CN100519707C - 快速加热燃料重整反应物的方法与装置 - Google Patents

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Abstract

快速加热用于燃料重整器的一种或多种反应物的装置和方法。所述装置包括：具有封闭燃烧室的外壁和设备在燃烧室内的催化剂的燃烧段；热回收段与燃烧段流体连通且具有确定热回收室的外壁；至少一个换热元件位于热回收室内，所述换热元件具有接收反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收段的出口；相对于热回收段升高燃烧段，以便加热的燃烧气体被向下置换到热回收段内；其中外壳的内径小于约10英寸，或者外壳的长度与直径之比为约7∶1至约4∶1。

Description

快速加热燃料重整反应物的方法与装置
背景技术
燃料电池通过化学氧化还原反应产生电，且相对于其它形式的发电，在清洁度和效率方面具有显著的优势。典型地，燃料电池使用氢气作为燃料和氧气作为氧化剂。电的生成通常与反应物的消耗速度成正比。
抑制燃料电池更广泛地使用的显著缺点是缺少广泛的氢气基础结构。氢气具有相对低的体积效率，并且与在最常见的发电系统中常用的烃燃料相比，更难储存和运输。克服这一难题的一种方式是使用重整器，将烃转化成富氢气体流，所述富氢气体流可被储存或者就近用作燃料电池的原料。
烃基燃料，如天然气、LPG、汽油和柴油要求转化工艺以供用作大多数燃料电池的燃料源。目前的现有技术使用组合起始转化工艺与数个净化工艺的多步工艺。起始工艺是最常见的蒸汽重整(SR)、自热重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)、非催化部分氧化(POX)或其组合。净化工艺通常包括脱硫、高温水气变换、低温水气变换、选择性CO氧化或选择性CO甲烷化。可供替代的工艺包括氢气选择性膜反应器和过滤器。
尽管进行了上述工作，但仍需要简化的燃料处理系统用于将烃燃料转化成用于燃料电池的富氢气体流。解决这一问题面临的实际障碍是需要快速启动可在重整工艺中使用的重整反应器和各种催化剂床。在希望自热重整的情况下，还需要快速预热反应物到其自热温度并在整个重整工艺中维持这一温度。类似地，在使用蒸汽重整的情况下，还要求快速和可靠地生成蒸汽。
本发明解决了对燃料重整器的需要，在重整器的操作过程中，它能快速启动并维持更稳定的温度曲线。
发明内容
本发明提供快速加热用于重整器的一种或多种反应物的装置。该装置包括具有封闭燃烧室的外壁和设置在燃烧室内的一种或多种催化剂的燃烧段。一种或多种催化剂提供经过燃烧室的非扩散流路用于燃烧气体和生成热量。热回收段与燃烧段流体连通且具有确定热回收室的外壁和设置在其内的至少一个换热元件。相对于热回收段升高燃烧段，以便驱使加热的燃烧气体向下进入到热回收段内。换热元件各自具有接收燃料重整反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收段的出口。任选使用至少一个换热元件，在加热的燃烧气体和水之间换热，以便生成用于重整器的蒸汽。燃烧段与热回收段具有彼此相连续以便形成外壳的外壁，优选圆筒状的外壳。外壳的内径小于约10英寸，优选小于约8英寸，和更优选小于约6英寸。
在工艺方面，本发明提供快速加热用于重整器的燃料重整反应物的方法。该方法包括下述步骤：在预重整器内在燃烧段内使燃料和含氧气体在一种或多种燃烧催化剂上燃烧，生成加热的燃烧气体，提供非扩散流路以供加热的燃烧气体通过燃烧段并进入热回收段，在热回收段内在加热的燃烧气体与燃料重整器反应物之间换热，产生加热的反应物并将加热的反应物引导到底部供料的重整器中。相对于热回收段升高燃烧段，以便驱使加热的燃烧气体向下进入到热回收段内。加热的燃烧气体被快速加热到至少约550℃的操作温度，在这一温度下，在重整器反应物和蒸汽生成之间存在显著的换热。优选地，加热的燃烧气体在小于约20分钟内，更优选小于约15分钟内，和进而更优选小于约10分钟内达到操作温度。
