JP2005053733A - Apparatus for reforming liquid hydrocarbon fuel - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質装置に関するものである。 The present invention relates to a reformer for steam reforming a liquid hydrocarbon fuel into a hydrogen-rich reformed gas.
従来より、この種の炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質装置においては、改質触媒が充填された反応室の上流側に気化部を形成し、反応室を加熱するバーナの燃焼ガスの熱によって気化部も加熱し、この気化部に原燃料と共に水を供給し、水を蒸発させて水蒸気改質反応に必要な水蒸気を発生させるようにしたものがあった。 Conventionally, in a reformer that steam-reforms this type of hydrocarbon fuel into a hydrogen-rich reformed gas, a vaporization section is formed upstream of the reaction chamber filled with the reforming catalyst, and the reaction chamber is heated. Some of the vaporizers were also heated by the heat of the combustion gas of the burner, and water was supplied to the vaporizers together with the raw fuel to evaporate the water and generate water vapor necessary for the steam reforming reaction.
この従来のものは、反応室は筒形状で胴部に改質触媒が充填され、筒の上部に気化部が形成されており、筒形状の反応室の下方に設けられたバーナで発生した燃焼ガスは、筒形状の反応室の内周、外周に沿うように流れて排出されるもので、燃焼ガスが先ず気化部付近を流通し最初に気化部を加熱し、その後に反応室の改質触媒の上流側から下流側へと順に加熱するように流れるものであった。
ところが、この従来の改質装置は、原燃料の上流側を加熱する燃焼ガスの温度が最も高くなっているため、燃料組成中の炭素数の多い液体炭化水素燃料を原燃料として使用した場合、比較的低温の状態から急激に高温雰囲気中に液体炭化水素燃料を供給することになり、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出し、気化部および改質触媒の表面をコーキングしてしまうという問題があった。 However, since this conventional reformer has the highest temperature of the combustion gas that heats the upstream side of the raw fuel, when a liquid hydrocarbon fuel with a large number of carbons in the fuel composition is used as the raw fuel, Liquid hydrocarbon fuel is suddenly supplied from a relatively low temperature state into a high temperature atmosphere, and the liquid hydrocarbon fuel undergoes thermal decomposition and carbon deposition, resulting in coking of the vaporization part and the surface of the reforming catalyst. There was a problem.
そこで、本発明は上記課題を解決するため、請求項1では、バーナが設けられた燃焼室と、液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに水蒸気改質する改質触媒が充填された反応室とを備え、前記反応室内の改質触媒の上流側に燃料と水とを前記バーナからの燃焼ガスの熱により気化する気化部を形成し、前記反応室の下流側を燃焼ガスの流れ方向上流側に、かつ前記気化部を前記燃焼室の燃焼ガスの流れ方向下流側になるように、前記反応室を前記燃焼室内に配置したものである。 In order to solve the above problems, the present invention provides a combustion chamber provided with a burner and a reaction filled with a reforming catalyst for steam reforming a liquid hydrocarbon fuel into a hydrogen-rich reformed gas. And a vaporization part for vaporizing fuel and water by the heat of the combustion gas from the burner on the upstream side of the reforming catalyst in the reaction chamber, and the flow direction of the combustion gas on the downstream side of the reaction chamber The reaction chamber is disposed in the combustion chamber on the upstream side and the vaporizing portion on the downstream side in the combustion gas flow direction of the combustion chamber.
また、請求項2では、前記反応室で改質された改質ガスを外部に取り出す取出し管を、前記反応室内に反応室の下流側から上流側へ向けて設けたものである。 According to a second aspect of the present invention, an extraction pipe for taking out the reformed gas reformed in the reaction chamber is provided in the reaction chamber from the downstream side to the upstream side of the reaction chamber.
また、請求項3では、前記反応室の気化部に液体炭化水素燃料を供給する燃料供給口と水を供給する水供給口とを配置し、前記燃料供給口よりも前記水供給口を前記気化部内の上流側に配置したものである。 According to a third aspect of the present invention, a fuel supply port for supplying liquid hydrocarbon fuel and a water supply port for supplying water are arranged in the vaporization section of the reaction chamber, and the water supply port is more vaporized than the fuel supply port. It is arranged on the upstream side in the section.
