CN101437608A - 用于快速反应的催化剂结构 - Google Patents

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Abstract

紧凑的催化反应器(20)，包括用于快速反应的通道，通道具有进行反应的气体混合物的入口(26)。通道具有两种不同的催化剂结构(32，34)，第一催化剂结构(32)在入口(26)附近，第二催化剂结构(34)远离入口，这样供应到入口的气体混合物流经两种结构。第一催化剂结构(32)几乎没有用于快速反应的催化活性，而第二催化剂结构(34)具有用于快速反应的催化活性。这适用于含氢气气体混合物的燃烧，对此第一催化剂结构(32)可包括无涂层的氧化含铝铁素体钢，而第二催化剂结构(34)可以引入氧化铝支撑体中的Pt和/或Pd。废气还可以循环到入口(26)来抑制燃烧。

Description

用于快速反应的催化剂结构
本发明涉及一种适合在催化反应器中使用的催化剂结构，该催化反应器包括用于化学反应的通道，涉及利用这种催化剂结构的实施工艺以及引入这种催化剂结构的化学反应器。
WO 01/51194和WO 03/033131(Accentus plc)中描述了一种工艺，其中甲烷与蒸汽反应，在第一催化反应器中产生一氧化碳和氢气；然后所得到的气体混合物在第二催化反应器中用来进行Fischer-Tropsch合成反应。最终结果是将甲烷转化成高分子量的长链碳氢化合物，碳氢化合物在周围条件下通常为液态或蜡状。该工艺的两个阶段，水蒸汽/甲烷重整和Fischer-Tropsch合成反应，要求不同的催化剂和所述用于每个阶段的催化反应器。在每一种情况下，催化剂包括用催化材料包覆的波状箔片。水蒸汽/甲烷的重整反应是吸热的，所需热量可以由相邻通道中的催化燃烧过程提供，例如，在氧化铝上使用钯和/或铂作为催化剂。如WO 2004/078642(GTL Microsystems AG)所述，将氢气供应到燃烧通道中，用以提供至少部分燃烧气体；例如，氢气可以从Fischer-Tropsch合成反应之后的尾气中获得。含有氢气的气体混合物，通常，结合其它可燃气体组分，如甲烷、一氧化碳、气态短链碳氢化合物、乙醇或酮，具有的益处在于，即使当反应器冷却时催化燃烧反应也容易启动。然而氢气的存在导致了一个问题：氢气组分易与传统燃烧催化剂进行催化燃烧，并且尽管热量被相邻通道内的吸热反应转移，但是供应可燃气体和空气的燃烧通道进气口附近的温度仍可以快速上升到1000℃以上。
根据本发明第一个方面，紧凑的催化反应器包括用于快速反应的通道，该通道具有气体混合物进行反应的进气口，其中所述通道具有两种不同的催化剂结构，进气口附近的第一催化剂结构和远离进气口的第二催化剂结构，以便供应进气口的气体混合物流经第一催化剂结构和第二催化剂结构，其中第二催化剂结构具有用于快速反应的催化活性，但是第一催化剂结构具有较小的用于快速反应的催化活性。
第一催化剂结构(进气口附近)具有很小的用于快速反应的催化活性以及很小的或没有用于其它反应的催化活性，或者，它具有用于气体之间的其它反应的催化活性，其中那些其它反应抑制快速反应，例如，它们是吸热的和/或降低快速反应气体组分的浓度。
本发明特别适合涉及氢气的催化燃烧反应，因为这是产生热点的快速反应。
