JPH0222034Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

〔考案の利用分野〕 本考案の改質反応器は、反応管を外周から高温
ガスで加熱する反応器に係り、特に水素発生の改
質反応器に関する。 〔考案の背景〕 水素は燃料電池の原料として、また他の化学反
応の原料として重要であり、水素は天然ガス、
LPG、ナフサ等の炭化水素とスチームとから改
質反応によつて製造されるのが一般的で、その為
に改質反応器が開発されている。またスチーム改
質反応は吸熱反応で、反応管を周囲から加熱し、
反応温度を高温に保たなければならない。 従来技術による改質反応器の構造を第５図に示
す。改質反応器１の内部に複数の二重管回路型反
応管３が配設され、その周囲に加熱ガスが流され
る構造である。天然ガスやLPG等の原料とスチ
ームは原料入口ノズル２から供給され、反応管３
に導入される。反応管３は二重管回路型で、反応
ガスは外管３ａを通り、先端で回り、内管３ｂを
通り、この反応管内に充填されているニツケル等
の改質触媒層で反応されて水素リツチガスにな
り、内管３ｂで自己熱回収を行ないながら流通し
た後、ヘツダ５に集まり、出口ノズル４から取り
出される。 加熱ガスは下部の燃焼部８で発生された燃焼ガ
スが使用される。燃料は燃料供給ノズル６より、
燃料用空気は空気供給ノズル７より供給されて混
合され、燃焼部８においてセラミツクハニカムで
保持されている燃焼触媒層において燃焼される。 発生した燃焼ガスは反応管３の周囲に充填され
た伝熱粒子からなる伝熱層に流入し、反応管３
の熱を与えた後、燃焼ガス出口ノズル９から排出
される。 燃焼ガスにより反応管を加熱する伝熱層にお
いて、第６図の伝熱層の伝熱形態を図式的に示す
ように、熱は燃焼ガス（1200℃以下）から充填粒
子（500〜1200℃）へ対流、高温ガスふく射で伝
熱し、その充填粒子から固体ふく射、伝導により
反応管（400〜800℃）へ伝熱する。また別に熱は
燃焼ガスから直接に対流し、高温ふく射により反
応管に伝熱する。充填粒子が存在すると、粒子が
熱媒体の役目を果し、一般に改質反応温度域にお
いて高伝熱性能を示し、負荷変動を緩和するが、
一方粒子自体の熱容量が大きいために起動時間が
長くなる欠点がある。 次に改質反応器の伝熱層における各部の熱容
量について述べる。伝熱粒子層の温度域は通常
500〜1200℃で、伝熱粒子は耐熱性の高いアルミ
ナ系粒子又はセラミツクボール等が使用される。
アルミナ系は耐熱性が高いので充填物に適する
が、密度が高いためそれ自体の熱容量が大きい。
第１表に起動時の昇温のために必要な各部の熱容
量比率を示す。第１表から伝熱粒子の熱容量は反
応管、改質触媒に比較して数倍大きく、冷起動時
の昇温に際して最も熱量を必要とする。

〔考案の目的〕

本考案は、上記した従来技術の欠点を解決し、
改質反応器の起動時の昇温時間を短縮し、且つ負
荷追従性能や伝熱性能を低下しない改質反応器を
提供することにある。 〔考案の概要〕 本考案の改質反応器の要旨は、複数の反応管が
配設され、これらの反応管の外周に伝熱物が充填
され、加熱ガスが前記伝熱物の隙間を流通して前
記反応管を加熱するように伝熱層が形成され、前
記伝熱層が前記反応管の軸方向に加熱ガス入口側
の高温伝熱層と加熱ガス出口側の低温伝熱層に分
けられ、前記高温伝熱層に輻射伝熱し易い熱容量
の大きい伝熱物が充填され、また前記低温伝熱層
