CN101102830B - 生产氢气的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于降低压力和/或流量上的波动的装置。重整物包括由提纯单元去除的杂质，所述提纯单元具有多个吸附床。阀组件基于由产品传感器产生的检测到的产品数据来控制输送至所述吸附床的重整物的流量。在进入提纯单元之前，压缩单元可选择地压缩重整物。用于降低压力和/或流量上的波动的装置包括缓冲器和/或导管，所述导管用于向压缩单元的入口提供受控制的补充流体。产品阀能够控制从提纯单元流出的富氢重整物的流量。控制器能够控制阀组件、补充流体的流量和产品阀以及其它设备部件，以便在提纯单元中维持稳定的压力并生产所需的富氢重整物。

Description

生产氢气的设备和方法
技术领域
本发明大致涉及氢气生产领域。本发明的设备和方法通过选择性吸附从包括氢气和一种或多种杂质的重整物(reformate)中移除杂质而制造富氢重整物。所述选择性吸附可在变压吸附单元中执行，其中吸附周期可以被控制和调节，以实现更高的产品纯度。更特别地，本发明涉及具有燃料处理单元的变压吸附单元的集成和操作，以生产富氢的重整物。
背景技术
氢被广泛应用于各种工业领域，从航空到食品生产，到油气生产和提炼。氢在这些领域中用作促进剂、氛围气体、运载气体、稀释气体、燃烧反应的燃料、燃料电池的燃料，以及各种化学反应和工艺中的还原剂。此外，氢还被认为是发电的一种可替换的燃料，因为它可再生、充足、有效，并且不像其它替换物，它在生产时零排放。虽然对氢有大规模消耗和更多的潜在需求，但是一种抑制氢消耗进一步增长的不利之处在于，缺少用于氢生产、储存和广泛配送的基础设备。
一种克服这种困难的方式是分布式的氢生产，例如通过使用燃料处理器将基于碳氢化合物的燃料重整为富氢的重整物。燃料重整工艺，例如蒸汽重整，部分氧化，和自动热重整，可用于将基于碳氢化合物的燃料，例如天然气，LPG，汽油和柴油在需要氢的场所转化为富氢的重整物。然而，除所需要的氢产品之外，燃料重整器典型地会产生出降低重整产品价值的不需要的杂质。例如，在传统的蒸汽重整过程中，碳氢化合物供料例如甲烷、天然气、丙烷、汽油、石脑油或柴油被蒸发，与蒸汽混合，并且通过蒸汽重整催化剂。碳氢化合物供料的大部分被转化为氢和杂质的重整混合物，所述杂质例如是一氧化碳和二氧化碳。为了降低一氧化碳的含量，所述重整物典型地接受水气转移反应(shift reaction)，其中一氧化碳与蒸汽反应以形成二氧化碳和氢。在转移反应之后，额外的提纯步骤可用于将氢纯度提高至可接受的等级。这些提纯步骤可包括但不限于甲烷化作用、选择性氧化反应、薄膜分离技术和选择性吸附例如变温吸附和/或变压吸附工艺。
通过变压吸附(PSA)进行的气体分离，是通过在吸附床上配合的压力循环实现的，其中，相对于混合物中的不容易被吸收组分，所述吸附床优先吸收更容易被吸附组分。在传统的PSA设备中，两个或多个吸附床通过方向阀以交替顺序连接到压力源和压力接收器(sinks)，以便实现工作压力和流向的改变。在另一种传统的PSA设备中，流向和来自吸附床的流动被旋转分配阀控制，所述旋转分配阀可被旋转从而将所述吸附床在吸附阶段和再生阶段之间循环。例如，从空气中分离氧是这种传统的PSA设备的公知的用途。然而，在这种应用中，气体混合物的成分，其压力和/或流量典型地是固定的和已知的。相反，PSA设备与生产具有变化的成分、压力和/或流量的重整物的燃料处理器的一体化，将对这种一体化的系统的有效操作提出挑战。
发明内容
在本发明的一个方面中，提供了一种用于制造富氢重整物的设备。该设备包括用于产生包括氢气和杂质的重整物的燃料处理器，所述重整物在压力和/或流量上具有波动。还提供了用于降低所述重整物在压力和/或流量上的这种波动的装置。该设备还包括能够从重整物中去除杂质以生产富氢重整物的提纯单元。所述提纯单元具有多个吸附床和一个阀组件，该阀组件能够选择性地控制输送至所述多个吸附床中的一个或多个床的重整物流。该设备可选择性地包括压缩单元，压缩单元用于生产压缩后的重整物，以便将其输送到提纯单元。用于降低重整物压力和/或流量上的波动的装置包括设置在燃料处理器和提纯单元之间的一个或多个缓冲器，和用于向压缩单元的入口提供受控制的补充流体流的导管。产品传感器设置在提纯单元的下游，能够检测所述富氢重整物和/或贫氢重整物，以产生检测到的产品数据。所述阀组件响应所述检测到的产品数据来控制重整物流。
在本发明的工艺方面，提供了一种生产富氢重整物的方法。该方法包括在燃料处理器中生产包括氢气和杂质的重整物的步骤。所生产的重整物在燃料处理器的瞬态和稳态操作过程中在压力和/或流量上具有波动。结果，该方法还包括降低所述重整物在压力和/或流量上的波动。重整物流被引入提纯单元中的所述多个吸附床中的一个或几个床，持续一个吸附周期，以从所述重整物中去除杂质并生产出富氢重整物。检测富氢重整物或贫氢重整物以产生检测到的产品数据，并且根据这些检测到的产品数据对吸附周期进行调整。
附图说明
本发明可通过参考下述结合附图的说明而得以理解。
图1是本发明的实施例的示意图，包括燃料处理器和提纯单元。
图2是本发明的实施例的示意图，包括燃料处理器和提纯单元。
图3是本发明的实施例的示意图，包括燃料处理器和提纯单元。
图4是描绘了燃料处理器中的生产流程的方框图。
图5是描绘了本发明的方法的方框图。
虽然本发明可以进行各种修改和采取可替换的形式，其特定实施例已经在附图中以示例的形式示出并在本文中详细的描述了，然而应当理解，此处关于特定实施例的描述并不意味着将本发明限定为所公开的特定形式，而是相反地，本发明应当覆盖落在所附权利要求限定的本发明的精神和范围之内的全部修改、等价物和替换形式。
具体实施方式
下面将描述本发明的示意性的实施例。为了清楚起见，并不是实际实施例的全部特征都在本说明书中加以描述。当然应当理解，在任何实施例的实际开发中，各种特殊实施决定必须根据开发者的具体目的来实现，例如为了符合系统方面的或经济方面的限制，这些限制在各种实施过程中都是不同的。此外，应当理解，这种开发努力可能是复杂的并且很耗时间，但是对从本发明公开内容中受益的本领域的那些普通技术人员来说，所述开发努力将变成一种日常的工作。
燃料处理器的重整物流典型是富氢的但可能包含一种或多种杂质，例如一氧化碳、二氧化碳、水、蒸汽、惰性组分例如氮和氩、各种含硫和氮的化合物以及未反应的碳氢化合物。这些杂质必须被去除或降低至非常低的水平，以使氢重整物安全和可靠。此外，该重整物流可能在压力和/或流量上具有波动，其可影响所述重整物的提纯和净化。本发明涉及可降低或抑制由燃料处理器生产的重整物在压力和/或流量上的波动，并调节提纯单元的操作，从而补偿所述波动，以生产出具有更均匀的成分的富氢重整物。
