JP2704411B2 - 水蒸気改質装置 - Google Patents
水蒸気改質装置Info
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- JP2704411B2 JP2704411B2 JP63174945A JP17494588A JP2704411B2 JP 2704411 B2 JP2704411 B2 JP 2704411B2 JP 63174945 A JP63174945 A JP 63174945A JP 17494588 A JP17494588 A JP 17494588A JP 2704411 B2 JP2704411 B2 JP 2704411B2
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- Japan
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- combustion
- air
- exhaust gas
- fuel
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
- Y02E20/34—Indirect CO2mitigation, i.e. by acting on non CO2directly related matters of the process, e.g. pre-heating or heat recovery
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
- Y02P20/10—Process efficiency
- Y02P20/129—Energy recovery, e.g. by cogeneration, H2recovery or pressure recovery turbines
Landscapes
- Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
- Gas Burners (AREA)
- Feeding And Controlling Fuel (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は水蒸気改質装置、特にオンサイト型の燃料電
池や水素製造装置のように負荷変動が激しい用途におい
ても安定した燃焼性能で、均一加熱が可能で、且つ小型
化を図るのに好適な水蒸気改質装置に関する。
池や水素製造装置のように負荷変動が激しい用途におい
ても安定した燃焼性能で、均一加熱が可能で、且つ小型
化を図るのに好適な水蒸気改質装置に関する。
（従来技術） 触媒燃焼により発生する熱で炭化水素やアルコール類
を水蒸気改質して水素または水素リッチなガスを製造す
る水蒸気改質装置が知られている。
を水蒸気改質して水素または水素リッチなガスを製造す
る水蒸気改質装置が知られている。
従来の水蒸気改質装置は特開昭61−91001号や特開昭6
1−91002号に記載のように、通常のガスバーナに保炎板
を設け、反応管先端部とバーナとの間に特定の隔壁を設
けることにより均一な加熱ができる構造となっている。
また、特開昭59−203372号に記載のように燃焼触媒を使
用することも考えられている。
1−91002号に記載のように、通常のガスバーナに保炎板
を設け、反応管先端部とバーナとの間に特定の隔壁を設
けることにより均一な加熱ができる構造となっている。
また、特開昭59−203372号に記載のように燃焼触媒を使
用することも考えられている。
ところが、このような燃焼器をたとえばオンサイト型
の燃料電池や水素製造装置のような負荷変動の激しいシ
ステムに使用した場合は、負荷の急変により燃料または
空気の供給圧力が変動し、不安定燃焼や失火現象を起し
易い。特に部分負荷で運転する場合は燃料ノズルに送ら
れる燃料供給量や空気ノズルに送られる空気供給量が減
少するため、これらの流速が減少して設計点からはずれ
て不安定燃焼や失火現象を招き易いというような不具合
が生じる。さらに、燃料電池では起動時と運転時とでは
燃料組成や発熱量が次に示すように全く異なるため基本
的に適していない。
の燃料電池や水素製造装置のような負荷変動の激しいシ
ステムに使用した場合は、負荷の急変により燃料または
空気の供給圧力が変動し、不安定燃焼や失火現象を起し
易い。特に部分負荷で運転する場合は燃料ノズルに送ら
れる燃料供給量や空気ノズルに送られる空気供給量が減
少するため、これらの流速が減少して設計点からはずれ
