專利名稱：將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的方法和裝置的制作方法
燃料電池在固定物和運輸業應用中產生動力方面繼續起著日益增長的重要作用。燃料電池的主要優點是它可以高效運行，它不同于目前使用的熱發動機，它不受Carnot循環效率限制。而且，在操作純凈方面，燃料電池遠勝于任何已知的能量轉換裝置。燃料電池是化學能源，由一種還原劑(氫)和一種氧化劑(氧)之間的化學反應產生電能，氫和氧以與能量負荷成比例的速率加入到電池中。因此，燃料電池需要氧氣和一個氫源來運行。
現在有兩個問題限制了氫氣的使用。第一，氫氣(H2)與普通的烴相比有一個較低的體積能量密度，這就意味著與用普通的烴貯存相同數量的能量相比，用氫貯存時將占有更大的體積。第二，目前沒有能夠支持大量燃料電池的能量系統所需的分布廣泛的氫基礎設施。
在各種烴類和醇類燃料的分子結構中含有能夠供給燃料電池動力的吸引人的氫源。一種烴水蒸汽轉化裝置是一種裂解初始燃料的分子產生能夠供給燃料電池動力的富氫氣體流的裝置。盡管轉化烴類和醇類燃料的工藝已經在大的工業基礎上建立起來，但在小規模、高度完整的裝置上類似的發展還未見報道。
因此，需要一種更小型的裝置，用于從各種烴類燃料源中產生氫氣，用于燃料電池以供給車輛動力。
本發明涉及一種用于將醇類或烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的烴水蒸汽轉化裝置和方法。
該烴水蒸汽轉化裝置包括第一級反應器，其具有部分氧化反應區和與部分氧化反應區不同的、分開的蒸汽轉化反應區。該第一級反應器具有在部分反應區處的第一級反應器入口，和在蒸汽轉化區處的第一級反應器出口。該烴水蒸汽轉化裝置還包括延伸在第一級反應器周圍的螺旋管。該螺旋管具有連于含氧源上的第一端口，和在部分氧化反應區處連于第一級反應器上的第二端口。來自含氧源的氧氣可通過螺旋管導入至第一級反應器中。具有第二級反應器入口和第二級反應器出口的第二級反應器環狀地布置在第一級反應器周圍。螺旋管布置在第一級反應器和第二級反應器之間，且來自第一級反應器的氣體可被導入通過第二級反應器。
該方法包括通過布置在第一級反應器周圍的螺旋管導入含氧氣體。將烴蒸氣和水蒸汽導入至螺旋管以形成氧氣、燃料蒸氣和水蒸汽的混合物。該氧氣、燃料蒸氣和水蒸汽的混合物導入至第一級反應器中。燃料蒸氣自發地部分氧化形成熱的含有一氧化碳和氫氣的轉化產物物流。剩余的燃料蒸氣在熱的轉化產物物流中進行水蒸汽轉化形成氫氣和一氧化碳。熱的轉化產物物流被導入通過螺旋管的外部，在此，熱的轉化產物物流加熱螺旋管內部的混合物。轉化產物物流的部分一氧化碳氣體通過高溫轉化反應轉化成二氧化碳和氫氣。至少一部分轉化產物物流中的剩余的一氧化碳氣體通過低溫轉化反應轉化成二氧化碳和氫氣。
在另一用于將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的烴水蒸汽轉化裝置的實施方案中，該裝置包括第一級管，其具有用于接收含氧氣體和第一級燃料的第一級混合物的第一級管入口，此混合物可以是烴或醇，和用于導入第一級混合物的第一級反應轉化產物的第一級管出口。第二級管環繞布置在第一級管周圍，其中第二級管具有用于接收第二級燃料的第二級混合物的第二級管入口，此混合物可以是烴或醇，和水蒸汽。第二級管具有用于導入第二級混合物的第二級反應轉化產物的第二級管出口。催化轉化區環狀地布置在第二級管周圍。第一級反應轉化產物和第二級反應轉化產物能夠通過第一級管出口和第二級管出口分別導入至用于進一步轉化該混合物的催化轉化區。在優選的實施方案中，烴類燃料分餾器連接在第一級管入口和第二級管入口處。此分餾器能夠從烴類燃料中分離出重組分，其后續導入至第一級管中的部分氧化區；可從烴類燃料中分離出輕組分，其后續導入至第二級管中的蒸汽轉化區。
在用于將烴類或醇類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的方法的另一實施方案中，將第一級烴類或醇類燃料和含氧氣體的第一級混合物導入至第一級管中。在第一級混合物的烴類或醇類燃料自發地部分氧化形成第一級熱的含有氫氣和一氧化碳的轉化產物物流。第二級烴類或醇類燃料和水蒸汽的第二級混合物導入至環繞布置在第一級管周圍的第二級管中。第二級混合物的第二級烴類或醇類燃料的部分水蒸汽轉化形成第二級熱的含有氫氣和一氧化碳的轉化產物物流。第一級熱的轉化產物物流和第二級熱的轉化產物物流通入到催化轉化區使這些轉化產物物流進一步轉化成氫氣和二氧化碳。在優選的實施方案中，在導入至第一級管和第二級管之前的烴類燃料被分餾成烴類燃料的重組分和烴類燃料的輕組分。重組分隨后導入至部分氧化區。輕組分導入至蒸汽轉化區。
本發明有許多優點。本發明的裝置能使用各種烴類燃料，如汽油、JP-8、甲醇和乙醇。部分氧化反應區允許燃料部分燃燒而不形成煙灰，而且給環繞在部分氧化區周圍的水蒸汽轉化區和反應器的其他部分提供熱量。而且，本裝置足夠小，以致可供汽車使用。在一些實施方案中，裝置中包括一種高溫轉化催化劑，此催化劑與只使用低溫轉化催化劑相比可使裝置更小、重量更輕。