本发明的设备包括能够产生包括氢气和杂质的重整物的燃料处理器。所述重整物在成分、压力和/或流量上具有波动，并且提供了用于降低这种波动的装置。可选择地，在燃料处理器的下游设置压缩单元，用于接收所述重整物并产生压缩的重整物，以便输送到提纯单元。提纯单元设置在燃料处理器的下游，用于从重整物流中去除杂质并从而生产富氢重整物。该提纯单元具有多个吸附床和一阀组件，该阀组件可选择性地控制输送至所述多个吸附床中的一个或多个床的重整物流。一个产品传感器设置在提纯单元的下游，以检测所述富氢重整物并产生检测到的产品数据。所述阀组件响应所述由产品传感器产生的检测到的产品数据来控制输送至所述多个吸附床的重整物流。
适用于本发明的设备的燃料处理器包括能够制造包括氢气和一种或多种杂质的重整物的装置或设备。本发明的设备的最终目的是制造基本上纯净的氢气产品，这种氢气产品可安全可靠地用于任何消耗氢气的装置或工艺中。如上，本文中的“杂质”包括可能污染、损坏或其它干涉耗氢装置或工艺以及氢气储存装置的操作的所有材料。这种杂质典型地包括含硫的化合物、含氮的化合物、碳的氧化物，液态水，蒸汽、未反应的碳氢化合物和惰性气体。根据燃料处理器的类型及其工作状态，可能会发生重整物的压力、流量和/或成分的变化或波动。
在一些实施例中，所述燃料处理器包括氧化器和重整器，用于将燃料重整为包括氢和一种或多种杂质的重整物。在燃料处理器领域，重整器是公知的并且可被设计为执行蒸汽重整、部分氧化和自动热重整以及其它工艺中的一种或多种。虽然用作燃料处理器的一些燃料处理器可采用任意已知的重整器，但是下文中与图4有关的说明适合于美国专利申请第10/006,963号，其由Krause等人于2001年12月5日提交，标题为“Compact Fuel Processor For Producing a HydrogenRich Gas(用于制造富氢气体的紧凑的燃料处理器)”，并且于2002年7月18日公开(公开号为US2002/0094310A1)，其描述了一种执行蒸汽重整和自动热重整的组合的燃料处理器。
如图4所示，所述燃料处理器的供料可以包括基于碳氢化合物的燃料、氧、水及其混合物。适用于该处理器的基于碳氢化合物的燃料可以包括天然气、LPG、汽油，柴油、乙醇及其混合物。天然气是优选的基于碳氢化合物的燃料。氧可以是空气、富氧空气或基本上为纯氧的形式。燃料和水作为液体和/或蒸汽导入。然而，根据供给材料的初始状态和转化反应的特性，可能需要一定程度的供料制备。例如，优选地，液态水和燃料都被转化为气态，并且反应物在被引导进入重整器的反应区域之前被预热。
图4的方框A表示重整步骤，在一个特定的实施例中，在该方框中执行两个反应，部分氧化(下文的公式I)和蒸汽重整(下面的公式II)，以便将所述供料转化为包含氢气和一氧化碳的合成气体。公式I和II是示例性的反应公式，其中的甲烷被认为是所述碳氢化合物。
Figure B2005800469884D00051
(I)
CH4+H2O→3H2+CO    (II)
供料流中的氧气的浓度越高，则有利于放热的部分氧化反应，而水蒸气的浓度越高，则有利于吸热的蒸汽重整反应。因此，氧气与碳氢化合物，和水与碳氢化合物的比以及反应温度是影响氢产生的特征参数。根据供给状况和催化剂，重整步骤A的反应温度可从约550℃至约900℃。部分氧化和蒸汽重整催化剂的例子在燃料重整领域是公知的，因此不再详细描述。
方框B表示冷却步骤，其中，来自重整步骤A的合成气流被冷却到约200℃至约600℃的温度，并且优选地从约375℃至约425℃，以准备将该合成气体用于工艺步骤C(下文中讨论)。该冷却可通过散热片、导热管、热交换器或类似设备实现，取决于设计规定和从合成气体中回收/再循环的热量的程度。合成气体的冷却还可通过所述领域中的其它已知装置实现，例如将低温蒸汽注入合成气流中。
方框C表示脱硫步骤。许多燃料中的一种主要杂质是硫，其通常在重整步骤A中被转化为硫化氢。脱硫优选地采用氧化锌和/或可吸收和转化硫化氢的其它材料，这些材料可具有或不具有支撑(例如整块、挤压物、片粒等)。可根据下面的反应式III将硫化氢转化为硫化锌实现脱硫：
H2S+ZnO→H2O+ZnS    (III)
脱硫优选地在约300℃至约500℃的温度下执行，并且更优选地从约375℃至约425℃。
脱硫后的工艺物料流接下来被送至混合步骤D，其中可选择地添加来自水子系统的水。水的添加具有降低工艺流的温度和为下面的水-气转化反应(shift reaction)提供额外的水的双重目的。水蒸气和其它物流成分通过穿过惰性材料级(stage)而被混合，其中，所述惰性材料可以是例如陶瓷珠或可有效混合和/或有助于水的汽化的其它类似材料。可替换地，额外的水可在重整步骤A之前加入，并且混合步骤可重复设置或取消。在工艺流将受到选择性的氧化的情况下，混合步骤还可用于在氧化之前将氧化剂与工艺流混合。
方框E表示水-气转化反应步骤，其根据反应式IV将一氧化碳转化为二氧化碳：
H2O+CO→H2+CO2    (IV)
通常，根据催化剂，水-气转化反应可在约150℃至约600℃的温度下执行。在这种条件下，气流中的多数一氧化碳被转化为二氧化碳。在富氢重整物将要被用作燃料或燃料电池的情况下，一氧化碳的浓度需要被降低到燃料电池催化剂可接受的等级，典型地低于约50ppm。水-气转化反应催化剂的例子，无论低温或高温催化剂都是燃料重整领域公知的，因此不在此处详细讨论。
方框F表示冷却步骤，其可在惰性级(inert stage)或其它级中执行，以将工艺流的温度降低到优选地处于约90℃至约150℃的温度。当冷却步骤F之后是选择性的或优选的氧化步骤时，来自空气子系统的氧气也可添加到工艺流中。
方框G表示可选择的选择性或优先的氧化步骤，其中工艺流中剩余的一氧化碳中的大部分被转化为二氧化碳。尽管该氧化是在具有氧化一氧化碳活性的催化剂的情况下执行的，但是典型地发生了两个反应，即需要的一氧化碳的氧化(反应式V)，不需要的氢气的氧化(反应式VI)。
Figure B2005800469884D00071
(V)
Figure B2005800469884D00072
(VI)
由于两个反应都产生热并且由于优选的一氧化碳的氧化在低温下进行是有利的，因此有利的是，可选择地在氧化反应区域内包括一冷却元件例如冷却盘管。氧化反应温度优选地保持在约90℃至约150℃的范围内。由于本发明的设备包括提纯单元，例如用于将氢气与杂质分离的变压吸附单元，所以采用选择性的氧化步骤G可被省略。
