JP2014005203A - 改質装置および改質方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明の課題は、小規模の改質装置であるが投資コストおよび操作コストの点で大規模改質装置に対し優位性を示す改質装置および改質方法を提供することである。
【解決手段】本発明は、気体状炭化水素-水蒸気改質方法および改質装置（100）に関し、第１燃料／空気混合物流（102）を部分燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される燃料／空気混合物流を加熱し、第２燃料／空気混合物流を燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される空気流を加熱し、気体状炭化水素-水蒸気流を改質して、合成ガス流（110）および燃料ガス流（112）を形成することを特徴とする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、気体状炭化水素の改質装置および改質方法、特に、効率が高くかつメタルダスティングやコーキングを減少させた気体状炭化水素の改質装置および改質方法に関する。
水蒸気改質は、水蒸気と気体状炭化水素の混合物を高温で触媒にさらすことにより、一般に合成ガスとして知られている炭素酸化物と水素の混合物を形成する触媒反応である。合成ガスは、さらに、水素やメタノールやアンモニアや輸送用燃料や潤滑油を含め、多種多様の汎用化学製品や特殊化学製品に変換されている。
水蒸気改質に関与する化学反応は、従来から良く知られている。実際に1930年代以降、水蒸気改質は産業界で採用され、1960年代以降には高圧運転が導入された際に天然ガスの水蒸気改質は水素製造の主要な製造法となっている。
このような改質反応に伴う重大な２つの問題として、メタルダスティングが挙げられ、これは、プロセスの非効率化や装置破壊につながる。メタルダスティングは、炭素気体状雰囲気に関し、温度と圧力と組成の組合せが合金のダストへの腐食劣化を引き起こすような組合せとなった場合に起こる。改質装置システムにおいて、メタルダスティング状態を回避するのが困難であるため、メタルダスティングは、普遍的な脅威である。他方、コーキングは、気体状炭化水素から、流路を閉塞し破壊するような固体状態の炭素材料が形成される場合に起こり、これは、伝熱の悪化や転化率の低下や装置の破壊につながる。
工業用の水蒸気改質装置は、通常管状の構造物であって、改質触媒を充填した数本の長い金属管が採用されている。炭化水素／水蒸気供給混合物は、金属管を通って流動し、触媒に接触し、合成ガスに変換される。改質反応は、吸熱反応であるため、熱を供給して必要な改質温度（一般に800℃を超える温度）を維持する必要がある。従来からの管状改質システムでは、この熱供給は、金属管を燃焼炉内に配置し、通常天然ガスの燃焼によって行い、かかる燃焼炉内では、熱は、対流伝熱と放射伝熱の組み合わせによって金属管に伝達する。
このため、管状改質装置の操作に関する成否は、金属管内の吸熱改質反応と、燃焼炉から金属管への伝熱との間において、かなり精密なバランス維持に依存する。すなわち、管壁を伝う熱流束は、改質反応に要する温度維持に充分なほどに高くする必要がある一方、金属壁を過剰に高い温度（金属の強度低下を伴なう）に上昇させたり金属管内の危険地域において炭化水素のコーキングを引き起こすほどの高温にはすべきでない。したがって、管状改質装置の操作は、厳格な制御に付す必要がある。
また大型の管状改質装置は、技術面と経済面の両面で非常に成功している一方、小型の管状改質装置は、あまり成功していない。とりわけ、小型の管状改質装置に関し、その製造コストや設置コストや維持コストや操作コストは、魅力的ではない。
水素やアンモニアやメタノール等の合成ガス下流製品のごく僅かなユーザしか、これら製品用のオンサイト製造設備を構築することが魅力的であることが解っていない。むしろ、ユーザは、一般に大量生産業者からの製品のシリンダートラック配送に依存している。このような解決法は、輸送燃料のコスト増大のため、より魅力的ではなくなる。また、天然ガスを入手しうる多数のユーザは、輸送コストを避けるだけでなく、天然ガスの供給確保の信頼性の向上を望み、むしろ現場製造設備の構築を望んでいる。加えて、世界の天然ガス供給業者の多数は、天然ガスマーケットにパイプラインで供給できないような遠隔地であって、ごく限られた地域にしか存在しない。いわゆる、このような「足止めされたガス」は、合成ガスから製造しうるメタノールや長鎖炭化水素等の液体に変換しなければ、そのエネルギー成分は、容易には輸送することができない。
以上の理由から、従来からの管状システムを用い、より経済的でより実用的に合成ガスを小規模で製造する必要性が存在し、その必要性は増大しているようである。しかしながら、困難な課題が存在し、小規模システムは、大規模プラントに対しバランスのとれた、妥当な初期コストが必要であり、また操作コストも製造規模に対しバランスのとれたコストでなければならない。低い操作コストには、高いエネルギー効率、天然ガスのコスト最小化、操作の簡略化、常勤のプラント作業員による監視の必要性の最小化または回避が必要である。
改質反応に要する熱量は、熱力学によって規定されるが、プラントにおけるエネルギー使用量の全効率は、熱を、高温の合成ガスおよび高温の燃焼煙道ガス燃料流から回収して低温供給物を改質温度に予熱すると共に必要な水蒸気を発生させる際の効率に依存する。これに関し、高効率の供給物-流出物熱交換器および煙道ガス加熱予備改質装置の使用が助けとなりうる。重要なこととして、大型の改質システムは、過剰な水蒸気のエネルギー量を敷地内の他のプロセスに対し放出しうるため、エネルギー効率の向上確保を主張しうる一方、小型の改質システムは、過剰の水蒸気を利用しうる放出対象はありそうもなく、よってその製造は、エネルギー効率を向上できない。
初期の投資コストおよび操作の簡略化は、両者とも、能動制御の使用を最小化し、これに代えて、可能ならば受動制御技術を採用することによって改善することができる。例えば、単一の流れを適切に分割して、並列に連結した数個の構成要素内を通過させことは、これら構成要素内で相対的な圧力降下を適切に設定すれば、制御バルブを用いずに実施することができる。さらに例えば、熱交換器から排出される流れの温度は、小さい温度ピンチコックを用いて操作しうるように熱交換器を設定すれば、狭い数値範囲内に保持することができる。
小型のシステムに関し、さらに考慮すべきことは、使用者が最大または最大付近のプラント能力で連続操作できないことであり、これは、大型プラントとは対照的である。このため、広範な処理能力の調節を達成すべきであり、また迅速な始動と停止手順を遂行すべく自動化も達成すべきである。
小型の改質装置は、また保守管理の必要性を最小化すべきである。
すなわち、大型のシステムに匹敵する投資コストおよび操作コストを目標として達成し、その結果、制御、監視および保守管理の簡略化と共に高いエネルギー効率達成しうる、小規模な改質方法および小型の改質装置が要望されている。
具体例では、本発明の気体状炭化水素-水蒸気改質方法および／または改質装置は、装置および方法の局部に対しメタルダスティング状態の発生を制限しうるように設計することができる。また具体例では、メタルダスティング状態の発生が制限される、本発明の改質装置または改質方法の局部には燃料予熱器が包含され、この燃料予熱器では燃料／空気混合物を部分燃焼させて、燃料流をメタルダスティング温度よりも低い温度から高い温度に上昇させることができる。また具体例では、メタルダスティング状態の発生が制限される、本発明の改質装置または改質方法の局部には空気予熱器が包含され、この空気予熱器では燃料／空気混合物を燃焼させて、空気流をメタルダスティング温度よりも低い温度から高い温度に上昇させることができる。また一具体例では、メタルダスティング状態の発生が制限される、本発明の改質装置または改質方法の局部には急冷熱交換器付近のパイプ部分が包含され、このパイプ部分では改質プロセスの間に形成した合成ガス流の一部を、メタルダスティング温度よりも高い温度から低い温度に急冷させることができる。また一具体例では、メタルダスティング状態の発生が制限される、本発明の改質装置または改質方法の局部にはプロセスの一部が包含され、このプロセスの一部では、急冷した合成ガスを、急冷されなかった合成ガスの第２部分と混合することができる。
かくして、具体例では、本発明の気体状炭化水素-水蒸気改質方法には、次のような工程が包含される：
（a）１つまたはそれ以上の空気流を予熱して、予熱した空気流を形成し、
（b）少なくとも１つの空気流を少なくとも１つの燃料流の一部と混合し、
（c）燃料／空気混合物の一部中の燃料を部分燃焼させて、１つまたはそれ以上の改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する、加熱した燃料流を形成し、
（d）燃料／空気混合物の一部を、予熱した空気流の少なくとも一部の存在下に燃焼させて、改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する、加熱した空気流を形成し、
（e）１つまたはそれ以上の水流を加熱して水蒸気を形成し、
（f）水蒸気を、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流と混合して、気体状炭化水素-水蒸気流を形成し、
（g）１つまたはそれ以上の予備改質段階において、このような１つまたはそれ以上の予備改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する気体状炭化水素-水蒸気流を加熱および部分改質し、
（h）１つまたはそれ以上の改質装置段階において、このような１つまたはそれ以上の改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する改質装置流（reformer stream）を改質して、合成ガス流および燃料ガス流を形成し、
（i）熱を、燃料ガス流から回収して工程（g）の予備改質段階に供給すると共に、水流の予熱に供給し、
（j）熱を、合成ガス流から回収して工程（a）の空気流を予熱すると共に、工程（e）における水蒸気の形成に供給すること。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、気体状炭化水素の供給速度が１〜10,000標準立法メートル／時（「SCMH」）であるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなる。また具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、水蒸気改質プロセスにわたり、メタルダスティングおよび／またはコーキング状態の発生を最小化、回避または限定するように設計されている。好適には、本発明の改質方法または改質装置は、これら改質方法または改質装置の熱交換器、改質段階および予備改質段階において、メタルダスティング状態を回避するように設計されている。好適には、本発明の改質方法または改質装置は、燃料供給流、予備改質段階、改質段階および／または合ガス流において、コーキング状態を回避するように設計されている。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、炭化水素の転化率が50％を越え、95％未満であるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなる。また具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、エネルギー効率が50％を越えるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなる。また具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、プロセスに要する全ての水蒸気を当該プロセス内で形成して使用し、したがって水蒸気は当該プロセスから流出されないし当該プロセス内に流入しないような、気体状炭化水素を水蒸気改質する方法または装置からなる。
具体例では、本発明の気体状炭化水素の水蒸気改質方法または改質装置は、適切な量の燃料および空気を、プロセスの種々の地点、例えば、予熱器段階、予備改質段階および／または改質段階に対し、熱交換器、予備改質装置段階および／または改質装置段階における圧力降下を平衡させることによって供給して行う受動容量制御からなる。
一般に、気体状炭化水素流の水蒸気改質は、次のような反応を伴うようである。
Figure 2014005203
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 式（1）は、気体状炭化水素がメタンであれば、次のように簡略化される。
Figure 2014005203
改質システムの一具体例の模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した改質システムの一部を別の形態で示す模式図。 図１Ａに示した合成ガス熱回収熱交換器110の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａに示した合成ガス熱回収熱交換器110の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａに示した合成ガス熱回収熱交換器110の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器164の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器164の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器166の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器166の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器166の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図１Ａ、図５および図７に示した熱交換器166の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質システムの別の具体例を示す模式図。 図５に示した合成ガス熱回収熱交換器510の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図５に示した合成ガス熱回収熱交換器510の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 図５に示した合成ガス熱回収熱交換器510の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質システムの別の具体例を示す模式図。 改質装置および予備改質装置を含め、図１Ａ、図５および図７に示した改質装置モジュール150の一具体例を示す模式図。 予備改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置のセルを形成するのに使用しうるプレートの模式図。 予備改質装置（図１３Ａ）および改質装置（図１３Ｂ）を形成する積層体プレートの底面図。 予備改質装置（図１３Ａ）および改質装置（図１３Ｂ）を形成する積層体プレートの底面図。 一具体例における改質装置空気流および改質装置流についての温度分布を所望の分布傾向で示すグラフ。 改質システムにおける空気流と燃料流の流れ抵抗ネットワークの一具体例を示す模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 改質装置の一具体例を形成するのに使用しうるプレートの模式図。 壁面伝熱を考慮せずに、改質装置のクロスフロー熱交換器についての合成ガス温度分布のシミュレーションを示す模式図。 壁面伝熱を考慮せずに、改質装置のクロスフロー熱交換器についての合成ガス温度分布のシミュレーションを示す模式図。 改質装置システムの一具体例におけるプロセス流れについての高温および低温-エンタルピー複合曲線を示すグラフ。 改質装置システム100の一具体例の一部の形態を示す正面斜視図。 図２０に示した改質装置システムの一具体例の一部の形態を示す背面斜視図。
定義
メタルダスティング状態：
構造材料および合金の粉末への腐食劣化（corrosive degradation）につながるような炭素質気体状環境内における温度と組成の組合せ。一般に、メタルダスティングは、気相炭素活量（ａＣ）が１を越えた場合に400〜800℃の中間温度域で発生する。メタルダスティングは、所定の流れについて温度と組成の組合せの結果であるため、これらの変数のいずれかを適切に設定すれば、メタルダスティング状態を回避または低下させることができる。したがって、所定の組成については、メタルダスティングの上限が800℃未満、例えば700℃または750℃であって、下限は400℃を越える温度、例えば420℃または450℃である。すなわち、経験則として400〜800℃が認識されているが、メタルダスティング状態には組成と温度の組合せが包含される例外があると、理解すべきである。したがって、本明細書において「メタルダスティングを回避または減少させる」等の用語を用いた場合、メタルダスティング状態につながりうる変数の組合せを温度または組成のいずれかまたは両者を適切に設定することで回避または減少させることを意図するものである。
いずれの理論に制限されることを意図するものではないが、メタルダスティングは、その大半が次のような反応の結果として起こるようである。
Figure 2014005203
Figure 2014005203
したがって、メタルダスティング状態は、気流の温度および／または組成を適切に設定することで回避または減少して、これらの反応状況および活量ａＣ＞1の状態を回避することができる。別の態様として、本発明の改質方法および／または改質装置は、メタルダスティング状態の発生をプロセスおよび／または装置の局部に限定して、修復の必要性、修復の煩わしさ、修復コスト、耐メタルダスティング性を示す高価な合金および被覆材料の必要性などを最小化することができる。
耐メタルダスティング性：
耐メタルダスティング性材料は、メタルダスティング状態にさらした場合に腐食劣化に抵抗する材料である。相対的なプロセス状態、例えば温度および圧力に対し耐メタルダスティング性などが適したいずれの材料も使用することができる。具体例では、耐メタルダスティング性材料として、合金617（登録商標）、アルミナイド被覆合金617（登録商標）またはアルミナイド被覆合金800H（登録商標）が挙げられる。アルミナイド被覆は、アルミナイドを材料面に析出させ、合金内に高温で拡散させ、次いで酸化することによって形成することができる。
触媒：
一般に、触媒なる用語を改質床（または改質室）または燃焼床（または燃焼室）に関して本明細書で用いた場合、非貴金属または貴金属触媒またはその混合物およびそれら組合せ（これらは、構造触媒または非構造触媒および担持触媒または非担持触媒であってもよい。）のようないずれの適切な触媒をも意図するものである。好適な非構造触媒には、所望の改質反応または燃焼の達成に最適な粒径を有する一方、当該流れ内で所望の圧力降下を維持しうる多孔質粒状触媒が包含される。好適な構造触媒は、金網、金属箔支持体またはセラミックマトリックス上に被覆することができる。具体例では、触媒は、金、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウムまたはレニウムまたは任意の１つまたはそれ以上の組合せから選ばれる金属を含む金属触媒とすることができる。具体例では、触媒は、鉄合金（鉄-クロム-アルミニウム）金属箔マトリックス上に被覆したアルミナ洗浄コート支持体に担持された、白金／パラジウム触媒とすることができる。
別の態様として、水性ガスシフト反応器触媒に関して触媒なる用語を用いる場合、非貴金属または貴金属触媒またはその混合物およびそれら組合せ（これらは、構造触媒または非構造触媒および担持触媒または非担持触媒であってもよい。）のようないずれの適切な触媒をも意図するものである。好適な非構造触媒には、所望の水性ガスシフト反応または燃焼の達成に最適な粒径を有する一方、当該流れ内で所望の圧力降下を維持しうる多孔質粒状触媒が包含される。好適な構造触媒は、金網、金属箔支持体またはセラミックマトリックス上に被覆することができる。
図面の詳説
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、気体状炭化水素の供給速度が１〜10,000標準立法メートル／時（「SCMH」）、例えば２〜5000SCMH、例えば１〜10、10〜100、100〜1000、1000〜10,000、10〜4000、15〜3000、20〜2000、30〜1000、40〜500、50〜250または60〜100SCMHであるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなる。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、炭化水素の転化率が50％または50％を越え、例えば50〜95％、例えば55〜90％、60〜85％、65〜80％、70〜75％であるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなる。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、エネルギー効率が50〜90％、例えば55〜85％、60〜80％または65〜75％であるような、気体状炭化水素を水蒸気改質して合成ガスを製造する方法または装置からなり、エネルギー効率は、以下の式に従い算出される。
Figure 2014005203
 ここで、
LHVS＝合成ガス生成物の燃焼によって発生する１モル（または１ kg）当たりの熱量（水の潜熱は除く）。
MS＝合成ガス生成物のモル（または質量）流速。
LVHf＝燃料の燃焼によって発生する１モル（または１ kg）当たりの熱量（水の潜熱は除く）。
Mf＝燃料のモル（または質量）流速。
LHVng＝天然ガスの燃焼によって発生する１モル（または１ kg）当たりの熱量（水の潜熱は除く）。
Mng＝天然ガスのモル（または質量）流速。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、プロセスに要する全ての水蒸気を当該プロセス内で形成して使用し、したがって水蒸気は当該プロセスから流出されないし当該プロセス内に流入しないような、前記したエネルギー効率を有する気体状炭化水素を水蒸気改質する方法または装置からなる。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、プロセス全体にわたり、メタルダスティングおよび／またはコーキング状態の発生を最小化、回避または制限しうるように設計される。好適には、本発明の改質方法または改質装置は、当該方法または当該装置の熱交換器、予備改質段階および／または改質段階において、メタルダスティング状態を回避するように設計される。好適には、本発明の改質方法または改質装置は、気体状炭化水素供給流、燃料供給流、予備改質段階、改質段階および／または合成ガス流において、コーキング状態を回避するように設計される。具体例では、本発明の改質方法および／または改質装置は、当該方法または当該装置の特定の地点または特定の構成要素に対しメタルダスティング状態を制限するように設計され、例えば、当該方法または当該装置の特定の地点または特定の構成要素は、耐メタルダスティング性材料またはメタルダスティング保護材料から設計または構築することができ、そして／または容易および／または低コストの修復および／または交換しうるように設計することができる。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、適切な量の燃料および空気を、プロセスの種々の地点、例えば、改質システムの予熱器段階および燃焼段階に対し、熱交換器、予備改質装置段階および／または改質装置段階における圧力降下の平衡によって配送して行う受動流れ制御からなる。
具体例では、本発明の気体状炭化水素-水蒸気改質方法は、
第１燃料／空気混合物流中の燃料を部分燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される第１燃料／空気混合物流を加熱すること、
第２燃料／空気混合物流を燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される空気流を加熱すること、および
気体状炭化水素-水蒸気流を改質して、合成ガス流および煙道ガス燃料流を形成すること
からなる。
部分燃焼は、第１燃料／空気混合物流中少なくとも一部を接触酸化して加熱した燃料流を形成することからなることができる。部分燃焼は、第１燃料／空気混合物流の全てまたは実質的に全てを使用することができる。部分燃焼ののち、加熱した燃料流は、付加的な燃焼のため１つまたはそれ以上の段階に供給して、１つまたはそれ以上の空気流を加熱または再加熱することができる。第２燃料／空気混合物流は、この第２燃料／空気混合物流中の全てまたは実質的に全ての燃料を接触酸化して、加熱した空気流を形成することができる。加熱した空気流は、１つまたはそれ以上の改質装置段階に供給して、改質される気体状炭化水素-水蒸気流に熱を供給することができる。得られる冷却した空気流は、次いで、冷却した空気流の存在下に加熱した燃料流の一部を燃焼させて、加熱または再加熱することができる。
具体例では、改質には、改質装置流の改質に先立ち、気体状炭化水素-水蒸気流を予備改質して改質装置流を形成することが包含される。また具体例では、改質には、改質装置流の改質に先立ち、多数の予備改質段階における気体状炭化水素-水蒸気流を加熱および予備改質して改質装置流を形成することが包含される。また具体例では、予備改質には、気体状炭化水素-水蒸気流の一部を部分改質することが包含される。また具体例では、部分改質には、多数の予備改質段階が包含され、各段階は、（a）気体状炭化水素-水蒸気流を加熱し、次いで（b）気体状炭化水素-水蒸気流を部分接触改質することを含む。加熱には、改質プロセスの燃料ガス流から熱を回収することが包含される。予備改質段階の段階数は、１〜10、例えば２〜７または３〜５である。また具体例では、予備改質は、多数の段階で行って、予備改質および改質の間のコーキング状態を回避または減少させる助けとなる。具体例では、コーキング状態は、気体状炭化水素-水蒸気流の組成および／または温度を変化させることによって、予備改質の間に回避または減少させることができる。具体例では、予備改質は、プリント回路反応器（PCR）によって行う。
改質装置流は、１つまたはそれ以上の段階の接触改質において改質される。具体例では、改質は、PCRによって行う。また具体例では、改質は、１〜40の段階、例えば２〜35の段階、３〜30の段階、５〜25の段階、８〜20の段階または10〜15の段階の接触改質からなる。また具体例では、気体状炭化水素-水蒸気流の改質には次のような少なくとも３つの段階を含む。
（i）改質装置流を、熱交換器内の加熱した空気流からの熱回収によって加熱して、加熱した改質装置流および冷却した空気流を形成する段階、
（ii）加熱した改質装置流の少なくとも一部を改質する段階、および
（iii）部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部を、冷却した空気流の存在下に燃焼させて、冷却した空気流を再加熱する段階。
具体例では、改質装置流の加熱には、加熱した空気流から熱交換器によって熱を回収することが包含され、そのような加熱した空気流として、例えば、第２燃料／空気混合物流の燃焼によって形成される加熱した空気流または、冷却した空気流の再加熱のため、部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部を冷却した空気流の存在下に燃焼によって形成される加熱した空気流が挙げられる。具体例では、熱交換器は、並流、クロスフローまたは向流熱交換器からなることができる。好適には、熱交換器は、クロスフロー熱交換器からなる。また具体例では、熱交換器は、プリント回路熱交換器からなる。好適には、加熱した空気流の熱交換器通過の圧力降下は、0.1 bar未満、例えば、0.09 bar未満、0.07 bar未満、0.06 bar未満または0.05 bar未満である。また具体例では、改質装置流の熱交換器通過の圧力降下は、0.5 bar未満、例えば、0.4 bar未満、0.30 bar未満、0.2 bar未満または0.1 bar未満である。
加熱した改質装置流の少なくとも一部の改質には、加熱した改質装置流の一部を合成ガスに接触改質することが包含される。改質は、改質装置の改質装置流においてコーキング状態を減少または回避しながら、一連の接触改質段階を経て炭化水素の転化を最大にするように行うことができる。好適には、気体状炭化水素-水蒸気流の転化は、式（1）に示されるように行われる。加えて、水素の付加的な生産は、次のような水性ガスシフト反応を介して行われる。
Figure 2014005203
 この反応は、改質および予備改質の間に平衡状態に接近する。
具体例では、部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部を、冷却した空気流の存在下に燃焼させて、冷却した空気流を再加熱することには、部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部を、冷却した空気流の存在下に接触燃焼させることが包含される。具体例では、部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部は、改質装置段階の一部または全ての燃焼室の接触燃焼に分流する。具体例では、改質装置段階に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部は、各改質装置段階について同じ量の部分燃焼した燃料／空気混合物流が供給される。