圖1是本發明裝置的第一種實施方案的正投影側面圖；圖2是本發明裝置的第二種實施方案的正投影側面圖；圖3是本發明裝置的第三種實施方案的正投影側面圖。
本發明方法和裝置的特征和詳細說明現在將參照附圖更詳細地描述并在權利要求中指出。出現在不同附圖中的相同數字代表相同的項目。應該知道，本發明特定的實施方案通過實例來表明，但這并不作為本發明的限制。在各種實施方案中能夠具有本發明的主要特征而不背離本發明的范圍。除非另有說明，所有百分數和分數都以重量計。
圖1顯示了本發明的一種實施方案。烴水蒸汽轉化裝置10具有轉化反應器12。轉化反應器12可以是圓柱型的。烴水蒸汽轉化裝置10具有上部分14和下部分16。設置在轉化反應器12中心的是第一級反應器18，它充分地擴大了轉化反應器12的高度。第一級反應器18具有第一級反應器入口20，用于接收氣體進入第一級反應器18，并且能成切線導入氣體通過第一級反應器。在烴水蒸汽轉化裝置10上部14，第一級反應器18具有第一級反應器出口22，用于氣體離開第一級反應器。多孔板31位于第一級反應器出口22處，并且覆蓋第一級反應器18的橫斷面。部分氧化反應區24是在第一級反應器18的下部16內。
部分氧化反應區24適合于烴類或醇類燃料與氧部分氧化以形成一種含有一氧化碳、水蒸汽和氫氣的混合物。水蒸汽轉化區26是在部分氧化區24的上部，內含有水蒸汽轉化催化劑28。優選的是，水蒸汽轉化催化劑包括鎳和一定量的貴金屬，如鈷、鉑、鈀、銠、釕、銥，和一種載體，如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、二氧化硅和氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用。作為一種選擇，水蒸汽轉化催化劑28可以是如鎳的單一金屬，載于一種耐熱的載體上，所述載體如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、二氧化硅和氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用，可由一種如鉀的堿金屬助催化。蒸汽轉化區26能自熱地將水蒸汽和在部分氧化區24產生的甲烷轉化成氫氣和一氧化碳。蒸汽轉化催化劑28可以是粒狀的，由多孔板30和多孔板31載于部分氧化區24中。
螺旋管32延伸了第一級反應器18的長度。螺旋管32的第一端口34位于入口室33處。氧源42通過導管35連到帶有第一端口入口36的入口室33，用于接收來自氧氣區40的含氧氣體。螺旋管32的第二端口44連到第一級反應器入口20上。合適的含氧氣體的例子包括氧氣(O2)和空氣等。燃料入口46連到距第二端口44最近的螺旋管32上。導管50從燃料源48延伸到燃料入口46。合適燃料的例子包括烴類，也包括醇在內。燃料包括汽油、煤油、JP-8、甲烷、甲醇和乙醇。水蒸汽入口52挨近燃料入口46。水蒸汽從蒸汽源54引入到蒸汽管56中，通過第一級水蒸汽入口52進入螺旋管32。在另一實施方案中，燃料和水蒸汽可以導入螺旋管32。
第二級反應器58環狀地布置在第一級反應器18的周圍。第二級反應器入口60接收來自第一級反應器出口22的氣態產物。在烴水蒸汽轉化裝置10底部16的第二級反應器出口62允許氣體離開第二級反應器58。螺旋管32布置在第一級反應器18和第二級反應器58之間，來自第一級反應器18的氣體能夠從第二級反應器入口60，經螺旋管32的周圍進入第二級反應器58，到達第二級反應器出口62。氣流分配區63使來自第二級反應器出口62的氣體到達高溫轉化區64。額外的水蒸汽或水能夠從一個水蒸汽源通過第二個水蒸汽入口53導入至第二級反應器58，用以提供更多的水蒸汽去供給附加的冷卻和燃料的進一步轉化。
高溫轉化區64環狀地位于第二級反應器58和轉化反應器12之間，并且含有高溫轉化催化劑。合適的高溫轉化催化劑的例子是在約300℃至約600℃溫度范圍之間的某一溫度下可操作的催化劑。優選的高溫轉化催化劑包括過渡金屬氧化物，如三價鐵的氧化物(Fe2O3)和三價鉻的氧化物(Cr2O3)。其他類型的高溫轉化催化劑包括氧化鐵和氧化鉻，用下列物質助催化，如銅、鐵的硅化物、載體上的鉑、載體上的鈀、和其他載體上的鉑族金屬，它們可單獨或結合起來使用。高溫轉化催化劑66通過多孔板68和多孔板70固定于適當的位置。氣體能通過高溫轉化區64，經過多孔板70進入到脫硫區71。
在高溫轉化區64上部是脫硫區71。脫硫區71內含有一種能降低氣體物流中對低溫轉化催化劑有害的硫化氫(H2S)含量的催化劑，此催化劑可使硫化氫的濃度降至約百萬分之一或更小。一種合適的催化劑的例子包括氧化鋅。脫硫區71的大小依所用燃料的類型而定。如果使用低硫燃料，就需要小的脫硫區。如果使用高硫燃料，一個較大的脫硫區是必須的。氣體能夠經過多孔板73通過脫硫區71，到達冷卻區72。
冷卻區72包括許多垂直的翅片74，這些翅片把熱量從第二級反應器58發散到轉化反應器12中，它從高溫轉化區64擴展到低溫轉化區76。
