DE68913249T2

DE68913249T2 - Vorrichtung für Kohlenwasserstoffreformierung.

Info

Publication number: DE68913249T2
Application number: DE68913249T
Authority: DE
Inventors: Mamoru Aoki; Yohiaki Imoto; Keiichi Otani; Hideki Sugimura
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1988-09-19
Filing date: 1989-09-15
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2009-09-16
Also published as: US5164163A; EP0360505B1; EP0360505A3; EP0360505A2; DE68913249D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Dampfreformierung, um Kohlenwasserstoffe, wie Methan, in Wasserstoff, Ammoniak, Methanol, Oxogas, Stadtgas usw. umzuwandeln. Insbesondere bezieht sie sich auf eine Kohlenwasserstoff- Reformiervorrichtung, die einen hohen thermischen Wirkungsgrad hat, von kompakter Dimension ist und die Kosten für Reformierkatalysatoren herabsetzt.
Es sind mehrere Reformiervorrichtungen bekannt, um Kohlenwasserstoffe (wie Heizöl, Naphtha und Rohöl) in Reformatgas (das ein brennbares Gas ist, welches aus Wasserstoff als Hauptkomponente und Kohlenmonoxid, Kohlendioxid sowie Methan zusammengesetzt ist) umzuwandeln, indem das Einsatzgut mit Dampf gemischt und das Gemisch durch eine Katalysatorschicht geführt wird. Diese sind in den Japanischen Patent-Offenlegungsschriften Nr. 78992/1978, 79766/1978, 90862/1981 sowie 63783/1983 und in der Japanischen Patentschrift Nr. 7538/1982 offenbart. Das sind Doppelrohr-Konstruktionen, in welchen das Kohlenwasserstoff-Einsatzgut für ein Reformieren durch ein Reaktionsrohr geführt wird, das mit einem Katalysator gefüllt ist und von außen durch Verbrennungsgas von einem Brenner beheizt wird. Die Doppelrohr-Konstruktion steigert den Wärmewirkungsgrad und macht die Vorrichtung kompakt.
Es gibt eine andere bekannte Reformiervorrichtung, die in der Japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. 102801/1984 beschrieben ist. Sie ist aus einem Reaktor einer dreifachen Rohrkonstruktion sowie einem Brennraum, der den Reaktor umgibt, zusammengebaut. Sie ist so konstruiert, daß das Verbrennungsgas von der Brennkammer durch die zentrale Röhre des Reaktors strömt und das Einsatzgut durch die mittlere Röhre sowie dann durch die äußere Röhre in der Richtung fließt die zu derjenigen, in der das Verbrennungsgas strömt, entgegengesetzt ist. Während des Strömens durch den Reaktor empfängt das Einsatzgut Wärme, die für eine Dampfreformierung, welche eine endothermische Reaktion ist, notwendig ist.
Die oben erwähnte Reformiervorrichtung ist jedoch in ihrer Leistung nicht zufriedenstellend. Sie ist im thermischen Wirkungsgrad mäßig, was durch die Tatsache gekennzeichnet ist, daß sie das Abgas mit einer beträchtlich hohen Temperatur abgibt. Sie heizt den Reaktor nicht gleichförmig auf, noch verwertet sie die Wärme des Verbrennungsgases leistungsfähig. Ferner ist sie nicht kompakt, weil sie eine dicke Isolierschicht benötigt.
Die EP-A-195688 offenbart eine Reformiervorrichtung, die umfaßt: einen Reaktor, der Katalysatorkammern enthält, um ein vorgegebenes Volumen des Dampfreformierungskatalysators zu halten, das geeignet ist, um durch die Kammerwände hindurch durch indirekten Wärmetausch die Hitze aufzunehmen, die zum Erhitzen des Prozeßgases und für endothermische Reaktionen, welche in dem Prozeßgas während seines Hindurch strömens auftreten, notwendig ist;
einen oder mehrere Kanäle, um den Einsatzstrom von einem durch den Druckkörper sich erstreckenden Einlaß zu den Katalysatorkammern und als das Prozeßgas weiter durch einen ersten Teil des Volumens, welcher 25 % bis 75 % von diesem darstellt, sowie noch weiter durch einen Endteil des Volumens, welcher den Rest von diesem bildet, zu führen;
einen oder mehrere Kanäle, um den Produktstrom von dem Endteil zu einem solchen Teil der Kammern, welcher den ersten Teil hält, und in indirekten Wärmetäusch mit diesem zu leiten, um vom Produktstrom Wärme dem Prozeßgas, das hindurchströmt, zuzuführen und um ferner den Produktstrom zu einem Auslaß durch den Druckkörper hindurch zu leiten;
einen Brenner, um durch Verbrennung heißes Rauchgas zu erzeugen; Kanäle, um das heiße Rauchgas vom Brenner zu dem Teil der Kammern, der den Endteil hält, und in indirekten Wärmetausch mit diesem zu leiten, um vom heißen Rauchgas Wärme dem Prozeßgas, das hindurchströmt, zuzuführen, wodurch das Rauchgas gekühlt wird, um ein mäßig heißes Rauchgas zu bilden; Kanäle, um das mäßig heiße Rauchgas dem Teil der Kammern, der den ersten Teil hält, und in indirekten Wärmetausch mit diesen zu leiten, um Wärme von dem mäßig heißen Rauchgas dem hindurchströmenden Prozeßgas zuzuführen, wodurch das Rauchgas gekühlt wird, um ein abgekühltes Rauchgas zu bilden; und Kanäle, um das abgekühlte Rauchgas zu einem Auslaß zu leiten, der sich durch den Druckkörper erstreckt.
