JP2005047770A - Heat exchanger for reformer - Google Patents
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本発明は、吸熱反応を伴う改質器用熱交換器に関する。 The present invention relates to a heat exchanger for a reformer with an endothermic reaction.
熱交換器において、熱交換する2流体の温度差を高くとって熱交換効率を上げるために、熱交換する2流体を対向する向きに流すことは知られている(たとえば、特開昭59−29992号公報)。
本出願人が従来開発してきた、炭化水素系燃料と改質水を含む改質原料から水素リッチの改質ガスを生成する改質器用熱交換器30においても、図5〜図7に示すように、熱交換効率を高くするために、改質原料、改質ガス(以下、単に「改質ガス」という)の流れ31と高温熱媒体である燃焼ガスの流れ32とを、互いに対向する流れとしていた。図5は、図7の積層型熱交換器におけるC−C断面での改質ガス流路を示しており、図6は、図7のD−D断面における燃焼ガス流路を示しており、改質ガスは高温燃焼ガスからの熱を吸熱しながら、水素生成の改質反応を行う。
CH4 +H2 O → CO+3H2 −Q
ここで、Q:吸熱改質反応の吸熱量
As shown in FIGS. 5 to 7, the
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 −Q
Where Q: endothermic amount of the endothermic reforming reaction
しかし、図5〜図7の改質用熱交換器30には、つぎの問題点があった。図8は、図5〜図7の改質用熱交換器30における、改質ガスと燃焼ガスの温度変化を示す。
(イ)図6、図8に示すように、燃焼ガス温度は、燃焼ガス入口部Aから燃焼ガス出口部Bに流れるにしたがい、改質ガスとの熱交換により、大幅に低下する。したがって、改質ガス入口部F近傍(改質原料が触媒活性温度に上昇し吸熱改質反応の一定温度領域に入った直後の領域)では、改質ガスと燃焼ガスの温度差が小で熱交換されにくく、熱伝達律速になっており、改質ガスにもっと熱を与えて改質反応速度を上げてもよいのにかかわらず、改質ガスへの熱の供給が不足して、改質反応が遅くなっている状態にある。
(ロ)改質ガス出口部E近傍においては、反応律速になっているにかわらず、燃焼ガス温度が高く維持されて過剰の熱が改質ガスに与えられるため、本来反応に使われるべき熱が、改質ガスの温度上昇に多く使われてしまい(図8のハッチ領域が、燃焼ガスの熱量が改質ガス温度上昇に用いられた部分)、燃焼ガスの熱の改質反応への利用効率が悪くなり、かつ、吸熱改質反応の一定温度領域が狭くなる(一定温度領域に入った後早くから改質ガスの温度が上がるため)。また、改質ガス出口部Eにおいて改質ガス温度が高くなり過ぎているため、熱交換器の耐久性が低下する。
However, the reforming
(A) As shown in FIGS. 6 and 8, the combustion gas temperature greatly decreases due to heat exchange with the reformed gas as it flows from the combustion gas inlet A to the combustion gas outlet B. Therefore, in the vicinity of the reformed gas inlet F (region immediately after the reforming raw material rises to the catalyst activation temperature and enters the constant temperature region of the endothermic reforming reaction), the temperature difference between the reformed gas and the combustion gas is small and heat is reduced. It is difficult to exchange and heat transfer rate-limiting, and even though it is possible to increase the reforming reaction rate by giving more heat to the reformed gas, the supply of heat to the reformed gas is insufficient and reforming The reaction is slow.
(B) In the vicinity of the reformed gas outlet E, the combustion gas temperature is maintained high and excessive heat is given to the reformed gas regardless of the reaction rate limiting, so heat that should be originally used for the reaction However, it is often used to raise the temperature of the reformed gas (the hatched area in FIG. 8 is the part where the amount of heat of the combustion gas is used to raise the temperature of the reformed gas), and the heat of the combustion gas is used for the reforming reaction. The efficiency deteriorates, and the constant temperature region of the endothermic reforming reaction becomes narrow (because the temperature of the reformed gas rises soon after entering the constant temperature region). In addition, since the reformed gas temperature is too high at the reformed gas outlet E, the durability of the heat exchanger decreases.
