JP2001527501A - 接触式改質装置用バーナーの排気ガス捕集アセンブリ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 接触式改質装置（１０）は、触媒ベッド（１３５）を有する少なくとも一つの反応チューブ（３０、１３０）アセンブリを収容した内部高圧室（１５）を規定する改質容器（１４）を具えている。この改質装置は、高温のバーナーガスを供給して反応チューブ（３０）を加熱するためのバーナーガス入口（１６）とバーナーガス出口（６０）も具えている。環状のバーナーガス通路（２２）を規定するバーナーガス用ガイドスリーブ（２０）が、反応チューブアセンブリ（３０）の少なくとも一部の周囲に同心状に設けられている。バーナー排気ガス捕集アセンブリ（６４）が、バーナーガス用ガイドスリーブ（２０）をバーナーガス出口（６０）に接続している。

Description

【発明の詳細な説明】 接触式改質装置用バーナーの排気ガス捕集アセンブリ 発明の分野 本発明は、接触式改質装置用バーナーの排気ガス捕集アセンブリに関する。 発明の背景 接触式改質装置は、例えば天然ガス、軽量留出物、メタノール、プロパン、ナ フサ、ケロシン及び／又はそれらの混合物からなる燃料の流れ並びに水蒸気を、 水素含有量の多い改質油の流れに変換するものである。接触式改質装置を採用し ている燃料電池用電力発生システムにおいて、この水素含有量の多い改質油は、 電気化学燃料電池の陽極に供給される燃料流として使用される前に、例えば水素 分離装置又は転化反応装置及び一酸化炭素選択酸化装置を通すことによってほぼ 精製される。 改質プロセスにおいて、燃料の流れは改質容器内に入っている一つ以上の触媒 ベッドを通じて濾過される。天然ガス等の炭化水素燃料の場合には、触媒による 変換プロセスは、約１２００°Ｆ〜約１６００°Ｆの範囲の高温の触媒ベッド温 度で行われるのが普通である。このような高温は、改質容器に組み込まれた一つ 以上のバーナーによって発生せしめられることが多い。 代表的な接触式炭化水素改質装置は、番号を引用することによってその全体を 本明細書中に組み入れられている米国特許5,484,577に記載され、図示されてい る。このタイプの改質装置は、改質装置のシェルとして断熱内部壁を有する実質 的に円筒状の閉鎖された圧 力容器を具えている。少なくとも一つの反応チューブアセンブリがこの容器内に 設けられており、各反応チューブは外側の環状触媒ベッドと内側の同心状ガス復 帰チューブを具えている。燃料ガスは外側触媒ベッドを通過し、得られた改質油 の流れは入って来るガスに熱を戻すチューブの内側部分を通って反対方向に向か う。 圧力タンクに設けられた触媒封入反応チューブを有するこのタイプの殆どの改 質装置においては、高温のバーナーガスは一般的には改質容器内のバーナーで発 生せしめられ、（典型的には上部の）一次高圧室に集められ、反応チューブの外 面に接触してこれを加熱する。好ましい改質装置の構成においては、高温のバー ナーガスは、各反応チューブの少なくとも下方部分を取り囲む円筒状スリーブを 通って流れ、高温のバーナーガスが反応チューブに接触して効率的な熱の移転が 行われる。このようにして、一次高圧室からの高温のバーナーガスは、スリーブ の内壁と各反応チューブの外壁との間の狭い環状通路を通って流れ、二次（下部 ）高圧室に入り、そこから排出される。 シールプレートが、改質容器を幅方向に横切って個々の反応チューブのスリー ブを取り囲む障壁を形成し、一次及び二次高圧室は環状通路のみを通じて流体的 に連通し、したがって、高温のバーナーガスはスリーブと反応チューブの間を通 って、二次高圧室を経由して改質容器を出て行かなければならないようになって いる。