JP4231258B2 - 触媒改質型反応装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒が充填された反応管を高温空気燃焼技術を用いて加熱して改質の対象となる流体を改質する触媒改質型反応装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平１１−３２３３５５号公報には、触媒改質型反応装置の一種である炭化水素の水蒸気改質装置において、高温空気燃焼技術を利用したものが示されている。ここで高温空気燃焼技術とは、燃焼用空気を８００℃以上の高温まで予熱し、且つ高速で燃焼室に燃焼用空気を吹き込み、しかもその燃焼用空気中に燃料を吹き込んで燃焼を行う技術である。この技術を用いて反応炉の燃焼室の内部で高温空気燃焼を行うと、燃焼室内の温度場の温度差が小さくなるので、複数の反応管を均一に加熱することができる。前述の公報に示された従来技術では、反応炉は輻射部と対流部とから構成される。そして対流部あるいは他の流体加熱手段で原料炭化水素と原料水蒸気との混合ガスを所定の温度まで予熱し、この混合ガスを炉本体の輻射部に配置した反応管に導入して改質ガスを生成している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術では、反応炉として輻射部の他に対流部を必要とするか、あるいは反応管とは別に他の流体加熱手段を用意して設置する必要があるため、反応炉の構成が複雑になるだけでなく、反応炉が大型化する問題がある。また流体加熱手段の設置作業を別に行う必要があるため、工事に要する日数と費用が増加する問題がある。
【０００４】
本発明は、対流部を設けることなく、あるいは反応管とは別の流体加熱手段を設ける必要がない触媒改質型反応装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、８００℃以上の高温まで予熱された燃焼用空気が高速で燃焼室に吹き込まれ、燃焼用空気中に燃料を供給されてこの燃料の燃焼が行われることにより燃焼室内の温度場の温度差が小さくなっている輻射部のみを備えた反応炉と、内部に触媒が充填された改質セクションを有し且つ改質の対象となる流体が改質セクションを通過するように構成され、反応炉の炉本体の炉壁に対して固定されて輻射部に配置された複数の反応管とを備え、高温空気燃焼技術を用いて前記複数の反応管を前記輻射部の熱で加熱して前記流体を改質する触媒改質型反応装置を改良の対象とする。本発明においては、反応管を、改質セクションの上流側に前記流体を輻射部の熱を利用して予熱する予熱セクションを備えた構造とする。この予熱セクションは、改質セクションの上流側に位置する反応管の管路部分に、反応管の外壁から伝熱される熱を流体に伝熱する伝熱促進部材が充填された構造を有している。そして伝熱促進部材の充填量は、予熱セクションから出る流体の温度が改質セクションにおいて水和反応またはコーキングを発生させない温度になるように定める。このような構成を採用すると、予熱セクションにおける伝熱促進部材の充填量を調整することにより、流体の予熱温度を輻射部の目標温度になるように運転することができる。そのため従来の技術のように、特別に対流部を設けたり、反応管とは別に流体加熱手段を設ける必要がない。その結果、反応炉の構造及び設置作業は、基本的に従来と同様でよいため、従来の触媒改質型反応装置と比べて、反応炉を簡単且つコンパクトなものとすることができ、装置を安価に提供することができる。
【０００６】
なお予熱セクションから出る流体の温度は、一般的には４００℃以上５４０℃未満である。この温度範囲であれば、水和反応やコーキングが発生することはない。
【０００７】