例如结合图4描述的燃料处理器所生产出的重整物是富氢的，但可能含有一种或多种杂质，例如一氧化碳、二氧化碳、水、蒸汽、惰性组分例如氮和氩、各种含硫和氮的化合物以及未反应的碳氢化合物。因此，所述重整物必须接受提纯或清洁工艺，以去除杂质或将杂质降低至非常低的水平。此外，所述重整物典型地处于低压，大致小于约50psig，并且优选地小于约25psig，并且更优选地小于约10psig并且仍然更优选地小于约5psig。根据所采用的提纯技术的特性，需要在输送到提纯单元之前增加重整物的压力。因此，本发明的设备可以选择性地包括位于燃料处理器下游的压缩单元，该压缩单元用于接收重整物并且生产压缩后的重整物，以便输送到提纯单元。在一些实施例中，例如在排出提纯单元的富氢重整物被送往储存单元例如高压储存罐的情况下，第二压缩单元可选择性地设置在提纯单元和储存单元之间，以用于增加富氢重整物的压力。
压缩单元是所述领域公知的，用于在使含有氢气的气体混合物接收分离技术和/或储存之前将所述含有氢气的气体混合物压缩。这种压缩技术的详细描述可在化学工程参考资料中找到，例如Perry的《化学工程手册》第4版(McGraw-Hill，
Figure B2005800469884D00081
1963)，和专利文献，例如1987年9月1日授权给Doshi的美国专利No.4,690,695；2002年12月3日授权给Keefer等人的美国专利No.6,488,747；和2003年9月18日公开出版的Mitlitsky等人的美国专利申请US 2003/0175564A1；其说明被结合于此作为参考。虽然压缩单元不需要详细描述，但是应当认识到，稳定的压缩单元可包括在单级或包括两个或三个压缩机的多级压缩单元中的由恒速或变速电动机驱动的压缩机。此外，适当的压缩单元可包括轴流式、离心式、往复式、旋转式压缩机和它们的组合。在所述压缩单元包括在选定的速度下操作的压缩机的情况下，提纯单元优选地控制重整物流向多个吸附床的流量，而与所述压缩机的选定速度无关。
压缩单元应该能够施加在流体上的压力取决于该单元的压缩所需的压力要求。在提纯单元包括变压吸附单元的情况下，输送到PSA的重整物流量所需压力可以在1psig至600psig之间变化。在需要压缩以利于富氢重整物的储存的情况下，富氢重整物的所需压力可从刚过零变化至高于10,000psig。本领域的技术人员将理解，适当的压缩单元将基于下列因素进行选择，例如重整物成分、流量、压力和温度，下游单元的所需压力，以及下述因素，例如压缩单元的功耗、工作性能和成本。
在提纯单元包括变压吸收单元(“PSA”)的实施例中，流向PSA中的多个吸收剂床的重整物流量和通过吸附床从重整物流中吸附杂质的吸附周期以独立于压缩机的转速或输出的形式进行控制。更特别地，在提纯单元包括旋转式PSA，所述PSA具有用于控制流动至吸收剂床的材料流的旋转分配阀的情况下，所述旋转分配阀优选地独立于压缩单元的转速或输出进行操作，在这些实施例中，压缩单元可包括恒速压缩机。
在压缩单元包括由恒速电动机或感应电动机驱动的压缩机的实施例中，在启动过程中当该压缩机首先被激励时应注意，确保在压缩机的入口处具有足够的流体，以防止真空的形成。在关闭过程中和燃料处理器的瞬态操作过程中，瞬态操作例如是从备用状态到恢复氢气生产之前，应该同样注意这一点。作为确保存在足够流体的一种替换，压缩机电机的转速可通过调节作用在压缩单元和电动机上的功率来调整。用于调整功率的适当的装置包括用于调节作用在电动机上的线频(line frequency)的变频驱动器，用于改变作用于电动机的电压的软启动装置，和其它本领域已知的用于调节作用于电动机上的功率的装置。
如上所述，来自燃料处理器的重整物流可能在瞬态操作和稳态操作过程中还在压力和/或流量上具有波动。因此，本发明的设备包括在到达下游提纯单元之前降低或消除这些波动的装置。本文中所用的“降低压力和/或流量的波动”指的是降低被送至提纯单元的重整物的压力和/或流量波动的大小和次数。此外，还可采用这种装置来防止在压缩单元的入口处的将重整物输送至压缩单元的管路中形成真空。
用于降低这种波动的装置可包括设置在燃料处理器和提纯单元之间的缓冲器。尽管这种缓冲器可设置在燃料处理器和提纯单元之间的任何位置，但优选地设置在压缩单元的上游，从而可向压缩单元的入口提供更均匀的重整物流。本领域的技术人员会理解，该缓冲器具有足够容量以从燃料处理器接收可变的重整物流量，同时向提纯单元释放更均匀的流量。此外，在一个实施例中，该缓冲器设置在压缩单元的上游，来自缓冲器的重整物流应当足以防止在启动或稳态操作过程中在压缩单元的入口形成真空。
在压缩单元设置在燃料处理器和提纯单元之间的实施例中，用于降低压力和/或流量波动的装置还可包括导管，该导管用于向压缩单元的入口提供补充流体的受控的流量。所述补充流体可包括来自压缩单元的出口的重整物的压缩流、来自提纯单元的富氢重整物、或其混合物。该导管具有出口，该出口可将补充流体引入到将重整物从燃料处理器输送到压缩单元的管线中。
导管入口的数量和位置由补充流体的成分决定。当所述补充流体包括压缩后的重整物时，该导管具有位于压缩单元下游的入口。当所述补充流体包括富氢重整物时，该导管具有位于提纯单元下游的入口。在该实施例中，提纯单元可选择性地包括引导富氢重整物的第一出口和引导贫氢重整物从提纯单元出来的第二出口，并且导管的入口与提纯单元的第一出口流体连通。此外，所述导管可根据补充流体的成分而具有两个或多个入口。特别地，当所述燃料处理设备具有设置在压缩单元下游的提纯单元时，所述导管可具有设置在压缩和提纯单元之间的用于引导压缩后的重整物进入导管的入口，和位于提纯单元下游的用于将富氢重整物引入导管的第二入口。
在一些实施例中，所述导管可具有可变开度的阀，用于控制从中穿过的补充流体的流量。当所述设备包括用于检测从燃料处理器流出的流体例如重整物、补充流体等的可选择的传感器的情况下，所述可变开度的阀可响应所述传感器产生的检测数据而进行操作。更特别地，传感器可设置在压缩单元入口上游并紧靠着其入口，以便获取进入压缩单元的流体的数据。优选地，所述传感器将包括用于检测压缩单元入口处的重整物的压力和/或流量的传感器。在一些实施例中，该传感器将与控制器连接，从而检测到的数据可传递到控制器，以便响应该检测到的数据来操作所述阀。作为说明，当控制器确定进入压缩单元入口的重整物的压力和/或流量低于预定等级时，信号或指令被输送到阀致动器，以打开所述阀并增加进入压缩单元入口的补充流体的流量。相反地，当检测到位于压缩单元入口的重整物的压力和/或流量等于或高于预定等级时，控制器可指令所述阀致动器收缩或关闭所述阀。在本文中，控制器用于控制阀操作的预定等级是重整物的压力和/或流量，其可防止在压缩单元的供给管路中形成真空。此外，该控制器还可被构造为响应下文所述的检测到的产品数据来操作所述阀组件。
本发明的设备可以包括设置在压缩单元下游的提纯单元，用于接收压缩重整物的至少一部分并产生富氢重整物。用于从重整物气流中去除杂质和/或浓缩其中氢的技术在本领域中是公知的，并且可包括甲烷化、选择性氧化、薄膜分离技术、变温吸附(temperature swingadsorption)和变压吸附工艺。