冷卻管78螺旋狀繞在第二級反應器58周圍，并連到垂直翅片74上。冷卻管78具有冷卻管入口80，用于接收冷卻介質，如水，通過冷卻管78至冷卻管出口82。在另一實施方案中，冷卻管78在第二級反應器58周圍再次纏繞。來自高溫催化劑區64的氣體產物能夠在垂直翅片74間通過，并通過冷卻管78使氣體產物冷卻。
低溫轉換區76環繞在冷卻區78上部并在第二級反應器58和轉化反應器12之間，并且包括低溫轉化改性催化劑84，用以減少一氧化碳至小于1％水平，或更低(以體積計)。一種合適的低溫改性催化劑的例子是可操作溫度在約150℃至約300℃之間的某一溫度下。優選此低溫改性催化劑包括氧化銅(CuO)和氧化鋅(ZnO)。其他類型的低溫轉化催化劑包括載于其他過渡金屬氧化物如氧化鋯上的銅，載于過渡金屬氧化物或耐火載體如二氧化硅或氧化鋁上的鋅，載體上的鉑、載體上的錸、載體上的鈀、載體上的銠和金。低溫轉換區催化劑84由下部的多孔板86和上部多孔板88固定于適當的位置。來自冷卻區72的氣體產物能夠經過孔板86通過低溫轉換區76直至上部孔板88。出口區90在低溫轉換區76上部并有轉化出口92。
在將烴類燃料轉化為氫氣的方法中，含氧氣體，如空氣，通過導管35從氧源42導入入口室33至氧氣區40進入垂直管線32的第一端口入口36。烴水蒸汽轉化裝置10可以在壓力范圍約0至500psig(表壓，磅/英寸2)間操作。含氧氣體，如空氣，被預熱至約450℃。在優選的實施方案中，空氣流速高于約每秒40米。
合適的烴類或醇類蒸氣從燃料源48通過燃料管50導入至燃料入口46。合適的烴類燃料的例子包括汽油、JP-8、甲醇、乙醇、煤油和其他合適的通常用于轉化裝置的烴類，氣體烴類，如甲烷或丙烷也可使用。水蒸汽從蒸汽源54通過蒸汽管56導入至第一級蒸汽入口52。水蒸汽溫度范圍在約100℃至約150℃之間。空氣、水蒸汽和烴類燃料以足以在螺旋管32中混合并自發進行部分氧化的速率加入，以使此混合物進入部分氧化區24通過第一級反應器入口20時形成包括一氧化碳和氫氣的熱的轉化產物物流。在一個優選的實施方案中，含氧氣體成切線導入部分氧化區24內部的周圍，這里是一個空腔。在部分氧化區24中，轉化產物可以包含甲烷、氫氣、水和一氧化碳。部分氧化區24具有優選的溫度范圍在約950℃至約1150℃。一種更重的燃料優選運行在此溫度范圍的較高一端，而一種較輕的燃料運行在此溫度范圍的較低一端。
轉化產物自部分氧化區24通過多孔板30導入水蒸汽轉化區26。在水蒸汽轉化區26，來自部分氧化區24，在熱的轉化氣流中的剩余的烴類蒸氣在水蒸汽轉化催化劑28存在下進行水蒸汽轉化，轉化成氫氣和一氧化碳。水蒸汽轉化區26的溫度通常是在約700℃至900℃的范圍內。部分氧化反應提供足夠的熱量以供熱給螺旋管32，預熱空氣和螺旋管32中的其他物料，并且也供熱給水蒸汽轉化步驟。烴類燃料在部分氧化區24中部分然燒，水蒸汽中剩余的燃料與部分氧化區燃燒產物混合用于在水蒸汽轉化催化劑28存在下水蒸汽轉化并且烴類轉換成一氧化碳和氫氣。從水蒸汽轉化區26流出的熱的轉化產物物流的溫度在約700℃至約900℃之間。熱的轉化產物物流被導入至第一級反應器18和第二級反應器58，且在螺旋管32的外部周圍，熱的轉化物流通過加熱螺旋管32和第一級反應器18和第二級反應器56中的物料而得到冷卻。
熱的轉化產物物流流出第二個反應器出口62到達氣流分配區63，在此被冷卻到約300℃至約600℃之間的某一溫度，并經過多孔板68導入至高溫轉化區64，在此，在約300℃至約600℃范圍內的某一溫度下通過將熱的轉化物流與高溫轉化催化劑66接觸而被除去幾乎所有的一氧化碳或使其降低。高溫轉化區64是在絕熱下操作以減少一氧化碳水平并伴隨著適度的溫升。在一種實施方案中，進入高溫轉化區64的熱的轉化物流帶有14-17％(體積)的一氧化碳，而流出高溫轉化區64時，含有約2-4％(體積)的一氧化碳。
處理轉化產物物流的高溫轉化區通到脫硫區71，在此，物流中的硫化氫的含量降至低于大約百萬分之一(IPPM)的濃度。轉化產物被從脫硫區71導入至冷卻區72，在此，物流與垂直翅片74和冷卻管78接觸，使物流的溫度降至約150℃至約300℃之間，這是由于低溫轉化催化劑84對溫度敏感并且在高于約300℃的溫度下可能會產生燒結。冷卻區72為低溫轉化區76冷卻高溫轉化產物氣體。冷卻區管78連續不斷地流動操作，以保證準確和最大的蒸氣側熱傳遞，以減少泡沫和腐蝕，允許使用污染水，并得到一個恒定的最低壁溫。
轉化產物物流通過多孔板86被導入至低溫轉化反應區76，在此轉化產物物流與低溫轉化催化劑84相接觸，使轉化產物物流中剩余的一氧化碳氣體的至少一部分通過低溫轉化反應轉化成二氧化碳，形成產物物流。低溫轉化反應區76是在絕熱下操作，以使剩余的一氧化碳量減少至痕量的水平，并伴隨著適度的催化劑溫度升高。生成的氣體產物物流通過多孔板88從低溫轉化反應區76流出到尾氣區90，到烴水蒸汽轉化裝置出口92。流出的產物物流會有這樣的組成(以濕體積計)氫氣約為40％，一氧化碳低于1％。
