JP2006151735A

JP2006151735A - 水蒸気改質装置及び水蒸気改質方法

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Publication number: JP2006151735A
Application number: JP2004343411A
Authority: JP
Inventors: Hideharu Kato; 秀晴加藤; Ryohei Kusaka; 亮平日下; Hideki Miyajima; 秀樹宮島
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: JP4702771B2

Abstract

【課題】水蒸気改質炉内に設置する原料加熱器の輻射伝熱コイル部材への熱的な負荷を低減し、かつ加熱効率を損なわない手段を提供する。
【解決手段】蓄熱型バーナ装置を備えた加熱炉と該加熱炉に内設された原料炭化水素及び原料水の混合流体を加熱する伝熱管ならびに該伝熱管から原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスが導入される触媒反応管を備え、蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する隔壁で、上記加熱炉内を蓄熱型バーナ装置からの輻射熱で主に加熱する触媒反応管を配置した輻射部と蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスの対流伝熱で主に加熱する上記伝熱管を配置した対流部とに区画した水蒸気改質装置において、上記隔壁に上記伝熱管の一部に蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を設け、伝熱管を、主に上記開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部と、主に燃焼ガスの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として構成した水蒸気改質装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、原料炭化水素に水蒸気を混合して触媒改質反応により水素を製造する水蒸気改質装置及び水蒸気改質方法に関するものである。

水素又は合成ガス等の製造方法として、水蒸気改質方法が知られている。一般に、この種の水蒸気改質方法は、ニッケル系触媒、白金触媒又はルテニウム触媒等を使用し、メタン、エタン、プロパン、ブタン、ＬＰガス、都市ガス、天然ガス、その他の炭化水素ガス（２種類以上の炭化水素の混合物を含む）を原料とし、水蒸気改質方法により、改質して水素およびメタンに富む改質ガスを製造する方法である。

従来の水蒸気改質方法においては、一般に、縦形の箱型又は円筒型等の輻射部を備えた加熱炉を水蒸気改質炉として使用しており、輻射部には、水蒸気改質触媒の充填された触媒反応管が、垂直に配列される。原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、触媒反応管内に導入され、バーナ装置からの輻射熱により触媒反応管を加熱することにより、触媒反応管内を流通する上記混合ガスの改質反応に必要な熱量が供給される。

従来の水蒸気改質方法では、原料炭化水素に、水蒸気発生装置から水蒸気を供給し、水蒸気過熱手段で過熱水蒸気及び原料炭化水素の混合ガスを生成し、該混合ガスを水蒸気改質炉内に配置された触媒反応管に導入するように構成されており、水蒸気を生成する水蒸気発生装置及び水蒸気を過熱する水蒸気過熱手段を必要とする。一般に、水蒸気発生装置は、水蒸気改質装置全体の熱収支バランスを改善するために、水蒸気改質炉の余剰熱を回収する廃熱ボイラ又は熱交換器で、水蒸気改質炉と別個に設置されている。上記の廃熱ボイラを含む水蒸気改質装置においては、水蒸気改質炉廻りの配管設備及び制御設備等が複雑化するばかりでなく、装置全体が大型化する難点がある。かかる課題に対しては、水蒸気改質炉の燃焼効率を改善し、水蒸気改質装置を全体的に小型化し且つ装置構成を全体的に簡素化するとともに、十分な水蒸気生成熱量を水蒸気改質炉自体において確保することができる水蒸気改質方法及び水蒸気改質装置が提供されつつある。

図８に、水蒸気改質炉の輻射熱を利用し、小型化した水蒸気改質装置の全体構成例を示す。水蒸気改質炉２０１は、蓄熱型バーナ装置２４０及び原料加熱装置２０２を備える。原料供給管路Ｌ２０１及び給水管路L２０２の混合部Ｌ２０３にて合流した原料炭化水素及び原料水の混合流体が、原料加熱器２２０に導入され、輻射伝熱管２２１及び対流伝熱管２２３に流通される。輻射伝熱管２２１は、輻射部Ｒ２００の炉内高温領域に配置され、バーナ装置の輻射熱を受熱し、対流伝熱管２２３は、対流部Ｃ２００の燃焼ガスと対流伝熱熱交換により加熱され、原料水は水蒸気として気化し、原料炭化水素はガス化して、炭化水素及び水蒸気の混合ガスを生成する。原料加熱装置２０２において生成した原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、対流伝熱管２２３により温度調節された後、混合ガス給送路Ｌ２０５：Ｌ２０６を介して触媒反応管２３０に導入され、原料炭化水素の水蒸気改質反応により改質ガスを生成する。以上の装置の発明が、特許文献１に記載されている。

