JP3456487B2 - 改質器の触媒保護方法及び装置 - Google Patents

改質器の触媒保護方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は改質器の触媒保護方法及
び装置に係わり、更に詳しくは、カーボン析出による
質触媒の劣化を早期に検知できる方法及び装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】改質器(リフォーマ)は、メタン等の燃
料ガスを水素を含むガスに改質する装置であり、ガス燃
料製造設備や発電設備に広く用いられている。例えば、
天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発
電設備では、図5に示すように、燃料ガス1を水素を含
むアノードガス2に改質する改質器10と、アノードガ
スと酸素を含むカソードガス3とから発電する燃料電池
20とを備え、改質器10で作られたアノードガス2は
燃料電池20に供給され、燃料電池20内で発電した
後、アノード排ガス4となり水分を除去した後、改質器
10の燃焼室に供給される。
【0003】改質器10ではアノード排ガス中の可燃成
分(水素、一酸化炭素、メタン等)が空気7により燃焼
室で燃焼し、高温の燃焼ガスにより改質管を加熱し内部
を通る燃料ガス1を改質する。燃焼室を出た燃焼排ガス
5は空気7と合流してカソードガス3として燃料電池2
0のカソード側に供給される。カソードガス3は燃料電
池20でその一部が反応した後、一部が再循環し、残部
は系外に排出される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】改質器(リフォーマ)
10には、燃料ガス1と水蒸気6との混合ガスが熱交換
器12で適当な温度(例えば500℃)まで加熱されて
供給される。改質器では改質管内に充填された触媒の触
媒作用により、例えば、CH4 +H2 O→ 3H2+CO
の改質反応により、H2 とCOの混合ガスが生成され
る。
【0005】上述した従来の改質器において、触媒の寿
命は、通常1万時間乃至4万時間であり、その間、改質
器は連続して運転することができる。しかし、運転の誤
操作(ミスオペレーション)、或いは装置の故障等によ
り、原料ガス中の水蒸気濃度が低下したり、原料ガ
ス中に硫黄(S)が混入する場合がある。水蒸気が不足
すると、カーボン(C)が析出し、触媒層を詰まらせた
り、硫黄による被毒により触媒の活性が失われてしま
う。水蒸気量は改質器の運転中、常時監視されている
が、それにもかかわらずカーボン析出を予知できないこ
とが多い。例えば、水蒸気を正常に供給しているにもか
かわらず、負荷変動時に配管の途中で水蒸気が凝縮し、
結果的に水蒸気が不足するような場合がある。
【0006】この場合、例えば、2CO→ CO2 +C
(s)(ブドアール反応)、或いはCH4 → 2H2
C(s)の反応が生じて、カーボンが析出する。このカ
ーボンは、球形或いは円柱状のペレット触媒のポーラス
(空孔)部分に詰まり、次いで、再度水蒸気と接触する
と水蒸気と反応して(例えばC(s)+H2 O→ H2
CO)、ガス化し、膨張して触媒をばらばらに粉砕して
しまう。このため、一旦水蒸気が不足すると、析出した
カーボンと粉体化した触媒により触媒層が詰まって圧損
が大きくなり、再起動のため水蒸気を増加させても復帰
できなくなってしまう。従って、従来は、一旦カーボン
析出が発生すると、復帰はほとんど不可能であり、改質
器を停止し、分解して内部の触媒を全量交換する必要が
あった。
【0007】一方、硫黄濃度も改質器の運転中常に計測
されているが、吸着は上流側から徐々に起こる(図3)
ため、少量の硫黄が一時的に入っても改質器や燃料電池
への影響は検知されず、そのまま運転される場合が多
い。すなわち、図3に実線で示すように流路長の上流側
は吸着率が100%に達し、活性を失っていても、下流
側はまだ吸着率が低いため、改質器出口では硫黄が検出
されない。更に時間が経過しても二点鎖線のように吸着
率が100%の領域が拡がるだけである。すなわち、改
質器における触媒の被毒は、上流側から徐々に起こるた
め、被毒が始まっても改質器の改質率はすぐには低下せ
ず、多くの触媒が被毒してはじめて改質率が低下し、触
媒の被毒が認識される(図4)。そのため、被毒がわか
ったときには、すでに多くの触媒が被毒して劣化してい
るため、被毒が検知された場合には、改質器を停止し分
解して、内部の触媒を全量交換する必要があった。
【0008】しかし、カーボン析出や触媒被毒が起こっ
て改質器を停止すると、設備(例えば発電設備)全体の
運転が停止し、設備の稼働率が大幅に低下する問題があ
る。また、触媒の交換作業には長時間を要し、かつ被毒
した高温の触媒を取り扱うため危険であり、また装置全
体を分解するため、大がかりな設備を必要とし、かつ作
業が過酷になりやすい等の問題点があった。