本發明的第二種實施方案如圖二所示。第二個轉化裝置100具有轉化裝置外殼102。轉化裝置外殼102具有上部104和下部106。裝在轉化裝置外殼102中央部位的是第一級管108，它相當大地增加了轉化裝置外殼102的高度。第一級管108在低端106具有第一級管入口110，用于接收氣體進入第一級管108。第一級管108是用于接收氧和第一級烴類燃料的第一級混合物。第一級管出口112是用于將第一級混合物的第一級反應轉化產物導入混合區114。
第二級管116環繞在第一級管108周圍。第二級管116具有第二級管入口118，用于接收第二級烴類燃料和蒸汽。第二級管116也具有第二級管出口120，用于導出第二級混合物的第二級反應轉化產物。第二級管116可以包括一種水蒸汽轉化催化劑，合適的催化劑的例子包括鎳，一定量的貴金屬，如鈷、鉑、鈀、銠、釕、銥，和載體如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅和氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用。作為一種選擇，水蒸汽轉化催化劑可以是諸如鎳等的單一金屬，載于一種耐熱的載體上，如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅或氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用，可由一種如鉀的堿金屬助催化。在另一種實施方案中，第二級管116可以環繞布置在第一級管108內，在此，蒸汽和燃料可以被導入中央管，并且燃料和氧可被導入環繞在中央管周圍的管中。
氧源122通過氧管124與第一級管108相連。合適氧源的例子可以是氧氣或空氣。蒸汽源126通過蒸汽管128與第二級管116相連。在一種實施方案中，蒸汽源126可以提供蒸汽來源，其溫度為約150℃，壓力為約60Psig。
燃料源130經燃料管132連接到分餾器134。燃料源130包括一種合適的燃料，如烴類，包括汽油、JP-8、煤油，還有醇類，包括甲醇和乙醇。分餾器134具有輕組分出口136，用于從分餾器134導出輕組分，及重組分出口138，用于從分餾器134導出重組分。重組分可以從重組分出口138通過重組分管140導入第一級管入口110。輕組分可以從輕組分出口138通過輕組分管142導入第二級管入口118。在另一實施方案中，獨立的源可以用于重組分(第一級烴類燃料)和輕組分(第二級烴類燃料)而不用分餾器。
催化轉化區144環繞在第二級管116周圍。第一級反應轉化產物和第二級反應轉化產物可以通過第一級管出口112和第二級管出口120分別導入催化轉化區144上部的混合區114。
催化轉化區144包含一種催化劑，用于進一步將混合物轉化為氫氣。一個合適的催化劑的例子包括鎳、一定量的貴金屬，如鈷、鉑、鈀、銠、釕、銥，和一個載體如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅和氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用。作為一種選擇，此催化劑可以是如鎳的單一金屬，載于一種耐熱的載體上，如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅或氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用，可由一種如鉀的堿金屬助催化。催化轉化區144的高度可基本上是第一級管108和第二級管116的長度。催化轉化區144是充分多孔的，以允許從出口區146來的氣體通過。催化轉化區144中的催化劑147用下部多孔板148和上部多孔板150固定裝載。催化轉化區144中的產物氣體能夠從出口區146經由轉化裝置外殼出口152流出第二級轉化裝置100。
在本發明的將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的第二個實施方案中，一種燃料從燃料源130通過燃料管132導入分餾器中。此燃料在分餾器134中分為輕組分和重組分。重組分經重組分管140從重組分出口138導入第一級管入口110。一種含氧氣體如空氣，經氧管124從氧源122導入第一級管入口110。含氧氣體和烴類燃料的重組分在第一級管中形成混合物，在此，第一級混合物的烴類燃料自發地發生部分氧化反應形成第一級熱的含有氫氣和一氧化碳的轉化產物物流。第一級熱的轉化產物物流可以加熱至約1,525℃。燃料與氧的比例依所使用的燃料類型而定。較重的燃料需要一個較高的燃燒溫度。燃料的部分氧化形成含有一氧化碳、水、氫氣和甲烷的燃料混合物。從部分氧化反應產生的過剩熱量允許從第一級管108向第二級管116傳熱。通過在高于約1,375℃的溫度下燃燒重組分，在部分氧化區沒有明顯地形成煙灰或焦油。如果需要，可以用熱表面點火器或火花塞來點火。