しかしながら、上記の装置では、改質炉内のバーナ装置の輻射熱で、原料加熱器を直接加熱して原料水を水蒸気としているため、熱効率を改善することはできるが、原料加熱器２２０の輻射伝熱コイル部の温度勾配が原料入口から下部に向けて大きいため、上記輻射伝熱コイル部の熱膨張差による材料への負荷が高くなり耐熱強度の高い、高価な材料を使用しなければならいという問題がある。
特開平１１−３２３３５５号公報

本発明が解決しようとする課題は、水蒸気改質炉内に設置する原料加熱器の輻射伝熱コイル部材への熱的な負荷を低減し、かつ加熱効率を損なわない手段を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、蓄熱型バーナ装置を備えた加熱炉と該加熱炉に内設された原料炭化水素及び原料水を混合した混合流体を加熱する伝熱管及び該伝熱管から原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスが導入される触媒反応管を備え、上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する隔壁で上記加熱炉内を上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱で主に加熱する触媒反応管を配置した輻射部と上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスの対流伝熱で主に加熱する上記伝熱管を配置した対流部とに区画した水蒸気改質装置において、上記隔壁に上記伝熱管の一部に上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を設け、上記伝熱管を、主に上記開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部と、主に燃焼ガスの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として構成したことを特徴とする水蒸気改質装置に関する。

また、請求項２に記載の発明は、上記対流部を、上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する少なくとも１つの隔壁で区画し、上記伝熱管を、複数の区画された対流部間にわたって設け、上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を有する隔壁に面した対流部に位置する伝熱管を、主に上記開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部とし、他の対流部に位置する伝熱管を主に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として形成した請求項１に記載の水蒸気改質装置の発明であり、これにより、原料炭化水素と水蒸気の混合ガスの過熱を確実にすることができる。

さらに、請求項３に記載の発明は、上記隔壁で区画された最後段の対流部に燃焼ガスの排出手段を設け、該排出手段に、上記伝熱管の出口から導出される原料炭化水素及び水蒸気との混合ガス温度を調節するための燃焼ガスの排出量調節手段を設けたことを特徴とする請求項２に記載の水蒸気改質装置の発明であり、これにより、上記混合ガスの温度調節を確実かつ容易にすることが可能となった。

さらにまた、請求項４に記載の発明は、上記請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の水蒸気改質装置により、炭化水素の水蒸気改質触媒反応で改質ガスを生成する炭化水素の水蒸気改質方法において、原料炭化水素及び原料水を混合した混合流体を伝熱管に導入し、主に隔壁の開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部を経て、主に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱される対流伝熱部を流通する間に加熱して、原料炭化水素及び水蒸気との混合ガスを生成し、上記水蒸気及び原料炭化水素との混合ガスを触媒反応管に導入し、水蒸気触媒改質反応により改質ガスを生成することを特徴とする炭化水素の水蒸気改質方法である。

本発明によれば、原料炭化水素の水蒸気改質反応により改質ガスを生成する原料炭化水素の水蒸気改質装置において、原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスを生成する伝熱管の熱的な負荷を低減し、伝熱管の材料として、より安価なものを使用することができ、設備費の低廉化が図れる効果がある。また、上記材料の使用寿命が延長できるため、運転経費の軽減をもたらす効果がある。

本発明の水蒸気改質方法に係る好適な実施形態において、原料炭化水素として、天然ガス、オフガス、ＬＰＧ、ナフサ等の炭化水素類等が使用され、原料水としては、純水が使用される。上記原料炭化水素及び原料水は、例えば、加熱炉外の常温雰囲気に配置された炉外管路において混合される。

