JPH0283028A - 炭化水素の改質装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、メタン等の炭化水素をスチームリフォーミン
グによって改質し、水素、ＮＨ３゜ＣＨ３０Ｈ，オキソ
ガス、都市ガス等を製造する炭化水素の改質装置に関し
、詳細には熱効率が高く、しかも装置がコンパクトであ
り、さらに改質触媒コストも低減することのできる炭化
水素の改質装置に関するものである。

［従来の技術］ 加熱管内に触媒を充填し、炭化水素とスチームを流して
加熱管内で改質反応を起こさせる装置としては、例えば
特開昭５９−１０２８０１号公報に示される様な改質装
置を挙げることができる。

この装置は、中心部に燃焼排ガス排出路を設けた三重管
構造の反応管とこの反応管の外周面側に設けた燃料供給
・燃焼路からなり、反応管の外周面側で燃料を燃焼させ
た後、燃焼排ガスを中心部へ導くことによって反応管を
内外面から加熱するように構成されている。そして原料
ガスは、三重管構造の反応管の内層通路から外層通路へ
燃焼ガスと対向するように通される間に熱補給を受けて
、吸熱反応である水蒸気改質反応を起こし改質される。

［発明が解決しようとする課題］ このような従来の炭化水素改質装置において、系外への
放熱を少なくすることによって熱効率を高める手段とし
て断熱構造が採用されるが、上記装置では燃料供給・燃
焼路が反応管の外周面側に位置し、反応管の外側に比較
的高温の燃焼ガスが流れるので、燃料供給・燃焼路の周
囲に設ける断熱材壁を相当に分厚いものとする必要が生
じ、装置の大型化を招くという問題があった。

又反応管には全流路を通じて同質の改質触媒が充填され
ているが、内層通路と外層通路では反応管温度、ガス温
度、通過ガスの改質進行度等が相違するので、同じ程度
の改質反応が進む訳ではなく、改質触媒の利用度が相違
する。従ってこの結うな利用度を考慮に入れた設計が必
要になってくる。例えば原料ガス流路の上流側部分では
改質触媒の活性が充分に利用されて反応は効率良く進む
が、改質反応がある程度進行した下流側部分では未反応
ガス量が少なくなるので改質触媒の活性はそれ程高くな
くともよいと考えられる。

一方原料ガス温度が低い部分では元々反応が進みにくい
ので活性の高い触媒を用いてもその性能を十分に利用す
ることはできず高活性触媒を充填する必要はない。しか
し原料ガス温度が高い部分ではくなると効率良く反応を
進行させることができるので高温域には活性の高い触媒
の使用が推奨される。但し、温度の高すぎる原料ガスと
高活性の触媒がいきなり接触すると、触媒の性能を損う
よりなＣ析出反応を起こすこともあるので単に活性が高
ければよいというものでもない。このように多層構造の
反応管内に充填される改質触媒は場所によってその要求
される活性度が相違しており、従来のように等質の触媒
を充填したものでは触媒の性能性能を十分に有効利用し
ているとは言い難い状況にあった。

本発明はこうした事情に着目してなされたものであって
、触媒活性の有効利用という問題も含めて改質反応を効
率良く進行させ得るような炭化水素改質装置の提供を目
的とするものであり、又他の目的は断熱構造を簡素化す
ることによって装置をコンパクトなものにしようとする
ものである。

さらに断熱構造にも関係することであるが、燃焼熱の利
用効率即ち熱効率を高めて改質反応効率を層高め得るよ
うな炭化水素改質装置を提供することを目的とするもの
である。

［課題を解決するための手段］ しかして上記目的を達成した本発明装置とは、同心状に
配設されると共に一方端において互いに連通ずる多層環
状通路構成からなり、且つ少なくとも２種類以上の異な
った性能からなる触媒の充填された反応管と、該多層通
路の最内層に内接する燃焼ガス誘導路と、該多層通路の
最外層に外接し、且つ前記燃焼ガス誘導路と連通ずる燃
焼ガス導出路と、該燃焼ガス導出路に外接し、且つ前記
多層通路のいずれかに連通する原料ガス導入路とを有す
る点に要旨を有するものである。

［作用］ 本発明装置においては、多層環状通路で構成される反応
管の最内層に内接して燃焼ガス誘導路を形成し、該燃焼
ガス誘導路と連通する燃焼ガス導出路を多層環状通路の
最外層に外接して形成している。その結果、最内層側で
反応管側に給熱することによって自らは降温した燃焼排
ガスが反応管の外周側を通ることになるので、外周側か
ら中心側へ燃焼ガスが流れる従来方式の改質装置に比べ
ると断熱構造を簡素化することができる。しかも燃焼排
ガス導出路の外周側には原料ガス導入路を形成している
ので燃焼排ガスは予熱されていない原料ガスによる気相
断熱作用を受けてその分だけ断熱構造をより簡素なもの
にすることができる。

