JPH09208201A

JPH09208201A - 水蒸気改質設備

Info

Publication number: JPH09208201A
Application number: JP8014260A
Authority: JP
Inventors: Masashi Sawa; 正史沢
Original assignee: Ishikawajima Harima Heavy Industries Co Ltd
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-12

Abstract

(57)【要約】【課題】原子炉の熱で昇温させた一次ガスを用いても
安全に二次ガスに含まれる水素の生成効率を向上させる
ことが可能な水蒸気改質設備を提供する。【解決手段】原子炉３２により昇温された高温の一次
ガス２８が流通する雰囲気中に配置され一端から水蒸気
と炭化水素ガスとが混合した二次ガス２９が供給され且
つ他端が閉塞した触媒管４５と、該触媒管４５の内底部
近傍に一端が位置し且つ触媒管４５の外部に他端が位置
するように触媒管４５に挿入された流路形成管２６と、
前記の触媒管４５の内側面と流路形成管２６の外側面と
の間に充填された触媒２７とを備えた水蒸気改質設備に
おいて、触媒管４５の管壁を内部に中間層４８を有する
二重壁とし、中間層４８の一次ガス２８を検出する一次
ガス検出器のプローブ４３を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気とメタン等
の炭化水素ガスから水素を生成させる水蒸気改質設備に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５及び図６は、水蒸気とメタン等の炭
化水素ガスから水素を生成させる水蒸気改質設備の一例
を示すものである。

【０００３】１は中空構造の改質器本体であり、該改質
器本体１は、垂直に延びる筒状の胴部２と、該胴部２の
下端部に固着された鏡板３とを備え、胴部２の外側部に
設けたスカート部４によって架台等の固定構造物５に支
持されている。

【０００４】胴部２の下端部近傍には、胴部２の外方か
ら内方へ径方向に連通する一次流体入口ノズル６が設け
られ、胴部２の上端部近傍には、胴部２の内方から外方
へ径方向に連通する一次流体出口ノズル７が設けられて
いる。

【０００５】胴部２の上端部には、管板８が設けられて
おり、該管板８の下面には、胴部２の内部に同軸に挿入
された内筒９の上端が固着されている。

【０００６】内筒９の下端部近傍には、内筒９の外方か
ら内方へ径方向に連通する一次流体入口管１０が一次流
体入口ノズル６と同軸に位置するように設けられ、内筒
９の上端部近傍には、内筒９の内方から外方へ径方向に
連通する一次流体出口管１１が一次流体出口ノズル７と
同軸に位置するように設けられている。

【０００７】更に、内筒９の外側面と胴部２の内側面と
の間の空間、並びに鏡板３の内底面と内筒９の下面との
間の空間には、断熱材１２が充填されている。

【０００８】管板８の上面には、胴部２と略同径の流体
室形成胴１３が胴部２と同軸に位置するように設けられ
ており、この流体室形成胴１３の下端部と前記の胴部２
の上端部とは、ボルト等の締結手段１４によって固着さ
れ、管板８が流体室形成胴１３の下端部と胴部２の上端
部との双方に挾持されるようになっている。

【０００９】流体室形成胴１３の下端部近傍には、流体
室形成胴１３の外方から内方へ径方向に連通する二次流
体入口ノズル１５が設けられ、また、流体室形成胴１３
の上端部近傍には、流体室形成胴１３の内方から外方へ
径方向に連通する二次流体出口ノズル１６が設けられて
いる。

【００１０】更に、流体室形成胴１３の内部には、上部
内筒１７が流体室形成胴１３と同軸に設けられており、
上部内筒１７の下端部は管板８の上面に固着されてい
る。

【００１１】この上部内筒１７の下端部近傍には、上部
内筒１７の外方から内方へ径方向に連通する二次流体入
口管１８が二次流体入口ノズル１５と同軸に位置するよ
うに設けられ、上部内筒１７の上端部近傍には、上部内
筒１７の内方から外方へ径方向に連通する二次流体出口
管１９が二次流体出口ノズル１６と同軸に位置するよう
に設けられている。