原料炭化水素及び原料水の混合流体は、伝熱管の輻射伝熱部に続き対流伝熱部を流通する。輻射伝熱部では、バーナ燃焼ガスの輻射熱が隔壁中間部の開口部を通過し輻射伝熱部の管壁を介して上記混合流体に伝熱し、対流伝熱部では燃焼ガスとの対流伝熱交換により上記混合流体に伝熱する。かくして、混合流体は、原料水の気化に要する所要の蒸発潜熱を受熱する。好適には、流体加熱手段の混合流体は、過熱に要する顕熱を更に受熱し、上記混合ガスは、過熱原料として水蒸気改質炉の触媒反応管に供給される。

本発明の更に好適な実施形態によれば、上記流体加熱手段は、対流部を、蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する少なくとも１つの隔壁で区画し、伝熱管を、複数の区画された対流部間にわたって設け、蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を有する隔壁に面した対流部に位置する伝熱管を、主に開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部とし、他の対流部に位置する伝熱管を主に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として形成されている。

水蒸気及び原料炭化水素の混合ガスは、区画された複数の対流部を流通する間に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱され、所定の温度域に温度調節される。好ましくは、上記対流部に設けられた燃焼ガスの排出手段の排出量調節手段により混合ガス温度が調節される。例えば、混合ガスの温度は、低負荷運転時の過剰な混合ガスの温度上昇を抑制すべく規制され、対流伝熱部から送出される混合ガスの温度は、適切な温度域に調節される。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施の形態に係る水蒸気改質方法を適用可能な水蒸気改質装置の全体構成を示す概略フロー図である。

水蒸気改質装置は、水素製造プラントを構成する水素製造用改質ガス製造装置を構成し、図１に示すように、原料加熱装置２及び改質反応装置３を備えた加熱炉である水蒸気改質炉１を有する。原料加熱装置２は、原料炭化水素と原料水とを加熱する伝熱管である原料加熱器２０と改質炉１の輻射部Ｒと第１対流部ＲＣ及び第２対流部Ｃとを区画する第１隔壁１１及び第２隔壁１３とで構成される。原料加熱器２０は加熱管であって、輻射伝熱部と対流伝熱部とを備える輻射対流伝熱コイル部２５（図３参照）を有する原料加熱管２１と、上記伝熱コイル部２５（図３参照）で得られる混合ガスの温度調節部分の対流伝熱部である調温管２３とこれらを連通する連通管２２とからなる。改質反応装置３は、触媒反応管３０を備える。水蒸気改質炉１は、蓄熱型バーナ装置４０を備える。

水蒸気改質炉１は、炉体１０の側面を側壁１５（図２参照）及び端壁１６（図２参照）、上部は頂壁１８（図３参照）、下部は底壁１７（図３参照）により箱型に構成され、第１隔壁１１によって分割された輻射部Ｒと第１対流部ＲＣとを備える。さらに、第２隔壁１３によって分割された第２対流部Ｃとを備える。水蒸気改質触媒を備えた触媒反応管３０が、輻射部Ｒに配設され、原料加熱器２０の原料加熱管２１が、第１隔壁１１に沿って第１対流部ＲＣ内に配設され、さらに調温管２３が、第２隔壁１３に沿って第２対流部Ｃに配設される。第１隔壁１１には、中間部に輻射部Ｒ及び第１対流部ＲＣとを連通する開口部１２−１と、同じく低壁１７との間に連通口１２−２が配設される。第２隔壁１３には、低壁１７（図３参照）との間に第１対流部ＲＣ及び第２対流部Ｃとを連通する連通口１４が配設される。原料加熱管２１は、連通管２２を介して原料加熱器２０の調温管２３に接続される。第２対流部の端壁１６（図２参照）には、燃焼ガスを炉外に排出する手段である導出管１９（図２）が配設される。導出管１９は、端壁１６の上部に配置され、端壁１６を貫通し、燃焼ガス導出管路Ｅ２に接続される。

蓄熱型バーナ装置４０のからの燃焼排ガスは、バーナ燃焼排ガス導出路Ｅ１を流通し改質炉より導出され、第２対流部ＲＣからの燃焼ガス導出管路Ｅ２と接続部Ｅ３において合流し、排気管路Ｅ４を介して、熱回収手段また大気開放手段に接続される。燃焼ガス導出管路Ｅ２には、燃焼ガスの排出流量を調節する流量制御弁７が設置される。流量制御弁７は、制御信号線９０を介して電子式制御装置９に接続され、制御装置９は、流量制御弁７の開度を制御する。

