及/或護套。或者，氣體除去裝配可包含在燃料處理裝配的其他組件的共同筒殼或外殼內。
氣體除去裝配184可或者或更甚者包括一或多個結構及/或組件，諸如美國專利號9,605,224中描述的，其在此藉由引用併入本文用於所有目的。儘管本文揭示的氣體除去裝配被討論為分離及/或除去二氧化碳，但是那些氣體除去裝配可另外分離及/或除去一氧化碳及/或其他氣體。儘管本文揭示的產氫裝配及氣體除去裝配包括經由泵輸送的流，但是那些流中的一或多個可在沒有泵的情況下輸送，反之亦然。
產氫的方法600的實施例在圖13中示出。儘管在圖13中示出特定步驟，但是方法600的其他實施例可省略、替換、修改、複製及/或加入一或多個步驟。另外，可用任何合適的順序執行這些步驟。
在602，可在燃料處理裝配中接收含有含碳原料及/或水的一或多個進料流。在604，可諸如經由一或多個燃燒器使燃料處理裝配的產氫區域加熱到至少最低製氫溫度。
在606，可在經加熱產氫區域中由進料流產生一或多個輸出流。輸出流可含有氫氣、二氧化碳及一或多個其他氣體。在608，在燃料處理裝配的純化區域中，可從輸出流產生產物氫流及副產物流。產物氫流可具有大於輸出流的氫濃度及小於輸出流的二氧化碳濃度。另外，副產物流可具有小於輸出流的氫濃度及大於輸出流的二氧化碳濃度。在一些實施例中，純化區域可包括一或多個氫選擇性膜，其中輸出流穿過氫選擇性膜的部分產生產物氫流，且輸出流未穿過氫選擇性膜的部分產生副產物流。
在610，可從副產物流中分離或除去二氧化碳氣體的至少一部分以產生燃料流。燃料流可具有小於副產物流的二氧化碳濃度。例如，至少一部分二氧化碳可藉由或經由至少一個吸收劑(諸如至少一個固體吸收劑或至少一個液體吸收劑流)從副產物流中吸收。在一些實施例中，可加熱具有經吸收二氧化碳氣體的廢液體吸收劑流或液體吸收劑流，以汽提至少大部分經吸收二氧化碳氣體，從而形成經汽提液體吸收劑流及含有經汽提二氧化碳氣體的廢氣流。
在其他實施例中，副產物流流過一或多個二氧化碳選擇性膜以除去二氧化碳氣體。至少一部分二氧化碳氣體從膜的進料側進入滲透側以形成燃料流，而沒有通過膜(即沒有從進料側進入滲透側)的那部分副產物流形成廢氣流。在一些實施例中，液體吸收劑流流過二氧化碳選擇性膜的滲透側以製造具有經吸收二氧化碳氣體的廢液體吸收劑流或液體吸收劑流。在一些實施例中，可加熱具有經吸收二氧化碳氣體的廢液體吸收劑流或液體吸收劑流，以汽提至少大部分經吸收二氧化碳氣體，從而形成經汽提液體吸收劑流及含有經汽提二氧化碳氣體的廢氣流。在612，可供給燃料流到燃燒器以用於燃燒。
方法600的一些實施例可或者或更甚者包括一或多個其他步驟。例如，在614，燃料處理裝配的汽化區域可諸如經由一或多個燃燒器加熱到至少最低汽化溫度。用於加熱汽化區域的燃燒器可與用於加熱產氫區域的一或多個燃燒器相同或不同。另外，在616，至少一部分進料流可在燃料處理裝配的汽化區域中汽化以形成一或多個至少基本上經汽化的流。當至少一部分進料流被汽化時，在606產生的輸出流可至少部分地由至少基本上經汽化的流產生。
本文揭示的產氫裝配及方法提供一種減少當從含碳原料產氫時，諸如從甲醇產氫時產生的二氧化碳排放的有效方法。或者，可從燃燒廢氣流中除去二氧化碳。然而，燃燒廢氣流具有相對低的二氧化碳濃度，諸如由於用供給燃燒的過量空氣稀釋燃燒氣體，並且處於非常低的壓力。
在一個實施例中，1.575 L/min甲醇/水混合物(62.5 wt%甲醇/平衡水)在83%的低熱值(LHV)能量效率下產生1,396 std. L/min產物氫。來自純化區域的副產物流為約1.5 MPa到約2.0 MPa及約1.0 Nm 3/min。另外，副產物流由約25.7%的氫、15.8%的水、1.8%的甲醇、47.8%的二氧化碳及10%的一氧化碳所構成。副產物流為約400°C並在約30°C下離開熱交換器。進料流在約25°C下進入同一熱交換器，並在約195°C下離開。熱交換器的熱負載為約578 kJ/min。相比之下，燃燒廢氣流約為110 kPa及約3.2 Nm 3/min，二氧化碳濃度為19%到22%。 產業利用性
本文揭示，包括產氫裝置及那些裝置的組件，適用於燃料處理及氫氣被純化、製造及/或利用的其他工業。
