專利名稱：改性裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及對作為改性原料的甲醇等醇類，甲烷、丁烷等烴類，石腦油、LNG(液化天然氣)等化石燃料等進行水蒸汽改性，制備以氫為主成分的改性氣體的改性裝置。更具體涉及使水蒸汽改性后的改性氣體中所含一氧化碳的濃度降低至10ppm左右的改性裝置。
背景技術：
以往眾所周知的是對改性原料進行水蒸汽改性處理，生成以氫為主成分的改性氣體的改性裝置。上述改性氣體的用途之一是用作燃料電池的發電燃料，但這種情況下，由于改性氣體中所含的一氧化碳(CO)會轉變為對燃料電池的電極有影響的物質，所以希望除去一部分一氧化碳，使其濃度降低至100ppm以下。為此，如日本專利公開公報平5-251104號所示，通過設置對改性原料進行水蒸汽改性；利用水性轉移反應使所得改性氣體中的CO濃度降低；選擇性地使CO氧化，進一步降低其濃度這三個步驟來除去CO。但是，以往由于上述3個反應步驟需要在不同的裝置中進行，所以整個改性體系就變成一個大型的裝置。而且，由于各反應步驟都需要提供反應熱的熱源，所以熱損失很大。因此，希望出現既能夠減少以往改性裝置中的熱損失，又能夠達到小型化目的的裝置。
針對于此，日本專利公開公報平7-126001號揭示了以小型化為目的進行了改良的改性裝置。下面對該改性裝置進行說明。該改性裝置具有改性處理層和燃燒氣體通道層交替配置的結構，即在使燃料燃燒的燃燒部分上面設置了改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分沿氣體流向豎直配置的平板狀改性處理層與來自燃燒部分的燃燒氣體所流經的平板狀燃燒氣體通道層。該改性裝置中，由于上述燃燒氣體通道層為上述3個反應部分提供了熱，所以，燃燒部分的熱被上述3個反應部分有效地利用了，而且，將上述3個反應部分合并，也有利于達到小型化目的。
但是，上述以往例子的改性裝置存在無法控制各反應部分的確切溫度的缺點。即，上述3個反應部分所進行的反應都是催化反應，各反應部分的反應需要不同的反應溫度范圍。例如，水蒸汽改性反應的反應溫度范圍由于改性原料種類的不同而不同，改性原料為丁烷等烴類原料時，大致在400～1000℃的范圍內，較好為600～900℃，為甲醇原料時，大致在250～400℃的范圍內。另外，水性轉移反應和CO選擇氧化反應的溫度大致為200～350℃，較好為220～300℃，CO選擇氧化反應的溫度大致為100～250℃，較好為120～180℃。總之，反應溫度范圍按照改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分這樣的順序依次降低。因此，各反應部分的溫度需要控制在上述各反應溫度范圍內。
但是，上述以往例子的改性裝置中，上述改性反應部分和轉移反應部分不分成獨立的段，而是在同一段內相互連接，所以被改性處理的氣體的反應狀態隨著溫度的降低在功能上有所區別，即從水蒸汽改性反應轉變為水性轉移反應。因此，該改性裝置能夠有效地進行改性溫度和轉移反應的溫度差較小的甲醇的水蒸汽改性。但對烴類原料進行水蒸汽改性時，從上述改性反應部分向轉移反應部分轉移時需要上升較高的溫度，所以對水蒸汽改性反應的反應溫度較高的丁烷等烴類原料進行改性時存在較大的問題。而且，上述改性處理層和燃燒氣體通道層是交替設置的層疊結構，即使是同一個反應部分，在層疊位置也會出現溫度差別，特別是接近外表面的位置由于被外面的空氣冷卻，所以與中心位置相比，溫度差更大。這種溫度差別在反應溫度范圍很窄的CO氧化部分尤為突出。如果各反應部分中存在不在反應溫度范圍內的部分，則所得改性氣體中的氫含量降低或CO濃度降低可能就不夠充分。
發明的揭示本發明解決了上述以往例子中存在的問題，其目的是提供實現改性反應部分和轉移反應部分及CO氧化部分的一體化，使其小型化，并能夠有效利用熱源的熱，而且能夠良好地控制各反應部分的溫度的改性裝置。
本發明的改性裝置包括獨立，但一體化設計的3個部分，即包含因燃氣的燃燒而發熱的熱源，由該熱源直接獲得反應熱，對改性原料進行水蒸汽改性，生成以氫為主成分的改性氣體的原料改性部分；利用水性轉移反應使原料改性部分生成的改性氣體中所含的CO降低的轉移反應部分；使經過轉移反應部分處理后的改性氣體中所含的CO氧化，進一步降低CO濃度的CO氧化部分。上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分是按照上述轉移反應部分和CO氧化部分可被來源于上述原料改性部分熱源的傳遞熱間接加熱的狀態設置的。
由于該改性裝置中的上述3個反應部分，即原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分是一體化設置的，所以能夠單用該裝置獲得除去了CO的改性氣體。因此，不需要另外除去CO的步驟，使整個裝置小型化。此外，各反應部分都是獨立的部分，而且，上述原料改性部分的需要最高溫度的水蒸汽改性反應是在熱源直接加熱下進行的，而溫度比其低的轉移反應部分和CO氧化部分是通過上述熱源的傳遞熱間接加熱的，所以，能夠將溫度控制在各反應溫度范圍內。
本發明中，上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分以同心狀設置，較好的是上述CO氧化部分至少被設置在外周側。即由于上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分以同心狀設置，所以上述轉移反應部分和CO氧化部分中，在同一反應部分內不易出現來源于上述熱源的傳遞熱和向外部的放熱量的局部偏差。因此，上述轉移反應部分和CO氧化部分的溫度偏差變小，易于將反應溫度控制在所需要的溫度范圍內。3個反應部分中至少需要將溫度控制在最低范圍內的上述CO氧化部分被設置在最外周側，易于向外部放熱，其結果是，容易將溫度控制在低溫范圍內。此外，同心設置還易于實現整個裝置的小型化。
本發明中，上述原料改性部分由作為上述熱源的近似筒狀燃燒室和對改性原料進行水蒸汽改性，生成以氫為主成分的改性氣體的改性反應部分構成時，上述改性反應部分為受到上述燃燒室的直接加熱而與燃燒室以同心狀設置，另一方面，上述轉移反應部分和上述CO氧化部分為受到上述燃燒室的間接加熱也可與其同心狀設置。上述燃燒室近似筒狀的形狀并不限于圓筒狀，也包括方筒狀。此外，對上述燃燒室中使燃料燃燒的燃燒方式也沒有特別限定，例如使用燃燒嘴或燃燒催化劑等。
上述燃燒室和改性反應部分的位置關系有2種狀態。一種是上述改性反應部分被設置在上述燃燒室內的狀態(圖23～27)，另一種是上述改性反應部分被設計成連接在上述燃燒室外周的狀態(
圖1～22)。這2種情況的不同之處在于，前者是上述改性反應部分僅受到來自周圍的熱的加熱，而沒有來自表面的放熱，后者則有來自上述改性反應部分外周的放熱。
較好的是在上述燃燒室中設置不燃性芯(圖19、11、14～17、21、22、24～26)。即通過設置上述芯，使上述燃燒室內的燃燒氣體通道變窄，其結果是能夠使燃燒氣體的流速變大，提高與上述改性反應部分的熱交換率。為了不影響上述燃燒室的溫度上升，上述芯較好的是熱容量較小的材料，如中空體等。