燃料的輕組分從分餾器134的輕組分出口136導出，通過輕組分管142進入第二級管116。蒸汽從蒸汽源126導出，通過蒸汽管128，由第二級管入口118進入第二級管116。氧氣也是從氧源122導出，通過氧管124，由第二級管入口118進入第二級管116。在另一個實施方案中，只有蒸汽和烴類燃料的輕組分進入第二級管。在環繞在第一級管108周圍的第二級管116中形成含有含氧氣體、烴類燃料的輕組分和水蒸汽的第二級混合物。第二級混合物中的烴類燃料部分反應形成包括氫氣和一氧化碳的第二級熱的轉化產物物流。在水蒸汽的存在下，第二級混合物部分水蒸汽轉化。來自第一級管108中的反應熱可提供能量以幫助第二級管116中的反應進行。
自第一級管108的第一級熱轉化產物物流和自第二級管116的第二級熱轉化產物物流通過第一級管出口112和第二級管出口120，分別導入混合區114。分開的管允許碳還原操作在高燃料與氧之比約為4至1下進行，也允許使用餾出的燃料，如汽油、柴油機燃料、噴氣燃料或煤油，從而重組分型燃料是優選地導入第一級管108，用于斷裂大分子需要的高溫燃燒，而輕組分型蒸氣被導入第二級管116通過與燃燒室的熱接觸進行部分水蒸汽轉化。第一級熱轉化產物物流和第二級熱轉化產物物流在混合區114中混合。此混合物從混合區114經催化轉化區144導入到出口區146。在催化轉化區144中，剩余的一氧化碳轉化成二氧化碳形成產物物流。產物物流從出口區146經第二級轉化裝置100經轉化裝置外殼出口152排出。
本發明的另一實施方案示于圖3。第三級轉化裝置200具有轉化裝置外殼202。轉化裝置外殼202具有上部204和下部206。安裝在轉化裝置外殼202中心的是第一級管208。第一級管208在下部206具有第一級管入口210，用于接收氣體進入第一級管208。第一級管208在上部204具有第一級管出口212，用于從第一級管208中放出氣體。第一級管208包括水蒸汽轉化催化劑214，用于在水蒸汽存在下轉化烴類。合適的水蒸汽轉化催化劑的實例是鎳、一定數量的貴金屬如鈷、鉑、鈀、銠、釕、銥，和一種載體如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅和氧化鋯，它們可以單獨或結合起來使用。另外，水蒸汽轉化催化劑可以是單一的金屬，如鎳，載于一種耐熱的載體上，如氧化鎂、鋁酸鎂、氧化鋁、氧化硅或鋯上，它們可以單獨或結合使用，用一種堿金屬如鉀助催化。第一級管208是用于接收水蒸汽和第一級烴或醇類燃料的混合物。第一級管的出口212是用于將第一級混合物的第一級反應轉化產物導入混合區216。第一級管208可以具有統一的直徑，或者呈錐形，例如在第一級管入口210處的直徑小于在第一級管出口212處直徑。
水蒸汽源213經水蒸汽管215與第一級管208相連。蒸汽源213可以提供蒸汽源，其溫度為約150℃，壓力約60Psig。輕燃料源217經輕燃料管219連到第一級管208上，用于將輕燃料導入第一級管208，輕燃料包括合適的燃料，如烴，包括汽油、JP-8、煤油，和醇類，包括甲醇和乙醇。
第二級管218環繞布置于第一級管208的周圍。第二級管218具有第二級管入口220，用于接收氧和重烴燃料的混合物。第二級管218也具有第二級管出口222，用于導出第二級混合物的第二級反應轉化產物。第二級管218可以具有第二級管218的統一直徑長度，或者第二級管218可以呈錐形，例如在下部206處的直徑較大，而上部204處的直徑較小。第二級管出口222是用于將第二級混合物的第二級反應轉化產物導入混合區216。
環繞在第二級管周圍布置的是第三級管224。第三級管224具有第三級管入口226，其緊接混合區216，用于接收第一級混合物的第一級反應轉化產物和第二級混合物的第二級反應轉化產物的混合物。第三級管224具有第三級管出口228，用于從第三級管224導出第一級反應轉化產物和第二級反應轉化產物的混合物。第三級管224可以包括蒸汽轉化催化劑225，用于進一步轉化存在于混合物中的烴類。合適的蒸汽轉化催化劑的例子包括與所述蒸汽轉化催化劑214相同的催化劑。
螺旋管232延伸至大約第三級管224的長度。螺旋管232的第一端口234位于入口室233處。氧源242通過導管235經第一端口236連到入口室233，用于接收來自氧氣區240的含氧氣體。螺旋管232的第二端口247具有螺旋管出口244，用于將含氧氣體導入第二級管218。合適的含氧氣體的例子包括氧(O2)、空氣等。
重燃料源241經重燃料管243與重燃料入口246相連。重燃料入口246連到緊接在第二端口247的螺旋管232上。合適的重燃料的例子包括汽油、煤油、JP-8、甲醇和乙醇。在另一實施方案中，相同的燃料源可用于重燃料(第一級烴燃料)和輕燃料(第二級烴燃料)。另外，如圖2所示的分餾器，可以用于提供重燃料和輕燃料。在另一實施方案中，輕燃料和重燃料可以是相同的，并可來自同一來源。
反應器252環狀地置于第三級管224的周圍。反應器入口254能夠把轉化產物從第三級管出口228引入到反應器252。螺旋管232置于反應器252和第三級管224之間，來自第三級管224的氣體經反應器252，從反應器入口254進入，經螺旋管232的周圍，到達反應器出口256。氣流分配區258使來自反應器出口256的氣體進到催化轉化區260。由第二個蒸汽入口257加入額外的蒸汽，用于為轉化提供額外的冷卻和轉化所需的水。
