JP3842167B2 - プレート形水蒸気改質装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，高純度の水素ガスが得られるプレート形水蒸気改質装置に関し，より詳細には，バーナから発生する改質反応器の熱源の他に水蒸気を発生させ，且つ改質反応器の加熱後残った廃熱を効率よく利用するために，運転初期に高温及び低温転換反応器を予熱させることができ，改質反応中にはダンパーを用いて排ガス流れを適切に変更し或いは外部の冷たい空気を流入させる方法を同時に取って高温及び低温転換反応器の温度を適切に保持させることが可能な，それぞれのモジュール化された構造を有するコンパクトなプレート形水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，水素は，原油の脱硫またはアンモニアの製造や化学肥料の製造などのための化学工業分野，低脂肪マーガリンの製造のような食品分野，金属の熱処理のような冶金及び製鉄分野，その他に半導体の製造，ガラス及び光ファイバの製造，自動車の燃料及び燃料電池用向けに用いられている。
【０００３】
最近は，燃料電池及び水素自動車などの如く，現場で小規模で連続して供給可能な水素製造装置の需要が段々増加しているのが実情であるが，現在使用されている水素の半分以上は天然ガス或いは炭化水素の改質から得られ，その他はナフサ改質，石炭ガス化，電気分解及びバイオマスから得られている。
【０００４】
一方，原料の改質方法としては水蒸気改質，酸素改質，混合改質など様々な方法が試みられているが，現在商業化されたものは水蒸気改質方法であって，水素は殆どこの水蒸気改質方法によって得られている。
【０００５】
しかも，水蒸気改質方法に使用される改質装置は，通常，スチーム発生器，脱硫反応器，改質反応器，高温及び低温転換反応器(Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ)などからなり，燃料電池の水素供給源として使用できるように一酸化炭素を効率良く除去するために，さらに酸素を加えて一酸化炭素を酸化させる酸化工程が追加されたり，二酸化炭素以外にその他の不純物を除去して高純度の水素を得るために，ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ)装置の追加的な適用が必要とされたりする。
【０００６】
通常，大型水素プラントの改質装置(ｒｅｆｏｒｍｅｒ)は，大型炉の内部に管形の反応器を設置して改質反応を行うが，約９００〜１０００℃の高温にも拘わらず，熱効率が約６０〜７０％に過ぎないと知られており，図８に示すように，改質装置４００は，改質反応器４０４，高温及び低温転換反応器（ＣＯ転換反応器）４０８，熱交換器，スチーム発生器４０６などが別途に設置される関係で，全体的な構成において，装置が大きく，構成が複雑で，配管断熱における熱損失によって全体的な熱効率が低くなるという欠点がある。
【０００７】
また，水蒸気改質装置を構成するそれぞれの改質反応器，高温及び低温転換反応器などそれぞれの反応器は，触媒層の温度によって反応性が決定されるため，各反応によってそれぞれ適した適正運転温度範囲が存在するが，水蒸気改質反応の場合は強い吸熱反応なので，７００〜９００℃が適正運転温度範囲と知られており，高温及び低温転換反応の場合は若干の発熱反応であるが，適正温度範囲がそれぞれ４００〜５００℃，２００〜３００℃と知られている。
【０００８】
一方，改質装置を稼動する場合，改質反応は吸熱反応なので，熱を供給するための手段としてバーナまたは電気発熱体またはその他の熱源を用いて外部から反応熱を供給する。特にバーナを熱源として使用する場合，改質反応の後残った廃熱は熱交換器を経てエネルギーの一部を回収するが，殆どのエネルギーはそれ以上活用できないという欠点がある。
【０００９】
また，高温及び低温転換反応の場合，若干の発熱反応であるが，起動初期には高温及び低温転換反応に適した温度に予熱させるために，電気発熱体などの加熱手段を必要とする。ところで，実際商業的に運転されている改質装置の場合，このような方法を使用した時に冷起動時間が約２時間と知られており，よって，速い起動を必要とする燃料電池或いはその他の用途の水素供給装置として活用するには，前記のような遅い起動時間は短所として作用する。
【００１０】
従って，このような問題点を解決するために，改質反応器と高温及び低温転換反応器の全て或いはその一部を統合する構造であって，構造的に単純で，大きさが小さく，起動時間が速く，エネルギーが効率的な装置を作ろうとする努力が行われている。
【００１１】
一方，コンパクト型改質装置として紹介された米国特許第６,２０３,５８７号と第５,７３３,３４７号の技術特徴をみれば，その構造が平板形からなり，改質器の一側面は触媒燃焼方式のヒータで加熱されるようにしており，効果的に反応熱を供給するために左右対称型の構造を取っているが，この特許技術ではたとえコンパクトに構成されているとはいえ，二次的に一酸化炭素を除去するための転換反応に対する考慮が全くなく，かつ装置自体でスチームを発生させて供給できないため，周辺機器が必要であってコンパクト化が不可能であるという欠点がある。