例如，许多提纯工艺通过选择性的吸附将氢气从杂质中分离，即将含氢气的带压流通过吸收剂材料柱或床和/或穿过氢选择性薄膜。选择性吸附可由吸附氢并允许贫氢气流穿过的吸附材料执行，也可由吸附杂质并允许富氢气流通过的吸附材料执行。在上述任一种情况下，高度优选的是，通过下列技术例如变压(pressure swing)、变温(temperature swing)或类似技术中的一种或几种，吸附材料可再生。在本发明的实施例中，可通过采用选择性地从重整物流中吸附杂质并允许富氢重整物通过的吸附材料进行所述提纯。
所述提纯单元包括多个吸附床，每个吸附床都能够从流过该床的重整物中去除一种或多种杂质。吸附床可包括容纳吸附材料的容器。吸附材料可具有各种形式，包括成团的、片粒的、颗粒和/或小珠、整块结构的压实床，以及涂敷吸附材料的各种支撑例如涂层薄板。在一些实施例中，吸附材料以压实床的形式提供，其具有不同吸附材料的多个层和/或不同吸附材料的混合物。在另一些实施例中，所述吸附床包括被构造为提供有流体从中穿过的通道的、具有涂层的整块的或其它结构。适用于多种提纯单元的床的吸附材料将根据需要被吸附和从工艺流中去除的材料来确定。例如，公知的用于去除水蒸气、二氧化碳和碳氢化合物的吸附材料可包括氧化铝凝胶、活性炭、硅胶和沸石。此外，沸石例如低硅石X型沸石(low silica X zeolite)和钙或锶交换过的菱沸石(exchanged chabazite)是公知的用于去除一氧化碳和氮的材料。
此处所用的术语“吸附周期”指的是中间或压缩后的重整物流被引导穿过吸附床以便去除杂质所需的周期或时间长度。在吸附周期结束时，穿过第一吸附床的重整物流被中断并且该重整物流别重新引导至第二吸附床，从而在第一吸附床再生的同时继续移除杂质并且产生富氢重整物。可以预期，在其它吸附床经历再生的各个阶段的同时，在吸附阶段需要操作两个或多个吸附床。此外，适当的提纯单元将包括那些可以调节和控制吸附周期的装置，从而补偿供给到该单元的重整物的压力和/或流量的波动。调节吸附周期以便实现所需纯度的富氢重整物的方式将在下文中更加详细地描述。
在一些实施例中，所述提纯单元包括变压吸附(“PSA”)单元。适当的PSA单元包括那些本领域公知的用于从工艺流中分离氢气的装置，例如在下面的文件中所描述的：1980年12月9日授权给Perry的美国专利No.4,238,204；1987年9月1日授权给Doshi的美国专利No.4,690,695；1993年10月26日授权给Kai等人的美国专利No.5,256,174；1995年7月25日授权给Anand等人的美国专利No.5,435,836；1997年9月23日授权给Couche的美国专利No.5,669,960；1998年5月19日授权给Sircar等人的美国专利No.5,753,010；2002年10月29日授权给Hill的美国专利No.6,471,744，上述文件的说明书被结合于此作为参考。在一些实施例中，所述提纯单元将包括紧凑的PSA。适当的紧凑的PSA可包括旋转式PSA，例如在2000年5月16日授权给Keefer等人的美国专利No.6,063,161和2002年6月18日授权给Connor等人的美国专利No.6,406,523中所描述的，它们的说明书被结合于此作为参考。紧凑的PSA具有可从加拿大伯纳比的Questair Technologies，Inc.购买旋转元件。Questair的旋转式PSA，型号为H3200，可用于本发明的开发。
提纯单元可包括阀组件，其可至少部分地响应下文所述的检测到的产品信息而选择性地控制重整物向一个或多个吸附床的流量。该阀组件可包括具有固定或可变开度的单个或多个阀，它们可被打开和关闭以控制送至吸附床的材料流。该阀组件可通过控制某个吸附床接受重整物流和控制不同材料被引导通过吸附床的次序，从而提供对于送至吸附床的重整物流进行选择性的控制。这样，该阀组件的构造提供了对于每个吸附床的吸附阶段和再生阶段的控制。根据床中的吸附材料的特性，控制再生可包括施加压力和/或温度变化，引导各种材料穿过所述床等步骤。
在提纯单元包括旋转式PSA的实施例中，所述阀组件优选地包括分配阀，其中旋转产生在分配阀和多个吸附床之间，以通过吸附-再生循环来循环所述多个床。这种分配阀描述于下述文件：1990年5月15授权给Rabenau等人的美国专利No.4,925,464；1997年1月14日授权给Hill等人的美国专利No.5,593,478；1998年9月15日授权给Lemcoff等人的美国专利No.5,807,423；2000年5月2日授权给Keefer等人的美国专利No.6,056,804；2002年4月16日授权给Takemasa等人的美国专利No.6,372,026B1；2002年9月17日授权给Keefer等人的美国专利No.6,451,095；和2004年3月30日授权给Hill等人的美国专利No.6,712,087，它们的说明书被结合于此作为参考。阀组件和吸附床之间的旋转优选地通过变速电动机产生。其中阀组件控制多个床的每个阶段的操作的次序，变速电动机控制每个操作的长度和操作变化的频率。例如，通过调节该电动机的转速，所述多个床的吸附周期可被增加或减少。此外，旋转速度的变化改变重整物流在第一吸附床和第二吸附床之间切换的频率。
本发明的设备包括设置在提纯单元下游的产品传感器，其可检测所述富氢重整物和/或贫氢重整物并从中产生检测到的产品数据。这些由产品传感器产生的检测到的产品数据被传送或连通至提纯单元。提纯单元中的阀组件可响应这些检测到的产品数据来控制输送到所述多个吸附床的重整物流。优选地，该产品传感器设置在提纯单元的下游并靠近其出口的位置，从而产品或排气成分的变化可被快速地探测到并且补偿动作可被执行。当可选择的储存罐设置在提纯单元下游用于接收和储存富氢重整物时，该产品传感器被设置在储存罐的上游，从而不合格的重整物可在被储存罐接收之前被检测并转移。
被检测的产品数据包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据。该产品传感器优选地包括气体传感器。传感器类型的选择可根据用于控制重整物流的数据的特点来确定。适当的传感器可包括那些能够检测和传送温度、压力、密度、流量和/或成分数据的传感器。在一些实施例中，所述产品传感器可包括成分类型的传感器，用于检测富氢重整物和/或贫氢重整物中的某一组分的浓度。例如，用于检测一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、水、含硫化合物和含氮化合物的存在及其浓度的适当的传感器是可以购买到的。在产品传感器包括用于检测成分数据的传感器的实施例中，该传感器优选地不适用于检测富氢重整物和/或贫氢重整物中的游离氧的浓度。