本发明进一步提供快速启动和最小热量损失的一体化的燃料重整装置。该一体化装置包括为提供给燃料重整器加热的重整器反应物而构造的预重整器，所述预重整器包括具有封闭燃烧室的外壁和设置在燃烧室内的催化剂的燃烧段。催化剂提供用于使燃烧气体和热量经过燃烧室的非扩散流路。热回收段与燃烧段流体连通，所述燃烧段具有确定热回收室的外壁和设置在热回收室内的至少一个换热元件。换热元件具有接收重整器反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收室的出口。特别地，相对于热回收段升高燃烧段。燃料重整器连接到换热元件的出口上用以接收来自预重整器的加热的反应物。优选地，重整器是底部供料的蒸汽重整器。任选使用至少一个换热元件，在加热的燃烧气体和水之间换热，以便生成用于重整器的蒸汽。预重整器的燃烧段和热回收段具有彼此相连续以形成外壳的外壁。外壳的长度与直径之比为约7:1至约4:1。
本发明进一步提供用于快速启动的一体化的燃料重整装置。该装置包括为提供给燃料重整器加热的重整反应物而构造的预重整器，所述预重整器包括外壳，催化剂设置在其内用以生成加热的燃烧气体的燃烧室，和至少一个换热元件设置在其内的热回收段。换热元件具有接收反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收段的出口。外壳的的长度与直径之比为约7:1至约4:1。燃料重整器可连接到换热元件的出口上用以接收来自预重整器的加热的反应物。
附图说明
结合附图并参考下述说明，可理解本发明。
图1是说明本发明和预重整器、重整器及燃料电池组的组合的简单方框图。
图2是本发明的预重整器的截面视图。
尽管容易对本发明进行各种改进和替代形式，但在附图中通过实例示出了其具体实施方案，并且此处将更详细地对其进行描述。但应当理解，此处对具体实施方案的说明并不打算将本发明限定为所公开的特定形式，相反，本发明覆盖落在所附权利要求定义的本发明的精神与范围内所有的改进、等价和替代性方案。
具体实施方式
以下描述了本发明的例举的实施方案。为清楚起见，在本说明书中，并不描述实际实施方案的所有特征。当然，应理解，在任何这种实际实施方案的开发中，必须作出许多装置特异的决定以实现开发者的特定目标，如与系统相关和业务相关的限制条件相一致，这些限制条件从一个装置到另一装置彼此可能不同。此外，要理解，这种开发努力，可能是复杂和耗时的，但将是受益于本发明公开内容的本领域熟练技术人员采取的路线。
图1是在提供给燃料电池组D富氢重整产品作为燃料中使用的与燃料重整器B一体化的预重整器A的方框图。图1是高度简化的且打算阐述这些系统可组合到一体化的燃料处理器和发电系统内的方式。组件C是净化段组件，其中富氢重整产品可能被脱硫，进行变换反应，以增加氢气浓度，和/或进行处理或反应，以便从重整产品流体内除去一氧化碳。燃料电池的废气、阳极和/或阴极可安排在本发明装置的燃烧器部分中进行处理。
燃烧燃料和含氧气体源被引导到预重整器的燃烧器部分中，以供给燃烧反应燃料。在燃烧器内生成的加热的燃烧气体向下流入到换热器部分内。水、燃料和含氧气体源在引导到燃料重整器B中之前，分别被送到换热器部分中用以转化成蒸汽和加热。没有示出从换热段排放燃烧产物气体用的废气管线。
以下所述的预重整器和重整器可由能耐受此处所述的操作条件和反应的化学环境的任何材料制造，可包括例如不锈钢、铬镍铁合金、耐热铬镍铁合金、耐盐酸镍基合金等。反应压力优选约0-100psig，尽管可使用较高的压力。反应器的操作压力取决于燃料电池所要求的输送压力。对于在1-20kW内操作的燃料电池来说，0-100psig的操作压力通常是足够的。
预重整器
图2是本发明的预重整器的截面视图。预重整器10具有许多功能，其中包括生成热量以预热重整器反应物，生成用于重整反应的蒸汽，和通过氧化各种燃料电池的废气和不具有燃料电池质量的重整产品进行处理。在打算自热重整的情况下，预热重整器反应物是特别希望的，这是因为这种重整器的操作温度范围可以是约550-900℃，这取决于原料条件和催化剂。