下部で燃焼が行われる改質装置の構成では、シールプレートは、バーナー から最も遠い反応チューブの端部又はその近傍に設けられることが多い。そして 、バーナーガスはバーナーガス出口を経て反応タンクの二次高圧室から出て行く 。 シールプレートは米国特許4,921,680及び米国特許5,264,008に一般的に記載さ れ開示されている。米国特許5,470,360では、シー ルプレートは使われておらず、その代わりにスリーブの周囲の通路は断熱材で包 まれ、スリーブの周囲に高温ガスのバイパスが生じないようにシールされている 。こうして、断熱材は容器の内部を二つの高圧室に分割している。 この改質装置の熱効率を改善するために、シールプレートは気密性で有し、バ ーナーガスがスリーブからバイパスして、一次高圧室から二次高圧室に直接流入 しないようにすることが望ましい。更に、シールプレートは、改質装置の壁とシ ールプレートとの間の温度差等によって起こる差熱膨張（differential thermal expansion）に適応するように構成されることが必要である。本明細書で使用さ れている「膨張」と云う用語は、材料の加熱・冷却によって生じる寸法変化を称 し、寸法の増加と寸法の減少（収縮）の両者を含むものである。 差熱膨張にうまく吸収できないと、極端な場合にはシールプレートは曲がって 役に立たなくなる。それ程でもない場合には、差熱膨張はシールプレートと改質 容器の壁又は反応チューブ又はスリーブとの間のシールを駄目にする恐れがある 。シールプレートとその他の改質装置の構成部品は異なる材料で作られており、 したがって異なる熱膨張係数を有しているので、差熱膨張は益々大きくなる傾向 がある。 例えば、番号を引用することによって先に本明細書に組み入れられた米国特許 5,484,577の図１に示されている一つの反応チューブを有する反応装置の場合に は、差熱膨張に耐えるようにシールプレートを構成することは、米国特許5,484, 577の図３に示されたような複数の反応チューブを有する反応装置の場合よりも 簡単である。後者の構成では、差熱膨張を吸収する共に高圧に耐えるシールを維 持するのに、複雑なシール構造と形状が使用される。 例えば、米国特許4,921,680に開示されているシールプレートは、このシール プレートと改質装置の壁との間に可撓性のベローズ接続手段を採用している。こ のベローズは、差熱膨張によって生じる動きを吸収し得るものと言われている。 複雑な形状と多くの部品を用いたシールプレートは高価であり、そして改質装置 に組み込み設置するのが面倒である。 本発明の構成においては、スリーブと反応チューブとの間の通路からバーナー ガスを回収し、それを出口に向かわせるのにバーナー排気ガス捕集アセンブリが 使用されている。高圧室を分割するシールプレートは必要ない。 発明の概要 接触式改質装置は、内部高圧室を画定する改質容器と、該改質容器内に設けら れた少なくとも一つの反応チューブアセンブリとを具えている。この少なくとも 一つの反応チューブアセンブリは触媒ベッドを具えている。更にこの改質装置は 、内部高圧室に高温のバーナーガスを供給するためのバーナーガス入口と、バー ナーガス出口と、反応チューブアセンブリの少なくとも一部を実質的に同心状に 取り囲んで設置され、環状のバーナーガス通路を規定するバーナーガス用ガイド スリーブとを具えている。バーナー排気ガス捕集アセンブリがバーナーガス用ガ イドスリーブをバーナーガス出口に接続している。 バーナー排気ガス捕集アセンブリは、配管構造即ち相互接続された通路の集積 されたアセンブリである。このバーナー排気ガス回収アセンブリの内部では、バ ーナーガスは改質装置の内壁に直接は接触しない。 好適実施例では、バーナー排気ガス捕集アセンブリの少なくとも 一部は、改質装置の構成部材の差熱膨張を吸収するように変形可能となっている 。 