Компактный каталитический реактор и способ сжигания водорода

КОМПАКТНЫЙ КАТАЛИТИЧЕСКИЙ РЕАКТОР И СПОСОБ СЖИГАНИЯ ВОДОРОДА Изобретение относится к компактному каталитическому реактору (20), содержащему канал для быстрой реакции, имеющий входное отверстие (26) для газовой смеси для прохождения реакции. Канал обеспечивают двумя различными каталитическими структурами (32, 34): первой каталитической структурой (32) около входного отверстия (26) и второй каталитической структурой (34) далее от входного отверстия так, чтобы газовая смесь, подводимая к входному отверстию, протекала мимо их обоих. Первая каталитическая структура (32) имеет небольшую каталитическую активность для быстрой реакции, тогда как вторая каталитическая структура(34) имеет каталитическую активность для быстрой реакции. Это применимо к сгоранию газовых смесей, содержащих водород, для которого первая каталитическая структура (32) может содержать непокрытую окисленную, содержащую алюминий ферритную сталь, в то время как вторая каталитическая структура (34) может включать Pt и/или Pd в подложке оксида алюминия. Отработанные газы могут также быть рециклированы к входному отверстию (26) для ингибирования горения. 016188 Данное изобретение относится к каталитической структуре, подходящей для использования в каталитическом реакторе, содержащем каналы для химической реакции, к способу, выполненному с использованием такой каталитической структуры, и к химическому реактору, включающему такую каталитическую структуру. В WO 01/51194 и WO 03/033131 (Accentus plc) описывают способ, в котором метан подвергают реакции с водяным паром для генерирования монооксида углерода и водорода в первом каталитическом реакторе; получающуюся газовую смесь затем используют для выполнения синтеза Фишера-Тропша во втором каталитическом реакторе. Итоговый результат состоит в преобразовании метана в углеводороды с более длинной цепью с более высокой молекулярной массой, которые являются обычно жидкостями или восковыми массами при окружающих условиях. Две стадии процесса: риформинг водяного пара/метана и синтез Фишера-Тропша требуют различных катализаторов, и каталитические реакторы описаны для каждой стадии. В каждом случае катализатор может содержать рифленую фольгу, покрытую каталитическим материалом. Реакция риформинга водяной пар/метана является эндотермической, и необходимая теплота может быть обеспечена каталитическим процессом сгорания в смежном канале, например, с использованием палладия и/или платины на оксиде алюминия в качестве катализатора. Как описано в WO 2004/078642 (GTL Microsystems AG), водород может подаваться к каналам сгорания для обеспечения по крайней мере части горючих газов; например, водород может быть получен из отходящих газов после синтеза Фишера-Тропша. Газовые смеси, которые содержат водород обычно в комбинации с другими горючими газовыми компонентами, такими как метан, монооксид углерода, газообразные углеводороды с короткой цепью, спирты или кетоны, обеспечивают преимущество, что каталитическая реакция горения может быть без труда инициирована, даже когда реактор холоден. Однако присутствие водорода может привести к проблеме: водородный компонент подвергается каталитическому сгоранию очень легко с таким обычным катализатором сгорания, и температура около входного отверстия, где горючие газы и воздух подают к каналу сгорания, может быстро повышаться выше 1000 С, несмотря на теплоту, которую удаляют эндотермической реакцией в смежных каналах. Согласно первому аспекту настоящего изобретения компактный каталитический реактор содержит канал для быстрой реакции, имеющий входное отверстие для газовой смеси для прохождения реакции,где упомянутый канал обеспечивают двумя различными каталитическими структурами, первая каталитическая структура около входного отверстия и вторая каталитическая структура далее от входного отверстия так, чтобы газовая смесь, подаваемая к входному отверстию, протекала мимо первой каталитической структуры и второй каталитической структуры, где вторая каталитическая структура имеет каталитическую активность для быстрой реакции, а первая каталитическая структура имеет меньше каталитической активности для быстрой реакции. Первая каталитическая структура (около входного отверстия) может иметь небольшую каталитическую активность для быстрой реакции и небольшую или никакую каталитическую активность для других реакций или альтернативно она может иметь каталитическую активность для других реакций между газами, где те другие реакции ингибируют быструю реакцию, например, где они являются эндотермическими и/или уменьшают концентрацию быстро реагирующего газового компонента. Изобретение