に対流伝熱し易い熱容量の小さい伝熱物が充填さ
れた構造からなる改質反応器である。 前記高温伝熱層には伝熱物としてアルミナやセ
ラミツク等の熱容量の大きい耐熱性の粒子が充填
され、また前記低温伝熱層には伝熱物として前記
反応管の外壁にフインが取り付けられた構造にさ
れたり、又は比較的熱容量の小さい伝熱物、例え
ばシリカ粒子、軽石状発泡金属片等が充填された
り、若しくはこれらとフインが併用された構造で
ある。尚、前記反応管が二重管回路型反応管にさ
れることができる。 上記の様に伝熱層は高温伝熱層と低温伝熱層の
２層に分けられ、起動時には熱容量の小さい伝熱
物の対流伝熱により反応管温度を所定温度に急速
に昇温し、また運転中の負荷追従時には熱容量の
大きい伝熱物の輻射伝熱により温度変化を抑えて
反応温度を所定に維持できる。このために高温伝
熱層と低温伝熱層の長さを操作条件に合せて適当
にバランスするように構成するものである。 〔考案の実施例〕 本考案の改質反応器の概略を第１図に示す。改
質反応器１の内部に多数の二重管回路型反応管３
が配設され、原料のメタン、LPG及びスチーム
が原料入口ノズル２から供給され、反応管３の外
管３ａに流入し、先端で回り、外管３ｂに流れて
ヘツダ５に集り、出口ノズル４から取り出され
る。 反応管３において改質触媒のニツケル系物質の
存在下で反応して水素が発生し、出口ノズル４か
ら排出される。この水素リツチガスは燃料電池の
他、水素を使用する機器に送られる。また、燃料
と空気は供給ノズル６から投入され、燃焼部８で
燃焼触媒により燃焼され、燃焼ガスは反応管３の
外周の伝熱層に進む。 伝熱層は、反応管３の軸方向の反応管先端
側、即ち燃焼ガス入口側に高温伝熱層、及び後
端側即ち燃焼ガス出口側に低温伝熱層に分けら
れる。 高温伝熱層には通常アルミナやセラミツク等
の耐熱性が高く、かつ比重、熱容量の大きい粒子
１０の伝熱物が充填される。低温伝熱層には反
応管３の外壁にフイン１１が取り付けられる。フ
イン１１は粒子１０よりも熱容量が小さいが、伝
熱面積が確保される。この様に先端部のみに粒子
１０を充填するのは、高温伝熱層にフインを溶
接すると反応管３の強度信頼性の低下を招くので
これを防ぐ為であり、また伝熱粒子１０に畜えら
れた熱により負荷変動時の温度低下を押えること
ができ、また熱容量の大きい粒子１０により大き
い伝熱層が得られる。このように燃焼部８で発生
した燃焼ガスは先ず高温伝熱層の粒子１０の充
填層に入り、輻射を主とする伝熱により反応管３
に熱を与える。高温充填層を出た燃焼ガスは低
温伝熱層に入り、対流伝熱を主とする伝熱をす
る。しかし伝熱係数が低下するが、フイン１１の
伝熱面を適当に増加することにより伝熱量を補な
う。 次に燃焼ガスによつて反応管３を加熱する状態
を第９図に示す。第９−ａ図は反応管軸方向の長
さに対して燃焼ガス（実線１）及び反応管（点線
２）の温度分布を示す。また第９−ｂ図は伝熱物
の充填層の熱容量比率を反応管出口温度600℃を
１とした場合について示す。燃焼ガスや反応管の
温度は反応管の先端の方が高く、根元になる程低
い。また充填層の熱容量比率は先端部が根元部の
約２倍になつている。この条件での伝熱は第９−
ｃ図に示す如く粒子固体の輻射と伝導、及び燃焼
ガスの対流と輻射が複合した伝熱である。全体と
して伝熱層においては輻射と対流が大勢を占め
る。しかし伝熱のうちの燃焼ガスからの対流伝熱
（領域Ｂ）は燃焼ガス温度に拘らず略々一定であ
