[发明专利]在燃料处理应用中使用催化剂预燃烧器的方法

说明书

技术领域

本发明总体上涉及在燃料处理应用中在催化剂燃烧器上游使用催化剂预燃烧器(例如阳极尾气氧化器)的方法。

技术背景

燃料电池通过化学氧化-还原反应提供电能，并且与其它产生能量的形式相比，在清洁度和效率方面具有显著优势。通常，燃料电池使用氢气作为燃料，和将氧气作为氧化剂。产生的能量与反应物的消耗速率成正比。

缺少分布广泛的氢气基础设施是抑制燃料电池广泛使用的显著缺点。与目前大多数能源产生系统中使用的烃燃料相比，氢气具有相对低的体积能量密度，且更难于储存和运输。克服这个困难的一种方法是使用重整器将烃转化为可被用作燃料电池原料的富氢气体物流。

烃基燃料，例如天然气、LPG、汽油和柴油，需要转化过程以被用作大多数燃料电池的燃料来源。现有技术使用多步过程，其将最初的转化过程与数个过程组合。最初的过程最通常是蒸汽重整(SR)，自热重整(ATR)，催化部分氧化(CPOX)，非催化部分氧化(POX)。净化过程通常由脱硫、高温水煤气变换、低温水煤气变换、选择性CO氧化或选择性CO甲烷化的组合组成。可供选择的过程包括氢选择性膜反应器和过滤器。

催化剂燃烧器，例如阳极尾气氧化器(ATO)，对于燃料处理器和燃料电池的操作是必不可少的。单个的ATO必须能够有效燃烧燃料电池的废气和变压吸附装置的废气。此外，单个的ATO必须能够有效燃烧天然气、液态烃和醇。另外，单个的ATO必须具有液体燃料燃烧能力，以开车并补充燃料。虽然催化剂燃烧器，例如ATO，和传统的燃烧器相比具有优势，但存在与在燃料处理应用中操作ATO相关的问题。

与ATO的相关的一个问题包括难以使天然气催化剂燃烧器开车。具体地，天然气催化剂燃烧器开车需要大量的预热空气或者电力输入。在燃料处理应用中，天然气和/或空气必须被预热到高于天然气点火温度(约300℃)的温度，以在ATO中氧化。另外，为了控制催化剂床层的温度，需要很高的空气流量(氧碳比约为7)，这对于1摩尔天然气需要约33.3摩尔空气。必须使用电加热器来保持催化剂床是热的，或必须使用大型换热器以便对天然气和/或空气进行预热。这些解决方案都存在一些设计和操作问题。

与ATO的相关的另一个问题包括要求在单个装置中燃烧液体和气体燃料。在燃料处理操作中，ATO必须能够在单个装置中燃烧各种燃料，包括液体和气体燃料。这样的要求提出了设计上的挑战。

本发明致力于ATO的开车需求以及ATO能够在单个装置中燃烧液体和气体燃料的要求。

发明内容

本发明提供在燃料处理应用中在催化剂燃烧器上游使用催化剂预燃烧器例如阳极尾气氧化器(ATO)的方法。本发明的方法制备可以在单个ATO中有效燃烧的含氢的气体混合物。催化剂预燃烧器将原料燃料转化为含氢的气体混合物。随后，该含氢的气体混合物在进入催化剂燃烧器前和需要的空气流混合。

当如本发明一样利用预燃烧器时，减少了天然气催化剂燃烧器的加热需求。首先，催化剂预燃烧器的加热需求远少于普通的催化剂燃烧器。其次，因为氢气可以在约40℃下点火，所以在随后的催化剂燃烧器中不需要加热空气。因此对于天然气燃料，明显减少了加热需求。

此外，当如本发明一样利用预燃烧器时，增大了天然气催化剂燃烧器的燃料转化率。在催化剂预燃烧器中，使用小于1的氧碳比导致了通过部分氧化而在气体混合物中存在一些氢气。因为氢气在随后的催化剂燃烧器中容易点火，所以总的燃料转化率将是高的。

另外，当如本发明一样利用预燃烧器时，不需要双燃料催化剂燃烧器。如果使用液体燃料混合物，则催化剂预燃烧器只需要具有液体氧化的能力。催化剂预燃烧器不需要燃烧气体，和随后的催化剂燃烧器不需要燃烧液体燃料-催化剂燃烧器只需要燃烧气体燃料。因而解决了对液体燃料的设计挑战。

最后，当如本发明一样利用预燃烧器时，提供另外的好处-从预燃烧器获得的氢气可以在第二反应区内与氧气混合，从而消除了反应区外爆炸性混合物的形成。

附图说明

参考所附附图提供说明，其中：

图1描述了燃料处理器的简单工艺流程图。

图2说明了一个紧凑式燃料处理器的实施方案。

图3说明了燃料处理应用的阳极尾气氧化器上游的催化剂预燃烧器的一个实施方案。

具体实施方式

阳极尾气氧化器(ATO)对燃油处理器和燃料电池的操作是必不可少的。本发明提供了在燃料处理应用中在ATO上游使用催化剂预燃烧器的方法。