JP2001226105A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 炭化水素原料ガスと水蒸気の混合ガスから水
素リッチな改質ガスを生成する改質装置において、加熱
によるケーシング内の伝熱粒子充填層及び改質反応管の
熱膨張を吸収し、改質反応管の変形を防止する。 【解決手段】 改質触媒がそれぞれ充填された複数の改
質反応管（３，５）と、該改質反応管を収容するケーシ
ング（９）と、該複数の改質反応管の間の空間を埋める
ように該ケーシング内に充填された伝熱粒子充填層
（４）と、該ケーシングの内面を覆うように配置された
断熱材壁（１０）とを含む改質装置において、断熱材壁
（１０）と伝熱粒子充填層（４）との間に鋼板製の隔壁
（１１、１１’）を配置し、該隔壁と伝熱材壁との間に
セラミックファイバが充填された隙間（１３）を設けて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水蒸気と混合され
た原料ガス（炭化水素）を改質し、水素リッチな改質ガ
スを生成する改質装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の炭化水素類の原料を改質する改質
装置の構造を図４に示す。同図において、水蒸気を含む
原料ガスは、原料ノズル１から改質装置に供給され、原
料ガスヘッダ２から、二重管式の反応管を構成する同軸
の外管３と内管５との間を流れる。外管３と内管５との
間には水蒸気改質触媒層が充填されている。これらの反
応管の間には伝熱促進粒子（伝熱粒子充填層）４が充填
されている。

【０００３】外管３と内管５の間を流れる原料ガスは外
管３を介して伝熱粒子充填層４から熱を受け、水蒸気改
質触媒層の作用により改質反応を起こす。改質反応終了
後、改質ガスは内管５の中を通り、改質ガスヘッダ６に
集められ、改質ガスノズル７から外部に供給される。

【０００４】改質装置上部には、反応管に熱を供給する
ために、触媒燃焼式バーナ等の燃焼装置８が設けられ
る。該燃焼装置には燃料と燃焼用空気が供給され、燃焼
ガスは装置上部空間から伝熱粒子充填層４を通過し、反
応管に熱を供給することにより温度を下げながら燃焼ガ
スノズル１５から外部に排出される。

【０００５】図５に上記改質装置の断面を示す。ケーシ
ング９の内周面には断熱材壁１０が配置されている。該
断熱材壁１０は伝熱粒子充填層４と直接に接触してい
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の改質装置
では、剛性の断熱材壁１０は伝熱粒子充填層４と直接に
接触している。従って、加熱による伝熱粒子充填層４及
び外管３の熱膨張を吸収するすべがなく、外管３に大き
な外力が加わり、改質装置の最も重要な構成要素である
反応管が変形し、改質装置の寿命を短くするという問題
がある。

【０００７】これに対処するために、反応管を保護する
ため断熱材の強度を低下させることも考えられるが、こ
のようにすると、断熱材壁が磨耗あるいは脱落したり、
亀裂が進んで高温の燃焼ガスがケーシング９側に流れホ
ットスポットが生じるという問題が発生する。

【０００８】また、従来の改質装置のケーシング断面及
び断熱材壁断面は円形であるが、反応管の配列は、円形
ではなく六角形であり、断熱材壁の内周面に沿って無駄
な燃焼ガスが流れる通路ができ、熱効率、伝熱効率を低
下させているという問題がある。

【０００９】本発明の課題は、断熱材壁の磨耗、脱落、
亀裂進展、ケーシング面上のホットスポットを生じさせ
ることなく、加熱による伝熱粒子充填層及び外管の熱膨
張を吸収し、改質反応管に大きな外力が加わることを防
止し、これにより改質装置の最も重要な構成要素である
反応管の変形を防止し、改質装置の寿命を長くすること
を課題とする。

【００１０】本発明の別の課題は、改質装置の熱効率、
熱伝導率を改善することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題は以下の手段に
より解決される。

【００１２】即ち、改質触媒がそれぞれ充填された複数
の改質反応管と、該複数の改質反応管を収容するケーシ
ングと、該複数の改質反応管の間の空間を埋めるように
該ケーシング内に充填された伝熱粒子充填層と、該ケー
シングの内面を覆うように配置された断熱材壁と、前記
断熱材壁と前記伝熱粒子充填層との間に配置された鋼板
製の隔壁とを含み、該隔壁と該伝熱材壁との間に隙間が
設けられ、改質反応管内を流れる炭化水素原料ガスと水
蒸気の混合ガスに、前記伝熱粒子充填層内で高温ガスを
流すことにより熱を与えて改質反応を生じさせ、水素を
含む改質ガスを生成することを特徴とする改質装置であ
る。