原料炭化水素を供給する原料供給管路Ｌ１と、純水等の原料水を供給する給水管路Ｌ２とが、混合部Ｌ３にて接続される。混合部Ｌ３は、混合流体供給管路Ｌ４と連通し、混合流体供給管路Ｌ４は、原料炭化水素及び原料水を原料加熱器２０に給送する。混合流体供給管路Ｌ４の下流端は、原料加熱管２１の上流端に接続される。混合ガス給送管路Ｌ５の上流端が、調温管２３の下流端に接続され、混合ガス給送管路Ｌ５の分岐管路Ｌ６が、各触媒反応管３０の混合ガス導入部に接続される。各触媒反応管３０の改質ガス導出部には、改質ガス導出管路Ｌ７の上流端が接続される。各改質ガス導出管路Ｌ７は、合流部Ｌ８にて改質ガス送出管路Ｌ９に接続され、改質ガス送出管路Ｌ９は、次工程の処理装置（図示せず）に接続される。次工程の処理装置は、改質ガスの温度降下を目的とした熱交換器等による熱回収装置と、改質ガスに含有される一酸化炭素及び水成分を酸化／還元反応により二酸化炭素及び水素に変成するシフト反応装置、更には、水素以外の改質ガス含有成分を吸着剤にて吸着除去し、高純度の製品水素を精製する精製装置（ＰＳＡ）等を含み、これらの装置は、上記構成の水蒸気改質装置（図１）とともに、水素製造プラントを構成する。

図２は、水蒸気改質炉１の全体構造を示す平面図であり、図３、図４及び図５は、図２のIII-III 線、IV-IV
線及びＶ−Ｖ線における水蒸気改質炉１の縦断面図である。

頂壁１８に配設された蓄熱型バーナ装置４０は、給気導入路Ａ２及び燃料供給管路Ｇを介して導入される燃焼用空気及び燃焼用燃料を輻射部Ｒ内に吐出し、頂壁１８から輻射部Ｒに向かって吹込む下向き火炎を炉内領域に形成する（図３参照）。

原料加熱器２０を構成する原料加熱管２１は、図４に示す如く、炉の頂壁１８を貫通する流入管部２４と、第１対流部ＲＣ（図１参照）の中間高さ領域に配置された輻射対流伝熱コイル部２５と、輻射対流伝熱コイル部２５から下方に延びる流出管部２６とを備える。第１隔壁１１の第１対流部ＲＣ側面に隣接して配置された輻射対流伝熱コイル部２５は、伝熱面積を大きくとるためにヘアピン形状に蛇行し、第１隔壁１１の中間部の開口部１２−１より燃焼ガスの輻射熱を、さらに第１隔壁の下部連通口１２−２から流入する燃焼ガスとの対流伝熱交換により加熱される。流出管部２６は、輻射対流伝熱コイル部２５から垂下し、流出管部２６の下端部が、第２隔壁の連通口１４の連通管２２を介して第２対流部Ｃ内の調温管２３の上昇管部２７（図５）と連通する。

図５に示す如く、調温管２３は、上昇管部２７、対流伝熱コイル部２８及び送出管部２９を備える。上昇管部２７は、連通管２２から上方に延び、対流伝熱コイル部２８の上部流入端に接続される。また、調温管２３は、ヘアピン形状の伝熱コイルである。対流伝熱コイル部２８の下部流出端は、流出管部２９の下端部に接続される。流出管部２９は、垂直上方に延び、炉の頂壁１８を貫通し、炉外に突出する。流出管部２９の上端部は混合ガス給送管路Ｌ５に連通し、給送管路Ｌ５終端は分岐管路Ｌ６に分岐し、各触媒反応管３０に接続される（図１参照）。

図３に示す如く、各触媒反応管３０は、原料加熱管２１と対向する端壁１６に隣接して配置される。触媒反応管３０は、輻射部Ｒの概ね全高に亘って垂直に炉内領域に延在し、触媒反応管３０の上端部は、頂壁１８を貫通して炉外領域に突出する。各触媒反応管３０は、輻射部Ｒの炉内高温雰囲気に接触する外管（触媒充填部分）３１と、中心軸線位置に配置された内管（上昇管部分）３２とを備える。分岐管路Ｌ６と接続可能な接続管３３が、外管３１の上端部を閉塞する頂部フランジから上方に突出し、改質ガス導出管路Ｌ７と接続可能な接続管３４が、内管３２の上端部から側方に延び、外管３１の管壁を貫通する。