他の具体例では、改質装置段階に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部は、供給される段階に依存する。具体例では、第２または次の改質装置段階の１つまたはそれ以上の燃焼工程に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の量は、１つまたはそれ以上の先行する段階に供給される量よりも少ない。具体例では、例えば、供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の量は、各改質段階について連続的に減少させてもよいし、また他の具体例では、１つまたはそれ以上の後段の改質には、部分燃焼した燃料／空気混合物流をそこに何ら供給しないこともできる。好適には、改質装置段階に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の量は、各連続段階について減少させ、１つまたはそれ以上の段階についてはゼロとすることができる。
各改質段階に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部は、能動または受動制御を用いて制御することができる。好適には、各改質段階に供給される部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部は、受動流れ制御を用いて制御することができる。このような受動流れ制御は、燃料流、空気流、燃料／空気混合物流および／または改質装置および改質プロセスの熱交換構成要素を通過するその構成要素流について、圧力降下を計測することによって達成することができる。
最後の改質段階の完了後、２つの流れは、改質装置から放出され、これらの流れから熱を回収することができる。第１の流れは合成ガス流であり、これは、改質した気体状炭化水素-水蒸気流である。第２の流れは燃料ガス流であり、これは、最後の改質装置段階から最後の熱交換器を経て放出される。これらの各流れは比較的高温である。
具体例では、本発明の改質方法または改質装置は、本明細書に開示のエネルギー効率を、改質装置段階から放出された燃料ガス流および／または合成ガス流から熱を回収することによって、一部達成することができる。また具体例では、熱は、合成ガス流から回収して１つまたはそれ以上の反応物供給流に供給し、反応物供給流として、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流、１つまたはそれ以上の燃料流、１つまたはそれ以上の空気流および１つまたはそれ以上の熱交換器流が例示される。また具体例では、熱は、１つまたはそれ以上の熱交換器において燃料ガス流から回収して、１つまたはそれ以上の予備改質装置段階において気体状炭化水素-水蒸気流を加熱する。また具体例では、熱は、燃料ガス流から、気体状炭化水素-水蒸気流および１つまたはそれ以上の水流の両者によって回収する。熱を燃料ガス流から、気体状炭化水素-水蒸気流および１つまたはそれ以上の水流の両者によって回収する具体例では、燃料ガス流は、水流との熱交換に先立ち、少なくとも１つの燃料流の一部を燃料ガス流の存在下に燃焼させて加熱する。また具体例では、水流は、燃料ガス流および合成ガス流の両者から熱を回収する。また具体例では、熱は、合成ガス流の少なくとも一部から、急冷熱交換器の合成ガス流の少なくとも一部の急冷によって回収する。
具体例では、本発明の気体状炭化水素-水蒸気改質方法は、
（a）１つまたはそれ以上の空気流を予熱して、１つまたはそれ以上の予熱した空気流を形成し、
（b）少なくとも１つの空気流を少なくとも１つの燃料流の一部と混合して、メタルダスティング状態よりも低い温度を有する燃料／空気混合物を形成し、
（c）燃料／空気混合物の一部中の燃料を部分燃焼させて、１つまたはそれ以上の改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する加熱した燃料流を形成し、
（d）燃料／空気混合物の一部を、予熱した空気流の少なくとも一部の存在下に燃焼させて、１つまたはそれ以上の改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する、加熱した空気流を形成し、
（e）１つまたはそれ以上の水流を加熱して水蒸気を形成し、
（f）水蒸気を、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流と混合して、気体状炭化水素-水蒸気流を形成し、
（g）１つまたはそれ以上の予備改質段階において、このような１つまたはそれ以上の予備改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する気体状炭化水素-水蒸気流を加熱および部分改質して、改質装置流を形成し、
（h）１つまたはそれ以上の改質装置段階において、このような１つまたはそれ以上の改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する改質装置流を改質して、合成ガス流および燃料ガス流を形成し、
（i）熱を、燃料ガス流から回収して工程（g）の予備改質段階に供給すると共に、水流の予熱に供給し、
（j）熱を、合成ガス流から回収して工程（a）の空気流を予熱すると共に、工程（e）における水蒸気の形成に供給することからなる。
具体例では、空気流は、熱交換器の合成ガス流から熱を回収して予熱される。この方法によれば、合成ガス流中に残存する熱の少なくとも一部を回収でき、これによりプロセスのエネルギー効率を改善することができる。空気流は、プロセス空気流や吹込空気流のような任意の空気流であってよく、またろ過処理または非ろ過処理、精製処理または非精製処理、加湿処理または除湿処理のように調節されまたは調節されていないものであってもよい。
好適には、空気流は、送風機または他の吹込み空気源から供給される強制空気流とすることができる。一般に、空気は、増加した送風機エネルギー条件のためプロセスの非効率化を引起すような過剰な圧力ではないが、プロセスの条件に充分な圧力で供給することが好適である。したがって、本発明の改質方法および改質装置は、プロセスに要する空気圧を最小化するように好適に設計されており、これは、熱交換器、バルブ、予備改質装置段階および改質装置段階のようなプロセス構成要素を通過する大きな圧力降下を回避することによって達成することができる。
少なくとも１つの空気流を、少なくとも１つの燃料流の一部と合してメタルダスティング状態よりも低い温度を示す燃料／空気混合物流を形成する具体例には、空気流と燃料流との混合が包含される。具体例では、少なくとも１つの空気流は、前記したような予熱前後の空気流の一部である。また具体例では、少なくとも１つの空気流は、前記したような、予熱前の空気流の一部である。この方法によれば、単一の空気流を装置またはプロセスに供給し、これを、予熱の前後に２つまたはそれ以上の空気流に分流することができる。１つまたはそれ以上の空気流は、同じまたは異なる熱交換器において、合成ガス流からの熱回収によって予熱することができる。
具体例では、燃料流は、合成ガスからの熱回収によって予熱することができる。また具体例では、少なくとも１つの空気流に合される燃料流の一部は、前記した１つまたはそれ以上の空気流を予熱したものと同じ熱交換器で予熱する。燃料流は、水蒸気改質プロセス用の任意の適切な燃焼済み燃料供給流の一部、例えば、加圧スイング吸着プロセス（PSA）、メタノール製造プロセスまたはアンモニア製造プロセスからのオフガス流または排ガス流の一部とすることができ、また燃焼済み燃料供給流は、オフガスまたは排ガスと、単数または複数の気体状炭化水素-水蒸気流（例えば、天然ガス流、メタン流、プロパン流、気体状炭化水素混合物、精製または他のオフガスまたは排ガスおよびそれらの混合物または組合せ）との混合物とすることができる。予熱の状態は、好適には燃料流および熱交換器においてメタルダスティング状態およびコーキング状態を減少または回避するよう維持される。
少なくとも１つの空気流および燃料流の一部は、任意の方法で混合でき、例えば、Ｙ字コネクタまたはＴ字コネクタを用いて複数の流れを一緒に混合して単一の流れを形成するか、または一方の流れを他の流れに添加混合して混合することができる。また具体例では、少なくとも１つの空気流および燃料流の一部は、熱交換器において、これら２つの熱交換器流を合するか、または複数の流れを同じ熱交換器の出口に供給することによって混合することができる。好適には、得られた燃料／空気混合物流は、燃料が豊富であって、当該流れの空気量が限られているため、不完全燃焼しかできない。
具体例では、燃料／空気混合物流は、その形成後、Ｙ字またはＴ字連結のような任意の適切な分流メカニズムを用い、２つまたはそれ以上の流れに分流することができる。少なくとも１つの分流・燃料／空気混合物流の一部は、部分燃焼、例えば接触燃焼させて、加熱した燃料流を形成でき、この燃料流は、メタルダスティング状態よりも高い温度を示すことができる。好適には、燃焼は、混合物中の限られた空気量のため、部分燃焼である。また具体例では、加熱した燃料流は、実質的に燃焼可能な空気を含まずに、燃料と燃焼副産物を含むことができる。また具体例では、燃料／空気混合物流は、その燃焼の間、メタルダスティング状態および／またはコーキング状態を被る。このような場合、燃焼室を含め、燃焼に関与する流れにおける構成要素は、耐メタルダスティング性の材料（例えば、耐メタルダスティング性被膜を被覆した単一または複数の合金）から構成されるか、および／または修復および／または撤去および交換が容易なように設計される。好適には、加熱した燃料流の温度および組成は、燃料後、付加的な変性なく改質装置段階への使用に適しており、また加熱した燃料流が改質装置段階においてメタルダスティング状態またはコーキング状態を被らないような温度および組成である。
燃料／空気混合物流の第２部分は、予熱した空気流の存在下に燃焼、例えば接触燃焼させて、改質装置段階用の加熱した空気流を形成することができる。また具体例では、加熱した空気流は、メタルダスティング状態よりも高い温度を示すことができる。好適には、燃料／空気混合物流の燃料は、完全にまたは実質的に燃焼して、予熱した空気流に対し付加的な熱を供給する。
具体例では、１つまたはそれ以上の水流の加熱による水蒸気形成には、煙道ガス燃料流および／または合成ガス流からの熱回収が包含される。具体例では、合成ガス流からの熱回収には、合成ガス流の改質装置段階からの放出直後と、合成ガス流の当該プロセスからの放出直前のような、気体状炭化水素-水蒸気改質プロセスにおいて、２つの異なる地点の合成ガス流からの熱回収が包含される。
具体例では、１つまたはそれ以上の水流は、煙道ガス燃料流が改質段階および予備改質段階から放出された後、煙道ガス燃料流が改質プロセスから放出される直前に、熱交換器の煙道ガス燃料流から熱を回収する。また具体例では、煙道ガス燃料流は、燃料流および／または気体状炭化水素流の一部と合し、次いで好適には、燃料流および／または気体状炭化水素流の一部を煙道ガス燃料流の存在下に、熱交換器内への流入直前であって煙道ガス燃料流の改質段階および予備改質段階からの放出後に、燃焼、例えば接触燃焼させて予熱することができる。改質を高温改質プロセスで行うような他の具体例では、この燃焼工程は、省略し使用しなくともよい。
具体例では、水流は、合成ガス流の一部から、合成ガス流の改質装置段階からの放出直後に、熱回収し、この熱回収は、急冷熱交換器において、流入合成ガス流が、水中に浸漬させた熱交換器の水流と熱交換することによって水蒸気を発生させることによって行う。このような具体例では、熱交換器が水中に浸漬されているため、メタルダスティング状態は、水の沸騰と共に、水の沸点をメタルダスティング温度に上昇させるには不充分な圧力のため、金属温度が比較的一定に保持される結果、回避される。熱交換器は、メタルダスティング状態を受けないため、合成ガス流は、急冷熱交換器への流入直前であってもよい。したがって、熱交換器の入口の少なくとも５パイプ直径内の合成ガスパイプ部分は、好適には、耐メタルダスティング性材料（例えば、耐メタルダスティング性被膜を被覆した単一または複数の合金）から構成されるか、および／または修復および／または撤去および交換が容易なように設計される。具体例では、気体状炭化水素-水蒸気改質プロセスにおいて形成および使用される水蒸気は、その全部または大半が急冷熱交換器において形成される。また具体例では、合成ガス流は、分流して第１合成ガス流および第２合成ガス流を形成し、これら第１および第２合成ガス流の１つから熱回収する。
具体例では、水流は、合成ガス流の気体状炭化水素-水蒸気改質プロセスからの放出直前に、かかる合成ガス流から熱回収する。また具体例では、この熱回収は、前記した空気流および燃料流についての熱回収と同じ熱交換器で実施される。他の具体例では、別々の熱交換器を用い、合成ガス流の気体状炭化水素-水蒸気改質プロセスからの放出直前に、熱回収して水流に熱を供給する。
具体例では、１つまたはそれ以上の水流の加熱による水蒸気の形成後、水蒸気は、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素-水蒸気流と混合して気体状炭化水素-水蒸気流を形成する。この混合は、Ｙ字またはＴ字コネクタを用い、水蒸気流と気体状炭化水素流とを混合して単一の流れを形成することによって達成される。また具体例では、気体状炭化水素-水蒸気流は、予熱、例えば、前記した空気流および燃料流についての熱回収と同じまたは異なる熱交換器によって合成ガス流からの熱回収によって予熱する。気体状炭化水素流は、水蒸気改質に適した気体状炭化水素流、例えば、天然ガス、メタン流、プロパン、気体状炭化水素の混合物、精製または他の煙道ガスおよびそれらの混合物または組合せとすることができる。また具体例では、気体状炭化水素-水蒸気流中、水蒸気：気体状炭化水素の比率は、水蒸気：炭素の比率によって示すことができる。また具体例では、改質装置流中、水蒸気：炭素の比率は、１：１〜12：１、例えば、２：１〜10：１、３：１〜８：１または４：１〜６：１である。
具体例では、気体状炭化水素-水蒸気流は、１つまたはそれ以上の予備改質段階において予備改質される。また具体例では、１つまたはそれ以上の予備改質段階には、気体状炭化水素-水蒸気流の加熱および部分改質による改質流の形成が包含される。このような具体例では、部分改質は、燃料ガス流からの熱回収による気体状炭化水素-水蒸気流の１つまたはそれ以上の加熱段階と、その後の気体状炭化水素-水蒸気流の部分接触改質からなる。また具体例では、予備改質は、少なくとも２段、例えば、２〜10段階、３〜10段階、４〜８段階、５〜７段階、２つまたはそれ以上の段階、３つまたはそれ以上の段階、４つまたはそれ以上の段階または５つまたはそれ以上の段階行う。また具体例では、コーキング状態は、予備改質段階において、そのような状態を回避するような加熱および部分改質による、気体状炭化水素-水蒸気流の温度調整および／または気体状炭化水素-水蒸気流の組成調整によって回避される。加えて、具体例では、予備改質段階は、改質装置流を、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避する第１改質段階に提供する。
１つまたはそれ以上の改質装置段階において改質装置流を改質して合成ガス流を形成することは、各段階に供給される加熱した燃料流の制御を含め、本明細書に記載したように達成することができる。例えば、具体例では、改質は、１つまたはそれ以上の段階において達成でき、各段階は、（i）改質装置流を、加熱した空気流から熱を回収することによって加熱して、加熱した改質装置流と冷却した空気流を形成する段階、（ii）加熱した改質装置流の少なくとも一部を改質する段階、および（iii）加熱した燃料流の一部を、冷却した空気流の存在下に燃焼させて、次の段階用の加熱した空気流を形成する段階からなる。好適には、改質装置流は、コーキング状態およびメタルダスティング状態を、改質装置段階にわたり回避しうるように組合せた温度と組成を有する。
具体例では、本発明の気体状炭化水素の水蒸気改質装置は、次のような構成要素からなる。
（a）第１燃料／空気混合物流中の燃料を部分燃焼させて、改質装置モジュールによって燃焼される加熱した燃料流を形成する、燃料予熱器
（b）燃料／空気の第２流れの一部を空気流の存在下に燃焼させて、改質装置モジュールに対し熱を供給する加熱した空気流を形成する、空気予熱器、および
（c）改質装置流から合成ガス流を形成する、改質装置モジュール
燃料予熱器および空気予熱器は、任意の適した接触燃焼室を備え、また独立した接触反応器を備え、また構造触媒または非構造触媒を充填したパイプ変性セクションを備える。一般に、接触燃焼には、所定の流れ中の可燃性成分を接触酸化すると、高い発熱酸化反応の結果として熱を形成することが包含される。燃焼反応は、任意の適した触媒を用いて接触燃焼させことができ、および／または反応開始時用に着火源または火炎源を用いて非接触燃焼させることもできる。
具体例では、改質装置モジュールは、１またはそれ以上の予備改質装置段階、例えば２またはそれ以上の予備改質装置段階、３またはそれ以上の予備改質装置段階、４またはそれ以上の予備改質装置段階、５またはそれ以上の予備改質装置段階、６またはそれ以上の予備改質装置段階、７またはそれ以上の予備改質装置段階、８またはそれ以上の予備改質装置段階、９またはそれ以上の予備改質装置段階、10またはそれ以上の予備改質装置段階を含むことができる。また具体例では、改質装置モジュールは、２〜１０、３〜８または４〜７の予備改質装置段階を含むことができる。予備改質装置段階ののち、改質装置モジュールは、１〜40の改質装置段階、例えば２〜35の段階、３〜30の段階、５〜25の段階、８〜20の段階、10〜15の段階を含むことができる。各予備改質装置段階は、少なくとも１つの熱交換器および少なくとも１つの予備改質床を備えることができる。任意の適した熱交換器および接触予備改質床を使用することができる。
具体例では、１つまたはそれ以上の予備改質装置段階は、PCRを備えることができる。PCRは、当該分野で既知のプリント回路熱交換器（PCHE）と類似の形態を有することができ、気体状炭化水素-水蒸気流の流路内に間隔をあけて配置した触媒室または触媒床を備え、当該流れは、一連の予備改質段階において、熱交換器または熱交換部分により交互に加熱し、次いで触媒室または触媒床によって接触部分改質する。これに関し、PCRは、一連のプレートを備えることができ、このプレートは、気体状炭化水素-水蒸気流用および燃料ガス流用の１つまたは多数の流路を、熱交換のため相互に近接した状態で有している。各流れ用の流路は、別々のプレート上にエッチング処理または他の方法で形成されており、このプレートを、積層し、拡散連結法等で連結して当該流路が相互に緊密に位置して流路壁を介して熱交換しうるような熱交換器の形態を形成することができる。積層には、エンドプレートの積層、プレートの連結および所望の熱交換器に応じた特殊形態の気体状炭化水素プレートおよび燃料ガスプレートの積層および連結が包含される。各プレート上の流路は、流れ相互間において単一パスまたはマルチパスの伝熱が得られるような形態とでき、PCRとして形成した場合、並流、クロスフローまたは向流で操作しうる形態とすることができる。具体例では、一方の流れのプレートは、マルチパスの伝熱が得られるような形態とし、他方の流れのプレートは単一パスの伝熱が得られるような形態としてもよい。
気体状炭化水素-水蒸気用および燃料ガス用の各プレートは、多数の予備改質触媒室または予備改質触媒床の貫通部（penetration）、すなわち、プレートを熱交換器形態に積層し連結した際に、当該プレートが多数の熱交換領域（ここでは熱を煙道ガス燃料流路から気体状炭化水素-水蒸気流・流路内に交換移動させる）および多数の改質領域（ここでは、加熱した気体状炭化水素-水蒸気流を部分接触改質する）を形成しうるような貫通部を含むことができる。改質領域は、プレートを積層して触媒を担持または非担持状態で配置しうる触媒室を形成する際に、予備改質触媒室または触媒床の貫通部を配列することによって形成することができる。
これに関し、具体例では、PCRは次のように操作することができる。気体状炭化水素-水蒸気流を、PCRの気体状炭化水素-水蒸気流・プレート流路内に流入させ、ここで、高温流れによって加熱することができ、この高温流れは、煙道ガスプレートの流路内を流動する改質装置段階からの煙道ガス燃料流とすることができる。加熱後、気体状炭化水素-水蒸気流・プレート流路は、気体状炭化水素-水蒸気流を、触媒を含む予備改質室または改質床に誘導し、ここで、気体状炭化水素-水蒸気流を部分接触改質することができる。部分改質ののち、気体状炭化水素-水蒸気流は、プレートに沿ってプレート流路内を更に進行し、ここで、この流れは、煙道ガスプレートの煙道ガスプレート流路内を流動する煙道ガスによって再加熱することができる。このようにして、部分改質には、エンドプレート、境界プレートまたは１つまたはそれ以上の煙道ガスプレートおよび気体状炭化水素-水蒸気流プレートからなる、単一の構造体において、加熱と部分改質との、多数の相互反応が包含される。
予備改質装置段階の後、改質装置モジュールは、１〜40の改質装置段階、例えば２〜35、３〜30、５〜25、８〜20、10〜15の段階の接触改質からなることができる。改質装置モジュールは、予備改質装置段階から放出された改質装置流を合成ガスに変換するのに適した形態を有することができる。このような改質には、加熱した空気流のような高温の流れから熱回収することによって改質装置流を加熱する、１つまたはそれ以上の熱交換器が包含される。高温の流れは、１つまたはそれ以上の接触改質床において改質を促進するのに充分な熱量を改質装置流に提供することができる。改質床は、改質装置流を吸熱反応で接触改質して、改質装置流を冷却することができる。改質装置流は、次いで加熱した空気流のような高温流れからの熱回収によって再加熱でき、また１つまたはそれ以上の付加的な改質床に誘導することができる。このようにして、これらの工程を改質装置段階にわたり反復することができる。
具体例では、本発明の改質装置モジュールは、多数の段階からなり、各段階には次のような構成要素が包含される：（i）加熱した空気流から熱を回収して改質装置流を加熱すると共に冷却した空気流を形成する、熱交換器と、（ii）加熱した改質装置流を改質する改質床と、（iii）加熱した燃料流を燃焼させて冷却した空気流を再加熱する燃焼室。
具体例では、本発明の改質装置は、燃料分配制御ネットワークを備え、これは、改質装置段階において各燃焼室に供給される加熱した燃料流の供給量を能動制御するような形態を有することができる。この形態は、当該装置および各熱交換器および当該装置の改質装置構成要素を、当該装置の全体にわたり空気および燃料流の圧力降下を平衡させて、適切な量の空気および燃料を改質装置段階の各燃焼室に供給しうるように設計することによって達成することができる。また具体例では、燃料分配制御ネットワークは、所定量の加熱した燃料流を、第２または次の改質装置段階の１つまたはそれ以上の燃焼室に供給し、ここには、１つまたはそれ以上の先行段階に供給される加熱した燃料流の供給量よりも少なくするような形態とすることができる。また具体例では、燃料分配制御ネットワークは、所定量の加熱した燃料流を、第２または次の改質装置段階の燃焼室の各々に供給し、ここには、１つまたはそれ以上の先行段階に供給される加熱した燃料流の供給量よりも少なくするような形態とすることができる。
予備改質段階と同様に、具体例では、改質装置段階は、PCRを備えることができる。また具体例では、改質装置段階を構成するPCRは、エンドプレート、境界プレート、空気流プレート、燃料流プレートおよび改質装置流プレートを備えることができる。これらの各能動的プレートは、所定の供給流（空気流、燃料流または改質装置流）、多数の接触燃焼室貫通部および多数の接触改質床貫通部を備えることができる。積層し拡散連結法等により連結して組合せれば、各プレートの多数の接触燃焼室貫通部および多数の接触改質床貫通部は、他のプレートの対応する貫通部と共に、積層状態で配列して、多数の接触燃焼室および多数の接触改質床を形成することができる。
具体例では、プリント回路反応器は次のように操作することができる。まず加熱した空気流を空気流用流路内に流入させ、改質装置プレート用流路内を流動する改質装置流と熱交換して、改質装置流を加熱すると共に空気流を冷却する。次いで、改質装置流を接触改質床に導入し、ここで、改質装置流を吸熱反応で接触改質して冷却すると共に当該流れの一部を合成ガスに変換する。次いで、再加熱した空気流を、冷却した改質装置流と熱交換し、このプロセスを多数の段階を経て反復することができる。また具体例では、加熱した燃料流は、加熱した燃料流の一部を並流で各燃焼室に供給する。また具体例では、各燃焼室には、同じ量の燃料を加熱した空気流から供給する。好適には、第１燃焼室の供給後、各燃焼室への加熱した燃料流の供給量は、先行燃焼室よりも少なくする。好適には、加熱した燃料流の供給は、受動制御される。最終的に、改質装置モジュールから放出される流れは、改質装置流から形成した合成ガスと、空気流を含む煙道ガスと、残存燃料成分と、燃料燃焼済み成分とを含む。
具体例では、本発明の気体状炭化水素の水蒸気改質装置は、さらに、改質装置モジュールからの放出後に合成ガスから熱回収する少なくとも１つの熱交換器を備えることができる。また具体例では、本発明の改質装置は、合成ガスの一部から熱回収する少なくとも２つの熱交換器を備える。また具体例では、上記少なくとも１つの熱交換器のうち、少なくとも１つは急冷熱交換器である。急冷熱交換器は、水中に浸漬させた熱交換器とすることができる。高温の合成ガスの一部は、急冷熱交換器内にメタルダスティング温度またはそれ以上の温度で流入させ、メタルダスティング状態よりも低い温度に急冷することができる。かかる熱交換器は、水中に浸漬しているため、メタルダスティング状態を被ることはない。なぜなら、水温は、沸騰水の高い伝熱係数の結果として本質的にその沸点で一定となり、浸漬熱交換器内の金属は、本質的に水の沸点で維持されるからである。このようにして合成ガス流の急冷によって形成した流れは、改質装置モジュール内への流入前に、気体状炭化水素流と合することができる。急冷熱交換器は、メタルダスティング状態を回避できるが、急冷熱交換器の入口付近の合成ガス用パイプ部分は、メタルダスティング状態を被るため、当該装置のこの部分は、好適には耐メタルダスティング性材料または耐メタルダスティング性被膜を被覆した材料から構成するか、および／または修復、撤去および交換が容易な形態とする。
浸漬熱交換器は、好適には合成ガス流から水への熱交換に関し熱サイホン作用に信頼性があるPCHEであり、熱交換器内を循環する水は、沸騰水と単一水相との密度が異なるからである。PCHEは、１つまたはそれ以上の合成ガスプレートおよび１つまたはそれ以上の水プレートを備え、これらは共に熱交換器の「能動的」プレートであってもよい。合成ガスプレートは、合成ガスが流動しうるようエッチング処理等の方法で設けた、多数の流路を備えることができる。水プレートも水/流れが流動しうるようエッチング処理等の方法で設けた、多数の流路を備えることができる。水および合成ガスは、境界プレートおよび／またはエンドプレートと共に、熱交換器形態に積層することができる。この形態によれば、PCHEは、積層し拡散連結法等により連結した一連のプレートを含み、このプレートは、多数の合成ガス流用流路と水流用流路とを相互に接近して有し、合成ガス流から水流への熱交換を行うことができる。PCHEは、エンドプレート、境界プレート、および所望の伝熱に応じ、特殊形態の合成ガス流用および水流用プレートを、積層することによって形成することができる。各プレートの流路は、複数の流れの間で単一パスまたはマルチパスの伝熱が得られるような形態を有することができ、また熱交換器に形成した際に並流、クロスフローまたは向流で操作しうる形態を有することができる。好適には、プレートから形成した熱交換器は、並流の形態を有し、これにより、熱交換器の水側の通路においてドライアウトを回避することができる。また具体例では、一方の流れのプレートはマルチパスの伝熱の形態を有する一方、他方の流れのプレートは、単一パスの伝熱の形態とすることができる。
急冷熱交換器の水位は、ボイラーの水位制御用として既知の水位制御手段のような任意の適した方法で制御することができる。浸漬熱交換器は、熱交換器によってメタルダスティング状態の回避を確保するのに充分な水を存在させる限り、部分的にまたは完全に浸漬させてもよい。具体例では、急冷熱交換器は、気体状炭化水素流と組合せて、多量の流れを昇温させることができる。