【００１２】また、上部内筒１７の内部には、二次流体
入口管１８より上方で二次流体出口管１９よりは下方の
位置で上部内筒１７を上下に二分し且つ流体室形成胴１
３に内接するように管板２０が設けられている。

【００１３】そして、流体室形成胴１３の上端には改質
器蓋２１が、ボルト等の締結手段２２によって固着され
ている。

【００１４】更に、上部内筒１７の外側面と、流体室形
成胴１３の内側面と、管板８の上面外周近傍と、改質器
蓋２１の下面外周近傍とによって囲まれる空間には、断
熱材２３が充填されている。

【００１５】内筒９の内方には、垂直に延びる複数（図
５においては１つのみを示す）の触媒管２４が配置さ
れ、胴部２の内部に設けられている多数の邪魔板２５に
よって胴部２に振れ止め支持されている。

【００１６】この触媒管２４の上端外周は、管板８に穿
設された管孔に内接固着されており、触媒管２４の下端
は、閉塞した形状になっている。

【００１７】各触媒管２４の内部には、流路形成管２６
が遊嵌するように内接固着されており、流路形成管２６
の上端外周は、管板２０に穿設された管孔に内接固着さ
れている。

【００１８】この流路形成管２６の下端は、図６に示す
ように前記の触媒管２４の下端近傍において開口してい
る。

【００１９】そして、各流路形成管２６の外周面と触媒
管２４の内側面との間には、図６に示すように水蒸気
（Ｈ₂ Ｏ）とメタン（ＣＨ₄ ）とから水素（Ｈ₂ ）を生
成させるためのペレット状の触媒２７が充填されてい
る。

【００２０】また、前記の各流路形成管２６の外側面の
複数箇所には、上下方向に通るガス通路４９が穿設され
た外圧補強材５０を固着して、一次ガス２８の外圧によ
って前記の触媒管２４の管壁が内方に撓むのを防ぐよう
になっている。

【００２１】上述した水蒸気改質設備において、胴部２
の一次流体入口ノズル６にヘリウム（Ｈｅ）等の高温の
一次ガス２８を供給すると、該一次ガス２８は、胴部２
の内部を邪魔板２５に阻止されつつその間を迂回しなが
ら下方から上方へ向って流通して触媒管２４の外側を高
温の一次ガス２８の雰囲気とし、胴部２の一次流体出口
ノズル７から外部へ流出する。

【００２２】一方、流体室形成胴１３の二次流体入口ノ
ズル１５に水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）とメタン（ＣＨ₄ ）とが混
合した二次ガス２９を供給すると、該二次ガス２９は、
流体室形成胴１３の内側面と管板８の上面と管板２０の
下面とにより形成される流体室３０を経て、触媒２７が
充填されている触媒管２４の内側面と流路形成管２６の
外側面との間を上方から下方へ向って流通する。

【００２３】このとき、高温の一次ガス２８から触媒管
２４を介して伝達される熱エネルギーと触媒２７によっ
て、二次ガス２９に含まれている水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）とメ
タン（ＣＨ₄ ）とが反応し、水素（Ｈ₂ ）と一酸化炭素
（ＣＯ）とが生成される。

【００２４】また、変性反応により、生成された一酸化
炭素（ＣＯ）と混合ガスに含まれている水蒸気（Ｈ₂
Ｏ）とから、水素（Ｈ₂ ）と二酸化炭素（ＣＯ₂ ）とが
生成される。

【００２５】この水素（Ｈ₂ ）を主成分とする二次ガス
２９は、流路形成管２６の内部を下方から上方へ向かっ
て流通した後、流体室形成胴１３の内側面と管板２０の
上面と改質器蓋２１の下面とにより形成される流体室３
１を経て、二次流体出口ノズル１６から外部へ流出す
る。

【００２６】これにより、二次流体入口管１８に供給さ
れた水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）とメタン（ＣＨ₄ ）とが混合した
二次ガス２９は、二次流体出口管１９から水素（Ｈ₂ ）
を主成分とする二次ガス２９として収集され、化学プラ
ント等で使用されることになる。