本発明の目的は、吸熱反応を伴う熱交換器において、
(イ)改質ガス入口部近傍(活性化後の吸熱改質反応の一定温度領域における改質ガス入口に近い領域部分)での燃焼ガス温度を上げ改質ガスへの熱伝達量を増やし従来の熱伝達律速を解消して吸熱改質反応を促進させ、
(ロ)吸熱改質反応の一定温度領域を改質ガス出口側に拡げて改質反応領域を増大させるとともに、改質ガス出口部における改質ガスの温度上昇を抑えた、
改質器用熱交換器を提供することにある。
An object of the present invention is to provide a heat exchanger with an endothermic reaction,
(A) Conventionally, the combustion gas temperature near the reformed gas inlet (the region near the reformed gas inlet in the constant temperature region of the endothermic reforming reaction after activation) is increased to increase the amount of heat transfer to the reformed gas. To eliminate the heat transfer rate limiting of
(B) The constant temperature region of the endothermic reforming reaction is expanded to the reformed gas outlet side to increase the reforming reaction region, and the temperature rise of the reformed gas at the reformed gas outlet is suppressed.
The object is to provide a heat exchanger for a reformer.
上記課題を解決する本発明は、また、上記目的を達成する本発明は、つぎのとおりである。
(1)吸熱反応を伴う改質器用熱交換器であって、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体との熱交換部を複数箇所形成し、各熱交換部に対して、高温熱媒体が並列に供給される改質器用熱交換器。
(2)前記熱交換部は、積層型熱交換器である(1)記載の改質器用熱交換器。
The present invention for solving the above-mentioned problems and the present invention for achieving the above object are as follows.
(1) A heat exchanger for a reformer with an endothermic reaction, in which a plurality of heat exchange portions with a high-temperature heat medium are formed in the reformed gas flow path, A heat exchanger for a reformer to which a heating medium is supplied in parallel.
(2) The heat exchanger for a reformer according to (1), wherein the heat exchange unit is a stacked heat exchanger.
上記(1)の改質器用熱交換器によれば、改質ガスの流路に対して、高温熱媒体(燃焼ガス)との熱交換部が、複数箇所、互いに直列に形成され、各熱交換部に高温熱媒体が並列に供給されるので、
(イ)各熱交換部で改質ガスと高温熱媒体との熱交換が行われ、改質ガス入口部近傍での改質原料と高温熱媒体との温度差が大きくなり、改質ガス入口部近傍での高温熱媒体から改質原料への伝達熱量が増え、改質ガス入口部近傍での改質ガスへの熱の供給不足および改質ガス入口部近傍の熱伝達律速が解消され、吸熱改質反応が促進される。
(ロ)また、複数の熱交換部の各熱交換部において吸熱改質反応が促進されることにより、吸熱改質反応の一定温度領域が拡大し(改質ガス出口側に拡大し)、その結果、高温熱媒体の熱量の改質反応への利用量が増えるとともに、改質原料の出口部近傍での改質ガスの温度上昇に使われる熱量が低減する。また、改質ガスの出口部近傍での改質ガスの温度の上昇抑制によって、熱交換器の耐久性も向上する。
上記(2)の改質器用熱交換器によれば、熱交換部が積層型熱交換器であるため、熱交換器がコンパクトになる。
According to the heat exchanger for reformer of (1) above, a plurality of heat exchanging portions with the high-temperature heat medium (combustion gas) are formed in series with each other with respect to the reformed gas flow path. Since a high-temperature heat medium is supplied in parallel to the exchange unit,
(A) The heat exchange between the reformed gas and the high-temperature heat medium is performed in each heat exchange section, and the temperature difference between the reforming raw material and the high-temperature heat medium near the reformed gas inlet section increases, and the reformed gas inlet The amount of heat transferred from the high-temperature heat medium in the vicinity of the reformer to the reforming raw material is increased, the shortage of heat supply to the reformed gas in the vicinity of the reformed gas inlet and the heat transfer rate limiting in the vicinity of the reformed gas inlet are eliminated, The endothermic reforming reaction is promoted.
