JP2005255475A - 合成ガス製造装置およびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 合成ガス製造装置で、酸素透過セラミック膜チューブで劣化または破損を生じた場合にも、不具合部分を限定して容易に交換や修理をできるようにする。
【解決手段】 複数のモジュール反応炉１を有する合成ガス製造装置である。モジュール反応炉１それぞれが、酸素透過型セラミック膜チューブ２１と、改質触媒部２０と、酸素透過型セラミック膜チューブ２１および改質触媒部２０を共通に収容する一つのベッセル１５と、ベッセル１５内に原料ガスを供給する原料ガス供給口２と、ベッセル１５内に原料空気を供給する原料空気供給口３と、ベッセル１５内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口４と、ベッセル１５内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口５とを有する。また、複数のモジュール反応炉１の原料ガス供給口２、原料空気供給口３、合成ガス排出口４および酸素欠乏空気出口５が互いに共通の部分に接続されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は合成ガス製造装置およびその運転方法に関し、特に、酸素透過型セラミック膜チューブと改質触媒部とを有する合成ガス製造装置およびその運転方法に関する。

発熱部分酸化反応と吸熱スチーム改質反応の組み合わせを用いて合成ガスまたは不飽和炭化水素等の生成物ガス（目標ガスまたは所望ガス）を生成するための方法が知られている。特に、空気等の酸素含有ガスからの酸素との発熱反応を行なわせる酸素透過型セラミック膜（酸素イオン移動性）を有する反応器内において、吸熱反応の所要の熱量が発熱反応によって充足されるように、発熱反応と吸熱反応とを熱的に組み合わせる反応炉における生成物ガス生成方法が知られている。

天然ガス、および天然ガスの主成分であるメタンは、多様な利用形態を実現できるように通常、メタンから液体燃料への変換の中間体である合成ガスに変換される。合成ガスは、約０．６〜約６のＨ₂／ＣＯモル比を有する水素と一酸化炭素の混合物である。

メタンを合成ガスに変換する一つの方法は、スチーム改質による方法である。すなわち、メタンをスチームと反応させて吸熱反応によって水素と一酸化炭素の混合物に変換する。この吸熱反応を維持する熱は、この改質反応領域外から与えられる。スチーム改質反応は、式（１）によって表される。

ＣＨ₄ ＋ Ｈ₂Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ₂ ・・・ （１）
部分酸化反応法においては、メタンは、発熱反応で酸素と反応し合成ガスに変換される。部分酸化反応は、下式で表される。

ＣＨ₄ ＋ １／２Ｏ₂ → ２Ｈ₂ ＋ ＣＯ ・・・ （２）
これらの基本的な合成ガス生成反応を実現させる方法として、反応器の基本構成・要素の基本構成などが、たとえば、特許文献１、２などに開示されている。

効率よく合成ガスを生成するためには、酸素透過型セラミック膜の性能や、原料ガスであるメタンなどの供給経路、高温空気の供給経路、上記の基本化学反応の発熱反応量と吸熱反応量のバランスを実現させるために形状や各種ガス成分の流動経路、酸素欠乏空気の流出経路、合成ガスの取り出し流路に工夫が必要である。

セラミック膜式合成ガス反応器では、式（１）に示す改質反応に必要な熱を、式（２）に示す部分酸化反応により生成される合成ガスと原料ガスの混合気体の温度上昇によるエンタルピー上昇により補給することで、自律型システムとする。このためには、セラミック膜チューブの本数、反応部分の長さと改質管の容量と流量などの最適化が必要である。

酸素透過型セラミック膜は、酸素イオンを他の元素およびそのイオンに優先して透過させ移送する固形電解質膜である。その物質（膜）を通して酸素イオンの選択的移送のための伝導場を提供する移動酸素イオン空位を包含している。膜素子を通しての移送は、膜素子の両面間の酸素分圧（Ｐ_O2）の比によって駆動される。Ｏ^--は、膜素子の酸素分圧Ｐ_O2の高い側の面から低い側の面へ流れる。

Ｏ₂のＯ^--へのイオン化は、膜素子のカソード側で起こり、それらのイオンは、膜素子を透過して移送される。次いで、Ｏ^--同士が結合して酸素分子となるか、あるいは、原料ガスとの触媒層物質と反応して電子ｅ^-を放出する。

