用于燃料处理应用的混合燃烧室.pdf

本发明公开了一种用于燃料处理应用的混合燃烧室，例如阳极尾气氧化器(ATO)，其将火焰型燃烧器和催化型燃烧器结合在一起。本发明的混合燃烧室结合了火焰型燃烧器和催化型燃烧器的优点。混合燃烧室的火焰燃烧器部件在用于使催化燃烧器部件预热的启动期间使用。当催化燃烧器床预热或点火时，火焰燃烧器将切断。选择性地，混合燃烧室还可以包括位于催化燃烧器下游的整体式热回收装置，用于产生蒸汽和使重整装置例如自热重整装置的进料进行预热。

1.  一种混合燃烧室，包括：
允许一次空气进入所述混合燃烧室的第一阀；
允许燃料进入所述混合燃烧室的第二阀；
允许二次空气进入所述混合燃烧室的第三阀；
具有火花塞的火焰燃烧器，所述火花塞用于启动所述混合燃烧室；
高温偏转板；
允许所述燃料进入所述混合燃烧室的第四阀，其中，所述燃料、所述一次空气和所述二次空气的混合点恰好位于所述混合燃烧室的燃烧区之前；
重整产物分配器；
催化燃烧器，其中，所述催化燃烧器包括催化剂床；和
热交换器。

2.  如权利要求1所述的混合燃烧室，还包括二次空气预热器。

3.  如权利要求1所述的混合燃烧室，还包括位于所述第四阀上游的管线内混合器。

4.  如权利要求1所述的混合燃烧室，还包括位于所述催化燃烧器下游的整体式热回收装置，其中，所述整体式热回收装置包括圆柱形环状空间，其中，来自所述催化燃烧器的烟道气三次流过所述圆柱形环状空间；锅炉，其中，所述锅炉兼顾流动沸腾和池沸腾；钟形蒸发器；用于气体进一步加热的大盘管；用于蒸汽过热的小盘管；和轧制翅片型热交换器。

5.  如权利要求4所述的混合燃烧室，其中，来自所述整体式热回收装置的燃烧排气传送至重整反应器，以在所述重整反应器启动期间使重整装置床和转换床预热。

6.  如权利要求5所述的混合燃烧室，其中所述重整反应器是自热重整反应器。

7.  如权利要求4所述的混合燃烧室，还包括二次空气预热器，其中，来自所述整体式热回收装置的燃烧排气传送至所述二次空气预热器。

8.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，来自所述火焰燃烧器的排气通过直接经过所述催化剂床使所述催化剂床预热。

9.  如权利要求8所述的混合燃烧室，其中，所述火焰燃烧器在所述催化剂床预热之后自动切断。

10.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，所述重整产物分配器是喷雾器型重整产物分配器。

11.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，所述催化剂床是整体式催化剂床。

12.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，所述热交换器是轧制翅片型热交换器。

13.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，所述混合燃烧室是混合阳极尾气氧化器。

14.  如权利要求1所述的混合燃烧室，其中，来自所述混合燃烧室的排气使重整床预热。

15.  如权利要求14所述的混合燃烧室，其中，所述重整床是自热重整床。

16.  一种混合燃烧室，包括：
多个阀；
具有火花塞的火焰燃烧器；
高温偏转板；
重整产物分配器；
催化燃烧器；和
热交换器。

17.  如权利要求16所述的混合燃烧室，还包括二次空气预热器；位于所述第四阀上游的管线内混合器；和位于所述混合燃烧室下游的整体式热回收装置。

18.  如权利要求16所述的混合燃烧室，其中，所述多个阀包括：
允许一次空气进入所述混合燃烧室的第一阀；
允许燃料进入所述混合燃烧室的第二阀；
允许二次空气进入所述混合燃烧室的第三阀；和
允许所述燃料进入所述混合燃烧室的第四阀，其中，所述燃料、所述一次空气和所述二次空气的混合点恰好位于所述混合燃烧室的燃烧区之前。

19.  一种用于操作混合燃烧室的方法，包括：
打开第一阀使一次空气进入所述混合燃烧室，从而利用所述一次空气吹扫所述混合燃烧室；
将吹扫气排到排气管线，同时保持所述一次空气的流量；
减少所述一次空气的流量；
使燃料流过第二阀；
立即致动火焰燃烧器的火花塞以点燃所述火焰燃烧器；
监视用于所述火焰燃烧器的温度变化的热电偶；
打开第三阀使二次空气在所述火花塞致动之后流动以降低火焰温度；
控制所述二次空气的流量以防止催化剂床烧结；
利用所述二次空气使所述火焰燃烧器运行以加热热交换器和所述催化剂床；
关闭所述第二阀以阻止所述燃料流过所述第二阀，从而自动切断所述火焰燃烧器；
打开第四阀以使所述燃料通过分配器流入催化燃烧器；和
使所述一次空气、所述二次空气和所述燃料在混合点混合，其中，所述混合点恰好位于所述混合燃烧室的燃烧区之前。

