JP2007261872A - 水素含有ガス生成装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部3と、改質バーナ17にて燃焼用燃料を燃焼させて、改質部3を改質処理可能なように加熱する燃焼部6とが設けられ、燃焼部6から排出された改質バーナ17の燃焼排ガスを、改質部3とは異なる他処理部2,4の温調用として通流させるように構成された水素含有ガス生成装置であって、運転を制御する制御手段Cが、改質バーナ17に着火する着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように、改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量を調節する燃料調節手段V2及び改質バーナ17への燃焼用空気の供給量を調節する空気調節手段39を制御するように構成されている。
【選択図】図2
Description
改質バーナにて燃焼用燃料を燃焼させて、前記改質部を改質処理可能なように加熱する燃焼部とが設けられ、
前記燃焼部から排出された前記改質バーナの燃焼排ガスを、前記改質部とは異なる他処理部の温調用として通流させるように構成された水素含有ガス生成装置に関する。
そして、燃焼部から排出された改質バーナの燃焼排ガスを、改質部とは異なる他処理部の温調用として通流させて、他処理部をその他処理部における水素含有ガス生成に係わる所定の処理が可能なように温調するように構成してある(例えば、特許文献1参照。)。
そして、このように改質部を加熱すると共に他処理部を温調するには、改質バーナに大きな空気比にて燃焼用空気を供給して、改質バーナの燃焼排ガスの量を多くすることにより、燃焼排ガスの保有熱量に対するその燃焼排ガスから改質部や他処理部に伝熱される伝熱量の割合(以下、伝熱比率と記載する場合がある)を小さくして、燃焼排ガスの流動に伴う伝熱量の分配を制御する必要がある。
しかしながら、一般にバーナに着火するには、空気比が1又は略1の小さい空気比にて燃焼用空気を供給するのが着火させ易いものであるので、大きい空気比にて燃焼用空気を供給する状態では、改質バーナを着火させ難い。特に、燃焼用燃料として、プロパンガスを主成分とするガスを用いる場合、このプロパンガスを主成分とするガスは、メタンガスを主成分とするガスに比べて燃焼し難いので、バーナに着火し難い。
改質バーナにて燃焼用燃料を燃焼させて、前記改質部を改質処理可能なように加熱する燃焼部とが設けられ、
前記燃焼部から排出された前記改質バーナの燃焼排ガスを、前記改質部とは異なる他処理部の温調用として通流させるように構成されたものであって、
第1特徴構成は、運転を制御する制御手段が、前記改質バーナに着火する着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように、前記改質バーナへの燃焼用燃料の供給量を調節する燃料調節手段及び前記改質バーナへの燃焼用空気の供給量を調節する空気調節手段を制御するように構成されている点を特徴とする。
着火後は、着火時よりも空気比を大きくして、改質バーナの燃焼排ガスの量を多くすることにより、燃焼排ガスからの改質部への伝熱比率を小さくして、燃焼排ガスの流動に伴う他処理部への伝熱量の減少を抑制することができるので、改質部を改質処理に適切な温度に加熱すると共に、他処理部での処理に適切な温度に温調することができるものとなり、改質部にて適切に改質処理を行わせると共に、他処理部にて処理を適切に行わせることができる。
又、着火後は、燃焼排ガスの流動に伴う改質部での伝熱量の減少を抑制することができることにより、改質バーナに着火して改質部を改質処理可能な温度に加熱する起動時において、改質部及び他処理部を夫々に適切な温度に加熱するのに要する時間を短縮することができるので、起動時間を短縮することができる。
従って、改質バーナの着火を良好に行えながら、水素含有ガスを適切に生成し得る水素含有ガス生成装置を提供することができるようになった。
着火時の空気比が1〜1.05の範囲に設定され、着火後の空気比が1.2〜1.6の範囲に設定される点を特徴とする。
一方、空気比が1.6よりも大きい場合は、燃焼排ガスの量をより多くすることができるものの、燃焼排ガス中の一酸化炭素及びハイドロカーボンの量が増加して、安定燃焼性が低下し、好ましくない。
従って、改質バーナの着火をより一層良好に行うことができながら、水素含有ガスをより一層適切に生成することができるようになった。
前記制御手段が、前記改質バーナに着火後、前記燃焼部の温度が設定温度以上になると、着火時よりも空気比が大きくなるように前記燃料調節手段及び前記空気調節手段を制御するように構成されている点を特徴とする。
すると、着火後、燃焼部の温度が設定温度以上になって、燃焼部内での保炎が十分に行われて火炎が消え難くなった状態で、空気比が大きくされることになるので、空気比が大きくなっても安定して燃焼を継続させることができる。
従って、着火後の空気比の増大変更をより一層適切に行わせることができるようになった。
