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JPH03232703A - 炭化水素の改質装置 - Google Patents

炭化水素の改質装置

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Publication number
JPH03232703A
JPH03232703A JP2112224A JP11222490A JPH03232703A JP H03232703 A JPH03232703 A JP H03232703A JP 2112224 A JP2112224 A JP 2112224A JP 11222490 A JP11222490 A JP 11222490A JP H03232703 A JPH03232703 A JP H03232703A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
annular
passage
gas
raw material
reformed gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2112224A
Other languages
English (en)
Inventor
Teruo Makabe
真壁　輝男
Hideo Sato
佐藤　穎生
Akifusa Hagiwara
萩原　明房
Mamoru Aoki
守 青木
Hideki Sugimura
杉村　秀樹
Shunzo Kawabata
川畑　俊造
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kobe Steel Ltd
Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Original Assignee
Tokyo Electric Power Co Inc
Kobe Steel Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Electric Power Co Inc, Kobe Steel Ltd filed Critical Tokyo Electric Power Co Inc
Priority to JP2112224A priority Critical patent/JPH03232703A/ja
Priority to US07/632,984 priority patent/US5226928A/en
Priority to EP90314228A priority patent/EP0435642B1/en
Priority to DE90314228T priority patent/DE69004943T2/de
Publication of JPH03232703A publication Critical patent/JPH03232703A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、炭化水素原料をスチームリフオーミングして
水素を主成分とする改質ガスを製造する炭化水素の改質
装置に関し、詳細にはコンパクトさと熱効率の高さが要
求される燃料電池用改質装置に適した炭化水素改質装置
に関するものである。
［従来の技術］ 燃料油、ナフサ、天然ガスなどの炭化水素に水蒸気を混
合し、これを触媒層に通して改質ガス（水素を主成分と
し、−酸化炭素やメタン等を含有する可燃性ガス）を製
造する改質装置としては、例えば特開昭５３−７８９９
２．同５３−７９７６６、同５８−６３７８３．特公昭
５７−７５３８号等がある。
これらの装置は、反応容器内に二重管構造の反応管を配
設したものであり、該反応管内に形成された外層部及び
内層部上端を連通させ、該外層部には触媒を充填し、燃
焼ガスを反応管外周面に添って通過させることによって
該外層部の触媒を加熱し、原料ガスを該触媒充填層に通
して改質し、上記内層部を通して系外に取り出すという
ように構成されている。
［発明が解決しようとする課題］ しかしながら上記改質装置から排出される燃料ガスはか
なり高温であり、該燃焼ガスの保有熱を効率良く利用し