20.  如权利要求19所述的用于操作混合燃烧室的方法，其中，根据所述一次空气的流量以及所需的氧碳比确定天然气的流量。

21.  如权利要求19所述的用于操作混合燃烧室的方法，还包括通过与来自所述热交换器的热空气直接混合来使天然气预热。

22.  如权利要求19所述的用于操作混合燃烧室的方法，其中，来自所述混合燃烧室的排气使重整床预热。

23.  如权利要求22所述的用于操作混合燃烧室的方法，其中，所述重整床是自热重整床。

24.  如权利要求19所述的用于操作混合燃烧室的方法，其中，所述混合燃烧室是混合阳极尾气氧化器。

用于燃料处理应用的混合燃烧室
技术领域
本发明通常涉及整合有火焰和催化燃烧器的用于燃料处理应用的混合燃烧室。选择性地，混合燃烧室可以包括位于催化燃烧器下游的整体式热回收装置，用于使重整反应器的进料流或床预热以及产生蒸汽。
背景技术
燃料电池通过化学氧化还原反应提供电能并且就清洁度和效率来说明显优于其它形式的能量产生。典型地，燃料电池使用氢气作为燃料，使用氧气作为氧化剂。能量产生与反应物的消耗率成比例。
限制燃料电池更广泛使用的明显缺陷在于缺少分布广泛的氢气基础设施。氢气具有比较低的体积能量密度，与目前在大多数发电系统中使用的烃类燃料相比更难储存和输送。克服该难题的一个方法是使用重整装置将烃类转化为富氢气体流，其可以用作燃料电池的原料。
烃基燃料，例如天然气、LPG、汽油和柴油需要转化处理以用作大多数燃料电池的燃料源。当前技术使用多步骤工艺，将初始转化工艺与几个净化工艺相结合。初始工艺最常见为蒸汽重整(SR)、自热重整(ATR)、催化部分氧化(CPOX)或非催化部分氧化(POX)。净化工艺通常由脱硫、高温水气变换、低温水气变换、选择性的CO氧化或选择性的CO甲烷化的组合构成。可选的工艺包括氢气选择性膜反应器和过滤器。
例如阳极尾气氧化器(ATO)的燃烧室对燃料处理系统来说是关键部件。它使重整产物、来自燃料电池的阳极尾气或变压吸附装置废气燃烧以产生用于重整系统的热量。所有这些气体通常含有一定量的氢气。例如，由于是烃类原料重整产物，重整产物主要是氢气和一氧化碳的混合物。其它成分可以包括二氧化碳、蒸汽、氮气和未转化的原料。
除了燃烧这些气体之外，尤其是在系统初次启动期间，燃烧室还要具有能使类似于天然气或丙烷的燃料燃烧的能力。
燃烧室可以是单个的催化型燃烧室。虽然催化燃烧室相对于传统的火焰型燃烧器具有较低燃烧温度和清洁排气(其中含有较少的氮氧化物)的优点，但催化燃烧室的催化剂床通常需要为启动进行预热，或者燃料(例如，天然气)需要在燃烧室可以点火之前预先加热到某一温度。作为一种选择，可以使用表面电加热器在启动期间对催化剂床或天然气燃料进行预热。这样，通常需要至少30分钟的时间来达到用于天热气的点火温度。因此，相当多的电能(附加能量)被消耗。同样，由于燃料或燃烧空气的预热未在设计中考虑，催化燃烧室在燃烧大量天然气方面存在困难。与天然气在较大流速下的较高表面速度相比，由于天然气的较低火焰速度，致使火焰损失频繁发生。
与常见催化燃烧室相关的另一问题在于，在燃烧区之外，在大部分时间需要重整产物(尤其是氢气)与空气的良好混合。由于所形成的氢气空气混合物处于其易燃(或易爆)下限，这种混合会导致潜在的安全问题。
为了克服与单个催化燃烧室相关的上述问题，可以使用单个火焰燃烧器。火焰型燃烧器典型地使用火花塞点燃燃料，并且不需要为点火进行燃料(例如，天然气)预热。同样，与催化燃烧室不同，火焰型燃烧器不需要燃料与燃烧空气进行充分预混合。相反，燃料可以在正常温度下利用适当的化学计算容易地进行点火。然而，火焰型燃烧器必须在相对富燃料情况(即，较低的氧/碳比)下点火，因此，其燃烧温度通常较高，除非引入大量二次空气以削弱火焰。由于火焰型燃烧器中的较高燃烧温度，除炭黑外，很可能在其排气中形成氮氧化物。因此，单个火焰燃烧器既不是长期可行的解决方案，也不是保护环境质量的理想解决方案。本发明提供了一种解决与催化燃烧室相关难题的可行解决方案。
发明内容