具体例では、合成ガス流から熱回収する少なくとも１つの熱交換器は、合成ガスの熱回収用の熱交換器である。また具体例では、合成ガス熱回収用の熱交換器は、熱を合成ガス流から次の流れから選ばれる少なくとも１つの流れに移動させる：１つまたはそれ以上の空気流、１つまたはそれ以上の燃料流、１つまたはそれ以上の水流および１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流。また具体例では、合成ガス燃回収用の熱交換器は、多数流れ（マルチストリーム）からなることができる。合成ガス熱回収用の熱交換器は、多数流れPCHEである多数流れ熱交換器からなることができる。多数流れPCHEは、１つまたはそれ以上の合成ガス用プレートおよび１つまたはそれ以上の反応体供給プレートを備え、これらは共に、熱交換器内で能動的プレートとすることができる。合成ガス用プレートは、合成ガスが流動するようにエッチング処理などの方法で設けた多数の流路を備えることができる。反応体供給プレートは、種々の反応体供給物が流動するようにエッチング処理などの方法で設けた多数の流路を備えることができる。例えば、具体例では、反応体供給プレートは、１つまたはそれ以上の空気流用の１つまたはそれ以上の流路セット、１つまたはそれ以上の燃料流用の１つまたはそれ以上の流路セット、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流用の１つまたはそれ以上の流路セットおよび／または１つまたはそれ以上の水流用の流路セットを備えることができる。反応体供給物および合成ガスプレートは、境界プレートおよび／またはエンドプレートと共に、積層して熱交換器形態を形成することができる。この形態によれば、PCHEは、積層し拡散連結法などで連結した一連のプレートを含み、かかるプレートは、合成ガス流および反応体供給物流用の多数の流路を、相互に近接して有して合成ガス流から反応体供給物流に熱を交換移動させることができる。積層には、エンドプレート、境界プレートおよび所望の熱交換器に応じた特殊形態の合成ガス流用プレートおよび反応体供給物流用プレートの積層が包含される。各プレート上の流路は、流れ相互間において単一パスまたはマルチパスの伝熱が得られるような形態とでき、熱交換器に形成した場合、並流、クロスフローまたは向流で操作しうる形態とすることができる。好適には、合成ガス熱回収用の熱交換器は、向流または向流に近似のマルチパスクロスフローで操作し、合成ガスからの熱回収を最大化することができる。具体例では、１またはいくつかの流れ用のプレートは、マルチパスの伝熱が得られるような形態とできるが、他の流れの１つまたはいくつか用のプレートは、単一パスの伝熱が得られるような形態とすることができる。
具体例では、合成ガス流から熱回収する少なくとも１つの熱交換器は、急冷熱交換器および合成ガス熱回収用の熱交換器からなることができる。
具体例では、本発明の改質装置は、煙道ガスの改質装置モジュールからの放出後、この煙道ガスから水流に熱回収移動しうる、少なくとも１つの熱交換器を備える。具体例では、このような熱交換器は、前記したPCHEからなり、この場合、PCHEの能動的プレートは、１つまたはそれ以上の煙道ガスプレートおよび１つまたはそれ以上の水プレートである。また具体例では、改質装置モジュールを、低下改質温度モードまたは高圧改質モードで操作する具体例と同様に、煙道ガス燃料流は、水流との熱交換用PCHEへの流入前に予熱することができる。このような予熱には、少なくとも１つの燃料流の一部または少なくとも１つの気体状炭化水素流の一部の、煙道ガス燃料流の存在下での接触燃焼が包含される。接触燃焼は、前記した空気予熱器と実質的に同じ形態を有しうる煙道ガス用予熱器で実施することができる。すなわち、煙道ガス用予熱器を用いて煙道ガスを加熱して水流に増加した熱を供給し、これにより、最終的には改質装置モジュールに供給される炭素に対する流れの比率を増加させ、所定の圧力および温度に関し改質反応の好適な平衡状態を促進し、煙道ガス用予熱器は、より低い温度およびより高い圧力の改質装置モジュールにとって、魅力的なオプションとなる。
具体例、特に、合成ガス中高い水素濃度が所望である具体例では、本発明の改質装置は、水性ガスシフト反応器を備えることができる。水性ガスシフト反応器は、前記式（6）に示す水素の接触製造を促進することができる。
水性ガスシフト反応器は、好適には合成ガス流を、メタルダスティング温度よりも充分に低い温度で、受入れ、同様に当該反応器からの出口平衡温度もメタルダスティング温度よりも低い。具体例では、多数の水性ガスシフト反応器を連続的に用いて、合成ガス流の水素濃度をさらに増加させることができる。水性ガスシフト反応器は、接触燃焼室と同様なものとでき、また独立した接触反応器または、構造または非構造触媒を充填し好適には適切な貴金属触媒を含みうる変性パイプセクションを備えることができる。
具体例では、本発明の改質装置は、当該装置の全ての熱交換器、予備改質段階および水性ガスシフト反応器においてメタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるような形態である。
具体例では、本発明の気体状炭化水素の水蒸気改質装置は、次のような構成要素を備える。
（a）熱を合成ガス流から回収して少なくとも１つの空気流に供給する、合成ガス熱回収熱交換器、
（b）空気流を、燃料／空気混合物を形成すべく燃料流に連結されている第１空気流と第２空気流とに分離する、空気流スプリッタ、
（c）燃料／空気混合物を、燃料予熱器に連結されている第１燃料／空気混合物と、空気予熱器に連結されている第２燃料／空気混合物とに分離する、燃料流スプリッタ、
（d）第１燃料／空気流中の燃料を部分燃焼させて改質装置用の加熱した燃料流を形成する、燃料予熱器、
（e）第２燃料空気流を第２空気流の存在下に燃焼させて改質装置用の加熱した空気流を形成する、空気予熱器、
（f）加熱した気体状炭化水素流を水蒸気の存在下に部分改質して改質装置流を形成する、予備改質装置、
（g）改質装置流を改質して合成ガス流を形成する改質装置、
（h）合成ガス流から熱を回収して、水流から予備改質装置用の水蒸気を形成するか、または当該形成を補助する急冷熱交換器。
次に、本発明の改質装置の具体例を、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。なお、改質装置の詳細は、単なる実施形態であって、当業者ならばわかるような本明細書開示の方法および装置の範囲を逸脱しない限り、種々の変形例および均等例も実施できるものと理解すべきである。このような変形例の例示は、限られたものではなく、次のような要素を包含することができる：反応体流の形式および数、各熱交換器および各燃焼室／各予熱器の形式および数、予備改質段階および改質段階の形式、数および形態、材料の構造、熱交換器およびパイプの形態および寸法、バルブの配置および形式、流れの温度および圧力、種々の流れの流速および組成、採用するとすれば水性ガスシフト反応器の形式および数、および触媒の形式および組成。
図1Ａを参照すると、具体例では、気体状炭化水素流改質装置100は、少なくとも４つの反応体供給流を含むことができ、これら供給流は、気体状炭化水素供給流102、燃料供給流104、空気供給流106および水供給流108である。気体状炭化水素供給流102は、任意の水蒸気改質用気体状炭化水素流を装置100内に供給でき、天然ガス、メタン、プロパン、他の気体状炭化水素、気体状炭化水素の混合物、製練ガス、他の燃料ガス混合物またはそれらの組合せを例示することができる。好適には、気体状炭化水素供給流は、許容可能な改質および／または水性ガスシフト触媒の寿命が得られるのに充分に少ない不純物（例えば、硫黄）である。また具体例では、気体状炭化水素供給流102は天然ガスまたはメタンである。気体状炭化水素供給流102は、当該システムに適した任意の温度および圧力で改質システム100内に流入することができる。好適には、具体例では、圧力は改質装置モジュール150から放出された合成ガス流180の圧力と同じまたはそれ以上である。また具体例では、気体状炭化水素供給流102は、圧力10〜100 barA、例えば、10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barAまたは13.5〜14.5 barAでシステム100内に流入させる。具体例では、気体状炭化水素流102は、供給温度または室温、好適には流れの露点温度よりも高い温度のような任意の適した温度で流入する。具体例では、気体状炭化水素流102は、システム100内に、温度−40〜250℃、例えば、−40〜250℃、例えば−25〜200℃、−10〜150℃、−10〜100℃、0〜90℃、0〜75℃、5〜65℃、0〜50℃、15〜40℃、15〜35℃、20〜30℃または20〜25℃で流入させる。
燃料供給流104は、水蒸気改質プロセスに適した任意の燃焼燃料供給流、例えば加圧スイング吸着プロセス（PSA）、メタノール製造プロセスまたはアンモニア製造プロセスからのオフガスまたは排ガスであってよく、また、単一または複数の気体状炭化水素流、天然ガス流、メタンガス流、プロパンガス流、気体状炭化水素の混合物、製練ガス、他の煙道ガス、およびその混合物または組合せのような他の燃料成分を含有または豊富化することができる。また具体例では、気体状炭化水素供給流102の一部または別の気体状炭化水素流を、少なくとも燃料供給流104の一部として供給することができる。具体例では、燃料供給流104は、下流処理後の合成ガス流からの残留気体状炭化水素および／または水素を含むことができる。燃料供給流104は、改質システム100内に当該システムに適した任意の温度および圧力で流入させることができる。また燃料供給流104がPSAオフガスまたは排ガス流を含む具体例では、燃料供給流104は、システム100内に圧力10 barG未満、例えば、８ barG未満、５ barG未満、2.5 barG未満、１ barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満で流入させる。燃料供給流104がメタノール合成パージを含む具体例では、燃料供給流104は、システム100内に実質的に高い温度で流入させることができるが、この場合、気流圧力の段階的降下に適した手段を用い、圧力を段階的に低下させる。また具体例では、燃料供給流104は、システム100内に、任意の適した温度、例えば供給温度または室温、好適には当該流れの露点よりも高い温度で流入させる。具体例では、燃料供給流104は、システム100内に温度−20〜250℃、−10〜200℃、−５〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入させる。
空気供給流106は、改質システム100内の燃焼プロセスに充分な酸素を提供するのに適した任意の供給流、例えば強制空気供給流または加圧空気供給流とすることができる。具体例では、空気供給流は、付加的な酸素で豊富化するかまたは１つまたはそれ以上の粒状または気体状成分または汚染物の存在下に精製してこれらを除去または減少させることができる。具体例では、空気供給流106は、システム100内に、１ barG未満の圧力、例えば0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満の圧力で流入させる。また具体例では、空気供給流106は、システム100内に、供給温度または室温、好適には流れの露点温度よりも高い温度で流入させる。また具体例では、空気供給流106は、システム100内に、温度−40〜350℃、例えば、−30〜300℃、例えば−30〜300℃、−20〜250℃、−10〜200℃、−5〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入する。
水供給流108は任意の水供給流とでき、未処理,処理,精製,状態処理した水流とすることができる。好適には、水は処理して、操作温度および圧力に適した少なくともボイラー共給水水準に適合するよう処理して、熱交換器・スケール形成および／または過剰なブローダウン条件を回避することができる。具体例では、水供給流108は、プロセスへの流入前に水ヒータで環境温度を超えて加熱することができる。具体例では、水供給流108は、プロセスの外部で形成した水蒸気からなることができ、この場合、水蒸気は、気体状炭化水素流102に直接、改質装置モジュール150への流入前に混合でき、この場合、熱交換器形態（図1Ａ）は変形することができる。好ましくは、全ての必要な水蒸気は、プロセス内で水流108から、プロセスからの放出またはプロセスへの流入なく、形成することができる。具体例では、水供給流108は内に適切な圧力（合成ガス流180を超える圧力）で改質装置モジュールから放出され、その圧力は例えば、10〜100 barA、例えば、10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、12〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAである。具体例では、水供給流108はシステム100内に任意の温度、例えば供給温度または室温で流入させる。具体例では、水供給流108はシステム100内に凝固点を越え凝固点に近い温度沸点未満の温度、例えば、0.1〜350℃、例えば2．5〜250℃、5〜150℃、10〜125℃、15〜100℃、15〜75℃、15〜50℃、15〜40℃、15〜35℃、20〜30℃、20〜25℃で流入させる。水供給流108は熱交換器109で予熱でき、これは、合成ガス熱回収熱交換器110とは別のものとできるし、その一部とすることができる。具体例では、熱交換器109は合成ガス熱回収熱交換器110と組合せて単一のPCHEとすることができる。
1つまたはそれ以上の反応体供給流、例えば2〜10、3〜9または4〜6の反応体供給流または2、3、4、5、6、7、8、9または10の反応体供給流反応体1つまたはそれ以上の合成ガス熱回収熱交換器110で予熱することができる。具体例では、少なくとも1つの空気供給流、例えば空気供給流106または107を合成ガス熱回収熱交換器110で予熱することができる。図示した他の具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、1つまたはそれ以上の反応体供給流を予熱する多相流熱交換器とすることができる。
具体例では（図1Ａの具体例を含む）、燃料供給流104は、所望により燃料流スプリッタ113を介し燃料供給流105と煙道ガス燃料流112に、合成ガス熱回収熱交換器110への流入前に分流することができる。両方の流れ105と112は次いで合成ガス熱回収熱交換器110で加熱することができる。別法として、燃料供給流104を、合成ガス熱回収熱交換器110からの放出後に、分流できるが、好適には燃焼空気流114との混合前に分流することができる。燃料供給流104は流れの分流に適した手段を用い、合成ガス熱回収熱交換器110処理の前後に、例えばＴ字またはＹ字パイプ接続を用い、分流することができ、また分流して、水流108への付加的な熱供給のため、煙道ガス燃料流160の存在下に燃焼用煙道ガス燃料流112を介し燃料供給流104からの充分な燃焼を迂回させることができる。燃料流スプリッタ113は、パイプ分岐または分流に適した他のメカニズムとでき、図示したバルブ113aまたは燃料流制御に適した分流装置を備え、分流して、流れを、受動手段を用いて、広範な流量にわたり燃料予熱器120、空気予熱器122および煙道ガス予熱器175への供給のため所望の下流燃料／空気比率に維持することができる。このような受動手段には所定の流路内の圧力降下および所望のレイノルズ係数範囲に基づく流路形態の制御が包含される。
同様に、図1Ａに示した具体例では、空気供給流106は、空気供給流107と燃焼空気流114に、合成ガス熱回収熱交換器110への流入前に空気流スプリッタ115を介し分流することができる。両方の流れ107と114は合成ガス熱回収熱交換器110で加熱することができる。具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110はそこからの放出前に燃料／空気混合物流118の形成のため合成ガス熱回収熱交換器110の燃料供給流105と、燃焼空気流114とを混合しうるような形態を有する。別法として、空気供給流106は、合成ガス熱回収熱交換器110からの放出後に、分流することができる。空気流スプリッタ115は、燃焼空気流114を、燃料／空気流スプリッタ116への連結前に燃料供給流105に連結できる限り、合成ガス熱交換用熱交換器110の前段または後段のいずれか段階の空気供給流の流れを分流するのに適した任意の手段とでき、例えば、Ｔ字またはＹ字パイプ連結を例示できる。空気流スプリッタ115は、充分な量の空気供給流106を、燃焼空気流114を介し燃料供給流105に、好適には燃料／空気流スプリッタ116への供給前に迂回させて、燃料予熱器120の燃料供給流105からの燃料の部分燃焼に充分な空気を含む燃料／空気混合物流を形成することができる。空気流スプリッタ115は、パイプの分岐または他の適した流れ分流メカニズムであってよく、また図示したバルブ115、または他の適した分流および制御装置を備えることができ、空気流は、広範な流れ最大度にわたり、燃料予熱器120および空気予熱器122への供給のために所望の下流燃料／空気比率を維持するような受動手段を用い、分流および制御することができる。このような受動手段には、所定の流路において圧力降下および所望のレイノルズ係数範囲に基づく流路形態の制御が包含される。
合成ガス熱回収熱交換器110は、流入高温流と低温流との間で並流,向流またはクロスフロー熱交換を用い、熱交換することができる。好適には、合成ガス熱回収熱交換器は、PCHEであり、向流熱交換器または向流熱交換に近似物を用い、マルチパスクロスフロー交換で全てが向流方向で熱交換する。また具体例では、合成ガス熱回収熱交換器は、熱を合成ガスから熱を、改質システム100から放出されて、例えば、加圧スイング吸着システム、膜分離システム、メタノール製造システムまたはアンモニア製造システムにおいてさらなる処理される前に、回収する。合成ガス熱回収熱交換器110は、熱を合成ガス流190から回収して、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流、１つまたはそれ以上の燃料流、１つまたはそれ以上の空気流および／または１つまたはそれ以上の水流を含め、１つまたはそれ以上の反応体供給流を予熱することができる。メタルダスティングの回避または減少のため、合成ガス流１９０は、好適には、合成ガス熱回収熱交換器110内にメタルダスティング温度より低温で流入させる。好適には、合成ガス流190は合成ガス熱回収熱交換器110から付加的な下流処理に適した圧力と温度で放出される。
具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、図２Ａ-Ｃに図示するように、一連のプレートから形成したPCHEを備えることができる。プレートは、相互に積層し拡散連結法などにより連結して合し、高温流れと低温流れの間で熱交換することができる。一般に、各流れの流路は、プレートにおいてエッチング処理、圧延または他の方法で形成でき、熱交換器通過の１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を抑制しながら所望の熱交換が得られる形態を形成することができる。好適には、合成ガス流１９０の流入はメタルダスティング温度よりも低く、これにより、メタルダスティング状態を合成ガス熱回収熱交換器110内で確実に回避することができる。
図２Ａ-Ｃを参照すると、具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、１つまたはそれ以上の境界プレート210、１つまたはそれ以上の合成ガスプレート２３０および１つまたはそれ以上の反応体供給プレート２６０を備えることができる。図２Ａ-Ｃに示した具体例では、プレートは、適切なエンドプレート（図示せず）と共に、適切に積層して熱交換器を形成すれば、熱交換器109を備えた合成ガス熱回収熱交換器110を形成することができる。各プレートは、熱交換器110の目的および状態に適した材料から製造することができる。構成プレート２１０、２３０および２３０に適した材料の例示は、各々、個別に表１に示した厚みを有することができる。具体例では、各プレートは1.6 mmの厚みである。
図２Ａは、境界プレート210を示し、これは合成ガス出口２１４と共に合成ガス入口２１３に接続する少なくとも１つの流路２１２を有する合成ガス流路２１１を備える。境界プレート210は、確実に、全ての反応体供給プレート２６０が高温流れプレートを境界プレート210または合成ガスプレート230のいずれか側または両側に保持し、積層体の高さにわたり熱負荷と熱流束のバランスを補助することができる。境界プレート２１０は１つまたはそれ以上の独立した流路２１２を備えることができ、これは、稜部に近接した状態で、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られる。具体例では、独立した各流路２１２は概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した各流路２１２は幅約1.95 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。各流路２１２の具体的数値を開示したが、合成ガス流路２１１は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図２Ａは、合成ガス流路２１１をマルチパス流路として示すが、流路２１１は、多数の独立した流路からなる直線的な向流、並流、クロスフローまたは単一パス流路を備えることもできる。具体例では、合成ガス流路２１１は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、合成ガス流路211は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチループ流路を備え、このマルチループ流路ではパスは熱交換の間クロスフローであり、また合成ガスは、反応体供給プレート２６０上を、前記流れに対しほぼ向流方向に流動する。
境界プレート210は、空気供給流貫通部215および216、燃焼空気流貫通部217、燃料供給流貫通部218、燃料／空気混合物流貫通部227、煙道ガス燃料貫通部219および220、気体状炭化水素供給流貫通部221および222、合成ガス流貫通部223および224、および水流貫通部225および226を備えることができる。
図２Ｂを参照すると、合成ガスプレート230は、合成ガス入口231、合成ガス出口232および合成ガス流路233を備える。合成ガス流路233は、１つまたはそれ以上の独立した合成ガス流路234を備えることができる。流路234および隣接する稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られる。具体例では、独立した各合成ガス流路234は概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した各流路234は幅約1.95 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。各流路234の具体的数値を開示したが、合成ガス流路233は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図２Ｂは、合成ガス流路233をマルチパス流路として示すが、流路233は、多数の独立した流路からなる直線的な向流、並流、クロスフローまたは単一パス流路を備えることもできる。具体例では、合成ガス流路233は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、合成ガス流路233は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチループ流路を備え、このマルチループ流路ではパスは熱交換の間クロスフローであり、また合成ガスは、反応体供給プレート２６０上を、前記流れに対しほぼ向流方向に流動する。
合成ガスプレート230は、空気供給流貫通部235および236、燃焼空気流貫通部237、燃料供給流貫通部238、燃料／空気混合物流貫通部247、煙道ガス燃料貫通部239および240、気体状炭化水素供給流貫通部241および242、合成ガス流貫通部243および244、および水流貫通部245および246を備えることができる。
図２Ｃを参照すると、反応体供給プレート260は、水流路261を有し、これは、水流入口262および水流出口263に接続する（反応体供給プレート260の下方左手部分に図示）。水流路261は、１つまたはそれ以上の独立した流路264を備えることができる。反応体供給プレート260のこの部分は、熱交換器に形成すると、熱交換器109の水流に相当する〔図1Ａ、参照〕。流路264および隣接する稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られる。具体例では、独立した各水流路264は概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した各流路264は幅約1.90 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。各流路264の具体的数値を開示したが、水流261は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図２Ｃは、水流路261をマルチパス流路として示すが、流路261は、多数の独立した流路からなる直線的な向流、並流、クロスフローまたは単一パス流路を備えることもできる。具体例では、水流路261は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、水流路261は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチループ流路を備え、このマルチループ流路ではパスは熱交換の間クロスフローであるが、水流は合成ガス流に対しほぼ向流方向に流動する。
反応体供給プレート260は、また空気供給入口266および空気供給出口267を有する空気供給流路265、燃焼空気供給入口269を有する燃焼空気供給流路268、燃料供給入口271を有する燃料供給流路270および燃料／空気混合物流出口272、煙道ガス燃料入口274および煙道ガス燃料出口275を有する煙道ガス燃料流路273、および気体状炭化水素入口277および気体状炭化水素出口278を有する気体状炭化水素流路276を備える。各流路265、268、270、273および276は、各々、１つまたはそれ以上の独立した流路279、280、281、282および283を有することができる。一般に、各独立した流路279、280、281、282および283および隣接する稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られる。具体例では、独立した各流路279、280、281、282および283は各々概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した各流路279、280、281、282および283は幅約1.90 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。具体例では、独立した流路283の入口および出口部分はともに幅約1.75 mm、深さ約1.00 mmおよび稜部0.5mmの半円断面を有することができる。各流路279、280、281、282および283の具体的数値を開示したが、流路279、280、281、282および283は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図２Ｃは、流路265、268、270、273および276を直線的クロスフローまたは単一パス流路として示すが、具体例では、流路265、268、270、273および276は、各々独立して、１つまたはそれ以上のパスからなり、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜２０パス、２〜１０パスまたは２〜５パスを含む。好適には、流路265、268、270、273および276は、直線的または単一クロスフローパスを含む。図２Ｃにおいて、燃焼空気流路268は、流路268を流動する空気と流路270を流動する燃料を同じ出口である燃料／空気混合物流出口272に誘導することによって、図１Ａの燃焼空気流114を熱交換器110内の燃料供給流105と混合しうるような形態を有する。このような形態をとれば、図1Ａに示すような合成ガス熱回収熱交換器110の下流でこれら流れを別々に合する必要がない。
反応体供給プレート260は、空気供給流貫通部285および286、燃焼空気流貫通部287、燃料供給流貫通部288、燃料／空気混合物流貫通部289、煙道ガス燃料流貫通部290および291、気体状炭化水素供給流貫通部292および293、合成ガス流貫通部294および295、および水流貫通部296および297を備えることができる。
具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110の具体例の形成に用いたプレートは、任意の順序で、積層し、拡散連結法等により連結して熱交換器を形成することができる。具体例では、プレートは、次のような順序で積層し、拡散形成法等により連結することができる：少なくとも１つのエンドプレート（図示せず）、１つの境界プレート210、多数の熱交換セル（各熱交換セルは反応体供給プレート260を備える）、次いで合成ガスプレート230、１つの付加的な反応体供給プレート260、１つの境界プレート210、および少なくとも１つのエンドプレート（図示せず）。したがって、具体例では、所定の積層体のプリント回路熱交換プレートの順序は次のようなパターンとすることができる：（エンドプレート＝Ｅ、境界プレート210＝Ｂ、反応体供給プレート260＝Ｒ、合成ガス供給プレート230＝Ｓ）：ＥＢＲＳＲＳＲＳ…ＲＳＲＢＥ。エンドプレートは、流路回路を有しないブランクプレートを有し、また絶縁して伝熱を向上させ、熱損を限定している。エンドプレートは、貫通部の配列によって形成した流れ室および流れ進行通路に対し蓋として機能し、例えば、流れ室に流体連通した状態の開口部またはヘッダを介し、熱交換器110への所定流れの接続を支持することができる。したがって、エンドプレートは、各貫通部の圧力の許容および開口部またはヘッダの支持に関して充分な厚みとすべきである。具体例では、エンドプレートが他のプレートよりも厚い場合、単一のエンドプレートを熱交換器164の各端部に用いる。他の具体例では、多数のエンドプレートを、支持またはヘッダまたは開口部の形成に充分な厚みで、各端部に用いることができる。
