JP3663290B2

JP3663290B2 - Fuel reformer

Info

Publication number: JP3663290B2
Application number: JP04509398A
Authority: JP
Inventors: 滋坂本; 孝昌松林; 泰夫三宅; 晃治西尾
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1998-02-26
Filing date: 1998-02-26
Publication date: 2005-06-22
Anticipated expiration: 2018-02-26
Also published as: JPH11240702A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素等の燃料を水蒸気を用いて改質することにより水素リッチな改質ガスを生成する燃料改質装置の改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池等に水素を製造して供給するための水素製造装置においては、天然ガス，メタノール，ナフサ等の炭化水素系の原燃料を水蒸気と混合して改質触媒で水素リッチなガスに改質するいわゆる水蒸気改質方式が採用されている。
【０００３】
この水蒸気改質は、ブタンを例に挙げると、下記化１の反応式で示され、通常６００℃〜８００℃程度の高温下でなされる。
【０００４】
【化１】

【０００５】
このような水蒸気改質装置は、家庭や戸外で使用される場合もあり、配置スペースや運搬の利便性からそのような場合できるだけコンパクトな装置設計が要求される。
【０００６】
従来の比較的コンパクトな水蒸気改質装置の例としては、特開平２−２６４９０３号公報や特開平５−１８６２０１号公報に開示されているように、二重円筒管の中に改質反応用触媒が充填された反応槽を中心部分に設けたバーナで加熱しながら、当該反応槽に原燃料と水蒸気とを送り込んで改質するものが知られている。
【０００７】
こういった改質装置では、改質触媒層内の原料ガス流れ方向に垂直な面内の温度（以下、この原料ガス流れ方向に垂直な面での温度分布を「面内温度」と定義する。）をできる限り均一にしかも反応が十分に進行するような適切な温度（６００〜８００℃）にバーナー等により生成された燃焼ガスの熱量の損失量をできるだけ少なくして効率良く加熱することが望まれる。即ち、面内温度が不均一になれば、例えば当該触媒層内で温度が高い部分で反応が著しく進行する一方、温度が低い部分で反応性が低下して、つまり触媒層内で反応が不均一に進行することによって（換言すれば、触媒利用率にむらが生じてしまうということである。）局所的に急速な触媒活性の低下を招いてしまうことにもなる。そして、このように局所的な触媒活性の低下が進行すると、改質装置の反応性がいきおい低下してしまう。これに対して燃焼ガスを単に均一的に分散させただけでは、燃焼ガス自体のゆらぎによって面内温度は不均一になってしまわざるを得ず、しかも改質触媒層の壁面に直交する方向（円周方向）への熱伝達率が小さいという問題は依然として残る。一方、面内温度分布が均一的であれば反応が不均一に進行することは抑えられるが、それだけではこの場合にも燃焼ガスからの熱の熱伝達率は依然として低く従って改質装置の熱効率も低いので、改質触媒層を適切な反応温度に設定するためにはバーナ等による燃焼力を大きくせざるを得ない。つまり、バーナなどの燃焼ガス発生手段の大型化を招いてしまう。
【０００８】
そこで、上記問題を解消すべく従来から様々な工夫が凝らされてきた。例えば、特開平７−０３３４０２号公報には、図７に示すような改質装置が開示されている。即ち、燃焼用バーナ５０１によって発生させた高温の燃焼ガスを、螺旋状にガイドフィン５０２が配された燃焼筒５０３内で旋回流として、これを整流板５０４によって半径方向に分散させて改質触媒層５０５を暖める構成にしてある。これによれば、燃焼ガスを旋回流として供給することにより燃焼ガスのゆらぎの解消により円周方向へ均一的に熱伝達することになるので、改質触媒層内の面内温度の均一化をある程度図ることができる。しかも、旋回流であるため円周方向への熱伝達率を大きくすることができるので、改質装置自体の熱効率も比較的優れている。また、同特許公報には、燃焼用バーナを５０１を燃焼筒５０３に予め斜めに設置して上記燃焼ガスの旋回流を発生させる技術が開示されている。これによっても上記同様に面内温度の均一化と共に改質装置の熱効率の向上が図れる。更に、特開平８−１９２０４０号公報には、図８に示すように改質触媒層５０６の近傍に螺旋状で金属からなる伝熱促進体５０７を取着することによって、燃焼ガスを旋回流にする技術が開示されている。この技術によっても同様の効果をある程度得ることができる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記公報開示の技術では未だ不十分であり、改質触媒層の面内温度を更に均一にすると共に、改質装置の熱効率を向上させることが望まれる。これは、上記構成の何れにおいても旋回流を発生させる位置が燃焼筒内部であるか若しくは燃焼ガスを一旦円周方向にある程度分散させて燃焼ガスが円筒体の軸芯方向に流れた後であって、バーナの燃焼力を大きくしない限り、燃焼ガスが改質触媒層との熱交換に到るさいに十分な旋回流が得られず一旦発生した旋回流が層流となってしまい結局ゆらぎが解消されない可能性があって、こうなれば十分に加熱できず面内温度が不均一になってしまい、加えて熱伝達率も低下してしまうからである。また、旋回流を発生させるために、螺旋状の部材を燃焼筒内や改質触媒層の反応管に対して、つまり曲面に対して溶接しなければならないので装置の製造工程における製造者への負担が大きくコスト高につながるといった問題がある。
【００１０】
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、構成をさほど複雑にすることなく、しかもバーナ等の燃焼ガスの発生手段を大型化することもなく、面内温度均一化の効果に優れ、且つ、熱効率に優れた燃料改質装置を提供することを目的としてなされたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、燃焼ガス発生手段により発生した燃焼ガスを案内する燃焼筒と、当該燃焼筒との間に燃焼ガスの流通空間を確保して囲設した改質反応管とからなり、上記燃焼筒により案内された上記燃焼ガスを、その流れ方向を反転させて上記燃焼ガス流通空間に導入する燃料改質装置であって、上記燃焼ガス発生手段を上記燃焼筒の下端に配し、上記燃焼ガス流通空間への導入前に、上記燃焼ガスに旋回力を付与するための旋回流発生手段を備え、上記旋回流発生手段を、燃焼筒からの燃焼ガスが反転される折り返し地点である燃焼筒の上端に配し、上記旋回流発生手段は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを受けとめ燃焼筒外部に反射させる反射板と、当該反射板により反射された燃焼ガスに旋回力を付与して上記改質反応管の壁面に衝突させる旋回羽根板とから構成され、上記旋回羽根板は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを整流して上記燃焼ガス流通空間に導入する前記反射板に直角に立設された第一の羽根部と、整流された燃焼ガスに旋回力を付与する前記第一の羽根部の下端部分の前記燃焼筒の軸心方向に対して傾斜させて取着した平板状の第二の羽根部とから構成されていることを特徴とする。
【００１２】
これにより、簡単な構成でしかもバーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化するまでもなく、燃焼ガスを旋回流として均一的に分散させて燃焼ガスのゆらぎの解消を図ると共に伝熱成分を増やすことにより（このように伝熱成分が増えるのは、流体力学によって裏付けられる温度境膜の低減などの作用に基づくと思われる。）、改質触媒層の面内温度均一化を図るとともに、改質触媒層の熱効率の向上を図ることができる。つまり、バーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化せずとも高い熱効率で反応温度適温における改質触媒層の面内温度を均一にすることができるといった効果を奏する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る燃料改質装置について図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１９】
〔実施の形態１〕
【００２０】
改質反応管の組構造は、燃焼ガスを分散させる手段が特徴的である以外は、複数個の耐熱性の円筒状部材を同心円状に組み合わせることによって構成された従前からの二重円筒管構造であり以下述べるような構造をとっている。図１（ａ）は、本発明の第一の実施の形態に係る燃料改質装置１の内部構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図（ａ）における矢印Ｘ１矢視上面図である。
【００２１】