【００１２】
そして，米国特許第５,６０９,８３４号，第５,１８０,５６１号及び第５,０１５,４４４号などにはコンパクトな構造の改質装置が開示されてはいるが，この改質装置は，触媒燃焼バーナを発熱源とし，その熱を効率よく改質触媒層へ伝達させるプレート形構造である。これもスチーム発生器及び転換反応器に対する考慮がなくて改質装置全体構成の小型化に困るという欠点がある。
【００１３】
また，韓国特許第１９９７−２５６８８号と第１９９９−１４６５５号では，天然ガス型水素発生装置について紹介しているが，前者の場合，単に円筒状の同心型改質器構造で，触媒燃焼によって発生する熱を改質反応と水蒸気発生に利用できるようにするだけで，転換反応器は考慮されておらず，これも全体的にコンパクトな構成が不可能であるという欠点がある。
【００１４】
一方，後者の場合，単管式触媒燃焼バーナを活用して水蒸気を発生させ且つ燃料を予熱し，排気ガスで脱硫器に熱を供給する構造の改質器が提示されたが，このような構造においても別途の高温及び低温転換反応器を設置しなければならないため，全体的にコンパクトな構成が難しいという短所がある。
【００１５】
要するに，このように改質反応器とは別途に転換反応器，熱交換器及びスチーム発生器が構成される構造では，コンパクトで効率的な改質装置を達成することができない。よって，装置のコンパクト化のためには反応器を統合した構造が必要であると言える。
【００１６】
従って，小型化を目的として改良された改質装置の例が韓国特許第２０００−２２５４６号に紹介されたが，その技術内容を考察すれば，全体的に円筒形または四角形構造であって，同心円状にそれぞれの反応器が配置される形態を提示している。即ち，同心円状の最内側に燃焼のための空間があり，その外部に改質反応器が位置し，一酸化炭素除去のための転換反応器と酸化反応器が備えられた構造をしている。
【００１７】
これは熱源を供給する方法として，触媒燃焼バーナまたは火炎燃焼バーナ方式を採用しているが，燃焼排ガスを活用する方案として，コイル状の熱交換器またはバーナの外壁面に設置された流路に水を供給して水蒸気を作る方法を提示している。しかも，１つ或いは２つの蓋を開閉して排ガスの流路を変更させ得るようにすることで，転換反応器及び酸化反応器へ流れる排ガスの流量を調節して加熱及び温度を調節する構造を例示している。
【００１８】
従って，燃料の燃焼によって発生する熱から水蒸気を作り且つ改質反応器に必要な熱を加えることができるので，燃料を有効に利用することができ，排熱を転換反応器の予熱に利用するので，エネルギーを効率よく使用するに有効である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，前記改質装置は，同心円方向に反応器を配列して熱を有用に利用できるという利点を強調しているが，燃焼排ガスの流れが上下に移動するようになっている関係で，自然な排ガスの流れが得られず，熱が反応器内に蓄積される場合があり，効果的に反応器の温度が制御できないという問題点があった。
【００２０】
また，排ガスを活用する方法において，転換反応器と酸化反応器の温度調節のためにメイン排気口に設置した蓋形の開閉手段は，二重構造であり，制御装置の構成が複雑で難しい。
【００２１】
また，触媒燃焼方式で熱を供給するようになっている場合，触媒燃焼の特性上，燃料と空気が供給される面の触媒層の温度が最も高く，長手方向に温度勾配が発生するため，触媒層の温度を均一に保持するのに困る。さらに，触媒燃焼バーナは，容量が制限されるので多くの熱を供給することができず，場合によっては反応器に足りない熱を供給するための別途のバーナ設置が必要となり，装置が大きくて複雑になる場合がある。
【００２２】
また，火炎バーナ形を利用する場合，全体改質装置が上下に立てられている長円筒型なので，一定規模の燃焼空間を必要とし，よって，装置の規模が大きくなるという欠点がある。
【００２３】
本発明の目的は，既存の改質装置をよりコンパクトにし，エネルギー効率を高めるとともに，効果的な温度制御を可能とするためのもので，水素製造装置を構成する反応器を積層する構造を持たせることにより，よりコンパクトな構成を可能にし，エネルギーを効率よく活用できるように，ひいてはそれぞれの反応器毎にダンパーを設置してそれぞれの反応器への排ガス流量を調節することによりそれぞれの反応器に対して適合な温度に良好に制御することが可能なプレート形水蒸気改質装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明のプレート形水蒸気改質装置は，広い面積を加熱することが可能な熱源としてのプレート形バーナが下方に設置され，前記バーナの上方には高温を必要とする改質反応器が積層され，その上方に相対的に低い高温を必要とする高温転換反応器が積層され，前記高温転換反応器の上方に低い温度を必要とする低温転換反応器が積層される一方，それぞれの反応器の間には該当仕切り板が設置され，前記バーナから発生する高温の燃焼排ガスが、前記仕切り板によって、それぞれの反応器の間を分割して囲むように流れて必要な熱を供給し得るようにコンパクトに構成されたことを特徴とする。
【００２５】