Wir werden eine Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung beschreiben, die den Katalysator wirksam nutzt und die Reforming-Reaktion leistungsfähig durchführt.
Wir werden eine Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung beschreiben, die eine kompakte Größe aufgrund ihrer vereinfachten Isolierungskonstruktion hat.
Wir werden eine Kohlenstoff-Reformiervorrichtung beschreiben, die einen gesteigerten thermischen Wirkungsgrad (aufgrund der verbesserten Isolierungskonstruktion) und folglich einen verbesserten Reforming-Wirkungsgrad hat.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung geschaffen, die einen Ofenmantel, einen in dem Ofenmantel ausgebildeten Verbrennungsgaskanal, einen zylindrischen Reaktor, der aus Mehrfach-Kanälen aufgebaut ist, welche konzentrisch um den Verbrennungsgaskanal herum angeordnet sind, wobei die Mehrfach-Kanäle mit Katalysatoren angefüllt sind, einen Abgas-Auslaßkanal, der mit dem Verbrennungsgaskanal in Verbindung steht, und einen Einsatzgas-Zuführkanal, der mit irgendeinem der Mehrfach-Kanäle in Verbindung steht, umfaßt, die dadurch gekennzeichnet ist, daß der Abgas-Auslaßkanal an der Innenseite von entweder dem Außenkanal der Mehrfach-Kanäle oder dem Einsatzgas-Zuführkanal derart angeordnet ist, daß der Abgas-Auslaßkanal vom Ofenmantel getrennt ist und daß der Einsatzgas-Zuführkanal als eine Gasphasen-Isolierschicht wirkt.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1, 4 und 5 sind Schnittdarstellungen, welche die Ausführungsformen dieser Erfindung zeigen. Die Figuren 2 und 3 sind Diagramme, die die Temperaturverteilung des Abgases und des Einsatzgases in den Reformiervorrichtungen des Parallelstromtyps sowie des Gegenstromtyps zeigen. Die Figur 6 ist ein Diagramm, das die Temperaturverteilung in der in Figur 6 dargestellten Vorrichtung zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Die bevorzugte Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung dieser Erfindung umfaßt einen Reaktor, der aus mehrfachen, konzentrisch angeordneten Kanälen aufgebaut ist, einen Verbrennungsgaskanal, der dem innersten Kanal des Reaktors benachbart ist, und einen Abgas-Auslaßkanal, der mit dem genannten Verbrennungsgaskanal in Verbindung steht und dem äußersten Kanal des Reaktors benachbart ist. Diese Konstruktion bewirkt, daß das Verbrennungsgas den Reaktor an dessen innerster Lage beheizt und dann durch den Abgas-Auslaßkanal strömt. Deshalb macht diese Konstruktion die dicke Isolierung, die bei der herkömmlichen Reformiervorrichtung erforderlich ist, in welcher das Verbrennungsgas von der Außenseite zur Innenseite strömt, überflüssig. Zusätzlich ermöglicht diese Konstruktion, einen Einsatzgut-Zuführkanal an der Peripherie des Abgas- Auslaßkanals auszubilden. Der auf diese Weise gebildete Außenkanal wirkt als eine Gasphasen-Isolierschicht, die zu der vereinfachten Isolierungskonstruktion beiträgt. (Mit anderen Worten wird in dem Fall, da der Einsatzgut-Zuführkanal rund um den Abgas-Auslaßkanal herum ausgebildet ist, die Wärme des Verbrennungsgases, das abgeführt wird, durch das Einsatzgas, das noch nicht vorgewärmt ist, isoliert.)
Die oben erwähnte Konstruktion bietet einen Vorteil insofern, daß das Einsatzgas in die Mehrfach-Kanäle des Reaktors eintritt, nach dem es während seines Durchströmens durch den Einsatzgut-Zuführkanal, der um den Abgas-Auslaßkanal herum ausgebildet ist, vorgewärmt worden ist. Das verhindert, daß das Einsatzgas im Reaktor rasch erhitzt wird und unterbindet folglich die Kohlenstoffablagerung.
Eine alternative Konstruktion, in welcher der Abgas-Auslaßkanal zwischen dem Außenkanal und dem Innenkanal des Reaktors ausgebildet ist, bietet einen Vorteil insofern, als der Außenkanal als eine Gasphasen-Isolierschicht für den Abgas- Auslaßkanal wirkt, wodurch die Wärmebelastung der Isolierschicht herabgesetzt wird. Das führt zu dem Effekt einer Erhöhung im Wärmewirkungsgrad, einer Verminderung in der Dicke der Isolierschicht, die den Ofenmantel bildet, und einer kompakten Ausgestaltung der gesamten Vorrichtung. Zusätzlich ermöglicht diese Konstruktion, daß die Wärme des Verbrennungs gases ausreichend auf den Reaktor übertragen wird mit dem Ergebnis, daß das Abgas eine derart niedrige Temperatur hat, so daß der Rauchgaskanal aus Allzweck-Feuerfestmaterial gefertigt werden kann. Das trägt zur Herabsetzung der Anlagekosten bei. Darüber hinaus verbessert das Zuführen der fühlbaren Wärme des Verbrennungsgases sowohl zum Innenschichtkanal als auch zum Außenschichtkanal den Wirkungsgrad in der Wärmeausnutzung.