これらの図に示すように、当該燃料改質装置１は、当該装置を所定の温度に維持するための熱媒体である燃焼ガスを生成する燃焼ガス生成部１０（本実施の形態ではバーナを用いてある。）と、炭化水素系の原燃料（メタン，ブタン等）を水蒸気を用いて水素リッチなガスに改質する燃料改質部２０（特許請求の範囲では改質反応管と記載）と、燃焼ガス生成部１０で生成された燃焼ガスを、装置１０内に特に燃料改質部２０に設けられた燃料改質用の触媒層に対して、効率良く熱伝達されるように、これに対峙した位置に確保された燃焼ガス流通空間３０とから構成されている。
【００２２】
この燃焼ガス生成部１０の上部に、円筒管４０がその底板４１の中央部分に開設された開口部（不図示）を燃焼ガス生成部１０に設けた上記開口部に臨ませて、燃焼ガスが当該円筒管４０内に流入するように配設してある。そして、円筒管４０内に流れ込んだ燃焼ガスを外部に排出するように、燃焼ガス排出管４１ａを当該円筒管４０の側壁上部から挿設してある。
【００２３】
次に、上記円筒管４０の底板４１に設けた開口部から円筒管４０内に流入する燃焼ガスが当該円筒管４０内で効率良く対流するように、燃焼ガスを管内の上部に案内する燃焼筒５０を、上記円筒管４０の底板４１の開口部にその開口端を臨ませて円筒管４０内に立設してある。これにより、燃焼ガス生成部１０で生成された高温の熱媒体としての燃焼ガスは、改質触媒の加熱に供される前に当該燃焼筒５０の内部５１を通って、上方に向けて（矢印Ａ１にて示す。）案内されることとなる。
【００２４】
更に、円筒管４０の管内で燃焼筒５０の周囲には、円筒管の成形体である燃料改質部２０が配設してある。この燃料改質部２０は、円筒管４０の内径よりも小さい内径且つその軸心方向の長さよりも短い軸心方向の長さの円筒管の底部から軸心方向上部に向かって前記燃焼筒５０の外径よりも大きい径の凹部２０ａを有する円筒管成形体である。そして、これを、円筒管成形体の凹部２０ａにおいて、これを形成する側壁と燃焼筒５０外壁とを離間させた状態で燃焼筒５０を埋没させるとともに、円筒管４０の内壁とも離間させて開口部を上方にして円筒管４０の天板４２に取着してある。このように燃料改質部２０を設けることによって円筒管４０内で燃料改質部２０の周囲には空間が確保されることとなる。こうして形成された空間が前記燃焼ガス流通空間３０となる。従って、燃焼ガスは勢いよく燃焼筒５０の内部５１からその外部に噴出したのち、前記燃焼ガス流通空間３０内で燃料改質部２０との間で熱交換に供され、前記燃焼ガス排出管４１ａを通して排出されようになっている。
【００２５】
燃料改質部２０の内部構造は、同図１に示すように、仕切筒板２１を天板４２に燃料改質部２０の反応管を形成するドーナツ形状の底板２２から端部を離間させた状態で取着して２つの空間領域を設け、そのなかの内周寄りの領域には上下に原燃料・水蒸気導入用のバッファ空間と改質ガス排出用のバッファ空間を残して断面ドーナツ形状の改質触媒層２３を形成してある。改質触媒層２３は、例えば、セラミックス粒子担体に、Ｒｈ，Ｒｕ，Ｎｉ等を担持させた触媒粒子を充填することにより形成する。そして、燃料改質部２０を形成する円筒管成形体の外壁上部には、前記仕切筒板２１の外周側の空間領域と連通するように、改質ガスを系外に排出するための改質ガス排出管２０ｂが挿設してある。なお、円筒管４０の天板４２の中央部からは、燃料改質に用いる原燃料と水蒸気との混合物を燃料改質部２０に供給するため燃料供給管４３を挿設してある。
【００２６】
前記燃焼筒５０の上端には、熱媒体である燃焼ガスの熱伝達率を高めるべくこれを旋回流にして燃料改質部２０の周囲に分散させるための旋回流発生手段２を設けてある。
【００２７】
この旋回流発生手段２は、円板状の反射板３と、当該反射板３に等ピッチで放射状に立設された所定の曲率の曲面を有する羽根板４・・・とで構成し、羽根板４・・・の下端部分を燃焼筒５０の上端に、反射板３の中心点が燃焼筒５０の軸心と一致するように取着してある。このような構成により、燃焼筒５０によって案内されてきた燃焼ガスを反射板３で受けとめ円周方向に分散させる際に旋回流の発生を伴うものである。しかも、羽根板４・・・は、反射板３に等ピッチに立設してあるので、燃焼ガス流通空間内で均一的な旋回流となる。また、反射板３の燃焼筒５０の内部と対向する部位の中心部分から円周方向に延びるように設けてあるので燃焼筒５０内の中心部分を流れてくる燃焼ガスをも旋回流にできるようになっており、旋回流発生効率の向上に寄与する。なお、反射板３は、燃焼ガスの圧力に耐え得るように燃焼筒５０の上端に羽根板４・・・によって固定されている。
【００２８】
旋回流発生の主なメカニズムを説明すれば次のようになる。まず、燃焼筒５０内を通ってくる燃焼ガス（矢印Ａ１）が、反射板３に衝突する。そして、羽根板４・・・の湾曲面に沿って反射板３の中心点から曲線的な流れをなすように円周方向に向けて分散される（矢印Ａ２）。このような燃焼ガスは上記燃焼ガス流通空間を旋回しながら、燃焼筒５０内での流れ方向に対して方向が反転されて下降することになる（矢印Ａ３）。
【００２９】
このように燃焼ガスに旋回力を付与して均一的に分散させることにより、効率良く改質触媒層を加熱することができる。つまり、旋回力が付与されて旋回流となった燃焼ガスには改質触媒層の形成外壁面に対して直交して伝熱する伝熱成分（円周方向に直線的に伝熱する伝熱成分）が発生するので熱伝達率が向上する。従って、改質触媒層の熱効率が向上されるので改質反応に適切な温度に効率良く加熱することができる。また、このように均一的に発生された旋回流であるために燃焼ガスのゆらぎが解消されるので面内温度の均一化を図ることができるのである。この結果、改質触媒層で改質反応をむらなく均一的にしかも高効率に進行させられることになる。
【００３０】
本改質装置では旋回流発生手段２を、燃焼ガスが燃焼筒５０内から燃焼ガス流通空間に向けて分散しようとする分岐地点に設けてあるので、燃焼ガスを効果的に旋回させて均一的に分散することができる。別な観点から考察すれば、旋回流発生手段２は、燃焼ガスの燃焼筒５０内の流通終端部分、燃焼ガスが上昇気流から下降気流に移行するつまり方向が反転される折り返し地点に配されているので、燃焼ガスはその上昇気流圧により効果的に旋回力が付与されて均一的に分散されることになるとも言える。このように旋回流を効率良く発生できるので、バーナの大型化を抑えることもできる。また、ここに示した旋回流発生手段の構成は極めて簡単なものであって、従来のように筒体の曲面に取着しなくともよいので、製造工程上の負担が軽減され製造コストが極力抑えられると考えられる。
【００３１】
このような旋回流による面内温度均一化の効果や熱効率向上の効果は、旋回流が効率良く発生されしかも旋回流により生まれる円周方向の伝熱成分が多ければ多いほど優れるものと考えられる。従って、そのように旋回流が発生するように羽根板４・・・の曲率を、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等諸々の条件を考慮して設定すべきである。なお、羽根板４・・・は、一定の曲率で形成することもできるが、例えば下方に向かうにしたがい曲率が大きくなるようにねじれた曲面を有するように形成してもよい。
【００３２】
羽根板４・・・の立設する枚数についても、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等によって変わるであろうが、できるだけ枚数は多いほうが旋回流の発生効率は高くなるのではないかと思われる。また、羽根板４・・・の高さは、できるだけ小さく設定することが望ましいと思われる。これは、反射板３で反射された燃焼ガスが反射板３と羽根板４・・・との間の間隙から分散される際に所定の流量あたりに大きな抵抗を受けることになるので、旋回流がより効率良く発生されると考えられるからである。更に、羽根板４を反射板３に立設するときの角度については、上昇してくる燃焼ガスの流れに対して若干傾くように配設するのが望ましいと思われる。これは、燃焼ガスを羽根板４・・・自体で直接受けて分散することになるので旋回流の発生効率は更に高まると考えられるからである。また、羽根板４・・・は、中心側（基端側）の部位よりも円周側の部位が若干下方に傾くようにねじり変形させたものの方が、燃焼ガスが下降したときにおける旋回流が効果的に維持できるので望ましいと思われる。
【００３３】
ここで、仮に、反射板だけしか設けられていない場合には特に改質触媒層の下方部分に対峙する空間でゆらぎが大きいと思われ、下方部位に向かうに従って面内温度は不均一性を増すものと考えられる。従って、燃焼ガスの下降に伴い、如何にゆらぎを解消するのかが面内温度均一化の効果を高めるためには肝要となる。上記旋回流発生手段２は、その点をも満たす技術である。上記旋回流発生手段２は、燃焼ガスを均一的な旋回流にして改質触媒層との熱交換に供し、しかもその旋回流は、分散するときに生成されたものであるので旋回量が多く、燃焼ガスが改質触媒層の軸芯方向に進行（下降）しても円周方向への伝熱成分があまり減少することなく、改質触媒層の入口側から出口側に到るまで均一的に高い効率で熱交換させられる技術であると言える。このことは、後述する実験結果からも裏付けられる（図６参照）。
【００３４】
〔実施の形態２〕
【００３５】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００３６】
図２は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である（なお、羽根板の拡大図を併記してある）。
