JP2005255475A - Synthetic gas producing apparatus and method for operating the same - Google Patents

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英二 帆足
Masatoshi Kawashima
正俊 川島
Kenji Arai
健司 新井
Koji Shimuta
康志 紫牟田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a synthetic gas producing apparatus in which an oxygen permeation ceramic film tube is easily replaced or repaired by limiting a deficiency part even when the tube is deteriorated or damaged. <P>SOLUTION: The synthetic gas producing apparatus has a plurality of module reaction furnaces 1. Each of the module reaction furnaces 1 has the oxygen permeation type ceramic film tube 21, a reforming catalyst part 20, one vessel 15 housing the oxygen permeation type ceramic film tubes 21 and the reforming catalyst parts 20 in common, a raw material air supply port 3 for supplying raw material air to the vessel 15, a raw material gas supply port 2 for supplying a raw material gas to the vessel 15, a synthetic gas discharge port 4 for discharging a synthetic gas produced in the vessel 15 and an oxygen deficient air outlet 5 for discharging oxygen deficient air produced in the vessel 15. The raw material gas supply ports 2, the raw material air supply ports 3, the synthetic gas discharge ports 4 and the oxygen deficient air outlets 5 in the plurality of module reaction furnaces 1 are respectively connected to each other in common parts. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は合成ガス製造装置およびその運転方法に関し、特に、酸素透過型セラミック膜チューブと改質触媒部とを有する合成ガス製造装置およびその運転方法に関する。   The present invention relates to a synthesis gas production apparatus and an operation method thereof, and more particularly, to a synthesis gas production apparatus having an oxygen permeable ceramic membrane tube and a reforming catalyst section and an operation method thereof.

発熱部分酸化反応と吸熱スチーム改質反応の組み合わせを用いて合成ガスまたは不飽和炭化水素等の生成物ガス(目標ガスまたは所望ガス)を生成するための方法が知られている。特に、空気等の酸素含有ガスからの酸素との発熱反応を行なわせる酸素透過型セラミック膜(酸素イオン移動性)を有する反応器内において、吸熱反応の所要の熱量が発熱反応によって充足されるように、発熱反応と吸熱反応とを熱的に組み合わせる反応炉における生成物ガス生成方法が知られている。   Methods for producing a product gas (target gas or desired gas) such as synthesis gas or unsaturated hydrocarbon using a combination of an exothermic partial oxidation reaction and an endothermic steam reforming reaction are known. In particular, in a reactor having an oxygen-permeable ceramic membrane (oxygen ion mobility) that causes an exothermic reaction with oxygen from an oxygen-containing gas such as air, the required heat quantity of the endothermic reaction is satisfied by the exothermic reaction. In addition, a product gas generation method in a reaction furnace in which an exothermic reaction and an endothermic reaction are thermally combined is known.

天然ガス、および天然ガスの主成分であるメタンは、多様な利用形態を実現できるように通常、メタンから液体燃料への変換の中間体である合成ガスに変換される。合成ガスは、約0.6〜約6のH2/COモル比を有する水素と一酸化炭素の混合物である。 Natural gas and methane, which is the main component of natural gas, are usually converted into synthesis gas, which is an intermediate of conversion from methane to liquid fuel, so that various utilization forms can be realized. The synthesis gas is a mixture of hydrogen and carbon monoxide having a H 2 / CO molar ratio of about 0.6 to about 6.

メタンを合成ガスに変換する一つの方法は、スチーム改質による方法である。すなわち、メタンをスチームと反応させて吸熱反応によって水素と一酸化炭素の混合物に変換する。この吸熱反応を維持する熱は、この改質反応領域外から与えられる。スチーム改質反応は、式(1)によって表される。   One method for converting methane to synthesis gas is by steam reforming. That is, methane is reacted with steam and converted into a mixture of hydrogen and carbon monoxide by an endothermic reaction. Heat for maintaining this endothermic reaction is given from outside the reforming reaction region. The steam reforming reaction is represented by the formula (1).

CH4 + H2O → CO + 3H2 ・・・ (1)
部分酸化反応法においては、メタンは、発熱反応で酸素と反応し合成ガスに変換される。部分酸化反応は、下式で表される。
CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 (1)
In the partial oxidation reaction method, methane reacts with oxygen in an exothermic reaction and is converted to synthesis gas. The partial oxidation reaction is represented by the following formula.

CH4 + 1/2O2 → 2H2 + CO ・・・ (2)
これらの基本的な合成ガス生成反応を実現させる方法として、反応器の基本構成・要素の基本構成などが、たとえば、特許文献1、2などに開示されている。
CH 4 + 1 / 2O 2 → 2H 2 + CO (2)
As a method for realizing these basic synthesis gas generation reactions, the basic configuration of the reactor and the basic configuration of the elements are disclosed in, for example, Patent Documents 1 and 2.

効率よく合成ガスを生成するためには、酸素透過型セラミック膜の性能や、原料ガスであるメタンなどの供給経路、高温空気の供給経路、上記の基本化学反応の発熱反応量と吸熱反応量のバランスを実現させるために形状や各種ガス成分の流動経路、酸素欠乏空気の流出経路、合成ガスの取り出し流路に工夫が必要である。   In order to efficiently generate synthesis gas, the performance of the oxygen permeable ceramic membrane, the supply path of methane as a raw material gas, the supply path of high-temperature air, the exothermic reaction amount and endothermic reaction amount of the above basic chemical reaction In order to realize the balance, it is necessary to devise the shape, the flow path of various gas components, the outflow path of oxygen-deficient air, and the synthesis gas extraction flow path.

セラミック膜式合成ガス反応器では、式(1)に示す改質反応に必要な熱を、式(2)に示す部分酸化反応により生成される合成ガスと原料ガスの混合気体の温度上昇によるエンタルピー上昇により補給することで、自律型システムとする。このためには、セラミック膜チューブの本数、反応部分の長さと改質管の容量と流量などの最適化が必要である。   In the ceramic membrane type synthesis gas reactor, heat required for the reforming reaction shown in the formula (1) is converted into enthalpy due to the temperature rise of the mixed gas of the synthesis gas and the raw material gas generated by the partial oxidation reaction shown in the formula (2). By replenishing by ascending, it becomes an autonomous system. For this purpose, it is necessary to optimize the number of ceramic membrane tubes, the length of the reaction portion, the capacity and flow rate of the reforming tube, and the like.

酸素透過型セラミック膜は、酸素イオンを他の元素およびそのイオンに優先して透過させ移送する固形電解質膜である。その物質(膜)を通して酸素イオンの選択的移送のための伝導場を提供する移動酸素イオン空位を包含している。膜素子を通しての移送は、膜素子の両面間の酸素分圧(PO2)の比によって駆動される。O--は、膜素子の酸素分圧PO2の高い側の面から低い側の面へ流れる。 The oxygen permeable ceramic membrane is a solid electrolyte membrane that permeates and transfers oxygen ions in preference to other elements and their ions. It includes mobile oxygen ion vacancies that provide a conduction field for the selective transport of oxygen ions through the material (membrane). The transport through the membrane element is driven by the ratio of oxygen partial pressure (P O2 ) between both sides of the membrane element. O - flows from the high side of the surface of the oxygen partial pressure P O2 of the membrane elements to the lower side surface.

2のO--へのイオン化は、膜素子のカソード側で起こり、それらのイオンは、膜素子を透過して移送される。次いで、O--同士が結合して酸素分子となるか、あるいは、原料ガスとの触媒層物質と反応して電子e-を放出する。 Of O 2 O - ionization to takes place at the cathode side of the membrane elements, their ions are transported across the membrane element. Next, O 2 bonds to oxygen molecules, or reacts with the catalyst layer material with the source gas to release electrons e .

この酸素イオンの移送によりセラミック膜内に分子酸素勾配が発生し、この分子酸素は膜物質の一部と反応して組成内の構造を変化させる。これはセラミック膜の製造欠陥などにより増強されることも考えられる。セラミック膜の膨張や収縮が部分的に発生し、セラミック膜内で応力を発生させる運転に伴う変化が生ずる。この現象は、たとえば、非特許文献1にセラミック応力場(Ceramic Stress Fields)として記述されている。   The transfer of oxygen ions generates a molecular oxygen gradient in the ceramic film, and this molecular oxygen reacts with part of the film material to change the structure in the composition. This may be enhanced by a manufacturing defect of the ceramic film. The ceramic film partially expands and contracts, and changes occur in the operation that generates stress in the ceramic film. This phenomenon is described, for example, in Non-Patent Document 1 as ceramic stress fields.