особенно применимо к реакции каталитического горения, включающей водород, поскольку она является быстрой реакцией, которая может произвести зоны перегрева. В контексте сгорания топлива, включающего смесь газов, включающих водород и метан, первая каталитическая структура могла бы, например, иметь небольшую каталитическую активность для сгорания водорода и почти никакую каталитическую активность для сгорания метана при температурах до 800 С. Следовательно, скорость, при которой происходит быстрая реакция в начале канала, подавляется так,чтобы скорость температурного увеличения была также уменьшена. Следовательно, предотвращается начальный температурный пик. Значительное количество компонента с быстрыми реакционными кинетиками действительно реагирует, когда он проходит первую каталитическую структуру, но это происходит при более длительном времени пребывания, чем с обычным катализатором, и поэтому более медленно и так, чтобы скорость, при которой теплота производится сгоранием, была более близко подобрана к скорости, при которой теплота передается и поглощается в смежном канале для эндотермической реакции. Предпочтительно первая каталитическая структура (которая находится около входного отверстия) протягивается на длину, которая является по меньшей мере 5%, но предпочтительно не больше чем 50% полной длины катализатора в пределах канала, и предпочтительно активность катализатора в первой каталитической структуре является такой, что между 20 и 80% быстрая реакция происходит к тому времени, когда газовая смесь достигает конца первой каталитической структуры. Активность катализатора во второй каталитической структуре является предпочтительно такой, что реакция завершается к тому времени, когда газовая смесь покидает канал. Каталитическая активность первой каталитической структуры для быстрой реакции должна быть не более 0,2 от активности для второй каталитической структуры, например приблизительно 0,1 раза.-1 016188 Первая структура катализатора может, например, содержать окисленный стальной сплав, поверхность которого имеет только очень небольшую каталитическую активность для быстрой реакции. Например, было найдено, что сгорание газовых смесей, которые включают водород, катализируют до небольшой степени окисленной, содержащей алюминий ферритной сталью, такой как железо с 15% хрома,4% алюминия и 0,3% иттрия (eg Fecralloy (TM. Когда этот металл нагревают в воздухе, он формирует липкое окисное покрытие оксида алюминия, которое защищает сплав против дальнейшего окисления и против коррозии и имеет удивительно небольшую каталитическую активность. Было предварительно предположено, что этот сплав является подходящим для использования в качестве подложки катализатора, когда покрыт керамикой (типа оксида алюминия), содержащей материал катализатора, но нет такого керамического покрытия или материала катализатора, требуемого первым катализатором настоящего изобретения. Альтернативно, первая каталитическая структура может содержать керамическое покрытие без добавленного материала катализатора. Вторая каталитическая структура, напротив, может содержать керамическое покрытие на металлической подложке, керамическое покрытие, действующее как подложка для каталитического материала, такого как платина и/или палладий. Для дальнейшего контроля скорости реакции загрузка каталитического материала может изменяться вдоль длины второй каталитической структуры. В другом аспекте альтернативно или дополнительно подход состоит в добавлении негорючих компонентов к горючей газовой смеси. Предпочтительно каталитические структуры формируют так, чтобы обозначить множество продольных подканалов, например каталитическая структура может включать фольгу с продольными складками, такими, что подканалы имеют наименьшее поперечное сечение меньше чем 2 мм и предпочтительно меньше чем 1 мм. Следовательно, условия протекания для газовой смеси в пределах каталитической структуры являются ламинарным течением, и введение негорючего компонента уменьшает скорость, при которой кислород диффундирует к катализаторным сайтам, и поэтому подавляется скорость водородного каталитического сгорания. Другие преимущества могут явиться результатом введения подходящих дополнительных компонентов газовой смеси. Например, добавление водяного пара к смеси газа сгорания может уменьшить скорость реакции; если смесь сгорания включает и водяной пар, и метан, то в присутствии благородного металлического катализатора сгорания эта смесь может подвергнуться реакции риформинга, которая является эндотермической, уменьшая тенденцию к образованию зоны перегрева. Реакция риформинга производит водород и поэтому увеличивает производство