【００２７】図７は、上述した触媒２７が充填されてい
る触媒管２４と流路形成管２６との間を上方から下方へ
向って流通する二次ガス２９の圧力と、この反応した二
次ガス２９に含まれているメタン（ＣＨ₄ ）の残量との
関係を示すグラフであり、このグラフから、流通する二
次ガス２９の圧力が低いほどメタン（ＣＨ₄ ）の残量が
少なくなることが分かる。

【００２８】メタン（ＣＨ₄ ）の残量が少ないというこ
とは、より多くのメタン（ＣＨ₄ ）が水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）
と反応して、より多くの水素（Ｈ₂ ）が生成されるとい
うことになり、従って、触媒２７が充填されている触媒
管２４の内側面と流路形成管２６の外側面との間を上方
から下方へ向って流通する二次ガス２９の圧力が低くな
るようにすれば、水素（Ｈ₂ ）の生成効率が向上するこ
とになる。

【００２９】そのため一般の化学プラントでは、二次ガ
ス２９の圧力を１０ｋｇ／ｃｍ² 程度以下の低い圧力に
なるように設定している。

【００３０】

【発明が解決しようとする課題】一方、近年、エネルギ
ーの有効利用の観点から、原子炉の熱で昇温させたガス
を水蒸気改質設備の一次ガス２８として利用することが
検討されている。

【００３１】ところが、原子炉の熱で昇温されるガスの
圧力は、約４０ｋｇ／ｃｍ² 程度であるため、これを図
５及び図６に示す水蒸気改質設備の一次ガス２８として
利用した場合に、触媒管２４に亀裂等の損傷が生じる
と、一次ガス２８が触媒管２４の内部に侵入し、触媒管
２４において生成される水素（Ｈ₂ ）を主成分とする二
次ガス２９とともに二次流体出口管１９から外部へ流出
し、放射性物質の漏洩事故を惹起することになる。

【００３２】このような一次ガス２８の流出を防止する
手段として、二次ガス２９の圧力を一次ガス２８の圧力
よりも高く設定すればよいが、先に述べたように、二次
ガス２９の圧力に起因して触媒２７による水素（Ｈ₂ ）
の収集率が低下する。

【００３３】本発明は上述した実情に鑑みてなしたもの
で、原子炉の熱で昇温させた一次ガスを用いても安全に
二次ガスに含まれる水素の生成効率を向上させることが
可能な水蒸気改質設備を提供することを目的としてい
る。

【００３４】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の請求項１に記載した水蒸気改質設備では、
原子炉により昇温された高温の一次ガスが流通する雰囲
気中に配置され一端から水蒸気と炭化水素ガスとが混合
した二次ガスが供給され且つ他端が閉塞した触媒管と、
該触媒管の内底部近傍に一端が位置し且つ触媒管の外部
に他端が位置するように触媒管に挿入された流路形成管
と、前記の触媒管の内側面と流路形成管の外側面との間
に充填された触媒とを備えた水蒸気改質設備において、
触媒管の管壁を内部に中間層を有する二重壁とし、中間
層の一次ガスを検出する一次ガス検出器のプローブを設
けている。

【００３５】また、本発明の請求項２に記載した水蒸気
改質設備では、上述した本発明の請求項１に記載の水蒸
気改質設備の構成に加えて、中間層の二次ガスを検出す
る二次ガス検出器のプローブを設けている。

【００３６】本発明の請求項１あるいは請求項２に記載
の水蒸気改質設備のいずれにおいても、触媒管の管壁を
内部に中間層を有する二重壁として、触媒管の外側の管
壁が損傷した際に、原子炉により昇温された高温の一次
ガスが二次ガスに混入して外部へ流出することを防止す
る。

【００３７】また、本発明の請求項１及び請求項２に記
載の水蒸気改質設備のいずれにおいても、中間層を有す
る二重壁とした触媒管の外側の管壁に亀裂等の損傷が生
じて一次ガスが触媒管の中間層に侵入すると、該一次ガ
スを中間層に設けた一次ガス検出器のプローブが検知す
る。

