JP2003321400A

JP2003321400A - メタネーション反応器

Info

Publication number: JP2003321400A
Application number: JP2002158289A
Authority: JP
Inventors: Kokichi Uematsu; 宏吉上松; Seiichi Abe; 成一安部
Original assignee: FC TEKKU KK; Marubeni Corp
Current assignee: FC TEKKU KK; Marubeni Corp
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-11
Anticipated expiration: 2022-04-24
Also published as: JP4039555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来のメタネーション反応器はチューブ側の原
料ガスをシェル側の水で冷却していた。また、従来は生
成ガス中のメタン濃度を高めるため、高圧下で反応を行
わせていた。【解決手段】径の大きいシェル側に圧力の低い原料ガス
を流し、径の小さいチューブ側に相対的に圧力の高い水
を流すことにより容器の肉厚を減らし、チューブ部がウ
エットアンドドライゾーンとならないことによりチュー
ブの腐食を低減出来る。また、反応圧を下げることによ
りガスの圧縮動力を減らし、圧縮機およびメタネーショ
ン反応器のコストを低減出来る。さらに、反応ゾーンに
触媒と活性のないアルミナボールを交互に充填するか、
または触媒とアルミナボールを混合して充填することに
より、反応速度を抑制し、反応温度の異常上昇や、反応
の暴走を防ぐことが出来る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】石炭、ゴミ等のガス化ガス、
高炉、転炉等の副生ガスは主としてＨ_２，ＣＯ，Ｃ
Ｏ_２，Ｈ_２Ｏから構成される発熱量の低いガスである
が、これらをメタン化し、燃料電池、内燃機関等のエネ
ルギー変換装置や化学プラント等の分野で効果的に利用
することができる。

【０００２】

【従来の技術】（１）従来のメタネーション反応器は、
図２に示すように、管内に触媒２１を入れ、そこに原料
ガスＨを流し、外側をボイラ水Ｌで冷却していた。メタ
ネーション反応は発熱の大きい反応であるので、冷却を
重視していたためである。しかし、水の蒸発圧力は１０
ａｔａで１７９℃、２０ａｔａで２１１℃、３０ａｔａ
で２３３℃である。一方、メタネーション反応の適正温
度は２２０〜５１０℃程度であるので、触媒層の温度を
反応可能温度まで予熱するのには、容器の耐圧は最低で
も２５ｋｇ／ｃｍ^２程度が必要である。これに対し、ガ
ス側は用途によって必要圧力が異なるが、例えば、常圧
運転の燃料電池に適用する場合は２ａｔａで充分であ
る。この場合、従来技術では、径の小さい管内側に圧力
の低いガスを流し、径の大きい容器側に圧力の高い水が
来るので、容器の肉厚が厚くなり、大変不経済になる。（２）また、上記の理由で、触媒層は冷却能力が良すぎ
るため、触媒層部分だけを反応開始温度に持って行くこ
とができず、大量の水と肉厚の厚い容器全体を予熱しな
いと起動できないため、起動時間及び予熱に要するエネ
ルギーが膨大となる。（３）また、従来のメタネーション反応器は、容器内面
およびチューブ外面に液と蒸気の境界面ができ、このウ
エットアンドドライゾーンは、水の中のイオンが濃縮さ
れやすく、腐食がおこりやすい。（４）また、従来は、生成ガス中のメタン濃度をできる
だけ高めるため、高圧下でメタネーションを行わせてい
たが、ゴミのガス化、製鉄所の副生ガス等原料ガスの圧
力が低い場合は、反応圧力まで圧縮機で昇圧する必要が
あり、この圧縮機の消費動力がメタネーションの経済性
を悪化させていた。（５）メタネーション反応は非常に早く、冷却ゾーンの
容積に較べ、必要触媒量が比較的少ないため、冷却のた
めの伝熱面積全体で緩やかに反応が起こる訳ではなく、
ある場所で急速に反応が起こって温度が上昇し、次い
で、伝熱によって徐々に冷却されていくことになり、触
媒の温度が上がり過ぎて、触媒にダメージを与えるとい
う問題がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】（１）本発明は上記の
欠点をなくすため、圧力の低いガスを容器側にし、相対
的に圧力の高い水を管内側とすることで、反応器の肉厚
を薄くし、コストを低減する。（２）また、起動時の予熱は、容器の肉厚が薄く、熱容
量が小さい上、容器外側から予熱した場合、水を介さず
に触媒層を直接予熱できる。また、管内の水温は必ずし
も反応温度にまで高める必要はなく、いずれにしても、
予熱のための熱容量が小さく、触媒層を短時間で反応温
度まで持っていくことができる。（３）一方、上記のように水の温度が必ずしも触媒層の
温度と一致する必要がない状態においては、水の蒸発圧
力は、原料ガスと混合するに必要な圧力だけあれば良
く、例えば、原料ガスの圧力が２ａｔａであれば、蒸発
圧力は４ａｔａ程度あれば良く、伝熱管の肉厚を薄くで
きるだけでなく、その飽和温度は１４３℃と低い温度と
なるため、蒸気発生までの時間も短縮される。（４）また、管内は常に飽和水と水蒸気が混合された流
体が流れているので、従来のようにウエットアンドドラ
イゾーンが形成されず、腐食を起こす心配がない。（５）反応が急速に起こり、温度が上昇して、触媒にダ
メージを与えることのないように、メタネーション反応
を制御することが重要である。このため、本発明では触
媒の配置に新しい工夫をしている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】（１）径の大きい容器側
には圧力の低いガスを流し、径の小さい管内に相対的に
圧力の高い水を流す。当然、メタネーション用のＮｉ触
媒は容器側、即ち、管外になる。（２）上記の結果、容器の肉厚は薄くなり、熱容量が小
さくなる。この状態で、容器の外壁面に装着した電気ヒ
ータによって触媒層を予熱する。触媒層が２２０℃以上
になり、低圧蒸気の発生が可能になった時点になったら
原料ガス（Ｈ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ）を流し始め
る。これによって発熱反応であるメタネーション反応が
起こり、反応器全体を必要な温度に持っていく。（３）予熱段階を終了した時点で、必要に応じ、徐々に
蒸発圧力の設定を正規の運転条件に変更して行く。（４）メタネーション反応の運転圧力を低くすること
で、原料ガス圧縮機の消費動力を低減できる。（５）メタネーション反応が触媒層のある部分で急速に
起こり、触媒の温度が上がり過ぎないように、活性のあ
る触媒層と活性のないアルミナボール等の層を交互に充
填し、少量の反応が起こった後、冷却するという操作を
繰り返すような触媒配置としている。