此外，本發明中間接加熱上述轉移反應部分和CO氧化部分的手段有(1)利用中間體從上述燃燒室外周以固體傳熱或輻射傳熱的方法傳入熱(圖1～7,27)；(2)利用來源于上述燃燒室的燃燒后氣體的熱量(圖8～27)。
利用上述(1)的方法，間接加熱上述轉移反應部分和CO氧化部分的改性裝置的一個例子是沿上述燃燒室外周設置上述改性反應部分，然后沿改性反應部分外周設置上述轉移反應部分和CO氧化部分。
該改性裝置中，上述改性反應部分起到了上述中間體的作用，來源于上述燃燒室的熱由于上述改性反應部分的介入而減少，然后再傳遞給上述轉移反應部分和CO氧化部分。特別是由于在上述改性反應部分進行的水蒸汽改性反應為吸熱反應，所以來源于上述燃燒室的熱在上述改性反應部分被消耗而減少，然后再傳遞給上述轉移反應部分和CO氧化部分。而且，該構成中，以上述燃燒室為中心，在其周圍設置上述改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分，這樣也有利于降低整個裝置的高度(高度方向的小型化)。
此外，在上述改性反應部分、上述轉移反應部分和CO氧化部分之間，較好的是設置具有調節傳遞熱功能的隔壁，具有調節傳遞熱功能的隔壁是指具有以下功能的隔壁，即上述改性反應部分的余熱仍舊高于所需溫度，但為了不使熱直接傳遞給位于其外側的上述轉移反應部分和CO氧化部分，在一定程度上減少了所傳遞的熱量，將所傳遞的熱的溫度調節到所需溫度范圍。上述隔壁可以是隔熱材料或空氣層等，通過適當地調節其材質和厚度，獲得最適宜的調節傳遞熱的效果。由于該改性裝置能夠利用上述具有調節傳遞熱功能的隔壁調節來自上述改性反應部分的傳遞熱，所以，能夠容易地控制轉移反應部分和CO氧化部分的溫度。
此外，連接上述改性反應部分和上述轉移反應部分的通道可以迂回設置在上述轉移反應部分和上述CO氧化部分外側。一般剛從上述改性反應部分放出的改性氣體的溫度比上述轉移反應部分的反應溫度高，通過在外側迂回設置連接上述改性反應部分和上述轉移反應部分的通道，可使其放熱，將溫度調節到適當的范圍內。
而且，對應于上述改性反應部分的溫度分布，較好的是在該改性反應部分的高溫側設置上述轉移反應部分，在其低溫側設置上述CO氧化部分(參考圖2)。
本發明中，利用上述(2)的方法間接加熱上述轉移反應部分和CO氧化部分的改性裝置的一個例子是在上述燃燒室的垂直上方連接直接流入來自上述燃燒室的燃燒后氣體的排氣空間，在該排氣空間的周圍設置上述轉移反應部分，在該轉移反應部分的周圍設置上述CO氧化部分而構成的裝置(參考圖8～26)。
該改性裝置的上述排氣空間通過燃燒后氣體被加熱，從上述排氣空間的周圍向上述轉移反應部分傳熱，而上述轉移反應部分又向上述CO氧化部分傳熱。此時，由于上述燃燒后氣體的溫度低于上述燃燒室的溫度，所以上述轉移反應部分的加熱溫度被控制在低于上述改性反應部分的溫度范圍，而位于外側的上述CO氧化部分的溫度也被控制在低于上述轉移反應部分的溫度范圍。因此，能夠將各反應部分的溫度控制在一定范圍內。
這種情況下，較好的是在上述燃燒室和上述排氣空間之間為吸入外面空氣而設置空氣吸入口(圖12)。即由于剛從上述燃燒室出來的燃燒后氣體的溫度與上述燃燒室的溫度差不多，所以通過上述空氣吸入口吸入的外面的空氣能夠適當降低燃燒后氣體的溫度，以調節溫度，將其送入上述排氣空間，這樣就能夠調節上述轉移反應部分的加熱溫度。
此外，在這種情況下，較好的是設置可加熱上述排氣空間的輔助加熱裝置(圖16、17)。上述輔助加熱裝置可用于在上述轉移反應部分的加熱溫度較低時加熱上述排氣空間。而且，在對生成的改性氣體進行處理的初期階段，也能夠對上述轉移反應部分進行預熱。
此外，在這種情況下，還在向外部排出上述排氣空間內的燃燒后氣體的排氣口上設置了開關，另外，可在上述轉移反應部分和上述CO氧化部分間插入與上述排氣空間交叉但連通的槽1，在上述CO氧化部分周圍設置與上述槽1連通的槽2(圖21)。該改性裝置利用上述開關來關閉上述排氣口，使上述排氣空間內的燃燒后氣體流入上述槽1，然后再流入槽2，此時上述轉移反應部分和CO氧化部分也可被流入槽1和槽2的燃燒后氣體加熱。此外，如果打開上述排氣口，則上述排氣空間的燃燒后氣體就從排氣口被排到外部，幾乎不流入槽1和槽2。因此，利用上述開關可控制上述排氣口的打開和關閉，自如地調節上述轉移反應部分和CO氧化部分的溫度。
上述槽2上最好設置可吸入外面空氣的空氣吸入口(圖22)。通過設置的空氣吸入口，利用上述開關關閉排氣口時，外面空氣被吸入槽2，單獨降低了流入其中的燃燒后氣體溫度，可對上述CO氧化部分進行更好的溫度控制。
此外，較好的是在上述排氣空間中心設置不燃性芯(圖10、11、14、15)。此時，上述排氣空間可獲得與上述燃燒室內的芯同樣的效果。
本發明的改性裝置較好的是至少在上述改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分中的一個部分表面設置熱傳導率高于構成該表面的材料的高傳熱材料(圖15)。即上述各反應部分沿氣體流向有生成溫度差的傾向，例如由于上述改性反應部分為吸熱反應，所以下風口的溫度降低，而上述轉移反應部分和CO氧化部分為放熱反應，所以下風口的溫度有上升的傾向。設置在上述反應部分表面的上述傳熱材料有消除溫度差的效果。
此外，本發明的改性裝置中，還可在上述CO氧化部分外表面設置散熱片(圖19、20)。通過設置的上述散熱片，如果從上述燃燒室向上述CO氧化部分間接傳遞的熱量過剩時，則利用該散熱片放熱，可將CO氧化部分的溫度控制在反應所需溫度范圍內。
本發明中，利用上述(2)的方法間接加熱上述轉移反應部分和CO氧化部分的改性裝置的另一個例子是具備直接流入來自上述燃燒室的燃燒后氣體的主排氣空間、將主排氣空間內的燃燒后氣體直接排到外部的主排氣口和控制主排氣口打開和關閉的開關。另外，還具備與主排氣空間交叉但連通的設置在該主排氣空間周圍的槽1，以及與槽1連通的設置在其周圍的槽2，上述轉移反應部分被設置在上述槽1內，上述CO氧化部分被設置在上述槽2內(圖23～26)。
該改性裝置中，如果利用上述開關關閉上述主排氣口，則來自上述燃燒室的燃燒后氣體流入上述槽1，再流入槽2，使上述槽1內的上述轉移反應部分和上述槽2內的上述CO氧化部分被燃燒后氣體加熱。另一方面，如果打開上述主排氣口，則來自上述燃燒室的燃燒后氣體主要通過上述主排氣空間從上述主排氣口排出，幾乎不流入上述槽1和槽2。此時，上述轉移反應部分和CO氧化部分主要靠來自上述主排氣空間的輻射傳熱和固體傳熱，以及流入上述部分的改性氣體自身的熱量來加熱，可將溫度控制在低于上述改性反應部分的溫度范圍內。所以，該改性裝置中，在生成改性氣體前的運轉初期，事先利用上述開關使上述主排氣口處于關閉狀態，使上述燃燒室內進行燃燒，這樣不僅可預熱上述改性反應部分，還可對上述轉移反應部分和CO氧化部分進行預熱，正常運轉時，打開上述主排氣口，就能夠很好地控制各反應部分的溫度。
還可在該改性裝置中設置將上述槽1內的燃燒后氣體排到外部的次排氣口和打開及關閉該次排氣口的開關(圖21～26)。此時，如果在上述主排氣口打開的狀態下打開上述次排氣口，則來自與上述主排氣空間交叉的部分的燃燒后氣體只有極少量流入上述槽1，其他從上述次排氣口排出。這樣，極少量流入槽1內的燃燒后氣體起到了將上述轉移反應部分的溫度提高到高于上述CO氧化部分溫度的作用。所以，能夠很好地控制各反應部分的溫度。