高圧室内に一つの反応チューブアセンブリを具えた接触式改質装置の一実施例 においては、バーナー排気ガス捕集アセンブリは、バーナーガス用ガイドスリー ブをバーナーガス出口に接続する導管を具えている。この導管は、好適実施例で はバーナーガス用ガイドスリーブとバーナーガス出口とに溶接されている。必要 に応じて、この導管は一体物として鋳造されてもよい。この一体鋳造構造物は、 反応物を反応チューブアセンブリに送り、製品をそこから受けるための反応物及 び製品用導管を必要に応じて具えることもできる。 高圧室内に複数の反応チューブアセンブリを具えた接触式改質装置では、バー ナー排気ガス捕集アセンブリは、バーナーガス出口に接続されたバーナー排気ガ スマニホルドと、各バーナーガス用ガイドスリーブをバーナー排気ガスマニホル ドに接続する各導管とを具えている。こうして、バーナーガスは各環状通路から 共通の回収マニホルドまで導かれ、そこからバーナーガス出口を経て容器から排 出される。この導管は熱膨張を吸収するように変形可能であることが望ましい。 例えば、導管の壁の少なくとも一部が波型に構成されている。 導管はバーナーガス用ガイドスリーブとバーナー排気ガスマニホルドとに溶接 され、バーナー排気ガスマニホルドはバーナーガス出口に溶接されていることが 望ましい。必要に応じてこれらの導管は、それぞれ、バーナーガス用ガイドスリ ーブから外側に張り出して反応チューブアセンブリの端部を取り囲む捕集カラー を具えることができる。 或る実施例では、バーナー排気ガスマニホルドは一体物として鋳造され、好ま しくはバーナーガス用ガイドスリーブとバーナーガス 出口とに溶接される。この一体の鋳造構造物は、必要に応じて反応物と製品用の マニホルドを具えることもできる。別の実施例によれば、バーナー排気ガスマニ ホルドと導管を含む実質的にバーナー排気ガス捕集アセンブリの全体が一体物と して鋳造され、好ましくは次いでバーナーガス用ガイドスリーブとバーナーガス 出口とに溶接される。この一体の鋳造構造物は、反応物を反応チューブアセンブ リに送り、製品をそこから受けるための反応体及び製品用マニホルドと導管を必 要に応じて具えることもできる。 別の実施例では、高圧室内に設けられた複数の反応チューブアセンブリを有す る接触式改質装置は複数のバーナーガス出口を有し、バーナー排気ガス捕集アセ ンブリは各ガイドスリーブをこれらの出口の一つに接続する導管を具えている。 こうして、バーナーガスは各環状通路からそれぞれのバーナーガス出口まで別々 に導かれる。 高温のバーナーガスを改質容器内で発生させるために、バーナーガス入口は高 圧室内に設置されたバーナーを具えている。あるいは、高温のバーナーガスは改 質容器の外にある供給源から供給され、バーナーガス入口を通ってタンク内に入 る。一つ以上のバーナーガス入口を設けることもできる。バーナーガス入口の位 置は設計における選択事項に過ぎない。例えば、改質装置は上向き燃焼型であっ てもよいし、下向き燃焼型であってもよい。以下に示す実施例では、下向き燃焼 型の中心に設置されたバーナーが改質容器内に収容されている。 改質容器は実質的に円筒状であることが望ましい。 上述の導管とマニホルドは単一構造体でなくてもよい。これらは相互接続され た部品のアセンブリであってもよい。 図面の簡単な説明 図１Ａ，１Ｂ，１Ｃ及び１Ｄは、複数の反応チューブとバーナー排気ガスマニ ホルドを具えたバーナー排気ガス捕集アセンブリとを有する接触式炭化水素水蒸 気改質装置の断面図を示す。 図１Ａは、図１Ｃと図１Ｄの矢印Ａ−Ａ方向に沿った側断面図である。 図１Ｂは、図１Ｃと図１Ｄの矢印Ｂ−Ｂ方向に沿った側断面図である。 