本発明を水蒸気改質装置のレベルでより具体的なものとした場合について説明する。この場合の装置は、内部に燃焼室を有する輻射部のみを備えた反応炉と、反応炉の炉本体の炉壁に設けられた複数のバーナで燃焼室内において燃料を燃焼し、燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱体を通して炉外に排出し、蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱した燃焼用空気をバーナに供給するように構成された高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置と、内部に触媒が充填された改質セクションを有して炉壁に対して固定されて輻射部に配置された複数の反応管とを備えている。そして触媒改質型装置は、原料炭化水素と原料水蒸気とを混合した混合ガスを予熱し、反応管の改質セクションを通過するように構成されて、高温空気燃焼技術を用いて複数の反応管を輻射部の熱で加熱して流体を改質する。この場合においては、反応管には、改質セクションの上流側に混合ガスを燃焼室内の熱を利用して予熱する予熱セクションを設ける。そして予熱セクションを、改質セクションの上流側に位置する反応管の管路部分に、反応管の外壁から伝熱される熱を混合ガスに伝熱して予熱するための伝熱促進部材が充填された構造にする。その上で、伝熱促進部材の充填量を、予熱セクションから出る混合ガスの温度が４００℃以上５４０℃未満になるように定める。
【０００８】
伝熱促進部材の構成及び材質は、任意である。しかし伝熱促進部材として例えばアルミナボールを用いると、簡単且つ安価に伝熱促進部材を反応管内に充填できる。
【０００９】
反応管の構造は、単管でもよいが、二重管構造のバイオネット型反応管を用いてもよいのは勿論である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、バイオネット型反応管を用いて炭化水素（ハイドロカーボン）を改質して水素を生成する場合等に用いる触媒改質型反応装置に本発明を適用した例の一部の概略断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。なお、これらの図において、１は内部に燃焼室２を有する反応炉の炉本体である。炉本体１は、図１で見た状態で右側に更に延びた形状を有する横長形状を有している。炉本体１は、底壁１ａと、上壁１ｂと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向：図２の紙面で見た上下方向）に位置する側壁１ｃ及び１ｄと、横方向（図１の紙面で見た左右方向：図２の紙面で見た左右方向）の側壁１ｅ（図１及び図２では一方の側壁だけが示されている。）を備えている。
【００１１】
炉本体１は、支持構造部３…によって支持されており、炉本体１には、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置４を構成する複数の高温空気燃焼型蓄熱式バーナ４ａ…や入口マニホールド５および出口マニホールド６を収納する収納スペース７を内部に備えた屋根構造体８が配置されている。そして炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、バイオネット型反応管からなる複数の反応管９…が配置されている。
【００１２】
高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置４は、高温空気燃焼技術を用いて燃焼を行う燃焼装置である。この高温空気燃焼技術は、日本燃焼学会、日本工業炉協会、財団法人宇宙環境利用推進センターが協力して、通産省の援助のもと、ＮＥＤＯの事業の一つとして開発された燃焼技術である。例えば、１９９６年に発行された月刊「省エネルギー」９月号、ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１０にその内容が詳しく説明されている。高温空気燃焼では、例えば燃焼用空気を蓄熱体の蓄熱を利用して８００℃〜１０００℃以上の高温まで予熱し、かつ高速で燃焼室に燃焼用空気を吹き込み、しかもその燃焼用空気中に燃料を吹き込んで燃焼を行う。
【００１３】