【0009】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明目的
は、水蒸気の不足によるカーボン析出を早期に検知し、
改質器内の触媒交換を未然に防止することができる改質
器の触媒保護方法及び装置を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本願出願の発明者等は、
カーボン析出による触媒の詰まりが、改質触媒層の入口
付近に集中している、という新規の知見を得た。そのた
め、カーボン析出が認識されたときには、ほとんどの触
媒がそのまま使用できるにもかかわらず、触媒全体を交
換せざるを得なかった。
【0011】本発明は、かかる新規の知見に基づくもの
である。すなわち、本発明によれば、改質器の燃料供給
ラインに燃料ガス自身の熱で燃料ガスの部分的改質を行
うべく触媒充填層を有する断熱容器を備え、前記触媒充
填層の前後の差圧を計測し、該差圧が正常範囲を越える
ことにより前記断熱容器内のカーボン析出を検知し、カ
ーボン析出の検知により、前記改質器への改質用燃料の
供給を停止する、ことを特徴とする改質器の触媒保護方
法が提供される。
【0012】また、本発明によれば、改質器の燃料供給
ラインに設けられた触媒充填層を有する断熱容器と、前
記触媒充填層の前後の差圧を計測する差圧検出器と、前
記差圧を正常な範囲の差圧と比較し、該差圧が正常範囲
を越えることにより前記断熱容器内のカーボン析出を検
して前記改質器への改質用燃料の供給を停止する制御
装置とを備える、ことを特徴とする改質器の触媒保護装
置が提供される。
【0013】
【作用】上記本発明によれば、断熱容器内の触媒充填層
の前後の差圧を計測し、該差圧が正常範囲を越えること
によりカーボン析出を検知するので、この段階で改質器
への燃料供給を停止すれば、改質器内の触媒のカーボン
析出を未然に防止することができる。すなわち、上述し
たように、カーボン析出による触媒の詰まりは、入口付
近に集中するので、この段階ではカーボン析出は断熱容
器内の触媒充填層にだけ発生しており、改質器本体内の
触媒はほとんど影響を受けていない。従って、この段階
で一旦燃料供給を停止を停止し、断熱容器内の触媒だけ
を交換し、水蒸気の供給を確認してから再起動すれば、
正常な状態で改質器の運転を継続することができる。
【0014】
【実施例】以下、本発明を図面を参照して説明する。図
1は、本発明による改質器の触媒保護装置の全体構成図
である。この図において、本発明による触媒保護装置3
0は従来の熱交換器12と改質器10の間に設けられ
る。なお、この図において、図5と共通する部分には同
一の符号を使用する。
【0015】触媒保護装置30は、改質器10の燃料供
給ラインに設けられた触媒充填層31を有する断熱容器
32と、触媒充填層31の前後の差圧DPを計測する差
圧検出器34と、触媒充填層32の前後の温度T1、T
2を計測する温度センサー36と、を備えている。かか
る構成により、触媒充填層31における差圧DPと温度
T1、T2を常時計測することができる。
【0016】触媒保護装置30は更に、差圧DPを正常
な範囲の差圧と比較し、差圧DPが正常範囲を越えるこ
とによりカーボン析出を検知する制御装置を備える。こ
の制御装置はまた、前記温度センサー36の出力から触
媒充填層31における温度低下DTを算出し、温度低下
DTが正常範囲より少ないことにより触媒の被毒を検知
するようになっている。
【0017】本願出願の発明者等は、カーボン析出によ
る触媒の詰まりが、改質触媒層の入口付近に集中してい
る、という新規の知見を得た。そのため、カーボン析出
が認識されたときには、ほとんどの触媒がそのまま使用
できるにもかかわらず、触媒全体を交換せざるを得なか
った。例えば、プレートリフォーマ型の改質器におい
て、触媒層の長さが約400mmである場合に、改質器
の触媒を分析すると、上流(入口)側の20〜50mm
程度にカーボン析出が起こっているにすぎなかった。ま
た、従来の管型改質器においても、触媒層3000mm
のうちの入口側の250mm程度にカーボン析出が起こ
っているにすぎなかった。
【0018】従って、上記構成により、触媒充填層31
の前後の差圧DPを計測し、差圧DPが正常範囲を越え
ることによりカーボン析出を検知し、この段階で改質器
への燃料供給を停止すれば、改質器内の触媒のカーボン
析出を未然に防止することができる。上述したように、
カーボン析出による触媒の詰まりは、入口付近に集中す
るので、この段階ではカーボン析出は断熱容器内の触媒
充填層にだけ発生しており、改質器本体内の触媒はほと
んど影響を受けていない。従って、この段階で一旦改質
用燃料の供給を停止し、断熱容器内の触媒だけを交換
し、水蒸気の供給を確認してから再起動すれば、正常な
状態で改質器の運転を継続することができる。
【0019】触媒充填層31は、改質器10内の触媒と
ほぼ同様の条件で運転されるように、同一の触媒を用
い、同一の流速(空塔速度)で運転するのが好ましい。