また，バーナは，プレート形金属繊維バーナとして使用されて過熱されることを防止できるように，装置の外壁に冷却コイルからなる熱交換器が設置されたことを特徴とする。
【００２６】
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器は，排ガスとの熱交換面積を増加させるために，該当外側部にそれぞれフィンが取り付けられ，これら反応器は反応物の滞留時間が増加するように２区画またはそれ以上に仕切られていることを特徴とする。
【００２７】
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器は周囲に流れる高温の燃焼排ガスを調節して加熱または予熱しうるように角度調節される該当ダンパーがそれぞれ設置されたことを特徴とする。
【００２８】
また，前記高温及び低温転換反応器は，反応中に発生する熱によって温度が上昇するとき，外部の冷たい空気を流入させてダンパーと共に温度を調節し得るように，装置の外壁に円筒形ブロアーとしての冷却ファンまたは外気流入管が設置されたことを特徴とする。
【００２９】
スチーム発生器は，バーナと改質反応器との間に基本的に設置されるか，或いは前記改質反応器と高温転換反応器との間にも追加設置されたことを特徴とする。
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器以外に，天然ガス内に含まれた硫黄成分を除去するための脱硫反応器と，微量の一酸化炭素及び炭化水素を除去するための酸化反応器がさらに設置され，前記脱硫反応器が前記改質反応器と転換反応器との間に積層されるか，或いは前記酸化反応器が前記転換反応器の前後に積層されたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下，本発明のプレート形水蒸気改質装置の好適な実施例を添付図に基づいて詳細に説明する。図１は，本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた斜視図，図２は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた斜視図，図３は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた内部構造図，図４は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた内部構造図，図５は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の側方からみた内部構造図である。
【００３１】
本発明に係る改質装置１００は，基本的に，バーナ１から発生する熱を改質反応器３と高温転換反応器４，低温転換反応器５（以下反応器３，４，５とも称する）の予熱に使用するためには，それぞれの反応器３，４，５が適切な形状をもって適切に構成されなければならない。
【００３２】
まず，本発明の第１の実施の形態では，図１，２，３，４，５に示すように，広い面積を加熱することが可能な熱源としてのバーナ１と，三つの四角形の反応器３，４，５とが積層されている構成である。プレート形水蒸気改質装置１００の最下方には熱源を供給するためのプレート形バーナ１が設けられ，バーナ１の上方には水蒸気と原料を予熱するためのスチーム発生器２が燃焼排ガスの流路を分離する該当仕切り板７と共に設けられる。
【００３３】
即ち，スチーム発生器２の上方には改質反応器３が積層され，改質反応器３の上方にはさらに燃焼排ガスの流路を分離するための該当仕切り板７が構成され，この仕切り板７の上方には高温転換反応器４が積層され，高温転換反応器４の上方にはさらに燃焼排ガスの流路を分離するための該当分離板７が構成され，この分離板７の上方には低温転換反応器５が積層され，低温転換反応器５の上方には燃焼排ガスの出口，即ち煙道１２が構成される。
【００３４】
また，改質層，高温転換反応器層，低温転換反応器層を構成するそれぞれの反応器３，４，５の前後面には，バーナ１から発生する排ガスの流路が存在し，特にそれぞれの反応器３，４，５の一側には燃焼排ガスの流れ方向を選択的に調節するための３つの該当ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃが設置され，それぞれの反応器３，４，５を囲むように流れ出す排ガスの流量を適切に調節することにより，それぞれの反応器の温度を個別に調節することが可能な構造を有する。
【００３５】
また，ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃで温度調節が不可能な場合，外気を導入するための円筒形ブロアーである冷却ファン１３が装置の外壁に設置され，反応器３，４，５の温度が効率よく調節されるようにすることが好ましい。
【００３６】
特に，本発明の第１の実施の形態では，バーナ１から発生する熱を改質反応器３に供給し，初期に高温転換反応器４，低温転換反応器５を予熱する構造を持たせるため，１１０×１６０ｍｍ内外の寸法を有する金属繊維バーナ１を下部に設置し，その上に，水を水蒸気にし且つ天然ガスを予熱させるためのスチーム発生器２を有する寸法１９０×２００ｍｍ内外の有孔該当分離板７を設置し，改質反応器３は連続して１４００ｃｃの直方体構造を有し，且つ内部が２つの空間に分けられて，互いに連通する通路を形成することが好ましい。