一方原料ガスは、燃焼ガス導出路に外接する原料ガス導
入路を通る間に予熱されて反応管の多層通路に導入され
るので反応管内における原料ガスの急激な温度上昇が回
避されてＣ析出反応を防止することができる。ところで
予熱された原料ガスを反応管へ導入するに当たっては多
層通路の内層側から外層側へ流す方式（原料ガスと燃焼
ガスが並行して流れる方式）と多層通路の外層側から内
層側へ流す方式（原料ガスと燃焼ガスが対向して流れる
方式）があり、後者の対向流方式を採用する場合には原
料ガスＭＧ及び燃焼ガスＢＧの流れに沿った温度変化は
第３図に示す通りとなる。即ち対向流方式の場合には、
原料ガスＭＧはまず燃焼ガス導出路に隣接する反応管外
層通路中を通る間に昇温するが、前記した通り燃焼ガス
導出路のガス温度は燃焼ガス誘導路のガス温度より低い
のでガス温度の上昇は緩やかであり、反応管の内層通路
に到達して始めて高温度の燃焼ガスＢＧに接することに
なる。従ってこの場合には、原料ガス人口部分における
燃焼ガスと原料ガス（若しくは改質ガス）との温度差が
小さくなり、燃焼ガス保有熱の利用効率はどうしても低
くなる。他方反応管の内層通路の出口部は比較的高温の
燃焼ガスと接触するので出口部から出てくる改質ガスの
温度がかなり高くなる。この為改質ガス温度を所定温度
まで低下させる冷却装置あるいは熱交換装置を設けるこ
とが多く、装置の大型化の一因となっている。これに対
し原料ガスＭＧを反応管の外層通路から内層通路へ流す
並行流方式を採用した場合には、原料ガスＭＧ及び燃焼
ガスＢＧの流れに沿った温度変化は第２図に示す通りと
なる。即ち並行流方式の場合には、原料ガスＭＧは、ま
ず燃焼ガス誘導路の高温ガス領域と接する内層通路へ導
入されるので原料ガス人口部分における原料ガスＭＧと
燃焼ガスＢＧとの温度差が相当に大きくなり、前記対向
流方式に比べると燃焼ガス保有熱の利用効率は高くなる
。そして内層通路から外層通路へ通過した原料ガス（改
質ガス）ＭＧは、反応管から系外へ導出される出口部で
燃焼ガス導出路出口部の比較的温度の低い燃焼ガスと接
することになるので前記対向流方式に比べると改質ガス
温度を低くすることができる。その結果、改質ガス温度
を下げる為の冷却装置や熱交換装置を省略することかで
きる。

ところで上記並行流方式及び対向流方式のいずれを採用
するにしても、反応管内で急激に改質反応が起こるとＣ
析出反応などの触媒にとって有害な反応が起こるので改
質反応は徐々に進行させるべきである。そこで本発明で
は例えば原料ガスが流れる反応管の最上流部には活性の
低い触媒を充填し、この部分では主として原料ガスの予
熱を行ない、改質反応の方はゆっくりと進行させる。そ
して最上流部に続く反応管内に活性の高い触媒を充填し
ておき、温度の上昇した原料ガスの改質反応を本格的に
進行させる。さらに改質反応がほぼ完了した反応管の最
下流部には活性の高い触媒は必要でないので活性の低い
触媒を充填する。この様に活性の異なる改質触媒を反応
管内に適正に分配して充填することによって触媒コスト
を低減することができると共に、Ｃ析出反応等を回避す
ることができる。

［実施例］ 第１図は並行流方式の本発明改質装置（燃料電池用の炭
化水素改質装置）を示す断面説明図で、１は反応管、２
は原料ガス導入路、３は燃焼バーナー　４は燃焼ガス誘
導路、５は炉体、４２は燃焼ガス導出炉を夫々示してい
る。

反応管１は内筒１１、中筒１２、外筒１３を互いに離間
して同心状に配置した三重管からなり、内筒１１と中筒
１２の間に環状の内層通路！４、中筒１２と外筒１３と
の間に環状の外層通路１５を夫々形成したものである。

内層通路１４と外層通路１５は内筒１１と外筒１３を連
結すると共に中筒１２の下端部を切除することによって
連通しており、内層通路１４及び外層通路１５の内部に
はアルミナ−ニッケル系の改質触媒Ｓｌ及びＳ２が夫々
充填、されている。そして上記内筒１１の上端を延設し
て蓋部５１に固定することにより反応管１は炉体５内に
中吊り状態に支持されている。