図６及び図７は、輻射部Ｒと輻射対流部ＲＣとの第１隔壁１１の一例である（図１も参照）。いずれも、第１隔壁１１中間部の角状（図６）または円形状（図７）などの複数の開口部１２−１より輻射部Ｒの燃焼ガスの輻射熱が、第１隔壁１１の壁面に沿って設けられた原料加熱管２１の中間部の輻射対流伝熱コイル部２５に照射され、原料炭化水素及び原料水の混合流体は加熱される。さらに、第１隔壁１１の下部に燃焼ガスが流通可能な連通口１２−２が設けられ、燃焼ガスが流入し、燃焼ガスとの対流伝熱交換により原料加熱管２１全体を加熱する。ここで、上記開口部１２−１の形状及び数量は、輻射対流伝熱コイル部２５での混合流体の加熱に必要な伝熱量が得られる開口部の面積を確保すればよい。

次に、水蒸気改質触媒反応により改質ガスを生成する原料炭化水素の水蒸気改質方法と動作について、以下説明する。
図１に示すように、メタン等の原料炭化水素を含む原料ガスと、純水等の原料水とが、原料供給管路Ｌ１及び給水管路Ｌ２を介して原料加熱装置２に供給される。必要により、原料炭化水素は、水添反応手段及び脱硫器等による脱硫処理等を受けた後に、原料供給管路Ｌ１に供給される。原料炭化水素及び原料水の混合流体は、混合部Ｌ３にて合流し、混合流体供給管路Ｌ４を介して水蒸気改質炉１の第１対流部ＲＣ内に設置された原料加熱器２０の原料加熱管２１の流入管部２４に流入する（図２〜３）。上記混合流体は、流入管部２４（図３）より輻射対流伝熱コイル部２５を流下する間に第１対流部ＲＣの中間部で、第１隔壁１１中間部の開口部１２−１よりの蓄熱式バーナ装置４０の燃焼ガスの輻射熱を受熱し、さらに、第１隔壁１１下部の連通口１２−２より導入される燃焼ガスとの対流伝熱により原料加熱管２１の対流伝熱部分で受熱し、原料水は、水蒸気として気化し、連通管２２を介して第２対流部Ｃに設置される調温管２３の下端部に導入される。原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、調温管２３の上昇管部２７を介して調温管２３の対流伝熱コイル部２８に導入され（図３）、第２隔壁１３下部の連通口１４から流入する高温の燃焼ガスと対流伝熱により所定の温度域の過熱原料に温度調節される。かくして調温された原料炭化水素と過熱水蒸気との混合ガスは、流出管部２９を介して混合ガス給送管路Ｌ５に送出され（図３）、各分岐管路Ｌ６を介して各触媒反応管３０の上端部に導入される。混合ガスは、触媒反応管３０の触媒充填部３５を流下し、ニッケル系触媒の存在下に進行する水蒸気改質反応により、ＣＯ／ＣＯ₂ ／ＣＨ₄ ／Ｈ₂／Ｈ₂
Ｏ等を主成分とする改質ガスとして改質ガス上昇路３６の下端部に流入する。高温の改質ガスは、触媒充填部３５の内側帯域と熱交換しつつ改質ガス上昇路３６を上昇し、所定の温度域に降温した後、改質ガス導出管路Ｌ７を介して次工程に送出される（図３）。

輻射部Ｒは、蓄熱型バーナ装置４０の燃焼による火炎の輻射熱を受熱する。触媒反応管３０は、触媒充填管部３１と上昇管部３２とからなる二重管構造を備えており、触媒充填管部３１は、触媒反応管３０の外管と上昇管部３２の間隙に配置され、上昇管部３２は、触媒反応管３０の中心部に配置される。触媒充填部３１における水蒸気改質反応により生成した改質反応ガスは、触媒充填部３１の下端部から上昇管部３２内に流入し、上昇管部３２の管内流路を上昇した後、触媒反応管３０の上端部３４から改質ガス導出管路Ｌ７に流出し、合流部Ｌ８及び改質ガス送出管路Ｌ９を介して次工程の熱回収及び精製装置に給送される（図３）。