预重整器10包括两个主要部件，即在线20与20′之间示出的燃烧段(它在外壁6内容纳燃烧室36)，和在线20′与20″之间示出的热回收段(它在外壁8内容纳热回收室38)。
正如所示的，燃烧室高于换热室。可看出，燃烧段和换热段不需要校准在相同的垂直轴上。但为了制造、成本和设计简单的目的，优选这两个部分具有绕共同轴的垂直取向。此外，据信在换热室上方燃烧室的垂直取向可更快速和更均匀地加热换热室。
据认为预重整器的尺寸对于实现预重整器和因此的重整器的快速启动来说是关键的。优选通过外壁6和8形成的外壳的长度与内径之比为约7:1至约3:1，和更优选约6:1至约4:1。燃烧段的外壁6和外壁8优选彼此相连续，从而沿着燃烧段与换热段的长度方向形成圆筒形外壳。这两段不需要具有相同的直径，但在空间关键的环境内，对于预重整器与重整器或发电系统的其它元件的一体化来说，再次优选这一结构。具体地说，优选外壳的长度至少约20英寸，优选至少约30英寸，和更优选至少约40英寸。外壳的内径小于约10英寸，优选小于约8英寸，更优选小于约6英寸，和进而更优选小于约5英寸。
燃烧室36的上游是含氧气体和烃燃料经其引导到燃烧室内的入口32。氧气可以是空气、富含空气或基本上纯氧形式。烃燃料优选在环境条件下为气相，但可以是液体，条件是它可容易汽化。此处所使用的术语“烃”包括通过部分氧化或者蒸汽重整反应能产生氢气的具有C-H键的有机化合物。不排除在该化合物的分子结构内存在除了碳和氢以外的原子。因此，在此处公开的方法与装置中使用的合适的燃料包括(但不限于)不仅是燃料如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油、柴油及其混合物，还包括醇例如甲醇、乙醇、丙醇或类似物及其混合物。优选地，烃的燃烧燃料是天然气。
如上所述，燃料电池废气也可被引导到燃烧室36内用于氧化，当它典型地含有多种必须处理且不应当排放到大气中的成分时。另外，可在燃料电池组上游提供侧流(在图1中未示出)，用以将不合格的重整产品引导到预重整器中用于燃烧。
任选但优选地，预重整器具有在燃烧室36上游的预热燃烧气体的装置。正如所示的，在燃烧室上游提供电热元件12且能达到至少约300℃的温度。不同的加热装置是本领域已知的，并且可用于在燃烧室内在线或者在入口32上游的独立的组件内替代电热元件12。任选但优选地，预重整器还具有在燃烧室36上游的混合装置。正如所示的，在线提供静态混合器2，混合通过入口32进入的气体。为此，在可供替代的方案中，可在燃烧段的上游作为独立的组件提供混合装置。
在燃烧室36内设置燃烧催化剂16。燃烧催化剂16应当是氧化催化剂，如本领域熟练技术人员已知的那些。合适的氧化催化剂的实例包括在整料、挤出物、粒料或其它载体上的氧化铝修补基面涂层(washcoat)上的贵金属如铂、钯、铑和/或钌。在该文献中还援引其它修补基面涂层如氧化钛、氧化锆、氧化硅和氧化镁。在该文献中援引许多额外的材料如镧、铈和钾作为改进氧化催化剂性能的“促进剂”。
氧化反应非常快速地发生，使添加的氧气转化并产生热量。据认为与燃烧催化剂的组成无关，催化剂介质应当提供用于使燃烧气体和热量经过燃烧室的非扩散流路。此处所使用的“非扩散流路”是指在催化剂介质上具有许多路径以便通过该介质的气体流基本上不受抑制。具体地说，催化剂介质应当允许在至少约5000气时空速(GSHV)至约20000GHSV范围内的气体流过其中。流经催化剂介质的燃烧气体的温度为约400-650℃，和压力应当为接近大气压。优选地，催化剂介质是具有多个开放通道的整块载体，所述开放通道为加热的燃烧产物气体提供开放的流路通过催化剂介质。已发现，与填充的催化剂床相比，整块的催化剂介质能更快速地使燃烧催化剂在燃烧室上达到更均匀的温度。
在燃烧室36和换热室38之间的开口14使两个室之间流体连通。当燃烧燃料和含氧气体在催化剂16上燃烧时，加热的燃烧产物气体被驱使向下进入换热室38内。