此外，較好的是將上述轉移反應部分和CO氧化部分中的至少一個部分設計成旋管狀(圖23～26)。此時，由于上述轉移反應部分和CO氧化部分為旋管狀，所以在利用燃燒后氣體加熱時，能夠獲得良好的熱交換率。
另外，較好的是在上述槽2上設置吸入外部空氣的空氣供給通道(圖23～26)。此時，利用上述槽2上的上述空氣供給通道吸入的外部空氣能夠調節上述CO氧化部分的溫度。
本發明的改性裝置較好的是將至少一部分供給上述原料改性部分改性原料和水蒸汽的原料供給通道設置在經過來源于上述原料改性部分熱源的熱量預熱的位置上(圖3～27)。
即，來自上述原料供給通道的改性原料和水蒸汽最終是以混合氣的狀態供給上述原料改性部分的，但如果能夠預熱上述原料供給通道，就能夠在上述原料供給通道內將水轉變為水蒸汽，這樣來自供給源的提供給上述原料供給通道的就可以不是水蒸汽而是水。所以，不用另外設置水蒸汽發生裝置，其結果是能夠使整個改性系統達到小型化目的。此外，預熱上述原料供給通道，可預先將改性原料和水蒸汽的溫度調整到水蒸汽改性反應所需溫度范圍內，所以在上述原料改性反應的初期不用降低改性催化劑溫度，就可直接開始改性反應。
上述情況中，對預熱上述原料供給通道的方法沒有特別限定，例如，可使至少一部分上述原料供給通道與上述3個反應部分的至少一個部分的表面連接(圖3～6,8～24,26)；或將至少一部分上述原料供給通道設置在與來自上述原料改性部分熱源的燃燒后氣體相接觸的位置上(圖7)；或將其設置在被上述原料改性部分熱源直接加熱的位置上(圖25和27)。
此外，本發明的改性裝置中，上述原料改性部分的熱源為催化燃燒而放出的熱量時，較好是設置可預熱該熱源的燃燒催化劑的預熱裝置(圖18)。上述熱源為催化燃燒而放出的熱量時，如果燃燒催化劑的溫度達不到一定程度以上而無法引起燃燒反應，則利用上述預熱裝置預熱燃燒催化劑，就可在燃燒開始初期直接開始燃燒。
本發明的改性裝置對水蒸汽改性反應的反應溫度較高的改性原料特別有效，例如，所用改性原料為丁烷時，上述改性反應部分的溫度需控制在400～1000℃，上述轉移反應部分和上述CO氧化部分的溫度則分別控制在200～350℃和100～250℃的范圍內。如果上述改性反應部分的反應溫度較高，則其與上述轉移反應部分和上述CO氧化部分的溫度差就較大，對溫度就難以控制。但是，如上所述，本發明的改性裝置由3個各自獨立的反應部分構成，上述改性反應部分由熱源直接加熱，易于將溫度控制在高溫區域，而上述轉移反應部分和CO氧化部分則由熱源的傳遞熱間接加熱，易于將溫度控制在低溫區域。
對附圖的簡單說明圖1為以圖解表示的本發明實施例1的改性裝置的剖面斜視圖。
圖2為以圖解表示的本發明實施例2的改性裝置主要部分的剖面圖。
圖3為以圖解表示的本發明實施例3的改性裝置主要部分的剖面圖。
圖4為以圖解表示的本發明實施例4的改性裝置主要部分的剖面圖。
圖5為以圖解表示的本發明實施例5的改性裝置的剖面圖。
圖6為以圖解表示的本發明實施例6的改性裝置的剖面圖。
圖7為以圖解表示的本發明實施例7的改性裝置主要部分的剖面圖。
圖8為以圖解表示的本發明實施例8的改性裝置的剖面圖。
圖9為以圖解表示的本發明實施例9的改性裝置的剖面圖。
圖10為以圖解表示的本發明實施例10的改性裝置的剖面圖。
圖11為以圖解表示的本發明實施例11的改性裝置的剖面圖。
圖12為以圖解表示的本發明實施例12的改性裝置的剖面圖。
圖13為實施例12的改性裝置的斜視圖。
圖14為以圖解表示的本發明實施例13的改性裝置的剖面圖。
圖15為以圖解表示的本發明實施例14的改性裝置的剖面圖。
圖16為以圖解表示的本發明實施例15的改性裝置的剖面圖。
圖17為以圖解表示的本發明實施例16的改性裝置的剖面圖。
圖18為以圖解表示的本發明實施例17的改性裝置的剖面圖。
圖19為以圖解表示的本發明實施例18的改性裝置的剖面圖。
圖20(A)和(B)為實施例18的改性裝置經過改進后的主要部分的剖面圖。
圖21為以圖解表示的本發明實施例19的改性裝置的剖面圖。
圖22為以圖解表示的本發明實施例20的改性裝置的剖面圖。
圖23為以圖解表示的本發明實施例21的改性裝置的剖面圖，(A)表示開始運轉時的狀態，(B)表示正常運轉時的狀態。
圖24為以圖解表示的本發明實施例22的改性裝置的剖面圖。
圖25為以圖解表示的本發明實施例23的改性裝置的剖面圖。
圖27為以圖解表示的本發明實施例25的改性裝置的剖面圖，(A)表示開始運轉時的狀態，(B)表示正常運轉時的狀態。
實施發明的最佳狀態以下，對本發明改性裝置的實施狀態進行說明，為了便于說明，使改性裝置上下方向與圖的紙面的上下方向一致，對各構成進行說明。
實施例1首先，對本發明實施例1的改性裝置進行說明。這里，將實施例1～7作為一組，表示主要部分具有相同結構的改性裝置，實施例1為它們的基本形。
實施例1的改性裝置如圖1所示，具備作為熱源的近似筒狀的燃燒室1，其周圍設置了對改性原料進行水蒸汽改性，生成以氫為主成分的改性氣體的改性反應部分2。該改性反應部分2周圍設置了轉移反應部分3和CO氧化部分4，轉移反應部分3能夠利用水性轉移反應使改性反應部分2生成的改性氣體中所含的CO減少，CO氧化部分4能夠氧化經過轉移反應部分3處理后的改性氣體中所含的CO，使其進一步減少。上述改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4都是互相獨立的，它們以同心狀態分布。
上述燃燒室1被設置在近似圓筒狀的該改性裝置的中心部分。燃燒室1以軸向為上下方向，其上方開口，下方設置了作為燃燒裝置9的燃燒嘴9a。此外，燃燒室1不限于圓筒狀，還可以是方筒狀的，燃燒裝置9還可使用其他如催化燃燒等方法。
上述改性反應部分2是沿燃燒室1的外周，在形成環狀層的氣體通道內填入改性催化劑而構成的，由燃燒室直接加熱。而且，改性反應部分2中設置了用于供給改性原料和水蒸汽的原料供給通道6。實施例1中，原料供給通道6被連接在改性反應部分2的下端。
上述改性催化劑能夠引起所謂的水蒸汽改性反應，即在高溫下使改性原料和水蒸汽的混合氣接觸，生成以氫為主成分的改性氣體。例如，可使用在氧化鋁或氧化鋯等形成的載體上載有Ni、Rh、Ru等金屬的催化劑。改性反應部分2中，改性原料和水蒸汽的混合氣通過改性催化劑粒子間的縫隙與改性催化劑接觸，進行水蒸汽改性反應，生成了以氫為主成分的改性氣體。改性氣體中除了氫氣之外，還混合了二氧化碳、一氧化碳和甲烷等。該水蒸汽改性反應為吸熱反應，利用燃燒室1的熱量直接加熱，提供反應熱。所以，該水蒸汽改性反應的改性原料為烴類氣體時，一般反應溫度在約500℃以上為好。上述改性原料包括為氣體的甲烷、丙烷、丁烷等烴類氣體，常溫下為液體的醇類和汽油、燈油、石腦油等。因此，原料氣體為丁烷時，利用上述水蒸汽改性反應，能夠獲得氫含量約70％、二氧化碳含量約15％、一氧化碳含量約10％、其他如甲烷等含量為余份的改性氣體。通過適當調節燃燒室1的燃燒嘴9a中火焰的大小等能夠控制該改性反應部分2的加熱溫度。