在包含氢气和甲烷的气体混合物构成的燃气燃烧情况下，第一催化剂结构，例如在达到800℃的温度下，具有很小的用于氢气燃烧的催化活性，并且几乎没有用于甲烷燃烧的催化活性。因此，在通道起始处发生快速反应的速率被抑制，以便温度升高的速率也降低。从而避免了初始温度峰值。当经过第一催化剂结构时，具有快速反应动力学的相当大数量的组分实际上发生反应了，但这发生在比使用传统催化剂更长的滞留时间内，所以更慢，因此，通过燃烧产生热量的速率更接近等于热量被转移到并被用于吸热反应的相邻通道吸收的速率。
优选地，第一催化剂结构(进气口附近)延伸至少5％但是优选不超过50％的通道内催化剂的总长度，优选地，第一催化剂结构中催化剂的活性为，当气体混合物到达第一催化剂结构的末端时，20％至80％的快速反应发生。优选地，第二催化剂结构中催化剂的活性为，当气体混合物离开通道时，反应完成。用于快速反应的第一催化剂结构的催化活性应不超过第二催化剂结构催化活性的0.2倍，例如是大约0.1倍。
第一催化剂结构例如包括氧化钢合金，钢合金表面仅具有微小用于快速反应的催化活性。例如，已经发现，含氢气的气体混合物的燃烧在微小程度上被氧化含铝铁素体钢催化，铁素体钢是例如含15％铬、4％铝和0.3％钇(例如Fecralloy(TM))的铁。当该金属在空气中加热时，形成氧化铝的粘附氧化层，该氧化层保护合金不被进一步氧化和侵蚀，而且意外具有轻微的催化活性。先前已经提出，当用含催化剂材料的陶瓷(例如氧化铝)涂敷时，这种合金适合用作催化剂载体，但是本发明中第一催化剂不需要这种陶瓷涂层或催化剂材料。或者，第一催化剂结构包括不添加催化剂材料的陶瓷涂层。相反，第二催化剂结构包含金属载体上的陶瓷涂层，陶瓷涂层用作催化剂材料比如铂和/或钯的支撑体。为了进一步控制反应速率，催化剂材料的装载量可以沿第二催化剂结构的长度而改变。
在另一方面中，一种替代或补充方法是向可燃气体混合物中添加不可燃的成分。优选催化剂结构成形为限定多个纵向子通道，例如催化剂结构包括具有纵向波纹的箔片，这样子通道就具有小于2mm优选小于1mm的最小横向方向。因此，催化剂结构中的气体混合物的流动条件是层流，无燃烧组分的引入减小了氧气扩散到催化位的速率，并因此抑制氢气催化燃烧的速率。
通过向气体混合物中引入合适的添加成分会产生其他益处。例如，向燃烧气体混合物中添加水蒸汽可以降低反应速率；如果燃烧混合物包括水蒸汽和甲烷，那么，在存在贵金属燃烧催化剂的情况下，这种混合物可以进行吸热的重整反应，减慢产生热点的趋势。重整反应产生氢气，并因此通过从进气口进一步沿通道燃烧增加热量的产生。通过从燃烧通道回收部分废气来与供应到进气口的空气和可燃气体混合，水蒸汽和二氧化碳都可以加入可燃气体混合物。
如果燃气包含一氧化碳和氢气，那么第一催化剂结构可以合并用于甲醛合成或用于甲烷化合成的催化剂，以便当甲醛和甲烷进行的催化燃烧比氢气慢时，减少通道起始位置一氧化碳和氢气的浓度并确保燃烧发生得更缓慢。或者，用于甲醛合成或用于甲烷化合成的催化剂被安排在燃烧通道的上游。
因为燃烧通道长度大于大约0.5m，所以沿燃烧通道的压力下降就变得很显著。当比较短通道(所述长度0.3m或更少)内与更长通道内的反应时，纯粹根据滞留时间(或接触时间)测量是不合适的。在本发明的另一方面，优选流动速率是，在运转条件下，出口处燃烧通道气体流动速率，也就是说热气体排出的实际速率，不超过30m/s。优选不超过20m/s。
在本发明的另一方面中，要求燃烧沿着更长的通道进行，通过将通道内的燃料添加进行合适分段，控制燃烧速率以及因此的沿长度方向的温度分布。例如在第一阶段可以向空气流中引入含少量氢气天然气作为燃料。氢气的量仅足够开始燃烧。燃烧的第一阶段耗尽空气中的氧气，不断增加水蒸汽和二氧化碳的浓度。在第二阶段，附加的燃料被添加到已经在燃烧通道中的气体混合物中，因为蒸汽和二氧化碳的稀释作用(如上所述)，这些附加的燃料包括较大比例的氢气。