在需要有关富氢重整物中的氢气浓度的数据的实施例中，所述传感器可包括能够检测氢气浓度的传感器，更优选地，一个或多个能够检测可确定氢气浓度数据的传感器。用于间接地确定供给到燃料电池的重整物流中的氢气浓度的方法和设备的说明，可从2004年8月3日授权给Nelson等人的美国专利No.6,770,391B2中获得，该文件的公开文本被结合于此作为参考。从提纯单元出来的富氢重整物中的氢气体积浓度应当大于约99.96％，优选地大于约99.97％，并且更优选地大于约99.98％。当被传送到提纯单元的检测到的产品数据指示氢气的浓度在下降时，提纯单元可增加重整物流从一个吸附床向下一个床引导的频率。更特别地，当提纯单元是具有变速电动机的旋转式PSA单元的情况下，可增加变速电动机的转速以缩短吸附周期。类似地，在检测到的产品数据指示富氢重整物的压力和/或流量在增加的情况下，变速电动机的转速可增加以缩短吸附周期，并且保持富氢重整物中所需的氢气浓度。
如上所述，本发明的设备可选择性地包括用于监控和控制该设备的一个或多个部件的操作的控制器。特别地，适当的传感器能够接收所述检测到的产品数据，确定阀组件是否需要调节并响应检测到的产品数据操作所述阀组件。当该设备包括用于控制来自提纯单元的富氢重整物流动的产品阀时，所述控制器能够响应所述检测到的产品数据操作所述产品阀。当所述设备还包括压缩单元、向压缩单元的入口提供受控制的补充流体流动的导管和用于检测重整物的压力和/或流量的传感器时，所述控制器可响应检测到的压力和/或流量来控制补充流体流动的流量。
在一些实施例中，该控制器还包括用于将在给定压力下的提纯单元的吸附周期与要生产的富氢重整物的成分和流量相关联的装置。该装置可包括提纯单元的一个工艺模块，其可决定提纯单元的操作设定，例如，决定在不同的压力下生产给定的富氢重整物的吸附周期或其它循环时间。在一种替换方案中，该装置可包括一组相关联的数据，其优选地以表格的形式储存，并可由控制器获取。不论使用何种装置，所述装置将向控制器提供指令，以设定或调节提纯单元在不同压力下的操作，从而生产出具有选定成分和流量的富氢重整物。在提纯单元是具有变速电动机的旋转式PSA的情况下，所述用于关联的装置可包括一个查找表(look-up table)，其中不同压力下的富氢重整物的成分和流量与不同的生产出所需的富氢重整物成分的电动机转速相关联。该查找表还可被控制器使用，以根据所检测到的指定压力下的富氢重整物的变化来调节或实现变速电动机转速的改变。
在一些实施例中，所述控制器用于单个计算系统中，以控制非手动控制设备操作的每个方面。在另一些实施例中，所述控制器可包括多个计算系统，其每一个用于控制设备操作的某些指定的方面。所述控制器可以安装在机架上或者以桌面个人电脑、工作站、笔记本电脑或膝上型计算机、嵌入式处理器或类似装置的方式实现。实际上，任何给定的实现方式对于本发明的实施都没有实质影响。
所述计算系统优选地包括与总线系统上的记忆存储装置通讯的处理器。所述记忆存储装置可包括硬盘和/或随机存储器(“RAM”)和/或移动储存器，例如软盘和/或光盘。该记忆装置用数据结构进行编码，用于储存获取的数据、操作系统，用户界面软件和应用程序。所述用户界面软件与显示器一起显示用户界面。所述用户界面可包括外围I/O设备，例如按键板(key pad)或键盘、鼠标或操纵杆。处理器在操作系统的控制下运行，所述操作系统可以是本领域已知的任意操作系统。所述应用程序可由操作系统根据启动、重置或上述两者进行调用，这取决于操作系统的实现方式。
软件实现的本发明的某些方面典型地被编码于一些形式的程序储存介质上，或由一些类型的传送介质实现。所述传送介质可以是成对的绞合线、同轴电缆、光学纤维或其它本领域已知的适当的传送介质。此处的详细说明的一部分表现为软件实现方法的形式，其涉及对计算系统的记忆装置中的数据位进行操作的符号化表示。这些说明和表示是本领域的技术人员用来最有效地将他们工作的实质传递给本领域的其他技术人员的手段。所述方法和操作需要对物理量进行物理操作。通常，尽管不是必须的，这些量具有电、磁或光学信号的形式，这些信号能够被储存、传递、组合、比较和操作。已经证明，主要出于通常使用的原因，将这些信号表示成位、数值、数据、元素、符号、指令、字符、术语、数字等常常是方便的。然而应当记住，所有这些和类似的术语与适当的物理量相关，并且仅仅是这些量的方便的标识。此外，电子装置将电子装置的存储器中的用(电的、磁的或光学的)物理量表示的数据操作和转换成以类似的物理量表示的其他数据，该电子装置的动作和处理已经被诸如“处理”、“计算”、“比较”、“确定”、“显示”等术语表示。
本发明的设备可选择地包括产品阀，用于控制来自提纯单元的富氢重整物流。在一些实施例中，该产品阀包括可变开度的阀。该产品阀可部分地响应由产品传感器产生的检测到的产品数据而加以操作。当所述设备包括可以接收所述检测到的产品数据的控制器时，所述控制器可响应所述检测到的数据操作所述产品阀。优选地，所述产品阀设置在产品传感器的下游，从而富氢重整物中的变化可被快速地检测出来并且可采取补偿措施以保持富氢重整物的成分。此外，当一个可选择的储存罐设置在提纯单元下游用于储存富氢重整物时，所述产品阀被设置在所述罐的上游，从而不合格的重整物可被检测出来并且可在其被储存罐接收之前将其转移。对于来自提纯单元的富氢重整物流的控制还可用于在提纯单元中产生背压，以在提纯单元内保持更稳定的压力。此外，这种控制还可提供额外的对通过提纯单元的重整物流量的控制，以便维持富氢重整物的成分。
本发明的设备可选择包括设置在提纯单元下游的储存单元，用于储存富氢重整物。还可选择性地包括压缩单元，用于生产压缩后的富氢重整物流，以便根据所选择的特定储存单元的压力要求而储存压缩后的富氢重整物。此外，还可包括第二导管，其可向第二压缩单元的入口提供受控制的压缩后的富氢重整物流。所述第二导管优选地具有设置在第二压缩单元和储存单元之间的入口，用于控制穿过该导管的压缩的富氢重整物流的阀，和设置在提纯单元的出口和第二压缩单元的入口之间的出口。
适用于本发明的设备的储存单元可以从本领域已知的氢储存装置中选择。优选地，所述氢储存装置将包括适合于以所需的形式储存富氢重整物的储存容器，所述形式包括但不限于压缩气、液化气或固态。适当的储存容器可以是可移动的、模块化的、装有滑板的或固定的。此外，所选的储存单元优选地具有足够的储存容量，从而使该单元可在燃料处理器不工作期间和/或在必须补充燃料处理器所生产的产品体积以满足要求时的峰值需求期间内，仍然能够以选定的流量将所储存的产品输送到出口。
