JPH0789033B2 - 水蒸気改質装置 - Google Patents

水蒸気改質装置

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JPH0789033B2
JPH0789033B2 JP60202946A JP20294685A JPH0789033B2 JP H0789033 B2 JPH0789033 B2 JP H0789033B2 JP 60202946 A JP60202946 A JP 60202946A JP 20294685 A JP20294685 A JP 20294685A JP H0789033 B2 JPH0789033 B2 JP H0789033B2
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直樹 酒井
満 渋沢
増夫 太田
紀文 浜田
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Chiyoda Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野〕 本発明は炭化水素と水蒸気を触媒の存在下で高温で気相
反応させる水蒸気改質装置に関するものである。
〔従来技術〕
従来、水蒸気と炭化水素との混合ガスを触媒の存在下で
高温で気相反応させて水素を含む改質ガスを製造する水
蒸気改質方法(steam reforming)は広く知られてい
る。この場合の炭化水素と水蒸気との気相反応は、600
〜900℃という高温の吸熱反応である。この水蒸気改質
方法は、炭化水素と水蒸気との混合ガスを触媒管内を流
通させるとともに、その触媒管の外表面を通常、800〜1
200℃の高温の燃焼ガスと接触させて加熱し、反応に必
要な高温の熱量をその触媒管の管壁を通して内部に入熱
させることによって実施されている。そして、このよう
な水蒸気改質方法は、燃料電池に用いる水素を製造する
ための装置として利用されている。
前記水蒸気改質方法を実施するために用いられている一
般的な水蒸気改質装置は、水蒸気と炭化水素との混合ガ
スが管内を流通する触媒管の外表面の一部又は全部を円
筒体で包囲し、その触媒管の外表面と円筒体の内表面と
の間に形成される間隙部に高温燃焼ガスを流通させる構
造のものである。
ところで、従来の水蒸気改質装置においては、高温燃焼
ガスから触媒管の管壁を通して触媒管内に伝達される伝
熱効率が悪いため、水蒸気改質反応に必要な熱量を得る
ために、多量の高温燃焼ガスを必要とし、その結果、水
素の製造コストが高くなるという問題を生じた。
一方、前記伝熱効率を高めるために、環状間隙部にシリ
カ等の耐熱性無機物の粗大粒子(粒径3〜10mm)を充填
することが提案されてる。しかし、この場合にも、その
伝熱効率が未だ満足すべきものではなく、逆に、この場
合には燃焼ガスが環状間隙部を流通する隙の圧力損失が
大きくなるため、燃焼ガスを環状空隙部を流通させるた
めの動力コストが上昇するという問題を生じた。
〔目 的〕
本発明は、高温燃焼ガスから触媒管内を流通する水蒸気
と炭化水素との混合ガスへの伝熱効率が高く、水素製造
コストの低減された水蒸気改質装置を提供することをそ
の目的とする。
〔構 成〕
本発明者らは、前記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた
結果、高温燃焼ガスに、細線からなる網状体を接触させ
て加熱し、この高温に加熱された網状体から放射される
輻射熱により触媒管を加熱することにより、高温燃焼ガ
スからの触媒管内への伝熱効率を著しく向上し得ること
を見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明によれば、水蒸気と炭化水素との混合ガス
が管内を流通する触媒管の外表面の一部又は全部を円筒
体で包囲し、該触媒管の外表面と円筒体の内表面との間
に形成される環状間隙部に高温燃焼ガスを流通させる構
造の水蒸気改質装置において、該環状間隙部に、素線の
線径が5mm以下でかつ素線間の間隔が5mm以下である網状
体を輻射伝熱源として配設したことを特徴とする水蒸気
改質装置が提供される。
次に、本発明を図面により説明する。第1図は、本発明
の水蒸気改質装置の断面説明図を示すもので、1は触媒
管、2は触媒管1の周囲に設けられた円筒体を示す。3
は触媒管1と円筒体2との間に形成される環状間隙部
で、高温燃焼ガスの流路を形成する。触媒管1は、その
内部に水蒸気改質触媒層4を有する。また、この触媒管
1内部は水蒸気と炭化水素ガスの流路を形成する。
本発明においては、高温燃焼ガスの通路を形成する環状
間隙部3内に、網状体Mを輻射伝熱源として挿入する。