また、請求項4では、前記燃料供給口と水供給口とを二重管で構成し、この二重管の内管を外管よりも突出させると共に、内管から燃料を、外管から水を供給するようにしたものである。 According to a fourth aspect of the present invention, the fuel supply port and the water supply port are constituted by a double pipe, the inner pipe of the double pipe projects beyond the outer pipe, and fuel is supplied from the inner pipe to the water from the outer pipe. Is to supply.
本発明の請求項1によれば、燃焼ガスは改質触媒が充填された反応室の下流側から上流側へと加熱した後に気化部を加熱するため、燃料および改質反応途中の改質ガスが下流側へと流れるに伴って気化部および反応室中の改質触媒の温度が上昇し、液体炭化水素燃料が気化および改質反応の進行に伴って徐々に温度上昇するので、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出することがなくなり、気化部および改質触媒の表面がコーキングされることなく良好な改質反応を行うことができる。 According to the first aspect of the present invention, the combustion gas is heated from the downstream side to the upstream side of the reaction chamber filled with the reforming catalyst, and then the vaporization section is heated. As the gas flows downstream, the temperature of the reforming catalyst in the vaporization section and the reaction chamber rises, and the liquid hydrocarbon fuel gradually rises in temperature as the vaporization and reforming reaction proceeds. The fuel is no longer thermally decomposed and carbon is deposited, and a good reforming reaction can be carried out without coking the vaporization part and the surface of the reforming catalyst.
また、請求項2によれば、水蒸気改質された高温の改質ガスは、取出し管内を温度の高い反応室の下流側から温度の低い反応室の上流側へと流れながら反応室内および充填物に放熱し、放熱された熱は改質反応および水と液体炭化水素燃料の気化に有効に利用されると共に、改質ガスの出口温度が低下して次工程に適した温度付近まで温度低下させることができる。 According to the second aspect of the present invention, the high-temperature reformed gas that has undergone steam reforming flows in the reaction chamber and the packing while flowing from the downstream side of the reaction chamber having a high temperature to the upstream side of the reaction chamber having a low temperature. The heat dissipated is effectively utilized for the reforming reaction and the vaporization of water and liquid hydrocarbon fuel, and the outlet temperature of the reformed gas is lowered to a temperature suitable for the next process. be able to.
また、請求項3によれば、反応室上流側の気化部に水を先に供給して水蒸気とし、水蒸気の存在下に燃料を供給することで燃料を炭素析出させることなく燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。 According to the third aspect of the present invention, water is first supplied to the vaporization section on the upstream side of the reaction chamber to form water vapor, and the fuel is vaporized by fuel alone without carbon deposition by supplying the fuel in the presence of water vapor. It can be reliably vaporized at a lower temperature.
また、請求項4によれば、反応室上流側の気化部に二重管の外管から先に水を供給して水蒸気とし、二重管の内管から燃料を供給するので、反応室への水および燃料の供給管の接続構造をシンプルにすることができると共に、水蒸気の確実かつ均一な存在下に燃料を供給することができるので、燃料を炭素析出させることなく燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。 According to the fourth aspect of the present invention, water is first supplied from the outer pipe of the double pipe to the vaporization section on the upstream side of the reaction chamber to form steam, and fuel is supplied from the inner pipe of the double pipe. The water and fuel supply pipe connection structure can be simplified and the fuel can be supplied in the presence of water vapor with certainty and uniformity. Can be reliably vaporized at a low temperature.