本发明公开了一种用于燃料处理应用的混合燃烧室，例如阳极尾气氧化器(ATO)，其将火焰型燃烧器和催化型燃烧器结合在一起。选择性地，混合燃烧室还可以包括位于催化燃烧器下游的整体式热回收装置。除了如下所述的其它优点外，利用本发明的混合燃烧室设计，可以消耗较少的能量用于预热。总的说来，从预热节省的总功率估计量为大约1.5kW。
本发明的混合燃烧室结合了火焰燃烧器和催化燃烧器的优点。混合燃烧室的火焰燃烧器部件在用于使催化燃烧器部件预热的启动期间使用。当催化燃烧器床预热或点火时，火焰燃烧器将切断。通过结合火焰燃烧器和催化燃烧器的特征，混合燃烧室改善了天然气燃烧并确保了燃烧室和整个燃料处理系统的快速启动。大部分时间，混合燃烧室只靠其催化燃烧器工作，因此，混合燃烧室仍然保持清洁燃烧的优点。
混合燃烧室的特征之一在于，火焰燃烧器排气用于使催化燃烧器的催化剂床直接预热(通过直接经过催化燃烧器床)。这种预热方式与通过电加热器加热催化燃烧器床相比更为迅速和有效。据估计，催化燃烧器启动时间可以从大约30分钟缩短到不到1分钟。
本发明的混合燃烧室的另一个特征在于，燃料或空气预热整合在燃烧室的内部。因此，不需要单独的加热设备或单独的热源(例如，电能)。这种整合式燃料预热设计可以使用翅片热交换器，其非常有效并且节能。整体式燃料预热设计还解决了与难于燃烧大量天然气，尤其是燃烧冷天然气相关的问题。因此，即使在较高的天然气流量下也不会产生更多的火焰损失。
本发明的混合燃烧室设计还解决了涉及燃料(重整产物和/或天然气)与空气在远离燃烧区的位置进行混合的潜在安全问题。在本发明中，燃料与空气的混合点尽可能地接近燃烧区。因此，混合物一旦形成，它可以通过燃烧立即消耗。这消除了在燃烧区以外处理易爆氢气空气混合物的潜在安全问题或将其降至最小程度。另外，可以使用喷雾器型燃料分配器，其不仅增强了热空气与燃料的混合(以确保燃料在催化床上完全转化)，还使压降减小到最小程度。
除了本发明的火焰燃烧器和催化燃烧器之外，还可以包括用于二次空气的预热器。另外，本发明还可以包括在需要用于燃烧的补充天然气时，使重整产物和天然气进行预混合的管线内(inline)混合器。
选择性地，本发明的混合燃烧室还可以包括位于催化燃烧器下游的整体式热回收装置，用于使自热重整装置(ATR)的进料流或床预热或用于产生蒸汽。利用本发明的混合燃烧室的这个实施例，可以获得提高的燃料处理效率和燃料处理系统(例如，ATR系统)的快速启动。
来自整体式热回收装置的燃烧排气可以沿下列两条路径之一流动：(1)流向ATR反应器，用于在系统启动期间使重整装置和变换催化剂床预热；或者，(2)流向热交换器(二次空气预热器)，以使用于混合燃烧室本身的二次空气预热。使用来自混合燃烧室的排气对ATR反应器催化剂床进行预热的一个好处在于，ATR反应器催化剂床可以更迅速、更均匀地预热，因此，ATR可以更快地实现和达到其希望的工作点。作为额外的好处，由于ATR反应器的快速加热，空气和蒸汽可以更早地同时流入ATR反应器，从而使ATR床上的烟灰生成(由在未添加蒸汽情况下进行部分氧化引起)降到最小程度。
附图说明
参考附图对本发明进行描述，其中：
图1显示了用于燃料处理器的简单工艺流程图。
图2显示了压缩燃料处理器的实施例。
图3显示了混合燃烧室的实施例。
图4显示了混合燃烧室的第二实施例。
具体实施方式
例如阳极尾气氧化器(ATO)的燃烧室对燃料处理器和燃料电池的工作来说必不可少。本发明公开了一种用于燃料处理应用的混合燃烧室，例如ATO，其将火焰燃烧器和催化燃烧器结合在一起。
燃料处理器通常是用于将烃类燃料转换为富氢气体的设备。在一个实施例中，这里描述的压缩燃料处理器从供燃料电池使用的烃类燃料中生产富氢气体流。然而，可以设想本发明的方法具有其他可能应用，包括需要富氢气流的任何应用。因此，尽管本发明在这里描述为与燃料电池结合使用，但本发明的范围不局限于这种应用。每个说明性实施例描述了燃料处理器或使用燃料处理器的工艺，其中，烃类燃料供给通过燃料处理器控制。