所述氢储存单元可包括与压缩单元可操作地流体连通的高压容器，以便储存压缩后的重整物。适当的储存单元还可采用可逆的固定氢气的固氢材料。固氢材料在氢气储存领域是公知的并且可包括活性炭、碳复合材料、基于球壳状碳分子富勒烯(fullerene)笼形的材料、金属氢化物、带有或不带有额外元素的钛、钒、铬和锰合金、磁性氢吸附材料和由元素周期表的第二和第三排中选出的轻元素形成的纳米结构。容纳固氢材料以便储存压缩后的氢的容器的例子在1986年7月8日授权给Wessel的美国专利No.4,598,836和2002年8月13日授权给Klos等人的美国专利No.6,432,176B1中已有描述，它们的公开内容被结合于此作为参考。在另一些实施例中，所述储存单元可包括能够通过低温冷却或其它液化技术将富氢产品转化为液化产品的液化单元。
本发明的设备可选择性地包括一个或多个设置在整个设备上的传感器，用于在设备中的不同位置处检测流体的温度、成分、密度、压力和/或流量。本领域的技术人员可以理解，所述检测出的数据例如温度和压力可用于计算其它流体状况，例如使用2003年9月16日授权给Cohen等人的美国专利No.6,619,336中描述的方法计算产品密度。此外，检测到的成分信息可用于各种目的，包括估计产品中的氢的浓度，如2004年8月3日授权给Nelson等人的美国专利No.6,770,391B2中所述。用于检测和监控该设备和温度、成分、压力和流量的流体状况的传感器是公知的并且可购买到。
在本发明的工艺方面，提供了一种生产富氢重整物的方法。该方法包括在燃料处理器中生产包括氢气和杂质的重整物流。由燃料处理器所生产的重整物在压力和/或流量上具有波动，该方法包括减小所述这些波动。重整物流被引入提纯单元中的所述多个吸附床中的一个或几个床，持续一吸附周期，以从所述重整物中去除杂质并生产出富氢重整物。检测富氢重整物或贫氢重整物以产生检测到的产品数据，并且根据这些检测到的产品数据对吸附周期进行调整。可选择地，该方法可以包括在压缩单元中压缩所述重整物，以生产压缩的重整物，以便输送到提纯单元。
重整物的生产已在上文中详细描述，此处不再重复。生产的重整物可能还在成分、压力和/或流量上具有波动，本方法还包括降低这些波动。这些波动可通过缓冲燃料处理器生产的重整物而被降低和抑制。在所述重整物被输送到提纯单元之前被压缩的实施例中，压力和/或流量上的波动可通过向压缩单元的入口提供受控制的补充流体流量而降低。这种方法可选择性地包括在压缩所述重整物之前检测该重整物的压力和/或流量，并且响应检测到的压力和/或流量控制补充流体的流量。所述重整物可在由恒速或变速电动机驱动的压缩机中压缩。在该方法中，当所述重整物在具有恒速或变速电动机的压缩机中压缩时，在启动和其它瞬态过程中，施加在压缩机上的功率应当被调整并逐渐地增加以防止在输送重整物至压缩机的管线中形成真空。此外，当该方法包括在压缩机中以选定的速度压缩所述重整物时，所述吸附周期可优选地独立于压缩机的转速进行设定和调节。
杂质可在提纯单元中从重整物中去除，以生产富氢重整物。优选地，杂质通过选择性吸附从重整物中去除，并且因此该方法可包括在吸附周期内将重整物流引导至多个吸附床中的一个或多个吸附床的步骤，以便从重整物中去除杂质并生产富氢重整物。优选地是，提纯单元具有多个吸附床，从而通过第一吸附床的重整物流可被中断并重新引导通过第二吸附床，从而继续移除杂质和生产富氢重整物。此外，通过第一吸附床的重整物流的中断和重整物的重新引导可使第一吸附床得以再生。所述再生包括对所述床和其中的吸附材料进行减压、清洗、加热、冷却和再加压中的一种多几种。吸附床的再生有利于释放所吸附的杂质，以产生包括前述所吸附的杂质的排放流或贫氢产品。因此，本发明的方法可选择性地包括再生所述多个吸附床的至少一部分，以生产贫氢重整物，同时重整物流被引导至一个或多个其它吸附床。
在提纯单元包括PSA的实施例中，在PSA单元中从重整物流中去除杂质的效力取决于PSA的设计和材料、重整物的流量和成分以及PSA中的压力。适当的PSA的设计和材料在上文中详细地描述了。典型地，从燃料处理器到PSA单元的吸附床的重整物流处于约150slpm至约370slpm，其中标准单位表示在1大气压，25℃的条件下。重整物的成分可能会变化，但是将典型地包括：CO＜1％，CH4＜2％，CO2＞15％，和H2＞40％。PSA单元中的压力应当介于约70psig至约350psig之间，优选地小于约200psig。此外，在PSA单元从重整物中去除杂质的过程中，PSA中的压力优选地是固定的或稳定的。当所述PSA单元被适当地调节时，具有至少约99.90％的氢气体积浓度的富氢重整物能够以约40slpm至约120slpm的流量被生产。
所述富氢重整物或贫氢重整物可被检测，以产生检测产品数据。所述富氢重整物或贫氢重整物在靠近提纯单元的下游被检测，从而可指示富氢重整物的成分变化的检测数据可被检测到并且可快速地采取补偿操作。所述检测到的产品数据可包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据。
所述吸附周期可响应所述检测到的产品数据进行调节。在所述提纯单元包括变压吸附单元，所述变压吸附单元包括多个吸附床、阀组件和可在所述多个吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机的情况下，所述吸附周期可通过调节变速电动机的转速来进行调节。用于生产具有所需的纯度和流量的氢产品的电动机的转速是特殊设计的。在Questair H3200系列型号的PSA中，所述变速电动机的转速优选地被选择和调节在约3至约11rpm的范围内，以实现上述的成分和流量。提纯单元的处理模块或查找表中的相关联的数据可用于调节吸附周期，并且从而调节提纯单元的操作。例如，当富氢重整物中的氢浓度被检测或确定为正在降低时，变速电动机的转速可被增加，以提高重整物流从一个床引导向另一个床的频率。通过采用这种方法增加所述频率，重整物流流过一个或多个吸附床的吸附周期被缩短。在可选择的但优选的实施例中，所述吸附周期的调节独立于压缩机的转速。
本发明的方法可选择性地包括响应检测到的产品数据至少部分地控制从提纯单元出来的富氢重整物流。从提纯单元出来的富氢重整物流可由具有可变开度的产品阀进行控制。如上所述，该阀可通过接收直接来自产品传感器或直接来自可选择的控制器的检测到的产品信号进行控制。本发明的方法可选择地包括储存在储存箱中的富氢重整物和检测储存罐上游的、提纯单元和储存罐之间的富氢重整物。当所述富氢重整物被储存在需要该重整物处于增加压力的储存单元中时，来自提纯单元的富氢重整物流可在不同于上述压缩单元的第二压缩单元中被压缩。
附图的详细说明
如图1所示，设备100包括具有供料管路102的燃料处理器110。燃料处理器的特性将控制供料的数量和特性。例如，当燃料处理器110包括重整器时，供料管路将根据需要执行的燃料处理反应的特性而包括用于输送反应物例如燃料、氧化剂和可选择的水或蒸汽的导管。无论燃料处理器110的特性如何，供料可被转化为包括氢气和一种或多种杂质的重整物。无论是在瞬态操作还是稳态操作状态下，由燃料处理器生产的重整物可能在压力、流量和/或成分上具有波动。