具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、５〜３０の熱交換セル、例えば７〜２５、８〜２０、９〜１７または１０〜１５の熱交換セルを備え、各熱交換セルは、反応体供給プレート260および合成ガスプレート230を備える。燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、少なくとも１４の熱交換セルを備える。好適な一具体例では、合成ガス熱回収熱交換器110は、２つの境界プレート210、１４の熱交換セル、付加的な反応体供給プレート260および５つのエンドプレートを備え、高さ57.75 mmの積層体が得られるような各厚み1.65 mmのプレートを備える。プレートおよび熱交換セルの数は、製造の必要性、熱交換効率、供給流および他のパラメータに応じて変化させることができる。
種々のプレートを積層し拡散連結法などにより連結して熱交換器を形成する場合、好適には、各プレート上の種々の対応する貫通部を整列させて、種々の反応体供給物用の流動アクセス通路または流れ室を形成する。具体例では、空気流貫通部215、235および285および216、236および286を整列させて、アクセス流路または流れ室を形成し、これらを介して、空気流107を、熱交換器の反応体供給プレート260から各々供給および流出させることができる。具体例では、燃焼空気流貫通部217、237および287を整列させて、アクセス流路または流れ室を形成し、これらを介し、燃焼空気流114を熱交換器の反応体供給プレート260に供給することができる。具体例では、燃料供給流貫通部218、238および288を整列させて、流路または流れ室を形成し、これらを介し、燃料供給流105を、熱交換器の反応体供給プレート260に供給することができる。具体例では、燃料／空気混合物流貫通部227、247および289を整列させて、流路または流れ室を形成し、これらを介し、燃料供給流107を空気流114と共に、熱交換器の反応体供給プレート260に流出させることができる。具体例では、煙道ガス供給流貫通部219、239および290、220、240および291を整列させて、流路または流れ室を形成し、これらを介し、煙道ガス燃料供給流112を、熱交換器の反応体供給プレート260に各々供給することができる。具体例では、気体状炭化水素供給流貫通部221、241および292、222、242および293を整列させて、アクセス流路または流れ室を形成し、これらを介し、気体状炭化水素供給流102を、熱交換器の反応体供給プレート260に各々供給することができる。具体例では、合成ガス供給流貫通部213、231および294、224、244および295を整列させて、アクセス流路または流れ室を形成し、これらを介し、合成ガス流190を、熱交換器の合成ガスプレート230および境界プレート210に各々供給することができる。具体例では、水流供給流貫通部225、245および277、226、246および296を整列させて、アクセス流路または流れ室を形成し、これらを介し、水供給流108を、熱交換器の反応体供給プレート260に各々流出させることができる。
種々の貫通部の整列に加え、プレートの積層は好適には、流路265、268、270、273および276を形成する独立した流路を、流路211および／または233を形成する独立した流路と近接した状態で配置して、各独立した流路の壁部を介し所定の流れの間での伝熱を促進することができる。
操作に際し、気体状炭化水素流102は、合成ガス熱回収熱交換器110内に、それが改質装置システム100内に流入する実質的な圧力および温度で流入させ、熱交換器110から圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAにて、温度200〜375℃、例えば225〜375℃、250〜370℃、275〜365℃、300〜360℃および325〜355℃で放出させることができる。好適には、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される流れ102の温度は、合成ガス流190の温度の100℃以内、例えば、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃または20℃以内の温度である。好適には、気体状炭化水素流102の熱交換器110通過の圧力降下は、0.50 barA未満、例えば0.40 barA未満、0.30 barA未満、0.20 barA未満または0.10 barA未満である。
具体例では、燃料供給流105は、合成ガス熱回収熱交換器110内に圧力10 barG未満、例えば8未満、5未満、2.5未満、1未満、0.75未満、0.5未満、0.4未満、0.3未満、0.2未満、0.15未満、0.10未満または0.075未満で流入させることができる。具体例では、燃料供給流105は、合成ガス熱回収熱交換器110内に、任意の適した温度、例えば供給温度または室温で流入させ。具体例では、燃料供給流105は、合成ガス熱回収熱交換器110内に温度−40〜350℃、例えば-30〜300℃、-20〜250℃、-10〜200℃、-5〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入させる。具体例では、燃料供給流105は、熱交換器110から圧力10 barG未満、例えば８ barG未満、５barG未満、2.5 barG未満、1.0 barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および温度200〜375℃、例えば225〜375℃、250〜370℃、275〜365℃、300〜360℃または325〜355℃で放出される。好適には、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される流れ105の温度は、合成ガス流190の温度の100℃以内、例えば90℃以内、80℃以内、70℃以内、60℃以内、50℃以内、40℃以内、30℃以内または20℃以内の温度である。好適には、熱交換器110を通過する燃料供給流105の圧力降下は、0.10 bar未満、例えば0.09 bar未満、0.07 bar未満、0.06 bar未満または0.05 bar未満である。
煙道ガス燃料流112は、合成ガス熱回収熱交換器110内に圧力10 barG未満、８barG未満、５barG未満、2.5 barG未満、１barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および任意の適した温度、例えば供給温度または室温、例えば−40〜350℃、例えば-30〜300℃、-20〜250℃、-10〜200℃、-5〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入させることができる。具体例では、煙道ガス燃料流112は、熱交換器110から圧力10 barG未満、例えば８ barG未満、５barG未満、2.5 barG未満、1 barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および温度200〜375℃、例えば225〜375℃、250〜370℃、275〜365℃、300〜360℃または325〜355℃で放出される。好適には、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される流れ112の温度は、合成ガス流190の温度の100℃以内、例えば90℃以内、80℃以内、70℃以内、60℃以内、50℃以内、40℃以内、30℃以内または20℃以内の温度である。好適には、熱交換器110を通過する煙道ガス燃料流112の圧力降下は、0.10 bar未満、例えば0.09 bar未満、0.07 bar未満、0.06 bar未満または0.05 bar未満である。
燃焼空気流114は、合成ガス熱回収熱交換器110内に圧力1 barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.1 barG未満、または0.075 barG未満および任意の適した温度、例えば供給温度または室温、例えば−40〜350℃、例えば-30〜300℃、-20〜250℃、-10〜200℃、-5〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入させることができる。具体例では、燃焼空気流114は、熱交換器110から圧力1 barG未満、例えば0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および温度200〜375℃、例えば225〜375℃、250〜370℃、275〜365℃、300〜360℃または325〜355℃で放出される。好適には、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される流れ114の温度は、合成ガス流190の温度の100℃以内、例えば90℃以内、80℃以内、70℃以内、60℃以内、50℃以内、40℃以内、30℃以内または20℃以内の温度である。好適には、熱交換器110を通過する燃焼空気流114の圧力降下は、0.10 bar未満、例えば0.09 bar未満、0.07 bar未満、0.06 bar未満または0.05 bar未満である。
空気供給流107は、合成ガス熱回収熱交換器110から圧力１ barG未満、例えば0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および任意の適した温度、例えば供給温度または室温、例えば温度−40〜350℃、例えば-30〜300℃、-20〜250℃、-10〜200℃、-5〜150℃、0〜100℃、0〜50℃、5〜40℃、10〜35℃、15〜30℃または20〜25℃で流入させることができる。具体例では、空気供給流107は、熱交換器110から圧力1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満および温度200〜375℃、例えば225〜375℃、250〜370℃、275〜365℃、300〜360℃または325〜355℃で放出される。好適には、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される流れ107の温度は、合成ガス流190の温度の100℃以内、例えば90℃以内、80℃以内、70℃以内、60℃以内、50℃以内、40℃以内、30℃以内または20℃以内の温度である。好適には、熱交換器110を通過する空気供給流107の圧力降下は、0.10 bar未満、例えば0.09 bar未満、0.07 bar未満、0.06 bar未満または0.05 bar未満である。
合成ガス流190は、合成ガス熱回収熱交換器110内に温度200〜450℃、例えば300〜420℃、325〜400℃、350〜400℃、375〜400℃、385〜400℃または385〜395℃および合成ガス流180の圧力よりも低い圧力、例えば10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで流入させることができ、また熱交換器110から温度75〜200℃、例えば100〜180℃、125〜170℃または130〜150℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.0 barAで放出させることができる。好適には、合成ガスの熱交換器110通過の圧力降下は、0.50 bar未満、例えば0.40 bar未満、0.30 bar未満、0.20 bar未満または0.10 bar未満である。
合成ガス熱回収熱交換器110から放出される合成ガス流191は、熱交換器109に誘導し、ここで水流108と熱交換させることができる。好適には、熱交換器109は、熱交換器110と組合せて単一のPCHEを形成する。合成ガス流は、熱交換器109（熱交換器109の一部または別々の交換器としかは問わない）内に、熱交換器110から放出された温度および圧力で流入させることができ、また熱交換器109から温度75〜200℃、例えば100〜180℃、125〜170℃または130〜150℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barAまたは13.5〜14.5 barAで放出させることができる。好適には、水流108は熱交換器110から合成ガス流191の入口温度の20℃以内の温度で放出させる。
水流108は、熱交換器109（熱交換器110の一部または別々の交換器としかは問わない）内に、実質的にシステム100への流入時の温度および圧力で流入させることができ、また熱交換器109から温度95〜200℃、例えば110〜190℃、115〜180℃、120〜170℃、130〜170℃または130〜150℃および改質モジュール150から放出される流れ180の圧力と同じまたは高い圧力、例えば10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで放出させることができる。
燃焼空気流114は、合成ガス熱回収熱交換器110内または図1Ａに示すような熱交換器110から放出後の燃料供給流105と合して、燃料／空気混合物流118を形成し、この燃料／空気混合物流118を燃料／空気流スプリッタ116を介し分流して、燃料予熱混合物119および空気予熱混合物117を形成することができる。燃料／空気流スプリッタ116は、パイプ接続または他の好適な流れ分流メカニズムとすることができ、バルブ、または他の適した流れ制御用分流装置を備えることができ、燃料／空気流は、広範な流れ最大度にわたり、燃料予熱器120および空気予熱器122への供給のために所望の下流燃料／空気比率を維持しうるような受動手段を用い、分流および流れ制御することができる。
別の具体例として、合成ガス熱回収熱交換器に対して流入し流出する燃料流および空気流および予熱器に対する処理についての詳細な形態を、図1Ｂに示して明らかにする。図1Ｂは、燃料供給流105、燃焼空気流114および空気流107についての、合成ガス熱回収熱交換器110の一部への流入状態を示す。図1Ｂにおいて、燃焼空気流114は、燃料予熱器120への流入前に燃料供給流105と合さずに、これに代えて、燃料予熱流119aと混合しており、これは、この具体例では予熱器120において空気／燃料混合物ではない。このような場合、燃料供給流105を、空気予熱燃料流117aおよび燃料予熱流119aに分流することができ、いずれの流れも燃焼空気流114からの空気を含んでおらず、燃料流117aは、純粋な燃料流として予熱器122に供給することができる。このような場合、抵抗回路網および圧力バランスの詳細（図15）はわずかに異なる。具体例では、燃料流の水素および一酸化炭素含量が接触燃焼に充分であるような具体例は、接触燃焼用の触媒床または触媒室への混合物流れの供給前に、流入する空気および純粋燃料流を混合するような形態を有する。別法として、予熱器120および122は、スパーク源または加熱要素のような反応開始用の着火源を有するような形態をとり、燃料流の少なくとも一部または全ての非触媒系（均一系）燃焼が得られる。このような場合、少なくとも一部の非触媒系燃焼は、拡散火炎において起こる必要があるが、ある種の非触媒系燃焼は予備混合火炎において起こる。予熱器は、燃料流の非触媒系燃焼および触媒系燃焼の両方についての形態をとることができる。
図1Ａを参照すると、燃料予熱混合物119は、燃料予熱器120で部分接触燃焼させて、燃料流124の改質に熱を供給することができる。燃料予熱器120は、燃料予熱混合物119の燃料を部分接触燃焼させるのに適した接触燃焼室とでき、また構造または非構造触媒を充填した別の接触反応器を備えることもでき、また構造または非構造触媒を充填した変性パイプセクションを備えることもできる。具体例では、燃料予熱混合物119中の燃料は、部分的にしか接触燃焼しない。なぜなら、燃料予熱混合物119中の空気量が燃料の完全燃焼には意図的に不充分なものとしているからである。好適な具体例では、燃料予熱器120内に流入する燃料予熱混合物119がメタルダスティング温度よりも低く、改質装置燃料流124がメタルダスティング温度よりも高い場合には、燃料予熱器120は、好適には耐メタルダスティング性材料または耐メタルダスティング性金属被膜を被覆した金属から製造するかおよび／または修復および／または撤去および交換が容易な形態を有する。
好適な燃料予熱混合物119は、メタルダスティング状態よりも低い温度、例えば400℃未満、375℃未満、360℃未満、350℃未満、325℃未満または300℃未満を示す。好適には、燃料予熱混合物119の圧力は10 barG未満、例えば、8 barG未満、5 barG未満、2.5 barG未満、1 barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barG未満である。好適には、燃料予熱混合物119の量は、過剰の燃料と完全燃焼させた場合、付加的な反応体の制御を要せずに、必要な改質装置燃料温度が得られるほどに充分なものとする。
好適には、改質装置燃料流124は、メタルダスティング状態よりも高い温度、例えば775℃を超える温度、780℃を超える温度、785℃を超える温度、790℃を超える温度、795℃を超える温度、800℃を超える温度、805℃を超える温度、810℃を超える温度、または815℃を超える温度を示す。好適には、改質装置予熱混合物124の圧力は10 barG未満、例えば、8 barG未満、5 barG未満、2.5 barG未満、1 barG未満、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.4 barG未満、0.3 barG未満、0.2 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満または0.075 barGまたは0.05 barG未満である。
空気予熱混合物117は、空気予熱器122において空気供給流107の存在下に燃焼させて、改質空気流126を形成することができる。空気予熱器122は、空気予熱混合物117の燃料を接触燃焼させるのに適した接触燃焼室とでき、また構造または非構造触媒を充填した別の接触反応器を備えることもでき、また構造または非構造触媒を充填した変性パイプセクションを備えることもできる。燃料予熱器120とは異なり、空気予熱混合物117中の燃料は完全燃焼または実質的に完全燃焼される。なぜなら、空気予熱器122中の空気量が付加的な燃焼下流生成物に変換するのに限られていないからである。好適な具体例では、燃料予熱器122に流入する空気予熱混合物117は、メタルダスティング温度よりも低く、改質装置空気流126は、メタルダスティング温度よりも高いため、空気予熱器122ではメタルダスティング状態が起こりえ、そのため、空気予熱器122は好適には、耐メタルダスティング性金属または耐メタルダスティング性被膜を被覆した金属から製造するかおよび／または修復および／または撤去および交換が容易な形態を有する。メタルダスティング状態の発生の局地化およびメタルダスティング状態にさらされる改質装置システム100の構成成分の限定化によって、システムコストと、使用および修復／保守管理の利便性を最小化することができる。
一般に、空気予熱混合物117は、メタルダスティング状態よりも低い温度、例えば400℃未満、375℃未満、360℃未満、350℃未満、325℃未満または300℃未満を示す。
好適には、空気予熱混合物117の圧力は1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.5 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満である。好適には、空気予熱混合物117の量は、過剰の空気と完全燃焼させた場合、付加的な反応体の制御を要せずに、必要な改質装置空気温度が得られるほどに充分な量とする。
空気供給流107は、空気予熱器122内に、実質的に合成ガス熱回収熱交換器110から放出される温度および圧力、例えばメタルダスティング温度よりも低い温度で流入させることができ、また空気予熱器122から改質装置空気流126としてメタルダスティング温度よりも高い温度、例えば800℃を超える温度、815℃を超える温度、830℃を超える温度、840℃を超える温度、850℃を超える温度、860℃を超える温度、875℃を超える温度、890℃を超える温度、または900℃を超える温度を示す。好適には、改質装置空気流126の圧力は1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満である。
図１Ａに示すように、合成ガス熱回収熱交換器110からの放出後、燃料ガス流112は、改質装置モジュール150からの煙道ガス燃料流160と合して燃料含有煙道ガス燃料流162を形成する。燃料含有煙道ガス燃料流162は、煙道ガス予熱器175において燃料含有煙道ガス燃料流162中の燃料成分の接触燃焼を介して燃焼させ、加熱した煙道ガス燃料流163を形成する。別法として、煙道ガス燃料流112を、煙道ガス予熱器175に直接供給し、ここで煙道ガス燃料流160と混合し、次いで燃焼させて加熱した煙道ガス燃料流163を形成することができる。加熱した煙道ガス燃料流163は、付加的な熱を、熱交換器109からの放出後に熱交換器164において水流108に対し供給することができる。そこから、加熱した煙道ガス燃料流163は、煙道ガスとして排気するかまたは付加的な下流処理に付すことができる。
煙道ガス予熱器175は、燃料含有煙道ガス燃料流162（または燃料流112、燃料流112を煙道ガス予熱器175に直接接続した場合）中の燃料を接触燃焼させて燃料含有煙道ガス燃料流162に熱供給するのに適した接触燃焼室とでき、また構造または非構造触媒を充填した別の接触反応器を備えることもでき、また構造または非構造触媒を充填した変性パイプセクションを備えることもできる。好適には、燃料含有煙道ガス燃料流162は、煙道ガス予熱器175内に、温度200〜450℃、例えば225〜440℃、250〜425℃、275〜420℃、300〜410℃、325〜400℃または350〜390℃および圧力1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満で流入させ、また煙道ガス予熱器175から加熱した煙道ガス燃料流163として温度250〜550℃、例えば275〜525℃、300〜500℃、350〜490℃、375〜475℃または400〜450℃および圧力1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満で放出させる。
熱交換器164は、加熱した煙道ガス燃料流163から水流108に熱交換移動させるのに適したいずれの熱交換器とすることができる。具体例では、熱交換器164は図３Ａ-Ｂに示した一連のプレートから構成されるPCHEを備えることができる。プレートは、積層体を形成し拡散連結法等により相互に連結して熱交換器164を形成し、流入高温流れと流入低温流れの間で熱交換することができる。一般に、各流れの流路は、エッチング処理、圧延または他の方法で形成でき、熱交換器通過の１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を抑制しながら所望の熱交換が得られる形態を形成することができる。好適には、熱交換器164に対し流出入する流れは熱交換器内でメタルダスティング状態を回避または減少させるような温度、圧力および組成条件に維持される。
図３Ａ-Ｂを参照すると、具体例では、熱交換器164は１つまたはそれ以上の水流プレート320および１つまたはそれ以上の加熱した煙道ガスプレート350を備えることができる。各プレートは、熱交換器164の目的および存在する条件に適した材料から構成することができる。プレート320および350の製造に好適な材料の例示は316ステンレススチールおよび304ステンレススチールである。水流プレート320および煙道ガスプレート350は、個別に表１に示した厚みを有することができる。具体例では、各プレートは1.6 mmの厚みである。
図３Ａは加熱した煙道ガス燃料流路351を有する加熱した煙道ガス燃料流路350を示し、これは、加熱した煙道ガス燃料流入口353および加熱した煙道ガス燃料流出口356に接続している。加熱した煙道ガス入口353は加熱した煙道ガス燃料流163を分流して加熱した煙道ガス燃料流流路351からなる多数の独立した流路355に供給することができる。加熱した煙道ガス出口356は流れを流路355に再接続して煙道ガス燃料流163を再形成し、熱交換器164から放出される。加熱した煙道ガス燃料流入口353および加熱した煙道ガス燃料流出口356は加熱した煙道ガス燃料流貫通部358および加熱した煙道ガス燃料流出口貫通部357に接続し、また加熱した煙道ガス燃料流路350には水入口貫通部354および水出口貫通部352が包含される。流路355および隣接する稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られるような寸法を有することができる。具体例では、独立した流路355は各々概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した流路355は幅約1.90 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。流路355の具体的数値を開示したが、水流路351は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図３Ａは、直線的なクロスフロー又は単一パス流路としての加熱した煙道ガス流流路351を示し、具体例では、加熱した煙道ガス流流路351は１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜20パス、2〜10パス、2〜5パスを含む。好適には、煙道ガス流流路351は、熱交換の間、直線的なクロスフロー又は単一パス流路であるが、水流は、水流の一般流れに対し向流方向に流動する。
図３Ｂは、水流路321を有する水供給プレート320を示し、これは、水流入口326および水流出口323に接続する。水流路321は、１つまたはそれ以上の独立した流路325を備えることができる。水流入口326および水流出口323は、各々水流入口貫通部324および水流出口貫通部322に接続し、また水供給プレート320は、加熱した煙道ガス燃料流出口貫通部327および加熱した煙道ガス燃料流入口貫通部328を含む。流路325および稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られるような寸法を有することができる。具体例では、独立した流路325は各々概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した流路325は幅約1.63 mm、深さ約0.75 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。流路325の具体的数値を開示したが、水流路321は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図３Ｂは、水流路321をマルチパス流路として示すが、流路321は、多数の独立した流路からなる直線的な向流、並流、クロスフローまたは単一パス流路を備えることもできる。具体例では、水流路321は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、水流路321は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチループ流路を備え、このマルチループ流路ではパスは熱交換の間クロスフローであるが、水流は、加熱した煙道ガス燃料流に対しほぼ向流方向に流動する。
具体例では、熱交換器164の具体例の形成に用いたプレートは、任意の順序で、積層し、拡散連結法等により連結して熱交換器164を形成することができる。具体例では、プレートは、次のような順序で積層し、拡散形成法等により連結することができる：少なくとも１つのエンドプレート（図示せず）、多数の熱交換セル（各熱交換セルは加熱した煙道ガス燃料流プレート350を備える）、次いで水流供給プレート320、次いで最終の加熱した煙道ガス燃料流プレート350、および少なくとも１つのエンドプレート（図示せず）。したがって、熱交換器164用の所定の積層体のプリント回路熱交換プレートの順序は次のようなパターンとすることができる：（エンドプレート＝Ｅ、燃焼ガスプレート350＝Ｆ、水流供給プレート320＝Ｗ）：ＥＦＷＦＦＷＦＦＷＦ…ＦＷＦＦＷＦＥ。エンドプレートは、流路回路を有しないブランクプレートを有し、また絶縁して伝熱を向上させ、熱損を限定している。エンドプレートは、貫通部の配列によって形成した流れ室および流れ進行通路に対し蓋として機能し、例えば、流れ室に流体連通した状態の開口部またはヘッダを介し、熱交換器164への所定流れの接続を支持することができる。したがって、エンドプレートは、各貫通部の圧力の許容および開口部またはヘッダの支持に関して充分な厚みとすべきである。具体例では、エンドプレートが他のプレートよりも厚い場合、単一のエンドプレートを熱交換器164の各端部に用いる。他の具体例では、多数のエンドプレートを、支持またはヘッダまたは開口部の形成に充分な厚みで、各端部に用いることができる。具体例では、熱交換器164は、50〜70 mmの高さ、例えば60 mmの高さの積層体を備える。