Derzeit gibt es zwei Systeme für die Einführung von Einsatzgas in den Reaktor. Das eine ist das Parallelströmungssystem, in welchem das Einsatzgas und das Verbrennungsgas in derselben Richtung strömen. (Mit anderen Worten gesagt, strömt das Einsatzgas von der inneren Lage zur äußeren Lage der Mehrfach-Kanäle.) Das andere ist das Gegenstromsystem, in welchem das Einsatzgas und das Verbrennungsgas in entgegengesetzten Richtungen strömen. (Mit anderen Worten gesagt, strömt das Einsatzgas in der Richtung, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, in der das Verbrennungsgas strömt.) Im Fall des Gegenstromsystems ändern sich das Einsatzgas und das Abgas in der Temperatur, wenn sie längs der Kanäle strömen, wie in Fig. 3 gezeigt ist. (Die Kurve MG gibt das Einsatzgas wieder während die Kurve BG das Verbrennungsgas wiedergibt.) Es ist festzuhalten, daß das Einsatzgas sich in der Temperatur erhöht, während es durch den zum Abgas-Auslaßkanal benachbarten Außenkanal des Reaktors strömt. Jedoch ist der Temperaturanstieg im Gegenstromsystem sanfter als derjenige im Parallelstromsystem, weil die Gastemperatur im Abgas-Auslaßkanal niedriger ist als diejenige im Verbrennungsgaskanal, wie oben erwähnt wurde. Das Einsatzgas kommt mit dem Verbrennungs gas von hoher Temperatur nur in Berührung, wenn es den Innenkanal des Reaktors erreicht hat. Deshalb ist der Temperaturunterschied zwischen dem Einsatzgas (oder dem Reformatgas) und dem Abgas am Einsatzgaseinlaß kleiner als derjenige im Parallelstromsystem. Das führt unvermeidbar zu einem niedrigen Wirkungsgrad in der Wärmeausnutzung des Abgases. Andererseits hat das Abgas im Abgas-Auslaßkanal eine vergleichsweise niedrige Temperatur, während das Reformatgas, das abgeführt wird, eine beträchtlich hohe Temperatur hat, weil der Auslaß des Innenkanals des Reaktors mit dem Verbrennungsgas, das eine vergleichsweise hohe Temperatur hat, in Berührung ist. Das macht es notwendig, einen Kühler oder Wärmetauscher einzubauen, um das Reformatgas auf eine vorgeschriebene Temperatur abzukühlen.
Im Gegensatz hierzu ändern sich im Fall des Parallelstromsystems, bei welchem das Einsatzgas durch den Innenkanal des Reaktors und dann durch den Außenkanal des Reaktors strömt, das Einsatzgas und das Abgas in der Temperatur, wie in Fig. 2 gezeigt ist, wenn sie längs der Kanäle strömen. Im Parallelstromsystem wird das Einsatzgas in den Innenkanal eingeführt, der mit dem Bereich hoher Temperatur des Verbrennungsgaskanals in Berührung steht; deshalb ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Einsatzgas und dem Abgas am Einsatzgaseinlaß beträchtlich groß. Das führt zu einem höheren Wirkungsgrad in der Wärmeausnutzung des Verbrennungs gases als in dem oben erwähnten Gegenstromsystem. Das Einsatzgas (Reformatgas), das durch den Innenkanal und dann durch den Außenkanal geströmt ist, kommt mit dem Abgas, das ausgestoßen wird und eine vergleichsweise niedrige Temperatur hat, am Auslaß des Reaktors in Berührung. Das führt zu einer niedrigeren Temperatur des Reformatgases als in dem oben erwähnten Gegenstromsystem. Deshalb benötigt das Parallelstromsystem den Kühler oder Wärmetauscher, um das Reformatgas zu kühlen nicht. Das ist vom Standpunkt der kompakten Herstellung der Vorrichtung erwünscht.
Ohne Rücksicht darauf, ob das Parallelstromsystem oder das Gegenstromsystem Anwendung findet, sollte die Reforming- Reaktion langsam durchgeführt werden, weil jegliche abrupte Reaktion eine Kohlenstoffablagerung hervorruft, die für den Katalysator schädlich ist. Gemäß der vorliegenden Anordnung wird deshalb der weit stromaufwärtige Teil des Reaktors mit einem Katalysator von geringer Aktivität gefüllt, so daß das Einsatzgas hier langsam einem Vorwärmen und einer Reforming- Reaktion unterliegt. Der mittlere Teil des Reaktors, der dem weit stromaufwärtigen Teil benachbart ist, wird mit einem Katalysator von hoher Aktivität gefüllt, so daß das vorgewärmte Einsatzgas dort die Reforming-Reaktion in vollem Umfang durchmacht. Der weit stromabwärtige Teil, in welchem die Reforming-Reaktion nahezu abgeschlossen und ein Katalysator von hoher Aktivität nicht länger notwendig ist, wird mit einem Katalysator von niedriger Aktivität gefüllt. Eine Verteilung der Katalysatoren von unterschiedlichen Aktivitäten auf adäquate Teile im Reaktor senkt die Kosten für den Katalysator und verhindert die Kohlenstoffablagerung.
Vom Standpunkt der Herstellung und des thermischen Wirkungsgrades ist es erwünscht, daß die Mehrfach-Kanäle des Reaktors der Einsatzgas-Zuführkanal und der Abgas-Auslaßkanal von konzentrischer kreisförmiger Konstruktion sein sollten. Sie können jedoch auch in gewendelter Gestalt oder in irgendwelchen Gestalten konstruiert sein.
Aus oben erwähnten Gründen ist es erwünscht, daß der Einsatzgas-Zuführkanal an der Peripherie der Reaktorröhre und in Berührung mit dieser ausgebildet sein sollte. Jedoch ist es in dem Fall, da eine kompakte Vorrichtung bevorzugt wird, möglich, daß das Einsatzgas direkt in die Mehrfach-Kanäle des Reaktors eingeführt werden kann, ohne mit der Peripherie des Reaktors in Berührung gebracht zu werden.