【０００５】

【発明の実施の形態】以下に発明の実施の形態を、図面
を参照しながら説明する。図１にごみのガス化ガス（主
成分はＣＯ，ＣＯ２，Ｈ２）を内部改質型ＭＣＦＣの燃
料用メタンリッチガスにするシステムフローを示す。ご
みのガス化炉から排出した後、図１には記載のない冷
却、除塵、脱硫過程を経たほぼ大気圧のごみのガス化ガ
スＡは、流量調節弁１で調節され、ウイングタイプ圧縮
機２で３ａｔａ程度に圧縮され、逆止弁３を通りメタネ
ーション反応器４（以下リアクタという）に供給され
る。一方リアクタ頂部に装着した汽水分離器５からの蒸
気Ｄとごみのガス化ガスとを混合する。その際蒸気は炭
素析出を押さえるために設定されたＳ／Ｃ比になるよう
に流量調節弁６で調節され、逆止弁７を通ってごみのガ
ス化ガスと混合した後、リアクタシェル８の下部Ｎｉ系
触媒層１０の底部からリアクタに供給され、固定層触媒
反応でメタンリッチガスＢに転換され、リアクタシェル
上部からリアクタを出る。この固定層触媒反応は強発熱
反応であり、反応熱を除去する必要がある。この反応熱
は液面調節弁１２により調節され、次いで汽水分離器５
に供給された後、リアクタ外部に設けられたダウンカマ
９を経由してリアクタ底部に供給された処理水Ｃによ
り、伝熱管１１において熱交換除去され、メタンリッチ
ガスＢは触媒がダメージを受けずに安定な反応が継続さ
れる温度域に維持される。伝熱管１１において吸熱した
処理水は一部蒸発して汽水分離器５に入り、発生した蒸
気の一部Ｄは前述のとおり圧縮機出口のごみのガス化ガ
スと混合し、残りの蒸気Ｄ’は別途他用途に利用され
る。これらの蒸気の圧力は圧力調節弁１３で調節され
る。起動時は、触媒層１０をメタネーション反応開始温
度（２２０℃程度）まで、また、処理水Ｃを４ａｔａ蒸
気発生温度（１４３℃）程度まで、リアクタのシェルア
ンドチューブ部外面に装着したスタートアップ用電気ヒ
ータ１４により予熱した後、ごみのガス化ガスＡを流し
始めることにより反応が開始する。触媒と活性のないア
ルミナボールの充填形態を図３に示す。触媒とアルミナ
ボールを交互に充填した状態を（Ａ）に、また触媒とア
ルミナボールを混合して充填した状態を（Ｂ）に示す。
また、図４に反応器のシェルアンドチューブ部およびス
タートアップ用電気ヒータの装着状態を示す。また、図
５にメタネーション反応器の好ましい運転条件を示す。
運転圧力は２．５−６ａｔａと低くすることにより、圧
縮機の消費動力を少なくするとともに、リアクタ容器の
肉厚を少なくすることが出来る。運転温度は２２０−５
１０℃とする。この温度は触媒がダメージを受けずに安
定な反応が継続される温度域である。また、メタネーシ
ョン反応を効果的に進めると同時に炭素析出を抑えるた
めに水蒸気／炭素比は０．５−１．０とする。