轉移反應部分3和CO氧化部分4利用隔壁8沿改性反應部分2的外周設置。轉移反應部分3由與改性反應部分2連通，且在沿改性反應部分2的外周形成環狀層的氣體通道中的上風口側填充轉移催化劑而構成，CO氧化部分4是在上述氣體通道中的下風口側與上述轉移反應部分3形成間隔并填充CO氧化催化劑而構成的。在連接轉移反應部分3和CO氧化部分4的連接部分中設置了吸入空氣的空氣供給通道5。實施例1中，轉移反應部分3被設置在改性反應部分2的上方外周側，它們的上端是連通的，CO氧化部分4則被設置在改性反應部分2下方外周側，其上端與轉移反應部分3的下端相連。在CO氧化部分4的下端設置了排出被除去了CO的改性氣體的改性氣體排出通道7。
上述轉移催化劑可通過水性轉移反應使改性反應部分2生成的改性氣體中所含的CO減少，例如，可使用在氧化鋁或氧化鋯等形成的載體上載有Cu、Zn、Fe、Cr等而構成的催化劑。轉移反應部分3通過改性反應部分2生成的改性氣體與轉移催化劑的接觸，使改性氣體中所含的一氧化碳與水蒸汽進行轉移反應，轉變為氫氣和二氧化碳，這樣就能夠除去改性氣體中的大部分一氧化碳，使其濃度降至1％左右。上述轉移反應為放熱反應，該反應是在比改性反應部分2的水蒸汽改性反應溫度低的溫度范圍內進行的。因此，使用烴類氣體作為轉移反應的原料氣體時，反應溫度約為200～350℃，較好為220～300℃。
另外，CO氧化催化劑能夠使經過轉移反應部分3處理后的改性氣體中殘存的CO選擇性地被氧化，從而進一步減少CO，例如，可使用在氧化鋁或氧化鋯等形成的載體上載有Pt、Ru等而構成的催化劑。CO氧化部分4中，在轉移反應部分3中CO有所減少的改性氣體與通過空氣供給通道5吸入的空氣(氧氣)混合后，與上述CO氧化催化劑接觸，選擇性地將CO氧化為二氧化碳而將其除去。這時，改性氣體中的CO濃度被進一步降低，達到100ppm以下的程度。利用CO氧化催化劑進行的一氧化碳的氧化反應為放熱反應，可在低于上述轉移反應溫度的范圍內進行。因此，其反應溫度約為100～250℃，較好的是在120～180℃的范圍內。
設置在改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4之間的隔壁8具有調節傳遞熱的功能，即上述改性反應部分的余熱仍舊高于所需溫度，但為了不使熱直接傳遞給位于其外側的轉移反應部分3和CO氧化部分4，在一定程度上減少了所傳遞的熱量，將來自改性反應部分2的傳遞熱的溫度調節到轉移反應部分3和CO氧化部分4所需的反應溫度范圍內。例如，可使用公知的隔熱材料和中空層等，通過適當調節其材質和厚度，能夠獲得適宜的調節傳遞熱的效果。
該改性裝置中，以燃燒室1為中心，沿其外周，以同心狀一體化設置了改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4，所以，能夠使獲得除去了CO的改性氣體的整個改性體系達到小型化目的。而且，燃燒室1的熱量被高溫下進行作為吸熱反應的水蒸汽改性反應的改性反應部分2消耗，其余熱被間接傳遞給外側的轉移反應部分3和CO氧化部分4，這樣，燃燒室1的熱量就被改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4有效利用，能夠減少熱量損失。特別是由于改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4以同心狀設置，所以，對應于作為熱源的燃燒室1不會出現局部偏差，獲得了良好的平衡，同時也減少了反應部分內的溫度差。此外，來自改性反應部分2的傳遞熱通過隔壁5被調整到適宜溫度后，被傳遞到比改性反應部分2溫度低的外側的轉移反應部分3和CO氧化部分4，所以，轉移反應部分3和CO氧化部分4能夠在適宜的反應溫度范圍內進行反應。
實施例2以下，對實施例2的改性裝置進行說明。實施例2的改性裝置如圖2所示，其改性反應部分2和轉移反應部分3通過迂回于轉移反應部分3和CO氧化部分4外側的迂回通道10相連，這點與實施例1是不同的。實施例2中，轉移反應部分3被設置在改性反應部分2的下方外周側，CO氧化部分4被設置在改性反應部分2的上方外周側，上述迂回通道10與改性反應部分2的上端和轉移反應部分3的下端相連，改性氣體排出通道7被設置在CO氧化部分4的上端。
實施例2的改性裝置中，產生于改性反應部分2的高溫改性氣體通過迂回通道10放熱，達到轉移反應部分3所需的溫度范圍，然后該氣體被送入轉移反應部分3，這樣轉移反應部分3就能夠順利進行反應。
此外，由于轉移反應部分3位于改性反應部分2的下方外周側，CO氧化部分4位于改性反應部分2的上方外周層，所以對應于改性反應部分2的溫度分布，相應地設定了轉移反應部分3和CO氧化部分4的位置。即，在改性反應部分2的下方靠近燃燒室1的燃燒嘴9的位置為高溫側，而其上方遠離燃燒嘴9的位置為低溫側。如前所述，轉移反應部分3的反應溫度區域高于CO氧化部分4，這樣就能夠很好地控制轉移反應部分3和CO氧化部分4的溫度。
實施例3以下，對實施例3的改性裝置進行說明。實施例3的改性裝置如圖3所示，在改性反應部分2和轉移反應部分3及CO氧化部分4之間介有隔壁8，其內部從上至下設置了原料供給通道6，這點與實施例1是不同的。
實施例3的改性裝置中，通過上述原料供給通道6的改性原料和水蒸汽的混合氣被改性反應部分2預熱后才傳遞至改性反應部分2。所以，改性原料和水蒸汽的混合氣在進入改性反應部分2后能夠很快被加熱至反應溫度范圍，能夠容易地控制改性反應部分2中的溫度。而且，原料供給通道6是同時提供改性原料和水的，所以，能夠在該原料供給通道6內產生水蒸汽，這樣就不需要另外設置水蒸汽發生裝置。
實施例4以下，對實施例4的改性裝置進行說明。實施例4的改性裝置如圖4所示，它與實施例3中的改性反應部分2、轉移反應部分3、CO氧化部分4和原料供給通道的設置是上下相反的，即轉移反應部分3被設置在改性反應部分2下方外周側，而CO氧化部分4被設置在改性反應部分2上方外周側，原料供給通道6在隔壁8內從下至上設置，與改性反應部分2的上端相連。
該改性裝置中，與實施例3同樣，能夠利用改性反應部分2的熱對原料供給通道6進行預熱，而且，與實施例2同樣，對應于改性反應部分2的溫度分布，相應地設定了轉移反應部分3和CO氧化部分4的位置。所以，能夠很好地控制該改性裝置各反應部分的溫度。
實施例5以下，對實施例5的改性裝置進行說明。實施例5的改性裝置如圖5所示，它是將實施例3的設置在隔壁8內的原料供給通道6呈旋管狀安裝在改性反應部分2的周圍而構成的。這種情況下，原料供給通道6的預熱很充分，而且，具有與隔壁8同樣的調節傳遞熱的作用，即流入其內部的改性原料和水蒸汽的混合氣吸收了來自改性反應部分2的過剩的傳遞熱，這樣就對傳遞給轉移反應部分3和CO氧化部分4的熱的溫度進行了調節。
實施例6以下，對實施例6的改性裝置進行說明。實施例6的改性裝置如圖6所示，它是將實施例1的原料供給通道6呈旋管狀安裝在轉移反應部分3和CO氧化部分4的外周而構成的。這種情況下，利用轉移反應部分3和CO氧化部分4的熱量對原料供給通道6進行預熱，這樣就能夠將從轉移反應部分3和CO氧化部分4放出的廢熱用于原料供給通道6的預熱，有效地利用熱源的熱量，減少熱損失。