Beispiel 1

Die erste Ausführungsform dieser Erfindung ist in Fig. 1 im Schnitt gezeigt. Sie ist eine Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung für Brennstoffelemente. Es sind mit 1 ein zylindrischer Reaktor, mit 2 ein Einsatzgut-Zuführkanal, mit 3 ein Brenner, mit 4 ein Verbrennungsgaskanal, mit 5 ein Ofenmantel und mit 42 ein Abgas-Auslaßkanal gezeigt.
Der zylindrische Reaktor 1 ist aus einem inneren Zylinder 11, einem mittleren Zylinder 12 und einem äußeren Zylinder 13 aufgebaut, die mit bestimmten Abständen konzentrisch angeordnet sind. Zwischen dem inneren Zylinder sowie dem mittleren Zylinder 12 ist ein Innenkanal 14 ausgebildet, und zwischen dem mittleren Zylinder 12 und dem äußeren Zylinder 13 ist ein Außenkanal 15 ausgebildet. Der Innenkanal 14 und der Außenkanal 15 stehen untereinander in Verbindung, wobei der innere Zylinder 11 und der äußere Zylinder 13 untereinander an ihrem bodenseitigen Teil verbunden sind, während das untere Ende des mittleren Zylinders 12 etwas hochgestellt ist. Der Innenkanal 14 und der Außenkanal 15 sind mit Aluminiumoxid-Nickel-Reformierkatalysatoren S&sub1; bzw. S&sub2; gefüllt. Das obere Ende des inneren Zylinders 14 ist verlängert und an der Abdeckung 51 befestigt so daß der zylindrische Reaktor 1 im Ofenmantel 5 aufgehängt ist.
Der Einsatzgut-Zuführkanal 2 ist längs der Innenwand des Ofenmantels 5 ausgestaltet. Das untere Ende des Einsatzgut-Zuführkanals 2 ist mit dem Einlaßrohr 21 verbunden, das sich durch den Ofenmantel 5 zieht. Das obere Ende des Einsatzgut-Zuführkanals 2 steht mit dem Innenkanal 14 des zylindrischen Reaktors 1 über ein Rohr 22 in Verbindung. Oberhalb des zylindrischen Reaktors 1 und konzentrisch zu diesem ist ein Sammelrohr 61 angeordnet. Mit dem Sammelrohr 61 sind Abzweigrohre 62 verbunden, die vom Außenkanal 15 des zylindrischen Reaktors 1 kommen. Das Sammelrohr 61 führt zu einem Reformatgas-Auslaßrohr 63, das sich durch den Ofenmantel 5 zieht.
Der zentrale Raum des zylindrischen Reaktors 1 dient als der Verbrennungsgaskanal 4. Im oberen Teil des zentralen Raumes befindet sich der Brenner 3, der von der Abdeckung 5 in abwärtiger Richtung getragen wird. Das Ende des Brenners 3 ist mit feuerfesten Ziegeln 31 abgedeckt. Der Raum zwischen dem zylindrischen Reaktor 1 und dem Einsatzgas-Zuführkanal 2 wirkt als der Abgas-Auslaßkanal 42, der an seinem unteren Teil mit dem Verbrennungsgaskanal 4 in Verbindung steht. Der zwischenliegende Teil des Abgas-Auslaßkanals 42 ist mit Aluminiumoxidkugeln B oder Raschig-Ringen B gefüllt, so daß das Abgas eine verlängerte Verweilzeit hat und eine wirksame Wärmeübertragung ausführt. Das obere Ende des Abgas-Auslaßkanals 42 ist mit dem Abgas-Auslaßrohr 43, das sich durch die Abdeckung 51 zieht, in Verbindung. Übrigens sind der Ofenmantel 5 und die Abdeckung 51 aus Wärmeisoliermaterial gefertigt.
Die Reformiervorrichtung mit der oben erwähnten Konstruktion wird in der folgenden Weise betrieben. Ein Brennstoff (wie Methan) und Luft werden dem Brenner 3 zugeführt, um ein Verbrennungsgas von hoher Temperatur zu erzeugen. Das Verbrennungsgas strömt abwärts durch den Verbrennungsgaskanal 4, der im Zentrum der Vorrichtung liegt. Es kehrt um das untere Ende des zylindrischen Reaktors 1 herum um und strömt dann aufwärts durch den Abgas-Auslaßkanal 42, worauf es am Abgas-Auslaßrohr 43 austritt.
Andererseits wird ein Einsatzgas, das aus gasförmigen Kohlenwasserstoffen (wie Erdgas) und Dampf zusammengesetzt ist, durch den Einsatzgas-Zuführkanal 2 eingebracht. Es strömt durch das Rohr 22 und dann abwärts durch den Innenkanal 14 des zylindrischen Reaktors 1. Es kehrt um den unteren Teil herum um und strömt aufwärts durch den äußeren Kanal 15. Das Einsatzgas empfängt Wärme und macht eine Reforming- Reaktion durch (was ein Reformatgas ergibt, das hauptsächlich aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid zusammengesetzt ist), während es durch die Katalysatorschichten im Innenkanal 14 und im Außenkanal 15 strömt. Vom oberen Ende des Außenkanals 15 tritt das Reformatgas durch die Abzweigrohre 62 in das Sammelrohr 61 ein. Letztlich tritt das Reformatgas am Auslaßrohr 63 aus. Es sei bemerkt, daß das Einsatzgas Wärme vom Verbrennungsgaskanal 4 und vom Abgas-Auslaßkanal 42 durch Strahlung und Leitung über den Füllstoff empfängt.