この酸素イオンの移送によりセラミック膜内に分子酸素勾配が発生し、この分子酸素は膜物質の一部と反応して組成内の構造を変化させる。これはセラミック膜の製造欠陥などにより増強されることも考えられる。セラミック膜の膨張や収縮が部分的に発生し、セラミック膜内で応力を発生させる運転に伴う変化が生ずる。この現象は、たとえば、非特許文献１にセラミック応力場(Ceramic Stress Fields)として記述されている。

このことは、実用化した酸素透過型セラミック膜方式の合成ガス生産反応器の運用にあたっては、セラミック膜チューブは、予め決められた期間内で定期的に交換することにより、セラミック膜内で発生する上記のセラミック内応力の発生を予め決められたレベル以下と期待できる状況を実現する必要がある。

この定期的な交換、または予定外のセラミック膜チューブの破損が生じたことを検出した場合は、合成ガス成分性能の確保、運転の安全確保のために、セラミック膜チューブを交換する必要がある。セラミック膜チューブの交換を効率的に行なうこと、計画的に行なうことは、合成ガス反応器の運用においても重要である。

ここで着目している合成ガス反応器は実用化段階で数百本から千数百本のセラミック膜チューブが使用される可能性があるので、セラミック膜チューブの交換を効率的に行なうことが、プラント稼動上の課題になる。

しかし、多数のセラミック膜チューブの交換に有効な、構成要素の配置や基本仕様はほとんど検討されていない。特許文献１および２にも、セラミック膜チューブの交換については記述がない。
特開２０００−２６１０３号公報 特開２００２−８５９４６号公報 T. J. Mazance et. al.著, "Oxygen Transport Membranes for Syngas Production", 2001 Elsevier Science B. V.

酸素透過型セラミック膜反応器は、通常、１０ないし２０気圧以上の圧力、６００度Ｃ〜１１００度Ｃの温度範囲で作動することができ、かつ、作動時間および遷移時間中の熱および酸素の吸収および放出による寸法変動を補償する手段を備えた合成ガスおよび不飽和炭化水素生成用反応器を求める要望がある。この種の反応器は、さらに、反応熱とその他のヒートシンク（放熱部または吸熱部）との良好なバランス、ならびに、発熱反応から吸熱反応への効率的な熱伝達によって膜素子を規定の温度限度内に維持することができることが望ましい。

さらに、この反応器は、可燃性のプロセスガスまたは生成物ガスが酸素含有流れ内に高圧下で漏出するおそれを最小限にすることによって安全性を高くできることが望ましい。また、たとえばあるモジュールの１本、ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合にも、迅速に対応することによって効率的な運用ができることが望ましい。

本発明の目的は、たとえば１本ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブで劣化または破損などの不具合を生じた場合にも、不具合部分を限定して容易に交換や修理をすることができる合成ガス製造装置とその運転方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するものであって、請求項１に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていること、を特徴とする。

また、請求項１１に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記モジュール反応炉の合成ガス排出口で合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、を特徴とする。

また、請求項１２に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気出口でガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、を特徴とする。

また、請求項１４に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記複数のモジュール反応炉の一部を停止するにさいして、当該停止対象モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであって、前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出し、前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御すること、を特徴とする。

本発明によれば、合成ガス製造装置の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合にも、該当するモジュール反応炉だけを全体から切り離して交換や修理をすることができるので、効率的なプラント運用が可能となる。また、モジュールの酸素透過セラミック膜チューブと改質触媒部の本数を増やすことなどにより容易にプラント規模を拡大できるので、各種用途に応じた規模のプラントを得ることができる。

初めに、本発明に係る合成ガス製造装置およびその運転方法の最良の形態の概略を説明する。この合成ガス製造装置は、酸素透過型セラミック膜とその支持膜の組み合わせと改質触媒カラムを一つ組み合わせた構成であって、合成ガス反応炉を複数に分割したモジュール構成である。これらのモジュール反応炉は、たとえばベッセル上部の上蓋部分を取り外し可能な構造として、上部から、反応炉内に規則的に配置された複数の酸素透過型セラミック膜チューブを装荷・取り出し装置により扱う。この酸素透過型セラミック膜チューブ内には、高温空気が供給でき、酸素透過型セラミック膜を境にメタンが供給される領域と部分酸化反応による生成ガスが改質触媒カラムに供給される構造を有する。この改質触媒カラムで生成された合成ガスを排出するチェンバーに供給される構造と管板との間のシール構造を達成する手段を有している。