换热室38通过外壁8确定。在换热室38内设置至少一个换热元件18。正如图2所示，预重整器10在换热室38内具有多个换热元件18a和18b。换热元件18a具有重整器反应物流经其引导的入口22和加热的重整器反应物经其被引导出预重整器的出口28。重整器反应物可以是前面所述的烃燃料、含氧气体、水或它们中的某种组合。
所示换热元件18b具有入口24和出口26。在位于换热室38下部的位置示出了入口22和24与出口26和28。可预见可改变出口26与28的位置，以便它们与有关的重整器的入口邻近。热量损失是个问题，和希望构造一体化的预重整器和重整器，以便在它们之间的连接中可能出现的热量损失最小化。
优选地，在独立的换热元件内预热两种或多种重整器反应物。根据重整器反应物的性质和所要求的热量，换热元件将具有不同的尺寸和结构，和因此对于不同重整器反应物来说不同的换热表面积。
例如，优选在具有较大直径和较短长度的盘管内实现气体燃料和含氧气体的预热，以便最小化气体流经换热器的任何压力损失。相反，优选在其中压力损失不重要、但增加传热重要的较长长度的更窄的换热器盘管内实现过热蒸汽的生成。
还希望换热元件占热回收室内较大的体积百分数，以便提供最大的热回收。优选地，换热元件占热回收室38内体积的至少约50％，更优选至少约60％，和进而更优选至少约70％。如图2所示，换热元件18a和18b包括具有不同长度和直径的盘管。仅仅作为例举，在有或无含氧气体的情况下，元件18a用于预热烃气体，而具有较大换热表面积的元件18b用于将水转化成蒸汽。
此外，应当注意，优选构造换热元件18a和18b，以便重整器反应物最初被向上引导到换热室38内和几乎到燃烧室36内。然后换热元件翻转(turn)并开始螺线向下，以便重整器反应物缓慢向下流出换热室。这一向下的螺线不仅更快速和均匀地加热反应物，而且发现可最小化在停车过程中可能会发生的在换热元件内的冷凝。尤其在冷却工序期间，冷凝是在换热装置内的常见问题，且可导致腐蚀、堵塞和其它维护问题。
在燃烧段内生成的加热的燃烧气体填充换热室38并与重整器反应物在换热元件18a和18b的表面上换热。重整器反应物穿过盘管时被加热。加热的反应物然后分别被引导到出口26和28。图2中没有示出连接出口26和28到重整器入口(在图2中也没有示出)的管道或导管。再者，出口的位置应当紧密靠近重整器的入口，以便最小化在这两个装置之间的连接中的热损失。此外，在换热室38的最下部的同一位置设置燃烧排气口30，用于从预重整器10中排放加热的燃烧产物气体。
快速启动燃料处理器的方法
本发明进一步提供快速启动含预重整器和重整器的燃料处理器的方法。该方法包括在预重整器内用燃烧催化剂使燃料和含氧气体燃烧，在燃烧段内生成加热的燃烧气体。
任选可在燃料和/或含氧气体燃烧之前预热它们。这些燃烧反应物的预热促进燃烧反应。优选通过恰好位于燃烧催化剂上游的电热元件实现预热，但可通过本领域已知的其它加热装置实现预热。在启动过程中，加热元件应当能快速达到大于约200℃的温度，优选大于约250℃，和更优选大于约300℃，为的是使燃料和氧气开始燃烧。但在启动之后和在正常操作过程中，在正常室温下，在含氢燃料和氧气之间发生反应。此刻可能不必使用加热元件。
任选但极优选地，燃烧燃料和含氧气体可在其燃烧之前混合。优选采用具有挡板和/或叶片以干扰流经其中的气体流动的在线静态混合器，从而实现这一混合。在其它气体如燃料电池废气也将燃烧的情况下，在这些气体进入燃烧段之前，这些气体应当与燃烧燃料和含氧气体组合并混合。本领域熟练技术人员应当意识到混合气体燃烧反应物的其它装置可能是合适的。
加热的燃烧产物气体流经燃烧催化剂并进入热回收段，在所述热回收段中，在加热的燃烧气体与燃料重整器反应物之间换热，得到加热的反应物。为了实现快速启动燃料处理器，加热的燃烧气体应当沿着非扩散流路流经燃烧催化剂并进入热回收段。优选地，使用整块的燃烧催化剂提供非扩散流路经过催化剂介质。在可供替代的实施方案中，可使用其它催化剂介质，条件是其它催化剂介质在启动过程中可提供至少约5000GHSV且在操作过程中能提供至多20000GHSV。