(B) Further, the endothermic reforming reaction is promoted in each heat exchanging section of the plurality of heat exchanging sections, so that the constant temperature region of the endothermic reforming reaction is expanded (expanded to the reformed gas outlet side). As a result, the amount of heat of the high-temperature heat medium used for the reforming reaction increases, and the amount of heat used to raise the temperature of the reformed gas near the outlet of the reforming raw material decreases. In addition, the durability of the heat exchanger is also improved by suppressing the temperature rise of the reformed gas in the vicinity of the reformed gas outlet.
According to the heat exchanger for reformer of (2) above, the heat exchanger is compact because the heat exchanging part is a stacked heat exchanger.
以下に、本発明の改質器用熱交換器を、図1〜図4を参照して説明する。
本発明の改質器用熱交換器10は、吸熱反応を伴う反応型の熱交換器である。
改質器用熱交換器10は、改質原料(炭化水素系燃料、たとえば、メタン、メタノール等と、改質水)を、高温熱媒体(「燃焼ガス」ともいう)との熱交換と、改質触媒により促進された吸熱改質反応を伴って、水素リッチの「改質ガス」を生成する。以下、「改質ガス」という用語には、改質前の「改質原料」も含むものとする。
改質器用熱交換器10は、改質ガス流路11と燃焼ガス流路12を有し、改質ガス流路11の、伝熱フィンを含む内表面に、改質反応のための改質触媒(貴金属、ニッケル等)が担持されている。改質触媒は、流路壁面への担持に換えて、流路にペレットを配置したものでもよい。
改質ガス流路11には改質ガス(改質原料であるを含む)が流れ、燃焼ガス流路12には燃焼ガスが流れる。改質ガスと燃焼ガスは互いに混じり合わない。改質ガス流路11を流れる改質ガスの流れと、燃焼ガス流路12を流れる燃焼ガスの流れとは、互いに対向する流れである。
Below, the heat exchanger for reformers of this invention is demonstrated with reference to FIGS.
The heat exchanger for
The
The
A reformed gas (including reformed raw material) flows through the reformed
改質器用熱交換器10は、複数の熱交換部13を有する。改質ガスは複数の熱交換部13を直列に流れ、燃焼ガスは複数の熱交換部13を並列に流れる。
図1、図2は、熱交換部13が2段(第1段の熱交換部13A、第2段の熱交換部13B)設けられた場合を示すが、熱交換部13の数は2とは限らず、3以上であってもよい。複数の熱交換部13A、13Bは、単一の積層型熱交換器を複数段に分離壁16で仕切って形成されてもよいし、あるいは、別々の熱交換器から形成されてもよい。
The
1 and 2 show a case where the
図1は図3のD−D断面を示しており、燃焼ガス流路12を示している。改質ガス流路11は図3のC−C断面にあり、D−D断面とは異なる断面であり、図1の紙面とは異なる面にある。図2は、図1のK−K線に沿った断面を示す。
FIG. 1 shows a DD cross section of FIG. 3 and shows a
図1の紙面と異なる面内において、改質ガスは、まず第1段の熱交換部13Aに流入し、ついで第1段の熱交換部13Aから流出し、ついで、第2段の熱交換部13Bに流入し、ついで第2段の熱交換部13Bから流出する。
In a plane different from that of FIG. 1, the reformed gas first flows into the first stage
図1の紙面内において、燃焼ガスは、燃焼ガス入口マニホールド14Aから第1段の熱交換部13Aに流入し、第1段の熱交換部13Aを改質ガスと対向して流れ、ついで第1段の熱交換部13Aから燃焼ガス出口マニホールド15Aに流出する。