催化轉化區260環狀地布置在反應器252的周圍。催化轉化區260包括催化劑262用于把轉化產物進一步轉化成氫氣。合適的催化劑的例子包括三價鐵的氧化物(Fe2O3)和三價鉻的氧化物(Cr2O3)。其他類型的高溫轉化催化劑包括氧化鐵和氧化鉻，用下列物質助催化，如銅、鐵的硅化物、載體上的鉑、載體上的鈀、和其他載體上的鉑族金屬，它們可單獨或結合起來使用。催化劑可以是粉末狀的，其高度基本上達到反應器252的高度。催化轉化區260具有足夠多的孔，以允許氣體從氣流分配區258通過并進入出口區268。在催化轉化區260中的催化劑262由下部多孔板264和上部多孔板266固定裝載。催化轉化區260的產物氣體從出口區268通過烴水蒸汽轉化裝置外殼出口270離開第三級轉化裝置200。
在本發明將烴類或醇類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的第三個實施方案中，從輕燃料源217引入的燃料通過輕燃料管219到第一級管入口210。蒸汽從蒸汽源213引入，通過蒸汽管215至管入口210進入管208。輕燃料與蒸汽部分反應形成含有氫氣和一氧化碳的第一級熱轉化產物物流。第一級熱轉化產物物流從第一級管208引入，通過第一級管出口212到混合區216。
一種例如空氣的含氧氣體從氧源242引入，通過導管235到入口室233，再到氧氣區240進入螺旋管232第一端口入口236。把例如空氣的含氧氣體預熱至約450℃的溫度。在一優選的實施方案中，空氣的流速大于約每秒40米。當含氧氣體通過螺旋管232時，從重燃料源241由重燃料管243引入一種合適的重燃料蒸氣。合適的重燃料例子包括JP-8、煤油和其他通常用于烴水蒸氣轉化的烴類燃料。也可以使用氣體的烴，如甲烷和丙烷。含氧氣體和重燃料的加入速率以使其足以在螺旋管232中混入，且在此混合物由第二級管入口220進入到第二級管218時，自發發生部分氧化反應形成含有蒸汽、一氧化碳和氧氣的熱的第二級轉化產物物流為宜。在一種優選的實施方案中，含氧氣體成切線通到第二級管218內部的四周。第二級混合物的烴類燃料部分反應形成含有氫氣和一氧化碳的第二級熱的轉化產物物流。第二級管218中的熱量可提供能量使第一級管208中的反應進行。
加入到第一級管208和第二級管218中的燃料在數量上可以相等，也可以不相等。第二級管218，即部分氧化室，例如可以在1375℃的溫度下，燃料/氧氣比約為2至1的比例下操作。從第二級管218到第一級管208的熱傳遞可導致在第一級管208中發生部分水蒸汽轉化，而溫度會保持在約925℃。對于例如汽油和輕煤油這樣的液體燃料，把較輕的燃料組分預汽化，以傳遞熱量到第一級管208。重燃料在部分氧化區燃燒，這里的高溫(約1375℃)能夠以最小限度的碳化把燃料裂解。
來自第一級管208的第一級熱的轉化產物物流和來自第二級管218的第二級熱的轉化產物物流分別通過第一級管出口212和第二級管出口222，進入混合區216。分開的管允許在大約4或5比1這樣高的燃料/氧之比下進行碳還原操作，由此減少煙灰的形成。其允許使用餾分燃料，如汽油或煤油，由此，重餾分類型的燃料優選引入到第二級管218中進行裂解大分子所需的高溫燃燒，而輕餾分類型的蒸氣引入到第一級管208中，與來自第二級管218的高溫燃燒熱接觸而導致進行部分水蒸汽轉化。第一級熱的轉化產物物流與第二級熱的轉化產物物流在混合區216混合。此混合物由混合區216經第三級管入口226，進入到第三級管224。
在第三級管224中，另一部分的燃料轉化成氫氣和一氧化碳形成第三級管轉化產物物流。第三級管轉化產物物流經由第三級管出口228排出。第三級管轉化產物通過反應器入口254進入到反應器252，在此，轉化產物物流從螺旋管232的周圍通過，到反應器出口256。通過蒸氣入口253可加入額外的蒸汽至反應器252中，用以提供額外的冷卻和使轉化產物物流中的烴類和一氧化碳進一步轉化。轉化產物物流從氣流分配區258引入，通過催化轉化區260，在此，轉化產物物流通過催化轉化區進一步把一氧化碳轉化成氫氣和二氧化碳，形成一氧化碳濃度約為0.5％(體積)的產物物流。產物物流經出口區268流出外殼出口270。
等效物本領域的技術人員僅僅使用常規的實驗方法將可認識到或可確定在此所述的本發明的許多具體的實施方案的等效物。這些等效物包括在權利要求書所要求的范圍之內。
權利要求
1．一種用于將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的烴水蒸汽轉化裝置，其包括a)第一級反應器，其具有部分氧化反應區和分開的與所述的部分氧化反應區不同的蒸汽轉化反應區，所述的第一級反應器在部分氧化反應區處具有第一級反應器入口，和在蒸汽轉化區處具有第一級反應器出口；b)螺旋管，其延伸在第一級反應器周圍，所述的螺旋管具有用于連接氧源的第一端口，和連到第一級反應器入口的第二端口，在此，來自氧源的氧氣通過所述的螺旋管導入至所述的第一級反應器；和c)第二級反應器，其具有第二級反應器入口和第二級反應器出口，所述的第二級反應器環繞布置在第一級反應器周圍，在此，所述的螺旋管布置在第一級反應器和第二級反應器之間，且來自第一級反應器的氣體可被導入通過所述的第二級反應器。