て不安定燃焼や失火現象を招き易いというような不具合
が生じる。さらに、燃料電池では起動時と運転時とでは
燃料組成や発熱量が次に示すように全く異なるため基本
的に適していない。
起動時燃料…天然ガス（CH4ほか） 9000〜11000Kcal/Nm3 運転時燃料…電池排ガス（CO,CO2,H2Oを含むH2ガ
ス） 600〜800Kcal/Nm3 また、均一な加熱を得るために隔壁を設けているの
で、燃焼室が大きくなり、小型化ができないという問題
もある。
ス） 600〜800Kcal/Nm3 また、均一な加熱を得るために隔壁を設けているの
で、燃焼室が大きくなり、小型化ができないという問題
もある。
そこで負荷急変時や部分負荷運転時の不安定燃焼や失
火現象を防止する方法として、特開昭59−203372号では
燃料や空気の供給量や圧力の変動にあまり影響されない
触媒燃焼方式が提案されている。
火現象を防止する方法として、特開昭59−203372号では
燃料や空気の供給量や圧力の変動にあまり影響されない
触媒燃焼方式が提案されている。
しかしながら、触媒燃焼方式には、高効率で且つ小型
コンパクト化が要求されるオンサイト型の燃料電池シス
テムや水素製造装置の改質器に適用する場合には以下に
ような問題がある。
コンパクト化が要求されるオンサイト型の燃料電池シス
テムや水素製造装置の改質器に適用する場合には以下に
ような問題がある。
（１） 燃焼触媒の耐熱性（寿命）からの制約上燃焼温
度を高くとることができない（800〜1000℃以下）。こ
のため、空気過剰率（理論必要空気量と燃焼空気量との
比）を大きくとり、燃焼温度を低くする必要があるた
め、システムの効率が低下する。
度を高くとることができない（800〜1000℃以下）。こ
のため、空気過剰率（理論必要空気量と燃焼空気量との
比）を大きくとり、燃焼温度を低くする必要があるた
め、システムの効率が低下する。
（２） 燃焼温度が低くなることにより、反応管や熱交
換部の平均温度差が小さくなる。このため、同一交換熱
量では（熱通過率はあまり変化しないものとして）必要
伝熱面積が大きくなり、改質装置自体が大きくなる。
換部の平均温度差が小さくなる。このため、同一交換熱
量では（熱通過率はあまり変化しないものとして）必要
伝熱面積が大きくなり、改質装置自体が大きくなる。
（３） リン酸型燃料電池に限るが、電池排ガスの中に
リン酸が含有されるため触媒の劣化を促進する。
リン酸が含有されるため触媒の劣化を促進する。
（発明の目的） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、負荷
変動や部分負荷運転に対して安定した燃焼性能が得ら
れ、均一加熱が可能で、且つ小型コンパクトな水蒸気改
質装置を提供することを目的とする。
変動や部分負荷運転に対して安定した燃焼性能が得ら
れ、均一加熱が可能で、且つ小型コンパクトな水蒸気改
質装置を提供することを目的とする。
上記目的は改質装置用燃焼器のノズルを空気用ノズ
ル、起動用燃料および補助燃料用ノズル（以下炭化水素
用ノズルという）、電池排ガスまたは水素精製装置排ガ
ス用ノズルに３分割し、炭化水素用ノズルに改質触媒ま
たは燃焼触媒を充填することにより達成される。
ル、起動用燃料および補助燃料用ノズル（以下炭化水素
用ノズルという）、電池排ガスまたは水素精製装置排ガ
ス用ノズルに３分割し、炭化水素用ノズルに改質触媒ま
たは燃焼触媒を充填することにより達成される。
（作用） 本発明によれば、改質触媒または燃焼触媒を充填した
炭化水素用ノズルにおいて、炭化水素燃料に水蒸気を混
合させ、触媒により安定物質であるため燃焼性の悪いCH
4を最も燃焼範囲が広く且つ燃焼速度の速いH2に改質
し、燃焼性を向上させることにより低カロリー燃料であ
る電池排ガスの着火源とすることができるため、負荷変
動による燃料、空気の流量および圧力の変動に対して燃
焼安定性が向上し、火炎長が短縮され、燃焼室を小さく
することができ、装置の小型コンパクト化が可能とな
る。
炭化水素用ノズルにおいて、炭化水素燃料に水蒸気を混
合させ、触媒により安定物質であるため燃焼性の悪いCH
4を最も燃焼範囲が広く且つ燃焼速度の速いH2に改質
し、燃焼性を向上させることにより低カロリー燃料であ
る電池排ガスの着火源とすることができるため、負荷変
動による燃料、空気の流量および圧力の変動に対して燃
焼安定性が向上し、火炎長が短縮され、燃焼室を小さく
することができ、装置の小型コンパクト化が可能とな
る。