相对于热回收段升高燃烧段，以便来自燃烧段的加热的燃烧气体由于置换而进入热回收段。据认为加热的燃烧气体置换到热回收段内更快速和均匀地加热热回收段。
在于热回收段内设置的换热元件中，在重整器反应物和加热的燃烧气体之间换热。对于两种或多种重整器反应物来说，可使用独立的换热元件，和对于不同的重整器反应物来说，可使用不同尺寸和结构的换热元件，这取决于各自的性质和加热要求。例如，可预见烃重整器燃料和含氧气体的物流可被引导经过相同的换热元件，同时水可被引导经过具有较大换热表面积的独立的换热元件以供转化成蒸汽。
在催化剂床内，燃料和含氧气体的燃烧生成加热的燃烧气体，所述加热的燃烧气体被向下置换到热回收段内，在此换热产生蒸汽并预热重整反应物。已发现，当在热回收段内加热的燃烧气体生成充足的蒸汽且足以预热重整器反应物，以促进在重整器内的自热重整反应时，将达到操作温度。当在燃烧室内的温度达到至少约500℃，优选至少约550℃，和更优选至少约600℃时，观察到这一操作温度。与常规的预重整器不同，这一操作温度可在小于约20分钟，优选小于约15分钟，和更优选小于约10分钟内实现。一旦在预重整器内已经实现这一操作温度，则蒸汽和加热的重整器反应物将被引导到重整器内，在此开始自热重整。
重整器
典型地在重整工艺中进行两个不同的反应。式I和II是例举的反应式，其中甲烷被作为烃：
CH4+1/2O2→2H2+CO   (I)
CH4+H2O→3H2+CO     (II)
部分氧化反应(式I)非常快速地发生使添加的氧气完全转化且放热(即产生热量)。在原料流内较高的氧气浓度有利于部分氧化反应。
蒸汽重整反应(式II)比较缓慢地发生，且吸热(即消耗热量)。较高浓度的水蒸气有利于蒸汽重整。
本领域熟练技术人员应当理解和意识到，可组合部分氧化与蒸汽重整，以将来自预重整器的预热的重整器反应物转化成含氢气和一氧化碳的合成气。在这种情况下，氧气与烃之比和水与烃之比变为特征参数。这些比例影响操作温度和烃的产率。重整步骤的操作温度范围可以是约550-900℃，这取决于原料条件和催化剂。
重整器使用催化剂床，所述催化剂床可包括任何形式的一种或多种催化剂，其中包括粒料、球形、挤出物、整料和类似物或在叶片或热管的表面上涂布的修补基面涂层。部分氧化催化剂应当是本领域熟练技术人员公知的，和常常由在整料、挤出物、粒料或其它载体上的氧化铝修补基面涂层上的贵金属如铂、钯、铑和/或钌组成。已经使用非贵金属如镍或钴。在该文献中援引了其它修补基面涂层如氧化钛、氧化锆、氧化硅和氧化镁。许多额外的材料如镧、铈和钾已在文献中援引为改进部分氧化催化剂性能的“促进剂”。蒸汽重整催化剂应当是本领域熟练技术人员公知的，和可包括具有适量钴或贵金属如铂、钯、铑、钌和/或铱的镍。催化剂可单独或组合地载带在例如氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆或铝酸镁上。或者，蒸汽重整催化剂可包括镍，优选单独或组合地载带在氧化镁、氧化铝、氧化硅、氧化锆或铝酸镁上，通过碱金属如钾促进的镍。
当重整工艺主要是自热重整工艺时，在净化工艺之前，进行冷却重整产品流体至约600-200℃，优选约500-300℃，和更优选约425-375℃的步骤，以优化重整产品的温度。可采用散热片、热管或换热器实现这一冷却，这取决于设计规格和对回收/循环气体流中热量的需要。或者，或另外，可通过注射额外的原料组分如燃料、空气或水实现冷却。优选水，这是因为当它汽化成蒸汽时能吸收大量的热量。所添加的组分的用量取决于所需的冷却程度且本领域熟练技术人员可容易地确定。当重整工艺主要是蒸汽重整工艺时，合成气的冷却是任选的，这是由于蒸汽重整工艺的吸热本质导致的。