前記改質バーナが、メタンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として、着火時にも、着火後に対応する大きい空気比にて適切に燃焼させることができるように構成され、
前記制御手段が、プロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として燃焼させるときに、着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように前記燃料調節手段及び前記空気調節手段を制御するように構成されている点を特徴とする。
そして、プロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として燃焼させるときは、制御手段により、着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように燃料調節手段及び空気調節手段が制御される。
そして、メタンガスに比べて燃焼し難いプロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料とするときは、着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように制御するようにすると、着火を良好に行うことができ、着火後は、燃焼排ガスの量を十分に多くしながら、安定燃焼させることができる。
従って、メタンガスを主成分とするガス用及びプロパンガスを主成分とするガス用の夫々に専用の改質バーナを製作しなくても、一種類の改質バーナにて、メタンガスを主成分とするガス及びプロパンガスを主成分とするガス夫々を適切に燃焼させることができるので、水素含有ガス生成装置の低廉化を図ることができるようになった。
前記改質部にて生成された改質処理ガスが発電用の燃料ガスとして燃料電池に供給され、且つ、その燃料電池から排出された排燃料ガスが燃焼用燃料として前記改質バーナに供給されるように構成され、
前記改質バーナが、複数の第1噴出孔を備えた第1噴出管と複数の第2噴出孔を備えた第2噴出管とを、前記第1噴出孔の噴出方向と前記第2噴出孔の噴出方向とが交差するように並べて設けて構成され、
前記改質バーナに着火して前記改質部を改質処理可能な温度に加熱する起動時は、プロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として燃焼用空気と混合させた状態で前記第1噴出管に供給して燃焼させるように構成され、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼用燃料として燃焼させる通常時は、その排燃料ガスを前記第2噴出管に供給し且つ燃焼用空気を前記第1噴出管に供給するように構成されている点を特徴とする。
そのプロパンガスを主成分とするガスを燃焼させるときは、燃焼用空気を予混合して、第1噴出管に供給して、第1噴出孔から噴出させることにより、リフトを抑制しながら良好に燃焼させることができる。
そして、そのプロパンガスを主成分とするガスを燃焼させるときは、着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように燃焼用空気の供給量を調節することにより、着火を良好に行わせながら、その着火後は、燃焼排ガスの量を多くして、燃焼排ガスの流動に伴う改質部での伝熱量の減少を抑制することができるので、改質部及び他処理部を夫々に適切な温度に加熱するのに要する時間を短縮することができる。
従って、改質バーナに着火して改質部を改質処理可能な温度に加熱する起動時はプロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として、及び、改質部にて改質処理ができるようになった通常時は燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼用燃料として、同一のバーナにて適切に燃焼させることができ、しかも、起動時間を短縮することができるようになった。
図1及び図2は、本発明に係る水素含有ガス生成装置Pを備えた燃料電池発電装置を示し、この燃料電池発電装置は、炭化水素系の原燃料ガスを原料として水素ガスを主成分とする燃料ガスを生成する前記水素含有ガス生成装置Pと、その水素含有ガス生成装置Pにて生成された燃料ガスが供給されて発電する燃料電池Gと、運転を制御する制御手段としての制御部Cとを備えて構成してある。
前記容器Bは、図3ないし図5にも示すように、前記容器並び方向に位置する一対の容器形成部材51を、その周辺部を溶接接続して構成し、前記一対の容器形成部材51の少なくとも一方を、周辺部を接続代として中央部が膨出する皿状に形成してある。
そして、前記複数の容器Bのうちの一部を、前記皿状の容器形成部材51の背部に積層状態で位置させる一つの皿状の補助容器形成部材53を、その周辺部を隣接するものの背部に溶接することにより、前記容器並び方向に複数の処理室Sを形成する多処理室型の容器Bmに構成してある。この多処理室型の容器Bmを、図4及び図5に示す