【００３７】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段１００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板１０１と、これに立設された羽根板１０２・・・とから構成してあり、羽根板１０２・・・の形状が上記羽根板４・・・の形状と異なっている。なお、ここでも、羽根板１０２・・・は、反射板１０１の中心付近から円周方向に延びるように立設し、旋回流の発生効率の向上を図っている。
【００３８】
羽根板１０２・・・は、「く」の字形状をなし、これにより中心側に臨み基端から屈曲部分までの第一の面１０２ａが、反射板１０１によって反射された燃焼ガスの流れを円周方向に直線的に矢印Ａ４のように整流する働きをなし、中心側に望み屈曲部分から円周方向に位置する第二の面１０２ｂが、整流された燃焼ガスを矢印Ａ５のように更に整流しつつ改質触媒層に向けて旋回させながら分散する働きをなす。
【００３９】
このように整流しつつ旋回力を付与し旋回流として均一的に改質触媒層との熱交換に供するので、上記したように改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることもできる。しかも、一旦整流してから旋回力を付与するので、旋回流を効果的に発生させられると思われる。
【００４０】
なお、羽根板１０２・・・の屈曲角度は、旋回流による上記した面内温度均一化の効果及び高い熱伝達率が得られるように、燃焼ガスの流量や燃焼筒５０の内径等の条件を加味して設定する。
【００４１】
〔実施の形態３〕
【００４２】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００４３】
図３は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【００４４】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段２００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板２０１と、これに放射状に立設された羽根板２０２・・・とから構成してあり、羽根板２０２・・・の形状が上記羽根板４・・・の形状と異なっている。
【００４５】
羽根板２０２・・・は平板であり、燃焼ガスが反射板２０１の中心点から円周方向に直線的に分散しないよう、つまり燃焼ガスが改質触媒層の形成外壁面に９０°でない角度をもって衝突するように反射板２０１に立設してある。具体的には、燃料改質装置は、同心円状に形成された円筒管構造に設計してあることを考慮して、二次元的な水平断面（水平断面とは、原料の流れ方向に垂直な方向、ここでは、反射板に水平な方向での断面のことを意味する。）で考えたときの円形の反射板２０１の羽根板２０２・・・と交差する周縁部における接線が、羽根板２０２・・・の面に対して法線とならないように、反射板２０１の中心寄りの面内から円周方向に向けて延びるように放射状に取着する。ここで説明した羽根板２０２・・・の取着の仕方を別な表現を用いれば、平板状の羽根板２０２・・・が円板状の反射板２０１の中心点と羽根板の２つの端部とが同一平面において非直線的になるように配されているということでもある。更に、換言すれば、燃焼ガス流通空間を流れる分散流の流束の軸心と反射板２０１との交差点と、平板状の羽根板２０２・・・の２つの水平方向の対向する端部とが同一平面において非直線的になるように反射板２０１に羽根板２０２・・・を立設するということでもある。更に、言い換えれば、ここでは二重円筒の径に対して傾きをもって取着してあるということである。
【００４６】
これにより羽根板２０２・・・の反射板２０１の中心側に臨む面２０２ａ・・・が反射板２０１によって反射した燃焼ガスを整流しつつ旋回力を付与して均一的に旋回流を生じさせる。
【００４７】
従って、上記したように、改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００４８】
〔実施の形態４〕
【００４９】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した実施の形態３の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。
【００５０】
図４は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【００５１】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段３００、上記旋回流発生手段２００と同様に反射板３０１と、これに立設された羽根板３０２・・・とから構成してあり、羽根板３０２・・・の取着箇所が反射板３０１の周縁部であって前記旋回流発生手段２００と異なっている。
【００５２】
羽根板３０２・・・は、ここでも燃焼ガスが反射板３０１の中心点から円周方向に直線的に分散しないよう、つまり燃焼ガスが改質触媒層の形成外壁面に９０°でない角度をもって衝突するように反射板３０１の周縁部に放射状に立設してある。具体的には、上記同様に燃料改質装置は、同心円状に形成された円筒管構造に設計してあるので、二次元的な水平断面で考えたときの円形の反射板３０１の羽根板３０２・・・と交差する周縁部における接線が、羽根板３０２・・・の面に対して法線とならないように、羽根板３０２・・・の基端側を反射板３０１の周縁部に取着する。なお、ここで説明した羽根板３０２・・・の取着の仕方を別な表現を用いれば、平板状の羽根板３０２・・・が円板状の反射板３０１の中心点と羽根板の２つの水平方向の対向する端部とが同一平面において非直線的になるように配されてということでもある。更に、このことは、燃焼ガス流通空間を流れる分散流の流束の軸心と反射板３０１との交差点と、平板状の羽根板３０２・・・の２つの端部とが同一平面において非直線的になるように羽根板３０２・・・を反射板３０１に立設することであるとも表現できる。更に、言い換えれば、ここでは二重円筒の径に対して傾きをもって取着してあるということである。
【００５３】
これにより羽根板３０２・・・の反射板３０１の中心側に臨む面３０２ａ・・・が反射板３０１によって反射した燃焼ガスを整流しつつ旋回力を付与することにより旋回流を生じさせる。
【００５４】
従って、上記したように、改質触媒層の入口部分のみならず中央部分、出口部分に到るまで面内温度分布の均一化を図るとともに、改質装置の熱効率の向上を図ることが可能となる。
【００５５】
なお、当該実施の形態４及び上記実施の形態３は、羽根板が平板であっても上記したように取着する位置を工夫することによって旋回流を発生させられることを示す一例である。
【００５６】
〔実施の形態５〕
【００５７】
本実施の形態における燃料改質装置は、上記した燃料改質装置１の構成と旋回流発生手段の構成を異にする以外は同様の構成である。ここでは説明の便宜のため、差分のみについて解説する。
【００５８】
図５は、本実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す要部斜視図である。
【００５９】
この図に示すように、本実施の形態に係る旋回流発生手段４００、上記旋回流発生手段２と同様に反射板４０１と、これに立設された羽根板４０２・・・とから構成してあり、羽根板４０２の形状が特徴的である。羽根板４０２・・・は、反射板４０１に取着した第一の羽根部４０２ａ・・・と、この第一の羽根部４０２ａ・・・の下端部分に円筒管の軸心方向に対して所定の角度θで傾斜させて取着した平板状の第二の羽根部４０２ｂ・・・とから構成してある。このような羽根板４０２・・・を設けることにより旋回流が発生されるわけであるが、本旋回流発生手段４００では、その発生の主なメカニズムが上記したものとは異なっている。つまり、第一の羽根部４０２ａ・・・でまず反射板４０１の中心部分から円周方向へ直線的に整流しながら分散させた後、下方に直線的に降下しようとするときに、第二の羽根部４０２ｂにより別な方向に強制的に導くことにより旋回力を付与し旋回流を発生させるものである。従って、上記同様に改質触媒層の優れた面内温度均一化の効果と高い熱効率が期待できる。
【００６０】
なお、ここで取着した第二の羽根部４０２ｂ・・・は、羽根板３，羽根板１０２，羽根板２０２，羽根板３０２の下方に同様に設ければ、それらだけの場合よりも旋回流の発生を促進させることが可能となる。また、第二の羽根部４０２ｂ・・・だけでも十分に旋回流を発生させられるが、第一の羽根部４０２ａに相当する整流板を設ける方が発生効率に優れると思われる。
【００６１】
【実施例】
上記実施の形態１に基づいて、燃焼筒５０の外径；８０ｍｍ，高さ；２４０ｍｍ、改質触媒層２０の内径；９０ｍｍ，高さ；２００ｍｍ、羽根板４の枚数；４枚，この高さ（即ち、燃焼ガスが噴出される燃焼筒と反射板との間隙）；３０ｍｍ，曲率；半径＝５０ｍｍなどの主な寸法で作製した燃料改質装置を用いて、改質触媒層の面内温度均一化の効果について検証した。
【００６２】
比較例として、上記羽根板４・・・を配さない以外はこれと同じ構成の燃料改質装置を用いた。
【００６３】