重整物流从燃料处理器110通过管路112引导至压缩单元130。装置120设置在压缩单元和燃料处理器之间用于降低重整物的压力和/或流量的波动。如图所示，装置120是具有足够容量的缓冲器，其可接收重整物的变化的流量并向压缩单元提供具有更加均匀的压力、流量和成分的重整物流。压缩单元130具有一个或多个压缩机135，压缩机135用于接收重整物并产生通过管路132输送到提纯单元140的压缩后的重整物流。
提纯单元140使用选择性吸附的方法从重整物中去除杂质，即引导压缩后的重整物穿过吸附材料床，所述吸附材料优先吸附杂质并允许富氢重整物从所述床流出。如图1中所示，提纯单元140是具有多个吸附床150和阀组件145的变压吸附单元。流向所述多个吸附床150中的每一个的材料由阀组件145控制。所述提纯单元还包括变速电动机141、用于在阀组件145和吸附床150之间产生旋转。阀组件145的构造和变速电动机141的转速决定了吸附床的工作阶段和所述床经历吸附和再生循环的流量。在这样一个循环过程中，吸附床可接收重整物流和吹扫气体流、可被减压、排空、加热、冷却和/或再加压以及其它可能的操作。应当指出，增压、吹扫气体以及类似物的来源和接收器以及有关阀组件145的细节没有在图1中示出，以使本发明变得更清楚。
在操作过程中，压缩的重整物被导入提纯单元，并流经一个或多个吸附床150经历一段吸附周期。吸附周期的长度可由阀组件145的构造和电动机141的转速决定。在吸附周期内，重整物流中的杂质在吸附床中被去除，以生产富氢重整物流，其通过管路142被导出所述提纯单元。如此处所述，富氢重整物的纯度可取决于多种因素，这些因素包括吸附材料的类型、床的结构和几何形状、重整物的成分和流量、以及压力和温度状况。对于给定的床和吸附材料，吸附周期的长度将对富氢重整物的纯度有直接影响并且可被调节，以控制富氢重整物的成分或补偿燃料处理器110产生的重整物在压力和/或流量的波动。
产品传感器160设置在提纯单元140的下游，用于检测流经管路142的富氢重整物并产生检测到的产品数据。该检测到的产品数据可包括与富氢重整物有关的成分信息。如虚线A所示，检测到的数据被传送或输送到变速电动机141，其至少部分地响应所述检测到的产品数据进行操作。通过响应感测到的富氢重整物的成分的改变来调节电动机141的转速，可调节吸附周期，以补偿重整物成分、流量、压力和其它可负面地影响富氢重整物纯度的因素的变化。此外，这种检测出的数据可用于将不合格的富氢重整物在被输送到储存设备或终端用户之前转移出管路142。
当所述吸附床150的一个或多个被再生时，将产生贫氢重整物。如图1所示，贫氢重整物通过管路143引导出提纯单元。管路143设置有产品传感器161，用于检测流过该管路143的贫氢重整物。如虚线A’所示，检测到的产品数据被传送或连通到变速电动机141，该电动机至少部分地响应所述检测到的产品数据而被操作。
图2描绘了本发明的实施例200，其中所述设备包括具有氧化器213和重整器211的燃料处理器210。供料管路202输送燃料、氧化剂和水，以便在燃料处理器210中重整。燃料处理器210中生产的重整物通过管路212引导至缓冲器220，并且接下来通过管路222引导至压缩单元230。在被引导进入提纯单元240之前，重整物流在压缩单元中被压缩机235压缩。提纯单元240与图1中描述的提纯单元类似，具有多个吸附床250、阀组件245和用于在吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机241。产品传感器260设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路242从提纯单元中流出的富氢重整物。产品传感器261设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路243从提纯单元中流出的贫氢重整物。检测到的产品数据从产品传感器260和261传输到控制器270，如虚线B和B’所示。至少部分地基于所检测到的产品数据，控制器确定是否变速电动机241的转速需要调节。当需要调节时，控制器270确定所述调节并向电动机241传送适当的指令，如虚线C所示。
图3中描绘的实施例300具有燃料处理器310、压缩单元330、提纯单元340、储存罐380和控制器370。如图所示，供料管路302输送燃料、氧化剂和水，以便在燃料处理单元310中重整。燃料处理器310包括氧化器313，其中燃料和氧化剂被预热，水被转化为蒸汽。燃料处理器还包括重整反应器311，其中预热后的反应物被转化为包括氢和一种或多种杂质的重整物。
如本文所述，来自燃料处理器310的重整物流可能在成分、压力和/或流量上具有变化或波动。为了降低这种波动，提供了具有入口321和可变开度的阀323的导管320，用于引导受控制的压缩后的重整物流至管路312。传感器325设置在压缩单元330的上游，用于检测管路312中的重整物的压力和/或流量。来自传感器325的检测到的压力和/或流量数据可被直接传送到可变开度的阀323，如虚线G所示，用于控制阀323的位置。在一种可替换的结构中，由传感器325产生的数据可被传送到控制器370，用于操作阀323，如虚线F和E所示。被压缩的重整物流通过管道320输送到管路312，用于减弱输送到压缩单元的重整物的压力和/或流量的波动，并且防止在管路312中形成的可能会抽吸大气气体并使之与重整物混合的真空。
燃料处理器310中生产的重整物通过管路312引导至压缩单元320。压缩单元接收该重整物并产生压缩重整物流，该压缩重整物流通过管路322被引导至提纯单元340。提纯单元340具有多个吸附床350、阀组件345和用于在吸附床和阀组件之间产生旋转的变速电动机341。提纯单元340的操作与图1和图2中描绘的提纯单元的操作类似。产品传感器360设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路342从提纯单元中流出的富氢重整物。产品传感器361设置在提纯单元的下游，用于检测通过管路343从提纯单元中流出的贫氢重整物。检测到的产品数据如虚线B和B’所示分别从产品传感器360和361传输到控制器370。至少部分地基于该检测到的产品数据，控制器确定是否变速电动机341的转速需要调节。当需要调节时，控制器370确定所述调节并向电动机341传送适当的指令，如虚线C所示。