次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図1に本発明の改質装置を用いた燃料電池発電システムのシステム系統図を示す。1は原燃料である液体炭化水素燃料(例えば灯油)から改質触媒の毒となる硫黄成分を取り除く脱硫器、2は脱硫器1で脱硫された液体炭化水素燃料と水とが導入されて水素リッチな改質ガスが生成される本発明の改質装置、3はこの改質装置2を改質触媒を改質反応に適する温度(ここでは500℃〜800℃程度)まで加熱する加熱手段としてのバーナ、4は改質装置2で生成された改質ガスに含まれるCOをCO2とH2に変換するシフト反応器、5はシフト反応器4で除去しきれなかったCOをCO2に変換して除去するCO除去器、6は最終的に生成された水素リッチガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池本体である。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a system diagram of a fuel cell power generation system using the reformer of the present invention. Reference numeral 1 denotes a desulfurizer that removes sulfur components that are poisons of the reforming catalyst from liquid hydrocarbon fuel (for example, kerosene) that is a raw fuel. The
前記燃料電池本体6は、プロトン伝導性の固体高分子膜6aを介して燃料極6bと空気極6cが両面に配置された構造で、水素リッチガスが燃料極6bに供給されて水素がプロトンと電子に分解される一方、空気が空気極6cに供給されて酸素と固体高分子膜6a中を通過してきたプロトンと外部回路を流れてきた燃料極6bからの電子が反応して水を生成されることで水素リッチガスと空気から発電するものである。
The fuel cell
水素リッチガスは前記燃料極6bで水素が発電に供されるが、燃料極6bを通過して水素が一部残留したオフガスは改質装置2を加熱するバーナ3に燃料として供給されるものである。
The hydrogen-rich gas is used for power generation at the fuel electrode 6b, but the off-gas in which a part of hydrogen passes through the fuel electrode 6b is supplied as fuel to the
図2は本発明の改質装置を示すものである。7はバーナ3で発生した燃焼ガスが流通する燃焼室で、底部にバーナ3を備え、上部に排気口8が設けられていると共に、断熱材料で形成されている。
FIG. 2 shows the reformer of the present invention. 7 is a combustion chamber through which the combustion gas generated in the
9は液体炭化水素燃料を水素リッチな改質ガスに改質する改質触媒10が充填された反応室で、有底筒状で燃焼室7内に垂下して設けられており、バーナ3で発生した燃焼ガスが反応室9の周囲を流れることにより燃焼ガスの熱を改質触媒10と反応室9内のガスが受熱し、改質触媒10の最下流部位が改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度(ここでは約700〜800℃)まで加熱されるものである。
9 is a reaction chamber filled with a reforming
前記反応室9の改質触媒10が充填されている部位よりも上流側には、液体炭化水素燃料と水を燃焼ガスの熱により気化する気化部11が反応室9内に一体に形成されている。そして、燃焼室7の上流側で改質触媒10を加熱して少し温度低下した燃焼ガスが、この気化部11の周囲を流れることにより、気化部11が受熱して水および液体炭化水素燃料を気化するのに適した温度まで加熱されるものである。この気化部11には充填子としてのセラミックボール12が充填され、蓄熱して水と液体炭化水素燃料の気化を促進すると共に、水蒸気と気化した液体炭化水素燃料の混合を促進するものである。
A vaporizing section 11 for vaporizing liquid hydrocarbon fuel and water by the heat of combustion gas is integrally formed in the
前記気化部11内には、液体炭化水素燃料を供給する燃料供給口13と水を供給する水供給口14が配置されているもので、水供給口14よりも燃料供給口13が下流側に配置され、水を先に供給して水蒸気とし、水蒸気の存在下に燃料を供給することで燃料を炭素析出させることなく、燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができるものである。
A
ここで、前記燃料供給口13および水供給口14は内管15の開放端が外管16の開放端よりも突出した二重管17によって構成され、その内管15から燃料を、外管16から水を供給するようにし、二重管17の外管16からその下流の内管15開放端の周囲に均一に水が供給されて気化し、周囲に水蒸気が均一に存在する状態下に内管15から燃料が供給されるので、燃料と水蒸気とが均一に混ざり、燃料単独で気化するよりも低い温度で確実に気化することができると共に、反応室9へ水および燃料を供給する管を接続する構造をシンプルにすることができるものである。
Here, the
そして、反応室9に一体化して設けられた気化部11で気化した燃料と水蒸気が反応室9内の改質触媒10が充填された領域にシームレスに流れるので、気化した燃料と水蒸気が気化部11から改質触媒10に流れる間に冷却されることがなく、熱ロスがなく高効率であり、気化部11と反応室9とが一体化されているため構造がシンプルとなり、コンパクト化、低コスト化が可能となるものである。