2．權利要求1所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第一級反應器入口成切線布置，以在第一級反應器內部的周圍導入氧氣。
3．權利要求1所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的氧源包括空氣。
4．權利要求1所述烴水蒸汽轉化裝置，其中螺旋管連到烴源上，使氧氣和烴能在螺旋管中混合。
5．權利要求4所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中螺旋管連到蒸汽源上，使氧氣和烴與來自蒸汽源的蒸汽在螺旋管內混合。
6．權利要求1所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的蒸汽轉化區包括第一級催化劑。
7．權利要求6所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第一級催化劑包括鎳催化劑。
8．權利要求1所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第一級反應器包括點火裝置。
9．權利要求1所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中第三級反應器環繞布置在第二級反應器周圍，且所述的第三級反應器具有第三級反應器入口和第三級反應器出口，以通過第三級反應器從第二級反應器導出氣體。
10．權利要求9所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第三級反應器具有高溫轉化區。
11．權利要求10所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的高溫轉化區具有第二級催化劑。
12．權利要求11所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的高溫轉化區的第二級催化劑包括氧化鐵。
13．權利要求12所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第三級反應器具有低溫轉化區。
14．權利要求13所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的低溫轉化區具有第三級催化劑。
15．權利要求14所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的低溫轉化區的第三級催化劑包括銅。
16．一種用于將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的方法，其包括如下步驟a)通過螺旋管導入氧氣，所述的螺旋管布置在第一級反應器的周圍；b)將烴蒸氣和水蒸汽導入至螺旋管以形成氧氣、烴蒸氣和水蒸汽的混合物；c)將氧氣、烴蒸氣和水蒸汽的混合物導入至第一級反應器，在此，所述的烴蒸氣自發地部分氧化形成含有一氧化碳和氫氣的熱的轉化產物物流；d)將熱的轉化產物物流中的剩余烴蒸氣進行水蒸汽轉化以形成氫氣和一氧化碳；e)導入熱的轉化產物物流通過螺旋管，在此，熱的轉化產物物流加熱螺旋管內的混合物；f)通過高溫轉化反應將轉化產物物流中的部分一氧化碳氣體轉化成二氧化碳；和g)通過低溫轉化反應將轉化產物物流中的至少一部分剩余的一氧化碳氣體轉化成二氧化碳，從而形成含有氫氣和二氧化碳的產物物流。
17．權利要求16所述的方法，其中所述的氧氣成切線地導入至第一級反應器內部的周圍。
18．權利要求16所述的方法，其中所述的氧氣包括空氣。
19．權利要求16所述的方法，其中所述的烴蒸氣和氧氣在其進入第一級反應器之前混合。
20．權利要求19所述的方法，其中所述的烴蒸氣和氧氣與水蒸汽進一步混合。
21．權利要求16所述的方法，其中所述的烴蒸氣在第一級催化劑存在下進行蒸汽轉化。
22．權利要求22所述的方法，其中所述的第一級催化劑包括鎳催化劑。
23．權利要求16所述的方法，其中所述的蒸汽轉化在200℃至900℃溫度范圍之間進行。
24．權利要求16所述的方法，其中所述的高溫轉化反應在第二級催化劑存在下進行。
25．權利要求24所述的方法，其中所述的第二級催化劑包括氧化鐵。
26．權利要求16所述的方法，其中所述的高溫轉化反應在300℃至600℃溫度范圍之間進行。
27．權利要求16所述的方法，其中所述的低溫轉化反應在第三級催化劑存在下進行。
28．權利要求27所述的方法，其中所述的第三級催化劑包括銅。
29．權利要求16所述的方法，其中所述的低溫轉化反應在約150℃至300℃溫度范圍之間進行。