Im Fall dieser Ausführungsform strömen das Einsatzgas und das Verbrennungsgas in parallelen Richtungen, wie aus der obigen Erläuterung sowie Fig. 1 verständlich wird. Deshalb besteht ein großer Temperaturunterschied zwischen den beiden Gasen am Einsatzgaseinlaß, wie in Fig. 2 gezeigt ist. Das führt zu einem hohen Wirkungsgrad in der Wärmeausnutzung. Zusätzlich liefert das Verbrennungsgas von hoher Temperatur das unmittelbar nach der Verbrennung erzeugt wird, Hitze, die die Aktivität der Katalysatorschicht steigert. Das führt zu einem verbesserten Reformierungs-Wirkungsgrad pro Volumeneinheit des Katalysators. Als Ergebnis kann der Reaktor dieser Ausführungsform mit einer geringeren Katalysatormenge als der herkömmliche betrieben werden und insofern in seiner Dimension kompakt sein. Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung ist imstande, mehrere tausend Kubikmeter an Wasserstoff pro Stunde zu erzeugen.
Die Reformiervorrichtung nach diesem Beispiel weist einen weiteren Vorteil auf. Der obere Teil des Innenkanals 14 des zylindrischen Reaktors 1 ist mit einem Katalysator S&sub1; geringer Aktivität gefüllt, so daß das Einsatzgas hier einem ausreichenden Vorwärmen und einer langsamen Reforming-Reaktion ausgesetzt ist. Der restliche Teil des Innenkanals 14 ist mit einem Katalysator S&sub2; von hoher Aktivität gefüllt, so daß das Einsatzgas dort eine Reforming-Reaktion in einem vollen Umfang durchmacht. Das Einsatzgas, das bereits eine teilweise Reforming-Reaktion durchgemacht hat, wird nicht der abrupten Reaktion unterworfen, die eine Kohlenstoffablagerung hervorruft. Übrigens soll sich die Schicht des Katalysators von niedriger Aktivität vorzugsweise über 100 - 300 mm erstrecken, um die rapide Temperaturänderung zu vermeiden und das ausreichende Vorwärmen des Einsatzgases zuzulassen.
Die Reformiervorrichtung nach diesem Beispiel hat einen noch weiteren Vorteil, der aus der Tatsache resultiert, daß das Abgas und das Einsatzgas in der parallelen Richtung strömen. Mit anderen Worten heißt das, daß das Einsatzgas, das vom Abgas noch nicht Wärme aufgenommen hat, durch den oberen Teil des Innenkanals 14 strömt, der dem frischen Verbrennungsgas benachbart ist. Deshalb wird die Wand des Innenzylinders gekühlt, so daß die Wand des zylindrischen Reaktors 1 die in Fig. 2 durch die gestrichelte Linie (W) angegebene Temperaturverteilung hat. Das bedeutet, daß die Wandtemperatur (W) niedriger ist als diejenige in der Reformiervorrichtung des Gegenstromtyps, auf den später eingegangen wird. Das legt es nahe, daß der zylindrische Reaktor 1 aus einem geringwertigen Material gefertigt werden kann, um die Anlagekosten zu senken.
Die Reformiervorrichtung nach diesem Beispiel besitzt ein weiteres Merkmal insofern, als das Einsatzgas im Einsatzgas- Zuführkanal 2 durch Wärmetausch mit dem Abgas im Abgas-Auslaßkanal 42 vorgewärmt und das Abgas als Ergebnis dieses Wärmetausches gekühlt wird. Das heißt mit anderen Worten, daß die Temperatur des Abgases niedriger ist als in dem Fall, da das Einsatzgas direkt in den zylindrischen Reaktor 1 eingeführt wird, anstatt durch den Einsatzgas-Einlaßkanal eingeführt zu werden. Als Ergebnis ist die Temperatur des Reformatgases am Ausgang des Außenkanals 15 niedrig.
Der bedeutendste Vorteil der Reformiervorrichtung in diesem Beispiel ist, daß die Isolierung (P) des Ofenmantels 5 aus den folgenden Gründen dünn gemacht werden kann. Der Abgas- Auslaßkanal 42 an der Peripherie des zylindrischen Reaktors führt das Abgas, das eine niedrigere Temperatur als das frische, vom Brenner ausgehende Verbrennungsgas hat, und der Abgas-Auslaßkanal 42 ist von dem Einsatzgas-Zuführkanal 2, der als eine Isolierschicht wirkt, umgeben. Diese Konstruktion vermindert in hohem Maß die auf den Ofenmantel aufgebrachte Wärmebelastung im Vergleich mit der herkömmlichen Konstruktion. Somit kann die Dicke des Isoliermaterials, die notwendig ist, um die Außenseite des Ofenmantels aus Sicherheitsgründen unter 60 ºC zu halten, auf etwa die Hälfte oder zwei Drittel derjenigen in dem Fall, da der Abgas-Auslaßkanal nicht von dem Einsatzgas-Zuführkanal 2 umgeben ist, herabgesetzt werden. Je dünner das Isoliermaterial ist, desto gedrängter ist die Reformiervorrichtung.
Durch den Füllstoff (B) im Abgas-Auslaßkanal wird ferner die Verweilzeit des Abgases verändert und insofern der Grad eines Wärmetausches in Abhängigkeit von der Menge und Art des Füllstoffs geregelt. Jedoch ist der Füllstoff (B) nicht unentbehrlich.
Die oben beschriebene Reformiervorrichtung kann derart abgewandelt werden, daß das Einsatzgas-Einlaßrohr 21 direkt mit dem Innenkanal 14 verbunden wird. In diesem Fall kann die Vorrichtung viel kompakter gemacht werden.