燃焼ガスは、第1段の熱交換部13Aを流れるのとは別に、燃焼ガス入口マニホールド14Bから第2段の熱交換部13Bに流入し、第2段の熱交換部13Bを改質ガスと対向して流れ、ついで第2段の熱交換部13Bから燃焼ガス出口マニホールド15Bに流出する。
第1段の熱交換部13Aの燃焼ガスの流れと第2段の熱交換部13Bの燃焼ガスの流れとは、互いに並列である。第1段の熱交換部13Aの燃焼ガスの流れと第2段の熱交換部13Bの燃焼ガスの流れとは、分離壁16によって、互いに隔てられる。
In FIG. 1, the combustion gas flows from the combustion
The combustion gas flows from the combustion
The flow of the combustion gas in the first stage
17は燃焼ガスと改質ガスとを分離しシールするシール部であり、18は改質部外壁19と熱交換部13との間をシールして改質ガスが熱交換部13を通過せずに吹き抜けることを防止するシール部である。
各熱交換部13は、伝熱フィンを有する。20は改質ガス側伝熱フィンを示し、21は燃焼ガス側伝熱フィンを示す。
Each
図3に示すように、改質器用熱交換器10は、改質ガス側伝熱フィン20、積層プレート22、燃焼ガス側伝熱フィン21、積層プレート22を順に積層した、積層型熱交換器から構成されてもよい。
改質ガス側伝熱フィン20の表面および積層プレート22の改質ガス側表面には、改質触媒が担持される。
積層プレート22の中央に分離壁16が設けられていて、熱交換部13を複数の熱交換部13A、13Bに分離している。
As shown in FIG. 3, the
A reforming catalyst is supported on the surface of the reformed gas side
A
つぎに、本発明の改質器用熱交換器10の作用、効果を説明する。
Next, functions and effects of the
改質ガス流路11に対して、高温熱媒体(燃焼ガス)との熱交換部13が、複数箇所(第1の熱交換部13A、第2の熱交換部13B)、互いに直列に形成され、各熱交換部に燃焼ガスが並列に供給されるので、各熱交換部13A、13Bで改質ガスと燃焼ガスとの熱交換が行われ、改質ガス入口部F近傍(改質ガス温度が触媒活性化温度に上がって、一定温度領域に入った直後の領域)での改質ガスと燃焼ガスとの温度差が大きくなり、改質ガス入口部F近傍での燃焼ガスから改質ガスへの伝達熱量が増える。その結果、改質ガス入口部F近傍での改質ガスへの熱の供給不足が解消され、改質ガス入口部近傍の熱伝達律速が解消され、吸熱改質反応が促進される。
With respect to the reformed
また、複数の熱交換部13の各熱交換部13A、13Bにおいて吸熱改質反応が促進されることにより、吸熱改質反応が行われている一定温度領域が拡大し(改質ガス出口部E側に拡大し)、その結果、燃焼ガスの熱量の改質反応の吸熱への利用量が増え、広い領域において改質反応が促進される。また、改質ガスの出口部E近傍での改質ガスの温度上昇に使われる熱量が低減し、改質ガスの出口部E近傍の改質ガス温度が従来に比べて低減する。その結果、熱交換器の改質ガス流路の耐久性も向上する。
In addition, the endothermic reforming reaction is promoted in each of the
また、熱交換部13が積層型熱交換器であるため、熱交換部13A、13Bが別体の場合に比べて、熱交換器がコンパクトになる。その結果、コストダウン、車両への搭載性に有利等の種々の利点がある。
In addition, since the
10 改質器用熱交換器
11 改質ガス流路
12 燃焼ガス流路
13 熱交換部
13A 第1の熱交換部
13B 第2の熱交換部
14A (第1の熱交換部Aに対する)燃焼ガス入口マニホールド
14B (第2の熱交換部Bに対する)燃焼ガス入口マニホールド
15A (第1の熱交換部Aに対する)燃焼ガス出口マニホールド
15B (第2の熱交換部Bに対する)燃焼ガス出口マニホールド
16 分離壁
17 シール部
18 シール部
19 改質部外壁
20 改質ガス伝熱フィン
21 燃焼ガス伝熱フィン
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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JP2003283563A JP2005047770A (en) | 2003-07-31 | 2003-07-31 | Heat exchanger for reformer |
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2003
- 2003-07-31 JP JP2003283563A patent/JP2005047770A/en active Pending
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