产品阀365是一个可变开度的阀，设置在管路342中，用于控制从提纯单元流出的富氢重整物流。如图所示，产品阀365基于来自控制器370的指令来控制，如虚线D所示。可基于产品传感器360产生的数据和/或传感器325产生的数据产生来自控制器370的指令。控制器370还可基于来自产品传感器360的产品数据指示产品阀365将不合格的富氢重整物转移至管路367。储存罐380位于提纯单元和产品传感器360的下游，用于至少临时地在分配或进一步处理之前接收和储存所述富氢重整物。
图4是描绘了燃料处理操作中的各种工艺步骤的方框图。图4中描绘的步骤已在上文中详细的描述，此处不再重复。图5是示出了用于从包含氢和杂质的重整物流中生产富氢重整物的方法步骤的方框图。该方法的步骤已在上文中描述，并且此处不再重复。
上文公开的特定实施例仅仅是示意性的，显然，通过本文的教导，对于那些本领域的技术人员来说，本发明可以被修改并以不同但等效的方式加以实施。此外，本发明不是要限制在本文中所给出的结构或设计的细节上，而是限定在下文的权利要求书中。因此很显然地，上文公开的特定实施例可以被更改或修改，并且应当认为所有这些变化都在本发明的范围和精神范围内。因此，本发明的保护范围由下述权利要求确定。

Claims (28)

1.一种用于生产富氢重整物的设备，包括：
燃料处理器，其用于生产包括氢气和杂质的重整物，所述重整物在压力和/或流量上具有波动；
用于降低所述压力和/或流量上的波动的装置；
提纯单元，其能够从所述重整物中移除杂质以生产富氢重整物，该提纯单元具有多个吸附床和一个阀组件，该阀组件能够选择性地控制输送至所述多个吸附床中的一个或多个床的重整物的流量；和
设置在提纯单元下游的产品传感器，其能够检测富氢重整物和/或贫氢重整物，以产生检测到的产品数据；
其中，所述阀组件响应所述检测到的产品数据来控制重整物的流量。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述燃料处理器包括氧化器和重整器。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个吸附床的每一个床都包括从重整物流中选择性地吸附杂质的吸附材料。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述提纯单元包括变速电动机，其能够在所述阀组件和所述多个吸附床之间产生旋转。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述检测到的产品数据包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据中的一个或几个。
6.根据权利要求1所述的设备，还包括能够响应检测到的产品数据来操作所述阀组件的控制器。
7.根据权利要求6所述的设备，还包括设置在产品传感器下游的产品阀，所述控制器能够响应检测到的产品数据来操作该产品阀。
8.根据权利要求1所述的设备，还包括压缩单元，该压缩单元能够接收所述重整物并生产压缩后的重整物，以便输送至所述提纯单元。
9.根据权利要求8所述的设备，其中，所述压缩单元包括以选定转速操作的压缩机，所述阀组件独立于压缩机的转速来控制所述压缩后的重整物向所述多个吸附床的流动。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述用于降低压力和/或流量上的波动的装置包括导管，该导管具有可变开度的阀，该阀能够控制通过所述导管进入压缩单元的入口的压缩后的重整物流。
11.根据权利要求10所述的设备，还包括设置在压缩单元上游的传感器，该传感器能够检测重整物的压力和/或流量，所述可变开度的阀响应检测到的压力和/或流量进行操作。
12.根据权利要求11所述的设备，还包括控制器，该控制器能够响应检测到的压力和/或流量来操作所述可变开度的阀。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述控制器能够响应检测到的产品数据来操作所述阀组件。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，用于降低压力和/或流量上的波动的装置包括设置在燃料处理器和提纯单元之间的缓冲器。
15.根据权利要求1所述的设备，还包括设置在产品传感器下游的储存罐，其能够储存所述富氢重整物。
16.一种用于生产富氢重整物的方法，该方法包括如下步骤：
在燃料处理器中生产包括氢气和杂质的重整物，该重整物在压力和/或流量上具有波动；
降低所述压力和/或流量上的波动；
引导重整物流穿过阀组件至提纯单元中的多个吸附床中的一个或几个床，持续一个吸附周期，以从所述重整物中去除杂质并生产富氢重整物。
检测富氢重整物或贫氢重整物，以产生检测到的产品数据；和
响应所述检测到的产品数据来调节吸附周期。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在压缩单元中压缩所述重整物，以生产压缩后的重整物。
18.根据权利要求17所述的方法，其中通过向压缩单元的入口提供受控流动的补充流体的方式降低重整物在压力和/或流量上的波动。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括检测所述重整物的压力和/或流量，并且响应检测到的压力和/或流量来控制所述提供到压缩单元入口的补充流体的流量。
20.根据权利要求16所述的方法，其中降低压力和/或流量上的波动包括减缓燃料处理器生产的重整物。
21.根据权利要求17所述的方法，其中压缩单元包括在选定转速工作的压缩机，所述吸附周期独立于该压缩机的转速进行调节。
22.根据权利要求16所述的方法，其中提纯单元包括变速电动机，所述变速电动机能够在阀组件和所述多个吸附床之间产生旋转，通过调节所述变速电动机的转速的方式调节所述吸附周期。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述吸附周期的调节包括使用查找表，该查找表具有检测到的产品数据与富氢重整物成分、富氢重整物流量、重整物压力、变速电动机的转速中的一个或多个之间的对应关系。
24.根据权利要求16所述的方法，其中杂质是在所述多个吸附床中通过能够选择性地吸附所述杂质的吸附材料从重整物流中去除的。
25.根据权利要求16所述的方法，所述检测到的产品数据包括温度、压力、密度、流量和/或成分数据。
26.根据权利要求16所述的方法，还包括响应所述检测到的产品数据来控制从提纯单元中流出的富氢重整物的流量。
27.根据权利要求16所述的方法，还包括在储存罐中储存所述富氢重整物，所述富氢重整物在所述储存罐的上游被检测。
28.根据权利要求16所述的方法，还包括再生所述多个吸附床中的至少一个，以产生贫氢重整物。
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