Beispiel 2

Die zweite Ausführungsform dieser Erfindung ist im Schnitt in Fig. 4 dargestellt. Sie ist vom Gegenstromtyp, wobei das Einsatzgas und das Abgas in entgegengesetzten Richtungen strömen. Die in Fig. 4 gezeigte Vorrichtung ist im Aufbau derjenigen, die in Fig. 1 gezeigt ist, ähnlich. Das obere Ende das Einsatzgas-Zuführkanals 2 ist mit dem Außenkanal 15a des zylindrischen Reaktors 1 über das Rohr 22a verbunden, während das Sammelrohr 61a mit dem oberen Ende des Innenkanals 14a über die Abzweigrohre 62a in Verbindung steht. Deshalb strömt das vom Einsatzgas-Einlaßkanal zugeführte Einsatzgas abwärts durch den Außenkanal 15a, der dem Abgas-Auslaßkanal 42 benachbart ist, und es kehrt um den unteren Teil herum um und strömt durch den Innenkanal 14a aufwärts. Als Ergebnis strömt das Einsatzgas (oder das Reformatgas) in der Richtung, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, in welcher das Abgas strömt.
Die Reformiervorrichtung dieses Beispiels bringt den grundlegenden Effekt dieser Erfindung hervor. Das heißt mit anderen Worten, daß die Dicke des Isoliermaterials (P) in einem großen Ausmaß vermindert werden kann, weil das Abgas, das eine verhältnismäßig niedrige Temperatur hat, außenseitig des zylindrischen Reaktors strömt und durch das Einsatzgas, das längs der Außenseite des Abgases strömt, isoliert ist.
Übrigens können die in den Fig. 1 und 4 gezeigten Reformiervorrichtungen in irgendeiner Position - vertikal, horizontal, geneigt oder kopfstehend - verwendet werden. Zusätzlich kann der Verbrennungsgaskanal in der Mitte mit einem Verbrennungs katalysator auf Aluminiumoxidbasis gefüllt werden.