本发明的预重整器将与本领域已知的在重整或将烃物流转化成燃料电池质量级的富氢气体流中使用的重整器或燃料处理器组合。合适的重整器包括，但不限于，在2002年7月4日公开的Deshpande等的美国专利申请Nos：US2002/0083646A1；2002年7月11日公开的Deshpande的US2002/0090326A1；2002年7月11日公开的Deshpande的US2002/0090328A1；2002年7月11日公开的Deshpande的US2002/0090327A1；2002年7月11日公开的Krause等的US2002/0088740A1；2002年7月18日公开的Krause等的US2002/0094310A1；2002年10月24日公开的Stevens的US2002/0155329A1∶2003年1月30日公开的Childress的US2003/00211741A1；和2003年1月30日公开的Krause等的US2003/0021742，这些公开内容在此通过参考引入。这些出版物公开了可有利地与本发明的预重整器一起使用的多种不同构造的重整器。但优选与本发明的预重整器组合的重整器是底部供料类型的反应器。
后重整器净化和变换反应
烃物流的主要杂质之一是硫，通过重整工艺硫将转化成硫化氢。重整器或重整器下游的组件可优选包括氧化锌和/或能吸收并转化硫化氢的其它材料，和可包括载体(例如整料、挤出物、粒料等)。根据下述反应式III，通过将硫化氢转化成水，从而实现脱硫：
H2S+ZnO→H2O+ZnS   (III)
也可除去其它杂质如氯化物。反应优选在约300-500℃，和更优选约375-425℃下进行反应。在约25℃-700℃的宽温度范围内，氧化锌是有效的硫化氢吸收剂，且通过合适地选择操作温度，提供很大的优化处理步骤顺序的灵活性。
然后可将重整产品物流输送到任选的混合步骤中，在所述混合步骤内，水被加入到气体流中。添加水降低反应物流体的温度，因为它汽化且供应更多的水以供水气变换反应。可通过流经有效地混合和/或辅助水汽化的惰性材料如陶瓷珠或其它类似材料的处理核，混合水蒸气和其它重整产品物流组分。
典型的水气变换反应根据式IV，将一氧化碳转化成二氧化碳：
H2O+CO→H2+CO2   (IV)
在这一工艺步骤中，一氧化碳，即燃料电池的毒物，基本上从气体流中除去，且转化成二氧化碳，二氧化碳在燃料电池内通常认为是惰性气体。一氧化碳的浓度优选应当降低到燃料电池可忍耐的程度，典型地低于约50ppm。一般来说，水气变换反应可在150-600℃的温度下发生，这取决于所使用的催化剂。在这种条件下，在气体流内的大多数一氧化碳被氧化成二氧化碳。
低温变换催化剂在约150-300℃的范围内操作，且包括例如氧化铜或载带在其它过渡金属氧化物如氧化锆上的铜，载带在过渡金属氧化物或耐火载体如氧化硅、氧化铝、氧化锆等上的锌，或者在合适的载体如氧化硅、氧化铝、氧化锆等上的贵金属如铂、铼、钯、铑或金。高温变换催化剂优选在约300-600℃的温度范围内操作，和可包括过渡金属氧化物如氧化铁或氧化铬，和任选包括促进剂如铜或硅化铁。作为高温变换催化剂还包括载带的贵金属如载带的铂、钯和/或其它铂族元素。变换催化剂可包括如上所述的高温或低温变换催化剂的填充床，或者高温和低温变换催化剂二者的组合。任选诸如热管之类的元件可设置在变换反应器的处理核内，以控制在催化剂的填充床内的反应温度，这是因为较低的温度有利于一氧化碳转化成二氧化碳。
另外，可任选对富氢重整产品进行选择氧化，将残留的一氧化碳转化成二氧化碳。这种反应包括：一氧化碳的所需氧化(式V)和氢气的非所需氧化(式VI)，如下所述：
CO+1/2O2→CO2   (V)
H2+1/2O2→H2O   (VI)
在一种或多种氧化一氧化碳的催化剂存在下进行处理，和催化剂可以是任何合适的形式，如粒料、球形、整料等。一氧化碳的氧化催化剂是已知的，和典型地包括贵金属(例如铂、钯)和/或过渡金属(例如铁、铬、锰)，和/或贵金属或过渡金属的化合物，尤其氧化物。优选的氧化催化剂是在氧化铝修补基面涂层上的铂。修补基面涂层可施加到整料、挤出物、粒料或其它载体上。可添加额外的材料如铈或镧以改进性能。在该文献中援引了许多其它配方，其中一些从业者声称氧化铝上的铑催化剂具有优异性能。在该文献中已援引了钌、钯、金和其它材料作为这一用途的活性材料。