【００１３】上記構成では、断熱材壁と伝熱粒子充填層
とは直接に接触せず、それらの間に鋼板製の隔壁を配置
し、且つ隔壁と断熱材壁との間に隙間を設けているの
で、反応管及び伝熱粒子充填層の熱膨張は隔壁の変形に
より吸収され、反応管及び断熱材壁に熱膨張による大き
な力が掛かることがなく、反応管の変形が防止される。
従って、断熱材壁の磨耗、脱落、亀裂、ケーシング面上
のホットスポットの発生もなく、改質装置の寿命を長く
することができる。

【００１４】隔壁及び断熱材壁の断面をそれぞれ相補形
状の多角形とすることが好ましい。こうすることによ
り、断熱材壁の内周面に沿って余分の高温ガスが流れる
通路が存在しなくなり、熱効率及び伝熱効率が改善され
る。

【００１５】隔壁を高温ガスの流れる方向に分割された
複数の筒から構成することができる。こうすることによ
り、高温ガスの流れる方向の隔壁の熱膨張による歪を小
さくすることができる。

【００１６】隔壁の外側表面に補強プレートを取り付け
ることができる。こうすることにより、補強プレートが
「たが」として機能し、熱膨張による隔壁の変形は補強
プレート間のみで起こるため、変形を最小限に抑制する
ことができる。

【００１７】隔壁の外側表面にケーシングに支持された
ブラケット形のサポートを取り付けることができる。こ
れにより隔壁の熱変形を抑制するとともに、サポートを
介しての熱のケーシングからの放散を最小限にすること
ができる。

【００１８】分割された隔壁と隔壁とをスライド接合部
により接続することができる。こうすることにより、隔
壁の高温ガスの流れる方向の熱膨張を吸収することがで
きる。

【００１９】隔壁と断熱材壁との間の隙間に、セラミッ
クファイバを充填することができる。こうすることによ
り、高温ガスが伝熱に寄与しないまま隙間に流れ込むこ
とを防止できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】図１に本発明の炭化水素類改質装
置の一実施形態の構造を示す。図１において、原料ガス
と水蒸気の混合ガスは原料ノズル１から改質装置に供給
され、原料ガスヘッダ２から外管３と内管５の間に充填
されている水蒸気改質触媒層に入る。外管３と内管５は
二重管式の反応管を構成し、その大部分はその外側の伝
熱促進粒子（伝熱粒子充填層）４内に埋め込まれる。

【００２１】原料ガスは触媒層を通る間に反応管の外の
伝熱粒子充填層４から反応熱を受け改質反応を起こす。
反応終了後、改質ガスは内管５の中をとおり改質ガスヘ
ッダ６に集められ、改質ガスノズル７から外部に送り出
される。

【００２２】一方、触媒燃焼式バーナー等の燃焼装置８
には燃料と空気が供給され、燃焼により生じた高温の燃
焼ガスは装置内に導入される。この燃焼ガスは装置上部
空間及び伝熱粒子充填層４を通る間に、反応管に熱を供
給し、燃焼ガス自体は温度を低下させながら燃焼ガスノ
ズル１５に達し、外部に排出される。

【００２３】なお、装置上部空間で反応管に熱を与え温
度の低下した燃焼ガスで再加熱するようにするため、伝
熱粒子充填層入口部に燃焼触媒を配置し、二次燃料供給
ノズルにより二段燃焼させることもできる。

【００２４】伝熱粒子充填層４と断熱材壁１０の間の周
縁部には鋼板製の隔壁１１、１１’が配置され、伝熱粒
子充填層が断熱材壁と直接に接触しないようにしてい
る。隔壁１１、１１’の外側表面には補強プレート１２
が均等な間隔で複数段設けられている。該補強プレート
は、隔壁１１、１１’と断熱材壁８の間の隙間１３に位
置する。また、該隔壁の外側表面にはケーシング９に支
持されたブラケット形のサポート１２が取り付けられて
いる。

【００２５】図２は上記改質装置の断面図である。同図
に示すように隔壁１１、１１’は外管３の配列形状に対
応して断面が六角形の筒状に形成されている。隔壁の断
面形状を六角形にすることにより、反応管の外側周縁部
に無駄な高温ガスが流れる通路が存在しなくなる。ケー
シング９に支持されるブラケット形のサポート１２は、
最も強度を補強すべき隔壁の六角形の各辺の中心部に取
り付けられる。