теплоты сгоранием дополнительно вдоль канала от входного отверстия. И водяной пар, и углекислый газ могут быть добавлены в горючую газовую смесь рециклированием части отработанных газов от канала сгорания назад для смешивания с воздухом и горючими газами, подаваемыми к входному отверстию. Если топливный газ содержит и монооксид углерода, и водород, то первая каталитическая структура может содержать катализатор для синтеза метанола или для синтеза метанизации, чтобы уменьшить концентрацию и монооксида углерода, и водорода в начале канала и гарантировать, что сгорание происходит более медленно, поскольку метанол и метан подвергаются каталитическому сгоранию менее быстро, чем водород. Альтернативно, катализатор для синтеза метанола или для синтеза метанизации может быть расположен выше по каналу сгорания. Для каналов сгорания длиннее чем приблизительно 0,5 м падение давления вдоль канала сгорания может стать значительным. При сравнении реакции в коротком канале (говоря о длине 0,3 м или меньше) с реакциями в гораздо более длинном канале некорректно измерять просто время пребывания (или время контакта). В другом аспекте настоящего изобретения предпочтительно скорости потока являются такими, что скорость потока газа канала сгорания на выходе при рабочих режимах, которые являются фактической скоростью, при которой появляются горячие газы, не превышает 30 м/с. Предпочтительно они не превышают 20 м/с. В другом аспекте настоящего изобретения, где сгорание требуется вдоль более длинного канала,скоростью сгорания и, следовательно, температурным профилем по длине можно управлять соответствующим осуществлением добавления топлива в канал. Например, природный газ с небольшим количеством водорода может быть введен в воздушный поток в качестве топлива на первой стадии. Количество водорода достаточно лишь для инициирования сгорания. Эта первая стадия сгорания использует кислород воздуха и, следовательно, увеличивает концентрации водяного пара и диоксида углерода. На второй стадии дополнительные топлива добавляют в газовую смесь уже в канале сгорания, и эти дополнительные топлива могут включать большую часть водорода из-за эффекта растворения водяного пара и диоксида углерода (как обсуждено выше). Реактор может содержать пакет пластин. Например, первый и второй каналы потока могут быть обозначены углублениями в пластинах, выполненных в виде пакета или пакета с установленными с промежутками полосами и пластинами, связанными вместе. Альтернативно, каналы потока могут быть ограничены тонкими металлическими листами, которые являются зубчатыми и сложенными поочередно с плоскими листами; края каналов потока могут быть образованы запечатыванием полос. Пакет пластин,формирующих реактор, связывают вместе, например диффузионной сваркой, пайкой твердым припоем или горячим изостатическим прессованием. В качестве примера пластины (в плане) могут иметь ширину-2 016188 0,05-1,0 м и длину 0,2-2,0 м, и каналы потока имеют предпочтительно высоту между 1 и 20 мм или меньше (в зависимости от природы химической реакции). Например, пластины могут быть шириной 0,3 м и длиной 1,5 м, образуя каналы высотой 5 мм. Первый и второй каналы потока чередуются в пакете, таким образом, есть хорошая тепловая проводимость между текучими средами в тех каналах. Например, первые каналы потока могут быть для сгорания (чтобы произвести теплоту) и вторые каналы потока могут быть для риформинга водяного пара/метана (который требует теплоты). Каталитические структуры вставлены в каналы, могут быть удалены для замены и не обеспечивают прочность реактора, таким образом, сам реактор должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять любым силам давления или тепловым нагрузкам во время действия. Там, где глубина канала составляет не больше чем приблизительно 3 мм, структура катализатора может, например, включать отдельную фасонную фольгу. Альтернативно, и особенно там, где глубина канала больше чем приблизительно 2 мм, каталитическая структура может включать множество такой фасонной фольги, отделенной, по существу, ровной фольгой. Чтобы гарантировать необходимую хорошую теплопередачу, например, в реакторе риформинга водяного пара/метана, каналы сгорания являются предпочтительно меньше чем 5 мм глубиной. Но каналы являются предпочтительно по крайней мере глубиной 1 мм, или становится трудно вставить каталитические структуры, и техническая допустимость становится более требовательной. Изобретение будет теперь далее и более подробно описано только посредством примера и ссылаясь на сопровождающие фигуры, на которых: фиг. 1 показывает вид в разрезе части реакторного блока (что является частичным изображением относительно линии 1-1 фиг. 2); фиг. 2 показывает вид в разрезе реактора, включающего реакторный блок фиг. 1 в частичном разрезе (соответствующем линии 2-2 фиг. 1); фиг. 3 показывает блок-схему части химической установки, включающей реактор фиг. 2; и фиг. 4 показывает фрагментарный вид в разрезе модификации реактора фиг. 2. Изобретение было бы применимым к процессу получения синтез газа, т.