【００３７】
第１の実施の形態にかかる改質装置１００は，熱交換効率を増大させるために，表面と内部にフィン（ひだ）１６が設置される改質反応器３，改質反応器３の上方に設けられ，排ガスの流路を変えるための寸法１９０×２００ｍｍ内外の該当分離板７，改質反応器３と同一の形状を有する体積約２３００ｃｃの高温転換反応器４，寸法１９０×２００ｍｍ内外の該当分離板７，高温転換反応器４と同一の形状及び体積を有する低温転換反応器５，燃焼排ガスの出口である煙道１２が設けられ且つ燃焼排ガスの流路を変更させるための該当ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃ，高温転換反応器４及び低温転換反応器５の温度調節のために設置された冷却ファン１３，及びバーナ１の周りに過熱防止及び熱回収の目的で設置された冷却コイルとしての熱交換１５からなることが好ましい。
【００３８】
即ち，本実施の形態にかかる改質装置１００は，反応器３，４，５に必要な熱を供給するためのバーナ１と，水を高温の水蒸気に変えるための水蒸気発生装置としてのスチーム発生器２と，炭化水素（以下「天然ガス」という）と水蒸気とを反応させ，合成ガスを作るための改質反応器３と，改質反応器３で生成された合成ガスのうち，一酸化炭素を水蒸気と反応させて一酸化炭素の濃度を減らすための高温転換反応器４，低温転換反応器５とからなる積層構造である。
【００３９】
また，改質反応器３と，高温転換反応器４，低温転換反応器５以外に，天然ガス内に含まれた硫黄成分を除去するための脱硫反応器（図示せず）と，微量の一酸化炭素及び炭化水素を除去するための酸化反応器（図示せず）を追加設置することができ，脱硫反応器を改質反応器３と転換反応器５との間に積層するか，或いは酸化反応器を転換反応器４，５の前後に積層することができる。
【００４０】
このプレート形水蒸気改質装置１００における動作を説明する。バーナ１は，四角形の金属繊維を用いる金属繊維バーナであって，バーナ１の外部から天然ガス流入口１７を介して燃料ガスの天然ガスと空気との混合ガスを投入すると，バーナ１の上端に設置された分配板１０を通過しながら均一にバーナ１に供給され，バーナ１の上方に設置されたスパークプラグ１１によって点火すると，混合ガスの燃焼によって赤熱を発生させる。
【００４１】
そして，バーナ１から発生する熱は，バーナ１の上方に設置されたスチーム発生器２を直接加熱する。これにより，スチーム発生器２の一側部から高温の排ガスが流れ，スチーム発生器２の上方に積層された改質反応器３を加熱するが，改質反応器３が所望の温度に達していない場合には，ダンパー６ａは開状態になる。従って，高温の燃焼排ガスは改質反応器３側へ流れながら改質反応器３に熱を供給し続ける。
【００４２】
もし改質反応器３の温度が設定温度に達すれば，ダンパー６ａは閉となる。この際，高温の燃焼排ガスは直接高温転換反応器４へ流れることにより，それ以上改質反応器３に熱を供給しなくなる。このような方法によって反応器３の温度を適切に維持することができる。
【００４３】
また，改質反応器３を通過しながら温度が低くなった燃焼排ガスは，改質反応器３へ流れて高温転換反応器４を加熱し，次に高温転換反応器４の温度が上昇して目標値の温度より上昇した場合，高温転換反応器４の前面に設置された該当ダンパー６ｂが同様に閉となって排ガスが高温転換反応器４を通過せず上方の低温転換反応器５へ流れるように誘導される。
【００４４】
さらに，高温転換反応器４を加熱して出た排ガスは，連続的に低温転換反応器５を加熱し，この時も低温転換反応器５が目標値の温度より上昇した場合，ダンパー６ｃの角度を変形させるか或いは閉めて排ガスを直接煙道１２から排出させることで，反応器５の温度を制御することができる。
【００４５】
特に改質反応の場合は吸熱反応であるが，転換反応の場合は発熱反応であるため，実際の運転時，低温転換反応器５自体から熱が発生する。この場合，排ガスが低温転換反応器５を通過することなく直ちに煙道１２へ通り抜けるようにダンパー６ｃの角度を調節しても温度が上昇すると，改質装置の一側に設置されたブロアとしての冷却ファン１３または外気流入管１４を介して冷たい外気を内部に流入させ，適切に低温転換反応器５の温度を制御することができる。
【００４６】
一方，水素を製造するための原料として水流入口１８を介して流入する水は，天然ガスと適正のモル比で混合され，バーナ１の周りに設置された熱交換器１５で予熱された後，バーナ１の上方に設置されたスチーム発生器２を通過しながら高温の水蒸気と天然ガスとの混合物になる。この混合ガスは改質反応器３に流入する。
【００４７】
次に，改質反応器３で高温の条件下に該当触媒投入口２０を介して落下投入した触媒との触媒反応によって一部未反応ガスを含んだ水素と一酸化炭素との混合ガスが生成され，次に高温転換反応器４，低温転換反応器５へ移動する。
【００４８】
そして，高温転換反応器４，低温転換反応器５では一酸化炭素と余分の水蒸気とが反応して水素と二酸化炭素を生成させるので，水素排出口１９を介して水素，二酸化炭素，微量の一酸化炭素及び天然ガスが混合されたガスが排出され，このような混合ガスはＰＳＡのような分離装置を経て高純度の水素ガスに精製されることができる。