さらに炉体５の内壁面に沿って環状の原料ガス導入路２
が形成されており、原料ガス導入路２の下端部は炉体５
を貫通する導入管２１に接続され、一方原料ガス導入路
２の上端部は導管２２を介して反応管１の内層通路１４
に接続されている。又反応管１の上方には、反応管と同
心的にマニホールド６１が配置され、反応管の外層通路
１５の複数箇所から取出された分岐管６２が上記マニホ
ールド６１に接続されており、さらにマニホールド６１
からは、炉体５を貫通する改質ガス取出し管６３が引出
されている。

反応管１の中心側空間は燃焼ガス誘導路４を構成し、該
中心側空間の上方に蓋体５１に支持された燃焼バーナー
３が下向きに取付けられ、且つ燃焼バーナー３の先端は
耐熱タイル３１によって被覆されている。反応管１と原
料ガス導入路２の間の環状空間は燃焼ガス導出路４２と
して機能し、下方で燃焼ガス誘導路４と連通ずると共に
、燃焼ガス導出路４２の中間位置にはアルミナ製ボール
若しくはラシヒリングＢが充填され、これにより燃焼ガ
スの滞留時間を延長すると共に伝熱を促進している。そ
して燃焼ガス導出路４２の上端は蓋体５１に挿設された
燃焼ガス排出管４３に連通している。尚炉体５及び蓋体
５１は断熱材で形成されている。

上記構成の改質装置において、メタンなどの燃料と空気
を燃焼バーナー３に供給して燃焼させることにより高温
の燃焼ガスを発生させる。燃焼ガスは中心部の燃焼ガス
誘導路４を下降し、反応管１の下端を廻り込んで折返し
、燃焼ガス導出路４２を上昇して燃焼ガス排出管４３か
ら排出される。

一方、天然ガスなどのガス状炭化水素および水蒸気等か
らなる原料ガスが原料ガス導入路２から供給され、導管
２２を通して反応管１の内層通路１４へ供給される。そ
して内層通路１４内を下降した後、その下端部で折返し
て外層通路１５を上昇する。原料ガスは内層通路１４及
び外層通路１５の触媒層を通過する間に、周囲から熱を
受けて改質反応を起こし、主としてＨ２とＣＯからなる
改質ガスに変化する。この改質ガスは、外層通路１５上
端から分岐管６２を介してマニホールド６１に集められ
、改質ガス取出し管６３より抜出される。尚燃焼ガス誘
導路４及び燃焼ガス導出路４２から原料ガスへの給熱は
、輻射伝熱及び充填物を介した伝熱の双方による。

本実施例においては、上記説明及び第１図から理解され
るように原料ガスと燃焼ガスは並行して流れるので前記
第２図に示した様に原料ガス導入位置における温度差が
大きく、高い熱利用効率を得ることができる。そして燃
焼直後の高温燃焼ガスの熱を有効に利用することにより
触媒層の反応性が増大し、単位体積当たりの改質量が大
きくなる。この結果必要触媒量を従来より少なくするこ
とができ、装置のコンパクト化に寄与することができる
。例えば水素発生量が数千ｍ３／ｈまでの中・小型の改
質装置であれば第１図に示す様な反応管が１基だけの改
質装置で設計することができ、装置をコンパクトに構成
することができる。

尚木実施例装置では反応管１の内層通路１４上部に活性
の低い触媒Ｓ、を充填し、残りの反応管内に活性の高い
触媒Ｓ２を充填しているので、活性の低い触媒Ｓ、充填
層では原料ガスの改質反応はゆっくりと進み、且つ原料
ガスは充分に予熱される。そして改質反応は活性の高い
触媒Ｓ２充填層に至って本格的に進行するが、既に部分
的に反応が進んでいることもあって反応が突発的に進む
ことはなく、Ｃ析出反応の起こるのを防止することがで
きる。ちなみに活性の低い触媒Ｓ□充填層の長さは、急
激な温度変化が起こらず、しかも原料ガスを充分に予熱
できる長さに設計すれば良く、この長さは通常約１００
〜３００ｍｍとすることが望まれる。

さらに上記実施例装置では、燃焼ガスと原料ガスが並行
して流れているので、燃焼ガスの人口部分においては、
未だこの燃焼ガスからの給熱を受けない原料ガスが内層
通路１４の上端部を流れ、この結果内筒１１の壁面が冷
却されて反応管１の壁温Ｗは第２図に破線で示すように
推移する。即ち後述の対向流方式の改質装置に比べて壁
温Ｗは低くなり、反応管１として低いグレードの素材を
使用することができ、コストを低減することができる。

また原料ガス導入路２内の原料ガスは、燃焼ガス導出路
４２内の燃焼ガスと熱交換されることにより予熱され、
一方この熱交換によって燃焼ガス温度は低下する。即ち
原料ガスを原料ガス導入路を経ることなく直接反応管１
へ導入する場合に比べると燃焼ガス温度は低くなるので
、この影響をうけて外層通路１５の出口部における改質
ガス温度を低下させることができる。