е. смеси монооксида углерода и водорода, из природного газа риформингом водяного пара. Это хорошо известная реакция и она эндотермическая; теплоту можно обеспечить горением. Синтез-газ может, например, впоследствии использоваться для получения углеводородов с более длинной цепью синтезом Фишера-Тропша. Полный процесс (т.е. преобразование природного газа в синтез-газ для углеводородов) производит водород в качестве побочного продукта, и он может использоваться как часть топлива сгорания. Обращаясь теперь к фиг. 1, реакторный блок 10 показан в сечении и с компонентами, отделенными для ясности. Реакторный блок 10 состоит из пакета плоских пластин 12 толщиной 1 мм, разнесенных для того, чтобы образовать каналы для процесса сгорания, чередующиеся с каналами для реакции риформинга. Каналы сгорания образованы зубчатыми пластинами 14 толщиной 0,75 мм. Высота зубцов в этом примере (обычно в диапазоне 1-4 мм) равна 3 мм и толщина 3 мм, твердые стыковые накладки 16 обеспечены по сторонам каждой пластины 14, и последовательные связи (обычно разнесенные на расстояние между 10 и 50 мм) равны расстоянию 20 мм (расположение описывается более подробно ниже). Каналы для реакции риформинга имеют высоту 4 мм, и образованы аналогичными зубчатыми пластинами 18, в которых последовательные связи (обычно разнесенные на расстоянии между 10 и 50 мм) равны расстоянию 25 мм и со стыковыми накладками 19 (см. фиг. 2). Расположение зубчатых пластин 14 и 18 является таким, что получающиеся каналы потока находятся в ортогональных направлениях. Обращаясь теперь к фиг. 2, реактор риформинга водяного пара/метана 20 показан в разрезе с частично разрезанным реакторным блоком 10. Как упомянуто выше, реакторный блок 10 состоит из пакета плоских пластин 12, отделенных друг от друга для образования каналов потока. Ориентации дополнительных каналов в пакете ортогональны. Каждая плоская пластина 12 имеет площадь горизонтальной проекции 0,51,5 м. Каналы для реакции риформинга, образованные зубчатыми пластинами 18, продолжаются прямо через реакторный блок 10 (сверху донизу, как показано) от коллектора 23, к которому через трубу 24 обеспечивается смесь водяной пар/метан, к коллектору 25 выхода. Каналы для реакции сгорания образованы зубчатыми пластинами 14, каждая площадью горизонтальной проекции 0,50,3 м, а именно пятью такими пластинами 14, положенными рядом друг с другом и отделенными стыковыми накладками16 на каждой плоской пластине 12. Эти каналы сгорания снабжают горючей газовой смесью через коллектор 26 шириной 0,3 м (вверху левой стороны, как показано); в диагонально противоположной части реакторного блока 10 (у основания правой стороны, как показано) имеется аналогичный коллектор 28 оттока для отходящих газов также шириной 0,3 м; а вдоль противоположных сторон реакторного блока 10 имеются связанные коллекторы 30 шириной 0,6 м; следовательно, путь течения газа следует за извилистой линией, пересекая ширину реакторного блока 10 пять раз между коллекторами 26 и 30. Следовательно, полный путь течения для газов сгорания, как обозначено стрелками, является зигзагообразной или извилистой траекторией, которая является частично параллельным потоком относительно потока в каналах риформинга.-3 016188 Пакет собирают, как описано выше, и затем связывают вместе, чтобы сформировать реакторный блок 10, например, диффузионной сваркой. Рифленые каталитические подложки с металлической фольгой 22, каждая длиной 1,5 м и шириной, равной расстоянию связи (в этом случае 25 мм), и которые включают подходящий катализатор, затем вставляют в каналы для реакции риформинга водяного пара. Точно так же рифленую металлическую фольгу 32 вставляют в каналы, сообщающиеся с коллектором 26 входного отверстия газов сгорания, а гофрированную металлическую фольгу 34 вставляют во все другие каналы сгорания. (Фольга 32 в первой секции сгорания и фольга 34 в последней секции сгорания показаны на вырыве на фиг. 2 и только несколько листов фольги 32 и 34 показаны на фиг. 1.) В этом примере рифленая фольга 32 является сталью Fecralloy, обработанной высокой температурой, чтобы гарантировать окисную поверхность, но без любого керамического покрытия и без нанесения покрытия из любого каталитического материала. В отличие от этого рифленая фольга 22 и 34 включает металлическую подложку фольги (которой также является сталь Fecralloy), покрытая слоем оксида алюминия толщиной 30-50 нм, импрегнированным подходящим каталитическим материалом. Что касается фольги 22, каталитический материал является смесью платина/родий 1:1, в то время как для фольги 34 каталитический материал является смесью палладий/платина 3:1, в каждом случае при загрузке 10 мас.