このことは、実用化した酸素透過型セラミック膜方式の合成ガス生産反応器の運用にあたっては、セラミック膜チューブは、予め決められた期間内で定期的に交換することにより、セラミック膜内で発生する上記のセラミック内応力の発生を予め決められたレベル以下と期待できる状況を実現する必要がある。   This is because the ceramic membrane tube is generated in the ceramic membrane by replacing the ceramic membrane tube periodically within a predetermined period in the operation of the practical oxygen permeable ceramic membrane type synthesis gas production reactor. It is necessary to realize a situation in which the above-described stress in the ceramic can be expected to be a predetermined level or less.

この定期的な交換、または予定外のセラミック膜チューブの破損が生じたことを検出した場合は、合成ガス成分性能の確保、運転の安全確保のために、セラミック膜チューブを交換する必要がある。セラミック膜チューブの交換を効率的に行なうこと、計画的に行なうことは、合成ガス反応器の運用においても重要である。   When it is detected that the ceramic membrane tube is broken regularly or unexpectedly, it is necessary to replace the ceramic membrane tube in order to ensure the performance of the synthesis gas component and the safety of operation. Efficient and planned replacement of the ceramic membrane tube is important in the operation of the synthesis gas reactor.

ここで着目している合成ガス反応器は実用化段階で数百本から千数百本のセラミック膜チューブが使用される可能性があるので、セラミック膜チューブの交換を効率的に行なうことが、プラント稼動上の課題になる。   Since the synthesis gas reactor of interest here may use hundreds to thousands of ceramic membrane tubes in the practical application stage, it is possible to efficiently replace the ceramic membrane tubes. It becomes a problem in plant operation.

しかし、多数のセラミック膜チューブの交換に有効な、構成要素の配置や基本仕様はほとんど検討されていない。特許文献1および2にも、セラミック膜チューブの交換については記述がない。
特開2000−26103号公報 特開2002−85946号公報 T. J. Mazance et. al.著, ”Oxygen Transport Membranes for Syngas Production”, 2001 Elsevier Science B. V.
However, the arrangement and basic specifications of components that are effective for exchanging a large number of ceramic membrane tubes have not been studied. Patent Documents 1 and 2 also do not describe replacement of the ceramic membrane tube.
JP 2000-26103 A JP 2002-85946 A TJ Mazance et. Al., “Oxygen Transport Membranes for Syngas Production”, 2001 Elsevier Science BV

酸素透過型セラミック膜反応器は、通常、10ないし20気圧以上の圧力、600度C〜1100度Cの温度範囲で作動することができ、かつ、作動時間および遷移時間中の熱および酸素の吸収および放出による寸法変動を補償する手段を備えた合成ガスおよび不飽和炭化水素生成用反応器を求める要望がある。この種の反応器は、さらに、反応熱とその他のヒートシンク(放熱部または吸熱部)との良好なバランス、ならびに、発熱反応から吸熱反応への効率的な熱伝達によって膜素子を規定の温度限度内に維持することができることが望ましい。   Oxygen permeable ceramic membrane reactors can usually operate at pressures of 10 to 20 atmospheres or higher, in a temperature range of 600 ° C. to 1100 ° C., and absorb heat and oxygen during operating and transition times. There is also a need for a synthesis gas and unsaturated hydrocarbon production reactor with means to compensate for dimensional variations due to emissions. This type of reactor also allows the membrane element to have a specified temperature limit due to a good balance between reaction heat and other heat sinks (heat dissipation or endothermic), and efficient heat transfer from the exothermic reaction to the endothermic reaction. It is desirable that it can be maintained within.

さらに、この反応器は、可燃性のプロセスガスまたは生成物ガスが酸素含有流れ内に高圧下で漏出するおそれを最小限にすることによって安全性を高くできることが望ましい。また、たとえばあるモジュールの1本、ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合にも、迅速に対応することによって効率的な運用ができることが望ましい。   Furthermore, it is desirable that the reactor can be made more secure by minimizing the risk of flammable process gas or product gas leaking under high pressure into the oxygen-containing stream. In addition, for example, it is desirable that an efficient operation can be performed by quickly responding to a case where one or a plurality of oxygen permeable ceramic membrane tubes of a module is deteriorated or damaged.

本発明の目的は、たとえば1本ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブで劣化または破損などの不具合を生じた場合にも、不具合部分を限定して容易に交換や修理をすることができる合成ガス製造装置とその運転方法を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a synthesis gas that can be easily replaced or repaired by limiting the defective portion even when, for example, one or a plurality of oxygen permeable ceramic membrane tubes have a defect such as deterioration or breakage. It is in providing a manufacturing apparatus and its operating method.

本発明は上記目的を達成するものであって、請求項1に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていること、を特徴とする。   The present invention achieves the above object, and the invention according to claim 1 is a syngas production apparatus having a plurality of module reactors, each of the module reactors having at least one oxygen permeation. Type ceramic membrane tube, at least one reforming catalyst unit, one vessel that commonly accommodates these oxygen-permeable ceramic membrane tube and reforming catalyst unit, and source gas for supplying source gas into the vessel A supply port, a raw material air supply port for supplying raw material air into the vessel, a synthetic gas discharge port for discharging synthetic gas generated in the vessel, and an oxygen-deficient air generated in the vessel are discharged. An oxygen-deficient air outlet, and at least one of the source gas supply port, source air supply port, synthesis gas discharge port, and oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors Also that one is connected to a common part with each other, and wherein.

また、請求項11に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記モジュール反応炉の合成ガス排出口で合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、を特徴とする。   The invention described in claim 11 is a method for operating a synthesis gas production apparatus having a plurality of module reactors, each of the module reactors comprising at least one oxygen permeable ceramic membrane tube and at least one One reforming catalyst section, one vessel that accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst section in common, a source gas supply port for supplying a source gas into the vessel, and the vessel A raw material air supply port for supplying raw material air, a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, and an oxygen-deficient air outlet for discharging oxygen-deficient air generated in the vessel , At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is common to each other The module reaction is detected when at least one of the component concentration and temperature of the synthesis gas is detected at the synthesis gas outlet of the module reactor and the component concentration or temperature exceeds a predetermined range. The furnace is stopped.

また、請求項12に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気出口でガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、を特徴とする。   The invention described in claim 12 is a method for operating a synthesis gas production apparatus having a plurality of module reactors, wherein each of the module reactors includes at least one oxygen-permeable ceramic membrane tube and at least one One reforming catalyst section, one vessel that accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst section in common, a source gas supply port for supplying a source gas into the vessel, and the vessel A raw material air supply port for supplying raw material air, a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, and an oxygen-deficient air outlet for discharging oxygen-deficient air generated in the vessel , At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is common to each other And when the component concentration or temperature of the gas is detected at the oxygen-deficient air outlet of the module reactor and the component concentration or temperature exceeds a predetermined range, the module reactor Stopping.

また、請求項14に記載の発明は、複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、前記複数のモジュール反応炉の一部を停止するにさいして、当該停止対象モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであって、前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出し、前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御すること、を特徴とする。   The invention as set forth in claim 14 is a method of operating a synthesis gas production apparatus having a plurality of module reactors, each of the module reactors comprising at least one oxygen permeable ceramic membrane tube and at least one One reforming catalyst section, one vessel that accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst section in common, a source gas supply port for supplying a source gas into the vessel, and the vessel A raw material air supply port for supplying raw material air, a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, and an oxygen-deficient air outlet for discharging oxygen-deficient air generated in the vessel , At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is common to each other And when stopping a part of the plurality of module reactors, the supply of at least one of the source gas and source air of the target module reactor to be stopped is stopped, When detecting the pressure difference between the source gas supply port and the source air supply port of each module reactor or the pressure difference between the synthesis gas outlet and the oxygen-deficient air outlet and stopping the supply of the source gas or source air, The supply stop of the source gas and source air is controlled so that the pressure difference of the module reactor falls within a predetermined range.