図１Ｃは、図１Ａの矢印Ｃ−Ｃに沿った下から見た断面図である。 図１Ｄは、図１Ａの矢印Ｄ−Ｄに沿った上から見た断面図である。 図２は、一つの反応チューブとバーナー排気ガス捕集アセンブリとを具えた接 触式炭化水素水蒸気改質装置の詳細側断面図である。 好適実施例の詳細な説明 最初に図１Ａと図１Ｂを参照すると、接触式炭化水素改質装置１０は、実質的 に円筒状の改質容器１４の上部に設置された多数のノズルを有するバーナー１２ を具えている。バーナー１２には、バーナー燃料入口１６を通じて燃料が、そし てバーナー酸化剤入口１８を通じて酸化剤が供給される。バーナー燃料と酸化剤 との混合物は、点火機構即ちスパークプラグ２４（図１Ｂに示されている）の端 に設置されたスパーク発生器によってバーナー１２内で点火される。 この混合物はバーナー内で燃焼し、容器１４によって規定される内部空間即ち 高圧室１５内に高温のバーナーガス流を発生する。改質容器１４は、フランジ型 接続部において相互に溶接又はボルト止めされた数個の部材で形成されているこ とが多い。この改質容器は 複数の断熱材の層（図示しない）によって内張りされ、断熱材は高圧室１５の大 きな部分を満たしている。 改質容器１４には複数の反応チューブ３０が収容され、そのそれぞれには触媒 ベッド（図２に１３５で示されている）が入っている。反応物燃料が、反応物燃 料入口４０（図１Ｂに示されている）を通じて改質容器１４の反応体燃料マニホ ルド４２に入る。反応物燃料はこのマニホルドから、個々の燃料導管４４を通じ て反応チューブ３０内の触媒ベッドに向かう。各反応チューブで生産された改質 油は個々の改質油導管５４を通じて改質油捕集マニホルド４２の方に流れ、改質 油出口５０（図１Ｂに示されている）から改質容器１４を出て行く。 図１Ａ〜図１Ｄに示されているような複数のチューブを具えた改質装置におい ては、反応チューブアセンブリは同心的な段状、列状又はリング状に配列されて いることが望ましい。 各反応チューブ３０の下部には、間隔を空けてそれを実質的に同心的に取り囲 んで、反応チューブ３０の外壁とスリーブ２０の内壁との間に環状のバーナーガ ス通路２２（破線で示されている）を画定するバーナーガス用ガイドスリーブ２ ０が設けられている。バーナー１２で発生した高温のバーナーガスは、環状通路 ２２を通って各反応チューブ３０の基部に集められ、各バーナー排気ガス導管６ ４を経て共通のバーナー排気ガス導管６２に向かい、バーナーガス出口６０（図 １Ａに示されている）から改質容器１４の外に出る。 バーナーガス出口６０は、バーナー排気ガスマニホルド６２、導管６４及び環 状通路２２のみを通じて高圧室１５に連通しているので、実質的にすべての高温 バーナーガスは強制的に環状通路２２を通過させられ、反応チューブ３０を加熱 する。必要に応じて、環状のこのバーナーガス通路は、隔壁やチャンネル等の流 れを導き及び ／又は乱流を起こさせるエレメントを具えることもできる。 バーナー排気ガス導管６４は数個の相互に接続されたセクションを具えている 。例えば、図示の実施例では、バーナー排気ガス導管６４は、各スリーブ２０の 基部には回収カラー７０を具え、湾曲したエルボーセクションと波型セクション ６５を具えている。各反応チャンネル３０からのバーナー排気ガス導管６４は、 熱膨張を吸収し又はこれに耐えるように構成されている。例えば、図１Ａと図１ Ｂに示されたバーナー排気ガス導管６４は、この導管６４の波型セクション６５ の効果で熱膨張を吸収するように構成されている。 導管６４の少なくとも一部が変形可能であれば、そこが差熱膨張とこれに伴う 反応チャンネルアセンブリ内の改質装置の部品の動きを吸収する。差熱膨張に対 する耐性は、導管６４の長さを延ばしたり、熱膨張によって生じた応力を緩和す るように部品を構成することによっても得ることができる。 