蓄熱式燃焼装置は、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて構成することができる。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と燃焼ガスを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものとしては、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示された交番式蓄熱バーナがある。この交番式蓄熱バーナでは、１つのバーナに対して２つの蓄熱体を設ける。そして一方の蓄熱体を通して排気ガスを排気し、他方の蓄熱体を通して燃焼用空気を供給し、この排気ガスの排気と燃焼用空気の供給を２つの蓄熱体でそれぞれ交互に行う。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報の第１０図に示されている。この交番式蓄熱バーナでは、１つのバーナと１つの蓄熱体とがセットになった蓄熱バーナを２組用意する。そして１組の蓄熱バーナで燃焼を行っているときには他の組の蓄熱バーナは燃焼を停止し、交互に燃焼と停止を繰り返す。このとき燃焼を行っている蓄熱バーナの蓄熱体を通して燃焼用空気を燃焼室に供給する。
【００１４】
この例では、図２に示すように６台の高温空気燃焼型蓄熱式バーナ４ａ1〜４ａ6が一列に並べられて第１のバーナ列４Ａが構成され、また更に６台の高温空気燃焼型蓄熱式バーナ４ｂ1〜４ｂ6が一列に並べられて第２のバーナ列４Ｂが構成されている。そして複数の反応管９…は、これら第１及び第２のバーナ列４Ａ及び４Ｂの間に、これらのバーナ列４Ａ及び４Ｂに沿って４列の反応管列９Ａ〜９Ｄを形成するように配置されている。図１に示すように、各反応管９…は、原料となる混合ガスが流入するエルボー管９ｅと改質されたガスが流出するエルボー管９ｋを含む部分が、炉本体１の上壁１ｂの外側に露出し、外側筒状本体閉塞体９ｄが炉本体１の底壁１ａの外側に露出し、且つ熱膨張及び熱収縮による伸縮を許容する支持構造を介して底壁１ａ及び上壁１ｂに対して取り付けられている。この支持構造は、従来の触媒改質型反応装置で用いられている支持構造と同じであるので説明を省略する。
【００１５】
そして４列の反応管列９Ａ〜９Ｄを構成する各反応管９…のエルボー管９ｋと改質の対象となる流体が流れる入口マニホールド５との間は、反応管９…及び入口マニホールド５の熱膨脹及び熱収縮を吸収する構造のピグテールまたはヘアピンと呼ばれる複数の入口側連結管１５…によってそれぞれ連結されている。また各反応管９…のエルボー管９ｅと改質された流体が流れる出口マニホールド６との間も、反応管９…及び出口マニホールド６の熱膨脹及び熱収縮を吸収する構造の複数の出口側連結管１６…によりそれぞれ連結されている。なお入口マニホールド５及び出口マニホールド６に付随して示した矢印は、流体の流れる方向を示している。
【００１６】
燃焼室２内部の温度が８００℃以上になるように、蓄熱式燃焼装置４を用いて高温空気燃焼を行うと、燃焼室内の温度場の温度差が大幅に改善される。そのため１組の反応管列を例えば４列の反応管列９Ａ〜９Ｄにより構成しても十分に各反応管９…で改質反応を行わせることができる。この例では、第１及び第２のバーナ列４Ａ及び４Ｂを交互にバーナ手段または蓄熱手段として使用する。またこの例のように、バイオネット型反応管９を用いると、反応管の長さ寸法は半減する。またバイオネット型反応管９では一方の端部側に流体入口と流体出口とが配置されることになるため、入口マニホールド５及び出口マニホールド６を集中的に配置することができて、触媒改質型反応装置を全体的にコンパクトに構成することができる。
【００１７】
本実施の形態で用いるバイオネット型反応管９は、図３に示す構造を有している。このバイオネット型反応管９は、両端部に溶接により固定された環状のフランジ部９ａ及び９ｂを有する外側筒状本体９ｃを備えている。外側筒状本体９ｃの一端（下端）の開口部は、円板状の外側筒状本体閉塞体９ｄによって塞がれている。外側筒状本体閉塞体９ｄは、フランジ部９ｂに対してボルト止めされている。また外側筒状本体９ｃの他端（上端）の開口部には、原料炭化水素と原料水蒸気の混合ガスを外側筒状本体９ｃの内部に供給するためのエルボー管９ｅが接続されている。エルボー管９ｅは、その端部に設けられたフランジ部９ｆが外側筒状本体９ｃの端部に設けられたフランジ部９ａにボルト止めされて固定されている。外側筒状本体９ｃの長さは、約７ｍであり、外側筒状本体９ｃの本体部分（フランジ部９ａ及び９ｂの間に位置する部分）の外径寸法は約１６０ｍｍである。
【００１８】