Then, the fuel and water vapor vaporized in the vaporization section 11 provided integrally with the
また、バーナ3で発生した燃焼ガスは改質触媒10が充填された反応室9を加熱した後に気化部11を加熱するため、温度の高い上流側の燃焼ガスで改質触媒10の最下流部位が改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度(ここでは約700〜800℃)に加熱され、少し温度低下した燃焼ガスにより改質触媒10の上流側部位が燃料を良好に改質可能な温度(ここでは約500℃)に加熱され、そしてさらに温度の低下した下流側の燃焼ガスで気化部11が比較的低い温度である燃料および水を気化するのに適した温度(ここでは約200〜400℃)に加熱されることとなる。
Further, since the combustion gas generated in the
そして、燃料および改質反応途中の改質ガスが下流側へと流れるに伴って気化部11および反応室9中の改質触媒10の温度が徐々に高温となっていくので、液体炭化水素燃料が急激に温度上昇されるようなことがなく、燃料の気化および改質反応の進行に伴って徐々に温度上昇するので、液体炭化水素燃料が熱分解を起こして炭素析出するようなことがなくなり、気化部11および改質触媒10の表面がコーキングされることがなく長期に渡り継続して良好な改質反応を行うことができる。
As the fuel and the reformed gas in the middle of the reforming reaction flow downstream, the temperature of the reforming
また、燃焼ガスの流れと気化および改質反応の流れを対向するようにしているので、気化部11および改質触媒10の良好な温度分布の維持が容易となり、排気する燃焼ガスの温度をムダにせず燃焼ガスの熱利用効率を高くすることができる。
In addition, since the flow of the combustion gas and the flow of the vaporization and reforming reaction are opposed to each other, it becomes easy to maintain a good temperature distribution of the vaporizing section 11 and the reforming
また、前記反応室9には、反応室9の下流側から上流側へ向けて改質触媒10により改質された改質ガスを取り出す取出し管18が設けられている。この取出し管18は反応室9内にストローのように設けられており、反応室9の上部から底部に向けて流れて改質された改質ガスは、反応室9の底部から反応室9内の流れ方向に逆流するように反応室9の上方に向けて取出し管18を流れ反応室9外へと流出される。
The
このとき、改質後の改質ガス中の水素組成量を多くするのに適した高い温度(ここでは約700℃)に加熱された改質触媒10の最下流部位から改質ガスを取り出すことができるので、改質ガス中の水素組成量を多くすることができると共に、反応室9底部付近の水蒸気改質された高温の改質ガスは、温度の高い反応室9の底部から取出し管18内を流れて比較的温度の低い反応室9上部の気化部11へ放熱し、放熱された熱は改質反応および水と液体炭化水素燃料の気化に有効利用され、さらに、改質ガスの出口温度が低下して次工程に適した温度付近まで温度低下するものである。
At this time, the reformed gas is taken out from the most downstream portion of the reforming
また、気化部11内の取出し管18と二重管17の先端とを離間させて設けているため、二重管17から供給された燃料および水がセラミックボール13と取出し管18との隙間をぬって取出し管18に沿ってすぐに流れ出てしまうことを防止し、確実に気化、混合して改質反応を行わせることができる。
In addition, since the take-out
このように、反応室9の内部に取出し管18を設けることで、改質ガス中の水素組成量を多くすることができると共に、反応室9の底部の形状がシンプルとなり、熱制御が容易となり、改質ガスの余剰な熱を気化部11の加熱源として有効に用い、改質ガスそのものの出口温度も下げることができる。
Thus, by providing the take-out
次に、図3は本発明の別の実施形態で、燃焼室7内に複数の反応室9を並列に設けたものである。このように、燃焼室7内に複数の反応室9を燃料および水のラインに対し並列に配置するだけの簡単な構成にて改質装置の改質処理能力を増大でき、しかも反応室9を共通化できるのでコストダウン可能なものである。
Next, FIG. 3 shows another embodiment of the present invention in which a plurality of
以上のように本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で変形したものも含むものであり、燃料電池発電システム以外の用途でもよい。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes modifications that do not change the gist of the present invention. Applications other than the power generation system may be used.
2 改質装置
3 バーナ
7 燃焼室
8 排気口
9 反応室
10 改質触媒
11 気化部
13 燃料供給口
14 水供給口
15 内管
16 外管
17 二重管
18 取出し管
2
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