それぞれの反応炉内に、酸素透過型セラミック膜チューブの複数本が配置され、さらに、セラミック膜チューブの周辺に供給される原料ガスの流路、また酸素透過型セラミック膜チューブの内部に供給される高温空気の流路構成要素が収納されている。さらに、セラミック膜チューブ上で改質された合成ガスのほかにまだ混在している原料ガス成分を完全に改質するための改質触媒カラムが少なくとも一つ収納されている。これらの構成要素・収納体は反応炉ベッセル壁に設けられた支持構造と気密性を維持できるシール構造を構成している。

好ましい第１の実施形態においては、モジュール反応炉ごとに、発熱反応と吸熱反応が所定のバランス（わずかに発熱反応が吸熱反応を上回る状況）を達成するように、仕様が選択される。

このために、モジュール化された反応炉内では、発熱反応をする複数のセラミック膜チューブの中心に吸熱反応を行なう改質触媒からなるチューブを配置する。このセラミック膜チューブ内には、原料空気を下部から供給する細管が配置されている。この細管の上部から空気がセラミック膜チューブの内側に沿って流れ、酸素が膜に供給される。セラミック膜チューブの上端が閉じられて空気の流路を制約している。

また、第２の実施形態においては、モジュール化した反応炉内のセラミック膜チューブ束と改質触媒領域の配置において、改質触媒領域をセラミック膜チューブの領域上部に配置する。

これらの実施形態のいずれでも、セラミック膜チューブと改質触媒領域の装荷と取り出しは、モジュール化した反応炉全体として行なう。基本的には予め決められた交換パターンにより、定期的に一つのモジュール反応炉を停止して、交換作業を行なう。この交換期間においては、同一プラントのほかのモジュール反応炉は運転を継続し、これによりプラントの合成ガス製造性能を維持して運転できる。

一方、酸素透過型セラミック膜は、製造安定性などを考慮して仕様選定されるが、多くのセラミック膜チューブには、製造ばらつきなどがあり、使用温度条件の違いのもとでの経年変化がばらつくことが考えられる。また、プラント運用のばらつき、圧力の変動などの要因から、すべてのチューブの性能劣化が同一にならない。予定外の性能劣化や、セラミック膜チューブの破損、シール部からのリークなどの影響を検知するために、モジュール反応炉からの出口部分に、ガス成分検出領域と検出器を配置し、オンライン監視を行なう。

これらのオンラインガス分析の変動結果を反映して、モジュール化反応炉の運転にフィードバックをかける。フィードバックは、原料ガス供給量・温度、高温空気供給量・温度など定常運転に関する部分と、限界レベルから乖離した場合に、特定のモジュール反応炉への原料ガス・高温空気の供給の停止を行なうことができる。

このような収納体は、予めセラミック膜チューブと改質触媒領域を組み上げ、プラント内で貯蔵され、交換後の使用済み収納体は一時的にプラント内で保管され、その後廃棄することになる。

次に、図面を参照しながら本発明に係る合成ガス製造装置およびその運転方法の実施形態をさらに具体的に説明する。

初めに、図１ないし図５を参照して本発明に係る合成ガス製造装置の第１の実施形態を説明する。図１および図２は、本実施形態におけるモジュール反応炉構成の水素製造プラントの例を示し、また、図３〜図５は、一つのモジュール反応炉１の具体的な構造を示す。

図１は、本合成ガス製造装置の実施形態の平面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線矢視模式的縦断面図である。図１および図２に示す合成ガス製造装置では、四つのモジュール反応炉１が組み合わさっている。各モジュール反応炉１のベッセル１５には、上端部に原料ガス（ＣＨ_４など）供給口２が設けられ、下端部に原料空気供給口３が設けられ、側面に合成ガス排出口４および酸素欠乏空気排出口５が設けられている。