用于燃料处理器的烃类燃料在环境条件下可以是液体和气体，只要它可以汽化即可。当在此使用时，术语″烃类″包括具有碳-氢键的有机化合物，其能够通过部分氧化或蒸汽重整反应产生氢气。在化合物的分子结构中不排除存在碳和氢以外的原子。因此，用于燃料处理器的适用燃料包括但不限于例如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、石脑油、汽油和柴油的烃类燃料，以及例如甲醇、乙醇、丙醇的酒精等。
燃料处理器进料包括烃类燃料、氧气和水。氧气可以是空气、富氧空气或大体上纯氧。水可以液体或蒸汽形式引入。进料成分的组成百分比由希望的工作条件决定，如下所述。
燃料处理器排出流包括氢气和二氧化碳，还可以包括一部分水、未转化的烃类、一氧化碳、杂质(例如，硫化氢和氨)以及惰性组分(例如，氮气和氩气，尤其是如果空气是进料流的一部分的话)。
参见图1，图1显示了燃料处理器的简单工艺流程图，举例说明了将烃类燃料转化为富氢气体所包括的工艺步骤。本领域的技术人员应当认识到，在反应物通过这里公开的反应器流动的过程中需要一定量的渐进顺序。
处理步骤A是自热重整过程，其中，两个反应，即部分氧化(下面的反应式I)和选择性的蒸汽重整(下面的反应式II)联合作用以将进料流F转化为含有氢气和一氧化碳的合成气体。反应式I和II是示例性的反应式，其中，甲烷被认为是烃类：
CH₄+¹/₂O₂→2H₂+CO(I)
CH₄+H₂O→3H₂+CO(II)
部分氧化反应非常迅速地发生以使添加的氧气完全转化并产生热量。蒸汽重整反应较慢地发生并且消耗热量。进料流中氧气的浓度越高，越有助于部分氧化，而水蒸气浓度越高，越有助于蒸汽重整。因此，氧气与烃类之比以及水与烃类之比成为特征参数。这些比值影响工作温度和氢气产量。
根据进料条件和催化剂，自热重整步骤的工作温度可以为大约550℃到大约900℃。本发明可以在有或没有水蒸气重整催化剂的情况下使用部分氧化催化剂的催化剂床。催化剂可以是任何形式，包括球粒、球形、挤出物、整料等。部分氧化催化剂为本领域技术人员所熟知，通常由位于整料、挤出物、球粒或其它载体的氧化铝活化涂层上的贵金属例如铂、钯、铑和/或钌组成。还使用例如镍或钴的非贵金属。例如氧化钛、氧化锆、二氧化硅和氧化镁的其它活化涂层已经在文献中引用。许多添加材料，例如镧、铈和钾已经在文献中引用为″助催化剂″，用于提高部分氧化催化剂的性能。
蒸汽重整催化剂应当为本领域技术人员所熟知并且可以包括具有一定量钴或贵金属的镍，所述贵金属例如为铂、钯、铑、钌和/或铱。例如，催化剂可以承载在单独或组合使用的氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆或铝酸镁上。可选地，蒸汽重整催化剂可以包括镍，优选地承载在单独或组合使用的氧化镁、氧化铝、二氧化硅、氧化锆或铝酸镁上，由例如钾的碱性金属催化。
处理步骤B是冷却步骤，用于将来自处理步骤A的合成气体流冷却到大约200℃到大约600℃，优选地为大约300℃到大约500℃，更优选地为大约375℃到大约425℃，以使用于下一步骤的合成气体排出的温度最佳化。冷却可以根据设计规范和回收/循环气体流热含量的需要利用热沉、导热管或热交换器实现。步骤B的一个说明性实施例是使用热交换器，其利用进料流F作为在热交换器中循环的冷却剂。热交换器可以具有本领域技术人员所熟知的任何适用结构，包括壳管式、板式、螺旋式等。可选地或另外，冷却步骤B可以通过喷射额外的进料成分例如燃料、空气或水来完成。水是优选的，因为它在汽化为蒸汽时能够吸收大量的热。添加成分的数量取决于所希望的冷却度并且易于由本领域的技术人员确定。
处理步骤C是提纯步骤。烃类流的主要杂质之一是硫，其通过自热重整步骤A转化为硫化氢。在处理步骤C中使用的处理芯部优选地包括氧化锌和/或能够吸收和转化硫化氢的其它材料，并且可以包括载体(例如，整料、挤出物、球粒等)。通过根据下列反应式III将硫化氢转化为水实现脱硫：
H₂S+ZnO→H₂O+ZnS(III)