蓄熱型バーナ装置４０により生成した輻射部Ｒの高温燃焼ガスは、第１隔壁１１下部の連通口１２−２および第２隔壁１３の連通口１４より第１対流部ＲＣ及び第２対流部Ｃに導入される。燃焼ガスは、第１対流部ＲＣの原料加熱管２１の輻射対流伝熱コイル部２５（図３：図４）及び調温管２３の対流伝熱コイル部２８（図３：図５）を流下する管内流体と熱交換した後、第２対流部Ｃの端壁１６の上部に設けられた導出管１９より炉体１０の外部に導出され、燃焼ガス導出管路Ｅ２に排ガスとして流入する。排ガスは、温調管２３の出口温度調節をするための流量制御弁７を介して、接続部Ｅ３でバーナ装置４０からバーナ燃焼排ガス導出路Ｅ１を流通してくる排ガスと合流し、水蒸気改質装置外の熱回収手段また大気開放手段へ流出する。

調温管２３から流出する原料炭化水素と過熱水蒸気との混合ガスは、該温度を検知する手段（図示せず）によりガス温度が検知され、検知された温度を基に電子制御装置９により制御量を演算し、制御信号線９を介して燃焼ガス導出管路Ｅ２に設置される流量制御弁７の開度を調節することにより燃焼ガスの排出流量が調節され、調温管２３のへの伝熱量、すなわち混合ガスの過熱温度は所定の温度域に調節される。

上記構成の水蒸気改質装置によれば、水蒸気改質反応に要する過熱水蒸気は、水蒸気改質炉１の炉内領域に配置された原料加熱器２０によって生成される。小型化のみを目的とした従来の原料加熱器のように輻射部に配置され、バーナ燃焼ガスの輻射熱を全面的に受熱する構造に較べ、加熱管全体が高温の輻射熱にさらされることはなく、輻射対流伝熱コイル部２５(図４)の熱的な負荷を低減し、伝熱管の材料としてより安価なものを使用することができ、設備費の低廉化が図れる。さらに上記材料の使用寿命が延長できるため、運転経費を軽減できる。

また、調温管２３において、原料炭化水素及び過熱水蒸気の混合ガスの過熱温度は、制御装置９と燃焼排ガスの流量制御弁７により調温管２３への伝熱量が適切に可変制御されるため、例えば、低負荷運転時に生じ得る過剰な混合ガスの温度上昇を防止する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更又は変形が可能であり、かかる変更又は変形例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施例においては、蓄熱型バーナ装置４０は、触媒反応管３０と実質的に平行に燃焼ガスを炉内に吹込むように水蒸気改質炉１の頂壁１８(図３)に配置されているが、バーナ装置４０の配置及び火炎吹込み方向は、これに限定されるものではなく、例えば、バーナ装置４０を水蒸気改質炉１の側壁１５、端壁１６及び／又は底壁１７(図２〜３)に配設し、あるいは、燃焼ガスが触媒反応管３０と直交し又は交差するようにバーナ装置４０の燃焼ガスを水平方向に炉内に吹込むことも可能である。なお、蓄熱型バーナ装置４０の燃焼方式として、例えば、予混合型燃焼方式又は拡散型燃焼方式のいずれの燃焼方式を採用してもよい。

また、上記実施例に係る原料加熱管２１は、ヘアピン形状の伝熱コイルとして例示されているが(図４)、原料加熱器２０の構造として、水蒸気生成機能を発揮し得る限りにおいて、任意の公知形式の伝熱管構造を採用し得る。

また、上記触媒反応管３０の構造及び配列は、上記実施例の構造及び配列に限定されるものではなく、例えば、垂直単管又はＵ字管構造等の各種構造の触媒反応管３０を輻射部Ｒに上下方向、水平方向、或いは、十字方向等の各種配列に適当に配設することができる。また、本発明の水蒸気改質方法を適用可能な水蒸気改質炉１の形態として、箱型加熱炉又は直立円筒型加熱炉等の任意の加熱炉形態を適宜採用し得るものである。

また、原料加熱器２０の調温管２３は、第２対流部Ｃに配置されるが、第２隔壁１３つまりは第２対流部Ｃを省略し、原料加熱管２１は調温管２３の機能を併せ持った原料加熱器２０の構造を採用してもよい。