各モジュール反応炉１の原料ガス供給口２は、原料ガス供給弁６を介して共通の原料ガス供給源７に接続されている。同様に、各モジュール反応炉１の原料空気供給口３は、原料空気供給弁８を介して共通の原料空気供給源９に接続されている。さらに、各モジュール反応炉１の合成ガス排出口４は、合成ガス排出弁１０を介して共通の合成ガス回収装置１１に接続されている。同様に、各モジュール反応炉１の酸素欠乏空気排出口５は、酸素欠乏空気排出弁１２を介して共通の酸素欠乏空気回収装置１３に接続されている。なお、原料ガス供給弁６、原料空気供給弁８、合成ガス排出弁１０、酸素欠乏空気排出弁１２はいずれも、電磁弁であることが好ましい。

このように、原料ガス・高温空気の供給制御装置や運用を共通化して、モジュール効果を出すことができる。モジュール化効果は、新生産技術確立過程では特に、合成ガス生産規模の拡大投資に関する投資選択・要素技術進展対応への柔軟性を確保できること、また、プラント運用に関しては、要素の経年劣化などによる交換のためのプラント停止を計画的に行ない全体としてのプラント稼働率の増大に寄与することができる。

また、各モジュール反応炉から排出される製品となる合成ガスを全体としてまとめて次の工程に輸送するための合成ガス回収装置９を有すことにより、生産された合成ガスを次の工程でまとめて処理することができる。同様に高温空気として排出される酸素欠乏空気も、各モジュール反応炉１から排出されるものをまとめて全体として回収することにより、排出される高温空気の熱回収・利用などの効率向上が図れる。

図３〜図５は、上記モジュール反応炉１の構造を示すもので、図３は図２のモジュール反応炉１の斜視図、図４は図２のモジュール反応炉１の縦断面図、図５は図４のＢ−Ｂ線矢視平断面図である。

ベッセル１５は、軸を鉛直にしたほぼ円筒形の容器で、その軸に沿ってほぼ中央に１本の改質触媒部２０が配置され、これを取り囲むように６本の酸素透過型セラミック膜チューブ２１が配置され、これらがベッセル１５内に収容されている。

ベッセル１５内は複数のセルに区画され、これらのセルを区画する隔壁２３〜２９と環状の外壁３２〜３７が上下方向に積み重ねられている。各隔壁２３〜２９および外壁３２〜３７はフランジ４０により相互に接続されている。これにより、ベッセル１５の下方から順に、空気オリフィスセル５０、酸素欠乏空気排出セル５１、合成ガス通路セル５２、合成ガス生成セル５３、原料ガスオリフィスセル５４が形成されている。各セルはチューブ（管）でのみ連絡する構造となっている。

メタンなどの原料ガスは、原料ガス供給部口２からベッセル１５の頂部６０に入り、ここから、原料ガスオリフィスセル５４のオリフィス管６１を通って降下して、セラミック膜チューブ２１の外周に沿って降下する。セラミック膜チューブ２１の上端は閉じている。一方、原料空気は、原料空気供給口３からベッセル１５の底部６３に入り、ここから、空気オリフィスセル３２のオリフィス管６４を通って上昇する。オリフィス管６４の上部はセラミック膜チューブ２１内に挿入されている。原料空気は、オリフィス管６４を通って上昇した後にその上端でセラミック膜チューブ２１内壁に衝突し、その後、セラミック膜チューブ２１内壁とオリフィス管６４外壁の間の環状部に沿って下降する。原料ガスと原料空気がセラミック膜チューブ２１をはさんで平行に流れている間に、原料空気中の酸素がセラミック膜チューブ２１を透過して、式（２）に表される部分酸化反応が進行し、合成ガスが生成される。

その後、合成ガスは改質触媒部２０の下端部からその中を上方に向かって通り、ここで式（１）に表される改質反応が生じる。その後、合成ガスは、合成ガス生成セル５３から合成ガス排出口４を通ってベッセル１５外へ出る。

一方、原料空気はセラミック膜チューブ２１内壁とオリフィス管６４外壁の間の環状部に沿って下降して酸素欠乏空気となり、酸素欠乏空気排出セル５１から酸素欠乏空気排出口５を通ってベッセル１５外へ出る。