【００４９】
本発明の第１の実施の形態を用いて水蒸気改質を行ったところ，装置の予熱完了時間が約４０分であって，既存の約２時間に比べて大幅短縮されることが分った。また，水蒸気とメタンの比を１：３とした時，正常状態での改質装置出口における濃度は乾燥ガスを基準として水素８２.３１％，一酸化炭素１.６１％，メタ０.２４％，二酸化炭素１５.８４％であることが分った。
【００５０】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置２００について説明する。上記第１の実施の形態は，本発明に係る水蒸気改質装置の基本型であり，図６及び図７に示す応用実施例であるプレート形水蒸気改質装置２００は，要部が第１の実施の形態と同一の構成を有する。
【００５１】
即ち，図６の応用実施例は，スチーム発生器２がバーナ１と改質反応器３との間に加え，改質反応器３と高温転換反応器４との間にも同時に位置するように追加設置されていることが第１の実施の形態とは異なる。他の構成については，第１の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置１００と同様であるので，同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
（第３の実施の形態）
また，図７は，第３の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置３００の構成を示す図である。プレート形水蒸気改質装置３００は，高温転換反応器４と低温転換反応器５を冷却させるために，冷却ファン１３ではなく，外部空気注入用の外気流入管１４が設置されていることが第１の実施の形態と異なる。他の構成は第１の実施の形態と同様であるので，同一の符号を付し，説明を省略する。
【００５３】
以上のように，本発明によれば，コンパクトな構成にしたので，装置の立ち上げに要する時間の短縮が可能であり，反応器同士を上下に配置して熱を効率よく利用することで，燃料効率の良いプレート形水蒸気改質装置が提供される。
【００５４】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるプレート形水蒸気改質装置の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明のプレート形水蒸気改質装置によれば，改質反応器と高温転換反応器及び低温転換反応器を積層構造として配列し，バーナからの熱をそれぞれの反応器の周囲に回り込んで出るようにする方法によって，改質反応器のみならず，高温転換反応器及び低温転換反応器を効率良く予熱させることができ，かつダンパーを用いて排ガス流量を調節することにより，それぞれの反応器の温度を所望の温度に制御することができるため，水素の豊富なガスを得ることができる。
【００５６】
つまり，それぞれの反応器をモジュール化して統合することにより，別途のユーティリティ設備が不要になることにより，コンパクト化が可能であって小型化を達成することができる。さらに，積層形態で組み立てて熱の自然な流れを用いることにより，装置に自然なエネルギーバランスを取ることができ，維持保守において便宜性を有し，高温転換反応器及び低温転換反応器の初期予熱のための付帯設備を設置することなく廃熱を活用することにより，エネルギーを節約し且つエネルギーを効率よく活用することができるという利点がある。この他にも，起動時間を既存の２時間に比べて画期的に減少させて３０分以内とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた内部構造図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた内部構造図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の側方からみた内部構造図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置２００の内部構造図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置３００の内部構造図である。
【図８】既存の水蒸気改質装置による改質工程を示す概念図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ スチーム発生器
３ 改質反応器
４ 高温転換反応器
５ 低温転換反応器
６ａ，６ｂ，６ｃ ダンパー
７ 仕切り板
８ ダンパーハンドル
９ 混合ガス引込口
１０ 分配板
１１ スパークプラグ
１２ 煙道
１３ 冷却ファン
１４ 外気流入管
１５ 熱交換器
１６ フィン（ひだ）
１７ 天然ガス流入口
１８ 水流入口
１９ 水素排出口
２０ 触媒投入口
２１ ガス混合器
【発明の属する技術分野】