そして双方の燃料改質装置を、改質燃料；１Ｎｍ³／ｈ，原燃料と水蒸気の混合比率（スチーム／カーボン比で２．５）、制御温度；改質触媒層の出口平均温度７００℃の条件にて運転した場合の改質触媒層の出口部分に面内温度分布を測定した。この測定結果を図示したのが図６である。図６は、円周に沿った各部位と触媒層の温度との関係を示す特性図である。なお、基準点（角度０°の地点）は、任意に選択した部位である。
【００６４】
これに示すように実施例に係る燃料改質装置では、適切な反応温度（７００℃）付近で面内温度分布は極めて直線性が高く均一的であることが分かる。一方、比較例の燃料改質装置では、円周に沿って５０℃近くの温度差が認められた。この結果は、上記した旋回流発生手段による面内温度均一化の効果を裏付けるものである。更に、この結果から算出した熱効率は、実施例では９０．２％であり、比較例にあっては８６％であったことから、燃焼ガスを旋回させることで熱伝達率が向上されることが裏付けられた。
【００６５】
〔その他の事項〕
【００６６】
本発明は、上記実施の形態に限定されないのは言うまでもなく、発明の要旨を逸脱しない範囲において次のような変形例が考えられる。
【００６７】
（１）上記旋回流発生手段は、全て燃焼筒の上方に設けたがこれに限定されないのは言うまでもなく、燃焼筒に天板を設け更に、筒板周面上部に反応管の軸心に対して斜めになるように切り込みを入れて複数のスリットを開設して、このスリットから燃焼ガスを分散させることにより旋回流を発生させることもできる。しかも、このスリットからなる旋回流発生手段は、極めて簡単な構成で効率良く旋回流を発生させられるので、上記した反射板と羽根板とからなるものよりも技術的には意義深いと思われる。
【００６８】
（２）上記各実施の形態では改質触媒層しか配設していないが、上記円筒管４０の周囲に断面ドーナツ形状からなるシフト触媒層などの触媒層を配設して改質ガス中の一酸化炭素ガスの低減を図るようにすることもできる。
【００６９】
（３）上記各実施の形態では、同心円状に筒部材を配設して燃料改質装置を設計したが同心円状でなくとも無論かまわない。しかしながら同心円状に設計した方が旋回流発生手段における羽根部材の設置場所等の設計が容易であるといった利点があるし、面内温度均一化を図るにも望ましい形態であるとも言える。また、上記各実施の形態では円筒状の反応装置について説明したが、これに限定されず、角筒状等の反応管であっても同様に実施することができる。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明の燃料改質装置によれば、燃焼ガス流通空間への導入前に、上記燃焼ガスに旋回力を付与するための旋回流発生手段を備えるので、簡単な構成でしかもバーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化するまでもなく、燃焼ガスを整流しつつ旋回流として均一的に分散させて燃焼ガスのゆらぎの解消を図ると共に円周方向への伝熱成分を増やすことにより、改質触媒層の面内温度均一化を図ることができるととともに、装置自体の熱効率を向上させることもできる。つまり、バーナ等の燃焼ガス発生手段を大型化せずとも高い熱効率で反応温度付近において改質触媒層の面内温度を均一にすることができるといった効果を奏する。また、このように面内温度が均一にされるので触媒利用率が高まり反応率も向上されるといった効果も期待できる。この旋回流発生手段の配設位置としては、具体的には、燃焼筒からの燃焼ガスが反転される折り返し地点（燃焼筒から燃焼ガス流通空間に分散しようとする地点でもある。）が最も効率良く旋回流を発生させられる位置として挙げられる。
【００７２】
ここで、燃焼筒により案内された燃焼ガスを受けとめ燃焼筒外部に反射させる反射板と、当該反射板により反射された燃焼ガスを、これに旋回力を付与して上記改質反応管の壁面に衝突させる旋回羽根板とから上記旋回流発生手段を構成すれば極めて合理的である。
【００７６】
また、上記旋回流発生手段は、燃焼筒により案内された燃焼ガスを整流して上記燃焼ガス流通空間に導入する第一の羽根部と、整流された燃焼ガスに旋回力を付与する第二の羽根部とから構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、一の実施の形態に係る燃料改質装置１の内部構成を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図（ａ）における矢印Ｘ１矢視上面図である。
【図２】図２は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり（要部拡大斜視図を含む。）、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図３】図３は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図４】図４は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す平面図であり、上記図１（ｂ）に相当する図である。
【図５】図５は、別な実施の形態に係る燃料改質装置の要部の構成を示す要部斜視図である。
【図６】図６は、改質触媒層の円周に沿った各部位と触媒層の温度との関係を示す特性図である。
【図７】図７は、従来の技術における燃料改質装置の構成を示す概略図である。
【図８】図８は、更に別な従来の技術における燃料改質装置の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１燃料改質装置
２旋回流発生手段
３反射板
４羽根板
１０燃焼ガス生成部
２０燃料改質部
２０ａ凹部
２０ｂ改質ガス排出管
２１仕切筒板
２２底板
２３改質触媒層
３０燃焼ガス流通空間
４０円筒管
４１底板
４１ａ燃焼ガス排出管
４２天板
４３燃料供給管
５０燃焼筒
１００旋回流発生手段
１０１反射板
１０２羽根板
１０２ａ第一の面
１０２ｂ第二の面
２００旋回流発生手段
２０１反射板
２０２羽根板
２０２ａ羽根板２０２の中心側に臨む面
３００旋回流発生手段
３０１反射板
３０２羽根板
３０２ａ羽根板３０２の中心側に臨む面
４００旋回流発生手段
４０１反射板
４０２羽根板
４０２ａ第一の羽根部
４０２ｂ第二の羽根部
５０１燃焼用バーナ
５０２ガイドフィン
５０３燃焼筒
５０４整流板
５０５改質触媒層
５０６改質触媒層
５０７伝熱促進体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an improved technique for a fuel reformer that generates a hydrogen-rich reformed gas by reforming a fuel such as hydrocarbon using steam.
[0002]
[Prior art]
In hydrogen production equipment for producing and supplying hydrogen to fuel cells, etc., hydrocarbon-based raw fuels such as natural gas, methanol, and naphtha are mixed with steam and reformed into a hydrogen-rich gas using a reforming catalyst. A so-called steam reforming method is employed.
[0003]
The steam reforming is exemplified by the following reaction formula 1 when butane is taken as an example, and is usually performed at a high temperature of about 600 ° C. to 800 ° C.
[0004]
[Chemical 1]

[0005]
Such a steam reforming apparatus may be used at home or outdoors, and in such a case, an apparatus design that is as compact as possible is required from the viewpoint of arrangement space and convenience of transportation.
[0006]
As an example of a conventional relatively compact steam reforming apparatus, as disclosed in JP-A-2-264903 and JP-A-5-186201, a catalyst for reforming reaction is provided in a double cylindrical tube. While a reaction tank filled with is heated by a burner provided in the central portion, raw fuel and water vapor are fed into the reaction tank for reforming.