そして更に、外側筒状本体９ｃの内部には、内側筒状本体９ｇが配置されている。内側筒状本体９ｇの下端は完全に塞がれている。内側筒状本体９ｇは、塞がれた下端の少し上の部分に、通気構造を構成する複数の貫通スリット９ｈを備えている。内側筒状本体９ｇの下端には、外側筒状本体９ｃの内径寸法と実質的に外径寸法が等しい筒体９ｉが固定されている。この筒体９ｉは、外側筒状本体９ｃの内周面との間に若干の隙間をあけて外側筒状本体９ｃ内に挿入されている。そしてこの筒体９ｉと外側筒状本体閉塞体９ｄとの間の空間には、セラミックファイバ等の断熱材９ｊが充填されている。内側筒状本体９ｇの上端にはエルボー管９ｋの一端が溶接接続されている。エルボー管９ｋは、外側筒状本体閉塞体９ｄの壁部を貫通しており、エルボー管９ｋの他端は外側筒状本体９ｃの外側に位置している。エルボー管９ｋの他端には、接続用のフランジ９ｍが接続されている。内側筒状本体９ｇの外径寸法は約８０ｍｍである。
【００１９】
外側筒状本体９ｃと内側筒状本体９ｇとの間に形成された空間の主要部分は、改質セクション１０と予熱セクション１１とに分けられる。改質セクション１０は、球状またはタブレット状の触媒１２が充填される触媒充填セクション１０Ａと、直径が約１３ｍｍのアルミナボールが充填されるアルミナボール充填セクション１０Ｂとに分けられる。
【００２０】
改質セクション１０の上流側に位置する予熱セクション１１には、伝熱促進部材として直径が約１３ｍｍのアルミナボールが充填されている。伝熱促進部材の充填量は、予熱セクション１１から出る流体の温度が改質セクション１０において水和反応またはコーキングが発生しないように定めている。別の見方をすると、予熱セクション１１には、反応管９の外側筒状本体９ｃの外壁から伝熱される熱を原料炭化水素と原料水蒸気の混合ガスを予熱するために必要な伝熱量を得ることができる量の伝熱促進部材が充填されている。具体的には、予熱セクション１１から出る流体の温度が、４００℃以上５４０℃未満になるように、伝熱促進部材の充填量を定めている。このようにすると、改質セクション中の触媒が水和反応やコーキングによって腐食するのを確実に防止できる。アルミナボール充填セクション１０Ｂは、触媒充填セクション１０Ａに充填された触媒により改質された混合ガスを更に加熱する。アルミナボール充填セクション１０Ｂは、スリット１３を通して内側筒状本体９ｄの内部に入り、内側筒状本体９ｄの内部で更に加熱されてエルボー管９ｋから排出される。ちなみに図３の実施例の各部の長さＬ１は約１００ｃｍであり、Ｌ２は約１７００ｃｍ〜１８００ｃｍであり、Ｌ３は１９０ｃｍであり、Ｌ４は９００ｃｍから１６００ｃｍである。外側筒状本体９ｃの外側に設けた鍔部９ｎの部分より上の部分が炉本体１の上壁１ｂより上に位置する部分である。本実施の形態によれば、燃焼室内の温度が約１０５０℃になっている状態で、予熱セクション１１において混合ガスが予熱され、予熱セクション１１から出る混合ガスの温度が約５００℃になることが確認された。なお図３において、符号１４は触媒１２の温度を測定する温度計を示している。
【００２１】
図４は、図３のバイオネット型反応管９に代えて使用可能な単管から構成される反応管１０９の構成を示している。図３に示した反応管９と同様の部分には、図３に示した符号の数に１００の数を加えた符号を付してある。この反応管１０９でも、触媒１１２が充填された改質セクション１１０の上流側に予熱セクション１１１を備えている。予熱セクション１１１に充填する伝熱促進部材（アルミナボール）の充填量は、図３に示した反応管９と同様に、予熱セクション１１１から出る混合ガスの温度が４００℃以上５４０℃未満になるように定められている。ちなみに反応管１０９の触媒が充填される主要部分の直径は約１４０〜１５０ｍｍであり、その部分の内径は約１２０〜１３０ｍｍである。そして図示の寸法Ｌ１１は１０００ｃｍ、Ｌ１２の寸法は５０ｃｍ、Ｌ１３の寸法は約１２００ｃｍである。この場合においても、燃焼室内の温度が約１０５０℃になっている状態で、予熱セクション１１１において混合ガスが予熱され、予熱セクション１１１から出る混合ガスの温度が約５００℃になることが確認された。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、予熱セクションにおける伝熱促進部材の充填量を調整することにより、流体の予熱温度を簡単に制御することができる利点が得られる。また従来の技術のように、特別に対流部を設けたり、反応管とは別に流体加熱手段を設ける必要がない。更に、反応炉の構造及び設置作業は、基本的に従来と同様でよいため、従来の触媒改質型反応装置と比べて、反応炉を簡単且つコンパクトなものとすることができて、触媒改質型反応装置を安価に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 バイオネット型反応管を用いて炭化水素（ハイドロカーボン）を改質して水素を生成する場合等に用いる触媒改質型反応装置に本発明を適用した例の一部の概略断面図である。
