JP2005083722A - 水蒸気改質炉 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼用空気を必要十分な温度まで加熱して、しかも対流部での熱交換量を従来よりも増大させることができる水蒸気改質炉を提供する。
【解決手段】炉本体１内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器３を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いる。炉本体１内の燃焼ガスの一部を対流部９に導入して燃焼ガスの排熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する。対流部９内に蓄熱式熱交換器３に供給される燃焼用空気を加熱する燃焼用空気加熱コイル１３を設ける。そして蓄熱式熱交換器３を通過した燃焼ガスを対流部９を通して排出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱式燃焼バーナを用いた水蒸気改質炉に関するものである。

従来、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において蓄熱式熱交換器から排出された燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉が提案されている。

水蒸気改質炉の燃焼用空気の予熱に吸排気切換型蓄熱体を用いると、例えば水素プラントやメタノールプラント、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）プラント、ガスツーリキッド（ＧＴＬ）プラント等のように燃料の単位当たりの発熱量（低位発熱量：Ｌｏｗ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｖａｌｕｅ，単位ｋＪ／ｋｇ）の低いガスを利用する場合、燃焼排ガス（以下、燃焼ガスと言う）と空気との水当量比（熱交換する排ガスと空気のそれぞれの蓄熱体入出の温度比と同じとなる）が大きいことから、蓄熱体から出る排ガスの温度がそのまま大気に排出できないほど高いものとなっていた。

天然ガス（都市ガス）燃料の場合で水当量比は１．３程度であり、１５℃→１０００℃に空気を予熱する場合、排ガスの温度は１１００℃→３５０℃となる。そして水当量比は（１０００−１５）／（１１００−３５０）＝１．３１である。ところが、水素プラントではＰＳＡガス精製オフガス（ここでＰＳＡとは、Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎの略）の全量を燃料として改質炉で利用するので燃料の発熱量は低くなり、水当量比は１．５５程度となる。そして排ガスの温度は４６５℃程度となる。すなわち（１０００−１５）／（１１００−４６５）＝１．５５である。４６５℃の排ガスをそのまま大気に放出することはエネルギーの損失となるので熱回収を行うが、４６５℃では被加熱源であるプロセス流体の対象が限られる。特に改質炉の反応側へ導入する原料＋スチームの温度が通常は改質炉の対流部によって５００℃程度まで昇温できていた。ＷＯ９８／１４５３６号公報には、対流部を用いて炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内の反応管を所定温度に加熱する従来の他の改質炉の一例が示されている。この従来技術では、炉本体に対して設けた蓄熱式熱交換器から炉本体内に供給する燃焼用空気の温度を１０００℃以上にするとともに、炉本体内の燃焼ガスの一部を対流部に流して熱回収装置で排熱回収することにより、燃焼ガスの排熱を有効利用する。
ＷＯ９８／１４５３６号公報（図１）

従来、例えば燃焼ガス量の３０％以下の燃焼ガスを対流部に導入した場合、プロセス流体を加熱した後の排ガス温度が低下して、燃焼ガスの利用価値が低下した。しかし、この対流部への排ガス量を増加することで、対流部での熱交換効率を画期的に向上させることができる。しかしながら、前述の従来技術では、燃焼用空気を加熱する熱交換量が多いために、対流部での熱交換量が少なくなる問題があった。