[0007]
In such a reformer, the temperature in a plane perpendicular to the raw material gas flow direction in the reforming catalyst layer (hereinafter, the temperature distribution in the plane perpendicular to the raw material gas flow direction is defined as “in-plane temperature”. )) To the appropriate temperature (600 to 800 ° C.) that is as uniform as possible and the reaction proceeds sufficiently, and the heat loss of the combustion gas generated by the burner or the like is reduced as much as possible to efficiently heat it. desired. That is, if the in-plane temperature becomes non-uniform, for example, the reaction proceeds remarkably at a portion where the temperature is high in the catalyst layer, while the reactivity decreases at a portion where the temperature is low, that is, the reaction does not occur within the catalyst layer. By proceeding uniformly (in other words, nonuniformity in the catalyst utilization rate occurs), the catalyst activity is rapidly reduced locally. And if the fall of a local catalyst activity advances in this way, the reactivity of a reformer will fall remarkably. On the other hand, if the combustion gas is simply uniformly dispersed, the in-plane temperature must be non-uniform due to the fluctuation of the combustion gas itself, and the direction perpendicular to the wall surface of the reforming catalyst layer ( The problem that the heat transfer rate in the circumferential direction is small remains. On the other hand, if the in-plane temperature distribution is uniform, the reaction can be prevented from proceeding non-uniformly. However, in this case as well, the heat transfer rate of the heat from the combustion gas is still low, so the heat efficiency of the reformer is also low. Since it is low, in order to set the reforming catalyst layer to an appropriate reaction temperature, the combustion force by a burner or the like must be increased. That is, the combustion gas generating means such as a burner is increased in size.
[0008]
Therefore, various ideas have been devised in order to solve the above problems. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 7-033402 discloses a reformer as shown in FIG. In other words, the high-temperature combustion gas generated by the combustion burner 501 is swirled in the combustion cylinder 503 in which the guide fins 502 are spirally arranged, and this is dispersed in the radial direction by the rectifying plate 504 to be reformed catalyst. Layer 505 is configured to warm. According to this, since the combustion gas is supplied as a swirling flow, heat is uniformly transferred in the circumferential direction by eliminating the fluctuation of the combustion gas, so that the in-plane temperature in the reforming catalyst layer is made uniform. It can be achieved to some extent. And since it is a swirl flow, the heat transfer rate to the circumference direction can be enlarged, Therefore The thermal efficiency of reformer itself is also comparatively excellent. Further, this patent publication discloses a technique for generating a swirling flow of the combustion gas by installing a combustion burner 501 obliquely in advance in a combustion cylinder 503. This also makes it possible to make the in-plane temperature uniform and improve the thermal efficiency of the reformer as described above. Further, in Japanese Patent Laid-Open No. Hei 8-192040, as shown in FIG. 8, a helical heat transfer body 507 made of metal is attached in the vicinity of the reforming catalyst layer 506, so that the combustion gas is swirled. Techniques to do this are disclosed. A similar effect can be obtained to some extent by this technique.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique disclosed in the above publication is still insufficient, and it is desired to make the in-plane temperature of the reforming catalyst layer more uniform and improve the thermal efficiency of the reformer. This is because in any of the above configurations, the position where the swirl flow is generated is inside the combustion cylinder, or after the combustion gas is once dispersed to some extent in the circumferential direction and the combustion gas flows in the axial direction of the cylindrical body. Thus, unless the burner combustion force is increased, sufficient swirl flow cannot be obtained when the combustion gas reaches the heat exchange with the reforming catalyst layer, and the swirl flow once generated becomes laminar flow, resulting in fluctuations. This is because there is a possibility that it will not be solved, and in this case, sufficient heating will not be possible, and the in-plane temperature will become non-uniform, and in addition, the heat transfer coefficient will also decrease. Further, in order to generate a swirl flow, the helical member must be welded to the combustion tube or the reaction tube of the reforming catalyst layer, that is, to the curved surface. There is a problem that the burden is large and the cost is high.
[0010]
Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and it is possible to achieve in-plane temperature uniformity without complicating the configuration and without increasing the size of a combustion gas generating means such as a burner. The present invention has been made for the purpose of providing a fuel reforming apparatus having excellent effects and excellent thermal efficiency.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a combustion cylinder for guiding combustion gas generated by the combustion gas generation means, and a reforming reaction in which a combustion gas circulation space is secured and surrounded between the combustion cylinder. A fuel reformer that comprises a pipe and introduces the combustion gas guided by the combustion cylinder into the combustion gas circulation space by reversing the flow direction thereof,The combustion gas generating means is disposed at the lower end of the combustion cylinder,A swirling flow generating means for applying a swirling force to the combustion gas before introduction into the combustion gas circulation space is provided.The swirling flow generating means is disposed at the upper end of the combustion cylinder, which is a turning point where the combustion gas from the combustion cylinder is reversed, and the swirling flow generating means receives the combustion gas guided by the combustion cylinder and is external to the combustion cylinder. And a swirl vane plate that imparts a swirling force to the combustion gas reflected by the reflector plate and collides with the wall surface of the reforming reaction tube, and the swirl vane plate is formed by a combustion cylinder. A first blade portion standing at right angles to the reflector for rectifying the guided combustion gas and introducing it into the combustion gas circulation space; and the first blade for imparting a turning force to the rectified combustion gas It is comprised from the flat 2nd blade | wing part attached by making it incline with respect to the axial center direction of the said combustion cylinder of the lower end part of a part.
[0012]
As a result, the combustion gas is uniformly dispersed as a swirl flow with a simple configuration and the combustion gas generating means such as a burner is not enlarged, thereby eliminating the fluctuation of the combustion gas and increasing the heat transfer component. (This increase in heat transfer components is thought to be due to the action of reducing the temperature boundary film supported by fluid dynamics.) The thermal efficiency of the catalyst layer can be improved. That is, there is an effect that the in-plane temperature of the reforming catalyst layer at a suitable reaction temperature can be made uniform with high thermal efficiency without increasing the size of the combustion gas generating means such as a burner.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a fuel reformer according to an embodiment will be specifically described with reference to the drawings.
[0019]
[Embodiment 1]
[0020]
The structure of the reforming reaction tube is a conventional double cylindrical tube structure formed by concentrically combining a plurality of heat-resistant cylindrical members, except that the means for dispersing the combustion gas is characteristic. And has the structure described below. FIG. 1 (a) is a schematic diagram showing the internal configuration of the fuel reformer 1 according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1 (b) is a top view as viewed from the arrow X1 in FIG. 1 (a). FIG.
[0021]
As shown in these drawings, the fuel reforming apparatus 1 uses a combustion gas generation unit 10 (in this embodiment, a burner) that generates a combustion gas that is a heat medium for maintaining the apparatus at a predetermined temperature. And a fuel reforming section 20 (described as a reforming reaction tube in the claims) that reforms a hydrocarbon-based raw fuel (methane, butane, etc.) into water-rich gas using steam. The combustion gas generated in the combustion gas generation unit 10 is efficiently transferred to the fuel reforming catalyst layer provided in the fuel reforming unit 20 in the apparatus 10. Combustion gas circulation space 30 secured at a facing position.
[0022]
At the upper part of the combustion gas generating unit 10, the cylindrical tube 40 faces an opening (not shown) formed in the central portion of the bottom plate 41 to face the opening provided in the combustion gas generating unit 10, so that the combustion gas flows. It is arranged so as to flow into the cylindrical tube 40. A combustion gas discharge pipe 41 a is inserted from the upper side wall of the cylindrical pipe 40 so as to discharge the combustion gas flowing into the cylindrical pipe 40 to the outside.
[0023]
Next, the combustion cylinder that guides the combustion gas to the upper part of the tube so that the combustion gas flowing into the cylindrical tube 40 from the opening provided in the bottom plate 41 of the cylindrical tube 40 efficiently convects in the cylindrical tube 40. 50 is erected in the cylindrical tube 40 with its open end facing the opening of the bottom plate 41 of the cylindrical tube 40. As a result, the combustion gas as the high-temperature heat medium generated by the combustion gas generation unit 10 passes through the inside 51 of the combustion cylinder 50 and is directed upward (arrow) before being used for heating the reforming catalyst. (Indicated by A1).