図４および図５では、セラミック膜チューブと改質触媒部の配置例として、セラミック膜チューブ６本と改質触媒部１本の配置例を示したが、このような規則的な配置での本数は、それぞれの反応器の規模により最適化する。

オリフィス管６１、６４は、６本のセラミック膜チューブに供給される原料ガス（メタン）および原料空気の量をなるべく相互に等しくするためのものであり、基本的には等分配とする。しかし、オリフィス管６１、６４の径を調整することでその流量配分を自在に変えることもできる。セラミック膜チューブ２１と改質触媒部２０は一部で相互に接しており、これにより熱伝導を促す構造となっている。

合成ガス通路セル５２ではその出口が改質触媒部２０のみなので、ガスは必然的に改質触媒部２０へ向かい、合成ガス排出口４では９０％以上のメタン転化率が得られる。また、発熱部を密閉することで、外壁とメタン流路ブロック間の伝熱媒体の温度や注入量を調整したりすることによって、熱制御が行ないやすくなっている。

図６〜図８は、本発明に係る合成ガス製造装置の第２の実施形態を示す。図１は、第１および第２の実施形態で共通である。また、第１の実施形態と共通または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。

図６は、この実施形態の合成ガス製造装置の模式的縦断面図を示す。この実施形態では、各モジュール反応炉１０１の原料ガス供給口２および原料空気供給口３はモジュール反応炉１０１のベッセル１５の側面に設けられ、合成ガス排出口４はベッセル１５の上端部に設けられ、酸素欠乏空気排出口５はベッセル１５の下端部に設けられている。

図７は、図６のモジュール反応炉１０１の内部を示す縦断面であって、原料ガス・生成される合成ガス・高温空気の流路と流量配分機構概念を示す。ここでは、モジュール化構成の有無に係わらない共通要素である酸素透過型セラミック膜チューブや改質触媒部の交換のための上下蓋や流路間のシール機構などは図示していない。図８は図７のＣ−Ｃ線矢視平断面である。

原料（メタン）ガス、空気側のそれぞれの流路に、オリフィス７０、７１を設けた管７２、７３が配置され、これにより流量配分が行なわれる。上部、下部のそれぞれから供給されたメタンと空気は、上端が閉じたセラミック膜チューブ２１の外面および内面に沿ってそれぞれ上方に向かって平行に流れながら式（２）の反応が進行する。反応したガスと未反応のガスの出口は改質触媒層７５に直接つながっている。セラミック膜チューブ２１の内側には酸素欠乏空気排出管９０が設けられていて、セラミック膜チューブ２１の内面に沿って上昇して流れた後の酸素欠乏空気を酸素欠乏空気排出口５まで導く。

また、セラミック膜チューブ２１近傍で発生した熱は、改質触媒層７５に接触熱伝導、あるいはベッセル１５の外壁とメタン流路ブロックとの間の空気によって熱交換する。

図８に示すように、この第２の実施形態でも、1ブロック当たりのセラミック膜チューブ２１の本数は６本とする。また、この構造の特徴は、セラミック膜チューブ２１の壁面に沿う流れが上向きになっていることである。燃焼反応により温度が上昇したガスは密度が軽くなっているので上方に向かう。そのため、効率よく吸熱反応層である改質触媒層７５に熱を伝えることができる。酸素透過型セラミック膜チューブ２１領域の上部に改質触媒層７５を配置して、高温化した合成ガス自身の熱を利用して、酸素透過型セラミック膜チューブ２１領域で反応しなかった原料ガスを完全に合成ガスに改質する方式である。改質触媒層７５の厚さなどの最適化をすることが可能である。

図９は、第１の実施形態（図２など参照）の各モジュール反応炉１の合成ガス排出口４から排出される合成ガスおよび酸素欠乏空気排出口５から排出される酸素欠乏空気の特性を測定・検知する検出器の取り付け位置を示す。すなわち、図９に丸で囲んだＤおよびＥで示すように、検出器を、各モジュール反応炉１の合成ガス排出口４と合成ガス回収装置１１の間および、酸素欠乏空気排出口５と酸素欠乏空気回収装置１３の間に配置する。

合成ガスまたは酸素欠乏空気の特性として測定・検知する項目は、たとえば、温度、圧力、ガス成分とする。これらの項目の一部でもかまわない。ガス成分は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、酸素など、またはその一部、もしくはそれら一部組成の組み合わせ検知の対象とする。