本発明の目的は、燃焼用空気を必要十分な温度まで加熱して、しかも対流部での熱交換量を従来よりも増大させることができる水蒸気改質炉を提供することにある。

本発明の他の目的は、従来よりも効率的に熱回収をすることができて、しかも対流部に燃焼ガスを多く導入することができる水蒸気改質炉を提供することにある。

本発明が改良の対象とする水蒸気改質炉は、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱する。そして炉本体内の燃焼ガスの一部を対流部に導入して燃焼ガスの排熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する。本発明においては、対流部内に蓄熱式熱交換器に供給される燃焼用空気を加熱する燃焼用空気加熱コイルを設ける。そして蓄熱式熱交換器を通過した燃焼ガスを対流部を通して排出する。このようにすると、蓄熱式熱交換器に供給される燃焼用空気が、燃焼用空気加熱コイルによって予熱されているため、蓄熱式熱交換器での入力側と出力側の温度差を小さくでき、蓄熱式熱交換器での熱交換量を少なくすることができる。そのため対流部に導入する燃焼ガスの量を従来よりも増大させることができる。また対流部に燃焼用空気加熱コイルを設けても、本発明では、蓄熱式熱交換器を通過した燃焼ガスを対流部を通して排出するため、対流部において必要な熱量を確保することができる。さらに本発明では、燃焼用空気を燃焼用空気加熱コイルと蓄熱式交換器の２段階で燃焼用空気を予熱する場合、蓄熱式熱交換器に入る燃焼用空気の温度並びに蓄熱式熱交換器を通過した燃焼ガスの温度を適正に設定することで、蓄熱体に対して設ける吸排気の切換機構として既存の切換機構を用いることができる。そのため設備費の増加を抑制できる。

また蓄熱式燃焼バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知のすべての連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動するが、燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また蓄熱式燃焼バーナとしては、いわゆる交番式蓄熱式燃焼バーナを用いることもできる。交番式蓄熱式燃焼バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と燃焼ガスとを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものは、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。なお改質炉には、１台以上の蓄熱式燃焼バーナが用いられる。

なお対流部内には、燃焼用空気加熱コイルの前段側に、炉本体から直接対流部に導入される燃焼ガスの量を調節するガス量調節ダンパを配置するのが好ましい。このようにすると、燃焼用空気を予熱するのに必要な熱量の確保と、原料またはプロセス流体を加熱するのに必要な熱量の確保を１つのダンパの開度の調節だけで簡単に達成することができる。

また蓄熱式熱交換器を通過した燃焼ガスが対流部に供給される位置は、燃焼用空気加熱コイルとガス量調節ダンパとの間の位置にするのが好ましい。この位置であれば、ガス量調節ダンパの調節が最も簡単になるだけでなく、対流部における熱交換効率を更に高めることができる。この場合には、ガス量調節ダンパを、原料及び／またはプロセス流体を予熱するコイルの後段側に配置し、ガス量調節ダンパの開度を、原料及び／またはプロセス流体を必要十分な温度まで予熱できるように定めればよい。

排ガス量を適切に振り分けることで、前記した対流部での熱利用効率向上を具体的に効果あらしめる。

本発明によれば、蓄熱式熱交換器に供給される燃焼用空気が、燃焼用空気加熱コイルによって予熱されているため、蓄熱式熱交換器での熱交換量を少なくすることができ、対流部に導入する燃焼ガスの量を従来よりも増大させることができる利点がある。また燃焼用空気を燃焼用空気加熱コイルと蓄熱式交換器の２段階で燃焼用空気を予熱する場合、蓄熱式熱交換器に入る燃焼用空気の温度並びに蓄熱式熱交換器を通過した燃焼ガスの温度を適正に設定することで、蓄熱体に対して設ける吸排気の切換機構として既存の切換機構を用いることができ設備費の増加を抑制できる利点がある。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、高温空気燃焼技術を用いた水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１の炉壁１ａには１台以上の蓄熱式燃焼バーナが固定されている。図１においては、この蓄熱式燃焼バーナを備えている１つの蓄熱式熱交換器３とバーナ４とを図示してある。また炉本体１の底壁１ｂと上壁１ｃとを貫通するように、複数本の反応管５が配置されている。

ここで用いる蓄熱式燃焼バーナの蓄熱式熱交換器３は、図２に示すように、交番式の蓄熱式熱交換器である。蓄熱式熱交換器３は、通気性を有する対となる２つの蓄熱体６及び７と、燃焼室２内の燃焼ガスを蓄熱体６または７に交互に流し、２つの蓄熱体６及び７の顕熱で燃焼用空気を加熱して燃焼室２内に供給する切換弁装置８とを備えている。なお実際の装置では、対となる蓄熱体が複数対設けられることになるが、以下の説明では説明の便宜上２つの蓄熱体６及び７のみを有しているものとして説明する。

切換弁装置８は、蓄熱体６及び７の後段側に、蓄熱体６及び７に対して共通に設けられた既存の切換弁装置である。切換弁装置８は，図示しない駆動手段によって駆動制御される。