[0024]
Further, around the combustion cylinder 50 in the tube of the cylindrical tube 40, a fuel reforming unit 20 which is a molded body of the cylindrical tube is disposed. The fuel reformer 20 has an inner diameter smaller than the inner diameter of the cylindrical tube 40 and a length in the axial direction shorter than the axial length of the fuel reforming portion 20 from the bottom of the cylindrical tube toward the upper portion in the axial direction. It is a cylindrical tube molding which has the recessed part 20a of a larger diameter than the outer diameter of this. Then, in the recessed portion 20a of the cylindrical tube molded body, the combustion cylinder 50 is buried while the side wall forming the recess and the outer wall of the combustion cylinder 50 are spaced apart from each other, and the opening is also separated from the inner wall of the cylindrical tube 40. Is attached to the top plate 42 of the cylindrical tube 40. By providing the fuel reforming unit 20 in this way, a space is secured around the fuel reforming unit 20 in the cylindrical tube 40. The space thus formed becomes the combustion gas circulation space 30. Therefore, the combustion gas is ejected from the inside 51 of the combustion cylinder 50 to the outside, and is then used for heat exchange with the fuel reforming unit 20 in the combustion gas circulation space 30, and the combustion gas discharge pipe 41a. Is going to be discharged through.
[0025]
As shown in FIG. 1, the internal structure of the fuel reforming unit 20 is such that the end portion is separated from the donut-shaped bottom plate 22 that forms the reaction tube of the fuel reforming unit 20 on the top plate 42 of the partition cylinder plate 21. It is attached in a state to provide two space areas, and in the area closer to the inner periphery, a buffer space for introducing raw fuel / water vapor and a buffer space for discharging reformed gas are left and right, and a donut-shaped cross section A reforming catalyst layer 23 is formed. The reforming catalyst layer 23 is formed, for example, by filling a ceramic particle carrier with catalyst particles supporting Rh, Ru, Ni or the like. Then, reforming for discharging the reformed gas out of the system so as to communicate with the space region on the outer peripheral side of the partition tube plate 21 is performed on the outer wall upper portion of the cylindrical tube forming body forming the fuel reforming portion 20. A gas discharge pipe 20b is inserted. A fuel supply pipe 43 is inserted from the center of the top plate 42 of the cylindrical pipe 40 in order to supply the fuel reforming section 20 with a mixture of raw fuel and steam used for fuel reforming.
[0026]
The upper end of the combustion cylinder 50 is provided with a swirl flow generating means 2 for making a swirl flow and dispersing it around the fuel reforming unit 20 in order to increase the heat transfer coefficient of the combustion gas as a heat medium.
[0027]
The swirl flow generating means 2 includes a disk-shaped reflecting plate 3, and blade plates 4 having a curved surface with a predetermined curvature, which are erected on the reflecting plate 3 radially at an equal pitch. The lower ends of the plates 4... Are attached to the upper end of the combustion cylinder 50 so that the center point of the reflector 3 coincides with the axis of the combustion cylinder 50. With such a configuration, when the combustion gas guided by the combustion cylinder 50 is received by the reflector 3 and dispersed in the circumferential direction, a swirling flow is generated. In addition, since the blade plates 4 are erected on the reflector plate 3 at an equal pitch, the vane plates 4... Further, since the reflector 3 is provided so as to extend in the circumferential direction from the central portion of the portion of the reflector 3 facing the inside of the combustion cylinder 50, the combustion gas flowing through the central portion in the combustion cylinder 50 can also be swirled. It contributes to the improvement of the swirl flow generation efficiency. In addition, the reflecting plate 3 is fixed to the upper end of the combustion cylinder 50 by the blade plates 4... So as to withstand the pressure of the combustion gas.
[0028]
The main mechanism for generating the swirling flow is described as follows. First, combustion gas (arrow A1) passing through the combustion cylinder 50 collides with the reflector 3. And it distribute | distributes toward the circumferential direction so that a curvilinear flow may be made from the center point of the reflecting plate 3 along the curved surface of the blades 4 ... (arrow A2). Such combustion gas descends with its direction reversed with respect to the flow direction in the combustion cylinder 50 while turning in the combustion gas circulation space (arrow A3).
[0029]
Thus, the reforming catalyst layer can be efficiently heated by applying the swirl force to the combustion gas and uniformly dispersing the combustion gas. In other words, the heat transfer component that transfers heat perpendicularly to the outer wall surface of the reforming catalyst layer (heat transfer that transfers heat linearly in the circumferential direction) Component) is generated and the heat transfer coefficient is improved. Therefore, since the thermal efficiency of the reforming catalyst layer is improved, it can be efficiently heated to a temperature suitable for the reforming reaction. Further, since the swirl flow is generated uniformly as described above, the fluctuation of the combustion gas is eliminated, and the in-plane temperature can be made uniform. As a result, the reforming reaction can be performed uniformly and highly efficiently in the reforming catalyst layer.
[0030]
In this reformer, the swirl flow generating means 2 is provided at a branch point where the combustion gas is to be dispersed from the inside of the combustion cylinder 50 toward the combustion gas circulation space. Can be dispersed. Considering from another point of view, the swirl flow generating means 2 is arranged at a circulation end portion in the combustion cylinder 50 of the combustion gas, at a turning point where the combustion gas shifts from the updraft to the downflow, that is, the direction is reversed. Therefore, it can be said that the combustion gas is effectively dispersed by the swirl force effectively by the rising airflow pressure. Since the swirl flow can be generated efficiently in this way, the increase in the size of the burner can be suppressed. In addition, the configuration of the swirling flow generating means shown here is very simple and does not have to be attached to the curved surface of the cylinder as in the conventional case, so the burden on the manufacturing process is reduced and the manufacturing cost is minimized. It is thought that it can be suppressed.
[0031]
It is considered that the effect of the in-plane temperature equalization and the improvement of the thermal efficiency due to the swirl flow is more excellent as the swirl flow is efficiently generated and the more heat transfer components in the circumferential direction are generated by the swirl flow. Therefore, the curvature of the blade plates 4... Should be set in consideration of various conditions such as the flow rate of the combustion gas and the inner diameter of the combustion cylinder 50 so that the swirl flow is generated. The blades 4... Can be formed with a constant curvature, but for example, may be formed to have a curved surface that is twisted so that the curvature increases in the downward direction.
[0032]
The number of blades 4... Standing up will also vary depending on the flow rate of the combustion gas, the inner diameter of the combustion cylinder 50, etc., but it seems that the generation efficiency of the swirl flow is higher when the number is as large as possible. It is. Moreover, it seems desirable to set the height of the blades 4... As small as possible. This is because when the combustion gas reflected by the reflector 3 is dispersed from the gap between the reflector 3 and the blades 4. This is because is considered to be generated more efficiently. Further, it is desirable that the angle at which the blade plate 4 is erected on the reflecting plate 3 is preferably slightly inclined with respect to the rising flow of combustion gas. This is because the combustion gas is directly received and dispersed by the vanes 4. Further, the blades 4... Are twisted and deformed so that the circumferential side part is slightly inclined rather than the central side (base end side) part. Is desirable because it can be effectively maintained.
[0033]
Here, if only the reflector is provided, it is considered that the fluctuation is particularly large in the space facing the lower part of the reforming catalyst layer, and the in-plane temperature increases as it goes to the lower part. It is considered a thing. Therefore, how to eliminate the fluctuation as the combustion gas descends is essential to enhance the effect of equalizing the in-plane temperature. The swirl flow generating means 2 is a technique that satisfies this point. The swirl flow generating means 2 converts the combustion gas into a uniform swirl flow for heat exchange with the reforming catalyst layer, and the swirl flow is generated when dispersed, so that the swirl amount is large. Even if the combustion gas advances (falls) in the axial direction of the reforming catalyst layer, the heat transfer component in the circumferential direction does not decrease so much, and it is uniform from the inlet side to the outlet side of the reforming catalyst layer. It can be said that this technology enables heat exchange with high efficiency. This is supported by the experimental results described later (see FIG. 6).