【００２６】図３に断熱材壁及び隔壁の詳細を示す。同
図に示すように鋼板製の隔壁は、高温燃焼ガスの流れる
方向に沿って、上部隔壁１１と下部隔壁１１’の二つに
分割されている。これらの隔壁の接合部にはスライドプ
レート１６が配置され、二つの隔壁の長手方向の熱膨張
を吸収する。隔壁１１、１１’と断熱材壁１０の間に
は、該隔壁１１、１１’の周方向熱膨張及び変形を逃す
隙間１３が設けられている。隙間１３の厚みは、隔壁１
１、１１’の寸法に応じて決定されるが、通常２０〜１
００ｍｍ程度である。この隙間１３には高温燃焼ガスの
流入を遮断するためにセラミックファイバ１６が充填さ
れる。

【００２７】図３において、破線１８は補強プレートを
複数段設けたときの隔壁の熱膨張による変形の様子を示
し、二点鎖線１９は補強プレートを設けないときの隔壁
の熱膨張による変形の様子を示している。補強プレート
を設けることにより、変形が抑制されることが分かる。
なお、ブラケット形のサポート１２はピン２０により隔
壁１１、１１’と接合され、隔壁の変形を阻止しないよ
うにしている。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、改質装置内の伝熱粒子
充填層及び外管の熱膨張は鋼鈑製隔壁により吸収される
ので、反応管に大きな外力が加わることが防止され、改
質装置の寿命を長くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の改質装置の一実施形態の構造を示す図
である。

【図２】図１の改質装置の断面図である。

【図３】図１の改質装置の断熱材壁及び隔壁の詳細を示
す図である。

【図４】従来の改質装置の構造を示す図である。

【図５】図５の改質装置の断面図である。

【符号の説明】 １：原料ノズル ２：原料ガスヘッダ ３：外管 ４：伝熱粒子充填層 ５：内管 ６：改質ガスヘッダ ７：改質ガスノズル ８：燃焼装置 ９：ケーシング １０：断熱材壁 １１、１１’：隔壁 １２：サポート １３：隙間 １４：補強プレート １５：燃焼ガスノズル １６：スライドプレート １７：セラミックファイバ ２０：ピン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須小 達志 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 植松 健吾 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 (72)発明者 岩鼻 正樹 広島県呉市宝町６番９号 バブコック日立 株式会社呉工場内 Ｆターム(参考） 3L103 AA37 BB26 CC26 CC35 DD08 DD42 DD62 4G040 EA03 EA06 EB04 EB13 EB14 4G070 AA01 AB06 BB03 CA03 CB17 DA03 DA05

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 改質触媒がそれぞれ充填された複数の改
   質反応管と、該複数の改質反応管を収容するケーシング
   と、該複数の改質反応管の間の空間を埋めるように該ケ
   ーシング内に充填された伝熱粒子充填層と、該ケーシン
   グの内面を覆うように配置された断熱材壁と、前記断熱
   材壁と前記伝熱粒子充填層との間に配置された鋼板製の
   隔壁とを含み、該隔壁と該伝熱材壁との間に隙間が設け
   られ、改質反応管内を流れる炭化水素原料ガスと水蒸気
   の混合ガスに、前記伝熱粒子充填層内で高温ガスを流す
   ことにより熱を与えて改質反応を生じさせ、水素を含む
   改質ガスを生成することを特徴とする改質装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記隔壁及び断熱材
   壁の断面がそれぞれ相補形状の多角形であることを特徴
   とする改質装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記隔壁が
   前記高温ガスの流れる方向に分割された複数の筒からな
   る改質装置。
4. 【請求項４】 請求項１から３のいずれかにおいて、前
   記隔壁の外側表面に補強プレートを取り付けたことを特
   徴とする改質装置。
5. 【請求項５】 請求項１から４のいずれかにおいて、前
   記隔壁と前記断熱材壁との間の隙間が２０ｍｍないし１
   ００ｍｍの厚みを有することを特徴とする改質装置。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかにおいて、前
   記隔壁の外側表面に前記ケーシングに支持されたブラケ
   ット形のサポートを取り付けたことを特徴とする改質装
   置。
7. 【請求項７】 請求項３において、分割された隔壁と隔
   壁とがスライド接合部により接続されることを特徴とす
   る改質装置。
8. 【請求項８】 請求項５において、前記隔壁と前記断熱
   材壁との間の隙間に、セラミックファイバを充填したこ
   とを特徴とする改質装置。
9. 【請求項９】 請求項６において、多角形の形状の隔壁
   の各辺の中心部にブラケット形のサポートを取り付けた
   ことを特徴とする改質装置。