本発明は，高純度の水素ガスが得られるプレート形水蒸気改質装置に関し，より詳細には，バーナから発生する改質反応器の熱源の他に水蒸気を発生させ，且つ改質反応器の加熱後残った廃熱を効率よく利用するために，運転初期に高温及び低温転換反応器を予熱させることができ，改質反応中にはダンパーを用いて排ガス流れを適切に変更し或いは外部の冷たい空気を流入させる方法を同時に取って高温及び低温転換反応器の温度を適切に保持させることが可能な，それぞれのモジュール化された構造を有するコンパクトなプレート形水蒸気改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に，水素は，原油の脱硫またはアンモニアの製造や化学肥料の製造などのための化学工業分野，低脂肪マーガリンの製造のような食品分野，金属の熱処理のような冶金及び製鉄分野，その他に半導体の製造，ガラス及び光ファイバの製造，自動車の燃料及び燃料電池用向けに用いられている。
【０００３】
最近は，燃料電池及び水素自動車などの如く，現場で小規模で連続して供給可能な水素製造装置の需要が段々増加しているのが実情であるが，現在使用されている水素の半分以上は天然ガス或いは炭化水素の改質から得られ，その他はナフサ改質，石炭ガス化，電気分解及びバイオマスから得られている。
【０００４】
一方，原料の改質方法としては水蒸気改質，酸素改質，混合改質など様々な方法が試みられているが，現在商業化されたものは水蒸気改質方法であって，水素は殆どこの水蒸気改質方法によって得られている。
【０００５】
しかも，水蒸気改質方法に使用される改質装置は，通常，スチーム発生器，脱硫反応器，改質反応器，高温及び低温転換反応器(Ｗａｔｅｒ Ｇａｓ Ｓｈｉｆｔ Ｒｅａｃｔｉｏｎ)などからなり，燃料電池の水素供給源として使用できるように一酸化炭素を効率良く除去するために，さらに酸素を加えて一酸化炭素を酸化させる酸化工程が追加されたり，二酸化炭素以外にその他の不純物を除去して高純度の水素を得るために，ＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ)装置の追加的な適用が必要とされたりする。
【０００６】
通常，大型水素プラントの改質装置(ｒｅｆｏｒｍｅｒ)は，大型炉の内部に管形の反応器を設置して改質反応を行うが，約９００〜１０００℃の高温にも拘わらず，熱効率が約６０〜７０％に過ぎないと知られており，図８に示すように，改質装置４００は，改質反応器４０４，高温及び低温転換反応器（ＣＯ転換反応器）４０８，熱交換器，スチーム発生器４０６などが別途に設置される関係で，全体的な構成において，装置が大きく，構成が複雑で，配管断熱における熱損失によって全体的な熱効率が低くなるという欠点がある。
【０００７】
また，水蒸気改質装置を構成するそれぞれの改質反応器，高温及び低温転換反応器などそれぞれの反応器は，触媒層の温度によって反応性が決定されるため，各反応によってそれぞれ適した適正運転温度範囲が存在するが，水蒸気改質反応の場合は強い吸熱反応なので，７００〜９００℃が適正運転温度範囲と知られており，高温及び低温転換反応の場合は若干の発熱反応であるが，適正温度範囲がそれぞれ４００〜５００℃，２００〜３００℃と知られている。
【０００８】
一方，改質装置を稼動する場合，改質反応は吸熱反応なので，熱を供給するための手段としてバーナまたは電気発熱体またはその他の熱源を用いて外部から反応熱を供給する。特にバーナを熱源として使用する場合，改質反応の後残った廃熱は熱交換器を経てエネルギーの一部を回収するが，殆どのエネルギーはそれ以上活用できないという欠点がある。
【０００９】
また，高温及び低温転換反応の場合，若干の発熱反応であるが，起動初期には高温及び低温転換反応に適した温度に予熱させるために，電気発熱体などの加熱手段を必要とする。ところで，実際商業的に運転されている改質装置の場合，このような方法を使用した時に冷起動時間が約２時間と知られており，よって，速い起動を必要とする燃料電池或いはその他の用途の水素供給装置として活用するには，前記のような遅い起動時間は短所として作用する。
【００１０】
従って，このような問題点を解決するために，改質反応器と高温及び低温転換反応器の全て或いはその一部を統合する構造であって，構造的に単純で，大きさが小さく，起動時間が速く，エネルギーが効率的な装置を作ろうとする努力が行われている。
【００１１】
一方，コンパクト型改質装置として紹介された米国特許第６,２０３,５８７号と第５,７３３,３４７号の技術特徴をみれば，その構造が平板形からなり，改質器の一側面は触媒燃焼方式のヒータで加熱されるようにしており，効果的に反応熱を供給するために左右対称型の構造を取っているが，この特許技術ではたとえコンパクトに構成されているとはいえ，二次的に一酸化炭素を除去するための転換反応に対する考慮が全くなく，かつ装置自体でスチームを発生させて供給できないため，周辺機器が必要であってコンパクト化が不可能であるという欠点がある。
【００１２】
そして，米国特許第５,６０９,８３４号，第５,１８０,５６１号及び第５,０１５,４４４号などにはコンパクトな構造の改質装置が開示されてはいるが，この改質装置は，触媒燃焼バーナを発熱源とし，その熱を効率よく改質触媒層へ伝達させるプレート形構造である。これもスチーム発生器及び転換反応器に対する考慮がなくて改質装置全体構成の小型化に困るという欠点がある。
【００１３】