図１０は、このような検出器部分の構造の例を示す。図示の例は、合成ガス排出口４と合成ガス排出弁１０の間の配管途中に検出器取り付け部８０を設けている。検出器取り付け部８０は、径の大きな管をフランジ８１で接続する構造である。この部分で流路面積が拡大することにより、流速が低下し、成分検出のための抽出時間を稼げる構造となっている。図示の検出器取り付け部８０には、温度測定用の熱電対８２、圧力計８３、成分検出器８４が取り付けられている。

各モジュール反応炉１へ供給される原料ガスまたは原料空気の測定については図９に示していないが、供給側の特性の測定のための検出器を同様に配置することが可能である。供給側の測定は、全体として、各モジュール反応炉１に配分される前であっても、また、配分された後の、原料ガス供給弁６、原料空気供給弁８の下流側（モジュール反応炉１側）のいずれでもよい。

このような出入口部分のガス特性・成分特性をオンライン監視することにより、長期間にわたる酸素透過型セラミック膜チューブの性能の経年劣化やプラント運転にともなう経年変化などによるガス・空気のリ−クによる混入、また、セラミック膜チューブやシール部分の破損に伴うガス成分の変化が検知できる。検知の方法として、定常運転時の変動や測定器が局所的に配置されることによる測定値と通過する平均組成の違いなどは、別途調整するものとする。

図１１は、これらの測定結果をフィードバックして、異常を検出した場合に、一つのモジュール反応炉を停止し、その他のモジュール反応炉で運転を継続する場合の信号と機器の対応例を示している。熱電対８２と成分検出器８４から得られる異常信号は測定機器１１０、１１１により検出され、該当するモジュール反応炉に連絡する入口側電磁弁１１２および出口側電磁弁１１３へ停止信号を送る。その際、合成ガス側圧力計８３および酸素欠乏空気側圧力計８３ａに基づいて差圧計１１４で圧力差を監視し、この圧力差が過度に高くならないように、入口側電磁弁１１２および出口側電磁弁１１３を閉じるタイミング信号を送る。この時、原料ガス入口と原料空気入口に設置されている電磁弁にも信号を送る。

たとえば、酸素欠乏空気側の温度変化や、酸素欠乏空気側へのメタンや水素の混合が検出され、燃焼限界以下の設定レベルを越えたとすると、セラミック膜チューブを介した圧力差の大小関係を維持しながら、同時に圧力を低下させる。また、このモジュールへの原料ガス供給弁６および原料空気供給弁８を閉止し、また、合成ガス排出弁１０および酸素欠乏空気排出弁１２を閉止して合成ガス・酸素欠乏空気の回収装置への流れを停止するなど、予め決められた手順・特性を実現する操作へフィードバックし、異常が他のモジュール反応炉に波及することを最小化させる。

当該、モジュール反応炉では、図示されていない隔離安全逃し弁とバッファータンクへのガス輸送を行ない、安全なモジュール反応炉停止を図る。その後、当該モジュール反応炉内の要素交換や改修などの作業に移行できる。

上記実施形態の説明では、合成ガス排出口４と酸素欠乏空気排出口５での圧力差を制御するものとした。他の実施形態として、原料ガス供給口２と原料空気供給口３での圧力差を制御することも可能である。原料ガス供給口２と合成ガス排出口４とは比較的大きなガス流路で互いにつながっており、原料空気供給口３と酸素欠乏空気排出口５とは比較的大きな空気流路で互いにつながっているからである。

以上説明したように、本発明の好ましい実施形態によれば、浮力・対流などによる酸素透過セラミック膜チューブ周辺の流動の複雑性を軽減でき、またフランジ接続型セル構造とすることで分解・組立を容易にすることができるので、効率的な熱流動、交換性を考慮した流路構造を得ることができる。

また、複数モジュール反応炉構造とすることにより、あるモジュールの１本、ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合に、反応炉全体を止めることなく交換、修理を可能にできるので、効率的な運用が可能なプラントを得ることができる。また、モジュールの酸素透過セラミック膜チューブと改質触媒部の本数を増やすことで容易にプラント規模を拡大できるので、各種用途に応じた規模のプラントを得ることができる。