反应器包括叠置板。例如，通过作为叠置板内凹槽或者通过叠层中的间隔条和间隔板限定第一和第二流动通道，然后将叠层接合在一起。或者，通过齿形的并与扁平片交替叠置的薄金属片限定流动通道；通过密封条限定流动通道的边缘。形成反应器的叠置板例如通过扩散焊接、钎焊或热等静压而接合在一起。作为示例，板(图中)宽度在0.05m到1m的范围内，长度在0.2m到2m的范围内，流动通道高度优选1mm和20mm之间或更低(根据化学反应的性质)。例如板是0.3m宽1.5m长，限定通道为5mm高。第一和第二流动通道在叠层中交替，因此通道中的流体之间具有良好的热传导。例如第一流动通道可以用于燃烧(产生热量)，第二流动通道可以用于水蒸汽/甲烷重整(需要热量)。催化剂结构嵌入通道中，可被去除来用于更换，并且不对反应器提供强度，所以在操作过程中，反应器自身必须有足够的强度来抵抗任何压应力和热应力。
当通道深度不超过3mm时，催化剂结构例如可以包括单一形状的箔片。或者，特别是通道的深度大于2mm时，催化剂结构包括多个通过相当平的箔片隔开的这种形状的箔片。为了确保要求的良好热传递，例如在水蒸汽/甲烷重整反应器中，燃烧通道优选小于5mm深。但是通道优选至少1mm深，否则嵌入催化剂结构将变得非常困难，并且工程耐受性变得更加严重。
仅作为示例及参考附图，对本发明进一步详细描述，其中：
附图1显示部分反应器体的剖面图(这是图2线1-1上的部分视图)。
附图2显示引入图1反应器体的反应器剖面图，部分去除(对应图1的线2-2)
图3显示引入图2反应器的化学设备的部分流程图。
图4显示图2反应器的改型的局部剖面图。
本发明适合用于通过水蒸汽重整由天然气制备合成气体也就是说一氧化碳和氢气的混合物的过程。这是众所周知的吸热反应；通过燃烧提供热量。合成气体可以例如随后用于通过Fischer-Tropsch合成来制备长链碳氢化合物。整个过程(即将天然气转化成合成气体再转化成碳氢化合物)产生副产品氢气，用作部分燃料。
现在参考图1，反应器体10剖面示出，为清楚起见部件被隔开。反应器体10由叠置的1mm厚的平板12组成，平板12分开放置，以便限定与用于重整反应的通道相交替的用于燃烧过程的通道。燃烧通道通过0.75mm厚的齿形板14限定。齿形的高度(通常在1-4mm的范围内)在这个实例中为3mm，沿着每个板14的边缘提供3mm厚的坚固的边缘条16，并且连续的带(通常分开间隔在10至50mm之间)间隔20mm(下面对其布置进行更详细的描述)。用于重整反应的通道高4mm，通过类似的齿形板18限定，其中连续带(通常分开间隔在10至50mm之间)间隔25mm，并具有边缘条19(见图2)。齿形板14和18的定向使所产生的流动通道在竖直方向上。
现在参考图2，显示水蒸汽/甲烷重整反应器20的截面，反应器体10的部分被去除。如上面提到的，反应器体10由相互分开来限定流动通道的叠置平板12组成。叠层中交替通道的方向是竖直的。图中每个平板12是0.5m×1.5m。用于重整反应的通道，由齿形板18限定，从集气管23到出口集气管25直接延伸通过反应器体10(所示从顶部到底部)，水蒸汽/甲烷混合物经过管道24提供到集气管23中。用于燃烧反应的通道由齿形板14限定，每个板的面积是0.5m×0.3m，有5个这样的板14并排放置，被每个平板12上的边缘条16分开。通过宽0.3m(如所示左侧的顶部)的集气管26向这些燃烧通道提供燃烧气体混合物；在反应器体10的斜对角部分(如所示右侧的底部)有宽度也是0.3m的用于排放气体的类似流出集气管28；沿着反应器体10的相对两边有宽度为0.6m的连接集气管30；因此气流路径沿盘旋的路线而行，在集气管26和30之间横切反应器体10的宽度5次。因此燃烧气体的整个流动路径，如箭头所示，是之字形或者蛇形的路径，即相对于重整通道内的流动是局部并流。