實施例7以下，對實施例7的改性裝置進行說明。實施例7的改性裝置如圖7所示，在其構造中，改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4的設置與實施例1上下相反，一部分原料供給通道6呈旋管狀導入靠近燃燒室1內部上端，同時與改性反應部分2的上端相連。這種情況下，利用燃燒室1的燃燒后氣體對原料供給通道6進行預熱，與燃燒后氣體同時從燃燒室1排出的廢熱也被用于原料供給通道6的預熱，這樣就有效地利用了熱源的熱量，減少了熱損失。
實施例8以下，對實施例8的改性裝置進行說明，這里將實施例8～20作為一組，表示主要部分具有同樣結構的改性裝置，實施例8為它們的基本形。
實施例8的改性裝置如圖8所示，在中心位置沿軸向上下設置了圓筒狀燃燒室1，在其周圍連接設置了改性反應部分2。在燃燒室1上方，與該燃燒室1同軸上連接設置了流向上方的來自燃燒室1的燃燒后氣體的排氣空間14。該排氣空間14周圍設置了轉移反應部分3，在轉移反應部分3的周圍有一空隙層，在其周圍設置了CO氧化部分4。
原料供給通道6被連接在改性反應部分2的下端。該原料供給通道6由只供給改性原料的原料用導管6a和供給水蒸汽(水)的水蒸汽導管6b在中途匯合而構成。上述水蒸汽導管6b的一部分與改性反應部分2的外周相連，被改性反應部分2的熱量預熱。
而且，改性反應部分2的上端和轉移反應部分3的下端通過連接管12相連。轉移反應部分3的上端和CO氧化部分4的上端通過連接管13相連。該連接管13中設置了CO氧化部分4所需的用于吸入空氣的空氣供給通道5，在CO氧化部分4的下端設置了改性氣體排出通道7。
燃燒室1內部填充了作為燃燒裝置9的燃燒催化劑9b。該燃燒催化劑9b可使用載體上載有Pt、Ru、Pd、Rh等構成的催化劑。而且，燃燒室1的下端連接了用于提供燃氣和燃燒用空氣的燃料供給通道11。該燃料供給通道11在與燃燒室1的入口相連的位置上有一個孔11a，這樣能夠勻速地將燃氣送入燃燒室1內。此外，燃燒室1中作為燃燒裝置9還可使用燃燒嘴。
以下，對該改性裝置的操作進行說明。首先從燃料供給通道11將燃氣和空氣導入燃燒室1，使它們與燃燒催化劑9b接觸，燃燒并放熱。在燃燒室1中燃燒后的排氣通過排氣空間14被排到外部。另一方面，從原料供給通道6將改性原料和水蒸汽的混合氣導入改性反應部分2。此時，水蒸汽導管6b中提供的是水，但水能夠在中途被改性反應部分2的熱量預熱而轉變為水蒸汽，然后與改性原料混合。改性原料轉變為改性反應部分2中的含有CO的改性氣體，然后使其依次通過轉移反應部分3和CO氧化部分4，轉變為除去了CO的改性氣體，接著從改性氣體排出通道7排出。上述情況下，改性反應部分2直接由燃燒室1加熱，其溫度被控制在最高溫區域，而轉移反應部分3被流入了燃燒后氣體的排氣空間14加熱，其溫度被控制在低于改性反應部分2的低溫區域，CO氧化部分4由轉移反應部分3的傳遞熱加熱，其溫度被控制在低于轉移反應部分3的低溫區域。這樣通過直接加熱改性反應部分2，間接加熱轉移反應部分3和CO氧化部分4，能夠很好地控制溫度。此外，由于這些反應部分是同心設置的，所以溫度偏差很小。另外，在CO氧化部分4外部設置的風扇等會吹入冷卻風，這樣就更易于溫度的控制。
實施例9以下，對實施例9的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖9所示，通過在實施例8的燃燒室1內的中心位置設置不燃性芯16而構成。該芯16是中空的，熱容量較小。通過設置該芯16，使燃燒室1內的燃燒氣體通道變窄，其結果是加快了燃燒氣體的流速，提高了與改性反應部分2的熱交換率。而且，加熱改性反應部分2主要是利用流入燃燒室1內周附近的燃燒氣體，而不是利用流入燃燒室1中心位置的燃燒氣體，這樣就提高了燃燒氣體從燃燒室1排出的可能性，芯16占據了燃燒室1的中心位置，燃燒氣體流入燃燒室1的內周附近，這樣就減少了熱損失。
實施例10以下，對實施例10的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖10所示，通過在實施例8的排氣空間14內的中心位置設置不燃性芯17而構成。該芯17是中空的，而且熱容量較小。該芯17的作用與實施例9所述相同，使排氣空間14內的燃燒后氣體通道變窄，其結果是加快了燃燒氣體的流速，提高了與轉移反應部分3的熱交換率。此外，燃燒氣體不被導入對轉移反應部分3的加熱沒有多大作用的排氣空間14的中心位置能夠減少熱損失。
實施例11以下，對實施例11的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖11所示，通過在燃燒室1和排氣空間14的中心位置分別設置芯16和17而構成。該改性裝置能夠獲得實施例9和實施例10所述的相乘效果。
實施例12以下，對實施例12的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖12、圖13所示，通過在實施例8的燃燒室1和排氣空間14間設置用于吸入外部空氣的空氣吸入口18而構成。具體來講就是空氣吸入口18具有在與燃燒室1和排氣空間14相連部分周圍的環狀通道18b和以環狀形成于上述連接部分的多個開口18a，從空氣吸入口18吸入的空氣從環狀通道18b出來在上述連接部分周圍沿圓周流動，再從形成環狀的多個開口18a被均勻地吸入燃燒后氣體通道。這種情況下，剛從燃燒室1出來的高溫燃燒后氣體被空氣吸入口18吸入的外部空氣冷卻至適宜溫度，進行溫度調節后被送入排氣空間14，然后對轉移反應部分3的加熱溫度進行調整。此外，圖13的斜視圖中，11b為燃料供給通道11中只裝有燃氣的燃料導管，11c為燃料供給通道11中只裝有燃燒用空氣的空氣導管。而且，50為用于插入檢查改性反應部分2中溫度的熱電偶等裝置的插入口，51為用于插入檢查CO氧化部分4中溫度的熱電偶等裝置的熱電偶插入口，52為用于插入檢查轉移反應部分3中溫度的熱電偶等裝置的熱電偶插入口，53為改性催化劑的填充口。
實施例13以下，對實施例13的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖14所示，通過在實施例12的燃燒室1和排氣空間14的中心位置分別設置16和17而構成。這種情況下，能夠獲得實施例11和實施例12所述的相乘效果。
實施例14以下，對實施例14的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖15所示，通過在實施例11的改性反應部分2、轉移反應部分3和CO氧化部分4的表面設置熱傳導率高于形成該表面的材料的高傳熱性材料19而構成。該傳熱材料19具有使各反應部分中氣體流向的溫度分布均一化的作用。即，上述各反應部分沿氣體流向有產生溫度差的傾向，例如，由于改性反應部分2為吸熱反應，所以下風口的溫度下降，而轉移反應部分3和CO氧化部分4為放熱反應，所以下風口的溫度有上升的趨勢。利用設置在上述反應部分表面的傳熱材料19能夠使溫度差減小。上述反應部分的表面材料可以是自身具備較高的熱傳導率的材料，由于它是在加熱下被使用的，所以要求其具備耐熱性，另外還要求耐腐蝕性和耐久性，綜合起來考慮，可使用不銹鋼等，又，作為傳熱材料19還可使用銅或鋁等。它們雖然在耐熱性和強度方面比不銹鋼差，但熱傳導率良好。