（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明による水蒸気改質装置の燃焼器の一実
施例における複数個のノズルのうち１本のノズルの断面
図、第２図はその平面図を示す。
施例における複数個のノズルのうち１本のノズルの断面
図、第２図はその平面図を示す。
この実施例においては、中心部に改質触媒７を充填し
た炭化水素用ノズル１を配置し、改質触媒７は触媒支持
板８により支持されている。炭化水素用ノズル１の外側
には、炭化水素用ノズル１と同心的に電池排ガス用ノズ
ル２を配置し、さらに外側に同心的に空気用ノズル３を
配置している。
た炭化水素用ノズル１を配置し、改質触媒７は触媒支持
板８により支持されている。炭化水素用ノズル１の外側
には、炭化水素用ノズル１と同心的に電池排ガス用ノズ
ル２を配置し、さらに外側に同心的に空気用ノズル３を
配置している。
次に本実施例の動作を説明する。
運転時は燃料および空気は400℃〜500℃に予熱され、
電池排ガスは電池排ガス流路５を、また空気は空気流路
６をそれぞれ通りノズルから噴出される。補助燃料であ
るメタンはスチームと混合され、炭化水素流路４を通り
改質触媒７と接触して反応を開始する。このときスチー
ム／カーボン比（以下S/Cという）は改質触媒７への炭
素析出を防止するため、２以下に下げないように制御す
る。改質反応は吸熱反応であり、温度も低いためメタン
反応率は10〜15％程度であるが、安定物質であるため燃
焼性の悪いメタンに比較して燃焼性の最も良い水素を含
有したことにより燃焼性は格段に向上する。ノズルより
噴射されたガスは空気と混合し、適切な混合比となった
部分より燃焼を始める。このとき、拡散係数が大きいほ
ど混合がよいため、燃焼開始が速く、燃焼速度が速いほ
ど燃焼完了も速い。水素とメタンの拡散係数および燃焼
速度は メタン 水素 拡散係数（cm2/S） 1.18 3.68 燃焼速度（m/S） 0.67 4.85 となっており、これらよりメタンを水素に改質するほど
燃焼室は小さくできるので装置の小型コンパクト化が図
れる。まあ、可燃範囲は メタン 水素 可燃範囲（％） 5.8〜13.3 6.2〜71.4 と水素が広いため、負荷変動における燃焼安定性も水素
がよいといえる。
電池排ガスは電池排ガス流路５を、また空気は空気流路
６をそれぞれ通りノズルから噴出される。補助燃料であ
るメタンはスチームと混合され、炭化水素流路４を通り
改質触媒７と接触して反応を開始する。このときスチー
ム／カーボン比（以下S/Cという）は改質触媒７への炭
素析出を防止するため、２以下に下げないように制御す
る。改質反応は吸熱反応であり、温度も低いためメタン
反応率は10〜15％程度であるが、安定物質であるため燃
焼性の悪いメタンに比較して燃焼性の最も良い水素を含
有したことにより燃焼性は格段に向上する。ノズルより
噴射されたガスは空気と混合し、適切な混合比となった
部分より燃焼を始める。このとき、拡散係数が大きいほ
ど混合がよいため、燃焼開始が速く、燃焼速度が速いほ
ど燃焼完了も速い。水素とメタンの拡散係数および燃焼
速度は メタン 水素 拡散係数（cm2/S） 1.18 3.68 燃焼速度（m/S） 0.67 4.85 となっており、これらよりメタンを水素に改質するほど
燃焼室は小さくできるので装置の小型コンパクト化が図
れる。まあ、可燃範囲は メタン 水素 可燃範囲（％） 5.8〜13.3 6.2〜71.4 と水素が広いため、負荷変動における燃焼安定性も水素
がよいといえる。
次に起動時について説明する。
起動時は燃料が予熱されておらず、スチームも発生し
ないためメタンのみで燃焼させる。この場合、燃料温度
が低いため改質触媒７による接触反応は起こらないが、
炭化水素用ノズル１と空気用ノズル３も電池排ガス用ノ
ズル２をはさんで配置しているため、空気の流速の影響
を受けずにメタンを燃焼させることができる。燃焼排ガ
スにより燃料の予熱をすることにより次第に運転時と同
様の動作となる。また起動時においては燃料を始めから
予熱しておいてもよい。
ないためメタンのみで燃焼させる。この場合、燃料温度
が低いため改質触媒７による接触反応は起こらないが、
炭化水素用ノズル１と空気用ノズル３も電池排ガス用ノ
ズル２をはさんで配置しているため、空気の流速の影響
を受けずにメタンを燃焼させることができる。燃焼排ガ
スにより燃料の予熱をすることにより次第に運転時と同
様の動作となる。また起動時においては燃料を始めから
予熱しておいてもよい。
従って本発明によれば、メタンの代りに水素を燃焼さ
せることにより燃焼安定性を増すことができる上、火炎