低温有利于一氧化碳的优先氧化。由于这两个反应均产生热量，因此热管或其它装置可设置在反应器内，以移走在该工艺内生成的热量。工艺的操作温度优选保持在约90-150℃的范围内。再者，可利用这种氧化工艺降低一氧化碳的含量到小于50ppm，这一含量对于在燃料电池中使用来说是合适的。
流出燃料处理器的富氢重整产品是含二氧化碳和其它成分如水、惰性组分(例如氮气、氩气)、残留烃等的富氢气体。这一重整产品可用作燃料电池的原料或者其中希望富氢原料流的其它应用上。任选产物气体可被输送到进一步的处理中，例如除去二氧化碳、水或其它组分。
燃料电池组和与预重整器的一体化
图1示出了含本发明的预重整器和重整器的发电系统，和燃料电池组，其中燃料电池组通常在D处表示。燃料电池组D包括一个或多个燃料电池，其典型地为燃料电池组形式，所述燃料电池组包括在操作上一起耦合的多个燃料电池。尽管此处称为燃料电池组，但在本发明的范围内，燃料电池组D可仅包括单一的燃料电池，多个独立操作的燃料电池或者多个独立操作或互连的燃料电池组。合适的燃料电池的实例包括质子交换膜(PEM)燃料电池和碱性燃料电池。
对通过重整器B生产的富氢重整产品进行净化和变换，以增加氢气浓度，然后将其输送到燃料电池组D中。燃料电池组D使用重整产品，以产生电功、水、废重整产品和废空气。从燃料电池组排出的废重整产品流通常含有残留的氢气和一氧化碳。当燃料电池与本发明的预重整器组合时，废重整产品被引导到预重整器的燃烧段中。尽管此处称为预重整器，但燃烧段有时被称为阳极尾气氧化器(ATO)。在一些实施方案中，从燃料电池组中排出的废空气(未示出)可与废重整产品混合，提供预重整器的燃烧段所需要的含氧气体。
一体化的燃料重整装置
在本发明的另一实施方案中，提供用于快速启动的一体化的燃料处理装置。一体化的装置包括为提供给燃料重整器加热的燃料重整反应物而构造的预重整器。预重整器包括具有封闭燃烧室的外壁和设置在燃烧室内的催化剂的燃烧段。催化剂提供通过催化剂的非扩散流路以供燃烧气体和热量经过进入到与燃烧段流体连通的热回收段内。热回收段具有确定热回收室的外壁，和设置在所述热回收室内的至少一个换热元件。换热元件具有接收重整器反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收段的出口。换热元件的入口和出口优选位于热回收段的外壁的下部。相对于热回收段升高燃烧段，以便加热的燃烧气体由于置换而流入到热回收段内。燃烧段的外壁和热回收段的外壁形成预重整器的外壳。外壳的长度和直径之比优选为约7∶1至约4∶1。燃料重整器被连接到换热元件的出口以供接收来自预重整器的加热的反应物。优选地，燃料重整器是底部供料类型的蒸汽重整器。此外，可预见可构造预重整器，接收来自燃料电池的废气并将废气与燃烧燃料和含氧气体一起引导到燃烧段内。
在本发明的另一实施方案中，提供用于快速启动的一体化的燃料处理装置。该一体化的装置包括为提供给燃料重整器加热的重整反应物而构造的预重整器。预重整器包括外壳，具有设置在其内的燃烧催化剂的燃烧室以供生成加热的燃烧气体，和具有设置在其内的至少一个换热元件的热回收段。换热元件具有接收反应物的入口和将加热的反应物引导出热回收段的出口。外壳的长度和直径之比优选为约7:1至约4:1。燃料重整器被连接到换热元件的出口以供接收来自预重整器的加热的反应物。此外，可预见可构造预重整器，以接收来自燃料电池的废气并将废气与燃烧燃料和含氧气体一起引导到燃烧段内。
上述特定实施方案仅仅是例举，因为对受益于此处教导的本领域熟练技术人员来说，很明显可以以不同但等价的方式改进和操作本发明。此外，不打算局限于此处所示的结构或设计细节，除了以下权利要求中所述的以外。因此，显然可变化或改进上述特定实施方案，和所有这些变化均应认为在本发明的范围与精神以内。因此，在以下的权利要求中列出此处寻求的保护范围。