% оксида алюминия. Стрелки на фиг. 2 указывают, что реакторный блок 10 гарантирует, что газы сгорания пересекают реакторный блок 10 пять раз; альтернативно, реакторный блок может быть сконструирован так, чтобы газы сгорания могли пройти только один раз или больше чем один раз поперек ширины. В другой альтернативной расстановке сгорание может происходить в вертикальных каналах (в пластинах 18) и риформинг водяного пара/метана происходит в извилистых пересекающихся каналах потока (в пластинах 14). Будет понятно, что устройство реактора 20 показано только для примера, где одна реакция проходит во множестве стадий (как на фиг. 2), газовый поток между последовательными проходами или стадиями может проходить через средства, отличные от коллекторов 30. Например, в подобном способе,описанном в WO 2005/102511 (GTL Microsystems AG) протекание газов может быть организовано между последовательными стадиями через отверстия в концевых участках зубчатых пластин 14 и концевых участках стыковых накладок 16 так, чтобы коллекторы 30 могли быть меньше или в некоторых случаях могли быть заменены глухими пластинами. В этом случае вставки из фольги в каналах для этой реакции не продолжаются прямо к концам каналов потока в пластинах 14. Обращаясь теперь к фиг. 3, использование реактора 20 проиллюстрировано в виде блок-схемы установки для преобразования метана в углеводороды с более длинной цепью. Смесь метана и водяного пара подводят к трубе 24 обычно при температуре приблизительно 400 С и смесь нагревают до температуры приблизительно 850 С, поскольку она проходит через каналы риформинга реактора 20. Синтез-газ,выходящий из коллектора 25 выпуска, подается к реактору 40 Фишера-Тропша (представлен символически), и получающаяся смесь конденсируется и разделяется на воду, углеводороды 41 с более длинной цепью и поток отходящего газа 42, который содержит излишек водорода. Детали относительно того, как синтез-газ обрабатывают перед реактором 40 Фишера-Тропша и относительно того, как получающуюся газовую смесь обрабатывают после реактора 40 Фишера-Тропша, не относятся к настоящему изобретению. Водород из отходящего газа 42, который может, например, быть отделен от других компонентов,таких как монооксид углерода, углекислый газ и метан, с применением мембраны смешивают с воздухом(представлен O2 на фиг. 3) и подают к входному отверстию коллектора 26 для сгорания. Как обозначено выше, вставки из рифленой фольги 32 в первой секции канала сгорания не включают никакого дополнительного каталитического материала, однако каталитическое сгорание на самом деле происходит; окисленная поверхность, очевидно, имеет некоторую ограниченную каталитическую активность. Таким образом, в этом примере сгорание происходит постепенно через первую секцию, в которой находятся непокрытые вставки 32, поскольку обычно 20-80% водорода подвергается сгоранию в этой секции, а другие топливные газовые компоненты не подвергаются сгоранию, и затем остаточный водород и остающиеся топливные газовые компоненты подвергаются сгоранию, когда они достигают последующих секций, в которых есть каталитические вставки 34. В качестве примера каталитическая активность равных длин листов 32 и 34 фольги может быть сравнена в экспериментальном испытании, в котором смесь газа сгорания проходит по фольге, удерживая температуру в реакторной стене постоянной при 100 С и удерживая газовую композицию при постоянной скорости течения. Было обнаружено, что со вставками 32 из окисленной стальной фольги Fecralloy длиной 150 мм только приблизительно 10% водорода подвергается сгоранию при этой температуре, тогда как с обычными вставками 34 фольги катализатора сгорания приблизительно 90% водорода подвергается сгоранию при этой температуре. Таким образом, очевидно, что каталитическая активность окисленной фольги 32 составляет только приблизительно 0,11 от активности обычной фольги 34 сгорания. В модификации активность каталитического материала во вставках 34 может быть различной вдоль каналов сгорания, будучи менее каталитически активным в начале вставок 34, чем в конце. Плавное распределение каталитической активности в этом примере может быть удобно достигнуто путем увеличения активности пошагово от одной вставки 34 к следующей вдоль пути течения, хотя плавное распреде-4 016188 ление каталитической активности вдоль длины индивидуальной вставки также может быть дополнительной возможностью. Плавное распределение каталитической активности может быть достигнуто путем изменения загрузки каталитического металла от, например, 1% обычного значения при запуске до 100% обычного значения далее вдоль пути течения. Для катализатора палладия/платины, упомянутого выше, стандартная загрузка могла бы быть 10 мас.