上述揭示包括具有獨立效用的多個不同發明。儘管這些發明中的每一個都以其較佳形式揭示，但本文揭示及示出的其具體實例不應被認為是限制性的，這是因為可能存在許多變化。本發明的標的包括本文揭示的各種元素、特徵、功能及/或特性的所有新穎及非顯而易見的組合及子組合。類似地，在任何申請專利範圍記載「一個」或「第一」元素或其等效物的情況下，此類申請專利範圍應理解為包括一或多個此類元素的結合，既不要求也不排除兩個或更多個此類元素。
藉由在相關申請中提出新的申請專利範圍，可要求以特徵、功能、元素及/或特性的各種組合及子組合實施的發明。此類新的申請專利範圍，無論其是針對不同的發明或是針對相同的發明，無論與原始申請專利範圍的範圍不同、更寬、更窄或相等，也都被視為包括在本文揭示的發明標的內。
[圖1]為產氫裝配的實施例的示意圖。
[圖2]為圖1的產氫裝配的實施例的示意圖。
[圖3]為圖2的產氫裝配的氣體除去裝配的實施例的示意圖。
[圖4]為圖3的氣體除去裝配的實施例的示意圖。
[圖5]為圖3的氣體除去裝配的另一個實施例的示意圖。
[圖6]為圖3的氣體除去裝配的額外實施例的示意圖。
[圖7]為圖3的氣體除去裝配的另一個實施例的示意圖。
[圖8]為圖3的氣體除去裝配的另一個實施例的示意圖。
[圖9]為圖8的氣體除去裝配的膜接觸器的實施例的示意圖。
[圖10]為圖9的膜接觸器的膜的實施例的示意圖。
[圖11]為圖9的膜接觸器的膜的另一個實施例的示意圖。
[圖12]為圖3的氣體除去裝配的額外實施例的示意圖。
[圖13]為產氫的方法的實施例的流程圖。
20:產氫裝配
21:產物氫流
22:原料輸送系統
24:燃料處理裝配
26:進料流
28:燃料流
30:製氫流體
32:製氫區域
34:輸出流
36:蒸汽重組催化劑
38:空氣輸送裝配
40:純化區域
42:富氫流
44:副產物流
46:氫選擇性膜
48:化學除去裝配
50:變壓吸附系統
52:加熱裝配
54:燃燒流
58:點火源
60:燃燒器裝配
62:空氣流
64:汽化區域
66:筒殼或外殼
68:絕緣材料
70:外罩或護套

Claims (23)

  1. 一種產氫之方法，其包含： 在燃料處理裝配中接收進料流，該進料流含有含碳原料； 經由一或多個燃燒器使該燃料處理裝配的產氫區域加熱到至少最低製氫溫度； 在該燃料處理裝配的經加熱的該產氫區域中從接收的該進料流產生輸出流，該輸出流含有氫氣及二氧化碳氣體； 在該燃料處理裝配的純化區域中從該輸出流產生產物氫流及副產物流，該產物氫流具有大於該輸出流的氫濃度及小於該輸出流的二氧化碳濃度，且該副產物流具有小於該輸出流的氫濃度及大於該輸出流的二氧化碳濃度； 從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體，以產生二氧化碳濃度小於該副產物流的燃料流；且 使該燃料流饋入該一或多個燃燒器。
  2. 如請求項1之方法，其中從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體包括經由至少一個吸收劑從該副產物流吸收該至少一部分的該二氧化碳氣體。
  3. 如請求項2之方法，其中吸收該至少一部分的該二氧化碳氣體包括經由至少一個固體吸收劑從該副產物流吸收該至少一部分的該二氧化碳氣體。
  4. 如請求項2之方法，其中從該副產物流吸收該至少一部分的該二氧化碳氣體包括經由液體吸收劑流從該副產物流吸收該至少一部分的該二氧化碳氣體。
  5. 如請求項4之方法，其中從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體進一步包括加熱具有經吸收二氧化碳氣體的該液體吸收劑流，以汽提至少大部分該經吸收二氧化碳氣體來形成經汽提液體吸收劑流及含有經汽提二氧化碳氣體的廢氣流。
  6. 如請求項1之方法，其中從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體包括能讓該至少一部分的該二氧化碳氣體從至少一個二氧化碳選擇性膜的進料側傳遞到滲透側。
  7. 如請求項6之方法，其中從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體進一步包括使液體吸收劑流流過該至少一個二氧化碳選擇性膜的該滲透側，以由此製造具有經吸收二氧化碳氣體的液體吸收劑流。