Claims (25)

1.一种快速加热用于燃料重整器的反应物的装置，该装置包括：
具有封闭燃烧室的外壁和设置在燃烧室内的催化剂的燃烧段，所述催化剂提供通过燃烧室用于使燃烧气体和热量经过的非扩散流路；
任选在所述燃烧室上游的混合器，用于混合两种或多种燃烧反应物；
任选在所述燃烧室上游的加热设备，用于预热与催化剂接触之前的燃烧反应物；和
与燃烧室流体连通的热回收段，该热回收段具有确定热回收室的外壁，设置在所述热回收室内的至少一个换热元件，所述换热元件具有接收燃料重整器反应物的入口和将加热的燃料重整器反应物引导出热回收段并进入燃料重整器的出口；
其中相对于热回收段升高燃烧段。
2.权利要求1的装置，其中加热设备是该装置外部的热源。
3.权利要求1的装置，其中加热设备是设置在燃烧室内部的热辐射元件。
4.权利要求1的装置，其中催化剂是整料催化剂。
5.权利要求1的方法，其中换热元件是盘管。
6.权利要求1的装置，其中热回收室具有设置在其内的至少两个换热元件。
7.权利要求6的装置，其中至少两个换热元件包括第一和第二换热元件，其中第一换热元件用于换热的表面积小于第二换热元件的表面积。
8.权利要求7的装置，其中第二换热元件将水转化成蒸汽。
9.权利要求1的装置，其中燃烧段的外壁和热回收段的外壁形成装置的外壳。
10.权利要求9的装置，其中换热元件的入口与出口位于热回收段外壁的下部。
11.权利要求9的装置，其中外壳是圆筒形。
12.权利要求11的装置，其中圆筒的内径小于10英寸。
13.权利要求12的装置，其中圆筒的内径小于8英寸。
14.权利要求13的装置，其中圆筒的内径小于6英寸。
15.权利要求9的装置，其中外壳具有长度与直径，且所述长度与直径之比为7:1至4:1。
16.权利要求1的装置，其中至少一个换热元件用于使加热的燃烧气体和水之间换热，以便生成用于重整器的蒸汽。
17.一种用于快速启动的一体化燃料处理装置，该装置包括：
为提供给燃料重整器加热的燃料重整反应物而构造的预重整器，所述预重整器包括：
具有封闭燃烧室的外壁和设置在燃烧室内的催化剂的燃烧段，所述催化剂提供用于使燃烧气体和热量从中通过的非扩散流路；
与燃烧段流体连通的热回收段，该热回收段具有确定热回收室的外壁，设置在所述热回收室内的至少一个换热元件，所述换热元件具有接收燃料重整器反应物的入口和将加热的燃料重整器反应物引导出热回收段并进入燃料重整器的出口；
其中相对于热回收段升高燃烧段；和
与换热元件的出口相连的燃料重整器，用以接收来自预重整器的加热的反应物。
18.权利要求17的一体化的装置，其中燃料重整器是底部供料的蒸汽重整器。
19.权利要求17的一体化的装置，其中构造预重整器，以接收来自燃料电池的废气并将废气引导到燃烧段内。
20.权利要求17的一体化的装置，其中燃烧段的外壁和热回收段的外壁形成预重整器的外壳。
21.权利要求20的一体化的装置，其中外壳具有长度与直径，且所述长度与直径之比为7:1至4:1。
22.权利要求17的一体化的装置，其中换热元件的入口和出口位于热回收段外壁的下部。
23.权利要求17的一体化的装置，其中至少一个换热元件用于使加热的燃烧气体和水之间换热，以便生成用于重整器的蒸汽。
24.一种用于快速启动的一体化的燃料处理装置，该装置包括：
为提供给燃料重整器加热的重整反应物而构造的预重整器，所述预重整器包括外壳，具有设置在其内的用于生成加热的燃烧气体的燃烧催化剂的燃烧室，和具有设置在其内的至少一个换热元件的热回收段，所述换热元件具有接收燃料重整器反应物的入口和将加热的燃料重整器反应物引导出热回收段并进入燃料重整器的出口；外壳的长度与直径之比为7:1至4:1；和
与换热元件出口相连的燃料重整器，用以接收来自预重整器的加热的反应物。
25.权利要求24的装置，其中至少一个换热元件用于使加热的燃烧气体和水之间换热，以便生成用于重整器的蒸汽。
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