叠层如上所述被组装，然后，例如通过扩散焊接接合在一起形成反应器体10。引入了合适的催化剂的波状金属箔片催化剂载体22，每个箔片长1.5m，宽度等于带间距(本例中为25mm)，随后嵌入用于水蒸汽重整反应的通道中。类似地，波状金属箔片32嵌入与燃烧气体进气管26相通的通道内，波状金属箔片34嵌入所有其它燃烧通道内。(在图2中示出的第一个燃烧段中的箔片32和最后一个燃烧段中的箔片34被部分去除，仅有少量箔片32和34在图1中显示。)
在这个实例中，波状箔片32是Fecralloy钢，经过热处理以确保氧化表面，但是没有任何陶瓷涂层和催化剂材料的沉积。相反，波状箔片22和34包括有金属箔片载体(也是Fecralloy钢)，涂覆30到50μm厚的用合适的催化材料浸渍的氧化铝层。至于箔片22，催化材料是铂/铑1:1的混合物，同时，对于箔片34，催化材料是钯/铂3:1的混合物，在每种情况下，装载量是氧化铝重量的10％。
图2中的箭头表示，反应器体10确保燃烧气体横切反应器体10五次；或者，可以设计反应器体，以便燃烧气体横穿过宽度仅一次或多于一次。在另一个可选择的排列中，燃烧可以发生在竖直通道中(在板18内)，水蒸气/甲烷重整发生在蛇形交叉流通道中(在板14内)。
应当理解，反应器设计20仅作为示例。一种反应在多个阶段(如图2)发生时，连续的通路或阶段之间的气体流动可以通过除了集气管30以外的装置发生。例如，在WO 2005/102511(GTL Microsystems AG)描述的类似方式中，气体布置成通过齿形板14的末端部分和边缘条16的末端部分的孔在连续阶段之间流动以便集气管30更小，或在某些情况下可以被盲板替代。在此情况下，用于反应的通道中的箔片插件不会向右延伸到板14中的流动通道的末端。
现在涉及图3，反应器20的应用如将甲烷转化为长链碳氢化合物的设备的流程图所示。通常，在大约400℃的温度下，甲烷和水蒸气的混合物供应到管24中，当混合物通过反应器20的重整通道时，温度上升到大约850℃。从输出集气管25发出的合成气体供应到Fischer-Tropsch反应器40(被象征性地表示)中，最终得到的混合物被浓缩分离成水、长链碳氢化合物41和包含过量氢气的尾气流42。至于Fischer-Tropsch反应器40之前的合成气体如何处理以及Fischer-Tropsch反应器40之后得到的气体混合物如何处理，这些细节与本发明无关。尾气42的氢气，例如用膜从其他组分诸如一氧化碳、二氧化碳和甲烷中分离，与空气(在图3中用O2代表)混合，供应到用于燃烧的进气集气管26中。如上所示，燃烧通道的第一段中的波状箔片插件32不包括任何附加的催化剂材料，但是，仍然发生催化燃烧；氧化表面明显具有一些限制的催化活性。因此，在这个实例中，燃烧逐渐通过无涂层插件32所在的第一段发生，虽然通常20％至80％的氢气在这个段进行燃烧，但是其他燃气组分没有燃烧，然后，当残余的氢气和剩余的燃气组分到达催化插件34所在的随后段时，进行燃烧。