本発明によれば、合成ガス製造装置の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合にも、該当するモジュール反応炉だけを全体から切り離して交換や修理をすることができるので、効率的なプラント運用が可能となる。また、モジュールの酸素透過セラミック膜チューブと改質触媒部の本数を増やすことなどにより容易にプラント規模を拡大できるので、各種用途に応じた規模のプラントを得ることができる。   According to the present invention, even when the oxygen permeable ceramic membrane tube of the synthesis gas production apparatus is deteriorated or damaged, only the relevant module reactor can be separated from the whole and replaced or repaired. Operation becomes possible. Moreover, since the plant scale can be easily expanded by increasing the number of oxygen permeable ceramic membrane tubes and reforming catalyst sections of the module, a plant having a scale corresponding to various applications can be obtained.

初めに、本発明に係る合成ガス製造装置およびその運転方法の最良の形態の概略を説明する。この合成ガス製造装置は、酸素透過型セラミック膜とその支持膜の組み合わせと改質触媒カラムを一つ組み合わせた構成であって、合成ガス反応炉を複数に分割したモジュール構成である。これらのモジュール反応炉は、たとえばベッセル上部の上蓋部分を取り外し可能な構造として、上部から、反応炉内に規則的に配置された複数の酸素透過型セラミック膜チューブを装荷・取り出し装置により扱う。この酸素透過型セラミック膜チューブ内には、高温空気が供給でき、酸素透過型セラミック膜を境にメタンが供給される領域と部分酸化反応による生成ガスが改質触媒カラムに供給される構造を有する。この改質触媒カラムで生成された合成ガスを排出するチェンバーに供給される構造と管板との間のシール構造を達成する手段を有している。   First, an outline of the best mode of a synthesis gas production apparatus and an operation method thereof according to the present invention will be described. This syngas production apparatus has a configuration in which a combination of an oxygen-permeable ceramic membrane and its support membrane and a reforming catalyst column are combined, and a module configuration in which a synthesis gas reactor is divided into a plurality of parts. These module reactors have, for example, a structure in which the upper lid portion of the upper part of the vessel can be removed, and a plurality of oxygen permeable ceramic membrane tubes regularly arranged in the reactor are handled from the upper part by a loading / unloading device. The oxygen permeable ceramic membrane tube has a structure in which high-temperature air can be supplied, and a region in which methane is supplied with the oxygen permeable ceramic membrane as a boundary and a gas generated by a partial oxidation reaction is supplied to the reforming catalyst column. . Means for achieving a seal structure between the tube plate and the structure supplied to the chamber for discharging the synthesis gas generated in the reforming catalyst column is provided.

それぞれの反応炉内に、酸素透過型セラミック膜チューブの複数本が配置され、さらに、セラミック膜チューブの周辺に供給される原料ガスの流路、また酸素透過型セラミック膜チューブの内部に供給される高温空気の流路構成要素が収納されている。さらに、セラミック膜チューブ上で改質された合成ガスのほかにまだ混在している原料ガス成分を完全に改質するための改質触媒カラムが少なくとも一つ収納されている。これらの構成要素・収納体は反応炉ベッセル壁に設けられた支持構造と気密性を維持できるシール構造を構成している。   A plurality of oxygen permeable ceramic membrane tubes are arranged in each reaction furnace, and further, a flow path of a raw material gas supplied to the periphery of the ceramic membrane tube and the inside of the oxygen permeable ceramic membrane tube are supplied. Houses hot air flow path components. Furthermore, at least one reforming catalyst column for completely reforming the raw material gas component still mixed in addition to the synthesis gas reformed on the ceramic membrane tube is accommodated. These constituent elements / housing bodies constitute a support structure provided on the reactor vessel wall and a seal structure capable of maintaining airtightness.

好ましい第1の実施形態においては、モジュール反応炉ごとに、発熱反応と吸熱反応が所定のバランス(わずかに発熱反応が吸熱反応を上回る状況)を達成するように、仕様が選択される。   In the first preferred embodiment, specifications are selected for each module reactor so that the exothermic reaction and endothermic reaction achieve a predetermined balance (a situation where the exothermic reaction slightly exceeds the endothermic reaction).

このために、モジュール化された反応炉内では、発熱反応をする複数のセラミック膜チューブの中心に吸熱反応を行なう改質触媒からなるチューブを配置する。このセラミック膜チューブ内には、原料空気を下部から供給する細管が配置されている。この細管の上部から空気がセラミック膜チューブの内側に沿って流れ、酸素が膜に供給される。セラミック膜チューブの上端が閉じられて空気の流路を制約している。   For this purpose, in a modular reactor, a tube made of a reforming catalyst that performs an endothermic reaction is arranged at the center of a plurality of ceramic membrane tubes that undergo an exothermic reaction. In this ceramic membrane tube, a thin tube for supplying raw material air from below is arranged. Air flows along the inside of the ceramic membrane tube from the top of the capillary tube, and oxygen is supplied to the membrane. The upper end of the ceramic membrane tube is closed to restrict the air flow path.

また、第2の実施形態においては、モジュール化した反応炉内のセラミック膜チューブ束と改質触媒領域の配置において、改質触媒領域をセラミック膜チューブの領域上部に配置する。   In the second embodiment, in the arrangement of the ceramic membrane tube bundle and the reforming catalyst region in the modularized reactor, the reforming catalyst region is arranged above the ceramic membrane tube region.

これらの実施形態のいずれでも、セラミック膜チューブと改質触媒領域の装荷と取り出しは、モジュール化した反応炉全体として行なう。基本的には予め決められた交換パターンにより、定期的に一つのモジュール反応炉を停止して、交換作業を行なう。この交換期間においては、同一プラントのほかのモジュール反応炉は運転を継続し、これによりプラントの合成ガス製造性能を維持して運転できる。   In any of these embodiments, loading and unloading of the ceramic membrane tube and the reforming catalyst region is performed as a whole modular reactor. Basically, one module reactor is periodically stopped and replaced by a predetermined replacement pattern. During this replacement period, the other modular reactors in the same plant continue to operate, thereby maintaining the plant syngas production performance.

一方、酸素透過型セラミック膜は、製造安定性などを考慮して仕様選定されるが、多くのセラミック膜チューブには、製造ばらつきなどがあり、使用温度条件の違いのもとでの経年変化がばらつくことが考えられる。また、プラント運用のばらつき、圧力の変動などの要因から、すべてのチューブの性能劣化が同一にならない。予定外の性能劣化や、セラミック膜チューブの破損、シール部からのリークなどの影響を検知するために、モジュール反応炉からの出口部分に、ガス成分検出領域と検出器を配置し、オンライン監視を行なう。   On the other hand, the specifications of oxygen permeable ceramic membranes are selected in consideration of manufacturing stability, but many ceramic membrane tubes have manufacturing variations, etc., and change over time due to differences in operating temperature conditions. It can be considered to vary. In addition, performance degradation of all tubes is not the same due to factors such as variations in plant operations and pressure fluctuations. In order to detect unscheduled performance degradation, ceramic membrane tube breakage, leakage from the seal, etc., a gas component detection area and detector are placed at the outlet from the module reactor to monitor online. Do.

これらのオンラインガス分析の変動結果を反映して、モジュール化反応炉の運転にフィードバックをかける。フィードバックは、原料ガス供給量・温度、高温空気供給量・温度など定常運転に関する部分と、限界レベルから乖離した場合に、特定のモジュール反応炉への原料ガス・高温空気の供給の停止を行なうことができる。   Reflecting the results of these on-line gas analysis changes, feedback is given to the operation of the modular reactor. The feedback is to stop the supply of raw material gas and high temperature air to a specific module reactor when it deviates from the limit level and the part related to steady operation such as raw material gas supply amount / temperature and high temperature air supply amount / temperature. Can do.

このような収納体は、予めセラミック膜チューブと改質触媒領域を組み上げ、プラント内で貯蔵され、交換後の使用済み収納体は一時的にプラント内で保管され、その後廃棄することになる。   Such a storage body is assembled in advance with a ceramic membrane tube and a reforming catalyst region and stored in the plant, and the used storage body after replacement is temporarily stored in the plant and then discarded.