[0034]
[Embodiment 2]
[0035]
The fuel reformer in the present embodiment has the same configuration except that the configuration of the fuel reformer 1 described above is different from the configuration of the swirling flow generating means. Here, only the difference is explained for convenience of explanation.
[0036]
FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the main part of the fuel reformer according to the present embodiment, and is a view corresponding to FIG. 1 (b) (with an enlarged view of the blades). is there).
[0037]
As shown in this figure, the swirl flow generating means 100 according to the present embodiment, and the swirl flow generating means 2 are composed of a reflecting plate 101 and blade plates 102. Yes, the shape of the blades 102 is different from the shape of the blades 4. In this case as well, the blades 102 are erected so as to extend in the circumferential direction from the vicinity of the center of the reflecting plate 101 in order to improve the generation efficiency of the swirling flow.
[0038]
The slats 102 are formed in a “<” shape so that the first surface 102a from the base end to the bent portion faces the center and the flow of the combustion gas reflected by the reflector 101 is circular. The second surface 102b that linearly circulates in the circumferential direction as indicated by an arrow A4 and that is located on the center side and located in the circumferential direction from the bent portion further rectifies the rectified combustion gas as indicated by an arrow A5. In addition, it works to disperse while rotating toward the reforming catalyst layer.
[0039]
Since the swirl force is applied while rectifying in this way and the heat is exchanged uniformly with the reforming catalyst layer as a swirling flow, not only the inlet portion of the reforming catalyst layer but also the central portion and the outlet portion as described above. In the meantime, the in-plane temperature distribution can be made uniform, and the thermal efficiency of the reformer can be improved. In addition, since the swirl force is applied after rectifying, swirl flow can be effectively generated.
[0040]
Note that the bending angle of the blades 102... Is such that the flow rate of the combustion gas and the inner diameter of the combustion cylinder 50 are set so that the effect of equalizing the in-plane temperature due to the swirl flow and a high heat transfer coefficient can be obtained. Set with consideration.
[0041]
[Embodiment 3]
[0042]
The fuel reformer in the present embodiment has the same configuration except that the configuration of the fuel reformer 1 described above is different from the configuration of the swirling flow generating means. Here, only the difference is explained for convenience of explanation.
[0043]
FIG. 3 is a plan view showing the configuration of the main part of the fuel reformer according to the present embodiment, and corresponds to FIG. 1B.
[0044]
As shown in this figure, it is composed of a swirl flow generating means 200 according to the present embodiment, a reflector 201 similar to the swirl flow generating means 2 and blades 202. The shape of the slats 202 is different from the shape of the slats 4.
[0045]
The blades 202 are flat plates so that the combustion gas is not linearly dispersed in the circumferential direction from the center point of the reflection plate 201, that is, the combustion gas has an angle that is not 90 ° on the outer wall surface of the reforming catalyst layer. The reflector 201 is erected so as to collide. Specifically, considering that the fuel reformer is designed in a cylindrical tube structure formed concentrically, a two-dimensional horizontal cross section (a horizontal cross section is perpendicular to the flow direction of the raw material). Direction, here, means a cross section in a direction horizontal to the reflector.) A tangent at the peripheral edge intersecting with the blades 202... Are attached radially so as to extend in the circumferential direction from the plane near the center of the reflector 201 so as not to be normal to the plane of. If another expression is used for the manner of attachment of the slats 202 described here, the flat slats 202 ... are the center point of the disc-shaped reflector 201 and the two ends of the slats. It also means that the portions are arranged so as to be non-linear in the same plane. Furthermore, in other words, the intersection between the axial center of the flux of the dispersed flow flowing through the combustion gas circulation space and the reflecting plate 201 and the two opposite ends in the horizontal direction of the flat blade plate 202. In other words, the blades 202 are erected on the reflecting plate 201 so as to be non-linear in the same plane. Furthermore, in other words, it is attached here with an inclination with respect to the diameter of the double cylinder.
[0046]
As a result, the surface 202a of the blades 202 facing the center side of the reflecting plate 201 applies a swirl force while rectifying the combustion gas reflected by the reflecting plate 201 to uniformly generate a swirling flow.
[0047]
Therefore, as described above, it is possible to make the in-plane temperature distribution uniform not only to the inlet portion of the reforming catalyst layer but also to the central portion and the outlet portion, and to improve the thermal efficiency of the reformer. Become.
[0048]
[Embodiment 4]
[0049]
The fuel reformer in the present embodiment has the same configuration as that of the above-described third embodiment except that the configuration of the swirling flow generating means is different.
[0050]
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the main part of the fuel reformer according to the present embodiment, and corresponds to FIG. 1 (b).
[0051]
As shown in this figure, the swirl flow generating means 300 according to the present embodiment, and the reflex plate 301 and the blade plates 302. Yes, the attachment location of the blades 302... Is the peripheral edge of the reflector 301 and is different from the swirl flow generating means 200.
[0052]
Here, the blades 302... Prevent the combustion gas from being linearly dispersed in the circumferential direction from the center point of the reflector 301, that is, the combustion gas collides with the outer wall surface of the reforming catalyst layer at an angle of not 90 °. In this manner, the reflector plate 301 is provided radially at the peripheral edge. Specifically, since the fuel reformer is designed in a cylindrical tube structure formed concentrically as described above, the vane plate 302 of the circular reflector 301 when considered in a two-dimensional horizontal section. The base end side of the blade plate 302 is attached to the peripheral portion of the reflection plate 301 so that the tangent line at the peripheral portion intersecting with the plane does not become a normal line to the surface of the blade plate 302. To do. In addition, if another expression is used for the manner of attachment of the blades 302 described here, the flat blades 302... It also means that the two opposite ends in the horizontal direction are arranged so as to be non-linear in the same plane. Furthermore, this means that the intersection between the axial center of the flux of the dispersed flow flowing through the combustion gas circulation space and the reflecting plate 301 and the two end portions of the flat blade plate 302. It can also be expressed that the blade plates 302... Furthermore, in other words, it is attached here with an inclination with respect to the diameter of the double cylinder.
[0053]
As a result, the surface 302a... Facing the center side of the reflector 301 of the blades 302...
[0054]
Therefore, as described above, it is possible to make the in-plane temperature distribution uniform not only to the inlet portion of the reforming catalyst layer but also to the central portion and the outlet portion, and to improve the thermal efficiency of the reformer. Become.
[0055]
In addition, the said Embodiment 4 and the said Embodiment 3 are an example which shows that a swirl | vortex flow can be generated by devising the attachment position as mentioned above, even if a blade is a flat plate.
[0056]
[Embodiment 5]
[0057]
The fuel reformer in the present embodiment has the same configuration except that the configuration of the fuel reformer 1 described above is different from the configuration of the swirling flow generating means. Here, only the difference is explained for convenience of explanation.
[0058]
FIG. 5 is a perspective view showing a main part of the structure of the main part of the fuel reformer according to the present embodiment.
[0059]
As shown in this figure, the swirling flow generating means 400 according to the present embodiment, and the swirling flow generating means 2 are constituted by a reflecting plate 401 and blade plates 402. Yes, the shape of the vane plate 402 is characteristic. The blades 402... Are predetermined with respect to the axial direction of the cylindrical tube at the first blades 402a... Attached to the reflection plate 401 and at the lower ends of the first blades 402a. The flat blade-shaped second blade portion 402b... Attached at an angle of θ. Although a swirl flow is generated by providing such blades 402..., The main mechanism of the swirl flow generation means 400 is different from that described above. That is, when the first blade portion 402a... Is first dispersed while linearly rectifying from the central portion of the reflector 401 in the circumferential direction, the second blade portion 402a. A swirl force is applied by forcibly guiding the blade portion 402b in another direction to generate a swirl flow. Therefore, as described above, an excellent in-plane temperature uniformity effect and high thermal efficiency of the reforming catalyst layer can be expected.
[0060]
In addition, if the 2nd blade | wing part 402b ... attached here is similarly provided under the blade plate 3, the blade plate 102, the blade plate 202, and the blade plate 302, it will be a swirl flow rather than the case of only them. Can be promoted. In addition, the swirl flow can be sufficiently generated only by the second blade portions 402b..., But it is considered that the generation efficiency is better when a rectifying plate corresponding to the first blade portion 402a is provided.