例如氯化物的其它杂质也可以被去除。反应优选地在大约300℃到大约500℃、更优选地大约375℃到大约425℃的温度下进行。氧化锌在大约25℃到大约700℃的很宽温度范围内是有效的硫化氢吸收剂，并且通过适当选择工作温度提供用于优化处理步骤顺序的高度灵活性。
排出流随后送至混合步骤D，其中，水有选择地添加到气体流中。水的添加降低了反应流在其汽化时的温度并且提供用于处理步骤E的水气变换反应(如下所述)的更多的水。水蒸气和其它排出流组分通过流过惰性材料制成的处理芯部进行混合，所述惰性材料例如为有效混合和/或有助于水汽化的瓷珠或其它类似材料。可选地，所有补给水可以随进料一起引入，混合步骤可以复位以在下面公开的CO氧化步骤G中提供氧化气体的更好混合。
处理步骤E是水气变换反应，其根据反应式IV将一氧化碳转化为二氧化碳：
H₂O+CO→H₂+CO₂(IV)
这是重要的步骤，因为除了对人体具有高毒性之外，一氧化碳对燃料电池也是有害的。一氧化物的浓度应当优选地降低到燃料电池容许的水平，典型地低于50ppm。通常，水气变换反应可以根据所用催化剂在150℃到600℃的温度下发生。在这种情况下，气体流中的大部分一氧化碳在这个步骤中转化。
低温变换催化剂在大约150℃到大约300℃的范围内起作用，并且包括例如氧化铜，或承载于例如氧化锆的其它过渡金属氧化物上的铜，或承载于例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆等的过渡金属氧化物或耐火载体上的锌，或者位于例如二氧化硅、氧化铝、氧化锆的适用载体上的例如铂、铼、钯、铑或金的贵金属，等等。
高温变换催化剂优选地在大约300℃到大约600℃的温度范围内起作用，并且可以包括例如氧化铁或氧化铬的过渡金属氧化物，并且有选择地包括例如铜或铁失活剂(suicide)的助催化剂。还包括的是，高温变换催化剂是固载贵金属，例如固载铂、钯和/或其它铂系元素。
用于执行该步骤的处理芯部可以包括例如上述高温或低温变换催化剂，或者高温和低温变换催化剂组合的填料床。所述处理应当根据所用催化剂的类型在适于水气变换反应的任何温度，优选地在150℃到大约400℃的温度下进行。选择性地，例如冷却盘管的冷却元件可以布置在变换反应器的处理芯部中，以降低催化剂填料床内的反应温度。较低的温度有助于一氧化碳转化为二氧化碳。同样，提纯处理步骤C可以通过利用高低温变换步骤之间的脱硫模块提供用于高低温变换的单独步骤在高低温变换反应之间进行。
处理步骤F′是在一个实施例中通过热交换器进行的冷却步骤。热交换器可以具有任何适用结构，包括壳管式、板式、螺旋式等。可选地，可以使用导热管或其它形式的热沉。热交换器的目的在于降低气体流的温度以产生温度优选地为大约90℃到大约150℃的排出流。
氧气添加到步骤F′的工艺中。氧气由下述处理步骤G的反应消耗。氧气可以是空气、富氧空气或大体上纯氧。热交换器可以根据设计提供空气与富氢气体的混合。可选地，处理步骤D的实施例可用于进行混合。
处理步骤G是氧化步骤，其中，排出流中的几乎全部剩余一氧化碳转化为二氧化碳。可以在具有用于一氧化碳氧化的催化剂的情况下进行上述工艺，并且催化剂可以为任何适当形式，例如球粒、球形、整料等。用于一氧化碳的氧化催化剂已知并且典型地包括贵金属(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，尤其是氧化物。优选的氧化催化剂是位于氧化铝活化涂层上的铂。活化涂层可以施加到整料、挤出物、球粒或其它载体上。可以添加例如铈或镧的添加材料以提高性能。文献中引用了许多其它反应式，其中，一些有实际经验的人主张铑或氧化铝催化剂具有优异性能。钌、钯、金和其它材料在文献中引用为对这种应用有效。
在处理步骤G中存在两个反应：一氧化碳的希望氧化(反应式V)和氢气的不希望氧化(反应式VI)如下：
CO+¹/₂O₂→CO₂(V)
H₂+¹/₂O₂→H₂O(VI)