實施例15以下，對實施例15的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖16所示，通過在實施例12的燃燒室1內的中心位置設置芯16，在燃燒室1和排氣空間14的連接部分內設置作為加熱排氣空間14的輔助加熱裝置的燃燒嘴20而構成。圖中，21為燃燒嘴20的點火裝置，該燃燒嘴20在轉移反應部分3的加熱溫度較低時，能夠對排氣空間14進行加熱，而且，在生成改性氣體的初期，還可用于對轉移反應部分3的預熱。
實施例16以下，對實施例16的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖17所示，通過在實施例15的排氣空間14內設置燃燒催化劑22的填充部位，在排氣空間14的入口設置由燃燒催化劑形成的催化劑網23而構成。該改性裝置中，燃燒嘴20的使用方法除了與實施例15所述相同之外，還可利用燃燒嘴20的火焰對催化劑網23和燃燒催化劑22進行初期加熱，將它們作為排氣空間14的輔助加熱裝置使用。而且，燃燒催化劑22的燃燒使用了燃燒嘴20和空氣吸入口18提供的燃料、殘存于來自燃燒室1的燃燒后氣體中的氧和空氣吸入口18吸入的空氣。
然后，對實施例17的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖18所示，通過在實施例8的燃燒室1入口設置作為用于預熱燃燒室1內的燃燒催化劑9b的預熱裝置的由燃燒催化劑形成的催化劑網25，在燃料供給通道6設置點火裝置24而構成。燃燒室1的熱源為催化燃燒后的熱量時，如果燃燒催化劑9b的溫度達不到一定程度以上而無法引起燃燒反應，就可利用上述點火裝置24點燃燃氣，通過比較容易被加熱的催化劑網25使燃燒反應開始，通過預熱燃燒催化劑9b，能夠在燃燒開始初期立即開始燃燒。
實施例18以下，對實施例18的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖19所示，通過在實施例8的CO氧化部分4外周設置散熱片26而構成。這種情況下，各反應部分中要求反應溫度最低的CO氧化部分4的溫度可通過上述散熱片26的放熱來控制。散熱片26的放熱量可通過改變其數量、長度或冷卻風的方向來調節。而且，如圖20(A)(B)所示，使散熱片26的高度沿CO氧化部分4的氣流方向變化，能夠改善CO氧化部分4內的溫度分布。
實施例19以下，對實施例19的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖21所示，通過在實施例12的使排氣空間14內的燃燒后氣體排到外部的排氣口27上設置作為開關的蓋子28，在轉移反應部分3和CO氧化部分4之間設置與排氣空間14交叉且連通的第1槽29，在CO氧化部分4周圍設置與第1槽29連通的第2槽30而構成。第1槽29與排氣空間14的上端連通，第2槽30的下端與第1槽29的下端連通。第2槽30的上端向外開口，能夠排氣。
該改性裝置中，利用蓋子28使排氣口27打開，能夠使排氣空間14內的燃燒后氣體流向第1槽29，再流向第2槽30，此時，轉移反應部分3和CO氧化部分4也可被流入第1槽29和第2槽30的燃燒后氣體加熱。另一方面，打開蓋子28使排氣口27處于開放狀態時，排氣空間14的燃燒后氣體從該排氣口27排到外部，幾乎不流向第1槽29和第2槽30。因此，通過蓋子28控制排氣口27的開關，能夠自如地調節轉移反應部分3和CO氧化部分4的溫度。
實施例20以下，對實施例20的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖22所示，通過在實施例19的第2槽30上設置用于吸入外部空氣的空氣吸入口31而構成。該空氣吸入口31在第1槽29和第2槽30的連通處開口，導入外部空氣。這種情況下，從空氣吸入口31向第2槽30中導入外部空氣，冷卻了CO氧化部分4，使這部分溫度得到控制。
實施例21以下，對實施例21的改性裝置進行說明。這里將實施例21～24作為一組，表示主要部分具有同樣的結構的改性裝置。實施例21是它們的基本形。
實施例21的改性裝置如圖23(A)(B)所示，通過沿軸向上下設置圓筒狀燃燒室1，在燃燒室1內以同心狀導入旋管狀改性反應部分2，燃燒室1的上方設置將來自燃燒室1的燃燒后氣體直接排到外部的主排氣口36，在該主排氣口36上設置作為開關的第1蓋子37，在主排氣空間32周圍設置與該主排氣空間32交叉但連通的第1槽33，在該第1槽33周圍設置與第1槽33連通的第2槽34，在第1槽33內設置轉移反應部分3，在第2槽34內設置CO氧化部分4而構成。
燃燒室1內部填充了作為燃燒裝置9的燃燒催化劑9b。而且，在燃燒室1下端連接了用于導入燃氣和燃燒用空氣的燃料供給通道11。該燃料供給通道11在與燃燒室1入口相連的位置有一個孔11a，能夠將燃氣勻速地送入燃燒室1內。而且，燃燒室1中作為燃燒裝置9也可使用燃燒嘴。
改性反應部分2是在旋管狀導管內填入改性催化劑而形成的，改性反應部分2的上端從燃燒室1上部導向外部，與原料供給通道6相連。該原料供給通道6由只提供改性原料的原料用導管6a和提供水蒸汽(水)的水蒸汽導管6b在中途匯合而構成。上述水蒸汽導管6b的一部分接于燃燒室1的外周呈夾套狀，能夠被燃燒室1的熱量預熱。而且，改性反應部分2的下端從燃燒室1的下部導向外部，與連接該改性反應部分2和轉移反應部分3的連接管12相連。
轉移反應部分3是在旋管狀導管內填入轉移催化劑而形成的，在第1槽33內由下至上盤旋而導入。上述連接管12與轉移反應部分3的下端相連。
CO氧化部分4是在旋管狀導管內填入CO氧化催化劑而形成的，在第2槽34內由上至下盤旋而導入。CO氧化部分4的上端與轉移反應部分3的上端通過連接管13相連。該連接管13上設置了用于吸入CO氧化部分4所需的空氣的空氣供給通道5。CO氧化部分4的下端與向外部導出的改性氣體排出通道7相連。
第1槽33的下端與主排氣空間32連通，其上端與第2槽34連通。而且，在第1槽33的上端設置了將內部的燃燒后氣體排到外部的次排氣口39，在第2槽34的外周還形成了第3槽35，第2槽34和第3槽35在下端是連通的。第2槽34和第3槽35共同的上端部分是開口的。在第2槽34下端設置了用于吸入外部空氣的空氣供給通道40。
主排氣空間32上端的主排氣口36比上述第1～第3槽的上端位置低，而且，該改性裝置上端還設置了包含主排氣口36上方在內，且跨過上述第1槽和第2槽的能夠自由開關的封閉的第2蓋子38。
該改性裝置如圖23(A)所示，通過同時關閉第1蓋子37和第2蓋子38，能夠堵住主排氣口36、次排氣口39和第2槽34的上端開口部分。如果在此狀態下使燃燒室1內部燃燒，則來自燃燒室1的燃燒后氣體能夠從下至上流入第1槽33，再從第1槽33的上端往下流入第2槽34，然后從第2槽34的下端往上流入第3槽，最后排到外部。這種情況下，改性反應部分2被燃燒室1內的高溫燃氣加熱，而第1槽33內的轉移反應部分3和第2槽34內的CO氧化部分4被來自燃燒室1的燃燒后氣體加熱。這樣各反應部分就都被預熱了。