  8. 如請求項7之方法，其中從該副產物流分離至少一部分的該二氧化碳氣體進一步包括加熱具有經吸收二氧化碳氣體的該液體吸收劑流，以汽提至少大部分該經吸收二氧化碳氣體來形成經汽提液體吸收劑流及含有經汽提二氧化碳氣體的廢氣流。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包含在該燃料處理裝配的汽化區域中汽化至少一部分的該進料流以形成至少基本上經汽化的流，且其中在經加熱的該產氫區域中產生輸出流包括在經加熱的該產氫區域中從該至少基本上經汽化的流產生該輸出流。
  10. 如請求項9之方法，其進一步包含經由該一或多個燃燒器使該燃料處理裝配的該汽化區域加熱到至少最低汽化溫度。
  11. 如請求項1之方法，其中該純化區域包括至少一個氫選擇性膜， 其中在純化區域中產生產物氫流及副產物流包括經由該至少一個氫選擇性膜產生該產物氫流及該副產物流，且其中從通過該至少一個氫選擇性膜的一部分的該輸出流來產生該產物氫流，且從不通過該至少一個氫選擇性膜的一部分的該輸出流來產生該副產物流。
  12. 一種產氫裝配，其包含： 外殼； 包含在該外殼內的製氫區域，其經配置以從至少一個進料流製造輸出流，該輸出流含有氫氣及二氧化碳氣體，該至少一個進料流含有含碳原料； 加熱裝配，其經配置以接收至少一個空氣流及至少一個燃料流，並在包含在該外殼內的燃燒區域內燃燒該至少一個燃料流，從而製造經加熱排氣流以用於使該製氫區域加熱到至少最低製氫溫度； 包含在該外殼內的純化區域，其經配置以製造產物氫流及副產物流，該產物氫流具有大於該輸出流的氫濃度及小於該輸出流的二氧化碳濃度，該副產物流具有小於該輸出流的氫濃度及大於該輸出流的二氧化碳濃度；且 氣體除去裝配，其經配置以從該副產物流分離至少一部分的二氧化碳氣體，並由此製造至少一部分的該至少一個燃料流。
  13. 如請求項12之裝配，其中該氣體除去裝配包括至少一個吸收器，其經配置以接收至少一個固體吸收劑，該固體吸收劑適用於從該副產物流吸收至少一部分的該二氧化碳氣體，並由此製造該至少一部分的該至少一個燃料流。
  14. 如請求項12之裝配，其中該氣體除去裝配包括至少一個吸收器，其經配置以：(a)接收液體吸收劑流，該液體吸收劑流適用於吸收該至少一部分的二氧化碳氣體；及(b)引導該副產物流流過該液體吸收劑流。
  15. 如請求項14之裝配，其中該氣體除去裝配進一步包括至少一個汽提塔，其經配置以：(a)接收具有經吸收二氧化碳氣體的該液體吸收劑流；(b)從該液體吸收劑流汽提二氧化碳氣體以從中形成廢氣流；及(c)使經汽提的該液體吸收劑流輸送到該至少一個吸收器。
  16. 如請求項12之裝配，其中該氣體除去裝配包括至少一個具有進料側及滲透側的二氧化碳選擇性膜，該進料側經配置以接收該副產物流，該副產物流中的該至少一部分的該二氧化碳氣體經配置以從該進料側傳遞至該滲透側，且該副產物流保留在該進料側上的剩餘部分則形成該至少一部分的該至少一個燃料流。
  17. 如請求項16之裝配，其中該氣體除去裝配包括至少一個吸收器，其經配置以：(a)接收液體吸收劑流，該液體吸收劑流適用於吸收從該進料側傳遞到該滲透側的該至少一部分的二氧化碳氣體；及(b)引導該副產物流流過該液體吸收劑流。
  18. 如請求項17之裝配，其中該氣體除去裝配進一步包括至少一個汽提塔，其經配置以：(a)接收具有經吸收二氧化碳氣體的該液體吸收劑流；(b)從該液體吸收劑流汽提二氧化碳氣體以從中形成廢氣流；及(c)使經汽提的該液體吸收劑流輸送到該至少一個吸收器。
  19. 如請求項12之裝配，其進一步包含汽化區域，該汽化區域包含在該外殼內且經配置以接收該至少一個進料流以形成至少基本上經汽化的流，其中該製氫區域經配置以從該至少基本上經汽化的流製造該產物氫流。
  20. 如請求項19之裝配，其中該經加熱排氣流用於使該汽化區域加熱到至少最低汽化溫度，且用於使該製氫區域加熱到該至少最低製氫溫度。
  21. 如請求項12之裝配，其中該製氫區域包括催化劑。
  22. 如請求項21之裝配，其中該催化劑為重組催化劑。
  23. 如請求項12之裝配，其中該純化區域包括至少一個氫選擇性膜，且其中從通過該至少一個氫選擇性膜的一部分的該輸出流來製造該產物氫流，且從不通過該至少一個氫選擇性膜的一部分的該輸出流來製造該副產物流。
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