% оксида алюминия. Загрузка, например, 20% от стандартного значения может быть получена обеспечением 2 мас.% по всей ширине вставки или введением каталитического материала при более высокой концентрации, но только по частям структуры, например 10 мас.% более чем по 1/5 поверхности, например в форме полос шириной 1 или 2 мм. Альтернативный способ плавного распределения каталитической активности состоит в том, чтобы покрыть каталитический материал, по крайней мере части вставки, керамическим покрытием, действующим как диффузионный барьер для уменьшения скорости, при которой реагенты и в особенности кислород диффундируют к каталитическим сайтам. Если каталитическая вставка является стопкой фольги, а не отдельной фольгой, ее активностью можно управлять, обеспечивая катализатор только на некоторых поверхностях фольги. Как указано на фиг. 3, метан может также быть включен в горючую газовую смесь, подаваемую к коллекторному трубопроводу 26. В одном примере газовая смесь, подаваемая к входному отверстию сгорания, содержит 77% водорода, 0,4% CO, 7,7% CO2 и 15% углеводорода (молярные проценты), водород и небольшие проценты углеродистых окисей, полученные мембранным разделением из отходящего газа 42, и углеводороды (преимущественно метан), полученные из природного газа, смешиваются с воздухом. Если бы каталитические вставки 34 нужно было обеспечить в первой секции каналов сгорания, то был бы значительный риск, что разовьются зоны перегрева и действительно катализатор сгорания мог бы нагреться до температуры выше 1000 С вблизи начала канала сгорания, потому что водород подвергается быстрой реакции, повышая температуру и, следовательно, повышая скорость сгорания других топливных компонентов, таких как монооксид углерода и метан. Такие зоны перегрева произвели бы значительные термические напряжения в конструкции реактора 20 и также могли бы уменьшить эффективность процесса, поскольку желательный температурный градиент по направлению сгорания должен идеально постепенно повышаться так, чтобы максимальная температура (около 900 С) была соседней с выходом каналов риформинга. В качестве альтернативы использованию вставок 32 или в качестве дополнения к их использованию, по существу, инертные компоненты могут быть добавлены к смеси топлива и воздуха, подаваемой к каналам сгорания. Например, могут быть введены водяной пар или диоксид углерода. Поскольку состояния потока в пределах вставок 32 и 34 являются ламинарными, добавление такого инертного компонента уменьшает скорость, при которой кислород диффундирует к каталитическим участками, и это имеет главное влияние на скорость каталитического сгорания водорода. Добавление водяного пара к смеси газа сгорания может изменить равновесие реакции сгорания и, следовательно, замедлить скорость реакции. Альтернативно, водяной пар может реагировать с метаном, присутствующим в газовой смеси, в присутствии катализатора сгорания из благородного металла, подвергаясь эндотермической реакции риформинга и, таким образом, удаляя теплоту из любых появляющихся зон перегрева, в то же самое время увеличивая генерирование теплоты далее по каналу потока из-за образования и последующего сгорания продуктов реакции риформинга: монооксида углерода и водорода. Один способ, которым это может быть достигнуто, состоит в том, чтобы рециклировать часть отработанных газов от каналов сгорания, поступающих назад через коллектор 28, чтобы быть смешанными со смесью газа сгорания, как показано пунктиром 44 на фиг. 3. Далее способ контроля теплового градиента вдоль реактора 20 должен вводить топливо постепенно. Например, весь воздух может быть введен через входное отверстие коллектора 26, но только часть необходимых горючих газов, остающихся горючих газов, вводится в поток газа сгорания через один или больше последующих коллекторов 30. В модификации метан только с очень небольшой частью водорода(и воздуха) вводится во входное отверстие коллектора 26. Первая стадия сгорания сокращает газовый поток кислорода и увеличивает концентрацию диоксида углерода и водяного пара. Богатый водородом отходящий газ может быть затем введен на одной или более последующих стадиях, не приводя к начальной высокой реактивности, которая могла бы наблюдаться с воздухом. В