炉本体１には燃焼室２と連通するように対流部９が設けられている。燃焼室２内の燃焼ガスの一部は対流部９を通って誘引送風機１４の誘引送風力により排出される。また燃焼室２からの燃焼ガスは、蓄熱式熱交換器３と対流部９の一部分を通って誘引送風機１４の誘引送風力により排出される。

対流部では、対流部９を通る燃焼ガスの熱を利用して原料と、炉本体１内の反応管５に供給されるプロセス流体（原料＋スチーム）と、蓄熱体６及び７に供給される燃焼用空気とを予熱する。対流部９内には、燃焼用空気を予熱する燃焼用空気加熱コイル１３と、プロセス流体（原料＋スチーム）を加熱する加熱コイル１５と、原料を加熱する加熱コイル１７（図２には図示せず）とを備えている。これらの加熱コイル１３，１５，１７は、加熱コイル１５から加熱コイル１７、そして加熱コイル１３に向かって順番に上流側から下流側に並ぶように配置されている。そしてこの例では、加熱コイル１３と加熱コイル１７との間に炉本体１から直接対流部９に導入される燃焼ガスの量を調節するガス量調節ダンパ１１が配置されている。そして蓄熱式熱交換器３を通過した燃焼ガスが、燃焼用空気加熱コイル１３とガス量調節ダンパ１１との間から対流部９に供給されている。したがって蓄熱式熱交換器３を通過した燃焼ガスの熱量は、燃焼用空気加熱コイル１３における加熱のためにのみ利用される。

なお図１において、各加熱コイルの側に表示した温度が、各加熱コイルが配置された場所を通る燃焼ガスの温度を示している。この例では、対流部９に流入する燃焼ガスの温度が１１００℃で、加熱コイル１５の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が４６７℃で、加熱コイル１７の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が２９２℃で、加熱コイル１３の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が１６０℃であることが示されている。

燃焼用空気は、加熱コイル１３で約２００℃まで加熱されて、蓄熱式熱交換器３の蓄熱体６または７に供給される。燃焼用空気は、蓄熱体６または７で更に約１０００℃まで加熱されて、燃焼室２内に供給される。蓄熱体６または７に供給される燃焼用空気の温度が高いため、各蓄熱体６または７を燃焼ガスが通過する際の温度低下は少なくなる。この例では１１００℃の燃焼ガスが３００℃まで低下する。

燃焼用空気は、押し込み送風機１８から加熱コイル１３を介して蓄熱体６または７に押し込まれる。加熱コイル１７で加熱された原料は、水素化反応器１９及び脱硫反応器２０へと供給される。脱硫反応器２０の出口にはスチームが加えられてプロセス流体が作られ、プロセス流体は加熱コイル１５へと供給されて加熱され、反応管５へと供給される。この例では、２４４℃のプロセス流体が加熱コイル１５で４８５℃まで加熱されている。

反応管５で加熱されて改質されて８５０℃になったプロセス流体は、熱交換器２１を通って３５０℃まで温度が低下し、高温シフトコンバータ２２で再度加熱されて４１５℃となり、熱交換器２３で温度が低下して、圧力揺動式吸着（ＰＳＡ）ガス精製装置へと供給される。熱交換器２１及び２３は、スチーム発生装置２４の熱源を得るために設けられているものであり、これらの熱交換器２１及び２３とスチーム発生装置２４との間では、熱伝達媒体が循環している。スチーム発生装置２４は、熱交換器２１及び２３から得た熱量を熱源として水蒸気化するための水ＢＦＷを加熱し、２２１℃の水蒸気として出力する。余剰スチームは、他の熱交換器で使用される。図１の例では、ＰＳＡガス精製オフガスが、通常の燃料と一緒にバーナ４へと供給している。

図２に示すように、この例では、切換弁装置８の動作で、蓄熱体６及び７には交互に燃焼ガスが流れ、蓄熱体７及び６には交互に加熱された燃焼用空気が供給される。本実施の形態によれば、蓄熱体６及び７へ導入する空気を対流部９に設けた加熱コイル１３を用いて予熱することにより、積極的に蓄熱体６及び７における熱交換量を少なくできる。蓄熱体では２００℃→１０００℃となるように、燃焼用空気を加熱する。この場合には、燃焼ガス（排ガス）は１１００℃→３００℃に低下する。したがって切換弁装置８に高温耐熱性が要求されることがなく、切換弁装置８として既存の切換弁装置をそのまま利用することができる。