次に、図面を参照しながら本発明に係る合成ガス製造装置およびその運転方法の実施形態をさらに具体的に説明する。   Next, embodiments of the synthesis gas production apparatus and the operation method thereof according to the present invention will be described more specifically with reference to the drawings.

初めに、図1ないし図5を参照して本発明に係る合成ガス製造装置の第1の実施形態を説明する。図1および図2は、本実施形態におけるモジュール反応炉構成の水素製造プラントの例を示し、また、図3〜図5は、一つのモジュール反応炉1の具体的な構造を示す。   First, a first embodiment of a synthesis gas production apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 show an example of a hydrogen production plant having a modular reactor structure in the present embodiment, and FIGS. 3 to 5 show a specific structure of one modular reactor 1.

図1は、本合成ガス製造装置の実施形態の平面図であり、図2は図1のA−A線矢視模式的縦断面図である。図1および図2に示す合成ガス製造装置では、四つのモジュール反応炉1が組み合わさっている。各モジュール反応炉1のベッセル15には、上端部に原料ガス(CHなど)供給口2が設けられ、下端部に原料空気供給口3が設けられ、側面に合成ガス排出口4および酸素欠乏空気排出口5が設けられている。 FIG. 1 is a plan view of an embodiment of the synthesis gas production apparatus, and FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view taken along line AA in FIG. In the synthesis gas production apparatus shown in FIGS. 1 and 2, four module reactors 1 are combined. The vessel 15 of each module reactor 1 is provided with a source gas (such as CH 4 ) supply port 2 at the upper end, a source air supply port 3 at the lower end, and a synthesis gas discharge port 4 and an oxygen deficiency on the side surface. An air outlet 5 is provided.

各モジュール反応炉1の原料ガス供給口2は、原料ガス供給弁6を介して共通の原料ガス供給源7に接続されている。同様に、各モジュール反応炉1の原料空気供給口3は、原料空気供給弁8を介して共通の原料空気供給源9に接続されている。さらに、各モジュール反応炉1の合成ガス排出口4は、合成ガス排出弁10を介して共通の合成ガス回収装置11に接続されている。同様に、各モジュール反応炉1の酸素欠乏空気排出口5は、酸素欠乏空気排出弁12を介して共通の酸素欠乏空気回収装置13に接続されている。なお、原料ガス供給弁6、原料空気供給弁8、合成ガス排出弁10、酸素欠乏空気排出弁12はいずれも、電磁弁であることが好ましい。   The source gas supply port 2 of each module reactor 1 is connected to a common source gas supply source 7 via a source gas supply valve 6. Similarly, the raw material air supply port 3 of each module reactor 1 is connected to a common raw material air supply source 9 via a raw material air supply valve 8. Further, the synthesis gas discharge port 4 of each module reactor 1 is connected to a common synthesis gas recovery device 11 via a synthesis gas discharge valve 10. Similarly, the oxygen-deficient air discharge port 5 of each module reactor 1 is connected to a common oxygen-deficient air recovery device 13 via an oxygen-deficient air discharge valve 12. The raw material gas supply valve 6, the raw material air supply valve 8, the synthesis gas discharge valve 10, and the oxygen-deficient air discharge valve 12 are all preferably solenoid valves.

このように、原料ガス・高温空気の供給制御装置や運用を共通化して、モジュール効果を出すことができる。モジュール化効果は、新生産技術確立過程では特に、合成ガス生産規模の拡大投資に関する投資選択・要素技術進展対応への柔軟性を確保できること、また、プラント運用に関しては、要素の経年劣化などによる交換のためのプラント停止を計画的に行ない全体としてのプラント稼働率の増大に寄与することができる。   As described above, the module effect can be obtained by sharing the supply control device and operation of the raw material gas and high temperature air. The modularization effect, especially in the process of establishing new production technologies, ensures flexibility in investment choices and elemental technology developments related to investment in expanding the scale of synthesis gas production. Therefore, it is possible to systematically stop the plant for and to contribute to an increase in the overall plant operation rate.

また、各モジュール反応炉から排出される製品となる合成ガスを全体としてまとめて次の工程に輸送するための合成ガス回収装置9を有すことにより、生産された合成ガスを次の工程でまとめて処理することができる。同様に高温空気として排出される酸素欠乏空気も、各モジュール反応炉1から排出されるものをまとめて全体として回収することにより、排出される高温空気の熱回収・利用などの効率向上が図れる。   In addition, the synthesis gas produced from each module reactor is collected as a whole, and the synthesis gas recovery device 9 for transporting the synthesis gas to the next step is transported to the next step. Can be processed. Similarly, the oxygen-deficient air discharged as high-temperature air can also be recovered as a whole by collecting all the air discharged from each module reactor 1, thereby improving the efficiency of heat recovery / utilization of the discharged high-temperature air.

図3〜図5は、上記モジュール反応炉1の構造を示すもので、図3は図2のモジュール反応炉1の斜視図、図4は図2のモジュール反応炉1の縦断面図、図5は図4のB−B線矢視平断面図である。   3 to 5 show the structure of the module reactor 1, FIG. 3 is a perspective view of the module reactor 1 of FIG. 2, FIG. 4 is a longitudinal sectional view of the module reactor 1 of FIG. [Fig. 5] Fig. 5 is a cross-sectional plan view taken along line BB in Fig. 4.

ベッセル15は、軸を鉛直にしたほぼ円筒形の容器で、その軸に沿ってほぼ中央に1本の改質触媒部20が配置され、これを取り囲むように6本の酸素透過型セラミック膜チューブ21が配置され、これらがベッセル15内に収容されている。   The vessel 15 is a substantially cylindrical container whose axis is vertical, and one reforming catalyst unit 20 is disposed at the center along the axis, and six oxygen permeable ceramic membrane tubes are disposed so as to surround the container. 21 are arranged, and these are accommodated in the vessel 15.

ベッセル15内は複数のセルに区画され、これらのセルを区画する隔壁23〜29と環状の外壁32〜37が上下方向に積み重ねられている。各隔壁23〜29および外壁32〜37はフランジ40により相互に接続されている。これにより、ベッセル15の下方から順に、空気オリフィスセル50、酸素欠乏空気排出セル51、合成ガス通路セル52、合成ガス生成セル53、原料ガスオリフィスセル54が形成されている。各セルはチューブ(管)でのみ連絡する構造となっている。   The inside of the vessel 15 is partitioned into a plurality of cells, and partition walls 23 to 29 and annular outer walls 32 to 37 that partition these cells are stacked in the vertical direction. The partition walls 23 to 29 and the outer walls 32 to 37 are connected to each other by a flange 40. Thus, an air orifice cell 50, an oxygen-deficient air discharge cell 51, a synthesis gas passage cell 52, a synthesis gas generation cell 53, and a raw material gas orifice cell 54 are formed in this order from the bottom of the vessel 15. Each cell is structured to communicate only with a tube.

メタンなどの原料ガスは、原料ガス供給部口2からベッセル15の頂部60に入り、ここから、原料ガスオリフィスセル54のオリフィス管61を通って降下して、セラミック膜チューブ21の外周に沿って降下する。セラミック膜チューブ21の上端は閉じている。一方、原料空気は、原料空気供給口3からベッセル15の底部63に入り、ここから、空気オリフィスセル32のオリフィス管64を通って上昇する。オリフィス管64の上部はセラミック膜チューブ21内に挿入されている。原料空気は、オリフィス管64を通って上昇した後にその上端でセラミック膜チューブ21内壁に衝突し、その後、セラミック膜チューブ21内壁とオリフィス管64外壁の間の環状部に沿って下降する。原料ガスと原料空気がセラミック膜チューブ21をはさんで平行に流れている間に、原料空気中の酸素がセラミック膜チューブ21を透過して、式(2)に表される部分酸化反応が進行し、合成ガスが生成される。   A source gas such as methane enters the top 60 of the vessel 15 from the source gas supply port 2 and descends through the orifice pipe 61 of the source gas orifice cell 54 from here along the outer periphery of the ceramic membrane tube 21. Descent. The upper end of the ceramic membrane tube 21 is closed. On the other hand, the raw air enters the bottom 63 of the vessel 15 from the raw air supply port 3, and rises from here through the orifice pipe 64 of the air orifice cell 32. The upper part of the orifice pipe 64 is inserted into the ceramic membrane tube 21. The raw material air rises through the orifice tube 64 and then collides with the inner wall of the ceramic membrane tube 21 at the upper end thereof, and then descends along the annular portion between the inner wall of the ceramic membrane tube 21 and the outer wall of the orifice tube 64. While the source gas and the source air flow in parallel across the ceramic membrane tube 21, oxygen in the source air permeates the ceramic membrane tube 21, and the partial oxidation reaction represented by the formula (2) proceeds. Then, synthesis gas is generated.