具体例では、熱交換器164は、２〜３０の熱交換セル、例えば２〜２５、７〜２０、８〜１７または１０〜１５の熱交換セルを備え、各熱交換セルは、加熱した煙道ガス燃料流プレート350、次いで水流供給プレート320、次いで加熱した煙道ガス燃料流プレート350からなる。燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、熱交換器164は、少なくとも10の熱交換セルを備える。好適な一具体例では、熱交換器164は、10の熱交換セルを備え、各熱交換セルは、加熱した煙道ガス燃料流プレート350、次いで水流供給プレート320とからなり、付加的な加熱した煙道ガス燃料流プレート350および合計30の能動的プレート用の６つのエンドプレートを備える。プレートおよび熱交換セルの数は、製造の必要性、熱交換効率などのパラメータに応じて変化させることができる。
種々のプレートを積層し拡散連結法などにより連結して熱交換器を形成する場合、好適には、加熱した煙道ガス燃料流入口貫通部358および加熱した煙道ガス燃料流出口貫通部357を、水供給流プレート320上の加熱した煙道ガス燃料流入口貫通部328および加熱した煙道ガス燃料流出口貫通部327と共に整列させて、加熱した煙道ガス燃料流用の入口および出口のアクセス流路または流れ室を形成する。加えて、好適には、水流入口貫通部324および326と、水流出口貫通部322および355を同様に整列して、水流用の入口および出口のアクセス流路または流れ室を形成する。プレートの積層は、同様に好適には流路321および351を相互に緊密に配置して、独立した流路325および355の壁部を介し流れ間の熱交換を促進する。
具体例では、水流108は、熱交換器110内に、実質的に合成ガス熱回収熱交換器110から放出される温度および圧力で流入し、また熱交換器164から温度120〜210℃、例えば130〜205℃、150〜200℃または175〜195℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで放出することができる。好適には、熱交換器164を通過する水流108の圧力降下は、1 bar未満、例えば0.75 bar未満、0.60 bar未満、0.50 bar未満、0.40 bar未満または0.30 bar未満である。
加熱した煙道ガス燃料流163は、熱交換器164内に、実質的に煙道ガス予熱器175から放出される温度および圧力で流入し、また熱交換器164から温度120〜200℃、例えば125〜180℃、130〜160℃または140〜150℃および圧力0.02 barG未満、例えば、0.015 barG未満または0.010 barG未満で放出させる。
水流108は、熱交換器164からの放出後、急冷熱交換器165内に流入し、ここで、さらに加熱して改質プロセス用の水蒸気を発生させることができる。急冷熱交換器165は、合成ガス急冷流170の急冷に使用することができる。合成ガス急冷流170は、改質装置モジュール150から放出された合成ガス流180の一部とすることができる。合成ガス流180は、合成ガス流スプリッタ184を用い分流して、合成ガス急冷流170および合成ガス流182を形成することができる。合成ガス流スプリッタ184は、合成ガス流180の流れの分流に適した手段、例えばＴ字またはＹ字パイプ接続とすることができ、所望の量の流れを各方向に供給して、急冷熱交換器165の充分な水蒸気製造および任意の水性ガスシフト反応器186の充分な水素製造および合成ガス熱回収熱交換器110内に流入する合成ガスの充分な温度および圧力を確保することができる。好適には、急冷熱交換器165および熱交換器166は、合成ガス急冷流170の流れが、システム100が操作される所望の吹止め範囲において乱流状態を維持しうるような形態を有する。
熱交換器166は、急冷熱交換器165の水中に浸漬したままである限り、メタルダスティング状態を熱交換器内で回避することができる。なぜなら、熱交換器の温度は、水の沸点を超える温度には決してならず、水温は実質的に相転位の間一定に維持されるからである。急冷熱交換器165によって回避できるが、メタルダスティング状態は、急冷熱交換器165に隣接する合成ガス急冷流170において起こり、このため、合成ガス急冷流170の一部は好適には、耐メタルダスティング性金属または耐メタルダスティング性被膜を被覆した金属から製造するかおよび／または修復および／または撤去および交換が容易な形態を有する。理想的には、メタルダスティング状態を被る合成ガス急冷流170の一部は、修復、保守管理および交換を最小化するような形態を有する。具体例では、流れ170のメタルダスティング状態は、好適には、急冷熱交換器165の入口の５パイプ直径内に限定され、このため、システムのこの部分のパイプは、耐メタルダスティング性金属または耐メタルダスティング性被膜を被覆した金属から製造するかおよび／または修復および／または撤去および交換が容易な形態を有する。この方法によれば、メタルダスティング状態を合成ガス急冷流170の小さい部分に局在化しつつ、水蒸気を高温合成ガスから発生させて、改質段階に使用することができる。急冷熱交換器165は、また水蒸気出口167および水ブローダウン168を備える。急冷熱交換器165で形成した水蒸気は、水蒸気出口167を介して通過し、さらにシステム100内に供給することができる。排水および溶解性固形物は、バルブ169の作動による水ブローダウン168によって定期的にブローダウンし、急冷熱交換器165のスケール堆積を防止または制限することができる。
熱交換器166は、熱交換器164からの放出後、水流108からの水中に一部または完全に浸漬させることができる。熱交換器166および当該熱交換器166が合成ガス急冷流170から水へ移動させた熱によって大量の水蒸気が形成され、改質装置モジュール150で使用される。具体例では、熱交換器166は、図４Ａ-Ｄに示すような一連のプレートから構成されるPCHEを備えることができる。プレートは、合して積層体を形成し、拡散連結法等により相互に連結させて熱交換器166を形成し、流入する高温および低温流れの間で熱交換させることができる。一般に、各流れの流路は、エッチング処理、圧延または他の方法で形成でき、熱交換器通過の１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を抑制しながら所望の熱交換が得られる形態を形成することができる。好適には、熱交換器166に対し流出入する流れは熱交換器内でメタルダスティング状態を回避または減少させるような温度、圧力および組成条件に維持される。
図４Ａ-Dに関する具体例では、熱交換器166は、１つまたはそれ以上の水プレート410、１つまたはそれ以上の合成ガス急冷流プレート420、１つまたはそれ以上のエンドプレート430、および１つまたはそれ以上のボトムエンドプレート440を備えることができる。各プレートは、熱交換器166の目的および存在する条件に適した材料から構成することができる。プレート320および350の製造に好適な材料の例示は316ステンレススチールおよび304ステンレススチールである。プレートは、個別に表１に示した厚みを有することができる。具体例では、各プレートは1.6 mmの厚みである。
図４Ａは、水流路411を有する水プレート410を示し、これは、水流入口412および水流出口413に接続する。水流路412は、１つまたはそれ以上の独立した、流路414を形成する流路325を備えることができる。水流出口413は、熱交換器166の出口用の流路414に再合流させることができる。流路414は、熱交換器166の水の熱サイホン沸騰が得られるような形態を有することができ、また任意で好適な形態および寸法で形成することができる。具体例では、独立した流路414は各々概略半円形の断面からなり、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した流路414は幅約2.6 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。流路414の具体的数値を開示したが、水流路414は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
具体例では、水流入口412および出口413は、幅約0.6〜3.5 mm、深さ約0.3〜1.75 mmおよび稜部0.3〜1.5 mmの概略半円形の断面を有することができ、独立した流路414と同じまたは異なる寸法を有することができる。具体例では、水流入口412および出口413は、各々幅約2.6 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの概略半円形の断面を有することができる。図４Ａは、水流路411を直線的な向流、並流または単一パス流路として示すが、具体例では、水流路411は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜20パス、２〜10パスおよび２〜５パスを含む。好適には、水流路411は、直線的または単一パス向流流路からなる。図４Ａに示すように、各水流プレート410には、合成ガス急冷流入口および出口貫通部415および416が包含される。
図４Ｂを参照すると、合成ガス急冷流プレート420は、合成ガス急冷流流路421を有し、これは、合成ガス急冷流入口貫通部422および合成ガス急冷流出口貫通部423に接続させることができる。合成ガス急冷流入口貫通部422は、入口流路426に連通し、これは更に分岐して、流路421を構成する、１つまたはそれ以上の独立した流路424を形成することができる。合成ガス急冷流出口423は、多数の出口流路425を再合流することができ、これは、熱交換器出口用の独立した流路424を再合流させることができる。入口および出口流路426および425および、独立した流路424は、共に概略半円形の断面を有することができ、表１に示した寸法を有することができる。具体例では、独立した流路424は幅約1.9 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。具体例では、具体例では、入口および出口流路426および425は、共に幅約2.2 mm、深さ約1.10 mmおよび稜部0.4 mmの半円断面を有することができる。流路414について具体的数値を開示したが、水流路411は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図４Ｂは、合成ガス急冷流路421を直線的向流または並流または単一パス流路として示すが、具体例では、合成ガス急冷流路421は、１つまたはそれ以上のパスからなり、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜２０パス、２〜１０パスまたは２〜５パスを含む。好適には、合成ガス急冷流路421は、直線的または単一パス並流の流路からなる。
具体例では、熱交換器166の具体例の形成に使用されるプレートは、任意の順序で、積層し、拡散連結法等により連結して熱交換器166を形成することができる。具体例では、プレートは、次のような順序で積層し、拡散形成法等により連結することができる：少なくとも１つのトップエンドプレート430（図４Ｃ）、多数の熱交換セル（各熱交換セルは水プレート410を備える）、次いで合成ガス急冷流プレート420、次いで１つの付加的な水プレート、次いで少なくとも１つのボトムエンドプレート440。したがって、熱交換器166用の所定の積層体のプリント回路熱交換プレートの順序は次のようなパターンとすることができる：（水プレート410＝Ｗ、合成ガス急冷流プレート＝Ｓ）：ＷＳＷＳＷＳ…ＷＳＷＳＷ。具体例では、その形態は、交互配置の水プレート410および合成ガス急冷流プレート420と共に１つの追加の水プレート410とからなるセルを含み、このプレートは、積層体において最後の合成ガス急冷流プレート420用の連結プレートとして機能する。エンドプレートは、流路回路を有しないブランクプレートを有し、また絶縁して伝熱を向上させ、熱損を限定している。具体例では、多数のエンドプレートを各端部に用いることができる。エンドプレートは、境界プレートに対向するエンドプレートについては通路用の壁部として機能し、また熱交換器166の所定の流れの貫通部および支持連結部に対する蓋として機能し、例えば、開口部またはヘッダとして機能する。したがって、エンドプレートは、各貫通部の圧力の許容および開口部またはヘッダの支持に関して充分な厚みとすべきである。具体例では、エンドプレートが他のプレートよりも厚い場合、単一のエンドプレートを熱交換器166の各端部に用いる。他の具体例では、多数のエンドプレートを、支持、またはヘッダまたは開口部の形成に充分な厚みで、各端部に用いることができる。具体例では、熱交換器166は、15〜25 mmの高さを有する積層体からなることができる。
具体例では、トップエンドプレート430は、合成ガス流入口貫通部432および合成ガス流出口貫通部431を各々合成ガス急冷流の入口および出口として含む。種々のプレートを積層し拡散連結法などにより連結して熱交換器を形成する場合、合成ガス流入口貫通部432および合成ガス流出口貫通部431を、好適には、次のような要素と共に整列させて、合成ガス急冷流用の入口および出口流れアクセス流路を形成することができる：合成ガス急冷流入口貫通部422および合成ガス急冷流出口貫通部423（合成ガス急冷流プレート420）、合成ガス急冷流入口および出口貫通部414および415（水プレート410）。プレートの積層は、同様に好適には流路411および421を相互に緊密に配置して、独立した流路414および424の壁部を介し流れ間の熱交換を促進する。流れパスおよび流路がアクセスする貫通部を有しないようなプレートおよび流れに関し、各流路の端部で積層したプレート端部にヘッダを付設でき、例えば、溶接して、所定の流路内を流動する流れの配送および／または集合を促進することができる。
具体例では、熱交換器166は、１〜15の熱交換セル、例えば２〜10、３〜８、４〜７または５〜７の熱交換セルを備え、各熱交換セルは、水プレート410、次いで合成ガス急冷流プレート420からなる。燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、熱交換器166は、少なくとも４つの熱交換セルを備える。一具体例では、熱交換器166は、４つの熱交換セルを備え、各熱交換セルは、水プレート410、次いで合成ガス急冷流プレート420と、４つエンドプレートおよび９つの能動的プレートを備える。プレートおよび熱交換セルの数は、製造の必要性、熱交換効率などのパラメータに応じて変化させることができる。
水流108は、熱交換器165内に、実質的に熱交換器165から放出される温度および圧力で流入し、また熱交換器165から改質装置水蒸気供給流172として飽和水蒸気温度に等しい温度、例えば温度175〜225℃、180〜210℃、185〜205℃、190〜205℃または190〜200℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで放出することができる。
合成ガス急冷流170は、急冷熱交換器165内に、温度700〜1000℃、例えば750〜975℃、800〜950℃、825〜925℃または850〜900℃および圧力5〜120 barA、例えば10〜100 barA、10〜80 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barAまたは13.5〜14.5 barAで流入させることができ、また熱交換器165から温度180〜210℃、185〜205℃、190〜205℃または195〜200℃および圧力5〜120 barA、例えば10〜100 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで放出させることができる。好適には、熱交換器165を通過する合成ガス急冷流170の圧力降下は、0.1 bar未満、例えば0.075 bar未満または0.05 bar未満である。
水流108は、急冷熱交換器165で水蒸気になるまで加熱し、その時点で、急冷熱交換器165から水蒸気出口167を介し改質水蒸気供給流172として放出させることができる。改質水蒸気供給流172は、水蒸気102を合成ガス熱回収熱交換器110から放出させた後、気体状炭化水素流102に合して、気体状／炭化水素水蒸気流174を形成することができる。改質水蒸気供給流172および気体状炭化水素流102は、適切な方法、例えばＹ字またはＴ字コネクタを用い一緒に混合するかまたは一方の流れを他方の流れに添加して、単一の流れを形成することができる。流れを合したのち、気体状炭化水素-水蒸気流174を第１予備改質段階の改質装置モジュール150に供給することができる。具体例では、改質水蒸気供給流172に関し、背圧調整器を気体状炭化水素流102との混合前の流路に配置して、安定な沸騰状態（反応開始時）、性能変化および他の遷移状態を補助し、これにより液体としての水が急騰して改質装置モジュールに入ること回避することができ、または水蒸気流が改質装置で欠乏して改質装置および／または予備改質装置でコーキングを引起すことを回避することができる。具体例では、気体状炭化水素流に関し、調節弁を改質水蒸気供給流172との混合前の流路内に配置することができる。
急冷熱交換器165の急冷後、合成ガス急冷流170は、急冷熱交換器165から急冷した合成ガス流171としてバルブ185を通過させて放出させることができ、このバルブは、急冷した合成ガス171の合成ガス再混合機188への供給量を制御または調節するのに適したバルブである。バルブ185の通過後、急冷した合成ガス流171は、合成ガス流182と合成ガス再混合機188で混合することができる。合成ガス流182は、合成ガススプリッタ184から固定抵抗器187を介し供給させるが、この抵抗器は、単なるオリフィスまたは他の高温流れ制御手段とすることができる。一般に、合成ガス流182は、バルブの使用には温度が高い。好適には、合成ガス流182は、温度700〜1000℃、例えば750〜975℃、800〜950℃、825〜925℃、850〜900℃または800〜950℃および圧力5〜120 barA、例えば10〜100 barA、10〜80 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAである。
合成ガス再混合機188は、２つの流れを混合、例えば、Ｙ字コネクタまたはＴ字コネクタを用いて複数の流れを一緒に混合して単一の流れを形成するか、または一方の流れを他の流れに添加混合して混合するのに適した装置とすることができる。合成ガス流182の温度は、急冷した合成ガス流171の温度に対し相対的であるため、再混合した合成ガス流189の一部および合成ガス流182の一部は、メタルダスティング状態を被る。したがって、合成ガス流182の一部、すなわち再混合機188の約５パイプ直径範囲内および再混合した合成ガス流189の一部、すなわち再混合機188の約５パイプ直径範囲内は、好適には耐メタルダスティング性合金または耐メタルダスティング性被膜を被覆した合金から製造するかおよび／または修復および／または撤去および交換が容易な形態を有する。
再混合ののち、再混合した合成ガス流189は、任意の水性ガスシフト反応器186に供給し、ここで付加的な水素を、水性ガスシフト反応を介し発生させる。水性ガス反応器の使用の場合、再混合した合成ガス流189の温度は、温度250〜350℃、例えば275〜325℃、280〜310℃、290〜305℃または295〜300℃である。
水性ガスシフト反応器186からの放出後、合成ガス流190は、合成ガス熱回収熱交換器110に供給でき、ここで反応体供給流、例えば気体状炭化水素流102、煙道ガス燃料流112、燃料供給流105、空気供給流107、燃焼空気流114および水流108（熱交換器109が合成ガス熱回収熱交換器110の一部である場合）に対し、熱供給することができる。高温の水性ガスシフト反応器186から放出された合成ガス流190は、温度250〜450℃、例えば275〜450℃、300〜440℃、325〜430℃、350〜420℃、375〜410℃または380〜400℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜80 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAである。
水蒸気改質装置の別の形態の例示を図５に示す。図示するように、水蒸気改質装置500は、図１Ａおよび／または図1Ｂに示した装置と実質的に同じであるが、ただし、水蒸気改質装置500において、煙道ガス燃料流512を合成ガス熱交換器510に迂回させ、煙道ガス燃料流160と、煙道ガス予熱器175への流入直前に合して燃料豊富煙道ガス燃料流162を形成させる点で、異なっている。煙道ガス燃料流512は、煙道ガス燃料流160と、任意の方法、例えばＹ字またはＴ字コネクタを用いて一緒に混合して単一の流れを形成するかまたは一方の流れを他方の流れに添加混合して、混合することができる。煙道ガス燃料流512は、合成ガス熱交換器510を迂回するため、合成ガス熱回収熱交換器110は、形態が僅かに異なり、４つの反応体供給流のみ（燃料供給流105、空気供給流107、燃焼空気流114、気体状炭化水素供給流109）を処理し、また合成ガス流190がそこを流動する。
合成ガス熱回収熱交換器510を形成するプレートの形態の例示反応体図６Ａ-Ｃに示す。図６Ａ-Ｃを参照すると、具体例では、合成ガス熱回収熱交換器510は、一連のプレートから構成されるPCHEを備えることができ、このプレートは、合して積層体を形成し、拡散連結法等により相互に連結させ、流入する高温および低温流れの間で熱交換させることができる。一般に、各流れの流路は、エッチング処理、圧延または他の方法で形成でき、熱交換器通過の１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を抑制しながら所望の熱交換が得られる形態を形成することができる。好適には、熱交換器510に対し流出入する流れは熱交換器内でメタルダスティング状態を回避または減少させるような温度、圧力および組成条件に維持される。大半の場合、熱交換器510に対し流出入する流れは、メタルダスティング温度未満である。一般に、合成ガス熱回収熱交換器510は、合成ガス熱回収熱交換器110（図1および図２Ａ-Ｃ）と実質的に同じであり、ただし、合成ガス熱回収熱交換器510は、煙道ガス燃料流512を加熱しない点で異なっている。したがって、ごく僅かな例外を除き、好適なプレートおよび流路寸法、厚みおよび各プレートの構造材料、およびプロセス条件などは、実質的に図２Ａ-Ｃに関する記載と同じである。
図６Ａ-Ｃを参照すると、具体例では、合成ガス熱回収熱交換器510は、１つまたはそれ以上の境界プレート610、１つまたはそれ以上の反応体供給プレート625および１つまたはそれ以上の合ガスプレート650を備えることができる。図６Ａ-Ｃに示した具体例では、プレートは、適切に積層して熱交換器を形成すれば、熱交換器109（図5、参照）を備えた合成ガス熱回収熱交換器510を形成することができる。各プレートは、熱交換器110の目的および状態に適した材料から製造することができる。図６Ａは、独立した流路612を含む合ガス流路611を有する境界プレート610を示し、この流路612は、合ガス入口613を合ガス出口614に接続する。図６Ａは、合ガス流路611をマルチパス流路として示すが、流路611は、多数の独立した流路612からなる直線的な向流、並流、クロスフローまたは単一パス流路を備えることもできる。具体例では、流路611は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、合ガス流路611は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチパス流路を備え、このマルチパス流路ではパスは熱交換の間クロスフローであるが、水流は、反応体供給プレート２６０上を、加熱した煙道ガス燃料流に対しほぼ向流方向に流動する。境界プレート610は、また空気流貫通部615、燃焼空気流貫通部616、燃料流貫通部617、燃料／空気混合物貫通部661、気体状炭化水素流貫通部618、水流貫通部619および合成ガス流貫通部620を備える。境界プレート610は、確実に、全ての反応体供給プレート625が高温流れプレートを境界プレート610または合成ガスプレート650のいずれか側または両側に保持し、積層体の高さにわたり熱負荷と熱流束のバランスを補助することができる。境界プレート610は、１つまたはそれ以上の流路612を備えることができる。
図６Ｂを参照すると、合成ガスプレート650は、合成ガス入口651、合成ガス出口652および合成ガス流路653を備える。合成ガス流路653は、１つまたはそれ以上の合成ガスの独立した流路654を備える。合成ガスの独立した流路654は、その特定の数を開示したが、合成ガス流路653は、システムの個々の必要性に応じて適切な形態を有し適切な数を有する独立した流路を備えることができるものと、理解すべきである。
図６Ｂは、特定数のパスを有する合成ガス流路653を示し、具体例では、合成ガス流路653は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、合成ガス流路653は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチパス流路を備え、このマルチパス流路ではパスは熱交換の間クロスフローであり、また合成ガスは、反応体供給プレート525上を、前記流れに対しほぼ向流方向に流動する。合成ガスプレート650はまた空気流シフト655、燃焼空気流処理する656、燃料流貫通部657、燃料／空気混合物貫通部663、気体状炭化水素流貫通部658、水流貫通部659および合成ガス貫通部660からなる。
図６Ｃを参照すると、反応体供給流625は、空気流貫通部621、燃焼空気流貫通部622、燃料流貫通部623、燃料／空気混合物貫通部662、気体状炭化水素流貫通部、水流貫通部626および合成ガス流貫通部646を有する。反応体供給流625は、空気入口628および空気出口629を有する空気流路627、燃焼空気入口631を有する燃焼空気流路630、燃料入口633および燃料／空気混合物出口634を有する燃料流路632、および気体状炭化水素入口636および気体状炭化水素出口637を有する気体状炭化水素流路635を備える。各流路627、630、632および635は、各々、多数の独立した流路638、639、640および641を備えることができる。一般に、各独立した流路638、639、640および641および隣接した稜部は、安全な圧力閉込めおよび伝熱性能と圧力降下との経済的に有効な組合せが得られるような寸法を有することができる。流路638、639、640および641の具体的数値を図６に開示したが、各流路627、630、632および635は、システムの個々の必要性に応じた適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができるものと理解すべきである。
図６Ｃは、各流路627、630、632および635をクロスフローおよび／または単一パスとして示したが、具体例では、各流路627、630、632および635は、多数のパス、例えば２〜20パス、２〜10パスまたは２〜５パスを有することができる。好適には、流路627、630、632および635は、クロスフローおよび／または単一パス流路である。図６Ｃを参照すると、燃焼空気流路630は、図５の燃焼空気流114を熱交換器510内の燃料供給流105と、同じ貫通部である燃料／空気混合物貫通部662への流路630を介する空気流入および流路632による燃料流入によって混合しうるような形態を有する。このような形態をとれば、図５に示すように、合成ガス熱回収熱交換器510の下流のこれらの流れを別々に混合することが不要となる。
反応体供給プレート625は、また水流入口643と水流出口644とを接続する水流路642を、図６Ｃの反応体供給プレート625の下方左側に示すように含む。水流路642は、１つまたはそれ以上の独立した流路645を備えることができる。反応体供給プレート625のこの部分は、熱交換器に形成すると、熱交換器109の水流路に相当する（図５、参照）。流路645は、改質装置システム500の残部に対し所望の圧力および温度で適切に水供給物を供給しうる寸法を有することができる。１つの独立した流路645を図６Ｃに示したが、流路642は、システムの個々の必要性に応じ、適切な形態の各流路に関し適切な数値を有することができる。
図６Ｃは、水流路642をマルチループまたはマルチパス向流の流路として示すが、この流路は、クロスフロー、並流および／または単一パスとすることができる。具体例では、流路642は、１つよりも多数のパスを備えることができ、各パスは、流動方向が逆転する単一形態であり、例えば、２〜100パス、５〜75パス、10〜60パス、15〜50パスまたは20〜40パスを含む。好適には、水流路642は、５またはそれ以上、10またはそれ以上、１５またはそれ以上、２０またはそれ以上、２５またはそれ以上または３０またはそれ以上のマルチパス流路を備え、このマルチパス流路ではパスは熱交換の間クロスフローであるが、水流は、合成ガスプレート650上を、略クロスフロー方向または合成ガス流に対しほぼ向流方向に流動する。
積層し拡散連結法等により連結して熱交換器を形成すると、種々の境界プレート610、反応体供給プレート625および合成ガスプレート650は、好適には以下の要素が種々の流路の適切な入口および出口に対し種々の流れを接続する流れアクセス流路または流れアクセス室を形成しうるように整列される：種々の空気流貫通部615、621および655、燃焼空気流貫通部616、622および656、燃料流貫通部617、623および657、燃料／空気混合物貫通部661、662および623、気体状炭化水素流貫通部618、624および658、水流貫通部619、626および659、および合成ガス流貫通部620、627および660。プレートは、図２に関する記載のような順序に従い、積層し、図２に関する記載と同じ数のセルおよび同じ形態を有することができる。種々の貫通部の整列に加え、好適には、プレートを積層すると、流路627、630、632および635を構成する独立した流路638、639、640および641を、流路611および653を構成する独立した流路612および654に対し緊密に配置させ、これにより、各独立した流路の壁部を介し所定の流れの間において熱交換を促進することができる。