この場合、網状体Mは、円筒形のもので、管体1の外表
面(被加熱面)に沿って、環状間隙部3の中間に配設さ
れる。
前記装置においては、間隙部3には高温燃焼ガスAが流
通され、一方、改質触媒層4には水蒸気と炭化水素との
混合ガスBが流通される。水蒸気と炭化水素との混合ガ
スBは、改質触媒層4内において反応し、水素を含む改
質ガスが生成される。この反応は高温(約600〜900℃)
の吸熱反応であり、それに必要な熱量は、間隙部3を流
通する高温燃焼ガスから供給される。
本発明者らの研究によれば、前記のような構造の水蒸気
改質装置においては、その網状体Mを輻射伝熱源として
配設したことにより、伝熱効率が著しく高められること
が見出された。この伝熱効率の向上は、次のような理由
によるもとの考えられる。即ち、網状体の場合、細線で
構成され、かつ比表面積が大きく、しかも高温燃焼ガス
の通路の中間に配設されていることから、その網状体全
体は、高温燃焼ガスにより容易に高温に加熱され、その
表面温度は、燃焼ガスの温度と近い高温となる。このよ
うな表面温度が高く、しかも比表面積の大きな網状体
は、大きな熱輻射能を有し、その輻射伝熱によって触媒
管外表面は高温度に加熱され、触媒管内への入熱量も大
きくなる。触媒管外表面は燃焼ガスと接触していること
から、触媒管内には、この接触加熱による入熱も存在す
るが、その割合は小さく、触媒管内への入熱の大部分
(約80%以上)は、前記網状体からの輻射伝熱量であ
る。その結果、高温燃焼ガスからの触媒管1の外表面へ
の全体的な熱伝達は、網状体を用いない場合の熱伝達に
比して、著しく大きくなる。
本発明で用いる網状体において、その素線の材質は耐熱
性を有するものであれば任意であるが、一般には、ニッ
ケル・クロム等の金属線やセラミックス線等が用いられ
る。網状体を形成する素線の線径は、できるだけ細線の
方が好ましいが、一般には、直径5mm以下、好ましくは
1〜3mm程度のものが用いられる。網状体の織型として
は、平織、綾織、平畳織、綾畳織、莚織、バランス織、
ヘリンボーン織等があり、各素線間の間隔は、5mm以
下、好ましくは1〜3mm程度である。前記輻射伝熱は、
網状体を構成する素線の線径や素線間の間隔により影響
され、素線が大きすぎると網状体の単位重量当りの表面
積が小さくなるため、効率的な輻射伝熱が得られなくな
り、また、素線間の間隔が大きすぎると、網状体の単位
面積当りの素線密度が小さくなるため、効率的な輻射伝
熱が得られなくなる。網状体を触媒管1の外表面に沿っ
て環状間隙部に配設する場合、高温燃焼ガスの圧力損失
を増加させないようガス流路断面積の1/3〜1/5程度に配
設することが好ましい。
前記環状間隙部3には、耐火性無機物(セラミックス)
のボールやラシッヒリング等の充填材を充填し、これに
よって伝熱能を高めることも可能であるが、この場合に
は、網状体の場合とは異なり、伝熱能を高めようとする
と、高温燃焼ガスが環状間隙部3を流通する際の圧力損
失が大きくなるという欠点を有する。即ち、伝熱能を高
めようとすると充填材の粒子径を小さくすることが必要
となる。一方、充填材の粒子径を小さくすると、環状間
隙部3における充填材の充填は密充填になり、圧力損失
が大きくなる。しかも、間隙部3に充填材を充填した充
填層では伝熱を行うことより円周方向に温度分布が生
じ、触媒管1の表面に近い方の充填材の温度が低く、触
媒管1の表面から遠い方の充填材の温度が高くなる。こ
れに対し、網状体を環状間隙部3の中間に配設する時に
は、前記のような欠点は生じない。
本発明の水蒸気改質装置において、環状間隙部3には、
高温燃焼ガスの流路の途中に、その流路断面積を狭める
1個又は複数の工作物を設け、間隙部3内を通る高温燃
焼ガスに乱れを生じさせ、伝熱効率をさらに向上させる
ことができる。この場合、工作物の配置は、流路断面積
を狭める方法であれば任意であり、例えば、触媒管1の
外表面や、円筒体2の内表面に隆起物を配設する方法の
他、触媒管1を包囲する環状リングを配設する方法等が
ある。
第2図(a)に、環状リングを間隙部3に配設した場合
の説明断面図を示す。第2図(b)は環状リングの平面
図を示す。
第2図において、10は環状リングであり、この環状リン
グは板状連結体11によって各連結されて、間隙部3内に
配設されている。この環状リングの配設により、間隙部
3の高温燃焼ガス流路は、それら環状リングの配設位置
において狭くなり、高温燃焼ガスの流れに乱れが生じ
る。この環状リングは網状体の支持体として用いること
ができ、第2図においては、環状リングの内側に、網状
体Mは、スポット溶接により固着されている。また、こ
の環状リングは、その間隙部3内への配設が容易なよう
に、半割又は3つ割部材として配設することも可能であ