本発明は、機械工業、電気機械工業、化学工業、エネルギー産業など分野において、水素製造装置の水蒸気改質装置として小型化と設備費や運転経費の低減を必要とする場合に使用することができる装置と方法である。

本発明の実施例に係る水蒸気改質方法を適用可能な水蒸気改質装置の全体構成を示す概略フロー図である。図１に示す水蒸気改質炉の全体構造を示す平面図である。図２のIII-III 線における水蒸気改質炉の断面図である。図２のIV-IV 線における水蒸気改質炉の断面図である。図２のＶ−Ｖ線における水蒸気改質炉の断面図である。隔壁１１の開口部の一例である。隔壁１１の開口部の一例である。従来構成の水蒸気改質装置の全体構成概略フロー図である。

符号の説明

１水蒸気改質炉
２原料加熱装置
３改質反応装置
７流量制御弁
９電子式制御装置
１０炉体
１１第１隔壁
１２−１開口部
１２−２連通口
１３第２隔壁
１４連通口
１５側壁
１６端壁
１７底壁
１８頂壁
１９導出管
２０原料加熱器
２１原料加熱管
２２連通管
２３調温管
２４流入管部
２５輻射対流伝熱コイル部
２６流出管部
２７上昇管部
２８対流伝熱コイル部
２９流出管部
３０触媒反応管
４０蓄熱型バーナ装置
２０１水蒸気改質炉
２２０原料加熱器
２２１原料加熱管
２２３対流伝熱管
２３０触媒反応管
２４０蓄熱型バーナ装置
Ａ２給気導入路
Ｃ第２対流部
Ｃ２００対流部
Ｅ１バーナ燃焼排ガス導出路
Ｅ２燃焼ガス導出管路
Ｅ３接続部
Ｅ４排気管路
Ｇ燃料供給管路
Ｌ１原料供給管路
Ｌ２給水管路
Ｌ３混合部
Ｌ４混合流体供給管路
Ｌ５混合ガス給送管路
Ｌ６分岐管路
Ｌ７改質ガス導出管路
Ｌ８合流部
Ｌ９改質ガス送出管路
Ｒ輻射部
Ｒ２００輻射部
ＲＣ第１対流部

Claims

蓄熱型バーナ装置を備えた加熱炉と該加熱炉に内設された原料炭化水素及び原料水を混合した混合流体を加熱する伝熱管ならびに該伝熱管から原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスが導入される触媒反応管を備え、上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する隔壁で、上記加熱炉内を上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱で主に加熱する触媒反応管を配置した輻射部と上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスの対流伝熱で主に加熱する上記伝熱管を配置した対流部とに区画した水蒸気改質装置において、上記隔壁に上記伝熱管の一部に上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を設け、上記伝熱管を、主に上記開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部と、主に燃焼ガスの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として構成したことを特徴とする水蒸気改質装置。
上記対流部を、上記蓄熱型バーナ装置の燃焼ガスが流通する連通口を有する少なくとも１つの隔壁で区画し、上記伝熱管を、複数の区画された対流部間にわたって設け、上記蓄熱型バーナ装置からの輻射熱が照射される開口部を有する隔壁に面した対流部に位置する伝熱管を、主に上記開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部とし、他の対流部に位置する伝熱管を主に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱される対流伝熱部として形成した請求項１に記載の水蒸気改質装置。
上記隔壁で区画された最後段の対流部に燃焼ガスの排出手段を設け、該排出手段に、上記伝熱管の出口から導出される原料炭化水素及び水蒸気との混合ガス温度を調節するための燃焼ガスの排出量調節手段を設けた請求項２に記載の水蒸気改質装置。
上記請求項１〜３のいずれか１項に記載の水蒸気改質装置により、炭化水素の水蒸気改質触媒反応で改質ガスを生成する炭化水素の水蒸気改質方法において、原料炭化水素及び原料水を混合した混合流体を伝熱管に導入し、主に隔壁の開口部から照射される輻射熱で加熱される輻射伝熱部を経て、主に燃焼ガスとの対流伝熱で加熱される対流伝熱部を流通する間に加熱して、原料炭化水素及び水蒸気との混合ガスを生成し、上記水蒸気及び原料炭化水素との混合ガスを触媒反応管に導入し、水蒸気触媒改質反応により改質ガスを生成することを特徴とする炭化水素の水蒸気改質方法。