上記実施の形態によれば、対流部９へ導入する排ガス量をダンパ１１によって調節することによって蓄熱体６，７を出る排ガス温度を適正に調節する（空気予熱を２００℃まで行う例の場合では、排ガスを３００℃程度に調節する）。これにより蓄熱体の吸排気の切換弁装置８は、従来のものが使用でき、かつ切換方式に制約を受けることがない。すなわち回転式蓄熱体も利用可能である。また燃焼用空気を予熱し、排ガスの温度を調節することで蓄熱体の熱交換量を減らすため、対流部９で効率的に熱回収を行うことができ、加熱コイル１３の前段側で排ガスを合流することで排ガス全体の熱回収を効率的に行うことができる。さらに原料の予熱を対流部９のみで行うことができ、高温シフトコンバータ下流の廃熱は全てボイラーで回収する。よって発生スチーム量が多くなって全体の熱効率（例えば原料＋燃料＋燃料−エキスポートスチームのエネルギー効率）が向上する。

上記実施の形態は、いずれも高温空気燃焼技術を用いた改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明の一般の改質炉にも当然にして適用できるのは勿論である。

また上記実施の形態は、水素プラントに用いる水蒸気改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明はメタノールプラント、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）プラント、ガスツーリキッド（ＧＴＬ）プラント等で用いる他の水蒸気改質炉にも当然にして適用できる。

高温空気燃焼技術を用いた水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。 図１の実施の形態の要部の構成と動作を説明するために用いる図である。

符号の説明

１ 炉本体
２ 燃焼室
３ 蓄熱式熱交換器
４ バーナ
５ 反応管
６，７ 蓄熱体
８ 切換弁装置
９ 対流部
１１ ガス量調節ダンパ
１３ 燃焼用空気加熱コイル
１５，１７ 加熱コイル

Claims (6)

1. 炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて前記炉本体内を所定温度に加熱し、前記炉本体内の燃焼ガスの一部を対流部に導入して前記燃焼ガスの排熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
   前記対流部内に前記蓄熱式熱交換器に供給される前記燃焼用空気を加熱する燃焼用空気加熱コイルが設けられ、
   前記蓄熱式熱交換器を通過した前記燃焼ガスが前記対流部を通して排出されることを特徴とする水蒸気改質炉。
2. 前記対流部内には、前記燃焼用空気加熱コイルの前段側に、前記炉本体から直接前記対流部に導入される前記燃焼ガスの量を調節するガス量調節ダンパが配置されている請求項１に記載の水蒸気改質炉。
3. 前記蓄熱式熱交換器を通過した前記燃焼ガスが前記対流部に供給される位置は、前記燃焼用空気加熱コイルと前記ガス量調節ダンパとの間の位置であることを特徴とする請求項２に記載の水蒸気改質炉。
4. 前記ガス量調節ダンパは、前記原料及び／または前記プロセス流体を予熱するコイルの後段側に配置され、
   前記ガス量調節ダンパの開度は、前記原料及び／または前記プロセス流体を必要十分な温度まで予熱できるように定められている請求項２または３に記載の水蒸気改質炉。
5. 炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて前記炉本体内を所定温度に加熱し、前記炉本体内の燃焼ガスの一部を対流部に導入して前記燃焼ガスの排熱を利用して原料及び前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
   前記対流部内には、前記原料及び前記プロセス流体を予熱するコイルの後段側に、前記蓄熱式熱交換器に供給される前記燃焼用空気を加熱する燃焼用空気加熱コイルが設けられ、
   前記蓄熱式熱交換器を通過した前記燃焼ガスが、前記対流部内の前記燃焼用空気加熱コイルの前段側に供給されて排出されることを特徴とする水蒸気改質炉。
6. 前記対流部内には、前記燃焼用空気加熱コイルの前段側に、前記炉本体から直接前記対流部内に入る前記燃焼ガスの量を調節するガス量調節ダンパが配置され、
   前記蓄熱式熱交換器を通過した前記燃焼ガスが前記対流部に供給される位置は、前記燃焼用空気加熱コイルと前記ガス量調節ダンパとの間の位置であることを特徴とする請求項５に記載の水蒸気改質炉。

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