低温有助于一氧化碳的优选氧化。因为两个反应产生热量，有利地是，有选择地包括布置在工艺中的冷却元件，例如冷却盘管。所述工艺的工作温度优选地保持在大约90℃到大约150℃的范围内。处理步骤G优选地将一氧化碳水平降低到小于50ppm，其是在燃料电池中使用的适用水平，但是本领域的技术人员应当认识到，本发明可适合于产生具有较高或较低水平的一氧化碳的富氢产物。
流出燃料处理器的排出流是含有二氧化碳和其它组分的富氢气体，所述其它组分可以是例如水、惰性组分(例如，氮气、氩气)、残余烃等。产品气体可作为用于燃料电池或用于需要富氢进料流的其它应用的进料。选择性地，产品气体可进行进一步处理，例如去除二氧化碳、水或其它组分。
燃料处理器100包含用于执行如图1所示一般工艺的一系列处理单元。期望的是，处理单元可以具有对本领域技术人员来说显而易见的多种构造。此外，这里描述的燃料处理器可适合与燃料电池一起使用，使得这里描述的燃料处理器的富氢产品气体作为进料流直接供应给燃料电池。
参见图2，图2显示了紧凑的燃料处理器的实施例。如图2所示的燃料处理器200与图1示意性显示和上文描述的工艺类似。烃类燃料进料流F引入燃料处理器，富氢产品气体P排出。燃料处理器200包括若干个处理单元，每个处理单元执行单独操作功能并且通常构造为如图2所示。在这个说明性实施例中，烃类燃料F经由第一隔室流入螺旋式热交换器201，其利用燃料电池尾气T(在ATO 214处流入燃料处理器200)对进料F进行预加热。因为在燃料处理器中发生的多个放热反应，本领域技术人员应当认识到，在这个过程中还可能存在几种其它热联合可能。预热进料随后通过同心扩散器(用于反应器入口处近乎理想的流动分布和低压降)流入脱硫反应器202。反应器202包含脱硫催化剂并且以如图1所示处理步骤C中描述的方式工作。(注意，该步骤不与图1所示处理步骤的顺序一致。这是文献的根本实例，本领域技术人员可以优化工艺构造，以便处理各种烃类燃料进料和/或产生更纯的产物。)来自反应器202的脱硫燃料随后通过同心扩散器收集并与空气A混合，混合物流向热交换器203。在这个说明性实施例中，热交换器203是螺旋式热交换器，其利用燃料电池尾气T(在ATO 214处流入燃料处理器200)加热混合的燃料/空气流。
预热的燃料/空气混合物随后流入第二隔室，其中，预热温度通过位于两个隔室之间的线圈加热器204保持或增加。预热的燃料-空气混合物流入螺旋式热交换器205，其利用自热重整装置(ATR)206排出流将流体预先加热到自热重整反应温度。经预热的水(在热交换器212处流入燃料处理器200)在流入热交换器205之前与预热的燃料空气流混合。预热的燃料-空气-水混合物通过同心扩散器流出热交换器205，随后供应给ATR 206，这对应于图1中的处理步骤A。扩散器允许在ATR 206入口处实现均匀的流动分布。来自ATR 206的热氢气产物通过同心扩散器收集并返回热交换器205用于热回收。在这个实施例中，热交换器205安装到ATR 206正上方，以便将流动通道减到最短，从而减少能量损耗，提高总能量效率。流动调整叶片可以插在弯曲处，以便实现通过ATR 206的低压降和均匀流动。
来自热交换器205的冷却氢气产物随后通过同心扩散器流向脱硫反应器207，这对应于图1中的处理步骤C。脱硫产物随后提供给催化变换反应器208，这对应于图1中的处理步骤E。设置冷却盘管209以控制放热转换反应温度，其加快一氧化碳转化，从而导致效率提高。在这个实施例中，冷却盘管209还对ATR 206进料预先加热，进一步提高热回收和燃料电池效率。转换反应产物随后通过同心扩散器进行收集并且在螺旋式热交换器210中冷却，所述螺旋式热交换器同样使供水W预先加热。
空气A随后引入冷却的转换反应产物，其随后流向同心扩散器，给优选的CO氧化反应器211供料。反应器211将一氧化碳氧化为二氧化碳，这对应于图1中的处理步骤G。流动调整叶片可以插在弯曲处，以便实现通过反应器211的短流动通道和均匀的低压降。排出的净化氢气流随后在同心扩散器中收集并送至热交换器212，其将热能回收到供水W中。冷却氢气流随后在分离器213中冲刷以去除过量水W。来自分离器213的氢气流P适用于氢气用户，例如燃料电池。