【００３８】更に、本発明の請求項２に記載の水蒸気改
質設備においては、中間層を有する二重壁とした触媒管
の内側の管壁に亀裂等の損傷が生じて二次ガスが触媒管
の中間層に侵入すると、該二次ガスを中間層に設けた二
次ガス検出器のプローブが検知する。

【００３９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
例と共に説明する。

【００４０】図１から図４は本発明の水蒸気改質設備の
実施の形態の一例を示すもので、図中、図５及び図６と
同じものには同じ符号を付すことにより説明を省略す
る。

【００４１】本発明の水蒸気改質設備の改質器本体１で
は、管板８の上面に胴部２と略同径の中間層ガス室形成
胴３７が胴部２の軸線の延長上に位置するように設けて
あり、該中間層ガス室形成胴３７の上端に管板３８を設
け、この管板３８の上面に流体室形成胴１３が設けられ
ている。

【００４２】前記の中間層ガス室形成胴３７の下端部と
胴部２の上端部とは、ボルト等の締結手段３９によって
固着され、中間層ガス室形成胴３７の上端部と流体室形
成胴１３の下端部とは、ボルト等の締結手段１４によっ
て固着されている。

【００４３】中間層ガス室形成胴３７の内部には、中間
層ガス室内筒４０が中間層ガス室形成胴３７と同軸に設
けられていて、中間層ガス室内筒４０の外側面と、中間
層ガス室形成胴３７の内側面と、管板８の上面外周近傍
と、管板３８の下面外周近傍とによって囲まれている空
間には、断熱材４１が充填されている。

【００４４】前記の中間層ガス室内筒４０の内側面と、
管板８の上面と、管板３８の下面とにより中間層ガス室
４２が形成されていて、該中間層ガス室４２内には、ガ
スクロマトグラフィー等の一次ガス検出器のプローブ４
３と、ガスクロマトグラフィー等の二次ガス検出器のプ
ローブ４４とが設けられており、中間層ガス室４２にお
ける一次ガス２８と二次ガス２９とが検出されるように
なっている。

【００４５】また、触媒管４５は、図３及び図４に示す
ように内管４６と外管４７とを有し、該内管４６と外管
４７との間に中間層４８が形成されている二重壁になっ
ている。

【００４６】そして、内管４６の内側面と流路形成管２
６の外面との間に、水蒸気（Ｈ₂ Ｏ）とメタン（ＣＨ
₄ ）から水素（Ｈ₂ ）を生成させるためのペレット状の
触媒２７が充填されている。

【００４７】また、前記の流路形成管２６の外側面の複
数箇所には、上下方向に通るガス通路４９が穿設された
外圧補強材５０を固着して、一次ガス２８の外圧によっ
て触媒管４５の管壁が内方に撓むのを防ぐようになって
いる。

【００４８】なお、前記の中間層４８は中空のままでも
良く、通気性を有する多孔質材を充填しても良い。

【００４９】上述した触媒管４５の二重壁を形成してい
る外管４７は、図３に示すように上端外周が管板８に穿
設された管孔に内接固着されており、内管４６は外管４
７よりも上方へ延びて中間層ガス室４２を通り、上端外
周が管板３８に穿設された管孔に内接固着されている。

【００５０】このため、内管４６と外管４７との間の中
間層４８は、中間層ガス室４２の内部に連通している。

【００５１】前記の中間層ガス室４２の内部並びに中間
層４８には、触媒管４５の外側を流通する一次ガス２８
の約４０Ｋｇ／ｃｍ² 程度のガス圧力、及び触媒管４５
の内部を流通する二次ガス２９の１０Ｋｇ／ｃｍ² 程度
以下のガス圧のいずれよりも低いガス圧力雰囲気になる
ように、不活性ガスよりなるモニタガスを充填する。

【００５２】前記の触媒管４５の内部に遊嵌するように
挿入されている流路形成管２６の上端外周は、図５に示
す従来の水蒸気改質設備と同様に管板２０に穿設された
管孔に内接固着されている。