また，韓国特許第１９９７−２５６８８号と第１９９９−１４６５５号では，天然ガス型水素発生装置について紹介しているが，前者の場合，単に円筒状の同心型改質器構造で，触媒燃焼によって発生する熱を改質反応と水蒸気発生に利用できるようにするだけで，転換反応器は考慮されておらず，これも全体的にコンパクトな構成が不可能であるという欠点がある。
【００１４】
一方，後者の場合，単管式触媒燃焼バーナを活用して水蒸気を発生させ且つ燃料を予熱し，排気ガスで脱硫器に熱を供給する構造の改質器が提示されたが，このような構造においても別途の高温及び低温転換反応器を設置しなければならないため，全体的にコンパクトな構成が難しいという短所がある。
【００１５】
要するに，このように改質反応器とは別途に転換反応器，熱交換器及びスチーム発生器が構成される構造では，コンパクトで効率的な改質装置を達成することができない。よって，装置のコンパクト化のためには反応器を統合した構造が必要であると言える。
【００１６】
従って，小型化を目的として改良された改質装置の例が韓国特許第２０００−２２５４６号に紹介されたが，その技術内容を考察すれば，全体的に円筒形または四角形構造であって，同心円状にそれぞれの反応器が配置される形態を提示している。即ち，同心円状の最内側に燃焼のための空間があり，その外部に改質反応器が位置し，一酸化炭素除去のための転換反応器と酸化反応器が備えられた構造をしている。
【００１７】
これは熱源を供給する方法として，触媒燃焼バーナまたは火炎燃焼バーナ方式を採用しているが，燃焼排ガスを活用する方案として，コイル状の熱交換器またはバーナの外壁面に設置された流路に水を供給して水蒸気を作る方法を提示している。しかも，１つ或いは２つの蓋を開閉して排ガスの流路を変更させ得るようにすることで，転換反応器及び酸化反応器へ流れる排ガスの流量を調節して加熱及び温度を調節する構造を例示している。
【００１８】
従って，燃料の燃焼によって発生する熱から水蒸気を作り且つ改質反応器に必要な熱を加えることができるので，燃料を有効に利用することができ，排熱を転換反応器の予熱に利用するので，エネルギーを効率よく使用するに有効である。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが，前記改質装置は，同心円方向に反応器を配列して熱を有用に利用できるという利点を強調しているが，燃焼排ガスの流れが上下に移動するようになっている関係で，自然な排ガスの流れが得られず，熱が反応器内に蓄積される場合があり，効果的に反応器の温度が制御できないという問題点があった。
【００２０】
また，排ガスを活用する方法において，転換反応器と酸化反応器の温度調節のためにメイン排気口に設置した蓋形の開閉手段は，二重構造であり，制御装置の構成が複雑で難しい。
【００２１】
また，触媒燃焼方式で熱を供給するようになっている場合，触媒燃焼の特性上，燃料と空気が供給される面の触媒層の温度が最も高く，長手方向に温度勾配が発生するため，触媒層の温度を均一に保持するのに困る。さらに，触媒燃焼バーナは，容量が制限されるので多くの熱を供給することができず，場合によっては反応器に足りない熱を供給するための別途のバーナ設置が必要となり，装置が大きくて複雑になる場合がある。
【００２２】
また，火炎バーナ形を利用する場合，全体改質装置が上下に立てられている長円筒型なので，一定規模の燃焼空間を必要とし，よって，装置の規模が大きくなるという欠点がある。
【００２３】
本発明の目的は，既存の改質装置をよりコンパクトにし，エネルギー効率を高めるとともに，効果的な温度制御を可能とするためのもので，水素製造装置を構成する反応器を積層する構造を持たせることにより，よりコンパクトな構成を可能にし，エネルギーを効率よく活用できるように，ひいてはそれぞれの反応器毎にダンパーを設置してそれぞれの反応器への排ガス流量を調節することによりそれぞれの反応器に対して適合な温度に良好に制御することが可能なプレート形水蒸気改質装置を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため，本発明のプレート形水蒸気改質装置は，広い面積を加熱することが可能な熱源としてのプレート形バーナが下方に設置され，前記バーナの上方には高温を必要とする改質反応器が積層され，その上方に相対的に低い高温を必要とする高温転換反応器が積層され，前記高温転換反応器の上方に低い温度を必要とする低温転換反応器が積層される一方，それぞれの反応器の間には該当仕切り板が設置され，前記バーナから発生する高温の燃焼排ガスが、前記仕切り板によって、それぞれの反応器の間を分割して囲むように流れて必要な熱を供給し得るようにコンパクトに構成されたことを特徴とする。
【００２５】
また，バーナは，プレート形金属繊維バーナとして使用されて過熱されることを防止できるように，装置の外壁に冷却コイルからなる熱交換器が設置されたことを特徴とする。
【００２６】
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器は，排ガスとの熱交換面積を増加させるために，該当外側部にそれぞれフィンが取り付けられ，これら反応器は反応物の滞留時間が増加するように２区画またはそれ以上に仕切られていることを特徴とする。