水蒸気改質装置の別の形態の例示を図7に示す。図示するように、水蒸気改質装置700は、図1Ａおよび／または図1Ｂに示した装置100と実質的に同じであるが、ただし、水蒸気改質装置700では、煙道ガス燃料流160は、燃焼空気164への流入前に予熱していない点で異なっている。したがって、図1Ａに対し、燃料供給流104は分流されず、煙道ガス燃料流114も存在しないし、煙道ガス予熱器も省略されている。その結果、合成ガス熱回収熱交換器710は、図６Ａ-Ｃに関する記載のような形態を有することができる。図7の形態は、改質装置が、図1Ａのシステムに対し、高温で操作される状況を想定したものである。このような状況下、合成ガス流180および煙道ガス燃料流160は、温度約1000℃で改質段階から放出される。このような高温では、図１Ａまたは５における燃焼室175による補助は不要である。なぜなら、所定の水蒸気対炭素の比率に関し、高温での改質はより高いメタン変換を提供し、また合成ガス流180および煙道ガス燃料流160から回収される付加的な熱は、高温での改質に必要な水蒸気を発生に充分だからである。
図１Ａ、５および７を参照すると、各改質装置100、500および700は、改質装置モジュール150を備える。改質装置モジュール150は、気体状炭化水素-水蒸気流174を改質して、合成ガス流180および煙道ガス燃料流160を形成する。改質プロセスの間、改質燃料流124は、改質空気流126の存在下に燃焼させて、付加的な熱を改質プロセスに提供する。改質装置モジュール150の具体例の例示を図８に示す。図８に示すように、具体例では、改質装置モジュール150は、予備改質装置800および改質装置820を備えることができる。予備改質装置800は多数の段階801、802および803を含み、これらの段階は、熱交換を、気体状炭化水素-水蒸気流174と煙道ガス燃料流160との間で熱交換器804、805および806において行い、次いで気体状炭化水素-水蒸気流174の部分接触改質を、接触改質室または床807、808および809で行う。図８の具体例は、３つの予備改質段階801〜803を示すが、予備改質段階の数は、システムの条件に応じて１〜10と、変化させることができる。好適には、メタルダスティング状態およびコーキング状態を、予備改質段階にわたり回避する。操作に際し、予備改質装置800には、気体状炭化水素-水蒸気流174を、煙道ガス燃料流160からの熱回収によって加熱し、次いで加熱した気体状炭化水素-水蒸気流174を部分接触改質する、多数の相互反応または段階が包含される。
具体例では、予備改質装置800は、図９Ａ〜Ｅに示した一連のプレートから構成されるPCRを備え、これらプレートは、積層し拡散連結法等により連結してPCRを形成することができる。このようなPCRは、PCHEと類似の形態を有し、触媒室または触媒床を、所定の間隔で気体状炭化水素-水蒸気流174の流路内に備え、流れを交互に煙道ガス燃料流160によって加熱し、次いで接触改質することができる。PCRは、一連のプレートから構成することができ、これらプレートを、積層体に合し、相互に拡散連結し、流路を構成する流路の相互緊密な配置によって高温流と低温流との間で熱交換を行い、気体状炭化水素-水蒸気流174の接触改質を行う。積層には、エンドプレート、境界プレートおよび所望の熱交換器に応じた特殊形態の気体状炭化水素流プレートおよび煙道ガスプレートの積層が包含される。一般に、各プレートの流路は、エッチング処理、圧延または他の好適な方法でプレート上の流路として形成でき、所望の熱交換を、PCR横断する１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を抑制しながら達成することができる。各プレート上の流路は、単一または多数のパス熱交換を流れの間で得られるような形態を有し、また並流、クロスフローまたは向流で操作しうるような形態を有することができる。具体例では、一方の流れのプレートを多数のパスを有する形態とし、他方の流れのプレートを単一のパスを有する形態とすることができる。好適には、PCRに対し流出入する流れは、PCR内においてメタルダスティング状態を回避／減少させるような温度、圧力および組成で維持する。図９Ａ〜Ｅの具体例は、３つの予備改質段階を備える。
図９Ａ〜Ｅを参照すると、具体例では、PCRは、１つまたはそれ以上の境界プレート910、１つまたはそれ以上の煙道ガス燃料流プレート920、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流プレート950、１つまたはそれ以上のトップエンドプレート970および１つまたはそれ以上のボトムエンドプレート980を備えることができる。流れパスおよび流路がアクセスする貫通部を有しないようなプレートおよび流れに関し、各流路の端部で積層したプレート端部にヘッダを付設でき、例えば、溶接して、所定の流路内を流動する流れの配送および／または集合を促進することができる。具体例では、かかるヘッダは、片側に開口部を有するようなパイプまたはチューブの一部からなり、パイプまたはチューブ内に各流路の各流れが直接流入することができる。図９Ａ〜Ｅは、ともに絶縁カットアウトＡを含み、図９Ｃは絶縁貫通部Ｂを含む。絶縁カットアウトＡは、プレートを積層しPCRを形成した際にPCR積層体の高さ全体にわたって広がり、高温流の制御および流れの高温部分からの望ましくない熱流の流入の防止に役立ち、当該プレートの当該流れ部分を、プレートに沿った伝熱を介し冷却し、流れの間において伝熱が減少した領域が得られる。絶縁貫通部９Ｂは、同じ機能を奏するが、気体状炭化水素流プレート950にしか存在しておらず、積層体高さの全体にわたっては及んでいない。
図９Ａは、煙道ガス燃料流路911を有する境界プレート910を示し、この流路は、ガス入口913とガス出口914とを接続する多数の独立した流路912からなる。境界プレート910は、また改質室または改質床貫通部915、916および917および気体状炭化水素流貫通部918を含む。境界プレート910は、積層体の高さにわたり熱負荷と熱流束のバランスを補助することができる。
図９Ｂを参照すると、煙道ガスプレート920は、改質室または改質床貫通部921、922および923と、気体状炭化水素流貫通部924を含む。煙道ガスプレート920は、また煙道ガス燃料流路927を、その煙道ガス入口926および煙道ガス出口925共に有する。流路927は、１つまたはそれ以上の独立した流路928を備えることができる。独立した流路928に関し、特定の数値を開示したが、流路927は、システムの具体的条件に応じて適切に形成した独立した流路を適切な数で含むことができるものと、理解すべきである。さらに、図９Ｂは、流路927をクロスフローまたは単一パスとして示すが、具体例では、流路927は、多数のパス、例えば２〜20パス、２〜10パスまたは２〜５パスを含むことができる。好適には、流路925は、クロスフローまたは単一パスの流路である。
図9Ｃを参照すると、気体状炭化水素流プレート950は、改質室または改質床貫通部951、952および953と、気体状炭化水素流貫通部954を含む。気体状炭化水素流プレート950は、気体状炭化水素流の流路955をその気体状炭化水素流入口956および気体状炭化水素流出口957と共に有する。流路955は、１つまたはそれ以上の独立した流路958を備えることができる。流路958に関し、特定の数値を開示したが（図９Ｃ）、流路957は、システムの具体的条件に応じて適切に形成した独立した流路を適切な数で含むことができるものと、理解すべきである。さらに、図９Ｃは、流路955を、多数のクロスフローまたは単一パスのクロスフローの組合せとして示すが、具体例では、流路955は、多数のパス、例えば２〜20パス、２〜10パスまたは２〜５パスを含むことができ、他の具体例では、流路955は、単一パスのクロスフロー、並流または向流からなことができる。好適には、流路955は、熱交換の間、多数のクロスフローまたは単一パスのクロスフローの組合せである一方、一般に、煙道ガス燃料流160に対し向流またはクロスフロー方向に流動する。具体例では、流路955は、多数のクロスフロー流路を入口956と第１改質室または改質床貫通部951との間に含む一方、一般に向流方向に流動し、単一パスクロスフロー流路を第１燃焼室と第２燃焼室の間および第２燃焼室と第３燃焼室との間に含み、更に一般に、向流方向に流動する。
具体例では、図９Ｃは、また気体状炭化水素流流路960および改質装置流路961を含む。気体状炭化水素流流路960は、気体状炭化水素-水蒸気流174の予備改質装置800への供給に役立ち、気体状炭化水素流貫通部954は、ヘッダを介し供給でき、このヘッダはPCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に溶接または連結することができる。気体状炭化水素流貫通部954は、他のプレートの気体状炭化水素流貫通部と共に、室または空の室を形成でき、この室は、所望により触媒を含んで、気体状炭化水素流の予備改質装置800による付加的な改質を促進することができる。流路960を形成しない具体例では、気体状炭化水素流貫通部から形成した室は、気体状炭化水素-水蒸気流174の予備改質装置800への入口として機能し、当該流れは、エンドプレートに付設した開口部を介し流動して当該室にアクセスすることができる。同様に、改質装置流路961は、予備改質装置800の各プレート内を流動する改質装置流811の集合に役立ち、この集合は、流れ174が、改質室または改質床貫通部917、923および953と、改質装置820への供給用のエンドプレートによって形成した室において、その予備改質を完了するにつれて行うことができる。流路961は、流れをヘッダに供給でき、このヘッダはPCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に溶接または連結することができる。流路960および961は、流路958と同じまたは異なる、形態および寸法を有することができ、流路958と比較して、流路960および961は、同じまたは異なる数とすることができる。一般に、流路960および961は、各々独立して表１に記載の寸法を有することができる。
図９Dを参照すると、トップエンドプレート970は、ブランクプレートまたは流路回路を有しないプレートとすることができ、また絶縁して伝熱を促進し熱損失を制限することができる。具体例では、トップエンドプレート970は、種々の流れの流出入用の入口および出口または開口部を含むことができる。具体例では、多数のトップエンドプレートを各端部に使用することができる。具体例では、単一のトップエンドプレート970を使用する。他の具体例では、多数のトップエンドプレートを用いて、ヘッダまたは開口部に充分な厚みを提供することができる。同様に、図９Eを参照すると、ボトムエンドプレート980は、ブランクプレートまたは流路回路を有しないプレートとすることができ、また絶縁して伝熱を促進し熱損失を制限することができる。具体例では、ボトムエンドプレート980は、種々の流れの流出入用の入口および出口または開口部、例えば、貫通部984を含むことができ、また、各プレートを積層した際に形成されるアクセス開口部981、982および983を介し触媒室にアクセスすることができる。具体例では、ボトムエンドプレート980は、貫通部984を含まない。また具体例では、多数のボトムエンドプレートを使用することができる。具体例では、単一のボトムエンドプレート980を使用することができる。他の具体例では、多数のエンドプレートを用いて充分な厚みをヘッダまたは開口部に提供することができる。具体例では、エンドプレートはトップエンドプレートに隣接する境界プレートに対し壁部を提供し、貫通部の配列によって蓋として機能し、例えば、開口部またはヘッダを介し、所定の流れの、PCR900に対する接続を支持することができる。したがって、エンドプレートは、各貫通部の圧力の許容および開口部またはヘッダの支持に関して充分な厚みとすべきである。
積層し拡散連結法等により連結してPCRを形成すると、種々の境界プレート910、煙道ガスプレート920および気体状炭化水素流プレート950は、好適には種々の改質室または改質床貫通部915、921および951、916、922および952、917、923および953が改質室または改質床、例えば改質室または改質床807、808および809を形成しうるように整列される。改質室または改質床は、構造または非構造触媒を充填でき、改質反応を任意の触媒を用いて促進することができる。加えて、種々のプレートは、好適には、気体状炭化水素流貫通部918、924、954および984が、気体状炭化水素流用の流れアクセス流路または室を形成しうるように、整列する。
改質室または改質床貫通部の整列に加え、プレートの積層は、好適には、流路911、925および955を相互に緊密に配置して、独立した流路912、928および958の壁部を介し、所定の流れ間の伝熱を促進する。 具体例では、この伝熱は図８において熱交換器804、805および806として示す。
具体例では、プレートは、任意の順序で積層し拡散連結法等により連結してPCRを形成することができる。具体例では、プレートは次の順序で積層することができる：少なくとも１つのトップエンドプレート970、境界プレート910、多数の予備改質セル、煙道ガスプレート920からなる予備改質セルおよび気体状炭化水素プレート950、次いで１つまたはそれ以上の煙道ガスプレート920、別の境界プレート910およびボトムエンドプレート980。したがって、プリント回路反応器プレートの順序は次のような能動プレート用のパターンとすることができる：（境界プレート910＝Ｂ、煙道ガスプレート920＝Ｆ、気体状炭化水素プレート950＝Ｇ）：ＢＦＧＦＧＦＧ…ＦＧＦＧＦＧ。煙道ガスプレート920および気体状炭化水素プレート950の斜視図、すなわち予備改質セルの斜視図を図１０として示す。エンドプレートは、流路回路を有しないブランクプレートを有し、また絶縁して伝熱を向上させ、熱損を限定している。エンドプレートは、貫通部の配列によって形成した流れ室および流れ進行通路に対し蓋として機能し、例えば、流れ室および流路に流体連通した状態の開口部またはヘッダを介し、PCRへの所定流れの接続を支持することができる。したがって、エンドプレートは、各貫通部の圧力の許容および開口部またはヘッダの支持に関して充分な厚みとすべきである。具体例では、エンドプレートが他のプレートよりも厚い場合、単一のエンドプレートを熱交換器164の各端部に用いる。他の具体例では、多数のエンドプレートを、支持またはヘッダまたは開口部の形成に充分な厚みで、各端部に用いることができる。
燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、PCRは、３枚のトップエンドプレート、次いで１枚の境界プレート910、次いで11枚の改質セル、次いで１枚の煙道ガスプレート920、次いで境界プレートおよび３枚のボトムエンドプレートを備えることができる。この形態では、厚み1.60 mmのプレートを用いた場合、高さ49.6 mmの積層した予備改質装置800が得られる。好適には、予備改質装置800を構成するPCRは、この予備改質装置800が被る圧力および温度に対し耐性を示すのに適した材料から構成される。具体例では、PCRおよび予備改質装置800は、合金800Hまたは合金617から製造することができる。
PCRを構成するプレートは、各々独立して、表１に示した厚みを有することができる。具体例では、各プレートは1.6 mmの厚みとすることができる。加えて、独立した流路912、928および958は、各々独立して、略半円形の断面を有し、表１に記載した直径を有することができる。具体例では、各独立した流路912、928および958は半円形断面および幅約1.99 mm、深さ約1.1 mmおよび約0.5 mmの稜部を有することができる。
具体例では、PCRは、次のように操作することができる：まず、気体状炭化水素-水蒸気流174を第１段階の改質装置801内に、気体状炭化水素流入口956、次いで気体状炭化水素流貫通部918、924、954および984と、エンドプレート970および980の整列によって形成した流れアクセス流路または室を介し、次いで気体状炭化水素流プレート上に形成した気体状炭化水素流路955内に流入させることができる。気体状炭化水素流は、気体状炭化水素流入口956を介し、気体状炭化水素流プレート950の独立した流路958内に流入させ、ここで、流れを、煙道ガスプレート920および境界プレート910のPCR内に流入する煙道ガスで加熱し、次いで流路925および911各々の独立した流路928および912を流動させる。図９Ａ-Ｅの具体例では、この第１段階の熱交換の間、独立した流路958は流路955を形成し、この流路955は、多数のパスを有し、単一パス流路927および911を流動する煙道ガスに対する熱交換の間、クロスフローである。
第１加熱段階の後、流路958を流動する気体状炭化水素流は、改質貫通部915、921および951と、エンドプレートの整列によって形成した改質室または改質床807に供給して、部分接触改質する。この部分改質した流れは、次いで第２段階の予備改質802内に流入し、ここで、煙道ガス燃料流160によって加熱する。この第２加熱段階において、独立した流路958は、流路955を形成し、この流路955は、単一パス流路927および911を流動する煙道ガスに対し向流で流動する単一パス流路である。
第２加熱段階の後、流路958を流動する部分改質した流れは、改質貫通部916、922および952およびエンドプレートの整列によって形成した改質室または改質床808に供給して、部分接触改質する。得られた部分改質した流れは、次いで第３段階の予備改質803内に流入し、ここで、煙道ガス燃料流160によって加熱する。この第３加熱段階において、独立した流路958は、流路955を形成し、この流路955は、単一パス流路925および911を流動する煙道ガスに対し向流で流動する単一パス流路である。
第３加熱段階の後、流路958を流動する部分改質した流れは、改質貫通部917、923および953およびエンドプレートの整列によって形成した改質室または改質床809に供給して、部分接触改質する。改質室または改質床809から放出される流れは、予備改質装置800から改質装置流811として放出し、改質装置820による第１段階の改質に供給する。煙道ガス燃料流160は、予備改質装置800から放出し、所望により、改質装置100からの放出に先行する水流108への付加的な熱供給前に、燃焼室175で再加熱する。
具体例では、気体状炭化水素-水蒸気流174は、予備改質装置800内に飽和水蒸気温度よりも僅かに低い温度、例えば温度200〜270℃、例えば210〜260℃、215〜250℃、220〜240℃、225〜240℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで流入し、予備改質装置800から改質装置流811として温度500〜700℃、例えば510〜675℃、520〜650℃、530〜625℃、550〜600℃、560〜590℃および圧力10〜100 barA、例えば10〜90 barA、10〜75 barA、10〜60 barA、10〜50 barA、10〜40 barA、10〜30 barA、10〜20 barA、10〜18 barA、11〜17 barA、1２〜16 barA、13〜15 barA、13.5〜14.5 barAで放出させる。
煙道ガス燃料流160は、予備改質装置800内に温度700〜1050℃、例えば750〜1000℃、800〜950℃、825〜925℃、850〜900℃および圧力1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満で流入させ、また予備改質装置800から温度500〜650℃、例えば510〜625℃、520〜600℃、530〜575℃および圧力1 barG未満、例えば、0.75 barG未満、0.50 barG未満、0.40 barG未満、0.30 barG未満、0.20 barG未満、0.15 barG未満、0.10 barG未満、0.075 barG未満または0.05 barG未満で放出することができる。
図８を参照すると、予備改質装置800からの放出後、改質装置流811は、改質装置820内に流入される。図８に示すように、改質装置820は、多数の改質段階、例えば821、822、823、824および825を含み、ブレーキ880によって示される段階を含み、この段階は、以下に記載の段階821〜825と実質的に同じ形態で任意の数の段階であることを意図しており、各段階は、熱交換器831、832、833、834および835により改質装置流811への改質装置空気流126の熱交換移動、次いで改質装置841、842、843、844および845による改質装置流811の接触改質、および燃焼室851、852、853および855による改質装置燃料流124の一部の接触燃焼による改質装置空気流126の再加熱を含む。改質装置燃料流124は、改質燃料流124および改質段階861、862、863および865を含む燃料分配ネットワークを介し、各段階に平行に供給することができる。図８は、５つの完結段階821、822、823、824および825を示すが、任意の数の改質段階を使用できるものと、理解すべきであり、例えば、ブレーキ880によって示されるような任意の数の段階、例えば２〜35、３〜30、５〜25、８〜20、10〜15の改質段階である。また注意すべきは、改質の最後の段階は、改質装置流126を再加熱して接触改質に対し充分な熱を供給することが不要であり、したがって、１つまたはそれ以上の最後の段階は、改質装置空気流126の再加熱工程または燃焼室またはその燃焼室中の触媒および／または改質段階燃料流を含まない。具体例では、最後の段階の改質は、改質装置空気流126の再加熱を含まない。例えば、改質段階824は、燃焼室875が示されるが、燃料の供給を含まないため、燃焼室875は、触媒を含まず、付加的な燃焼も起こらない。別法として、燃焼室875は、触媒を含んで、改質装置空気流126中の残存可燃性成分を燃焼させることができる。好適には、メタルダスティング状態およびコーキング状態は、改質段階にわたり、回避される。
具体例では、改質装置820は、PCRからなる。PCRは、プリント回路熱交換器（PCHE）と類似の形態を有することができ、改質装置流の流路内に間隔をあけて配置した触媒室または触媒床、および改質装置空気流126および改質装置燃料流124の流路内に間隔をあけて配置した燃焼触媒室を備え、これにより、改質装置流811を交互に、改質装置空気流126によって加熱し、次いで部分接触改質する一方、改質装置空気流126により交互に改質装置流811を加熱し、改質装置流124の一部の燃焼によって再加熱する。PCRは、一連のプレートを備えることができ、このプレートは、積層し、相互に拡散連結し、流れパスを構成する流路を相互に緊密に配置することによって高温流れと低温流れの間で熱交換し、改質空気流126の存在下に改質燃料流124の一部の接触燃焼および改質装置流811の接触改質を行う。積層は、エンドプレート、境界プレートおよび特定形状の改質装置流プレート、改質空気プレートおよび改質燃料プレートの積層を含んでもよい。
一般に、各流れの流路は、プレート上の流路として、エッチング処理、圧延または他の好適な方法で形成し、PCRを横断する１つまたはそれ以上の流れの圧力降下を制御しながら、所望の熱交換が得られるような形態を有することができ。改質流プレートおよび改質空気流プレートの流路は、流れの間で単一または多数パスの熱交換が得られるような形態を有することができ、並流、クロスフローまたは向流で操作することができる。具体例では、改質流および改質空気流の一方用のプレートは多数の流路を有する形態とする一方、他の流れ用のプレートは単一の流路を有する形態とすることができる。好適には、PCRに対し流出入する流れは、PCR内においてメタルダスティング状態およびコーキング状態を回避または減少させるような温度、圧力および組成で維持する。
PCRの具体例を構成するプレートの例示を図１１Ａ〜Ｆに示す。図１１Ａ〜Ｆに示した具体例は、14段階の改質を含むが、適切な段階数を、開示した種々のプレートに対し適切に変形した変形例と共に採用できるものと、理解すべきである。図１１Ａ〜Ｆを参照すると、PCRは、１つまたはそれ以上の境界プレート1101、１つまたはそれ以上の改質装置プレート1121、１つまたはそれ以上の改質装置空気流1141、１つまたはそれ以上の改質装置燃料プレート1161、１つまたはそれ以上のトップエンドプレート1180、および１つまたはそれ以上のボトムエンドプレート1190を含むことができる。
図11Ａを参照すると、境界プレート1101は、改質装置入口室貫通部1102および改質装置出口室貫通部1103（これは最後の改質室または改質床貫通部とすることができる）および多数の独立した流路1105からなる流路1104を含む。一般に、境界プレート1101は、改質装置プレート1121上の独立した流路の数よりも少ない数で、独立した流路1105を有することができる。具体例では、境界プレート1101の流路は、改質装置プレート1121の独立した流路の半分である。図11ＡＡの境界プレート1101を示す拡大図に示すように、境界プレート1101に伴う14段階の単一段階改質の例示は、改質室または改質床貫通部1112、燃焼室貫通部1114および燃料供給貫通部1113を含む。境界プレート1101は、熱交換器に形成した際、積層体の全体にわたり熱負荷と熱流束のバランスを補助することができる。
図11ＡＡは、改質装置室貫通部1112を、境界プレート1101の右手側に配置した状態で示すが、理解すべきこととして、改質段階の改質装置室貫通部は、最初または入口貫通部1102から最後または出口貫通部1103までの燃料供給貫通部1113と共に、境界プレート1102に沿って交互に配置でき、また境界プレート1101のいずれかの片側から開始することができる。したがって、段階1110の直前直後の段階は、改質室および改質床貫通部1112を境界プレート1101の左手側に有し、燃料供給貫通部1113を境界プレート1101の右手側に有することができる。具体例では、段階は意図した用途に適切なように異なる形態を有することができ、本明細書に開示の方法および装置の具体例は、種々の貫通部の交互配置に限定されるものと、理解すべきではない。例えば、熱交換は、１つまたはそれ以上のパスを含み、形態は、これらのパスに適合するよう変形することができる。
操作において、改質装置流811の一部は、独立した流路1105を介し流動し、この流路において、熱回収を、図11Ｃおよび図11ＣＣに示した独立した流路1145を流動する加熱した改質装置空気流126から行い、改質装置室貫通部1112に供給する。改質装置室貫通部1112（貫通部1102および1103を含む）は、図11Ｂ〜ＤおよびＦのプレートの対応する改質装置室貫通部1132（貫通部1122および1123を含む）1152、1172および1192と合して、改質装置室、例えば改質装置室841、842、843、844および845（図８）を形成し、ここで改質装置流811を部分接触改質する。具体例では、入口貫通部1101と共に対応する他のプレートの貫通部によって形成した改質室811は、整列して触媒を含まず改質装置流811も改質しないブランクまたは空の室を形成することができる。部分改質したのち、改質装置流811は、改質装置室から放出し、熱を、次の改質段階から改質装置流出口貫通部1103を介する最後の放出改質段階まで、回収し、この最後の段階において、改質した流れを、改質装置プレート1121の最後の改質段階から放出される改質した流れと合し、これにより、合成ガス流180を形成することができる。
図11Ｂは、改質装置流入口貫通部1122および改質装置流出口貫通部1123（最後の改質室または改質床貫通部とも言う）を有する改質装置プレート1121、および多数の独立した流路1125からなる流路1124を示す。図11ＢＢの改質装置1121の拡大図に示すように、改質装置プレート1121に伴う、14段階の単一改質段階の例示は、改質室または改質床貫通部1132、燃焼室貫通部1134および燃料供給貫通部1133を含む。図11ＢＢは、改質装置室貫通部1132を、改質装置プレート1121の右手側に配置した状態で示すが、理解すべきこととして、改質段階の改質装置室貫通部は、入口貫通部1122から出口貫通部1123までの燃料供給貫通部1122と共に、改質装置プレート1121に沿って交互に配置でき、また改質装置プレート1101のいずれかの片側から開始することができる。したがって、段階1130の直前直後の段階は、改質室および改質床貫通部1132を改質装置プレート1121の左手側に有し、燃料供給貫通部1133を改質装置プレート1121の右手側に有することができる。具体例では、段階は意図した用途に適切なように異なる形態を有することができ、本明細書に開示の方法および装置の具体例は、種々の貫通部の交互配置に限定されるものと、理解すべきではない。例えば、熱交換は、１つまたはそれ以上のパスを含み、形態は、これらのパスに適合するよう変形することができる。
操作において、改質装置流811の一部は、独立した流路1125を介し流動し、この流路において、熱回収を、図11Ｃおよび図11ＣＣに示した独立した流路1145を流動する加熱した改質装置空気流126から行い、改質装置室貫通部1132に供給する。改質装置室貫通部1132（貫通部1122および1123を含む）は、図11Ａ、Ｂ〜ＤおよびＦのプレートの対応する改質装置室貫通部1112（貫通部1102および1103を含む）1152、1172および1192と合して、改質装置室、例えば改質装置室841、842、843、844および845（図８）を形成し、ここで改質装置流811を部分接触改質する。具体例では、入口貫通部1122と共に対応する他のプレートの貫通部によって形成した改質室811は、整列して触媒を含まず改質装置流811も改質しないブランクまたは空の室を形成することができる。部分改質したのち、改質装置流811は、改質装置室から放出し、熱を、次の改質段階から改質装置流出口貫通部1123を介する最後の放出改質段階まで、回収し、この最後の段階において、改質した流れを、改質装置プレート1101の最後の改質段階から放出される改質した流れと合し、これにより、合成ガス流180を形成することができる。