[0061]
【Example】
Based on the first embodiment, the outer diameter of the combustion cylinder 50: 80 mm, height: 240 mm, the inner diameter of the reforming catalyst layer 20: 90 mm, height: 200 mm, the number of blades 4: four, this height (I.e., the gap between the combustion cylinder from which the combustion gas is jetted and the reflector); 30 mm, curvature; in-plane temperature of the reforming catalyst layer using a fuel reformer manufactured with main dimensions such as radius = 50 mm The effect of homogenization was verified.
[0062]
As a comparative example, a fuel reformer having the same configuration as that described above was used except that the blades 4.
[0063]
Both fuel reformers are connected to reformed fuel; 1 Nm^Three/ H, mixing ratio of raw fuel and steam (steam / carbon ratio: 2.5), control temperature; at the outlet portion of the reforming catalyst layer when operated at an average outlet temperature of the reforming catalyst layer of 700 ° C. The in-plane temperature distribution was measured. This measurement result is shown in FIG. FIG. 6 is a characteristic diagram showing the relationship between each part along the circumference and the temperature of the catalyst layer. The reference point (point with an angle of 0 °) is an arbitrarily selected part.
[0064]
As can be seen, in the fuel reforming apparatus according to the example, the in-plane temperature distribution is extremely linear and uniform near the appropriate reaction temperature (700 ° C.). On the other hand, in the fuel reformer of the comparative example, a temperature difference near 50 ° C. was recognized along the circumference. This result confirms the effect of equalizing the in-plane temperature by the swirling flow generating means. Furthermore, the thermal efficiency calculated from this result was 90.2% in the example, and 86% in the comparative example, so that the heat transfer coefficient can be improved by swirling the combustion gas. It was supported.
[0065]
[Other matters]
[0066]
Needless to say, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and the following modifications are conceivable without departing from the spirit of the invention.
[0067]
(1) Although all of the above-mentioned swirling flow generating means are provided above the combustion cylinder, it is needless to say that the present invention is not limited to this. It is also possible to create a swirling flow by opening a plurality of slits by making cuts so as to be inclined and dispersing combustion gas from the slits. Moreover, the swirl flow generating means comprising the slits can generate swirl flow efficiently with a very simple configuration, and thus is considered to be technically more significant than the one composed of the above-described reflector and blades.
[0068]
(2) Although only the reforming catalyst layer is provided in each of the above embodiments, a catalyst layer such as a shift catalyst layer having a cross-sectional donut shape is provided around the cylindrical tube 40 so that the It is also possible to reduce the carbon monoxide gas.
[0069]
(3) In each of the above embodiments, the fuel reformer is designed by arranging the cylindrical members concentrically. However, it does not matter if the fuel reformer is not concentric. However, the concentric design is advantageous in that it is easy to design the installation location of the blade member in the swirling flow generating means, and it can be said that this is a desirable form for achieving a uniform in-plane temperature. In each of the above embodiments, a cylindrical reaction apparatus has been described. However, the present invention is not limited to this, and a reaction tube having a rectangular tube shape or the like can be similarly implemented.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel reforming apparatus of the present invention, since it is provided with the swirling flow generating means for applying the swirling force to the combustion gas before introduction into the combustion gas circulation space, it has a simple configuration. Moreover, it is not necessary to increase the size of the combustion gas generating means such as a burner, and the combustion gas is uniformly dispersed as a swirl flow while rectifying the combustion gas, thereby eliminating the fluctuation of the combustion gas and increasing the heat transfer component in the circumferential direction. As a result, the in-plane temperature of the reforming catalyst layer can be made uniform, and the thermal efficiency of the apparatus itself can be improved. That is, the in-plane temperature of the reforming catalyst layer can be made uniform in the vicinity of the reaction temperature with high thermal efficiency without increasing the size of the combustion gas generating means such as a burner. In addition, since the in-plane temperature is made uniform in this way, it can be expected that the catalyst utilization rate is increased and the reaction rate is also improved. Specifically, the swirl flow generating means is disposed most efficiently at a turning point where combustion gas from the combustion cylinder is reversed (which is also a point where the combustion cylinder tries to disperse into the combustion gas circulation space). It is mentioned as a position where a swirl flow is often generated.
[0072]
Here, a reflecting plate that receives the combustion gas guided by the combustion tube and reflects it to the outside of the combustion tube, and a combustion gas reflected by the reflecting plate is applied to the wall of the reforming reaction tube by applying a turning force thereto. It is very reasonable to construct the swirl flow generating means from the swirl blade plates to be collided.
[0076]
The swirling flow generating means includes a first blade portion that rectifies the combustion gas guided by the combustion cylinder and introduces it into the combustion gas circulation space, and a second blade that imparts a swirling force to the rectified combustion gas. It can also consist of a blade part.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 (a) is a schematic diagram showing an internal configuration of a fuel reformer 1 according to an embodiment, and FIG. 1 (b) is a top view as viewed from arrow X1 in FIG. FIG.
FIG. 2 is a plan view showing a configuration of a main part of a fuel reformer according to another embodiment (including an enlarged perspective view of the main part), and corresponds to FIG. FIG.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of a main part of a fuel reformer according to another embodiment, and corresponds to FIG. 1 (b).
FIG. 4 is a plan view showing a configuration of a main part of a fuel reformer according to another embodiment, and corresponds to FIG. 1 (b).
FIG. 5 is a perspective view showing a main part of a structure of a main part of a fuel reformer according to another embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing a relationship between each portion along the circumference of the reforming catalyst layer and the temperature of the catalyst layer.
FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel reformer in the prior art.
FIG. 8 is a schematic view showing the configuration of a fuel reformer in still another conventional technique.
[Explanation of symbols]
1 Fuel reformer
2 Swirling flow generation means
3 reflector
4 blades
10 Combustion gas generator
20 Fuel reformer
20a recess
20b Reformed gas discharge pipe
21 Partition tube plate
22 Bottom plate
23 reforming catalyst layer
30 Combustion gas circulation space
40 Cylindrical tube
41 Bottom plate
41a Combustion gas discharge pipe
42 Top plate
43 Fuel supply pipe
50 Combustion cylinder
100 Swirl flow generating means
101 reflector
102 slats
102a first side
102b second side
200 Swirling flow generating means
201 reflector
202 slats
202a Face facing the center side of the blade 202
300 Swirling flow generating means
301 reflector
302 blade
302a The surface facing the center side of the blade 302
400 Swirl flow generating means
401 reflector
402 slats
402a First blade
402b Second blade
501 Combustion burner
502 Guide fin
503 Combustion cylinder
504 Current plate
505 reforming catalyst layer
506 Reforming catalyst layer
507 Heat transfer enhancer

Claims

Combustion cylinder that guides the combustion gas generated by the combustion gas generation means, and a reforming reaction pipe that is surrounded by a combustion gas circulation space between the combustion cylinder,
A fuel reformer for introducing the combustion gas guided by the combustion cylinder into the combustion gas circulation space by reversing the flow direction thereof,
The combustion gas generating means is disposed at the lower end of the combustion cylinder,
Prior to introduction into the combustion gas circulation space, comprising a swirling flow generating means for imparting a swirling force to the combustion gas ,
The swirl flow generating means is disposed at the upper end of the combustion cylinder, which is a turning point where the combustion gas from the combustion cylinder is reversed,
The swirling flow generating means receives the combustion gas guided by the combustion cylinder and reflects it to the outside of the combustion cylinder, and applies a swirling force to the combustion gas reflected by the reflecting plate to provide a wall surface of the reforming reaction tube. And swirl vanes that collide with
The swirl vane plate swirls to the rectified combustion gas, and a first vane portion standing at right angles to the reflector plate that rectifies the combustion gas guided by the combustion cylinder and introduces it into the combustion gas circulation space. A fuel having a flat blade-like second blade portion attached to the lower end portion of the first blade portion for applying a force with an inclination with respect to the axial direction of the combustion cylinder. Reformer.