другой модификации метан и избыток воздуха (без водорода) вводят в первую стадию сгорания, используя обычный катализатор сгорания; и затем богатый водородом газ сгорания вводят в газовую смесь на последующей стадии, первая каталитическая структура, с которой сталкивается этот богатый водородом газ, является структурой низкой активности, такой как каталитическая вставка 32, а последующие каталитические структуры являются более высокоактивными. Действительно, оба топлива и воздух могут быть добавлены на стадиях вдоль канала сгорания или каналов. Даже с реактором, в котором сгорание происходит в отдельном прямоточном проходе и в котором имеются различные вставки, плотно установленные в каналах сгорания, богатое водородом топливо или дополнительный воздух сгорания могут быть введены в различных точках по каналу через форсунки. Это может привести к большему контролю теплового градиента через реактор. Например, как показано на фиг. 4, в модификации реактора на фиг. 2 (выполняющего сгорание в вертикальных каналах и-5 016188 риформинг водяного пара/метана в извилистых каналах) разделяющие полосы 16 в пределах реакторного блока 10 (кроме тех, что на концах) заменены расположенными на расстоянии парами полос 46 с промежутком 47 между ними, промежуток 47 закрыт на конце, который находится в пределах коллектора 30 и является открытым с другого конца. Этот промежуток 47 может, например, быть шириной 2 мм и обеспечивает канал входного отверстия для топлива или воздуха, как обозначено стрелкой 50; узкие отверстия 48 просверлены через смежную пластину или пластины 12 так, чтобы топливо или воздух, подаваемое к промежутку 47, протекало через отверстия 48 в канал сгорания. Эксперимент был выполнен с каналом сгорания длиной 1200 мм, в котором первые 20% канала(240 мм) были оборудованы окисленной фольгой 32 Fecralloy. Остаток длины канала оборудован обычной вставкой катализатора, который является, скажем, рифленой фольгой 34 с покрытием оксида алюминия, содержащим Pd/Pt. Канал имел две точки впрыска топлива, одну в начале фольги 32 Fecralloy и другие приблизительно 40% вдоль длины канала. Воздух сгорания предварительно подогревался до 200 С. Топливо, содержащее водород в диапазоне 70-80 мол.% и баланс, было смесью CO, метана и CO2. Когда 40% топлива было введено в первую точку впрыскивания, температура в канале сгорания между первой и второй точками впрыскивания была поднята максимум до 450 С. Большинство водорода во введенном топливе было окислено между первой и второй точками впрыскивания, но метан оставался не окисленным. Остальные 60% топлива были добавлены во второй точке впрыскивания, и температура в канале сгорания между второй точкой впрыскивания и выходом достигла максимального значения приблизительно 820 С, поскольку водород и CO были окислены ниже по потоку второй точки впрыскивания, повышения температуры достаточно, чтобы метан также подвергся сгоранию. Процесс сгорания был полностью устойчив без признаков зон перегрева. Вероятно, что продукты сгорания от первой стадии и получающегося истощения доступного кислорода также помогли в стабилизации процесса сгорания вниз по потоку второй точки впрыскивания. Если топливный газ содержит значительные уровни и монооксида углерода, и водорода, то начальные каталитические вставки, например, могут содержать катализатор для формирования метанола так,чтобы по крайней мере часть водорода была преобразована в метанол на начальных стадиях. Это снова подавляет начальную скорость сгорания водорода и помогает достичь желаемого температурного градиента вдоль реактора 20. Метанол далее по каналу подвергнется сгоранию. Альтернативно, катализатор для формирования метанола можно обеспечить в отдельный реакторный слой вверх по потоку реактора 20. Будет понятно, что каналы сгорания в реакторе 20 делают пять проходов каждый длиной 0,5 м, таким образом, полная длина равна 2,5 м. Этот реактор показан только посредством примера. Обычно длина каждого канала сгорания равна между 0,2 и 1,6 м, и число проходов равно обычно между одним и пятью так, чтобы полная длина каналов сгорания могла быть целых 8 м. При таких условиях является нецелесообразным пытаться измерять реакторную конструкцию на основе времени нахождения в аппарате или времени контакта, поскольку необходимая скорость стала бы очень высокой и последовательное снижение давления будет чрезмерным, требуя чрезмерной мощности для обеспечения скорости сгорания воздушного потока. Максимальная скорость выхода из каналов сгорания, измеренная в рабочих режимах(т.