【０００６】

【発明の効果】上述したメタネーション反応器は以下の
特徴を有している。（１）シェルアンドチューブ型反応器のシェル側に低圧
の原料ガス、チューブ側に比較的高圧の水を流すことに
より、容器の肉厚を従来より薄く出来、経済的である。（２）シェル側を触媒層すなわち低圧の原料ガスを流す
ことにより、起動時に触媒層の予熱がし易くなり、ま
た、容器の肉厚が薄いため熱容量が小さくなり、起動時
間が短縮される。（３）反応圧力が比較的低いため原料ガスの昇圧が少な
くて済み、圧縮動力が少なくて済むとともに圧縮機のコ
ストを低減出来る。（４）チューブ内は常に飽和水と蒸気が流れており、ウ
エットアンドドライゾーンが形成されないため、腐食を
起こさない。（５）反応ゾーンに触媒と活性のないアルミナボールを
交互に充填するか、または触媒とアルミナボールを混合
して充填することにより、反応速度を抑え、反応温度を
触媒にダメージを与える温度以下に抑えることが出来る
と共に、反応の暴走を防ぐことが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のメタネーション反応器により、ごみの
ガス化ガスを内部改質型ＭＣＦＣの燃料用メタンリッチ
ガスにするシステムフロー

【図２】従来のメタネーション反応器

【図３】触媒とアルミナボールの充填形態

【図４】スターアップ用電気ヒータ

【図５】本発明のメタネーション反応器の好ましい運転
条件

【符号の説明】

１流量調節弁２ウイング圧縮機３逆止弁４メタネーション反応器５汽水分離器６流量調節弁７逆止弁８リアクタシェル９ダウンカマー１０Ｎｉ系触媒層１１伝熱管１２液面調節弁１３圧力調節弁１４スタートアップ用電気ヒータ１５触媒１６アルミナボール２０汽水分離器２１Ｎｉ触媒Ａごみのガス化ガスＢメタンリッチガスＣ処理水Ｄ蒸気Ｄ’蒸気Ｈ原料ガスＩメタンリッチガスＪ蒸気Ｋ処理水Ｌボイラ水

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｃ１０Ｌ 3/06 Ｃ０７Ｂ 61/00 ３００ // Ｃ０７Ｂ 61/00 ３００Ｃ１０Ｌ 3/00 Ａ (72)発明者安部成一横浜市中区海岸通三丁目９番地横浜ビル２階有限会社エフシーテック内Ｆターム(参考） 4G070 AA01 AB06 BA08 BB03 CB02 CB16 CC01 CC05 CC11 DA12 4H006 AA04 BA21 BA55 BA61 BE20 BE60 4H039 CA11 CB40 CE40

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】縦型のシェルアンドチューブ熱交換器のシ
ェル側にＮｉ系触媒を充填し、触媒充填部にＨ_２，Ｃ
Ｏ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏを主成分とする原料ガスを流入し、
メタネーション反応を起こさせた後、触媒層からメタン
リッチガスを流出させ、また、伝熱管内の底部より水を
供給し、頂部に装着した汽水分離器に至る過程で、主と
して水の蒸発によって、原料ガスのメタネーション反応
による発熱を冷却することを特徴とするメタネーション
反応器。
【請求項２】シェル側にエクスパンションジョイントを
装備した請求項１のメタネーション反応器。
【請求項３】シェルアンドチューブ熱交換器の頂部に装
着した汽水分離器と底部の給水部を熱交換器の外側を通
るダウンカマーによって結合することを特徴とする請求
項１のメタネーション反応器。
【請求項４】シェルアンドチューブ熱交換器のシェル外
壁面に起動用ヒータを装備することを特徴とする請求項
１のメタネーション反応器
【請求項５】急速なメタネーション反応によって、原料
ガス温度が急速に上昇することを防ぐために、触媒と触
媒活性のないアルミナボール等を混合して充填すること
を特徴とする請求項１のメタネーション反応器。
【請求項６】触媒層と触媒活性のないアルミナボール等
の層を交互に形成させることを特徴とする請求項１のメ
タネーション反応器。
【請求項７】原料ガス圧縮機によって、反応開始温度ま
で昇温することを特徴とする請求項１のメタネーション
反応器
【請求項８】反応器の運転条件を、圧力＝２．５から６
ａｔａ，温度＝２２０から５１０℃，Ｓ／Ｃ＝０．５か
ら１で運転することを特徴とする請求項１のメタネーシ
ョン反応器。