作为示例，等长度的箔片32和34的催化活性在实验测试中进行比较，测试中燃烧气体混合物通过箔片，保持反应器壁温度在100℃不变，并保持气体燃烧和流动速率不变。已发现采用150mm长的氧化Fecralloy钢箔插件32，只有大约10％的氢气在这个温度下进行燃烧，然而用传统的燃烧催化剂箔片插件34，大约90％的氢气在这个温度下进行燃烧。因此，显然氧化箔片32的催化活性仅是传统燃烧箔片34催化活性的约0.11倍。
在一个改型中，插件34中催化材料的活性沿燃烧通道的长度而变化，插件34起始位置具有比末端小的催化活性。在这个实例中，催化活性的分级可以通过沿流动路径从一个插件34到下一个逐步增加活性来方便地实现，尽管沿单个插件长度的催化活性的分级也是一种选择。催化活性的分级可以通过改变催化金属的装载量实现，从起始处典型值的约1％上升到进一步沿燃烧路径典型值的100％。对于上面涉及的钯/铂催化剂，标准装载量是氧化铝重量的10％。通过在插件整个宽度上方提供约2％重量百分比的催化剂材料，或者仅在部分结构上方引入高浓度的催化材料，例如在五分之一表面上方如以宽度为1或2mm的条的形式提供10％重量百分比的催化剂材料，来获得标准值所述20％的装载量。一种可选择的催化活性分级方法是在至少部分插件上涂敷催化材料，采用陶瓷涂层作扩散势垒，来减小反应物特别是氧气扩散到催化位的速率。
如果催化插件是叠置箔片，而不是单一箔片，那么它的活性可以通过仅在一些箔片表面提供催化剂来控制。
如图3所示，供应到集气管26的燃烧气体混合物还包括甲烷。在一个实例中，供应到燃烧入口的气体混合物是77％的氢气、0.4％的CO、7.7％的CO2和15％的碳氢化合物(摩尔比)，氢气和小部分碳的氧化物通过膜分离从尾气42中获得，碳氢化合物(主要是甲烷)从天然气中提供，这些气体与空气混合。如果催化插件34被提供到燃烧通道的第一段中，那么会有相当大的热点发展的风险，实际上，燃烧催化剂在燃烧通道的起始处附近会上升到1000℃以上的温度，因为氢气进行快速反应，升高温度，因此升高了其他燃气组分例如一氧化碳和甲烷的燃烧速率。虽然沿燃烧路径要求的温度梯度理想地逐步上升，以便最大温度(大约900℃)接近重整通道的出口，但是所述热点还是会在反应器20的结构中产生相当大的热应力，还会减小过程的效率。
作为插件32的另一种应用，或作为它们应用的补充，实际上，插入组分可添加到供应燃烧通道的燃料和空气的混合物中。例如引入水蒸气或二氧化碳。因为插件32和34中的流动条件是层流，所以该插入组分的添加减小了氧气扩散到催化位的速率，这对氢气的催化燃烧速率具有较大的影响。将水蒸气添加到燃烧气体混合物中会改变燃烧反应的平衡，并因此减慢反应速率。或者，水蒸气与在气体混合物中存在的甲烷反应，在贵金属燃烧催化剂存在的情况下，进行吸热重整反应，因此从任何初始的热点除去热量，同时，因为重整反应的产物一氧化碳和氢气的形成和随后燃烧，增加了进一步沿流动通道的热量的产生。
实现的一种方法是循环利用一部分废气，这部分废气从燃烧通道通过集气管28排出，返回与燃烧气体混合物混合，如图3中虚线44所代表。
控制沿反应器20热梯度变化的另一个方法是在各个阶段中引入燃料。例如所有空气通过进气管26引入，但是只有部分必需的可燃气体，剩余可燃气体通过一个或多个随后的集气管30引入到燃烧气流中。在改型中，仅含有一小部分氢气(和空气)的甲烷引入到进气管26中。燃烧的第一阶段耗尽氧气的气流，增加二氧化碳和水蒸气的浓度。然后，富氢尾气在一个或多个连续阶段引入，不会引起随空气表现出的初始高反应率。在另一个改型中，甲烷和过量的空气(不含氢气)引入到使用传统燃烧催化剂的第一燃烧阶段；然后，富氢燃烧气体在随后的阶段引入到气体混合物中，这种富氢气体所遇到的第一催化剂结构是一种低活性的，例如催化插件32，随后的催化剂结构是高活性的。