又、前記複数の容器Bのうちの残部を、前記補助容器形成部材53を設けない基本型の容器Bsとしてある。この基本型の容器Bsを、図3に示す。
尚、7個の容器Bの区別が明確になるように、便宜上、容器を示す符合Bの後に、図2において左からの並び順を示す符合1,2,3……………7を付す。
そして、前記改質室3の下端部分における改質反応用触媒19の温度を検出するように改質温度センサTrを設けてある。
この改質用バーナ17は、図4にも示すように、複数の第1噴出孔17aを長手方向に並べて列状に備えた第1噴出管17Aと複数の第2噴出孔17bを長手方向に並べて列状に備えた第2噴出管17Bとを第1噴出孔17aの噴出方向と第2噴出孔17bの噴出方向とが交差するように並べて設けて構成してある。
更に、燃焼室6内における改質バーナ17よりも上方側に、白金、パラジウム等から成る燃焼触媒を保持させた燃焼触媒保持体18を配設してある。
そして、燃焼室6内の温度を検出するように、燃焼温度センサTfを設けてある。
又、前記改質室3を改質処理可能なように加熱するには、オフガスだけでは不足する場合、その不足分を補うように、原燃料ガスを燃焼用燃料として、燃焼用空気に混合させた状態で、第1噴出管17Aに追加供給するように構成してある。
ちなみに、詳細は後述するが、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目として、変成室4を4段に設けるので、以下、この左から5個目の容器B5にて構成する変成室4を1段目の変成室4と記載する場合がある。
つまり、1段目の変成室4を前記下流側熱交換用通流室12として兼用するように構成して、前記脱硫前原燃料通流室13と下流側熱交換用通流室12とにより、前記脱硫前原燃料用熱交換器Ebを構成してある。
そこで、改質室3とそれを加熱する燃焼室6とを伝熱可能に密接させて設け、その密接状態の改質室3及び燃焼室6における改質室3側に、脱硫室1、変成室4、選択酸化室5を記載順に改質室3の側から並んで位置し且つ改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設け、密接状態の改質室3及び燃焼室6における燃焼室6側に、水蒸気生成室2を改質室3及び燃焼室6から伝熱可能な状態で設けてある。
このバーナ用原燃料供給路41には、このバーナ用原燃料供給路41を通して供給する原燃料ガスの供給量を調節するバーナ用原燃料調節弁V2を設けてある。
又、改質室3及び水蒸気生成室2夫々を加熱する必要があるものの、水は原燃料と水蒸気とが改質反応する温度よりも低い温度で蒸発することを利用して、燃焼室6を改質室3に隣接して設けて、その燃焼室6にて改質室3を高温に加熱し、その燃焼室6から排出される燃焼排ガスを水蒸気生成室2に隣接する加熱用排ガス通流室8に通流させて水蒸気生成室2を加熱するようにしてある。
つまり、一つの燃焼室6により、改質室3と水蒸気生成室2の両方を夫々に適した温度に加熱するので、装置の低廉化並びに消費エネルギーの低減化を図ることができる。
又、燃料電池Gの燃料極から排出されたオフガスを燃焼用燃料とする通常時は、そのオフガスを第2噴出管17Bに供給し且つ燃焼用空気を第1噴出管17Aに供給して燃焼させるので、水素ガスを主成分として燃焼速度の速いオフガスをリフトを抑制した状態で安定して燃焼させることができるように、第2噴出管17Bの管径及び長さや第2噴出孔17bの孔径を設計してある。
図6のフローチャートに示すように、前記制御部Cは、起動タイミングになると、改質バーナ17に着火して改質室3を改質用設定温度に加熱する起動運転処理を実行し、その起動運転処理が終了すると、水素含有ガス生成部Pに原燃料ガスを供給して燃料ガスを生成すると共にその生成燃料ガスを燃料電池Gに供給して発電させ且つ燃料電池Gからのオフガスを改質バーナ17にて燃焼させる通常運転処理を実行し、停止タイミングになると、所定の停止処理を実行して、水素含有ガス生成部P及び燃料電池Gの運転を停止する。
例えば、燃料電池発電装置を1日のうちの所定の運転時間帯に運転する場合は、その運転時間帯の開始時刻になると起動タイミングとなり、その運転時間帯の終了時刻になると停止タイミングになる。
ちなみに、前記改質用設定温度は、600〜750°Cの範囲内の所定の改質処理温度に設定する。
尚、起動運転処理における改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量として起動用設定燃料供給量を設定すると共に、その起動用設定燃料供給量に対して、空気比が0〜1.05の範囲内で着火用設定空気供給量、及び、空気比が1.2〜1.6の範囲内で昇温用設定空気供給量を設定してある。ちなみに、空気比が0〜1.05の範囲では、改質バーナ17の燃焼排ガス中の残存酸素濃度は0〜1.1%の範囲であり、空気比が1.2〜1.6の範囲では、燃焼排ガス中の残存酸素濃度は4%〜8%の範囲である。