その後、合成ガスは改質触媒部20の下端部からその中を上方に向かって通り、ここで式(1)に表される改質反応が生じる。その後、合成ガスは、合成ガス生成セル53から合成ガス排出口4を通ってベッセル15外へ出る。   Thereafter, the synthesis gas passes upward from the lower end portion of the reforming catalyst portion 20, and here, the reforming reaction represented by the formula (1) occurs. Thereafter, the synthesis gas goes out of the vessel 15 from the synthesis gas generation cell 53 through the synthesis gas outlet 4.

一方、原料空気はセラミック膜チューブ21内壁とオリフィス管64外壁の間の環状部に沿って下降して酸素欠乏空気となり、酸素欠乏空気排出セル51から酸素欠乏空気排出口5を通ってベッセル15外へ出る。   On the other hand, the raw material air descends along the annular portion between the inner wall of the ceramic membrane tube 21 and the outer wall of the orifice tube 64 to become oxygen-deficient air, and passes from the oxygen-deficient air discharge cell 51 through the oxygen-deficient air discharge port 5 to the outside of the vessel 15. Go out.

図4および図5では、セラミック膜チューブと改質触媒部の配置例として、セラミック膜チューブ6本と改質触媒部1本の配置例を示したが、このような規則的な配置での本数は、それぞれの反応器の規模により最適化する。   4 and 5, as an example of the arrangement of the ceramic membrane tube and the reforming catalyst unit, an example of the arrangement of six ceramic membrane tubes and one reforming catalyst unit has been shown. Is optimized by the size of each reactor.

オリフィス管61、64は、6本のセラミック膜チューブに供給される原料ガス(メタン)および原料空気の量をなるべく相互に等しくするためのものであり、基本的には等分配とする。しかし、オリフィス管61、64の径を調整することでその流量配分を自在に変えることもできる。セラミック膜チューブ21と改質触媒部20は一部で相互に接しており、これにより熱伝導を促す構造となっている。   The orifice pipes 61 and 64 are for equalizing the amounts of source gas (methane) and source air supplied to the six ceramic membrane tubes as much as possible, and are basically equally distributed. However, the flow distribution can be freely changed by adjusting the diameters of the orifice pipes 61 and 64. The ceramic membrane tube 21 and the reforming catalyst unit 20 are in contact with each other in part, thereby having a structure that promotes heat conduction.

合成ガス通路セル52ではその出口が改質触媒部20のみなので、ガスは必然的に改質触媒部20へ向かい、合成ガス排出口4では90%以上のメタン転化率が得られる。また、発熱部を密閉することで、外壁とメタン流路ブロック間の伝熱媒体の温度や注入量を調整したりすることによって、熱制御が行ないやすくなっている。   Since the outlet of the synthesis gas passage cell 52 is only the reforming catalyst unit 20, the gas inevitably goes to the reforming catalyst unit 20, and a methane conversion rate of 90% or more is obtained at the synthesis gas outlet 4. Further, by sealing the heat generating part, the temperature and the injection amount of the heat transfer medium between the outer wall and the methane flow path block are adjusted, so that the heat control is easily performed.

図6〜図8は、本発明に係る合成ガス製造装置の第2の実施形態を示す。図1は、第1および第2の実施形態で共通である。また、第1の実施形態と共通または類似の部分には共通の符号を付して重複説明は省略する。   6 to 8 show a second embodiment of the synthesis gas production apparatus according to the present invention. FIG. 1 is common to the first and second embodiments. In addition, parts common or similar to those in the first embodiment are denoted by common reference numerals, and redundant description is omitted.

図6は、この実施形態の合成ガス製造装置の模式的縦断面図を示す。この実施形態では、各モジュール反応炉101の原料ガス供給口2および原料空気供給口3はモジュール反応炉101のベッセル15の側面に設けられ、合成ガス排出口4はベッセル15の上端部に設けられ、酸素欠乏空気排出口5はベッセル15の下端部に設けられている。   FIG. 6 shows a schematic longitudinal sectional view of the synthesis gas production apparatus of this embodiment. In this embodiment, the source gas supply port 2 and the source air supply port 3 of each module reactor 101 are provided on the side surface of the vessel 15 of the module reactor 101, and the synthesis gas outlet 4 is provided at the upper end of the vessel 15. The oxygen-deficient air discharge port 5 is provided at the lower end of the vessel 15.

図7は、図6のモジュール反応炉101の内部を示す縦断面であって、原料ガス・生成される合成ガス・高温空気の流路と流量配分機構概念を示す。ここでは、モジュール化構成の有無に係わらない共通要素である酸素透過型セラミック膜チューブや改質触媒部の交換のための上下蓋や流路間のシール機構などは図示していない。図8は図7のC−C線矢視平断面である。   FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing the inside of the module reactor 101 of FIG. 6, and shows the flow path and the flow distribution mechanism concept of the raw material gas, generated synthesis gas, and high-temperature air. Here, the oxygen permeable ceramic membrane tube, the upper and lower lids for replacement of the reforming catalyst part, the sealing mechanism between the flow paths, and the like, which are common elements regardless of the presence or absence of the modular configuration, are not illustrated. 8 is a cross-sectional view taken along the line CC of FIG.

原料(メタン)ガス、空気側のそれぞれの流路に、オリフィス70、71を設けた管72、73が配置され、これにより流量配分が行なわれる。上部、下部のそれぞれから供給されたメタンと空気は、上端が閉じたセラミック膜チューブ21の外面および内面に沿ってそれぞれ上方に向かって平行に流れながら式(2)の反応が進行する。反応したガスと未反応のガスの出口は改質触媒層75に直接つながっている。セラミック膜チューブ21の内側には酸素欠乏空気排出管90が設けられていて、セラミック膜チューブ21の内面に沿って上昇して流れた後の酸素欠乏空気を酸素欠乏空気排出口5まで導く。   Pipes 72 and 73 provided with orifices 70 and 71 are arranged in the flow paths on the raw material (methane) gas and air sides, respectively, whereby flow distribution is performed. While the methane and air supplied from the upper part and the lower part respectively flow upward in parallel along the outer surface and the inner surface of the ceramic membrane tube 21 whose upper end is closed, the reaction of Formula (2) proceeds. The outlets of the reacted gas and unreacted gas are directly connected to the reforming catalyst layer 75. An oxygen-deficient air discharge pipe 90 is provided inside the ceramic membrane tube 21 and guides the oxygen-deficient air that has flowed up along the inner surface of the ceramic membrane tube 21 to the oxygen-deficient air discharge port 5.

また、セラミック膜チューブ21近傍で発生した熱は、改質触媒層75に接触熱伝導、あるいはベッセル15の外壁とメタン流路ブロックとの間の空気によって熱交換する。   The heat generated in the vicinity of the ceramic membrane tube 21 exchanges heat with the reforming catalyst layer 75 by contact heat conduction or by air between the outer wall of the vessel 15 and the methane passage block.