Beispiel 3

Die dritte Ausführungsform dieser Erfindung ist im Schnitt in Fig. 5 dargestellt. Diese Reformiervorrichtung ist in dem Behälter eingeschlossen, der aus dem Isoliermaterial (P) gebildet ist. Sie hat einen inneren Reaktor 1 (der ein zylindrischer innerer Kanal ist) und einen äußeren Reaktor 2 (der ein zylindrischer äußerer Kanal ist), die konzentrisch angeordnet sind, wobei zwischen diesen ein zylindrischer Zwischenraum vorhanden ist. Der zylindrische Zwischenraum wirkt als der Abgas-Auslaßkanal 42. Der innere Reaktor 1 bildet den zentralen Raum, der als der Verbrennungsgaskanal 4 dient. An seinem unteren Ende steht der Verbrennungsgaskanal 4 mit dem Abgas-Auslaßkanal 42 in Verbindung. Im oberen Teil des Verbrennungsgaskanals 4 befindet sich der Brenner 3, der durch die Abdeckung 51 in abwärtiger Richtung gelagert ist. Der innere Reaktor 1 und der äußere Reaktor 2 sind von einer doppellagigen Konstruktion. Das Innere der Reaktoren 1 und 2 ist in die Einsatzgas-Abwärtskanäle 1a sowie 2a (die von zylindrischer Gestalt sind) und die Einsatzgas-Aufwärtskanäle 1b sowie 2b, die von zylindrischer oder rohrförmiger Gestalt sind) geteilt. Sie stehen miteinander an ihrem unteren Ende in Verbindung. Die Einsatzgas-Abwärtskanäle 1a sowie 2a sind mit einem Nickel-Aluminiumoxid-Reformierkatalysator (S) gefüllt. Im Fall dieser Ausführungsform ist der Einsatzgas-Abwärtskanal 2a des äußeren Reaktors 2 mit dem Einsatzgas-Einlaßkanal 21 verbunden, während der Einsatzgas-Aufwärtskanal 1b des inneren Reaktors mit dem Reformatgas-Auslaßrohr 63 verbunden ist. Ferner sind der Einsatzgas-Aufwärtskanal 2b des äußeren Reaktors 2 und der Einsatzgas-Abwärtskanal 1a des inneren Reaktors 1 untereinander durch das Rohr 22 in Verbindung. Der Abgas-Auslaßkanal 42 ist mit einem Wärme übertragenden Material, wie Aluminiumoxidkugeln und Raschig-Ringen D gefüllt, und das obere Ende des Abgas-Auslaßkanals 42 ist mit dem Abgas-Auslaßrohr 43 verbunden.
Wenn die Reformiervorrichtung dieses Beispiels in Betrieb ist, fließt das durch das Einsatzgas-Einlaßrohr 21 zugeführte Einsatzgas abwärts durch den Einsatzgas-Abwärtskanal 2a des äußeren Reaktors 2 sowie aufwärts durch den Aufwärtskanal 2b des äußeren Reaktors 2, und es tritt dann durch das Rohr 22 hindurch, um in den Einsatzgas-Abwärtskanal 1a des inneren Reaktors 1 einzutreten. Es fließt durch den Einsatzgas-Abwärtskanal 1a abwärts und durch den Aufwärtskanal 1b aufwärts. Andererseits strömt das vom Brenner 3 austretende Verbrennungsgas durch den Verbrennungsgaskanal 4, es kehrt am unteren Teil des inneren Reaktors 1 um, strömt aufwärts durch den Abgas-Auslaßkanal 42 und tritt durch das Abgas-Auslaßrohr 43 aus. Während das Einsatzgas und das Abgas strömen, wie oben erwähnt wurde, wird die Wärme des Abgases auf den Reaktor übertragen.
Bei der Reformiervorrichtung dieses Beispiels ist der Abgas- Auslaßkanal 42 mit der Außenseite des inneren Reaktors 1 und auch mit der Innenseite des äußeren Reaktors 2 in Kontakt. Deshalb wird die Wärmeübertragung vom Abgas-Auslaßkanal auf die Reaktoren 1 und 2 leistungsfähig durchgeführt. Als Ergebnis wird die Katalysatorschicht ausreichend erhitzt und macht das Einsatzgas die Reforming-Reaktion wirksam in den Abwärtskanälen 1a sowie 2a, die mit dem Katalysator (S) gefüllt sind, durch. Das Einsatzgas wird in Reformatgas umgewandelt, das in der Hauptsache aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht und das Reformatgas wird vom Reformatgas-Auslaßrohr 63 abgeführt. Zusätzlich ist der Abgas-Auslaßkanal 42 vom äußeren Reaktor 2 umschlossen, und das verhindert, daß das heiße Abgas mit dem Ofenmantel in direkte Berührung kommt. Deshalb kann die Dicke des Isoliermaterials (P) vermindert werden.
Bei dieser Ausführungsform erfolgt der Wärmeübergang vom Verbrennungsgaskanal 4 auf den Reaktor durch Strahlung, während der Wärmeübergang vom Abgas-Auslaßkanal 42 auf den Reaktor hauptsächlich durch Leitung vermittels des Wärmeübertragungsmaterials (D), das in den Abgas-Auslaßkanal 42 gefüllt ist, erfolgt. Das steigert in hohem Maß den Wirkungsgrad im Wärmeübergang vom Abgas-Auslaßkanal 42. Das Wärmeübertragungsmaterial verändert die Verweilzeit des Abgases sowie die Wärmeübertragungsmenge und regelt insofern den Grad im Wärmetausch in Abhängigkeit von seiner Menge und Art Diese Ausführungsform, die vom Gegenstromtyp ist, wobei das Abgas und das Einsatzgas in entgegengesetzten Richtungen strömen, bewirkt ein leistungsfähiges Vorwärmen des Einsatzgases, das durch den äußeren Reaktor 2 strömt.
Dieses Beispiel erzielt den hohen Wirkungsgrad in der Wärmeausnutzung, wie durch das Diagramm in Fig. 6 demonstiert wird, welches die Temperaturverteilung des Einsatzgases im Reaktor und an der Fläche des Reaktors zeigt.