ているとは言えず、さらには製造される改質ガスの温度
も高いので該改質ガスを冷却する為の大型熱交換器を必
要としている。そこで上記改質装置から排出されるまで
に燃焼ガス及び改質ガスの熱を十分に利用し尽くすこと
を意図し、触媒層との熱交換面積を拡大する目的で反応
管をさらに大型化する方法等も考えられるが、特にコン
パクトさを要求される燃料電池用改質装置においては不
適切である。本発明はこうした事情に着目してなされた
ものであって、コンパクトで熱効率の優れた改質装置を
提供しようとするものである。
［課題を解決するための手段コ 上記目的を達成した本発明とは、４重の環状通路を同心
的に配置して外周側から順次第１環状通路、第２環状通
路、第３環状通路、第４環状通路を形成すると共に、第
１及び第４環状通路には触媒を充填してこれらを原料ガ
ス通路、第２及び第３環状通路を改質ガス排出通路とし
、これらの４つの環状通路には軸方向の一端側において
第１環状通路から第４環状通路へ、第４環状通路から第
３環状通路へ、第３環状通路から第２環状通路へ順次連
絡する様な連通部を形成し、更に第１環状通路の外側と
第４環状通路の内側に燃焼ガス通路を配置することによ
り、燃焼ガス通路と原料ガス通路、並びに原料ガス通路
と改質ガス排出通路に夫々対向流を形成する様に構成し
たことを要旨とするものである。
［作用及び実施例］ 第１図は本発明の改質装置を示す概略断面図である。以
下第１図に基づいて本発明装置を説明する。
ます本発明の反応部（Ａ）は、断熱材（４４）が内張す
された反応容器の頂部から垂設した、断面路Ｕ字管状の
環状外管（３１，３２）の内側に形成されており、環状
外管外周部（３１）と環状外管内周部（３２）の間には
更に断面路Ｕ字管状の環状内管（３３，３４）を配設し
、さらに環状内管外周部（３４）と環状内管内周部（３
３）の間には環状仕切板（３５）が配設される。
上記環状外管（３１，３２１と環状内管（３３，３４）
　　との間に形成された環状反応部（１３，１４）には
例えばニッケルーアルミナ系に代表される改質触媒を充
填することによって構成されている。
従って原料ガス人口ノズル（１１）から導入された原料
ガスは、原料ガス人口部通路（１２）を通り環状外側反
応部（１３）を下降すると共に、環状内側反応部（１４
）を上昇する過程で改質され、そして該改質ガスは上端
で折り返して改質ガス内側導出路（１５）を下降し、再
び下端で折り返し改質ガス外側導出路（１６）を再度上
昇し、改質ガス集合管部（１７）を経て改質ガス排出口
（１８）から系外へ排出される。ここで、前記環状外管
（３１，３２）内に同心的に形成された４重の環状通路
を外周側から順次第１環状通路、第２環状通路、′ｆＳ
３環状通路、第４環状通路とすると、環状外側反応部（
１３）が第１環状通路。
改質ガス外側導出路（１６）が第２環状通路、改質ガス
内側導出路（１５）が第３環状通路、環状内側反応部（
１４）が第４環状通路となる。この様に本発明は、原料
ガス通路である環状内側反応部（１４）と環状外側反応
部（１３）の間に環状内管（３３，３４）及び環状仕切
板（３５）を設けることによって、改質ガスから原料ガ
スへの向流伝熱を目的とする改質ガス導出路（１５，１
６）を形成したものであり、これにより装置をコンパク
トに維持したままで熱利用効率を向上することができる
。
即ち本発明装置によれば、改質ガス導出路（１５，１６
）を通して流れる改質ガスの保有熱により環状内側反応
部（１４）及び環状外側反応部（１３）に充填された触
媒は内側から加熱されることになり、熱利用効率が向上
する。また改質ガス温度も低下することになるので、配
管用耐火物等を安価なものとすることができ、且つ装置
自体もシンプルな構造にできるので、設備コストの低減
が図れる構成となっている。
一方給熱部（Ｂ）は前記環状外管（３１，３２）によつ
て包囲される空間に形成されており、本装置の中央に位
置するバーナ（４１）は、前記環状外管内周部（３２）
に内接して固設された輻射性耐熱バーナタイル（４２）
を介し、燃焼方向を下向きにして、燃焼ガスの広がりの
角度が一定になる様に保持されている。
バーナ（４１）による燃焼ガスは燃焼室（２１）から前
記環状外管（３１，３２）の下端を迂回する様にして燃
焼ガス導出路（２２）を上昇し、上端で折り返し、燃焼
ガス排出口（２３）から系外へ排出される。