図8に示すように、この第2の実施形態でも、1ブロック当たりのセラミック膜チューブ21の本数は6本とする。また、この構造の特徴は、セラミック膜チューブ21の壁面に沿う流れが上向きになっていることである。燃焼反応により温度が上昇したガスは密度が軽くなっているので上方に向かう。そのため、効率よく吸熱反応層である改質触媒層75に熱を伝えることができる。酸素透過型セラミック膜チューブ21領域の上部に改質触媒層75を配置して、高温化した合成ガス自身の熱を利用して、酸素透過型セラミック膜チューブ21領域で反応しなかった原料ガスを完全に合成ガスに改質する方式である。改質触媒層75の厚さなどの最適化をすることが可能である。   As shown in FIG. 8, also in this second embodiment, the number of ceramic membrane tubes 21 per block is six. The feature of this structure is that the flow along the wall surface of the ceramic membrane tube 21 is upward. Since the gas whose temperature has increased due to the combustion reaction has become lighter, it goes upward. Therefore, heat can be efficiently transferred to the reforming catalyst layer 75 which is an endothermic reaction layer. The reforming catalyst layer 75 is arranged on the upper part of the oxygen permeable ceramic membrane tube 21 region, and the raw material gas that has not reacted in the oxygen permeable ceramic membrane tube 21 region is made available by utilizing the heat of the synthesis gas that has been heated. This is a method of completely reforming to synthesis gas. It is possible to optimize the thickness of the reforming catalyst layer 75 and the like.

図9は、第1の実施形態(図2など参照)の各モジュール反応炉1の合成ガス排出口4から排出される合成ガスおよび酸素欠乏空気排出口5から排出される酸素欠乏空気の特性を測定・検知する検出器の取り付け位置を示す。すなわち、図9に丸で囲んだDおよびEで示すように、検出器を、各モジュール反応炉1の合成ガス排出口4と合成ガス回収装置11の間および、酸素欠乏空気排出口5と酸素欠乏空気回収装置13の間に配置する。   FIG. 9 shows the characteristics of the synthesis gas discharged from the synthesis gas discharge port 4 and the oxygen-deficient air discharged from the oxygen-deficient air discharge port 5 of each module reactor 1 of the first embodiment (see FIG. 2 and the like). Indicates the mounting position of the detector to be measured / detected. That is, as indicated by D and E circled in FIG. 9, the detector is connected between the synthesis gas outlet 4 and the synthesis gas recovery device 11 of each module reactor 1 and between the oxygen-deficient air outlet 5 and the oxygen. It arrange | positions between the deficient air collection | recovery apparatuses 13. FIG.

合成ガスまたは酸素欠乏空気の特性として測定・検知する項目は、たとえば、温度、圧力、ガス成分とする。これらの項目の一部でもかまわない。ガス成分は、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、酸素など、またはその一部、もしくはそれら一部組成の組み合わせ検知の対象とする。   Items to be measured / detected as characteristics of synthesis gas or oxygen-deficient air are, for example, temperature, pressure, and gas components. Some of these items may be used. The gas component is an object of detection of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, methane, oxygen, etc., or a part thereof, or a combination of those parts.

図10は、このような検出器部分の構造の例を示す。図示の例は、合成ガス排出口4と合成ガス排出弁10の間の配管途中に検出器取り付け部80を設けている。検出器取り付け部80は、径の大きな管をフランジ81で接続する構造である。この部分で流路面積が拡大することにより、流速が低下し、成分検出のための抽出時間を稼げる構造となっている。図示の検出器取り付け部80には、温度測定用の熱電対82、圧力計83、成分検出器84が取り付けられている。   FIG. 10 shows an example of the structure of such a detector portion. In the illustrated example, a detector mounting portion 80 is provided in the middle of the piping between the synthesis gas discharge port 4 and the synthesis gas discharge valve 10. The detector mounting portion 80 has a structure in which a pipe having a large diameter is connected by a flange 81. By increasing the flow path area in this part, the flow velocity is reduced, and the extraction time for component detection can be obtained. The illustrated detector mounting portion 80 is provided with a thermocouple 82 for measuring temperature, a pressure gauge 83, and a component detector 84.

各モジュール反応炉1へ供給される原料ガスまたは原料空気の測定については図9に示していないが、供給側の特性の測定のための検出器を同様に配置することが可能である。供給側の測定は、全体として、各モジュール反応炉1に配分される前であっても、また、配分された後の、原料ガス供給弁6、原料空気供給弁8の下流側(モジュール反応炉1側)のいずれでもよい。   Although measurement of the raw material gas or raw material air supplied to each module reactor 1 is not shown in FIG. 9, it is possible to similarly arrange detectors for measuring characteristics on the supply side. The measurement on the supply side as a whole is before the distribution to each module reactor 1 or after the distribution, on the downstream side of the source gas supply valve 6 and the source air supply valve 8 (module reactor 1 side) may be sufficient.

このような出入口部分のガス特性・成分特性をオンライン監視することにより、長期間にわたる酸素透過型セラミック膜チューブの性能の経年劣化やプラント運転にともなう経年変化などによるガス・空気のリ−クによる混入、また、セラミック膜チューブやシール部分の破損に伴うガス成分の変化が検知できる。検知の方法として、定常運転時の変動や測定器が局所的に配置されることによる測定値と通過する平均組成の違いなどは、別途調整するものとする。   By monitoring the gas and component characteristics of the inlet / outlet part online, gas / air leakage due to deterioration over time of the oxygen permeable ceramic membrane tube performance or aging due to plant operation, etc. In addition, it is possible to detect a change in the gas component due to breakage of the ceramic membrane tube or the seal portion. As a detection method, fluctuations during steady operation, differences in measured values due to local arrangement of measuring instruments and average composition passing through, etc. shall be adjusted separately.

図11は、これらの測定結果をフィードバックして、異常を検出した場合に、一つのモジュール反応炉を停止し、その他のモジュール反応炉で運転を継続する場合の信号と機器の対応例を示している。熱電対82と成分検出器84から得られる異常信号は測定機器110、111により検出され、該当するモジュール反応炉に連絡する入口側電磁弁112および出口側電磁弁113へ停止信号を送る。その際、合成ガス側圧力計83および酸素欠乏空気側圧力計83aに基づいて差圧計114で圧力差を監視し、この圧力差が過度に高くならないように、入口側電磁弁112および出口側電磁弁113を閉じるタイミング信号を送る。この時、原料ガス入口と原料空気入口に設置されている電磁弁にも信号を送る。   FIG. 11 shows an example of correspondence between signals and equipment when one of the module reactors is stopped and operation is continued in the other module reactors when these measurement results are fed back and an abnormality is detected. Yes. An abnormal signal obtained from the thermocouple 82 and the component detector 84 is detected by the measuring devices 110 and 111, and a stop signal is sent to the inlet side electromagnetic valve 112 and the outlet side electromagnetic valve 113 communicating with the corresponding module reactor. At that time, the pressure difference is monitored by the differential pressure gauge 114 based on the syngas side pressure gauge 83 and the oxygen-deficient air side pressure gauge 83a, and the inlet side solenoid valve 112 and the outlet side electromagnetic valve are set so that the pressure difference does not become excessively high. A timing signal for closing the valve 113 is sent. At this time, a signal is also sent to the solenoid valves installed at the source gas inlet and the source air inlet.

たとえば、酸素欠乏空気側の温度変化や、酸素欠乏空気側へのメタンや水素の混合が検出され、燃焼限界以下の設定レベルを越えたとすると、セラミック膜チューブを介した圧力差の大小関係を維持しながら、同時に圧力を低下させる。また、このモジュールへの原料ガス供給弁6および原料空気供給弁8を閉止し、また、合成ガス排出弁10および酸素欠乏空気排出弁12を閉止して合成ガス・酸素欠乏空気の回収装置への流れを停止するなど、予め決められた手順・特性を実現する操作へフィードバックし、異常が他のモジュール反応炉に波及することを最小化させる。   For example, if a temperature change on the oxygen-deficient air side or a mixture of methane or hydrogen on the oxygen-deficient air side is detected and the set level is below the combustion limit, the pressure difference through the ceramic membrane tube is maintained. While reducing the pressure at the same time. Further, the raw material gas supply valve 6 and the raw material air supply valve 8 to this module are closed, and the synthetic gas discharge valve 10 and the oxygen-deficient air discharge valve 12 are closed to supply the synthetic gas / oxygen-deficient air to the recovery device. Feedback to operations that realize predetermined procedures and characteristics, such as stopping the flow, to minimize the spread of abnormalities to other module reactors.