【図２】 図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】 図１の例で用いることができるバイオネット型反応管の一例の断面図である。
【図４】 図１の例で用いることができる単管型反応管の一例の断面図である。
【符号の説明】
１ 炉本体
２ 燃焼室
３ 支持構造部
４ 高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置
５ 入口マニホールド
６ 出口マニホールド
９，１０９ 反応管
１０，１１０ 改質セクション
１１，１１１ 予熱セクション

Claims (5)

1. ８００℃以上の高温まで予熱された燃焼用空気が高速で燃焼室に吹き込まれ、前記燃焼用空気中に燃料が供給されて前記燃料の燃焼が行われることにより前記燃焼室内の温度場の温度差が小さくなっている輻射部のみを備えた反応炉と、
   内部に触媒が充填された改質セクションを有し且つ改質の対象となる流体が前記改質セクションを通過するように構成され、前記反応炉の炉本体の炉壁に対して固定されて前記輻射部に配置された複数の反応管とを備え、高温空気燃焼技術を用いて前記複数の反応管を前記輻射部の熱で加熱して前記流体を改質する触媒改質型反応装置であって、
   前記反応管は、前記改質セクションの上流側に前記流体を前記輻射部の熱を利用して予熱する予熱セクションを備えており、
   前記予熱セクションは、前記改質セクションの上流側に位置する前記反応管の管路部分に、前記反応管の外壁から伝熱される熱を前記流体に伝熱する伝熱促進部材が充填された構造を有しており、
   前記伝熱促進部材の充填量は、前記予熱セクションから出る前記流体の温度が前記改質セクションにおいて水和反応またはコーキングを発生させない温度になるように定められていることを特徴とする触媒改質型反応装置。
2. 前記温度が４００℃以上５４０℃未満である請求項１に記載の触媒改質型反応装置。
3. 内部に燃焼室を有する輻射部のみを備えた反応炉と、前記反応炉の炉本体の炉壁に設けられた複数のバーナで前記燃焼室内において燃料を燃焼し、前記燃焼室内の燃焼ガスを通気性を有する蓄熱体を通して炉外に排出し、前記蓄熱体の顕熱で８００℃以上の高温に加熱した燃焼用空気を前記バーナに供給するように構成された高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置と、
   内部に触媒が充填された改質セクションを有して前記炉壁に対して固定されて前記輻射部に配置された複数の反応管とを備え、
   炭化水素と原料水蒸気とを混合した混合ガスを予熱して、前記反応管の前記改質セクションを通過するように構成されて、高温空気燃焼技術を用いて前記複数の反応管を前記輻射部の熱で加熱して前記流体を改質する触媒改質型反応装置であって、
   前記反応管は、前記改質セクションの上流側に前記混合ガスを前記輻射部の熱を利用して予熱する予熱セクションを備えており、
   前記予熱セクションは、前記改質セクションの上流側に位置する前記反応管の管路部分に、前記反応管の外壁から伝熱される熱を前記混合ガスに伝熱して前記混合ガスを予熱するための伝熱促進部材が充填された構造を有しており、
   前記伝熱促進部材の充填量が、前記予熱セクションから出る前記混合ガスの温度が４００℃以上５４０℃未満になるように定められていることを特徴とする触媒改質型反応装置。
4. 前記伝熱促進部材がアルミナボールからなる請求項１または３に記載の触媒改質型反応装置。
5. 前記反応管が二重構造のバイオネット型反応管である請求項４に記載の触媒改質型反応装置。

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