具体例では、図１１A-Bは、改質装置流入口流路1106および1126と改質装置流出口流路1107および1127を含む。改質装置流入口流路1106および1126は、改質装置流811の改質装置820と入口貫通部1102および1122への供給に役立ち、また、PCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に連結または溶接しうるヘッダを介し供給することができる。入口貫通部1102および1122は、他方のプレートの対応する貫通部と共に、空の室とできる室を形成することができ、この室は、所望により触媒を含み、改質装置820による改質装置流の付加的な改質を促進することができる。室1106および1126を形成しない具体例では、入口貫通部から形成した室は、当該室へのアクセスを提供するエンドプレートに付設した開口部を介し流れを供給することにより、予備改質装置800への改質装置流811用の入口として機能することができる。同様に、改質装置流出口流路1107および1127は、改質室または床貫通部1103および1123と他のプレートおよびエンドプレートによって形成される室における流れ811の改質が完了するにつれて、改質装置820の各プレートを流動する合成ガス流180を集合させるのに役立つ。流路1107および1127は、流れ180を、PCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に連結または溶接しうるヘッダ内に供給することができる。流路1106、1107、1126および1127は、流路1105および1125と同じまたは異なった形態および寸法を有することができ、流路1105および1125と比較して、同じ数または異なった数の流路1106、1107、1126および1127を形成することができる。一般に、流路1106、1107、1126および1127は、各々独立して、表１に示す寸法を有することができる。
図11Ｃは、改質装置空気プレート1141を示し、これは改質装置空気入口1142および改質装置空気出口1143、および多数の独立した流路1145からなる流路1144を有する。図11ＣＣの改質装置空気プレートの拡大図に示すように、改質装置プレート1141に伴う、14段階の単一改質段階の例示は、改質室または改質床貫通部1152、燃焼室貫通部1154および燃料供給貫通部1153を含む。図11ＣＣは、改質装置室貫通部1152を、改質装置プレート1141の右手側に配置した状態で示すが、理解すべきこととして、改質段階の改質装置室貫通部は、入口貫通部1142から出口貫通部1143までの燃料供給貫通部1153と共に、改質装置空気プレート1141に沿って交互に配置でき、また改質装置空気プレート1141のいずれかの片側から開始することができる。したがって、段階1150の直前直後の段階は、改質室および改質床貫通部1152を改質装置プレート1141の左手側に有し、燃料供給貫通部1153を改質装置プレート1141の右手側に有することができる。具体例では、段階は意図した用途に適切なように異なる形態を有することができ、本明細書に開示の方法および装置の具体例は、種々の貫通部の交互配置に限定されるものと、理解すべきではない。例えば、熱交換は、１つまたはそれ以上のパスを含み、形態は、これらのパスに適合するよう変形することができる。
操作において、改質装置空気流126は、独立した流路1145を介し流動し、この流路において、熱を、図11Ａに示した境界プレート1101の独立した流路1105を流動する改質装置流811の一部および図11Ｂに示した独立した流路1125を流動する改質装置流811の一部に、各プレートの独立した流路の壁部を介し供給することができる。次いで改質装置空気流126を燃焼室貫通部1154に供給する。燃焼室貫通部1154は、図11Ａ-Ｂ、ＤおよびＦのプレートの対応する燃焼室貫通部1114、1134、1174および1194と合して、燃焼室、例えば、燃焼室851、852、853および855（図８）を形成し、ここで、改質装置流126を、改質装置燃料プレート1161の独立した流路1165からの燃料の接触燃焼により再加熱することができる。再加熱後、改質装置空気流126は、燃焼室から放出し、次の改質段階において最後の改質段階からの放出まで、改質装置流811を加熱し、改質空気貫通部に供給し、ここで、煙道ガス燃料流160として改質装置モジュールから放出することができる（図８）。
図11Ｄは、改質装置燃料プレート1161を示し、これは改質装置燃料入口1162および改質装置空気出口1163、および１つまたはそれ以上の独立した流路1165からなる流路1164を有する。図11Ａ-Cに示したプレートを流動する一連の流れとは異なり、改質装置燃料流124の一部は、個別にそして独立して、改質装置の各段階に対し、平行に供給することができる。したがって、燃料を改質装置燃料プレート1161に供給する各改質段階は、それ自体の改質装置燃料入口1162、改質装置燃料出口1163および流路1164を有する。加えて、各段階に供給される改質装置燃料流124の量は、他の段階に供給される改質装置燃料流124と同じ量または異なった量とすることができる。その結果、改質装置燃料入口1162、改質装置燃料出口1163および各段階の流路1164は、他の段階と同じ形態または異なる形態とすることができる。具体例では、第１段階後に各段階に供給される改質装置燃料流124の量は、先行する段階に比し少量とすることができる。さらに、１つまたはそれ以上の後の段階は、改質装置燃料流124のいずれの部分も受容しない。なぜなら、改質装置空気流126再加熱の必要性が、後の改質段階では少ないかまたは存在しないからである。連続改質段階の各々に供給される改質装置燃料流124の量が減少した流れの具体例は、以下の図15に関して説明する。
図11Ｄに示すように、流路1164は、改質段階に供給される改質装置燃料流124の量を、独立した流路1165の寸法、数および形態と、改質システム100全体の圧力降下の制御によって受動制御しうるような形態を有することができる。多数の改質燃料出口1163は、かかる段階の燃焼貫通部1174に対し改質装置燃料流124の一部をより均等に供給するのに使用することができる。加えて、所定の段階に関し、当該段階に供給される改質装置燃料流124の一部を１つまたはそれ以上の燃料供給貫通部1173に供給することができる。したがって、単一の改質段階に言及する際には、当該段階に供給される燃料の一部は、異なる段階に物理的に関与する燃料供給貫通部1173から受容することができ、また燃料供給貫通部1173は１つまたはそれ以上の段階に燃料を供給しうる形態を有することができるものと、理解すべきである。燃料供給貫通部1173は、図11Ａ〜ＣおよびＥのプレートの対応する燃料供給貫通部1113、1133、1153および1183と合して、燃料供給流れアクセス流路またはアクセス室を形成することができる。
図11ＤＤの改質装置燃料プレートの拡大図に示すように、この改質装置燃料プレート1161に伴う、14段階の単一改質段階の例示は、燃料供給貫通部1173、燃焼室貫通部1174および改質室または改質床1172を含む。改質装置燃料プレート1161の拡大図は、燃料供給貫通部1173を、改質燃料プレート1141の右手側に配置した状態で示すが、理解すべきこととして、燃料供給貫通部は、改質室または改質床1172と共に、改質装置燃料プレート1161に沿って交互に配置することができる。したがって、段階1170の直前直後の段階は、燃料供給貫通部1173を改質装置燃料プレート1161の左手側に有し、改質室または改質床貫通部1172を改質装置プレート1161の右手側に有することができる。具体例では、段階は意図した用途に適切なように異なる形態を有することができ、本明細書に開示の方法および装置の具体例は、種々の貫通部の交互配置に限定されるものと、理解すべきではない。
操作において、改質装置燃料流124は、燃料供給流アクセス流路またはアクセス室から、燃料入口流路を介し独立した流路1165からなる流路1164に沿って流動し、次いで燃料出口1164を通って、燃焼室1174内に入り、ここで、改質装置燃料流からの燃料の一部を改質装置空気流126の存在下に接触燃焼させ、これにより、改質装置空気流126を再加熱することができる。改質装置燃料流124からの燃料の一部の燃焼による副生成物は、改質装置空気流126と共に、燃焼室から放出することができる。
具体例では、図11Ａ〜Ｄの各図は、改質装置空気流入口流路1108、1128、1142および1168と、改質装置空気流出口流路1109、1129、1143および1169 を含む。改質装置空気流入口流路1108、1128、1142および1168は、改質装置空気流126を改質装置820および改質装置空気入口貫通部1115、1135、1155および1175 に供給するのに役立ち、またPCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に連結または溶接しうるヘッダを介して供給することができる。入口貫通部1115、1135、1155および1175は、空の室であってよい室を形成でき、この室は、流路1145からなる流路1144への供給用の改質装置空気流を集めることができる。同様に、改質装置空気流出口流路1109、1129、1143および1169は、最終の熱交換段階の後、改質装置820の各プレートを流動する煙道ガス燃料流160を供給し、所望により燃焼させ、パイプまたは管により煙道ガス燃料流を予備改質装置800に供給するのに役立つ。出口流路1109、1129、1143および1169は、流れ160を、PCRを構成するプレートの積層体を横断する各流路の端部に連結または溶接しうるヘッダ内に供給することができる。改質装置空気流入口流路1108、1128、1142および1168と、改質装置空気流出口流路1109、1129、1143および1169は、流路1145と同じまたは異なる、形態および寸法を有することができ、流路1145と比較して、改質装置空気流入口流路1108、1128、1142および1168と、改質装置空気流出口流路1109、1129、1143および1169は、同じ数または異なる数とすることができる。一般に、改質装置空気流入口流路1108、1128、1142および1168と、改質装置空気流出口流路1109、1129、1143および1169は、各々独立して、表１に示す寸法を有することができる。このように改質装置空気流126を供給することにより、改質装置を横断する流れの圧力降下を最小化することができる。
図11Ｅは、燃料供給貫通部1183を有するトップエンドプレート1180の例示を示す。トップエンドプレート1180は、流路回路を有しないブランクのプレートであって、絶縁して伝熱を促進し、熱損を制限することができる。具体例では、単一のトップエンドプレート1180を用いる。他の具体例では、多数のトップエンドプレートを用い、充分な厚みを燃料供給用のヘッダまたは開口部に与えることができる。具体例では、ヘッダは、トッププレートの長さおよび幅にわたり溶接などで連結して形成され、燃料の各燃料供給貫通部への供給に使用される。具体例では、この供給は、燃料をヘッダに供給することで達成でき、ヘッダは、各燃料供給貫通部にアクセスする単一の開口スペースであり、その形態に応じて、所望の圧力降下が得られ、改質装置における燃焼室への燃料供給に関し、所望の受動制御を達成することができる。同様に、図11Ｆに示すように、ボトムエンドプレート1190は、流路回路を有しないブランクプレートとすることができ、絶縁して伝熱を促進し、熱損を抑制することができる。具体例では、ボトムエンドプレート1190は、１つまたはそれ以上の種々の流れの流出入用の入口および出口並びに改質室または改質床貫通部1192および燃焼室貫通部1194を含み、これらは、そこに接続した開口部にアクセスすることができる。具体例では、多数のボトムエンドプレートを使用することができる。具体例では、単一のボトムエンドプレート1190を使用することができる。他の具体例では、多数のエンドプレートを用いて充分な厚みをヘッダまたは開口部に与えることができる。具体例では、エンドプレートは、このエンドプレートに対向する境界プレートの通路用の壁部を形成でき、貫通部に対し蓋として機能し、所定の流れのPCRへの連結を、例えば、開口部またはヘッダを介し支持することができる。したがって、具体例では、エンドプレートは、各貫通部の圧力を受容し、開口部またはヘッダを支持するのに充分な厚みとすべきである。具体例では、ボトムエンドプレートの種々の貫通部は、プレートを積層して改質装置に形成した後、貫通部キャップでキャップすることができる。具体例では、貫通部キャップは、プレート形成材料を含め、任意の好適な材料からなり、溶接などにより連結して、ボトムプレート上の貫通部を遮断、密閉または被覆することができる。
積層し拡散連結法等により連結してPCRを形成すると、種々の境界プレート1101、改質装置プレート1121、改質装置空気プレート1141、改質装置燃料プレート1161、トップエンドプレート1180およびボトムエンドプレート1141は、好適には種々の改質室または改質床貫通部1112、1132、1152および1172が整列して改質室または改質床、例えば改質室または改質床841、842、843、844および845を形成しうるように、整列される。改質室または改質床の整列に加え、プレートの積層によって、好適には燃料供給貫通部1113、1133、1153、1173および1183を整列して、燃料供給流アクセス流路または室を形成し、また燃焼室貫通部1114、1134、1154、1174および1194を整列して、燃焼室、例えば燃焼室851、852、853および855を形成する。改質室または改質床および燃焼室は、飽和または不飽和触媒を充填することができ、改質反応および燃焼反応を、好適な触媒を用い促進することができる。流れパスまたは流路がアクセスしうる貫通部を有しないプレートに関し、ヘッダを、個々の流路端部を覆うように、例えば、溶接して付設でき、これにより、適切な流路を介し流動する流れの配送および／または集合を促進することができる。
種々の貫通部の整列に加え、プレートの積層により、好適には流路1104および1124を、流路1144に緊密に配置して、独立した流路1145の壁部を介し独立した流路1105および1125への伝熱を促進することができる。具体例では、この伝熱は、図８に熱交換器として示した装置で起こり、例えば、熱交換器831、832、833および844を例示できる。
具体例では、任意の順序で、プレートを積層し、拡散連結法等により連結してPCR型の改質装置820を形成することができる。具体例では、プレートは次のような順序で積層し、拡散連結法等により連結することができる：少なくとも１つのトップエンドプレート1180、境界プレート1101、多数の改質セル、改質装置空気プレートからなる各改質セル1141、改質装置燃料プレート1161、第２改質装置空気プレート1141および改質装置プレート1121。なお、積層体の残部は、順に、改質装置空気プレート1141、改質装置燃料プレート1161、第２改質装置空気プレート1141、別の境界プレート1101およびボトムエンドプレート1190を含む。したがって、改質装置820の具体例用の所定の積層体における、プリント印刷回路の順序は、能動的プレート用の次のようなパターンを有する（境界プレート1101＝Ｂ、改質装置空気プレート1141＝Ａ、改質装置燃料プレート1161＝Ｆ、改質装置プレート1121＝Ｒ）ＢＡＦＡＲＡＦＡＲ…ＡＦＡＢ。改質セルの斜視図は図12として示した。
２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、改質装置820は、３枚のトップエンドプレートを有するPCR、次いで１枚の境界プレート910、次いで５枚の改質セル、次いで１枚の改質装置空気プレート1141、改質装置燃料プレート1161、第２改質装置空気プレート1141、別の境界プレート1101および３枚のボトムエンドプレート。好適には、改質装置820は、この改質装置820が被る圧力および温度に対し耐性を示すのに適した材料から構成されるPCRからなる。具体例では、改質装置820は、合金800Hまたは合金617から製造することができる。
PCRを構成する各プレートは、各々独立して、表１に示す厚みを有する。具体例では、各プレートは、1.6 mmの厚みである。加えて、各独立した流路1105、1125、1145および1165は、各々独立して、略半円断面および表１に示した直径を有することができる。具体例では、境界プレート1101の独立した流路1105は、深さ1.10 mm、幅1.69 mmおよび1.00 mmの稜部を有することができる。具体例では、改質装置プレート1121の独立した流路1125は、深さ1.10 mm、幅1.69 mmおよび1.00 mmの稜部を有することができる。具体例では、改質装置空気プレート1141の独立した流路1145は、深さ1.10 mm、幅1.69 mmおよび0.90 mmの稜部を有することができる。具体例では、燃料プレート1161の独立した流路1165は、深さ1.10 mm、幅1.69 mmおよび0.4 mmの稜部を有することができる。
具体例では、改質装置820がPCRからなる場合、PCRは、次のように操作することができる。まず、改質装置流811を、境界プレート1101および改質装置プレート1121の流路1104および1124内に流入させ、改質装置流入口貫通部1102および1122を含め、PCRを構成する各プレートの適切な改質装置貫通部の配列によって触媒非含有改質装置室を形成する。改質装置流811は、流路1104および1124を構成する独立した流路1105および1125内に流入し、ここで、改質装置空気入口1142を介し改質装置空気プレート1141のPCR内に流入すう改質装置空気流126によって加熱し、流路1144の多数の独立した流路1145を改質処理に付す。好適には、改質装置空気流126および改質装置流811は、その独立した流路1145、1105および1125の壁部を介し、単一のパスクロスフロー（ただし、一般的には流れは図８に示した並流方向で流動）で熱交換する。すなわち、実際の伝熱の間には、流れは好適には、相互に対しクロスフローであるが、PCRを通過する両方の流れは、好適には、略並流の方向である。
改質装置空気流126から熱を受容した後、改質装置流811は、PCRプレートの種々の改質室または改質床貫通部の整列によって形成した改質室または改質床841内に流入し、ここで、改質装置システムの気体状炭化水素を部分接触改質する。同様に、改質装置流811の加熱後、改質装置空気流126は、燃焼室851内に流入し、ここで、改質装置燃料流124からの燃料の一部の燃焼によって再加熱する。改質装置燃料流124の一部は、PCR内に、PCRを構成する各プレートの適切な燃料供給貫通部の整列によって形成した１つまたはそれ以上の改質装置燃料流アクセス流路または室を介して流入し、改質装置燃料入口1162を介し流路1164の独立した流路1165内に流入する。改質装置燃料流124の一部は、独立した流路1165を介し流動し、燃料を、改質装置空気流126の存在下に接触燃焼させて、次の改質段階用の改質装置空気流126を再加熱する。この方法によれば、改質装置流811および改質装置空気流126は、かかる改質装置流811がPCRから合成ガス流として放出され、かかる改質装置空気流126が改質装置から煙道ガス160として放出されるまで、多段階の熱交換、改質および燃焼に付される。
PCR900型の予備改質装置800の上面図およびPCR1300型の改質装置1300を、図13Ａ-Ｂに示す。図示するように、予備改質室または予備改質床1310、1320および1330と、改質室または改質床1340は触媒を充填した状態で示す。同様に、各燃焼室1350も触媒充填の状態で示す。このパターンのPCRによれば、トッププレート1360は、燃料供給室1364の形成に役立つ燃料供給貫通部1362を含む。したがって、PCR1300のこの具体例では、前記各室は、トッププレート1360によって得ることができる。
本明細書に記載のPCHEおよびPCR型は、種々の流れ用の独立した流路を含むプレートからなることができる。PCHEおよびPCR各々のプレートは、各プレートまたは各流路に関し独立して、表１に開示する直径を有する。
PCHEおよびPCRプレートの厚みおよび流路寸法
Figure 2014005203
燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する好適な具体例では、材料設計の許容範囲内での改質装置モジュール150の効率的操作は、改質および燃焼に関し、図14に示したと略同様な温度分布を示すことができる。実際のデータを示すものではないが、図14のグラフ1400は、改質装置流811および改質装置空気流126の所望の温度分布を示し、これらの流れは、燃料供給量を、段階を経るごとに減少させるような各段階の燃料供給を受動制御しながら、14段階の改質処理（最終の改質室および改質床処理は省略）を経て進行する。図示するように、14段階改質装置の各改質室または改質床841、842、843等で改質される、改質装置流811の温度変化は、実線1401が示す温度変化に近似しているようであり、加熱を経て改質装置流811と熱交換する、改質装置空気流126の温度変化は、実線1410によって示されるようである。図示するように、改質装置流811と改質装置空気流126との各段階での平均温度差は、段階を経るごとに減少すべきであり、改質装置流811の温度は、段階を経るごとに上昇すべきである。好適には、改質装置流811の温度上昇は、改質処理の結果として改質装置流811の水素分圧の増加によって進行すべきである。改質装置流811の温度上昇と共に水素含量の増加を誘導することにより、コーキング状態およびメタルダスティング状態を減少または回避すべきである。段階を経るごとに改質装置流の温度が増加する結果として、この具体例の各連続段階における燃料の必要性は、段階を経るごとに減少すべきである。なぜなら、改質装置流811および改質装置空気流126の再加熱に必要な熱負荷は、段階を経るごとに減少すべきだからである。好適には、図14に示すように、改質装置流および改質装置空気流の温度は、およそ800℃を超える漸近線に収束する。
具体例では、燃料および／または空気の各改質段階への供給は、改質装置システム100全体にわたり、空気および燃料流れの圧力および圧力降下の制御により受動制御することができる。各段階への燃料供給を受動制御することにより、燃料の燃焼によって発生した熱量を制御でき、これにより、改質装置空気流126への熱量、次いで最終的には改質装置流811およびこれに関与する改質室または改質床への熱量を制御することができる。所定の供給ラインの入口における燃料圧力および所定の供給ライン全域の圧力降下は、供給ラインに配送される燃料の単位時間当たりの容量を決定する。圧力降下は、所定の燃料供給ラインにおいて、例えば、燃料供給ラインの長さを変化させたり、燃料供給ラインの屈曲状態、即ち曲がりの度合いを変化させたり、燃料供給ラインの数を変化させたり、燃料供給ラインの断面積を変化させることなどによって調節することができる。これら燃料供給ラインの特性のうち、１つまたはいくつかを変化させると、燃料供給ルートにおいて、所定の燃料供給ラインの燃料流が遭遇する、いわゆる抵抗の度合いを調節でき、よって、燃料の単位時間当たりの供給量を受動的に制御することができる。
改質方法の効率は、温度に依存する。なぜなら、達成されるメタン変換率は、達成される最大温度に依存するからである。また好適には、改質装置の物理構造を形成する金属の上限温度を制限する。すなわち、各改質段階を個別に制御することにより、連続燃焼室各々への供給量を制御すると、改質段階ごとに改質温度を増加させつつ金属温度を制御でき、これにより、改質装置システム100全体の効率を増加させることができる。
好適には、燃料供給ラインの形態調節による制御は、受動的に行う。すなわち、燃料供給ラインの形態自体は、積極的な制御メカニズムを要することなく、提供することができる。この目的のために好適には、燃料供給ラインは、特定のシステムのパラメータについて特定の形態を有する。例えば、PCR型の改質装置820（図11Ａ-Ｆ）において、燃料を燃焼室に供給する各独立した流路1165は、各々独立して、当該流路にとって所望の燃料供給ライン形態に従い、エッチング処理等により形成して、所望の抵抗を得ることができる。このような形態の燃料供給ラインでシステムを製造した後、付加的な能動的制御メカニズムは、好適にも不要である。このような受動制御を提供することにより、改質装置システム100は、より簡素でより小さい。なぜなら、能動的な流れ測定装置および制御装置の使用を制限または回避でき、これにより、コストおよび設計上の利点および柔軟なターンダウンレシオが得られる。
具体例では、各独立した流路1165が被る適切な抵抗を達成する際に考慮すべきパラメータの数を減少させるため、および流路の製造容易のため、好適には、各燃焼室に接続する独立した各流路1165は、同じ断面寸法を有する。また好適には、全ての独立した流路1165は、層流が得られるような形態を有し、これにより、全ての流路に関し、圧力降下は、流れの一次関数となる。このように、圧力降下に関し、流れを直線的に変化させることにより、各燃焼段階の燃料流と空気流の比率を、改質装置システム100の著しい屈曲の間でさえ比較的一定に維持することができる。
空気および燃料の燃焼室、例えば燃焼室821への分配は、プレート1141および1161の設計によってバランスを取ることができる。加えて、空気ライン1145を介して達する空気の圧力および独立した流路1165を介して達する燃料の圧力は、燃焼室の圧力に整合または調節して、かかる燃焼室にとって所望量の燃焼を実施することができる。またこの圧力バランスによって、これら流れが関連する改質室または改質床に流入するにつれて適切な熱量を改質反応体に加えることができる。好適には、各供給ラインの圧力降下は、全ての燃料圧が大気圧よりも僅かに高くなるように行う。しかしながら、他の方法による圧力降下も実施でき、これも本発明の具体例に包含される。
図15は、改質装置モジュールの具体例に関し、空気および燃料供給ライン内に流れ抵抗を配置した流れ線図である。図15に示したこのネットワーク内の流れ抵抗は、好適には、連続改質段階燃料流861/862/863等を介し各燃焼段階に配送される燃料供給量が、燃料流を駆動する圧力降下が増加するにも拘わらず、改質装置の全長にわたり減少するように調整されている。改質装置全長にわたるこの減少は、各連続改質段階において改質の減少をもたらし、また各連続改質段階において改質流の温度を増加させる。図15は、各構成要素を伴う空気および燃料供給ラインにおける流れ抵抗を示し、これら構成要素は、その内部を燃料流が流動し、また図１を参照して説明した流れおよび構成要素に関して検討しているものである。図示するように、空気供給流106は、空気供給流107と燃焼空気流114とに分流する。燃焼空気流114は、バルブ115aを伴う流れ抵抗1515に遭遇し、その後、合成ガス熱回収熱交換器110内に進行し、ここで、流れ抵抗1511に遭遇し、合成ガス熱回収熱交換器110から燃焼空気流1514として放出される。同様に、空気供給流107および燃料供給流105は、合成ガス熱回収熱交換器110内に進行し、ここで流れ抵抗1512および1510各々に遭遇する。
合成ガス熱回収熱交換器110からの放出後、燃焼空気流1514および燃料供給流105は、合して燃料／空気混合物流118を形成する。空気予熱混合物117に対応する燃料／空気混合物流118の受動制御した部分は、空気供給流1508の存在下に空気予熱器122で燃焼される燃料／空気混合物流118から分流されながら、流れ抵抗1520に遭遇する。燃料／空気混合物流118の残部である燃料予熱混合物119は、燃料予熱器120で部分接触燃焼させ、ここで、流れ抵抗1530に遭遇し、改質装置燃料流124になる。空気予熱器122において、空気供給流107は、空気予熱器混合物117の接触燃焼によって加熱し、流れ抵抗1522に遭遇し、次いで改質装置モジュール150内に流入するにつれて流れ抵抗1525に遭遇し、改質空気流126になる。流れ抵抗1525は、空気予熱器122通過後改質装置ブロックの入口において物理的に無視できない流れ抵抗を伴う。
図15のこの時点で、改質装置燃料流124および改質装置空気流126は、改質装置820内に流入する。図示するように、改質装置空気流126は、改質装置820による第１段階の熱交換器831において流れ抵抗1540に遭遇し、改質装置空気流1550となる。熱交換器831からの放出後、改質装置空気流1550は、改質装置燃料流124の受動制御した部分、例えば改質段階燃料流861と混合し、その後、燃料を燃焼室851で燃焼させて、改質装置空気流1550を再加熱する。改質装置燃料流124の受動制御した部分は、流れ抵抗1560に遭遇し、次いで流れ制御の結果、改質装置空気流1550と混合する。改質装置空気流1550は、次の改質段階において熱交換器832の流れ抵抗1541に遭遇し、この熱交換器832から改質装置空気流1551として放出し、改質装置燃料流124の受動制御した部分、例えば改質段階燃料流862と混合し、これは、流れ抵抗1561に遭遇し、次いで改質装置空気流1551と合する。次いで、改質装置空気流1551を燃焼室852に燃焼室852で再加熱し、次の改質段階で熱交換器833の流れ抵抗1542に遭遇し、改質装置空気流1552となる。熱交換器833からの放出後、改質装置空気流1552は、改質装置燃料流124の受動制御した部分、例えば改質段階燃料流863と合し、これは、流れ抵抗1562に遭遇し、次いで改質装置空気流1552と合し、燃焼室853で燃料を燃焼させて再加熱する。