当該、モジュール反応炉では、図示されていない隔離安全逃し弁とバッファータンクへのガス輸送を行ない、安全なモジュール反応炉停止を図る。その後、当該モジュール反応炉内の要素交換や改修などの作業に移行できる。   In the module reactor, gas transportation to an isolation safety relief valve and a buffer tank (not shown) is performed to stop the module reactor safely. After that, it is possible to shift to work such as element replacement or repair in the module reactor.

上記実施形態の説明では、合成ガス排出口4と酸素欠乏空気排出口5での圧力差を制御するものとした。他の実施形態として、原料ガス供給口2と原料空気供給口3での圧力差を制御することも可能である。原料ガス供給口2と合成ガス排出口4とは比較的大きなガス流路で互いにつながっており、原料空気供給口3と酸素欠乏空気排出口5とは比較的大きな空気流路で互いにつながっているからである。   In the description of the above embodiment, the pressure difference between the synthesis gas outlet 4 and the oxygen-deficient air outlet 5 is controlled. As another embodiment, the pressure difference between the source gas supply port 2 and the source air supply port 3 can be controlled. The raw material gas supply port 2 and the synthesis gas discharge port 4 are connected to each other through a relatively large gas flow path, and the raw material air supply port 3 and the oxygen-deficient air discharge port 5 are connected to each other through a relatively large air flow path. Because.

以上説明したように、本発明の好ましい実施形態によれば、浮力・対流などによる酸素透過セラミック膜チューブ周辺の流動の複雑性を軽減でき、またフランジ接続型セル構造とすることで分解・組立を容易にすることができるので、効率的な熱流動、交換性を考慮した流路構造を得ることができる。   As described above, according to a preferred embodiment of the present invention, the complexity of flow around the oxygen permeable ceramic membrane tube due to buoyancy, convection, etc. can be reduced, and disassembly and assembly can be performed by using a flange-connected cell structure. Since it can be made easy, it is possible to obtain a flow channel structure in consideration of efficient heat flow and exchangeability.

また、複数モジュール反応炉構造とすることにより、あるモジュールの1本、ないしは複数本の酸素透過セラミック膜チューブが劣化、破損した場合に、反応炉全体を止めることなく交換、修理を可能にできるので、効率的な運用が可能なプラントを得ることができる。また、モジュールの酸素透過セラミック膜チューブと改質触媒部の本数を増やすことで容易にプラント規模を拡大できるので、各種用途に応じた規模のプラントを得ることができる。   In addition, by adopting a multi-module reactor structure, if one or a plurality of oxygen permeable ceramic membrane tubes of a module is deteriorated or damaged, it can be replaced or repaired without stopping the entire reactor. A plant capable of efficient operation can be obtained. Moreover, since the plant scale can be easily expanded by increasing the number of oxygen permeable ceramic membrane tubes and reforming catalyst sections of the module, a plant having a scale corresponding to various applications can be obtained.

本発明に係る合成ガス製造装置の第1の実施形態の平面図。The top view of 1st Embodiment of the synthesis gas manufacturing apparatus which concerns on this invention. 図1のA−A線矢視模式的縦断面図。FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view taken along line AA in FIG. 1. 図2のモジュール反応炉の一つの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of one of the module reactors in FIG. 2. 図3のモジュール反応炉の縦断面図。The longitudinal cross-sectional view of the module reactor of FIG. 図4のB−B線矢視平断面図。FIG. 5 is a cross-sectional plan view taken along line B-B in FIG. 4. 本発明に係る合成ガス製造装置の第2の実施形態の模式的縦断面図。The typical longitudinal cross-sectional view of 2nd Embodiment of the synthesis gas manufacturing apparatus which concerns on this invention. 図6のモジュール反応炉の一つの縦断面図。FIG. 7 is a longitudinal sectional view of one of the module reactors of FIG. 6. 図7のC−C線矢視平断面図。The CC sectional view taken on the line of FIG. 図2の合成ガス製造装置の検出器取り付け位置を示す模式的縦断面図。FIG. 3 is a schematic longitudinal sectional view showing a detector mounting position of the synthesis gas production apparatus of FIG. 2. 図9の検出器取り付け位置の一つにおける検出器取り付け状況を示す拡大縦断面図。FIG. 10 is an enlarged vertical cross-sectional view showing a detector mounting state at one of the detector mounting positions in FIG. 9. 本発明に係る合成ガス製造装置の計測・制御系の一実施形態を示すブロック図。The block diagram which shows one Embodiment of the measurement and control system of the synthesis gas manufacturing apparatus which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1…モジュール反応炉、2…原料ガス供給口、3…原料空気供給口、4…合成ガス排出口、5…酸素欠乏空気排出口、6…原料ガス供給弁、7…原料ガス供給源、8…原料空気供給弁、9…原料空気供給源、10…合成ガス排出弁、11…合成ガス回収装置、12…酸素欠乏空気排出弁、13…酸素欠乏空気回収装置、15…ベッセル、20…改質触媒部、21…酸素透過型セラミック膜チューブ、23〜29…隔壁、32〜37…外壁、40…フランジ、50…空気オリフィスセル、51…酸素欠乏空気排出セル、52…合成ガス通路セル、53…合成ガス生成セル、54…原料ガスオリフィスセル、60…頂部、61…オリフィス管、63…底部、64…オリフィス管、70,71…オリフィス、72,73…管、75…改質触媒層、80…検出器取り付け部、81…フランジ、82…熱電対、83,83a…圧力計、84…成分検出器、90…酸素欠乏空気排出管、110,111…測定機器、112…入口側電磁弁、113…出口側電磁弁、114…差圧計 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Module reactor, 2 ... Raw material gas supply port, 3 ... Raw material air supply port, 4 ... Syngas discharge port, 5 ... Oxygen-deficient air discharge port, 6 ... Raw material gas supply valve, 7 ... Raw material gas supply source, 8 ... Raw material air supply valve, 9 ... Raw material air supply source, 10 ... Syngas exhaust valve, 11 ... Syngas recovery device, 12 ... Oxygen deficient air exhaust valve, 13 ... Oxygen deficient air recovery device, 15 ... Vessel, 20 ... Kai Catalyst part, 21 ... oxygen permeable ceramic membrane tube, 23-29 ... partition, 32-37 ... outer wall, 40 ... flange, 50 ... air orifice cell, 51 ... oxygen-deficient air discharge cell, 52 ... synthesis gas passage cell, 53 ... Syngas production cell, 54 ... Raw gas orifice cell, 60 ... Top, 61 ... Orifice pipe, 63 ... Bottom, 64 ... Orifice pipe, 70, 71 ... Orifice, 72, 73 ... Pipe, 75 ... Reforming catalyst layer , 8 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Detector attachment part, 81 ... Flange, 82 ... Thermocouple, 83, 83a ... Pressure gauge, 84 ... Component detector, 90 ... Oxygen-deficient air discharge pipe, 110, 111 ... Measuring instrument, 112 ... Inlet side solenoid valve, 113 ... Outlet side solenoid valve, 114 ... Differential pressure gauge

Claims (14)