【００５３】また、胴部２の一次流体入口ノズル６に
は、原子炉３２の熱により昇温された一次ガス２８が供
給されるように、また、胴部２の一次流体出口ノズル７
からは、二次ガス２９に熱エネルギーを伝達した一次ガ
ス２８が、過熱器３４の熱交換室、蒸気発生器３５の伝
熱管、給水予熱器３６の伝熱管を経て原子炉３２へ送出
されるようになっている。

【００５４】一方、流体室形成胴１３の内部に流体室３
０に連通する二次流体入口ノズル１５には、給水予熱器
３６の熱交換室、蒸気ドラム３３、蒸気発生器３５の熱
交換室、蒸気ドラム３３、過熱器３４の伝熱管を経て昇
温された水蒸気と、メタン（ＣＨ₄ ）を含んでいる液化
天然ガス（ＬＮＧ）の気化ガスとの混合ガスが、二次ガ
ス２９として供給されるようになっている。

【００５５】次に図１から図４に示す水蒸気改質設備の
作動について説明する。

【００５６】原子炉３２の熱で昇温した一次ガス２８
を、胴部２の一次流体入口ノズル６に供給すると、該一
次ガス２８は、内筒９の内部を下方から上方へ向かって
流通して触媒管４５の外側を高温の一次ガス２８の雰囲
気とし、胴部２の一次流体出口ノズル７から外部へ流出
する。

【００５７】また、流体室形成胴１３の内部の流体室３
０に連通する二次流体入口ノズル１５に供給される水蒸
気（Ｈ₂ Ｏ）とメタン（ＣＨ₄ ）とが混合した二次ガス
２９は、流体室３０から触媒２７の層の内部を上方から
下方へ向かって流通し、高温の一次ガス２８から外管４
７、中間層４８、内管４６を介して伝達される熱エネル
ギーと触媒２７とにより水素（Ｈ₂ ）を主成分とする二
次ガス２９になり、流路形成管２６の内部、流体室形成
胴１３の内部の流体室３１を経て、二次流体出口ノズル
１６から外部へ流出する。

【００５８】触媒管４５の二重壁を形成している外管４
７に亀裂等の損傷が生じたとすると、高い圧力の一次ガ
ス２８は、外管４７の損傷箇所を通って中間層４８に侵
入し、中間層４８に充填されているモニタガスに混入す
る。

【００５９】一次ガス２８が混入したモニタガスは、一
次ガス２８と中間層４８のモニタガスとの圧力差によっ
て中間層４８から中間層ガス室４２へ流れ、一次ガス検
出器のプローブ４３によってモニタガス中に一次ガス２
８が混入したことが検知される。

【００６０】この状態のときには、外管４７に損傷が生
じただけで内管４６には損傷が生じていないので、一次
ガス２８は内管４６に阻まれて二次ガス２９に混入する
ことはなく、外管４７に損傷が生じたことが判明した段
階で、水蒸気改質設備の使用を停止することができる。

【００６１】従って、二次ガス２９の圧力を低くして水
素生成速度を早くし、一次ガス２８の圧力を高くして熱
の伝達効率を高くした高性能の状態で水蒸気改質設備を
使用していても、一次ガス２８の漏洩を防ぐことができ
る。

【００６２】また、触媒管４５の二重壁を形成している
内管４６に亀裂等の損傷が生じると、触媒２７の層を通
って流路形成管２６の内部を流れる二次ガス２９が、内
管４６の損傷箇所を通ってガス通路４９へ侵入し、ガス
通路４９に充填されているモニタガスに混入する。

【００６３】水素を主成分とする二次ガス２９が混入し
たモニタガスは、二次ガス２９とガス通路４９のモニタ
ガスとの圧力差によってガス通路４９から中間層ガス室
４２へ流れ、二次ガス検出器のプローブ４４によってモ
ニタガス中に二次ガス２９が混入したことが検知され
る。