实际上，燃料和空气都被添加到沿通道或燃烧通道的各个阶段中。即使采用在单个直通道中发生燃烧并在燃烧通道中有不同衔接插件的反应器，富氢燃气或添加的燃烧空气也可以在沿通道的各个点通过喷嘴引入。这会导致更好地控制通过反应器的热梯度变化。例如，如图4所示，在图2的反应器(在竖直通道中进行燃烧，在蛇形通道中进行水蒸气/甲烷重整)的改型中，反应器体10(除了在末端的那些之外)中的分隔条16被间隔分开的几对条46取代，在几对条46之间具有间隙47，间隙47在集气管30中的一端被封闭，另一端打开。该间隙47例如是2mm宽，为燃气或空气提供进气通道，如箭头50所示；通过相邻的板12钻出窄孔48，以便供应到间隙47的燃气或空气通过孔48流进燃烧通道中。
已经进行了具有1200mm长的燃烧通道的试验，其中通道的第一个20％(240mm)装有氧化Fecralloy箔片32。其余的通道长度装有传统催化插件，也就是说具有含Pd/Pt的氧化铝涂层的波状箔片34。通道具有两个燃气注入点，一个在Fecralloy箔片32的起始处，另一个在沿通道长度的大约40％处。燃烧空气预热到200℃。燃气包含70-80％mol范围内的氢气，其余部分是CO、甲烷和CO2的混合物。当40％的燃气注入第一个注入点时，第一和第二注入点之间燃烧通道的温度上升到最大值450℃。注入的燃气中的大部分氢气在第一和第二注入点之间被氧化，但是残留的甲烷没有氧化。剩余60％的燃气在第二注入点被添加，第二注入点和出口之间的燃烧通道的温度达到近似820℃的最大值，因为氢气和CO在第二注入点的下游被氧化，所以充分提高了甲烷进行燃烧的温度。燃烧过程完全稳定，没有热点存在的迹象。可能第一阶段的燃烧产物和所引起的可获得氧气的损耗也有助于稳定第二注入点下游的燃烧过程。
如果燃气包含显著水平的一氧化碳和氢气，那么最初的催化插件例如可以包含用于形成甲醇的催化剂，以便至少一些氢气在初始阶段转化为甲醇。这又抑制了氢气的最初燃烧速率，并有助于达到沿反应器20所希望的温度梯度。甲醇会进一步沿通道进行燃烧。或者，用于形成甲醇的催化剂在反应器20上游分隔的反应器床中提供。
应当理解，反应器20中的燃烧通道做成五个通路，每个通路长0.5m，所以总长2.5m。这个反应器仅作为示例。通常，每个燃烧通道长度在0.2和1.6m之间，通路的数量通常在1至5个之间，以便燃烧通道的总长度可以达8m。在这种条件下，基于滞留时间或接触时间尝试依比例设计反应器是不适当的，因为需要的速率会变得非常高，相应的压力下降会过多，要求过多的能量来供应燃烧空气流动速率。在运行条件(即，在气体的出口温度和它的出口压力下)下测量的燃烧通道的最大出口速率不应超过30m/s，以避免过多的压力下降。优选地，燃烧通道的整个长度上的压力下降不超过1bar，优选不超过0.2bar，更优选地，不超过0.1bar。
应当理解，易于获得的用于燃烧的气体混合物会在不同应用中变化。例如，在另一种情形中，水蒸气/甲烷重整之后进行压力摆动吸收来获得纯的氢气流，已经发现剩余的气流具有如下摩尔组成：37％的氢气、27％CO、24％CO2和12％的碳氢化合物。虽然这个组成与上述有很大不同，但是可在基本相同的反应器20中用于燃烧。