複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置であって、
前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていること、
を特徴とする合成ガス製造装置。
A synthesis gas production apparatus having a plurality of module reactors,
Each of the module reactors includes at least one oxygen permeable ceramic membrane tube, at least one reforming catalyst portion, and one vessel that commonly accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst portion. A raw material gas supply port for supplying raw material gas into the vessel, a raw material air supply port for supplying raw material air into the vessel, and a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, An oxygen-deficient air outlet for discharging the oxygen-deficient air generated in the vessel,
At least one of a raw material gas supply port, a raw material air supply port, a synthetic gas discharge port, and an oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is connected to a common part;
A synthesis gas production apparatus characterized by the above.
請求項1に記載の合成ガス製造装置において、
前記酸素透過型セラミック膜チューブは酸素透過機能を持つセラミック膜チューブを含み、
前記改質触媒部は部分酸化反応による生成ガスを流入させる改質触媒チューブを含み、
前記各ベッセル内で、前記セラミック膜チューブおよび前記改質触媒部が規則的に配列されていること、
を特徴とする合成ガス製造装置。
The synthesis gas production apparatus according to claim 1,
The oxygen permeable ceramic membrane tube includes a ceramic membrane tube having an oxygen permeable function,
The reforming catalyst portion includes a reforming catalyst tube for flowing a product gas generated by a partial oxidation reaction,
In each of the vessels, the ceramic membrane tube and the reforming catalyst unit are regularly arranged,
A synthesis gas production apparatus characterized by the above.
請求項1に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の各合成ガス排出口での合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を計測する合成ガス検出器を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。   The synthesis gas production apparatus according to claim 1, further comprising a synthesis gas detector for measuring at least one of a component concentration and a temperature of the synthesis gas at each synthesis gas outlet of the module reactor. Gas production equipment. 請求項3に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の合成ガス検出器によって検出された合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止する手段を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。   4. The synthesis gas production apparatus according to claim 3, wherein at least one of the component concentration and the temperature of the synthesis gas detected by the synthesis gas detector of the module reactor exceeds a predetermined range. A syngas production apparatus characterized by comprising means for stopping the operation. 請求項1に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の各酸素欠乏空気出口でのガス成分および温度の少なくとも一方を検出する酸素欠乏空気検出器を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。   The synthesis gas production apparatus according to claim 1, further comprising an oxygen-deficient air detector that detects at least one of a gas component and a temperature at each oxygen-deficient air outlet of the module reactor. apparatus. 請求項5に記載の合成ガス製造装置において、前記酸素欠乏空気検出器は、水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素のうちの少なくとも1種類のガス成分を検出するものであること、を特徴とする合成ガス製造装置。   6. The syngas production apparatus according to claim 5, wherein the oxygen-deficient air detector detects at least one gas component of hydrogen, methane, carbon monoxide, and carbon dioxide. Syngas production equipment. 請求項5または6に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気検出器によって検出されたガスの成分濃度および温度の少なくとも一方が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止する手段を有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。   The synthesis gas production apparatus according to claim 5 or 6, wherein when at least one of the component concentration and the temperature of the gas detected by the oxygen-deficient air detector of the module reactor exceeds a predetermined range, the module A synthesis gas production apparatus comprising means for stopping a reaction furnace. 請求項4または7に記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉を停止する手段は、当該モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであること、を特徴とする合成ガス製造装置。   The synthesis gas production apparatus according to claim 4 or 7, wherein the means for stopping the module reactor stops supply of at least one of the source gas and source air of the module reactor. Syngas production equipment. 請求項8に記載の合成ガス製造装置において、
前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出する圧力差検出手段と、
前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御する制御手段と、
をさらに有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。
The syngas production apparatus according to claim 8,
A pressure difference detecting means for detecting a pressure difference between a raw material gas supply port and a raw material air supply port of each module reactor or a pressure difference between a synthesis gas discharge port and an oxygen-deficient air discharge port;
A control means for controlling the supply gas source and the air supply stop so that the pressure difference of the module reactor falls within a predetermined range when the supply of the source gas or the source air is stopped;
And further comprising a synthesis gas production apparatus.
請求項1ないし9のいずれかに記載の合成ガス製造装置において、前記モジュール反応炉を個別に前記共通の部分から遮断する手段をさらに有すること、を特徴とする合成ガス製造装置。   The synthesis gas production apparatus according to any one of claims 1 to 9, further comprising means for individually shutting off the module reactor from the common part. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
前記モジュール反応炉の合成ガス排出口で合成ガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、
を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
A method for operating a syngas production apparatus having a plurality of module reactors,
Each of the module reactors includes at least one oxygen permeable ceramic membrane tube, at least one reforming catalyst portion, and one vessel that commonly accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst portion. A raw material gas supply port for supplying raw material gas into the vessel, a raw material air supply port for supplying raw material air into the vessel, and a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, An oxygen-deficient air outlet for discharging the oxygen-deficient air generated in the vessel,
At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is connected to a common part,
Detecting at least one of the component concentration and temperature of the synthesis gas at the synthesis gas outlet of the module reactor, and stopping the module reactor when the component concentration or temperature exceeds a predetermined range;
A method for operating a synthesis gas production apparatus.
複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
前記モジュール反応炉の酸素欠乏空気出口でガスの成分濃度および温度の少なくとも一方を検出し、当該成分濃度または温度が予め定めた範囲を越えた場合に、当該モジュール反応炉を停止すること、
を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
A method for operating a syngas production apparatus having a plurality of module reactors,
Each of the module reactors includes at least one oxygen permeable ceramic membrane tube, at least one reforming catalyst portion, and one vessel that commonly accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst portion. A raw material gas supply port for supplying raw material gas into the vessel, a raw material air supply port for supplying raw material air into the vessel, and a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, An oxygen-deficient air outlet for discharging the oxygen-deficient air generated in the vessel,
At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is connected to a common part,
Detecting at least one of the gas component concentration and temperature at the oxygen-deficient air outlet of the module reactor, and stopping the module reactor when the component concentration or temperature exceeds a predetermined range;
A method for operating a synthesis gas production apparatus.
請求項11または12に記載の合成ガス製造装置の運転方法において、当該モジュール反応炉を前記共通の部分から遮断して停止し、その後、前記停止したモジュール反応炉を改修してこれを前記共通の部分に接続し、その後、前記共通の部分に接続されたすべての前記モジュール反応炉を運転すること、を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。   The method for operating a syngas production apparatus according to claim 11 or 12, wherein the module reactor is shut off from the common portion and stopped, and then the stopped module reactor is repaired to replace the common reactor. A method for operating a syngas production apparatus, comprising: connecting to a part, and then operating all the module reactors connected to the common part. 複数のモジュール反応炉を有する合成ガス製造装置の運転方法であって、
前記モジュール反応炉それぞれが、少くとも一つの酸素透過型セラミック膜チューブと、少くとも一つの改質触媒部と、これらの酸素透過型セラミック膜チューブおよび改質触媒部を共通に収容する一つのベッセルと、このベッセル内に原料ガスを供給する原料ガス供給口と、前記ベッセル内に原料空気を供給する原料空気供給口と、前記ベッセル内で生成された合成ガスを排出する合成ガス排出口と、前記ベッセル内で生成された酸素欠乏空気を排出する酸素欠乏空気出口とを有し、
前記複数のモジュール反応炉の原料ガス供給口、原料空気供給口、合成ガス排出口および酸素欠乏空気出口のうちの少なくとも一つが互いに共通の部分に接続されていて、
前記複数のモジュール反応炉の一部を停止するにさいして、当該停止対象モジュール反応炉の前記原料ガスおよび原料空気の少なくとも一方の供給を停止するものであって、
前記各モジュール反応炉の原料ガス供給口と原料空気供給口の圧力差または、合成ガス排出口と酸素欠乏空気排出口の圧力差を検出し、
前記原料ガスまたは原料空気の供給を停止する際に、当該モジュール反応炉の前記圧力差が予め定めた範囲内に入るように原料ガスおよび原料空気の供給停止を制御すること、
を特徴とする合成ガス製造装置の運転方法。
A method for operating a syngas production apparatus having a plurality of module reactors,
Each of the module reactors includes at least one oxygen permeable ceramic membrane tube, at least one reforming catalyst portion, and one vessel that commonly accommodates the oxygen permeable ceramic membrane tube and the reforming catalyst portion. A raw material gas supply port for supplying raw material gas into the vessel, a raw material air supply port for supplying raw material air into the vessel, and a synthetic gas discharge port for discharging the synthetic gas generated in the vessel, An oxygen-deficient air outlet for discharging the oxygen-deficient air generated in the vessel,
At least one of the source gas supply port, the source air supply port, the synthesis gas discharge port, and the oxygen-deficient air outlet of the plurality of module reactors is connected to a common part,
When stopping a part of the plurality of module reactors, the supply of at least one of the source gas and source air of the module reactor to be stopped is stopped,
Detecting a pressure difference between a raw material gas supply port and a raw material air supply port of each module reactor or a pressure difference between a synthesis gas discharge port and an oxygen-deficient air discharge port;
When stopping the supply of the source gas or the source air, controlling the supply gas and source air supply stop so that the pressure difference of the module reactor falls within a predetermined range;
A method for operating a synthesis gas production apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2018002558A (en) * 2016-07-05 2018-01-11 日本特殊陶業株式会社 Reforming device

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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