然后，如圖23(B)所示，如果打開第1蓋子37和第2蓋子38，使主排氣口36、次排氣口39和第2槽34上端的開口部分處于開放狀態，則來自燃燒室1的燃燒后氣體主要通過主排氣空間32，從主排氣口36排出，只有少量上述燃燒后氣體流入第1槽33，從次排氣口39排出，幾乎不流入第2槽34。此時，轉移反應部分3被極少量流入的燃燒后氣體、來自主排氣空間32的輻射熱和固體傳熱、流入其內部的改性氣體自身具有的熱量加熱。因此，轉移反應部分3的溫度被控制在比改性反應部分2低的區域。另一方面，CO氧化部分4被來自轉移反應部分3的輻射熱和傳遞熱、流入其內部的改性氣體自身具有的熱量加熱。由于該CO氧化部分4沒有被燃燒后氣體加熱，且上述輻射熱和固體傳熱都較弱，所以其溫度被控制在低于轉移反應部分3的范圍內。將CO氧化部分4的溫度控制在較低區域時，可在第2槽34內流入來自空氣供給通道40的外部空氣。此外，第1蓋子37和第2蓋子38的開關隨時間可任意設定。
該改性裝置在生成改性氣體前的運轉初期，以預先關閉第1蓋子37和第2蓋子38的狀態使燃燒室1燃燒，這樣不僅能夠預熱改性反應部分2，還能夠對轉移反應部分3和CO氧化部分4進行預熱，在正常運轉時，打開第1蓋子37和第2蓋子38，能夠很好地控制各反應部分的溫度。
實施例22以下，對實施例22的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖24所示，通過在實施例21的燃燒室1內的中心位置設置不燃性芯16而構成。由于該芯16的存在，使燃燒室1內的氣體通道變窄，流速加快，提高了改性反應部分2和燃氣的熱交換率。而且，燃燒室1內，燃燒催化劑9b只填充在其下側部分。即，燃燒催化劑9b沒有填滿整個燃燒室1，也能夠順利進行燃燒反應，除去過剩的燃燒催化劑9b，能夠減少燃氣的壓力損失。
實施例23以下，對實施例23的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖25所示，通過在實施例21的燃燒室1內的中心位置設置中空芯16，在芯16內設置為改性反應部分2提供改性原料和水蒸汽的原料供給通道6而構成。這種情況下，改性原料和水蒸汽能夠在芯16內被預熱，而且，芯16內還能夠產生水蒸汽。
實施例24以下，對實施例24的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖26所示，通過在實施例22的芯16內設置為燃燒室1的燃燒催化劑9b提供燃料和燃燒用空氣的燃料供給通道11而構成。由于這種情況是預熱燃料和燃燒用空氣之后才將它們提供給燃燒室1的燃燒催化劑9b的，所以能夠利用燃燒催化劑9b很好地進行燃燒反應。
實施例25以下，對實施例25的改性裝置進行說明。該改性裝置如圖27(A)(B)所示，通過沿軸向上下設置圓筒狀燃燒室1，然后在燃燒室1內以同心狀導入旋管狀改性反應部分2。燃燒室1上方設置直接將來自燃燒室1的燃燒后氣體排到外部的主排氣口41，該主排氣口41上設置作為開關的蓋子42，在燃燒室1周圍設置與燃燒室1側壁上部連通的第1槽43，該第1槽43周圍設置與該第1槽43下端連通的第2槽44，在第2槽44內設置旋管狀CO氧化部分4而構成。
燃燒室1內填充了作為燃燒裝置9的燃燒催化劑9b。燃燒室1下端連接了提供燃氣和燃燒用空氣的燃料供給通道11。該燃料供給通道11在與燃燒室1入口相連的位置有一個孔11a，能夠將燃氣勻速地送入燃燒室1內。而且，燃燒室1中作為燃燒裝置9也可使用燃燒嘴。
改性反應部分2是在旋管狀導管內填入改性催化劑而形成的，改性反應部分2的上端從燃燒室1上部導向外部，與原料供給通道6相連。該原料供給通道6由只提供改性原料的原料用導管6a和提供水蒸汽(水)的水蒸汽導管6b在中途匯合而構成。上述水蒸汽導管6b的一部分接于燃燒室1的外周呈夾套狀，能夠被燃燒室1的熱量預熱。而且，改性反應部分2的下端通過燃燒室1的中心位置從燃燒室1的上側導出的連接管與轉移反應部分3的上端相連。
轉移反應部分3是在旋管狀導管內填入轉移催化劑而形成的，在第1槽43內由上至下盤旋而導入。
CO氧化部分4是在旋管狀導管內填入CO氧化催化劑而形成的，在第2槽44內由下至上盤旋而導入。CO氧化部分4的下端與轉移反應部分3的下端通過連接管相連。上述連接管上設置了用于吸入CO氧化部分4所需的空氣的空氣供給通道5。CO氧化部分4的上端與向外部導出的改性氣體排出通道7相連。
第2槽44下端設置了吸入外部空氣的空氣供給通道45。
該改性裝置如圖27(A)所示，如果關閉蓋子42，堵住主排氣口41，以此狀態使燃燒室1內部燃燒，則來自燃燒室1的燃燒后氣體從上而下流入第1槽43，再往上流入第2槽44，然后排到外部。這種情況下，改性反應部分2被燃燒室1內的高溫燃氣加熱，而第1槽43內的轉移反應部分3和第2槽44內的CO氧化部分4被來自燃燒室1的燃燒后氣體加熱。這樣各反應部分就都被預熱了。
然后，如圖27(B)所示，如果打開蓋子42，使排氣口41處于開放狀態，則來自燃燒室1的燃燒后氣體主要從主排氣口41排出，幾乎不流入第1槽43和第2槽44。此時，轉移反應部分3被來自燃燒室1的輻射熱和固體傳熱、流入其內部的改性氣體自身具有的熱量加熱。因此，轉移反應部分3的溫度被控制在比改性反應部分2低的區域。另一方面，CO氧化部分4被來自轉移反應部分3和第1槽43的輻射熱和傳遞熱、流入其內部的改性氣體自身具有的熱量加熱。由于加熱該CO氧化部分4的上述輻射熱和固體傳熱都較弱，所以其溫度被控制在低于轉移反應部分3的范圍內。將CO氧化部分4的溫度控制在較低區域時，可在第2槽44內流入來自空氣供給通道45的外部空氣。
該改性裝置在生成改性氣體前的運轉初期，以預先關閉第1蓋子41的狀態使燃燒室1燃燒，這樣不僅能夠預熱改性反應部分2，還能夠對轉移反應部分3和CO氧化部分4進行預熱，在正常運轉時，打開第1蓋子41，能夠很好地控制各反應部分的溫度。
產業上利用的可能性本發明的改性裝置對提供作為例如燃料電池的發電燃料的改性氣體有用。即，該改性裝置通過很好地控制各反應部分的溫度，能夠制得CO濃度充分降低的優質改性氣體。特別是使各反應部分連成一體，易于達到小型化目的，對燃料電池體系的小型化很有效。
權利要求
1．一種改性裝置，其特征在于，具備獨立但一體化設計的包含燃氣燃燒放熱而形成的熱源、從熱源直接獲得反應熱、對改性原料進行水蒸汽改性、生成以氫為主成分的改性氣體的原料改性部分，利用水性轉移反應使原料改性部分生成的改性氣體中所含的CO減少的轉移反應部分，以及使經過轉移反應部分處理后的改性氣體中所含CO氧化而進一步減少的CO氧化部分；上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分被設置成上述轉移反應部分和CO氧化部分被來自上述原料改性部分的熱源的傳遞熱間接加熱的狀態。
2．如權利要求1所述的改性裝置，其特征還在于，上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分以同心狀設置，至少上述CO氧化部分被設置在外周側。
3．如權利要求2所述的改性裝置，其特征還在于，上述原料改性部分由作為上述熱源的近似筒狀的燃燒室和對改性原料進行水蒸汽改性、生成以氫為主成分的改性氣體的改性反應部分構成，上述改性反應部分、上述轉移反應部分、上述CO氧化部分與上述燃燒室以同心狀設置。
4．如權利要求3所述的改性裝置，其特征還在于，上述改性反應部分被導入上述燃燒室內，以同心狀設置。