図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄの相互接続された種々のマニホルドと導管部 品は、溶接によって一体化されていることが望ましい。例えば、バーナーガス導 管６４は、一端でバーナーガス用ガイドスリーブ２２に、他端でバーナー排気ガ スマニホルド６２に溶接され、マニホルド６２はバーナーガス出口６０に溶接さ れていることが望ましい。同様に、これらの部材６２、６４のそれぞれを構成し ている副次的な部品も、溶接によって組み立てられていることが望ましい。 別の実施例においては、マニホルド４２、５２、６２は一体構造体即ちブロッ クとして鋳造され、このブロックは導管４４、５４、６４及び入口４０と出口５ ０、６０に溶接などによって接続することができる。更に、マニホルド４２、５ ２、６２及び導管４４、５４、６４を一体構造体として鋳造してもよい。この場 合、この一体 構造体は、バーナー排気ガス回収アセンブリに変形可能な部分を設けなくても、 差熱膨張に起因するすべての応力に耐え得るほど充分に頑丈である。 図１Ｃは、流体マニホルドと導管の構成を更に詳細に示している。トロイダル 形状の部分を有する反応物燃料マニホルド４２は、反応物燃料入口４０を６本の 燃料導管４４に相互接続している。改質油捕集マニホルド５２（図１Ｃではマニ ホルド４２によって見え難くなっているトロイダル形状の部分）は改質油出口５ ０に接続されている。６本のバーナー排気ガス導管６４は、中心で共通のバーナ ー排気ガスマニホルド６２に接続され、このマニホルドは図１Ｃと図１Ｄに示さ れているようにバーナーガス出口６０に接続されている。 図２は、一つの反応チャンネル１３０を具えた接触式炭化水素改質装置１１０ を示す。この改質装置１１０は図１Ａ、図１Ｂ、図１Ｃ、図１Ｄの改質装置と似 た構成であり、バーナー燃料入口１１６を通じて燃料が、バーナー酸化剤入口を 通じて酸化剤が供給される複数のノズルを有するバーナー１１２を具えている。 バーナー燃料と酸化剤との混合物はスパーク発生器１２４によってバーナー１１ ２内で点火されて燃焼し、実質的に円筒状の改質容器１１４によって規定された 内部空間即ち高圧室１１５内に高温のバーナーガス流を発生させる。図２に示さ れているように、この改質容器はフランジ型接続部１２６においてボルト止めに よって互いに固定された数個の部材で構成されている。 反応物燃料は、反応物燃料入口１４０から改質容器１１４に入り、反応物燃料 導管１４４を通じて反応チューブ１３０の環状触媒ベッド１３５に向かう。この 反応物燃料は触媒ベッド１３５に入っている触媒ペレット１３６に接触しながら 通過し、水素含有量の多い 得られた改質油は触媒ベッド１３５を出て反応チューブ１３０の頂部に向かい 、次いで内側の同心状環状ガス復帰チューブ１４８を通って対向流方式で反応チ ューブ１３０の底部に向かう。次に改質油の流れは改質油導管１５４を経て改質 油出口１５０に向かう。 反応チューブ１３０の下部には、間隔を空けてそれを実質的に同心的に取り囲 んで環状のバーナーガス通路１２２を規定するバーナーガス用ガイドスリーブ１ ２０が設けられている。バーナー１１２で発生した高温のバーナーガスはこの環 状通路１２２を通り、反応チューブ１３０の基部に集められ、バーナー排気ガス 導管１６４を経てバーナーガス出口１６０に向かう。バーナーガス出口１６０は バーナー排気ガス導管１６４と環状通路１２２のみを介して高圧室１１５に連通 化ているので、実質的にすべての高温のバーナーガスが環状通路１２２を強制的 に通過させられ、反応チューブ１３０を加熱する。 図２に示された実施例では、バーナー排気ガス導管１６４は、スリーブ１２０ の底部に環状の回収カラー１７０を具えている。 