本発明に係る合成ガス製造装置の第１の実施形態の平面図。 図１のＡ−Ａ線矢視模式的縦断面図。 図２のモジュール反応炉の一つの斜視図。 図３のモジュール反応炉の縦断面図。 図４のＢ−Ｂ線矢視平断面図。 本発明に係る合成ガス製造装置の第２の実施形態の模式的縦断面図。 図６のモジュール反応炉の一つの縦断面図。 図７のＣ−Ｃ線矢視平断面図。 図２の合成ガス製造装置の検出器取り付け位置を示す模式的縦断面図。 図９の検出器取り付け位置の一つにおける検出器取り付け状況を示す拡大縦断面図。 本発明に係る合成ガス製造装置の計測・制御系の一実施形態を示すブロック図。

符号の説明

１…モジュール反応炉、２…原料ガス供給口、３…原料空気供給口、４…合成ガス排出口、５…酸素欠乏空気排出口、６…原料ガス供給弁、７…原料ガス供給源、８…原料空気供給弁、９…原料空気供給源、１０…合成ガス排出弁、１１…合成ガス回収装置、１２…酸素欠乏空気排出弁、１３…酸素欠乏空気回収装置、１５…ベッセル、２０…改質触媒部、２１…酸素透過型セラミック膜チューブ、２３〜２９…隔壁、３２〜３７…外壁、４０…フランジ、５０…空気オリフィスセル、５１…酸素欠乏空気排出セル、５２…合成ガス通路セル、５３…合成ガス生成セル、５４…原料ガスオリフィスセル、６０…頂部、６１…オリフィス管、６３…底部、６４…オリフィス管、７０，７１…オリフィス、７２，７３…管、７５…改質触媒層、８０…検出器取り付け部、８１…フランジ、８２…熱電対、８３，８３ａ…圧力計、８４…成分検出器、９０…酸素欠乏空気排出管、１１０，１１１…測定機器、１１２…入口側電磁弁、１１３…出口側電磁弁、１１４…差圧計

Claims (14)

1. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置であって、
   前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
   前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていること、
   を特徴とする合成ガス製造装置。
2. 請求項１に記載の合成ガス製造装置において、
   前記酸素透過型セラミック膜チューブは酸素透過機能を持つセラミック膜チューブを含み、
   前記改質触媒部は部分酸化反応による生成ガスを流入させる改質触媒チューブを含み、
   前記各ベッセル内で、前記セラミック膜チューブおよび前記改質触媒部が規則的に配列されていること、
   を特徴とする合成ガス製造装置。
3. 請求項１に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の各合成ガス排出口での合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を計測する合成ガス検出器を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
4. 請求項３に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の合成ガス検出器によって検出された合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止する手段を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
5. 請求項１に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の各酸素欠乏空気出口でのガス成分および温度の少なくとも一方を検出する酸素欠乏空気検出器を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
6. 請求項５に記載の合成ガス製造装置において、前記酸素欠乏空気検出器は、水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素のうちの少なくとも１種類のガス成分を検出するものであること、を特徴とする合成ガス製造装置。
7. 請求項５または６に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気検出器によって検出されたガスの成分濃度および温度の少なくとも一方が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止する手段を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
8. 請求項４または７に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉を停止する手段は、当該モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであること、を特徴とする合成ガス製造装置。
9. 請求項８に記載の合成ガス製造装置において、
   前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出する圧力差検出手段と、
   前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御する制御手段と、
   をさらに有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉を個別に前記共通の部分から遮断する手段をさらに有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
11. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
    前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
    前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
    前記モジュール反応炉の合成ガス排出口で合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、
    を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
12. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
    前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
    前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
    前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気出口でガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、
    を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
13. 請求項１１または１２に記載の合成ガス製造装置の運転方法において、当該モジュール反応炉を前記共通の部分から遮断して停止し、その後、前記停止したモジュール反応炉を改修してこれを前記共通の部分に接続し、その後、前記共通の部分に接続されたすべての前記モジュール反応炉を運転すること、を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
14. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
    前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
    前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
    前記複数のモジュール反応炉の一部を停止するにさいして、当該停止対象モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであって、
    前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出し、
    前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御すること、
    を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。

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