5．如權利要求3所述的改性裝置，其特征還在于，上述改性反應部分與上述燃燒室的外周相連，呈夾套狀。
6．如權利要求3～5的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，上述燃燒室的中心設置了不燃性芯。
7．如權利要求5或6所述的改性裝置，其特征還在于，上述改性反應部分外周設置了上述轉移反應部分和CO氧化部分。
8．如權利要求7所述的改性裝置，其特征還在于，上述改性反應部分和上述轉移反應部分及CO氧化部分之間設置了具有調節傳遞熱功能的隔壁。
9．如權利要求7或8所述的改性裝置，其特征還在于，連接上述改性反應部分和上述轉移反應部分的通道迂回設置在上述轉移反應部分和上述CO氧化部分外側。
10．如權利要求7～9的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，對應于上述改性反應部分的溫度分布，在該改性反應部分的高溫側設置了上述轉移反應部分，在其低溫側設置了上述CO氧化部分。
11．如權利要求1～6的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，被來自上述原料改性部分熱源的燃燒后氣體加熱的位置上分別設置了上述轉移反應部分和CO氧化部分。
12．如權利要求3～6的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，使直接流入了來自上述燃燒室的燃燒后氣體的排氣空間與上述燃燒室在其同軸上方處相連，在排氣空間周圍設置了上述轉移反應部分，在轉移反應部分周圍設置了上述CO氧化部分。
13．如權利要求12所述的改性裝置，其特征還在于，上述燃燒室和上述排氣空間之間設置了吸入外部空氣的空氣吸入口。
14．如權利要求12或13所述的改性裝置，其特征還在于，設置了加熱上述排氣空間的輔助加熱裝置。
15．如權利要求12～14的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，設置了將上述排氣空間內的燃燒后氣體排到外部的排氣口和控制排氣口的開關，另外，還具備與上述排氣空間交叉、設置在轉移反應部分和CO氧化部分之間的槽1，以及與槽1連通、設置在上述CO氧化部分周圍的槽2。
16．如權利要求15所述的改性裝置，其特征還在于，上述槽1上設置了吸入外部空氣的空氣吸入口。
17．如權利要求12～16的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，上述排氣空間的中心設置了不燃性芯。
18．如權利要求3～17的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，在上述改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分中至少一個部分的表面設置了熱傳導率高于構成該表面的材料的高傳熱材料。
19．如權利要求3～18的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，在上述CO氧化部分外表面設置了散熱片。
20．如權利要求3～6的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，具備直接流入來自上述燃燒室的燃燒后氣體的主排氣空間，將主排氣空間內的燃燒后氣體排到外部的主排氣口和控制主排氣口的開關，另外，還具備與主排氣空間交叉且連通的設置在該主排氣空間周圍的槽1，以及與槽1連通并設置在其周圍的槽2，上述轉移反應部分設置在上述槽1內，上述CO氧化部分設置在上述槽2內。
21．如權利要求20所述的改性裝置，其特征還在于，上述槽1上設置了將內部燃燒后氣體排到外部的次排氣口和控制次排氣口的開關。
22．如權利要求20或21所述的改性裝置，其特征還在于，上述改性反應部分、轉移反應部分和CO氧化部分中至少一個部分為旋管狀。
23．如權利要求20～22的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，上述槽2上設置了吸入外部空氣的空氣供給通道。
24．如權利要求1～23的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，向上述原料改性部分提供改性原料和水蒸汽的原料供給通道的至少一部分設置在被來自上述原料改性部分熱源的熱量預熱過的位置上。
25．如權利要求24所述的改性裝置，其特征還在于，至少一部分上述原料供給通道與上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分中至少一個部分的表面相連設置。
26．如權利要求24所述的改性裝置，其特征還在于，至少一部分上述原料供給通道被設置在與來自上述原料改性部分熱源的燃燒后氣體靠近的位置上。
27．如權利要求24所述的改性裝置，其特征還在于，至少一部分上述原料供給通道被設置在受上述原料改性部分熱源直接加熱的位置上。
28．如權利要求1～27的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，向上述原料改性部分熱源提供燃料的燃料供給通道的至少一部分被設置在經過該熱源的熱量預熱的位置上。
29．如權利要求1～28的任一項所述的改性裝置，其特征還在于，上述原料改性部分的熱源由催化燃燒而產生，還設置了預熱該熱源的燃燒催化劑的預熱裝置。
30．一種改性裝置，其特征在于，具備獨立但一體化設計的由燃氣燃燒放熱而形成的燃燒部分，對改性原料進行水蒸汽改性、生成以氫為主成分的改性氣體的改性反應部分，利用水性轉移反應使原料改性部分生成的改性氣體中所含的CO減少的轉移反應部分，以及使經過轉移反應部分處理后的改性氣體中所含CO氧化而進一步減少的CO氧化部分；利用上述燃燒部分的直接加熱將上述改性反應部分的加熱溫度控制在400～1000℃，利用來自上述燃燒部分的傳遞熱的間接加熱將上述轉移反應部分的加熱溫度控制在200～350℃，將上述CO氧化部分的加熱溫度控制在100～250℃。
全文摘要
本發明的改性裝置具備獨立但一體化設計的包含燃氣燃燒放熱而形成的熱源、從熱源直接獲得反應熱、對改性原料進行水蒸汽改性、生成以氫為主成分的改分性氣體的原料改性部分,利用水性轉移反應使原料改性部生成的改性氣體中所含的CO減少的轉移反應部分,以及使經過轉移反應部分處理后的改性氣體中所含CO氧化而進一步減少的CO氧化部分;上述原料改性部分、轉移反應部分和CO氧化部分中,將上述轉移反應部分和CO氧化部分設置成被來自上述原料改性部分的熱源的傳遞熱間接加熱的狀態。作為間接加熱的方法,可利用中間體以固體傳熱方式或輻射傳熱方式來傳遞熱量,或利用來自上述燃燒室的燃燒后氣體的熱量。本發明的改性裝置使上述3個獨立的反應部分連為一體,達到了小型化目的,使熱源的熱量被有效利用,能夠很好地控制各反應部分的溫度。
文檔編號C01B3/58GK1223622SQ97195956
公開日1999年7月21日 申請日期1997年6月30日 優先權日1996年6月28日
發明者工藤均, 山鹿范行, 品川幹夫 申請人:松下電工株式會社