しかし、カーボン析出を早期に検知できるように、改質
器10内の触媒よりも厳しい条件で運転してもよい。
【0020】更に、発明者等は、改質触媒層の入口付近
の温度が、正常時には一旦流入温度よりも低下する、と
いう新規の知見を得た。例えば、図2は、入口温度50
0℃、出口温度800℃の改質器における改質室内触媒
層の温度分布を模式的に示した図である。この図におい
て、500℃で入ったガスは一旦500℃以下に下が
り、その後800℃まで上昇している。これは、改質触
媒に流入したガスが実際に加熱されるまでは、実質的に
断熱状態に近く、改質反応(吸熱反応)により、ガス自
身の温度が低下するためである。
【0021】従って、上記構成により、触媒充填層31
の前後の温度T1、T2を計測し、触媒充填層31にお
ける温度低下DTが正常範囲より少ないことにより触媒
の被毒を検知し、この段階で改質器への改質用燃料の供
給を停止すれば、改質器内の触媒の被毒を未然に防止す
ることができる。すなわち、上述したように断熱容器内
の触媒は改質反応(吸熱反応)により、正常時にはガス
自身の顕熱により流入温度よりも下がるが、被毒を受け
て活性を失うと吸熱反応が低下して温度低下が少なくな
り、或いは硫黄が反応して発熱し温度が上昇する。従っ
て、これを検知して断熱容器内の触媒の被毒を検知する
ことができる。また、触媒の被毒は上流側から徐々に起
こるため、この段階では被毒は断熱容器内の触媒充填層
にだけ発生しており、改質器本体内の触媒はほとんど影
響を受けていない。従って、この段階で一旦改質用燃料
の供給を停止し、断熱容器内の触媒だけを交換し、脱硫
器の運転を確認してから再起動すれば、正常な状態で改
質器の運転を継続することができる。
【0022】なお、上記構成と異なり、例えば触媒充填
層31の内部温度、或いは出口温度のみを計測し、この
温度変化から温度低下DTが正常範囲より少ないことに
より触媒の被毒を検知してもよい。また、触媒充填層3
1の出口側のガス中のCO又はCO2 の濃度を検出し、
CO又はCO2 濃度の低下により触媒充填層31におけ
る触媒の被毒を検知してもよい。
【0023】
【発明の効果】上述したように、本発明によれば、改質
器内の触媒のカーボン析出を早期に検知し、この段階で
一旦改質用燃料の供給を停止し、断熱容器内の触媒だけ
を交換し、水蒸気の供給を確認してから再起動すれば、
正常な状態で改質器の運転を継続することができる。
【0024】従って、本発明により、水蒸気の不足によ
るカーボン析出を早期に検知し、改質器内の触媒交換を
未然に回避することができる改質器の触媒保護方法及び
装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による改質器の触媒保護装置の全体構成
図である。
【図2】従来の改質器における触媒層の温度分布図であ
る。
【図3】従来の改質器における被毒の吸着状況を示す図
である。
【図4】従来の改質器における被毒時間と改質率との関
係を示す図である。
【図5】溶融炭酸塩型燃料電池を用いた発電設備の全体
構成図である。
【符号の説明】 1 改質用燃料 2 アノードガス 3 カソードガス 4 アノード排ガス 5 燃焼排ガス 6 水蒸気 7 空気 10 改質器 12 熱交換器 20 燃料電池 30 触媒保護装置 31 触媒充填層 32 断熱容器 34 差圧検出器 36 温度センサー 38 制御装置 DP 差圧 DT 温度低下
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−69303(JP,A) 特開 昭52−134605(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C10G 35/04 - 35/14 C10G 11/00 - 11/22 C01B 3/38

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 改質器の燃料供給ラインに燃料ガス自身
    の熱で燃料ガスの部分的改質を行うべく触媒充填層を有
    する断熱容器を備え、前記触媒充填層の前後の差圧を計
    測し、該差圧が正常範囲を越えることにより前記断熱容
    器内のカーボン析出を検知し、カーボン析出の検知によ
    り、前記改質器への改質用燃料の供給を停止する、こと
    を特徴とする改質器の触媒保護方法。
  2. 【請求項2】 改質器の燃料供給ラインに設けられた触
    媒充填層を有する断熱容器と、 前記触媒充填層の前後の差圧を計測する差圧検出器と、 前記差圧を正常な範囲の差圧と比較し、該差圧が正常範
    囲を越えることにより前記断熱容器内のカーボン析出を
    検知して前記改質器への改質用燃料の供給を停止する
    御装置とを備える、ことを特徴とする改質器の触媒保護
    装置。
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