30．一種用于將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的烴水蒸汽轉化裝置，其包括a)第一級管，其中所述的第一級管具有用于接收含氧氣體和第一級燃料的第一級混合物的第一級管入口，和用于傳導所述的第一級混合物的第一級反應轉化產物的第一級管出口；b)第二級管，其環繞布置在第一級管周圍，其中所述的第二級管具有用于接收第二級燃料和水蒸汽的第二級混合物的第二級管入口，所述的第二級管具有用于導入所述的第二級混合物的第二級反應轉化產物的第二級管出口；c)催化轉化區，其環繞布置在第二級管周圍，其中所述的第一級反應轉化產物和第二級反應轉化產物可分別通過第一級管出口和第二級管出口導入至用于進一步轉化所述混合物的催化轉化區。
31．權利要求30所述的裝置，其中烴類燃料分餾器連接在所述的第一級管入口和第二級管入口處，在此，所述的分餾器可從用于后續導入至部分氧化區的烴類燃料中分離出重組分，在此可以從用于后續導入至蒸汽轉化區的烴類燃料中分離出輕組分。
32．權利要求30所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的氧氣包括空氣。
33．權利要求30所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第一級燃料和第二級燃料是相同的。
34．權利要求30所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第一級燃料包括餾出的燃料、汽油和醇類。
35．權利要求30所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中所述的第二級燃料包括餾出的燃料、汽油和醇類。
36．權利要求30所述的烴水蒸汽轉化裝置，其中催化轉化區的催化劑選自鎳、鈀、鉑、銠和釕。
37．一種用于將烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的方法，其包括如下步驟a)將含氧氣體和第一級烴類燃料的第一級混合物導入至第一級管中，在此，所述的第一級混合物的第一級烴類燃料自發地部分氧化形成第一級熱的含有氫氣和一氧化碳的轉化產物物流；b)將第二級烴類燃料和水蒸汽的第二級混合物導入至環繞布置在所述第一級管周圍的第二級管中，在此，所述的第二級混合物的第二級烴類燃料的部分水蒸汽轉化形成含有氫氣和二氧化碳的第二級熱的轉化產物物流；c)將所述的第一級熱的轉化產物物流和第二級熱的轉化產物物流通過催化轉化區以使所述的轉化產物物流進一步轉化。
38．權利要求37所述的方法，其中所述的烴類燃料在導入至第一級管和第二級管之前被分餾成烴類燃料的重組分和輕組分，所述的重組分后續導入至所述的部分氧化區，所述的輕組分導入至所述的蒸汽轉化區。
39．權利要求37所述的方法，其中空氣是氧氣。
40．權利要求37所述的方法，其中所述的第一級混合物的第一級烴類燃料和第二級混合物的第二級烴類燃料是相同的。
41．權利要求37所述的方法，其中所述的催化轉化區包括第一級催化劑。
42．權利要求41所述的方法，其中所述的第一級催化劑選自鎳、鈀、鉑、銠和釕。
43．權利要求37所述的方法，其中所述的第一級混合物的第一級烴類燃料選自餾出的燃料、汽油、甲醇，乙醇、醇類和醚類。
44．權利要求37所述的方法，其中所述的第二級混合物的第二級烴類燃料選自餾出的燃料、汽油、甲醇，乙醇、醇類和醚類。
45．一種用于將包括第一級烴類燃料和第二級烴類燃料的烴類燃料轉化成氫氣和二氧化碳的烴水蒸汽轉化裝置，其包括a)第一級管，其中所述的第一級管具有用于接收水蒸汽和第二級燃料的第一級混合物的第一級管入口，和用于傳導所述的第一級混合物的第一級反應轉化產物的第一級管出口；b)第二級管，其環繞布置在第一級管周圍，其中所述的第二級管具有用于接收第一級燃料和含氧氣體的第二級混合物的第二級管入口，所述的第二級管具有用于傳導所述的第二級混合物的第二級反應轉化產物的第二極管出口；c)催化轉化區，其環繞布置在第二級管周圍，其中所述的第一級反應轉化產物和第二級反應轉化產物可分別通過第一級管出口和第二級管出口導入至用于進一步轉化所述混合物的催化轉化區。
全文摘要
本發明公開了一種用于將烴類燃料或醇轉化成氫氣和二氧化碳的裝置和方法。所述的裝置包括具有部分氧化反應區的第一級反應器和分開的與部分氧化反應區不同的蒸汽轉化反應區。所述的第一級反應器具有在部分氧化反應區處的第一級反應器入口和在蒸汽轉化區處的第一級反應器的出口。所述的烴水蒸汽轉化裝置還包括延伸在第一級反應器周圍的螺旋管。所述的螺旋管具有連于氧源的第一端口和在部分氧化反應區處連于第一級反應器的第二端口。來自含氧源的氧氣可通過螺旋管導入至第一級反應器。具有第二級反應器入口和第二級反應器出口的第二級反應器環繞布置在第一級反應器周圍,所述的螺旋管布置在第一級反應器和第二級反應器之間,且來自第一級反應器的氣體可被導入通過第二級反應器。
文檔編號C01B3/38GK1228749SQ9719747
公開日1999年9月15日 申請日期1997年8月25日 優先權日1996年8月26日
發明者勞倫斯·G·克勞森, 威廉姆·L·米切爾, 杰弗里·M·本特利, 約翰內斯·H·J·泰斯恩 申請人:亞瑟·德·力托公司