上述反应器20仅作为示例，应当理解，它可以以各种方式改型而仍然在本发明的范围中。例如有用于燃烧的五个连续通路的反应器20，在前两个通路而不仅是在第一个通路，或甚至在前三个通路中提供低活性插件32。如上面提到的，可以仅有用于燃烧气体的单一通路，这种情况下，可以有两个在通道中衔接排列的分离插件，第一个是低催化活性的(例如氧化Fecralloy钢)，第二个引入燃烧催化剂。或者，存在延伸通道整个长度的单一波状箔片插件，其中在第一部分上没有催化剂和陶瓷涂层，但是在第二部分上有燃烧催化剂。
虽然插件被描述为包括波状箔片，但是应当理解，作为替代它们可以包括不同的金属基体，例如波状纤维垫。在任何情况下，它们优选成形为限定多重平行流动子通道。

Claims (14)

1.一种紧凑的催化反应器，包括用于快速反应的通道，该通道具有进行反应的气体混合物入口，其中所述通道具有两种不同的催化剂结构，第一催化剂结构在入口附近，第二催化剂结构远离入口，这样，供应到入口的气体混合物流经第一催化剂结构和第二催化剂结构，其中第二催化剂结构具有用于快速反应的催化活性，但是第一催化剂结构具有用于快速反应的较小的催化活性。
2.如权利要求1所述的催化反应器，其中，第一催化剂结构具有很小的用于快速反应的催化活性以及很小或没有用于其它反应的催化活性。
3.如权利要求1或权利要求2所述的催化反应器，其中，第一催化剂结构延伸至少5％但是不超过50％的通道内催化剂的总长度。
4.如前述任何一个权利要求所述的催化反应器，其中，第一催化剂结构的催化活性不超过第二催化剂结构催化活性的0.2倍。
5.如前述任何一个权利要求所述的催化反应器，其中，快速反应是氢气燃烧，第一催化剂结构包括氧化钢合金，其表面仅具有非常微小的用于燃烧反应的催化活性。
6.如权利要求5所述的催化反应器，其中，第二催化剂结构包括陶瓷，陶瓷引入了催化活性材料，其中，催化活性材料的活性沿第二催化剂结构分级，起始处具有最小的活性。
7.如权利要求6所述的催化反应器，其中，催化活性沿第二催化剂结构的长度逐步分级。
8.如权利要求1或权利要求3所述的催化反应器，其中，第一催化剂结构具有用于其他气体之间的反应的催化活性，其他气体之间的反应抑制了快速反应。
9.一种在紧凑的催化反应器中进行燃烧的方法，其中，反应器具有先前任何一个权利要求所述的特征。
10.一种在紧凑的催化反应器中进行燃烧的方法，其中，通过将不可燃组分引入到供应燃烧通道的气体混合物中来抑制快速燃烧。
11.如权利要求9或权利要求10所述的进行燃烧的方法，其中，来自燃烧通道的一部分废气再循环回到燃烧通道的入口。
12.一种在紧凑的催化反应器中进行快速反应的方法，催化反应器具有大于0.5m的用于快速反应的通道长度，其中，沿所述通道的气体流动速率为，在运转条件下，通道出口处的气体流动速率不超过30m/s。
13.一种控制催化反应器中热梯度的方法，包括限定用于吸热和放热反应的板之间的第一和第二通道的叠置板，第一和第二通道通过板隔开，其中，集气管被限定在沿板的至少一个中间位置，集气管通过板中的孔与板另一边上的第一通道相通，其中，反应器内的热梯度通过经由一个或多个所述集气管分阶段向第一通道内注入反应物来控制。
14.如权利要求13所述的方法，其中，第一通道中的反应是催化燃烧，其中，第二通道中的反应是重整反应，集气管和第二通道都横切第一通道的方向延伸，集气管位于连续的第二通道之间。
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