この方法に従い、空気および燃料流の流れ抵抗ネットワークは、任意で好適な数の段階（図8の880）を経て操作し、図15のブラケット1570および1571として示す流れ抵抗に遭遇することができる。最後の改質段階の直前に、改質装置空気流1553は、改質装置燃料流124の受動制御した部分、例えば改質段階燃料流865に合し、これは、流れ抵抗1565に遭遇し、次いで改質装置空気流1553と合し、燃焼室855で燃料を燃焼させて再加熱する。再加熱の後、改質装置空気流1552は、最終時点での熱の１つを改質装置流と熱交換移動させ、次いで改質装置820から煙道ガス160として放出する。
図15の改質装置において、燃料と空気を混合する時点に関し、２つの経路が存在し、装置を操作すると、枝管を下降する流れは、自動調節され、混合時点で圧力が整合する。すなわち、具体例では、次のような拘束体を、図15に示した燃料／空気流抵抗ネットワークの構成要素の設計圧力および圧力降下に関し、配置する（Px＝xラインの圧力、ΔPx＝図15に示した参照番号xの抵抗に起因する圧力降下、P105（高温）＝合成ガス熱回収熱交換器110の抵抗遭遇後の流れ105の圧力、P105（低温）＝合成ガス熱回収熱交換器110流入前の流れ105の圧力）。
P105（高温）＝P105（低温）− ΔP1510 ＝P106 −ΔP1515−ΔP1511
P1508 ＝P1518−ΔP1520 ＝P107 −ΔP1512−ΔP1522
P1550 ＝P1518−ΔP1530−ΔP1560 ＝P1508−ΔP1525−ΔP1540
P1551 ＝P1518−ΔP1530−ΔP1561 ＝P1550−ΔP1541
P1552 ＝P1518−ΔP1530−ΔP1562 ＝P1551−ΔP1542
P1553 ＝P1518−ΔP1530−ΔP1565 ＝P前段階−ΔP熱交換前段階
燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する具体例では、14段階の改質からなるPCR改質装置において上記拘束体を充足する圧力降下の好適な解は、図１および図８で用いた参照番号を用い以下の表２に示しており、充足すれば圧力降下が起こる構成要素または流れを特定することができる。注意すべきは、図８のブラケット836および826によって示した改質段階については、所定の熱交換器／燃焼段階または改質段階燃料流は、各々、参照番号836（x）および826（x）〔xは、各連続改質段階を意味し、アルファベット文字aから出発し順に繰下るアルファベット文字で示す。〕によって特定する。すなわち、ブラケット836および826によって示す第１改質段階については、改質装置空気流は、836（a）で示し、改質段階燃料供給流は、826（a）で示し、以下同様である。
改質システムの一具体例における燃料流および空気流の好適な圧力降下の実施例
Figure 2014005203
燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する一具体例であって、14段階の改質段階からなり、燃料を、供給ライン117を介して燃焼室122、改質装置空気流126に送り、各連続改質段階燃料流861、862、863を用いて進行する一具体例では、各供給ラインに供給される燃料流118の一部は、以下の表３に示すとおりである。注意すべきは、ブラケット826によって示される段階について、用いた参照番号は、826（x）であり、xは、各連続改質段階を意味し、アルファベット文字aから出発し順に繰下るアルファベット文字で示す。
14段階改質装置の燃料分配の実施例
Figure 2014005203
好適には、改質装置の燃料分配速度には高度の適合性は不要であるが、具体例では、改質装置の温度は上昇し、改質温度は装置の材料設計温度よりも低く当該材料設計温度付近に維持するため、一般に各段階への燃料添加速度は下落する。具体例では、材料設計温度は、820℃またはそれ以上のオーダとすることができる。高温は、メタンの転化に好適であるが、構造材料にとって操作条件が厳格となる。改質側のガスの伝熱係数は、燃焼側のガス伝熱係数よりも著しく高いため、構造材料の総体的温度は、改質ガス温度付近に保持され、このため、具体例では、燃焼ガス温度は、材料設計温度を超えうる。
燃料／空気混合物流を改質装置から所望の温度分布で放出させるには、好適には、熱交換および燃焼装置は、妥当な燃料／空気混合に要する機能に対応し伴う圧力降下を確保しつつ、それらの一次機能を充足するように設計される。好適には、改質装置を横断する空気および燃料流の圧力降下は、低く、例えば、0.5 bar未満、0.30 bar未満、0.25 bar未満、0.20 bar未満、0.15 bar未満、0.125 bar未満、0.10 bar未満または総体的に言えば0.10 bar未満のオーダであり。大型の送風機の電力消費に伴う非効率性を回避することができる。加えて、燃料供給流104の流入は、圧力降下に対し影響が大である。例えば、燃料供給流104がPSAシステムからのオフガスである場合、高い燃料入口圧力を要し、高い燃料圧力降下は、PSAシステムの効率を低下させうる。
具体例では、選択される流れ分配および対応するプレート形態は、広範なターンダウン状態に適していることが望ましい。これは、所定の改質装置プレート、熱交換器および燃焼室、および燃料および空気流の所定の流路を、圧力降下が本質的に流速に比例するように（すなわち、レイノルズ係数が2000未満である場合流れは本質的に層流となるため、流れが本質的に層流となるように）設計することで達成することができる。層流に維持することによって、妥当な燃料分配は、以下の表４に示すように、設計性能と比較して、14段階の改質段階からなり燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する一具体例の10％性能について、非常に低いターンダウン状態に維持することができる。表４に示すデータから解るように、空気流は、性能に比例して変化する一方、燃料／空気系の更なる制御は不要である。
燃料流に関し、設計性能とターンダウン10％性能との比較
Figure 2014005203
改質装置820のPCR具体例では、改質装置設計は、次の４つのパラメータのバランスをとることである：改質装置空気プレート1141の空気圧力降下、改質装置燃料プレート1161の圧力降下、改質室または改質床の吸熱改質反応に要する熱量、および構造材料に適した温度に対し燃焼室で形成する最大温度の制限。周囲のシステム条件の簡素化のため、改質装置燃料プレート1161および改質装置空気プレート1141は、好適には、減少した圧力降下または最小の圧力降下が得られるような形態とする。前記したように、空気および燃料は、好適には、燃焼室に大気圧よりも僅かに高い圧力で分配し、好適には、燃料圧縮の必要性を排除して４つの変数の整合を達成し、これにより、これに伴う付加的なコスト、複雑化および信頼性の欠如を排除することができる。
具体例では、独立した流路1165の設計は、制御を要する燃料供給に関する唯一の外部変数である、各燃焼室に分配される分配量、および燃料供給貫通部から形成される熱量供給流アクセス流路または室の各々に供給する燃料マニホールドに供給される燃料の圧力を制御することができる。燃料圧力は、好適には、制御によって改質装置空気流温度を所定のレベルに維持して、改質装置全体の温度の最大温度を制限する一方、吸熱改質反応に要する熱を供給する。燃料圧縮の必要性は、好適には、全ての独立した流路1165を最小の圧力降下となるように設計することで排除することができる。
前記した燃料分配システムは、先行技術に比し、いくかの利点を提供する。例えば、各段階への燃料の計量した添加は、好適にも各段階に付加されうる熱を排除し、これにより、燃焼バランスの必要性を排除し、また管状改質装置での実施を要する径方向および軸方向の両方向への伝熱および改質反応を排除することができる。さらに、中間段階の熱交換器は、微細構造（PCHE）であり、これは、高い伝熱係数を支持し、装置寸法および高い合金使用量を最小化してコストを低下し、大きい表面積および短い流路の形態を有して圧力降下を低下させることができる。加えて、熱交換器は、可変性能に対し高価な製品フルスケール試験を不要とする工学的分析を特徴とする。
好適な具体例では、クロスフロー配置は、改質装置820の熱交換の局面に使用し、並流配置は、改質装置820の改質局面に使用することができる。熱交換局面におけるクロスフロー配置の使用は、多数のパスの使用も含め、並流または向流配置に対し熱交換挙動に向けられるPCHEプレート面積をより大きくすることができる。このために、改質装置820のクロスフロー熱交換器要素は、並流改質室または改質床要素と組合せて、改質装置流が１つの改質室または改質床から次の一連の改質段階に移動するにつれて当該改質装置流に満足な温度分布を形成することができる。
このクロスフロー配置の重要な課題は、各段階の熱交換器の外部における、温度変化の可能性に関する。なぜなら、熱交換器の外部温度の著しい変化は、伴う下流改質装置室および触媒の反応特性に広範な変化をもたらすからである。14段階の改質段階からなり燃料としてPSAオフガスを用い２ＳＣＭＨの天然ガスを改質する一具体例の８つの熱交換段階に関する、シミュレーション研究は、壁部の伝熱を考慮せず、流れは約730℃の均一温度で流入すると仮定すれば、流れは、熱交換器から温度範囲765〜825℃で流出することを示す（図１７、参照）。このような、熱交換器外部温度の広範な変化は、改質反応の特性に広範な変化をもたらしうる。しかしながら、壁部伝熱の作用を含めれば、８つの熱交換段階の熱交換器外部温度は、重要度が小さくなり、図18に示すように、例えば、約15℃のオーダまたは約780〜795℃となる。図１７および図１８の両方において、Ｚ軸、Ｘ軸およびＹ軸に沿った温度は、クロスフロー熱交換器の寸法を示し、改質装置空気流は短軸に沿って上部右手から下部左手に、改質装置流は長軸に沿って下部右手から上部左手に、改質装置空気流に対しクロスフローで流動する。
この狭い出口温度範囲は、具体例の熱交換器の壁部が代表的なフィン熱交換器よりも好適にもより厚いという事実に起因する。このように、出口の温度範囲の減少に役立つ壁部に沿った長さ方向に沿った伝熱が存在するようである。すなわち、熱交換用のプレートの高度の利用を可能にする熱交換器の単純なクロスフロー接触の使用が好ましい。
他のPCRの具体例では、改質装置空気流および改質装置流は、一般に向流配置の形態を有するが、いくつかのクロスフローパスを用いてクロスフロー作用を達成することができる。この状況下に、向流作用を達成するには、所定量のプレートは伝熱に関し不活性である。このために、改質ガスは、各改質床から中間段階熱交換器の遠くのエッジに誘導し、次いで熱交換器内に流入し、次いで熱交換器の近くの端部から連続する改質床に誘導することができる。しかしながら、熱交換器の遠方端部と近傍端部の間および改質床からの改質装置流の誘導に付される領域は、熱交換に不活性で、このため、改質装置のプレート材料使用量の効率に妥協することができる。また、各段階のマルチパス改質装置流は、仮に圧力降下が高価にはならないとすれば各プレート要素の幅を制限することができ、これにより、熱交換に有効ではないプレート面積の割合を高く維持するにつれて改質装置材料の利用の効率が損失することに妥協することができる。したがって、実施可能であるが、このような形態は、好適ではない。
クロスフロー熱交換器の使用は、好適には、改質装置流を熱交換器の一端から他端出口に誘導する必要性を排除し、クロスフロー熱交換特性を達成することができる。このように、クロスフローの使用は、一般に、熱交換に要するプレート面積を減少させる。さらに、パスの数の減少によって、熱交換器を横断する圧力降下は、減少し、これはまた必要な流路数を減少させる。またクロスフロー配置は、広範なプレート要素の使用を、以下の図16に示したプレートのように改質局面で過度の圧力降下を発生させることなく、可能にさせる。
プロセスの改質局面の全並流配置の使用は、改質装置の温度制御条件を減少させるようである。なぜなら、改質空気流および改質装置流は、並流配置の長さ方向にわたり同じ方向に流動し、その温度が収束する傾向を示すからである。すなわち、１つの流れの出口温度の制御は、両方の流れの出口温度の制御をもたらすからである。
図19は、改質装置システムの具体例について、高温および低温エンタルピー複合曲線を示す。複合曲線1910は、プロセスの高温流（熱交換器で冷却される流れ）の加熱複合曲線であり、複合曲線1920は、プロセスの低温流の複合曲線である。複合曲線の垂直軸に最も接近する地点は、約34℃であり、これをピンチ温度と呼ぶ。熱は低温流から高温流に移動できないため（熱力学第２法則）、可能な最大の熱回収効率は、ピンチ温度ゼロ度で起こる。すなわち、ピンチ温度が低ければ低いほど、全熱回収効率はより大きくなる。これに関し、ピンチ温度34℃は、熱交換に関与する流れの一方が、乏しい伝熱特性しか有しない低圧の空気または煙道ガスであるという事実を考慮に入れれば、非常に低い。注意すべきは、熱回収効率に加え、水蒸気比およびメタン転化率は、前記した式によって示されるように、プロセスの全効率に重大な影響を与える。理想的には、効率の損失を回避するため、熱は、いずれの熱交換器においてもピンチ温度を横断させるべきではない（ピンチ温度よりも高い温度からピンチ温度よりも低い温度に移動させるべきではない）。プロセスまたは装置の具体例は、プロセスの手順によってこれが起こることを制限し、また具体例では、この移動は、熱交換器164で僅かしか起こらない。
注意すべきは、14段階の改質装置820（図11〜12）は、唯一の実施例であって、本発明の改質装置の具体例を制限することを意図するものではない。改質段階と燃焼段階の数は同じであることは不要である。事実、改質装置820をプロセス条件に適合すべくスケールアップまたはダウンしうるように、種々のプラント寸法、形態および／またはプレートおよび改質および燃焼室の数を意図したものである。事実、プリント回路改質装置の設計は、改質装置820を、代表的な管状改質装置のスケールアップまたはダウンに伴うコスト増大を伴うことなく、実際にスケールアップまたはダウンすることができる。例えば、より大きい改質性能を要する場合、改質装置820の寸法はより多くのプレートまたはセルを積層体に付加することで増大させることができる。
性能増強の別の実施例として、プレートは、積層体の数の増加でなく側方にプレートを膨張させて、図16に示すように、寸法を増大させることができる。図16に示すように、境界プレート1601、改質装置プレート1621、改質空気プレート1641、および改質装置燃料プレート1661は実質的に、前記図11Ａ〜Ｄの対応する２つのプレートを組合せた横方向鏡面画像の形態を有することができる。図示するように、各プレートは、各々、２つの独立した流路1604および1608、1624および1628、1644および1648、1664および1668を有し、これらは、改質室または改質床貫通部および燃料供給室貫通部1615および1616、1635および1636、1655および1656、1675および1676の中央セットを共有している。貫通部の中央セットから形成した室は、鋭角であるため、これらの室およびこれら室を形成する貫通部は、外部の独立した改質室または改質床貫通部および燃料供給室貫通部1612および1613、1632および1633、1652および1653、1672および1673から形成した室よりも、対応して大きくなり、これは、前記した改質室または改質床および燃料供給室貫通部（図11Ａ〜Ｄ）に、略相当する。各プレートはまた燃焼室貫通部1614および1618、1634 および1638、1654および1658、1674および1678の２つのセットを含み、これは、前記した燃焼室貫通部（図11Ａ〜Ｄ）に略対応する。
改質装置820に対応するPCRのプレートは、また長くまたは短くでき、より多くまたはより少ない改質段階を包含することができるものと、理解すべきである。さらに、前記したような同様な変形も予備改質装置およびPCHE構造を有する前記した熱交換器になすことができるものと、理解すべきである。
具体例では、種々の流れの温度および圧力は、合成ガス熱回収熱交換器110内で燃料供給流105に合する燃焼空気流114を用いた図1〜図8の改質システムの形態に関し、相関関係を示し、以下の表５〜８に示した特性を有することができる。具体例では、表において、他の値に相関する値も存在し、例えば「改質圧力に対する値」、「改質温度に対する値」、「大気圧に対する値」または「飽和水蒸気温度に対する値」を例示でき、この場合、表示した値は、特性を基準に、上（＋xxx）または下（−yyy）、または倍数として示し、特性の相関関係を示す。加えて、具体例では、表示した値は、特定の物理的パラメータ、例えば「露点を超える温度」、「凝固点を超える温度」などを言及し、この場合、特定の流れは、当該流れの特定の物理的パラメータを基準とする条件に適合すべきである。表における「改質圧力」または「改質温度」は、合成ガス流180に関する特性を言及する。表示した値は、単なる例示として示したものであり、種々の形態の改質システムを使用でき、１つまたはそれ以上の所定の流れに関し、異なる条件を使用できるものと、理解すべきである。
図1の具体例のプロセス流の温度および圧力特性
Figure 2014005203
図1の具体例のプロセス流の温度および圧力特性
Figure 2014005203
図1の具体例のプロセス流の温度および圧力特性
Figure 2014005203
図1の具体例のプロセス流の温度および圧力特性
Figure 2014005203
図20〜21は、改質装置システム700の具体例を正面または背面から見た部分斜視図である。これらの図面は、パイプ部分を省略して簡単にした。図示した具体例は、図7の概略図に示したシステムに対応する。そのようなものとして、唯一の空気供給流107、燃焼空気流114、燃料流104、気体状炭化水素流102は、合成ガス熱回収熱交換器110内に流入し、水流108は、合成ガス熱回収熱交換器110の一部である熱交換器109内に流入して、水性ガスシフト反応器186から放出される合成ガス流190と熱交換する。流れのうち、パイプ（図示せず）は、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される燃料／空気混合物を分流して、燃料／空気を、合成ガス熱回収熱交換器110から放出される空気流に供給し、その後、当該流れは、予熱器120および122内に流入するが、これは、予熱器120に供給連結するヘッダ2010と共に予熱器122用のヘッダ2015内において起こる。予熱器120による予熱ののち、燃料は、予熱器から改質装置燃料流として放出して、燃料供給ヘッダ2020内に流入させ、このヘッダは、改質装置820の長さにわたり延在して、燃料を、改質装置積層体の燃料供給流アクセス流路の各々に供給することができる。このようすれば、燃料は、各改質装置段階に並行して供給でき、この供給は、各燃料流が改質装置の各燃焼室に接続することで、受動制御することができる。この具体例は、図7の具体例に対応するため、水流108は、煙道ガスガス160が予熱器800から、何ら予熱されずに放出されるにつれて当該煙道ガス160から直接熱を回収することができる。熱交換器164からの放出後、水流108は、急冷熱交換器165に進行し、ここで、改質装置820の放出直後に分流した合成ガス流180の一部から熱を回収することができる。図20〜21に示すように、予備改質装置800および改質装置820は、共にPCRを備え、これは、図９および図11に関して記載したプレートを積層し、拡散連結し、次いでその両側に配置することができる。
また、図20〜21において示すような気体状炭化水素流ヘッダ2102は、気体状炭化水素-水蒸気流174を、改質装置800の気体状炭化水素流プレートの気体状炭化水素流流路および改質装置流ヘッダ2014に供給し、このヘッダは、改質装置流811を、当該改質装置流811が改質装置流流路を経て放出されるにつれて集合させることができる。ヘッダ2104から、改質装置流811は改質装置流ヘッダ2110に流通し、このヘッダは、改質装置流を、改質装置820に包含される境界プレートおよび改質装置プレートの入口流路に供給することができる。図20〜21は、また改質済みの流れを回収する合成ガス流ヘッダ2106を含み、この改質済みの流れは、改質装置820の境界プレートおよび改質装置プレートから、改質装置流出口流路を介し放出して、合成ガス180を形成することができる。図21において、プレートの積層によって形成した燃焼室および改質室は、貫通部キャップ2108を外した状態で示し、これは、溶接などの方法で、改質装置820の燃焼室および改質室貫通部を覆うように接続することができる。
本明細書に開示した全ての先行文献および特許文献は、仮にこれら文献が特異的な事項として開示していたとしても、同程度の範囲まで本発明に包含される。
以上、本発明の好適な具体例を挙げて本発明を説明したが、当業者には、これら具体例は、単なる例示であることが明らかである。以下の特許請求の範囲は、本発明の具体例を包含するものであり、また特許請求の範囲に記載の方法および装置並びにそれらの均等物は、本明細書の開示によって充分に支持されている。

Claims (27)

  1. 気体状炭化水素-水蒸気改質方法であって、
    第１燃料／空気混合物流中の燃料を部分燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される燃料／空気混合物流を加熱すること、
    第２燃料／空気混合物流を燃焼させて、気体状炭化水素-水蒸気流の改質の間に使用される空気流を加熱すること、および
    気体状炭化水素-水蒸気流を改質して、合成ガス流および煙道ガス燃料流を形成することを特徴とする方法。
  2. さらに、気体状炭化水素-水蒸気流の改質に先立ち、多段階の予備改質段階において、気体状炭化水素-水蒸気流を加熱および予備改質して、改質工程の間におけるメタルダスティングおよび／またはコーキングを低下させる請求項1記載の方法。
  3. 前記加熱は、熱交換器にて煙道ガスから熱を回収して気体状炭化水素-水蒸気流に供給することからなる請求項２記載の方法。
  4. 前記改質は、次のような少なくとも３つの段階からなる請求項1記載の方法：
    （i）気体状炭化水素-水蒸気流を、加熱した空気流から熱を回収することによって加熱して、加熱した改質装置流と冷却した空気流を形成する段階、
    （ii）加熱した改質装置流の少なくとも一部を改質する段階、および
    （iii）部分燃焼した燃料／空気混合物流の一部を、冷却した空気流の存在下に燃焼させて、冷却した空気流を再加熱する段階。
  5. 少なくとも３つの前記段階の各燃焼工程に供給される燃料／空気混合物の供給量を、受動制御する請求項４記載の方法。
  6. 前記受動制御は、気体状炭化水素-水蒸気改質過程にわたり、燃料および空気ラインにおける圧力降下を平衡させることによって行う請求項5記載の方法。
  7. 前記方法は、50％を超える炭化水素転化率を達成する請求項1記載の方法。
  8. 前記方法は、50％を超えるエネルギー効率を達成する請求項1記載の方法。
  9. 前記方法の全ての熱交換器、予備改質段階および改質段階においてメタルダスティング状態およびコーキング状態を回避する請求項1記載の方法。
  10. 気体状炭化水素-水蒸気改質方法であって、
    （a）１つまたはそれ以上の空気流を予熱して、１つまたはそれ以上の予熱した空気流を形成し、
    （b）少なくとも１つの空気流を少なくとも１つの燃料流の一部と混合して、メタルダスティング状態よりも低い温度を有する燃料／空気混合物を形成し、
    （c）燃料／空気混合物の一部中の燃料を部分燃焼させて、１つまたはそれ以上の改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する加熱した燃料流を形成し、
    （d）燃料／空気混合物の一部を、予熱した空気流の少なくとも一部の存在下に燃焼させて、改質段階に使用されるメタルダスティング状態よりも高い温度を有する、加熱した空気流を形成し、
    （e）１つまたはそれ以上の水流を加熱して水蒸気を形成し、
    （f）水蒸気を、１つまたはそれ以上の気体状炭化水素流と混合して、気体状炭化水素-水蒸気流を形成し、
    （g）１つまたはそれ以上の予備改質段階において、このような１つまたはそれ以上の予備改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する気体状炭化水素-水蒸気流を加熱および部分改質して、改質装置流を形成し、
    （h）１つまたはそれ以上の改質装置段階において、このような１つまたはそれ以上の改質段階にわたり、メタルダスティング状態およびコーキング状態を回避しうるように組み合せた温度と組成とを有する改質装置流を改質して、合成ガス流および燃料ガス流を形成し、
    （i）熱を、煙道ガス燃料流から回収して工程（g）の予備改質段階に供給すると共に、水流の予熱に供給し、
    （j）熱を、合成ガス流から回収して工程（a）からの空気流を予熱すると共に、工程（e）における水蒸気の形成に供給することを特徴とする方法。
  11. 前記各予備改質段階は、
    （i）熱を、煙道ガス燃料流から回収して気体状炭化水素-水蒸気流を加熱する工程、および
    （ii）加熱した気体状炭化水素-水蒸気流を部分改質する工程。
    からなる請求項１０記載の方法。
  12. １つまたはそれ以上の改質装置段階において改質装置流を改質および再加熱して、合成ガス流および煙道ガス燃料流を形成する前記工程は、次のような多段階からなる請求項１０記載の方法：
    （i）改質装置流を、熱交換器において加熱した空気流から熱を回収することによって加熱して、加熱した改質装置流と冷却した空気流を形成する段階、
    （ii）加熱した改質装置流の少なくとも一部を改質する段階、および
    （iii）加熱した燃料流の一部を、冷却した空気流の存在下に燃焼させて、次の段階用の加熱した空気流を形成する段階。
  13. さらに、合成ガス流の少なくとも一部を急冷熱交換器によって急冷する請求項１１記載の方法。
  14. 気体状炭化水素の水蒸気改質装置であって、
    （a）第１燃料／空気混合物流中の燃料を部分燃焼させて、改質装置モジュールによって燃焼される加熱した燃料流を形成する、燃料予熱器と、
    （b）第２燃料／空気混合物流の一部を空気流の存在下に燃焼させて、改質装置モジュールに対し熱を供給する加熱した空気流を形成する、空気予熱器と、
    （c）改質装置流から合成ガス流を形成する、改質装置モジュールと
    を備えることを特徴とする装置。
  15. 前記改質装置モジュールは、１つまたはそれ以上の予備改質装置段階と、１つまたはそれ以上の改質装置段階とから構成される請求項１４記載の装置。
  16. 前記予備改質装置段階は、熱交換器と触媒室とから構成される請求項１５記載の装置。
  17. 前記予備改質装置段階は、改質装置モジュールから放出される煙道ガス燃料流から熱交換器を介し熱を回収しうるように構成される請求項１６記載の装置。
  18. 改質装置段階は、
    （i）加熱した空気流から熱を回収して改質装置流を加熱すると共に冷却した空気流を形成する、熱交換器と、
    （ii）加熱した改質装置流を改質する改質床と、
    （iii）加熱した燃料流の一部を燃焼させて冷却した空気流を再加熱する燃焼室と
    から構成される請求項１５記載の装置。
  19. 当該装置は、改質装置段階の各燃焼室に供給される加熱した燃料流の供給量を受動制御するように構成した燃料分配制御ネットワークを備える請求項1８記載の装置。
  20. 当該装置は、さらに、改質装置モジュールから放出後の合成ガス流から熱を回収する、少なくとも１つの熱交換器を備える請求項１４記載の装置。
  21. 少なくとも１つの前記熱交換器は、合成ガス流の一部から熱を回収する少なくとも１つの急冷熱交換器を含む請求項２０記載の装置。
  22. 少なくとも１つの前記熱交換器は、マルチストリーム熱交換器を含む請求項２０記載の装置。
  23. 当該装置は、全ての熱交換器、予備改質段階および改質段階において、メタルダスティングおよびコーキングを回避ないし低下させるように構成される請求項１４記載の装置。
  24. さらに、合成ガスが改質装置モジュールから放出した後に、当該合成ガス流中の水素濃度を増加させる、水性ガスシフト反応器を備える請求項１４記載の装置。
  25. 気体状炭化水素の水蒸気改質装置であって、
    （a）熱を合成ガス流から回収して少なくとも１つの空気流に供給する、合成ガス熱回収熱交換器、
    （b）空気流を、燃料流に接続して燃料／空気混合物を形成する第１空気流と、第２空気流とに分離する、空気流スプリッタ、
    （c）燃料／空気混合物を、燃料予熱器に連通する第１燃料／空気混合物と、空気予熱器に連通する第２燃料／空気混合物とに分離する、燃料流スプリッタ、
    （d）第１燃料／空気流中の燃料を部分燃焼させて改質装置用の加熱した燃料流を形成する、燃料予熱器、
    （e）第２燃料／空気流を第２空気流の存在下に燃焼させて改質装置用の加熱した空気流を形成する、空気予熱器、
    （f）加熱した気体状炭化水素流を水蒸気の存在下に部分改質して改質装置流を形成する、予備改質装置、
    （g）改質装置流を改質して合成ガス流を形成する改質装置、
    （h）合成ガス流から熱を回収して、水流から予備改質装置用の水蒸気を形成する、急冷熱交換器
    を備えることを特徴とする装置。
  26. 前記予備改質装置は、プリント回路反応器を含む請求項２５記載の装置。
  27. 前記改質装置は、プリント回路反応器を含む請求項２５記載の装置。
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