Claims

1. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung mit einem Ofenmantel (5), mit einem in dem Ofenmantel ausgebildeten Verbrennungsgaskanal (4), mit einem zylindrischen Reaktor (1), der aus Mehrfach-Kanälen (14, 15; 1a, 1b) aufgebaut ist, welche konzentrisch um den Verbrennungsgaskanal herum angeordnet sind, wobei die Mehrfach-Kanäle (14, 15; 1a) mit Katalysatoren (S&sub1;, S&sub2;) angefüllt sind, mit einem Abgas-Auslaßkanal (42), der mit dem Verbrennungsgaskanal (4) in Verbindung steht, und mit einem Einsatzgas-Zuführkanal (2; 2a), der mit irgendeinem der Mehrfach-Kanäle (14; 2b) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Auslaßkanal (42) an der Innenseite von entweder dem Außenkanal (2a) der Mehrfach-Kanäle oder dem Einsatzgas-Zuführkanal (2) derart angeordnet ist, daß der Abgas- Auslaßkanal vom Ofenmantel getrennt ist und daß der Einsatzgas-Zuführkanal (2; 2a, 2b) als eine Gasphasen-Isolierschicht wirkt.

2. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Einrichtung (3) zur Erzeugung von Gas hoher Temperatur enthält, welche am einen Ende des Verbrennungsgaskanals (4) eingebaut ist.

3. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, die ferner ein festphasiges Wärmeisoliermaterial enthält, das außenseitig des Einsatzgas-Zuführkanals (2; 2b) angeordnet ist.

4. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in welcher der Einsatzgas-Zuführkanal (2; 2a) an der Peripherie des Abgas-Auslaßkanals (42) angeordnet ist.

5. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 4, in welcher der Einsatzgas-Zuführkanal (2; 2a, 2b) ein zylindrischer Kanal ist.

6. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 4, die derart konstruiert ist, daß das Einsatzgas durch den Einsatzgas-Zuführkanal (2) in der Richtung strömt, die parallel zu derjenigen ist, in welcher das Abgas durch den Abgas-Auslaßkanal (42) strömt.

7. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1 in welcher der Abgas-Auslaßkanal (42) zwischen benachbarten der Mehrfach-Kanäle angeordnet ist.

8. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1 in welcher der Einsatzgas-Zuführkanal (2; 2b) mit dem innersten Kanal der Mehrfach-Kanäle in Verbindung steht.

9. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1 die derart konstruiert ist, daß das Verbrennungsgas durch den Verbrennungsgaskanal (4) in der Richtung strömt, die parallel zu derjenigen ist, in welcher das Einsatzgas durch den innersten Kanal (14; 1a) der Mehrfach-Kanäle strömt.

10. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, die derart konstruiert ist, daß der äußerste Kanal (2b) mit dem inneren Kanal (2a) der Mehrfach-Kanäle in Verbindung steht und das Einsatzgas nacheinander durch den inneren Kanal (2a), den äußersten Kanal (2h) sowie den innersten Kanal (1a) strömt.

11. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 1, die derart konstruiert ist, daß das Verbrennungsgas durch den Verbrennungsgaskanal (4) in der Richtung strömt, die zu derjenigen entgegengesetzt ist, in welcher das Einsatzgas durch den innersten Kanal (14a) der Mehrfach-Kanäle strömt, und daß der mit dem Auslaß der Mehrfach-Kanäle in Verbindung stehende Kanal mit Mitteln, um das Reformatgas zu kühlen, versehen ist.

12. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welcher der in die Mehrfach- Kanäle gefüllte Katalysator (S&sub1;, S&sub2;) ein solcher ist, der aus zwei oder mehr Katalysatoren, von denen einer (S&sub1;) eine geringe Aktivität und der andere (S&sub2;) eine hohe Aktivität hat, zusammengesetzt ist.

13. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach Anspruch 12, in welcher der Katalysator (S&sub1;) mit geringer Aktivität in den Einsatzgaseinlaß sowie den Reformatgasauslaß der Mehrfach-Kanäle gefüllt und der Katalysator (S&sub2;) mit hoher Aktivität in den zwischenliegenden Teil des Einlasses sowie Auslasses gefüllt ist.

14. Kohlenwasserstoff-Reformiervorrichtung nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welcher der Abgas-Auslaßkanal (42) mit einem Isoliermaterial (B) auf Aluminiumoxid basis gefüllt ist.