この通常運転処理では、現在要求されている電力負荷に対して追従する目標出力を設定して、燃料電池Gの出力を目標出力(出力電流値)に調節する電主運転を実行する。
そして、図8に示すように、目標出力に応じて、その目標出力を燃料電池Gにて出力するのに必要とする改質用の原燃料ガスの流量を設定してある。
又、図9に示すように、改質反応用触媒19を改質処理に適切な温度(例えば、前記改質用設定温度)に維持するために必要となる燃焼室6内の温度を、目標出力に応じて設定してある。
又、図10に示すように、改質用の原燃料ガス流量に対して所定のS/C(改質室3への原燃料ガス供給量に対する水蒸気供給量の比)となるように改質用水を供給するための改質用水ポンプ42の回転速度を、目標出力に応じて設定してある。
従って、制御部Cは、現時点の目標出力についての改質バーナ17への燃焼用燃料の供給量(オフガスと原燃料ガスを合わせた量)を求めて、その求めた燃焼用燃料の供給量に対して空気比1.4となる量の燃焼用空気を供給するように、燃焼用送風機39の回転速度を調節するように構成してある。
又、上述のように、燃焼室6内の温度を目標出力に応じた温度になるように調節すると共に、選択酸化触媒22の温度が選択酸化用設定温度になるように調節することにより、脱硫室1、変成室4及び水蒸気生成室2夫々の温度が夫々における処理に適切な温度に維持される。
次に別実施形態を説明する。
(イ) 改質バーナ17に着火する着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように燃焼用空気の供給量を調節して、燃焼用燃料を燃焼させるに当たって、その燃焼用燃料としては、上記の実施形態において例示したLPガスに限定されるものではなく、例えば天然ガスでも良い。
例えば、オフガスを燃焼させない場合は、第2噴出管17Bを省略する。
3 改質部
6 燃焼部
17 改質バーナ
17a 第1噴出孔
17A 第1噴出管
17b 第2噴出孔
17B 第2噴出管
39 空気調節手段
C 制御手段
G 燃料電池
V2 燃料調節手段
Claims (5)
- 供給される炭化水素系の原燃料と水蒸気とを改質反応させて水素ガスを主成分とする改質処理ガスを生成する改質部と、
改質バーナにて燃焼用燃料を燃焼させて、前記改質部を改質処理可能なように加熱する燃焼部とが設けられ、
前記燃焼部から排出された前記改質バーナの燃焼排ガスを、前記改質部とは異なる他処理部の温調用として通流させるように構成された水素含有ガス生成装置であって、
運転を制御する制御手段が、前記改質バーナに着火する着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように、前記改質バーナへの燃焼用燃料の供給量を調節する燃料調節手段及び前記改質バーナへの燃焼用空気の供給量を調節する空気調節手段を制御するように構成されている水素含有ガス生成装置。 - 着火時の空気比が1〜1.05の範囲に設定され、着火後の空気比が1.2〜1.6の範囲に設定される請求項1記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記制御手段が、前記改質バーナに着火後、前記燃焼部の温度が設定温度以上になると、着火時よりも空気比が大きくなるように前記燃料調節手段及び前記空気調節手段を制御するように構成されている請求項1又は2記載の水素含有ガス生成装置。
- 前記改質バーナが、メタンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として、着火時にも、着火後に対応する大きい空気比にて適切に燃焼させることができるように構成され、
前記制御手段が、プロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として燃焼させるときに、着火時よりも着火後の方が空気比が大きくなるように前記燃料調節手段及び前記空気調節手段を制御するように構成されている請求項1〜3のいずれか1項に記載の水素含有ガス生成装置。 - 前記改質部にて生成された改質処理ガスが発電用の燃料ガスとして燃料電池に供給され、且つ、その燃料電池から排出された排燃料ガスが燃焼用燃料として前記改質バーナに供給されるように構成され、
前記改質バーナが、複数の第1噴出孔を備えた第1噴出管と複数の第2噴出孔を備えた第2噴出管とを、前記第1噴出孔の噴出方向と前記第2噴出孔の噴出方向とが交差するように並べて設けて構成され、
前記改質バーナに着火して前記改質部を改質処理可能な温度に加熱する起動時は、プロパンガスを主成分とするガスを燃焼用燃料として燃焼用空気と混合させた状態で前記第1噴出管に供給して燃焼させるように構成され、
前記燃料電池から排出された排燃料ガスを燃焼用燃料として燃焼させる通常時は、その排燃料ガスを前記第2噴出管に供給し且つ燃焼用空気を前記第1噴出管に供給するように構成されている請求項4記載の水素含有ガス生成装置。
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