【００６４】この状態のときには、内管４６に損傷が生
じただけで外管４７には損傷が生じていないので、二次
ガス２９は外管４７に阻まれて一次ガスに混入すること
はなく、内管４６に損傷が生じたことが判明した段階
で、水蒸気改質設備の使用を停止することができる。

【００６５】このように、図１から図４に示す水蒸気改
質設備では、触媒管４５を構成している外管４７が損傷
しても、一次ガス２８が二次ガス２９に混入して外部へ
流出することがないので、原子炉３２により昇温された
一次ガス２８を利用してメタン（ＣＨ₄ ）と水蒸気の混
合ガスである二次ガス２９から水素を生成する際に、安
全性を低下させずに二次ガス２９の圧力を低く設定する
ことができ、よって、水素の生成効率を向上させること
が可能になる。

【００６６】なお、本発明の水蒸気改質設備は上述した
実施の形態のみに限定されるものではなく、例えば、中
間層ガス室の内部に放射能検出器のプローブを設けて一
次ガスが漏洩した際の放射能レベルを検知し得るように
してもよいこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲内において、種々変更を加え得ることは勿論である。

【００６７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の水蒸気改質
設備によれば、下記のような種々の優れた効果を奏し得
る。

【００６８】（１）本発明の請求項１あるいは請求項２
に記載の水蒸気改質設備のいずれにおいても、触媒管の
管壁を内部に中間層を有する二重壁としているので、触
媒管の管壁の外側部分が損傷しても、原子炉により昇温
された高温の一次ガスが二次ガスに混入して外部へ流出
することがなく、原子炉により昇温された一次ガスを利
用して炭化水素ガスと水蒸気の混合ガスである二次ガス
から水素を生成する際に、安全性を低下させずに二次ガ
スの圧力を低く設定することができ、よって、水素の生
成効率を向上させることが可能になる。

【００６９】（２）本発明の請求項１あるいは請求項２
に記載の水蒸気改質設備のいずれにおいても、一次ガス
検出器のプローブによって中間層における一次ガスを検
出し、触媒管の損傷により一次ガスが中間層に流入した
か否かを判定するので、触媒管の外側の管壁に損傷が生
じたことを確実に把握できる。

【００７０】（３）本発明の請求項２に記載した水蒸気
改質設備においては、二次ガス検出器のプローブによっ
て中間層における二次ガスを検出し、触媒管の損傷によ
り二次ガスが中間層に流入したか否かを判定するので、
触媒管の内側の管壁に損傷が生じたことを確実に把握で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の水蒸気改質設備の実施の形態の一例を
示す概念図である。

【図２】本発明の水蒸気改質設備の実施の形態の一例に
おける水蒸気改質器本体を示す断面図である。

【図３】図２に関連する水蒸気改質器本体の上部の断面
拡大図である。

【図４】図２に関連する触媒管の下端部の断面拡大図で
ある。

【図５】従来の水蒸気改質設備の一例における水蒸気改
質器本体を示す断面図である。

【図６】図５に関連する触媒管の下端部の断面拡大図で
ある。

【図７】水蒸気改質設備において反応する二次ガスの圧
力と二次ガスに含まれるメタンの残量との関係を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

２６流路形成管２７触媒２８一次ガス２９二次ガス３２原子炉４３一次ガス検出器のプローブ４４二次ガス検出器のプローブ４５触媒管４８中間層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子炉により昇温された高温の一次ガス
が流通する雰囲気中に配置され一端から水蒸気と炭化水
素ガスとが混合した二次ガスが供給され且つ他端が閉塞
した触媒管と、該触媒管の内底部近傍に一端が位置し且
つ触媒管の外部に他端が位置するように触媒管に挿入さ
れた流路形成管と、前記の触媒管の内側面と流路形成管
の外側面との間に充填された触媒とを備えた水蒸気改質
設備において、触媒管の管壁を内部に中間層を有する二
重壁とし、中間層の一次ガスを検出する一次ガス検出器
のプローブを設けたことを特徴とする水蒸気改質設備。
【請求項２】中間層の二次ガスを検出する二次ガス検
出器のプローブを設けた請求項１に記載の水蒸気改質設
備。