る。なお、第2図には、環状リングの間隙部3内への固
定法については図示されていないが、この環状リング
は、触媒管1上部に支持棒を固着し、この支持棒にフッ
クを介してその全体を吊り下げたり、あるいは連結体を
介して、環状リングを触媒管1の表面に固定させる等し
て、間隙部3内に配設することができる。
〔実施例〕
次に、本発明を実施例によりさらに詳細に説明する。
実施例 加熱された網状体による輻射伝熱効率を調べるために以
下の実験を行った。
実験装置として、スチール製の2重管構造の装置を用い
た。この場合、内管は、外径22cm、長さ75cmのものであ
り、外管は、内径25cm、長さ75cmのものである。この2
重管の内管外表面と外管内表面との間の間隔は、15mmで
あり、この内管と外管との空隙部の中間の位置には、直
径1.1mmの合金鋼製細線を平織した金網(金属線相互の
間隔:2.5mm)を直径23.5cmの円筒状に成形して挿入し
た。
このような2重管構造の装置に対し、内管に冷空気を流
通させ、外管と内管との間の環状間隙部に温度850℃に
加熱した燃焼ガスを種々の速度で流通させ、燃焼ガスか
ら内管表面への熱伝熱を行わせた。この場合の燃焼ガス
からの内管表面への熱伝熱を測定し、その結果を、見掛
伝熱係数として表−1に示す。
実施例2 実施例1において、内管内に、改質触媒として、アルミ
ナに担持させたニッケル触媒(平均粒径:5mm)を充填
し、高さが40cmの触媒層を形成するとともに、内管内を
流通させるガスとして、水蒸気19.8Nm3/hと炭化水素
(メタン)6.6Nm3/hとの混合ガスを用いた以外は同様に
して実験を行った。この場合の混合ガスの空間速度(GH
SV)は300/hである。その結果を表−2に示す。
〔効 果〕 表−1に示した結果から、本発明の網状体を設置した水
蒸気改質装置は、従来の網状体を環状間隙部に設置しな
いものに比べ、燃焼ガスから円管表面への熱伝達効率が
著しく向上したことがわかる。
また、表−2に示した結果から、内管外表面への熱伝達
効率の向上とともに、内管内を流通する水蒸気/炭化水
素混合ガスの温度が上昇するため、水蒸気改質反応の平
衡が生成物側に傾き、得られる改質ガス中の水素濃度が
増加することがわかる。これらのことから、本発明の水
蒸気改質方法及び装置によれば、低められたコストで水
素を製造し得ることが明らかである。
【図面の簡単な説明】
第1図は、水蒸気改質装置の断面説明図である。第2図
(a)は、触媒管と円筒体との間に形成される間隙部に
環状リングを配設した場合の説明断面図であり、第2図
(b)はその平面図である。 1……触媒管、2……円筒体、3……間隙部、4……触
媒層、10……環状リング、11……板状連結体、M……網
状体。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 直樹 神奈川県横浜市金沢区釜利谷町2263―27 (72)発明者 渋沢 満 神奈川県横浜市旭区若葉台4−13―902 (72)発明者 太田 増夫 神奈川県横浜市緑区竹山4−2 (72)発明者 浜田 紀文 神奈川県川崎市中原区田尻町77 (72)発明者 平林 俊彦 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町1−1―2 三菱電機株式会社神戸製作所内 (56)参考文献 特開 昭58−33091(JP,A) 特開 昭58−23168(JP,A) 特開 昭59−10341(JP,A) 特公 昭39−21195(JP,B1)

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】水蒸気と炭化水素との混合ガスが管内を流
    通する触媒管の外表面の一部又は全部を円筒体で包囲
    し、該触媒管の外表面と円筒体の内表面との間に形成さ
    れる環状間隙部に高温燃焼ガスを流通させる構造の水蒸
    気改質装置において、該環状間隙部に、素線の線径が5m
    m以下でかつ素線間の間隔が5mm以下である網状体を輻射
    伝熱源として配設したことを特徴とする水蒸気改質装
    置。
JP60202946A 1985-09-13 1985-09-13 水蒸気改質装置 Expired - Lifetime JPH0789033B2 (ja)

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JPH02160077A (ja) * 1988-12-15 1990-06-20 Dainippon Printing Co Ltd 化粧材の製造方法及び製造装置
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