多くの場合、改質容器は断熱材で被覆されている。図２に示されているように 、複数層の断熱材１８０が使用され、高圧室１１５の大きな部分を満たしている 。 前述したように、種々の前記部材を組み立てるのに、溶接や鋳造を含む種々の 製造技術を採用することができる。 図１と図２に示された接触式炭化水素改質装置は、特に天然ガスの水蒸気によ る改質に適している。 本発明の改質装置のバーナー排気ガス捕集アセンブリは、改質装置を幅方向に 横切ってシールを形成し、高圧室を分割することによってバーナーガスを強制的 に環状通路を通すためのシールプレートを不要にすることができる。その代わり に、バーナーガスは各環状 通路からバーナーガス出口に導かれる。 本発明の特定のエレメント、実施例、用例について説明したが、当業者であれ ば前述の教示に基づいてその改変を行うことが可能なので、本発明はこれに限定 されるものではないことは言うまでもない。したがって、以下にのべる請求の範 囲によって、本発明の精神と範囲に含まれるこれらの特色を組み込んだ改変をカ バーするものである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．（ａ）一つの内部高圧室を画定する内壁を有する改質容器と、 （ｂ）前記高圧室内に設けられ、触媒ベッドを具えた少なくとも一つの反応チ ューブアセンブリと、 （ｃ）前記内部高圧室にバーナーガスを供給するバーナーガス入口と、 （ｄ）バーナーガス出口と、 （ｅ）前記少なくとも一つの反応チューブアセンブリのそれぞれの少なくとも 一部を略同心状に取り囲んで設置され、環状のバーナーガス通路を画定するバー ナーガス用ガイドスリーブと、 （ｆ）前記バーナーガス通路を前記バーナーガス出口に連通させて、前記通路 から出るバーナーガスが前記内部高圧室に接触しないようにするバーナー排気ガ ス捕集アセンブリと、を具えた接触式改質装置。 ２．前記バーナー排気ガス捕集アセンブリの少なくとも一部が変形可能である 請求項１に記載の接触式改質装置。 ３．前記少なくとも一つの反応チューブアセンブリが、前記高圧室内に設置さ れた一つの反応チューブアセンブリであり、前記バーナー排気ガス捕集アセンブ リが前記バーナーガス用ガイドスリーブを前記バーナーガス出口に接続している 請求項１に記載の接触式改質装置。 ４．前記少なくとも一つの反応チューブアセンブリが複数の反応チューブアセ ンブリである請求項１に記載の接触式改質装置。 ５．前記バーナー排気ガス捕集アセンブリが、前記バーナーガス出口に接続さ れたバーナー排気ガスマニホルドと、前記各バーナー ガス用ガイドスリーブを前記バーナー排気ガスマニホルドに接続する導管とを具 えている請求項４に記載の接触式改質装置。 ６．前記導管が変形可能である請求項５に記載の接触式改質装置。 ７．前記各導管の少なくとも一部が波型をなしている請求項６に記載の接触式 改質装置。 ８．前記導管が、前記バーナーガス用ガイドスリーブと前記バーナー排気ガス マニホルドとに溶接されている請求項５に記載の接触式改質装置。 ９．前記各導管が、前記バーナーガス用ガイドスリーブから外側に張り出して 、前記各反応チューブアセンブリの端部を取り囲んでいる回収カラーを具えてい る請求項５に記載の接触式改質装置。 １０．前記バーナー排気ガスマニホルドが一体鋳造構造体である請求項５に記 載の接触式改質装置。 １１．前記改質装置が複数のバーナーガス出口を具え、見バーナー排気ガス回 収アセンブリが、前記各ガイドスリーブを前記出口の一つに接続している請求項 ４に記載の接触式改質装置。 １２．前記バーナーガス入口が、前記高圧室内に前記高温バーナーガスを発生 させるために、前記高圧室に設置されたバーナーを具えている請求項１に記載の 接触式改質装置。