長さを短くできるので小型コンパクト化を達成できる。
せることにより燃焼安定性を増すことができる上、火炎
長さを短くできるので小型コンパクト化を達成できる。
次に本発明の他の実施例を第３図および第４図により
説明する。図中第１図および２図と同じ参照数字は同じ
構成部分を示すものとする。
説明する。図中第１図および２図と同じ参照数字は同じ
構成部分を示すものとする。
第４図において第１図と異なる部分のみ説明すると、
本実施例では先の実施例の改質触媒７の代りに燃焼触媒
９を炭化水素用ノズル１に充填している。
本実施例では先の実施例の改質触媒７の代りに燃焼触媒
９を炭化水素用ノズル１に充填している。
次に本実施例の動作を説明する。
運転時は、燃料および空気は400℃〜500℃に予熱さ
れ、電池排ガスは電池排ガス流路５を、また空気は空気
流路６をそれぞれ通りノズルから噴出される。補助燃料
であるメタンは燃焼に必要な空気と混合され、炭化水素
流路４を通り燃焼触媒９と接触し始める。このとき空気
過剰率は4.2以上にしなければならない。燃焼温度が100
0℃を越えた場合は燃焼触媒９の耐熱性が問題となり、
寿設が短くなる。安定物質であるメタンを燃焼触媒９に
より燃焼させることにより燃焼安定性を図ることがで
き、中央の炭化水素用ノズル１から高温ガスが噴出する
ため電池排ガスの燃焼を促進することができる。
れ、電池排ガスは電池排ガス流路５を、また空気は空気
流路６をそれぞれ通りノズルから噴出される。補助燃料
であるメタンは燃焼に必要な空気と混合され、炭化水素
流路４を通り燃焼触媒９と接触し始める。このとき空気
過剰率は4.2以上にしなければならない。燃焼温度が100
0℃を越えた場合は燃焼触媒９の耐熱性が問題となり、
寿設が短くなる。安定物質であるメタンを燃焼触媒９に
より燃焼させることにより燃焼安定性を図ることがで
き、中央の炭化水素用ノズル１から高温ガスが噴出する
ため電池排ガスの燃焼を促進することができる。
次に起動時について説明する。
起動時は燃料が予熱されておらず、燃焼反応は起こら
ないが、炭化水素用ノズル１から噴出されたメタンと空
気用ノズル３から噴出された空気とによって燃焼は継続
される。燃焼排ガスによって次第に燃料は予熱され、触
媒燃焼を開始する。
ないが、炭化水素用ノズル１から噴出されたメタンと空
気用ノズル３から噴出された空気とによって燃焼は継続
される。燃焼排ガスによって次第に燃料は予熱され、触
媒燃焼を開始する。
本発明の他の実施例を第５図により説明する。
この実施例が第１図および第３図に示した実施例と異
なる点は電池排ガス流路５および空気流路６にそれぞれ
スワラ10、11を設けている点である。
なる点は電池排ガス流路５および空気流路６にそれぞれ
スワラ10、11を設けている点である。
そこで、動作についても先の実施例と異なる点のみを
説明すると、電池排ガスは電池排ガス流路５を通りスワ
ラ10により旋回し、空気は空気流路６を通りスワラ11に
より旋回する。電池排ガスおよび空気はともに旋回しな
がらノズルから噴出されるため、互いに混合されて燃焼
性が良好となり火炎長さが短くなる。
説明すると、電池排ガスは電池排ガス流路５を通りスワ
ラ10により旋回し、空気は空気流路６を通りスワラ11に
より旋回する。電池排ガスおよび空気はともに旋回しな
がらノズルから噴出されるため、互いに混合されて燃焼
性が良好となり火炎長さが短くなる。
起動時においても空気の旋回により炭化水素用ノズル
１より噴出された水素ガスは空気に巻き込まれ、混合速
度が速くなるため、燃焼性が良好となり火炎長さも短く
なる。
１より噴出された水素ガスは空気に巻き込まれ、混合速
度が速くなるため、燃焼性が良好となり火炎長さも短く
なる。
従って本発明によれば、燃焼安定性を増すことができ
る上、火炎長も短くなるため、小型コンパクト化を達成
できる。
る上、火炎長も短くなるため、小型コンパクト化を達成
できる。
（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、燃焼器ノズル
を、炭化水素用ノズルと、電池排ガス用ノズルと、空気
用ノズルとに分割し、炭化水素用ノズルに改質触媒もし
くは燃焼触媒を充填することにより燃焼安定性を向上さ
せることができるので、負荷変動による失火防止および
燃焼安定性を向上することができるとともに、火炎の長
さを短くできるため、小型コンパクト化を達成できる。
を、炭化水素用ノズルと、電池排ガス用ノズルと、空気
用ノズルとに分割し、炭化水素用ノズルに改質触媒もし
くは燃焼触媒を充填することにより燃焼安定性を向上さ