е. при температуре выхода газа и его давлении выхода), не должна превысить 30 м/с, чтобы избежать чрезмерного снижения давления. Предпочтительное снижение давления по всей длине канала сгорания равно не больше чем 1 бар, предпочтительно не больше чем 0,2 бар и более предпочтительно не больше чем 0,1 бар. Понятно, что газовые смеси, легкодоступные для сгорания, будут изменяться при других применениях. Например, в другой ситуации, где риформинг водяного пара/метана сопровождается абсорбцией с колебаниями давления, чтобы получить чистый водородный поток, остающийся газовый поток, как было обнаружено, имел мольный состав: 37% водорода, 27% CO, 24% CO2 и 12% углеводородов. Хотя эта композиция совсем отлична от описанной выше, она может использоваться для сгорания, по существу, в том же самом реакторе 20. Описанный выше реактор 20 показан только в качестве примера и понятно, что он может быть модифицирован различными способами, оставаясь в рамках настоящего изобретения. Например, с реактором 20, в котором имеется пять последовательных проходов для сгорания, низкоактивные вставки 32 могут быть обеспечены в первых двух проходах, а не только в первом проходе, или даже в первых трех проходах. Как упомянуто выше, может быть только отдельный проход для газов сгорания, в этом случае могут быть две отдельные вставки, первая с низкой каталитической активностью (такая как окисленная сталь Fecralloy) и вторая, содержащая катализатор сгорания, установленный вплотную в канале. Альтернативно, может быть единственная рифленая вставка фольги, продолжающаяся на всю длину канала, в котором нет никакого катализатора и никакого керамического покрытия на первой части, но катализатор сгорания на второй части. Хотя вставки описаны как содержащие рифленую фольгу, будет понятно, что они могли бы вместо этого включать другую металлическую подложку, например рифленый волокнистый слой. В любом случае они предпочтительно сформированы так, чтобы образовывать большое число параллельных подканалов потока.-6 016188 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Компактный каталитический реактор, содержащий канал для сгорания водорода, имеющий входное отверстие для газовой смеси, вступающей в реакцию, в котором упомянутый канал снабжен двумя различными каталитическими структурами: первой каталитической структурой около входного отверстия и второй каталитической структурой далее от входного отверстия, так чтобы газовая смесь, подводимая к входному отверстию, протекала через первую каталитическую структуру и вторую каталитическую структуру, при этом вторая каталитическая структура имеет каталитическую активность для реакции сгорания водорода, а первая каталитическая структура имеет меньшую каталитическую активность для реакции сгорания водорода, которая находится в пределах от 0,1 до 0,2 от активности второй каталитической структуры, при испытании указанных каталитических структур длиной 150 мм при прохождении газовой смеси, содержащей водород, через указанные каталитические структуры и при поддержании температуры в реакторной стене постоянной и равной 100 С. 2. Каталитический реактор по п.1, в котором первая каталитическая структура имеет низкую каталитическую активность сгорания водорода и низкую или отсутствие каталитической активности для других реакций. 3. Каталитический реактор по п.1 или 2, в котором первая каталитическая структура имеет длину,составляющую по меньшей мере 5%, но не больше чем 50% от полной длины катализатора в пределах канала. 4. Каталитический реактор по любому одному из предыдущих пунктов, в котором первая каталитическая структура содержит окисленный стальной сплав. 5. Каталитический реактор по любому одному из предыдущих пунктов, в котором вторая каталитическая структура содержит керамику, включающую в себя каталитически активный материал, причем активность каталитически активного материала постепенно меняется вдоль длины второй каталитической структуры, будучи наименее активной в начале. 6. Каталитический реактор по п.5, в котором каталитическая активность постепенно меняется ступенчатым образом вдоль длины второй каталитической структуры. 7. Каталитический реактор по п.1, в котором первая каталитическая структура имеет каталитическую активность для других реакций между газами, которые ингибируют реакцию сгорания водорода. 8. Каталитический реактор по п.4, в котором окисленный стальной сплав представляет собой содержащую алюминий ферритную сталь с липким покрытием оксида алюминия без добавления любого материала катализатора. 9. Способ сжигания водорода, в котором сжигание осуществляют в компактном каталитическом реакторе по одному из пп.1-8. 10. Способ сжигания водорода по п.9, в котором часть отработанных газов из канала сгорания рециклирует обратно к входному отверстию для канала сгорания.