在图2所示实施例中，来自燃料电池的混合阳极和阴极排出气体流入燃料处理器200以在燃料电池中对未转化的氢气进行热回收。燃料电池与燃料处理器的集成显著提高了由燃料电池进行发电的总效率。燃料电池尾气T通过同心扩散器流向ATO 214。氢气，和(可能地)甲烷及其它轻质烃类的滑流根据下列反应式进行催化氧化：
CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O(VII)
H₂+¹/₂O₂→H₂O(VIII)
反应VII和VIII在ATO 214发生，所述ATO214可以是由位于珠粒上的催化剂丸，或者优选地整体式催化剂组成的固定床反应器。热反应器排出流通过同心扩散器收集并且流向热交换器203以对来自反应器202的合成燃料/空气混合物进行热回收。来自燃料电池尾气流T的热量在所述尾气流迅速通过分离器215之前在热交换器201中进一步回收。分离出的水加入处理器排出水流W中，排出气体随后排放到环境中。
参见图3，图3显示了本发明用于燃料处理应用的混合燃烧室(例如，阳极尾气氧化器(ATO))的实施例300。混合燃烧室300包括允许一次空气进入混合燃烧室300的第一阀301；允许燃料(典型地，天然气；除了其它燃料外还可以使用丙烷)进入混合燃烧室300的第二阀302；允许二次空气进入混合燃烧室300的第三阀303；和允许燃料(典型地，天然气和/或重整产物)进入混合燃烧室300的第四阀304。燃料、一次空气和二次空气的混合点恰好位于混合燃烧室300的燃烧区之前。
如图3所示，混合燃烧室300还包括具有火花塞305的火焰燃烧器310，所述火花塞用于启动混合燃烧室300；高温偏转板306；重整产物分配器307；催化燃烧器308；和热交换器309。重整产物分配器307可以是喷雾器型重整产物分配器。催化燃烧器308的催化剂床可以是整体式催化剂床或球粒型催化剂床。热交换器309可以是轧制翅片型热交换器。
火焰燃烧器310的排气通过直接经过催化剂床使催化燃烧器308的催化剂床预热。火焰燃烧器310在催化燃烧器308的催化剂床预热之后自动切断。来自催化燃烧器308的排气311可用于使例如自热重整床的重整床预热。
本发明的混合燃烧室300首先通过打开第一阀301进行工作，以允许一次空气进入混合燃烧室300以利用一次空气吹扫混合燃烧室300。一次空气在启动期间可以设定为例如100slpm的流量。一次空气允许流动几秒钟。吹扫气排出到排气管线，同时保持一次空气的流量。
接下来，一次空气的流量减少(到例如36slpm的数值)，随后，第二阀302打开。第二阀302的打开还允许燃料(例如天然气，设定在例如3slpm的流量)流过第二阀302。随后，火焰燃烧器310的火花塞305立刻点火以点燃火焰燃烧器310。监视热电偶以检测火焰燃烧器310的温度变化。
接下来，在火焰燃烧器310的火花塞305致动之后，根据需要，打开第三阀303允许二次空气进入以使火焰温度降低。控制二次空气的流量以防止催化燃烧器308的催化剂床烧结。稀薄火焰的排气温度不应超过800℃以防止烧结。例如，对于天然气为3slpm以及一次空气为36slpm的情况下，二次空气流量应当控制在大于27slmp。在本实例中，在添加二次空气的情况下，总氧碳比为4.4。
火焰燃烧器310在二次空气存在的情况下工作几秒钟(例如，30秒)以加热热交换器309和催化燃烧器308的催化剂床。一旦催化燃烧器308的催化剂床达到要求的温度(例如，400℃)，第二阀302关闭以截断燃料通过第二阀302的流动，因燃料停止供应给火焰燃烧器310而自动切断火焰燃烧器310。空气可以仍然流过火焰燃烧器310以回收存留在火焰燃烧器310和热交换器309中的热量。
接下来，第四阀304打开以使燃料通过重整产物分配器307流入催化燃烧器308。预热空气与燃料在锥形壳体的颈部混合，天然气在所述位置通过重整产物分配器307连续地分配给空气。由于空气在环形喉管处的极高速度，可以获得燃料和空气之间良好的混合。当催化燃烧器308的催化剂床足够热时，燃料-空气混合物在其撞击催化燃烧器308的催化床时点燃。这里，空气和燃料在正好位于所述混合燃烧室300的燃烧区之前的混合点处混合。