この際環状内側反応部（１４）は環状外管内周部（３２
）を通して主に燃焼室（２１）からの輻射伝熱効果によ
り加熱され、環状外側反応部（１３）は環状外管外周部
（３１）を通じて燃焼ガス導出路（２２）との対流伝熱
効果によって加熱されることとなる。
尚、燃焼室（２１）及び燃焼ガス導出路（２２）の一部
にアルミナポールやラシヒリング等の伝熱材を充填して
熱交換を促進しても良く、また炉壁からの熱損失を少な
くするため、燃焼ガス導出路（２２）に面して設けられ
た断熱材（４４）に添う様に原料ガス通路（１１）を配
設し、気相断熱層を形成すると共に、原料ガスの予熱部
としても良い。
また第２図に示した様に、バーナ（４１）を改質装置下
部中央に上向きで固設すると共に、前記環状外管内周部
（３２）の内側にざらに内筒（３６）を同心状に配設し
、燃焼ガスを一旦上昇させた上で前記環状外管内周部（
３２）に沿って下降させることによって燃焼ガス通路と
原料ガス通路を対向的に形成する様にしても良い。この
様にバーナ（４１）を下部に設け、改質ガス排出口（１
８）を上部中央に設置することにより、改質ガスがスム
ースに流れる様に形成てきると共に構造も簡素化され、
ガスの流れ不良による不具合も可及的に防止することが
できる。
また環状外管内周部（３２）への熱の供給においては、
内筒（３６）を配設することにより、輻射伝熱効果に加
えて対流伝熱効果が得られる。従って熱効率か上昇する
ので、触媒層を短くして装置をコンパクトにすることか
可能となる。
尚上記内筒（３６）には高温のガスが接触するので、改
質反応管と同程度以上の耐熱性材料を用いることが望ま
れる。
第３図（ａ）は、′！Ｊ２図と同様バーナ（４１）を改
質装置下部中央に上向きに固設するタイプのものである
が、触媒の交換や改質管の点検及び交換を容易にするた
め、フランジ構造を採用した例を示す概略断面説明図で
あり、分解手順を以下に示す。
（１）改質ガス出口ノズル（５１）のフランジ部に螺設
されたナツト（６１）及びボルト・ナツト（６２）をは
ずして、改質ガス出口ノズル（５１）を取り外す。
（２）原料ガス導入路に配設されたナツト（６３）と上
部カバーフランジ部のボルト・ナツト（６４）を外して
上部カバー（５２）を取り外す。
（３）ナツト（６５）を外して原料ガス上部カバー（５
３）及び原料ガス側伸縮継手（５４）を上方へ弓き抜く
。
（４）ナツト（６６）を外して改質ガスＮｏ、１上部カ
バー（５５）と改質ガス側伸縮継手（５６）及び改質ガ
ス内管（５７）を取り外す。
（５）ナツト（６７）を外して改質ガスＮＯ１２上部カ
バー（５８）を取り外す。
（６）この段階で環状外側反応部（１３）及び環状内側
反応部（１４）に充填されている触媒を交換することが
可能となる。
（７）さらに改質管の点検や交換を行なう場合には、環
状外管フランジ部（５９）を吊り上げて改質管全体を上
方に抜き出せば良い。
この様に上記装置は分解可能な構造となっているので、
保守作業が極めて容易である。
尚フランジ構造におけるガスの漏洩を想定した場合、可
燃性ガスが可燃性ガスの中へ洩れ込むことは安全上許容
されるが、可燃性ガスが排ガス側へ洩れ込むことは確実
に防止する必要がある。
従って第３図（ａ）に示した装置においては、特にナツ
ト（６３）及びナツト（６５）により固設されたフラン
ジ部で高いシール性が要求される。ナツト（６３）によ
り固設されるフランジ部では温度が比較的低く小口径で
あるので、通常のガスケットシール方７去を用いれば十
分シールできる。またナツト（６５）により固設された
フランジ部では温度がやや高く、大口径なので第３図（
ｂ）　に示す様なシールウェルドガスケット（７１，７
２）を介して原料ガス上部カバー（５３）及び環状外管
フランジ部（５９）を介してシール溶接をすることによ
りガス漏洩を防止することが望ましい。
さらに図示した様なフランジ構造の装置では、各構成要
素の温度差による長手方向の膨縮差が吸収できる様にな
っているので、改質装置の負荷が変動した際に発生する
温度変動にも柔軟に追随することができる。また第３図
（ａ）　　に示す装置ではバーナ（４１）も下方に抜き
出せる構造となっているので、バーナの点検や補修も可
能である。
第４図及び第５図はそれぞれ第１図及び第２図に記載し
た本発明装置における反応管表面温度と反応管内の原料