せることができるので、負荷変動による失火防止および
燃焼安定性を向上することができるとともに、火炎の長
さを短くできるため、小型コンパクト化を達成できる。
第１図は本発明による水蒸気改質装置の燃焼器の一実施
例のノズルの断面図、第２図は第１図に示したノズルの
平面図、第３図は本発明による水蒸気改質装置の燃焼器
のもう一つの実施例のノズルの断面図、第４図は第３図
に示したノズルの平面図、第５図は本発明による水蒸気
改質装置の燃焼器のさらに他の実施例のノズルの平面図
である。 １……炭化水素用ノズル、２……電池排ガス用ノズル、
３……空気用ノズル、４……炭化水素流路、５……電池
排ガス流路、６……空気流路、７……改質触媒、８……
触媒支持板、９……燃焼触媒、10,11……旋回促進板
例のノズルの断面図、第２図は第１図に示したノズルの
平面図、第３図は本発明による水蒸気改質装置の燃焼器
のもう一つの実施例のノズルの断面図、第４図は第３図
に示したノズルの平面図、第５図は本発明による水蒸気
改質装置の燃焼器のさらに他の実施例のノズルの平面図
である。 １……炭化水素用ノズル、２……電池排ガス用ノズル、
３……空気用ノズル、４……炭化水素流路、５……電池
排ガス流路、６……空気流路、７……改質触媒、８……
触媒支持板、９……燃焼触媒、10,11……旋回促進板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 天野 義明 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (72)発明者 半澤 晨夫 茨城県土浦市神立町603番地 株式会社 日立製作所土浦工場内 (72)発明者 小山 一仁 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所機械研究所内
Claims (3)
- 【請求項１】触媒燃焼により発生する熱により炭化水素
またはアルコール類から成る燃料ガスを水蒸気改質する
水蒸気改質装置において、改質触媒または燃焼触媒を充
填した燃料ガス用ノズルと、その周囲に電池排ガスまた
は水素精製装置排ガス用ノズルと空気用ノズルとを同心
的に配置して成る燃焼器を設けたことを特徴とする水蒸
気改質装置。 - 【請求項２】前記電池排ガスまたは水素精製装置排ガス
用ノズルに旋回促進板を設けた請求項１に記載の水蒸気
改質装置。 - 【請求項３】前記空気用ノズルに旋回促進板を設けた請
求項１に記載の水蒸気改質装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63174945A JP2704411B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 水蒸気改質装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63174945A JP2704411B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 水蒸気改質装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0225613A JPH0225613A (ja) | 1990-01-29 |
| JP2704411B2 true JP2704411B2 (ja) | 1998-01-26 |
Family
ID=15987480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63174945A Expired - Lifetime JP2704411B2 (ja) | 1988-07-15 | 1988-07-15 | 水蒸気改質装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2704411B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6582364B2 (ja) * | 2014-06-25 | 2019-10-02 | 三浦工業株式会社 | ボイラシステム |
-
1988
- 1988-07-15 JP JP63174945A patent/JP2704411B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0225613A (ja) | 1990-01-29 |
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