根据一次空气的流量和所需的氧碳比确定所述天然气的实际流量。例如，可以使用氧碳比为2.5。天然气可以通过与来自热交换器309的热空气直接混合进行预热。
当获得阳极尾气或变压吸附装置废气时，天然气将转化为重整产物。当燃烧重整产物(由于存在氢气)比燃烧天然气更容易时，转化不会产生问题。在需要补充天然气的情况下，天然气可以首先与重整产物混合在一起并输送给催化燃烧器309。
参见图4，图4显示了本发明用于燃料处理应用的混合燃烧室400的第二实施例。与图3所示实施例类似，混合燃烧室400包括允许一次空气进入混合燃烧室400的第一阀401；允许燃料(典型地，天然气；除了其它燃料外还可以使用丙烷)进入混合燃烧室400的第二阀402；允许二次空气进入混合燃烧室400的第三阀403；和允许燃料(典型地，天然气和/或重整产物)进入混合燃烧室400的第四阀404。燃料、一次空气和二次空气的混合点恰好位于混合燃烧室400的燃烧区之前。
如图4所示并且与图3类似，混合燃烧室400还包括具有火花塞405的火焰燃烧器410，所述火花塞用于启动混合燃烧室400；高温偏转板406；重整产物分配器407；催化燃烧器408；和热交换器409。重整产物分配器407可以是喷雾器型重整产物分配器。催化燃烧器408的催化剂床可以是整体式催化剂床。热交换器409可以是轧制翅片型热交换器。
图4所示混合燃烧室400的实施例还包括二次空气预热器413、管线内混合器411和整体式热回收装置412。整体式热回收装置412包括圆柱形环状空间，其中，来自催化燃烧器408的烟道气三次(以上或以下)流过所述圆柱形环状空间而不是仅仅流过一次，这大大增加了热烟道气与冷蒸汽接触的停留时间，从而增强了热传递。
整体式热回收装置412还包括锅炉。锅炉兼顾流动沸腾和池沸腾。例如，钟形环状空间内的水实际上几乎与流动沸腾一样向上流动，但由于顶部存在大空间用于将液滴击落而不易结块，从而形成不连续的两相流动。另一方面，锅炉还像池沸腾，这是因为，由于连续不断的水供给以及在稳定条件下通常保持最低水位，使得始终有一部分水保持在环形储存器中。另外，锅炉对蒸汽产量有更好的调气比(turn-downratio)，这是因为沸腾传热面积随水位而变，而水位相应地随水流量而变。
整体式热回收装置412还包括钟形蒸发器；用于气体进一步加热的大盘管；用于蒸汽过热的小盘管；和轧制翅片型热交换器。翅片热交换器用于在热源气体已经冷却的位置处增强气气热传递。
整体式热回收装置412的设计通过增加热烟道气和冷蒸汽之间的接触时间来提高传热效率。该设计还通过较小的盘管直径使在流动沸腾型热交换器中经常遇到的不希望结块最小化，因此利用该设计，可以实现更为稳定的蒸汽产量。另外，锅炉对蒸汽产量有更好的调气比，这是因为沸腾传热表面面积可以随水流量而变。最后，利用整体式热回收装置412的设计，由于热烟道气和冷蒸汽之间的反向流动路径设计，蒸汽或气体可以加热到较高温度。
来自整体式热回收装置412的燃烧排气可以传送至二次空气预热器413。来自整体式热回收装置412的燃烧排气还可以传送给重整反应器，例如自热重整(ATR)反应器或蒸汽甲烷重整(SMR)反应器，用于在ATR反应器启动期间使重整装置床和转换床进行预热。另外，用于混合燃烧室400的天然气可以通过与来自整体式轧制翅片热交换器的热二次空气直接混合进行预热。
本实施例的混合燃烧室400以与上文参考图3所述实施例的混合燃烧室300一样的方式工作。
尽管已经通过优选或说明性实施例对本发明的方法进行了描述，但对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明的构思和范围的情况下，可以对此处描述的工艺进行变形。所有这些相似的替换或改变对本领域的技术人员显而易见，并且落入由下列权利要求所限定的本发明的范围和构思内。