るが、伝熱粒子と燃焼ガスからの輻射伝熱（領域
Ａ）は絶対温度の４乗の差に比例し、高温になる
程大になる。伝熱係数比率を見ると、燃焼ガス温
度が700℃付近で輻射と対流が等しくなり、700℃
以上では輻射が、700℃以下では対流が支配的に
なる。 尚、運転中の負荷増大時に反応温度の低下を抑
える効果については、伝熱粒子の熱容量即ち蓄熱
量が大きいと固体輻射伝熱が大きくなり、従つて
温度低下の抑制は高温伝熱層で大きい。また充填
粒子の熱容量が小さく、即ち輻射伝熱の小さい低
温伝熱層においては、負荷増大時の温度低下防止
の効果が小さい。従つて負荷変動に対応するため
の粒子の蓄熱量は高温伝熱層で有効に働き、低温
伝熱層では効果が小さい。しかし対流伝熱が主で
ある低温伝熱層の伝熱性能を向上する為に、フイ
ンの伝熱面を大きくして伝熱を補うことができ
る。 従つて負荷変動対応のために高温伝熱層の熱容
量を大きくし、且つ起動時間を速くする為に低温
伝熱層の熱容量を小さくする。また、高温伝熱層
と低温伝熱層との境界は、伝熱係数と熱容量、フ
インの信頼性を考えると、燃焼温度700〜900℃の
間が一般に好ましい。 尚、低温伝熱層に粒子を充填する場合には、
高温伝熱層の粒子に対して粒径2/3〜1/3の小さ
い粒子で、且つ不均一形状のものを充填するのが
好ましい。これにより小粒径の粒子が高温伝熱層
に落下せず、高温伝熱層の乱流、効果が上が
り、輻射伝熱が向上する。 また、低温伝熱層で起動時間を短くするため
に、熱容量を下げなければならず、その為に粒子
の比率、密度、重量が小である程よい。それ故、
低温伝熱層の粒子の材質は、例えば酸化珪素
（SiO₂）又はニツケル系発泡金属が好ましい。 また、第１図に示す装置において、高温伝熱層
と低温伝熱層との長さをそれぞれ60％と40％に分
けた場合、起動時間は2.6時間になり、従来の様
に伝熱層を分けない場合の3.3時間に比べて起動
時間は明らかに短縮した。また、燃焼ガス温度
700℃以上の高温伝熱層において、伝熱粒子を存
在させるので負荷急増時に伝熱粒子が熱のバツフ
アの役目をし、反応温度の低下を抑えることがで
きた。 次に本考案の改質反応器の他の具体例を第２〜
４図に示す。第２図の改質反応器は低温伝熱層に
スパイラルフイン１２とバツフル１３が設けられ
た構造で、これ以外の構造は第１図の構造と同様
である。バツフル１３は約900℃までの耐熱性の
金属で造られるが、ニツケル等の発泡金属材で造
ると熱容量が小さく好ましい。この様にスパイラ
ルフイン１２とバツフル１３を設けた低温伝熱層
は燃焼ガスの対流伝熱がよく、起動時の昇温時間
の短縮に効果がある。 また、第３図の改質反応器は低温伝熱層にシリ
カ等を主成分とする軽量の粒子１４が充填された
構造である。シリカはアルミナやセラミツクに比
べて比重が小さく軽量のため、熱容量が小さいの
で起動時の昇温時間が短縮される。この場合、シ
リカ粒子１４は軽量であるために燃焼ガス速度が
大きいと飛散するおそれがあるので、シリカ粒子
１４充填層の最上部にアルミナや金属片の押え片
１５が設けられることが好ましい。 また、第４図の改質反応器は低温伝熱層に多孔
性金属片１６が充填された構造を示す。多孔性金
属片１６はニツケルや、ニツケル−クロム合金等
から多孔性で比重0.1〜1.0に製造される。 多孔性金属片１６が充填された低温伝熱層は
多孔性金属片の低比重、低比熱のため熱容量が小
さいので、起動時の昇温時間の短縮に効果があ
る。 以上に述べた如く本考案の改質反応器は伝熱層