ガス温度の分布の一例を示すグラフである。
即ち本発明装置の場合、前述の如く環状外側反応部（１
３）における原料ガスと燃焼ガスの熱交換が、向流伝熱
によって行なわれているので、並流伝熱の場合に比べて
環状外側反応部下部■における温度を高くし、燃焼ガス
導出路上部０における温度を下げることができる。この
ように改質反応の初期段階で効率的な反応を起こすこと
により、触媒量の削減と断熱層の薄肉化が実現可能であ
る。
さらに環状内側反応部（１４）においても、上記環状外
側反応部（１３）で一部数質された原料ガス（以下プロ
セスガスという）は燃焼ガスから輻射伝熱及び／または
対流伝熱により給熱されるので、並流伝熱に対比して触
媒部用口■におけるプロセスガス温度を高くすることが
できる。これは特に高圧反応の効率化に有効であり、例
えばメタンの改質反応において未改質メタン濃度の抑制
に効果的である。
第６図は、第１図に示す装置を大型事業用の加圧型２．
ｓ　ＭＷ級としたときの温度分布を示すグラフであり、
改質管表面温度を局部的に上昇させることのない様にバ
ーナの燃焼をコントロールしたときの例である。すなわ
ちバーナを上部に配設した場合、第４図において明らか
な様に改質管上部の近傍で表面温度が９５０℃以上とな
り、運転条件の変化を勘案すると改質管等の材質を耐熱
性の高いものを選定しなければならなくなる。ところが
燃焼をコントロールできるバーナを用いて燃焼を制御す
ることにより、第６図の如く改質管表面温度を９００℃
以下に抑えることができ、′ｆ％１図の様な向流タイプ
の装置においても改質管最高温度を低くできることが分
かる。
［発明の効果コ 本発明は以上の様に構成されているので、改質ｉ置をコ
ンパクト且つシンプルにできることによって、設備費を
削減できる様になったことに加え、燃焼ガス及び改質ガ
スの保有熱を原料ガスに有効に伝熱可能にした結果、原
料ガス中のメタン濃度を抑制できる様になって原料費の
コストダウンが可能となると共に、燃焼排ガス及び改質
ガスの温度を低下させることによってガス配管用耐火物
等に安価なものを使用できる様になり、さらには次工程
に接続される改質ガス用冷却装置も熱交換容量の小さな
ものを選択でき、システム自体のコンパクト化、低コス
ト化も可能となった。
【図面の簡単な説明】
′ｓ１図、第２図、第３図は本発明による改質装置を示
す断面説明図、第４図、第５図及び第６図は改質装置の
各部における温度分布を表わすグラフである。 １１・・・原料ガス入口ノズル １２・・・原料ガス人口部通路 １３・・・環状外側反応部　　　１４・・・環状内側反
応部１５・・・改質ガス内側導出路 １６・・・改質ガス外側導出路 １７・・・改質ガス集合管部　　１８・・・改質ガス排
出口２１・・・燃焼室　　　　　　　２２・・・燃焼ガ
ス導出路２３・・・燃焼ガス排出口　　　３１・・・環
状外管外周部３２・・・環状外管内周部　　　３３・・
・環状内管内周部３４・・・環状内管外周部　　　３５
・・・環状仕切板３６・・・内筒　　　　　　　　４１
・・・バーナ４２・・・耐熱バーナタイル　　４３・・
・断熱材５１・・・改質ガス出口ノズル ５３・・・原料ガス上部カバー ５４・・・原料ガス側伸縮継手 ５６・・・改質ガス側伸縮継手 ５９・・・環状外管フランジ部

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. ４重の環状通路を同心的に配置して外周側から順次第１
    環状通路、第２環状通路、第３環状通路、第４環状通路
    を形成すると共に、第１及び第４環状通路には触媒を充
    填してこれらを原料ガス通路、第２及び第３環状通路を
    改質ガス排出通路とし、これらの４つの環状通路には軸
    方向の一端側において第１環状通路から第４環状通路へ
    、第４環状通路から第３環状通路へ、第３環状通路から
    第２環状通路へ順次連絡する様な連通部を形成し、更に
    第１環状通路の外側と第４環状通路の内側に燃焼ガス通
    路を配置することにより、燃焼ガス通路と原料ガス通路
    、並びに原料ガス通路と改質ガス排出通路に夫々対向流
    を形成する様に構成したことを特徴とする炭化水素の改
    質装置。
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