こうした効果にも増して本発明装置の最大の特長は炉体
５の断熱材Ｐの厚みを小さくできる点にある。即ち反応
管外周側の燃焼ガス導出路４にはバーナーから放出され
たばかりの燃焼ガスに比べると温度の低い燃焼ガスが流
れ、且つこの燃焼ガス導出路４２は原料ガス導入路２に
囲まれているので原料ガスによる気相断熱作用を受け、
これらの結果、炉体５に加わる熱的負荷は従来に比べる
と格段に小さなものとなっており、上記効果を享受する
ことができる。尚安全性の点から炉体５の外面を６０℃
以下に保持するのに必要な断熱材Ｐの厚みを、従来に比
べて薄くできることは勿論であるが、特に上記原料ガス
導入路２で囲まない場合に比べても約％〜％の厚みまで
断熱材厚さを薄くすることができ、装置をコンパクト化
することができる。

その他、燃焼ガス導出路４内の充填物Ｂは、その量及び
種類を変化させることにより燃焼ガスの滞留時間などを
変化させることができ、熱交換の度合を調整する機能を
発揮するが、勿論、上記充填物を全く充填しないことも
許される。

第４図は本発明の他の実施例を示す断面説明図で、原料
ガスと燃焼ガスが対向して流れる場合を示している。

第４図において装置の概要は第１図例とほぼ同等である
が、原料ガス導入路２の上端は、反応管１の外層通路１
５ａと導管２２ａによって接続されており、マニホール
ド６１ａは分岐管６２ａによって内層通路１４ａの上端
と接続されている。

これによって原料ガス導入路から供給される原料ガスは
、まず燃焼ガス導出路４と接する外層通路１５ａに流さ
れ、下端部で折り返して内層通路１４ａを上昇するよう
に流れる。この結果、原料ガス若しくは改質ガスは燃焼
ガスと対向するように流れる。

本実施例においても、本発明の基本的な作用効果、即ち
反応管の外周側を比較的温度の低い燃焼ガスが流れ、し
かも該燃焼ガスはその外周側を流れる導入原料ガスによ
って気相断熱されるので、これらによって断熱材Ｐの厚
みは大幅に低減することができるという効果を享受する
。尚第１図および第４図等に示される本発明改質装置は
、その装置全体を横向き、斜め向きあるいは上下逆転し
て配置しても同じ作用効果を得ることができる。

また上記実施例では、原料ガス導入路、反応管、燃焼ガ
ス通路を環状に形成したが、通路形状はこれに限らずコ
イル状等に形成してもよい。さらに中心側の燃焼ガス誘
導路にアルミナ系の燃焼触媒を充填するようにしてもよ
い。

［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、以下要約する効果
を得ることができる。

（１）燃焼ガスは、反応管の内周側から外周側へ誘導さ
れるので比較的温度の低い燃焼ガスが外周側を流れ、炉
体にかかる熱的負荷を軽減することができ、炉体断熱材
の薄肉化ひいては装置のコンパクト化をはかることがで
きる。

（２）反応管外周側の燃焼ガス導出路のさらに外周側に
原料ガス導入路を形成したので原料ガスによる気相断熱
効果が発揮され、装置を一層コンパクトなものにするこ
とができる。

（３）反応管内の原料ガス流路に、燃焼ガスとの接触状
況、流路的温度等を考慮して性能の異なる触媒を充填す
ることにより、触媒コストを低減すると共にＣ析出反応
等の触媒に有害な反応を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

第１．４図は本発明の実施例を示す断面説明図、第２．
３図は、並行流方式及び対向流方式の改質装置における
燃焼ガスと原料ガスの温度変化パターンを示すグラフで
ある。 １・・・反応管　　　　　２・・・原料ガス導入路３・
・・燃焼バーナー　　４・・・燃焼ガス誘導路５・・・
炉体　　　　　　１１・・・内筒１２・・・中筒　　　
　　　１３・・・外筒１４・・・内層通路　　　　１５
・・・外層通路４２・・・燃焼ガス導出炉　Ｓｌ・・・
活性の低い触媒Ｓ２・・・活性の高い触媒 第１ 図 ：自 蛸 第４ 図 距 出メ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 同心状に配設されると共に一方端において互いに連通す
   る多層環状通路構成からなり、且つ少なくとも２種類以
   上の異なった性能からなる触媒の充填された反応管と、
   該多層通路の最内層に内接する燃焼ガス誘導路と、該多
   層通路の最外層に外接し、且つ前記燃焼ガス誘導路と連
   通する燃焼ガス導出路と、該燃焼ガス導出路に外接し、
   且つ前記多層通路のいずれかに連通する原料ガス導入路
   とを有することを特徴とする炭化水素の改質装置。