を高温伝熱層と低温伝熱層に分け、高温伝
熱層は熱容量の大きいアルミナやセラミツク等
の粒子が充填され、低温伝熱層は熱容量の小さ
いフイン、スパイラルフイン、バツフル、シリカ
粒子、及び多孔性金属片等が取り付けられ或いは
充填された構造である。また伝熱部に充填又は取
り付けられる伝熱物は上記のもの以外にも各伝熱
層に適合する熱容量の材質のものが使用され得
る。 〔考案の効果〕 本考案の改質反応器は、反応管加伝熱層が高温
伝熱層と低温伝熱層の２層に分けられ、高温伝熱
層には熱容量の大きい伝熱物が充填された構造で
輻射伝熱が主となり、また低温伝熱層には熱容量
は小さい伝熱物が充填又は取り付けられた構造で
対流伝熱が主となる。従つて負荷増大時の追従性
の低下が最低限に押えられ、即ち負荷急増時に高
温伝熱層の伝熱物が熱のバツフアの投目をして反
応温度の低下を防ぐことができ、また起動時に所
定反応温度に昇温する時間が低温度伝熱層の対流
伝熱により急速に伝熱されて短縮できる。また、
低温伝熱層での伝熱低下をフイン等の伝熱面積の
増大でカバーできるので反応管を延長する必要が
なく、装置が小型化できる。尚、本改質反応器は
上記のように起動時や負荷操業時の運転制御が容
易であり、特に負荷変動の大きい燃料電池用水素
改質反応器に適する。

【図面の簡単な説明】

本考案の改質反応器の概略を第１図ないし第４
図に示し、従来の改質反応器の概略を第５図に示
す。また第６図に伝熱部の伝熱形態を示し、第７
図に伝熱物充填量と昇温時間の関係、第８図に負
荷追従時間と温度の関係、第９図に反応管軸方向
の(a)温度、(b)伝熱物容量比率、及び(c)伝熱物の伝
熱係数比率を示す。 １……改質反応器、２……原料入口ノズル、３
……二重管回路型反応管、３ａ……反応管外管、
３ｂ……反応管内管、４……出口ノズル、５……
ヘツダ、６……燃料入口ノズル、７……空気入口
ノズル、８……燃焼部、９……燃焼ガス出口ノズ
ル、１０……伝熱粒子、１０……フイン、１２…
…スパイラルフイン、１３……バツフル、１４…
…シリカ粒子、１５……押え片、１６……発泡金
属片、……伝熱層、……高温伝熱層、……
低温伝熱層。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 複数の反応管の外周に加熱ガスを流通して前
   記反応管を加熱する伝熱層において、前記伝熱
   層が前記反応管の軸方向に加熱ガス入口側の高
   温伝熱層と加熱ガス出口側の低温伝熱層に分け
   られ、前記高温伝熱層に輻射伝熱し易い熱容量
   の大きい伝熱物が充填され、前記低温伝熱層に
   対流伝熱し易い熱容量の小さい伝熱物が充填さ
   れたことを特徴とする改質反応器。 (2) 前記低温伝熱層の伝熱物が前記反応管の外壁
   に取り付けられたフインであることを特徴とす
   る実用新案登録請求の範囲第１項に記載の改質
   反応器。 (3) 前記低温伝熱層の伝熱物が熱容量の小さい固
   体粒子、又はこれと前記フインとの併用である
   ことを特徴とする実用新案登録請求の範囲第１
   項に記載の改質反応器。 (4) 前記低温伝熱層の伝熱物が軽石状発泡金属
   片、又はこれと前記フインとの併用であること
   特特徴とする実用新案登録請求の範囲第３項に
   記載の改質反応器。 (5) 前記反応管が二重回路型反応管であることを
   特徴とする実用新案登録請求の範囲第１項に記
   載の改質反応器。