【００２７】
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器は周囲に流れる高温の燃焼排ガスを調節して加熱または予熱しうるように角度調節される該当ダンパーがそれぞれ設置されたことを特徴とする。
【００２８】
また，前記高温及び低温転換反応器は，反応中に発生する熱によって温度が上昇するとき，外部の冷たい空気を流入させてダンパーと共に温度を調節し得るように，装置の外壁に円筒形ブロアーとしての冷却ファンまたは外気流入管が設置されたことを特徴とする。
【００２９】
スチーム発生器は，バーナと改質反応器との間に基本的に設置されるか，或いは前記改質反応器と高温転換反応器との間にも追加設置されたことを特徴とする。
また，前記改質反応器と高温及び低温転換反応器以外に，天然ガス内に含まれた硫黄成分を除去するための脱硫反応器と，微量の一酸化炭素及び炭化水素を除去するための酸化反応器がさらに設置され，前記脱硫反応器が前記改質反応器と転換反応器との間に積層されるか，或いは前記酸化反応器が前記転換反応器の前後に積層されたことを特徴とする。
【００３０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下，本発明のプレート形水蒸気改質装置の好適な実施例を添付図に基づいて詳細に説明する。図１は，本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた斜視図，図２は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた斜視図，図３は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた内部構造図，図４は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた内部構造図，図５は，第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の側方からみた内部構造図である。
【００３１】
本発明に係る改質装置１００は，基本的に，バーナ１から発生する熱を改質反応器３と高温転換反応器４，低温転換反応器５（以下反応器３，４，５とも称する）の予熱に使用するためには，それぞれの反応器３，４，５が適切な形状をもって適切に構成されなければならない。
【００３２】
まず，本発明の第１の実施の形態では，図１，２，３，４，５に示すように，広い面積を加熱することが可能な熱源としてのバーナ１と，三つの四角形の反応器３，４，５とが積層されている構成である。プレート形水蒸気改質装置１００の最下方には熱源を供給するためのプレート形バーナ１が設けられ，バーナ１の上方には水蒸気と原料を予熱するためのスチーム発生器２が燃焼排ガスの流路を分離する該当仕切り板７と共に設けられる。
【００３３】
即ち，スチーム発生器２の上方には改質反応器３が積層され，改質反応器３の上方にはさらに燃焼排ガスの流路を分離するための該当仕切り板７が構成され，この仕切り板７の上方には高温転換反応器４が積層され，高温転換反応器４の上方にはさらに燃焼排ガスの流路を分離するための該当分離板７が構成され，この分離板７の上方には低温転換反応器５が積層され，低温転換反応器５の上方には燃焼排ガスの出口，即ち煙道１２が構成される。
【００３４】
また，改質層，高温転換反応器層，低温転換反応器層を構成するそれぞれの反応器３，４，５の前後面には，バーナ１から発生する排ガスの流路が存在し，特にそれぞれの反応器３，４，５の一側には燃焼排ガスの流れ方向を選択的に調節するための３つの該当ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃが設置され，それぞれの反応器３，４，５を囲むように流れ出す排ガスの流量を適切に調節することにより，それぞれの反応器の温度を個別に調節することが可能な構造を有する。
【００３５】
また，ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃで温度調節が不可能な場合，外気を導入するための円筒形ブロアーである冷却ファン１３が装置の外壁に設置され，反応器３，４，５の温度が効率よく調節されるようにすることが好ましい。
【００３６】
特に，本発明の第１の実施の形態では，バーナ１から発生する熱を改質反応器３に供給し，初期に高温転換反応器４，低温転換反応器５を予熱する構造を持たせるため，１１０×１６０ｍｍ内外の寸法を有する金属繊維バーナ１を下部に設置し，その上に，水を水蒸気にし且つ天然ガスを予熱させるためのスチーム発生器２を有する寸法１９０×２００ｍｍ内外の有孔該当分離板７を設置し，改質反応器３は連続して１４００ｃｃの直方体構造を有し，且つ内部が２つの空間に分けられて，互いに連通する通路を形成することが好ましい。
【００３７】
第１の実施の形態にかかる改質装置１００は，熱交換効率を増大させるために，表面と内部にフィン（ひだ）１６が設置される改質反応器３，改質反応器３の上方に設けられ，排ガスの流路を変えるための寸法１９０×２００ｍｍ内外の該当分離板７，改質反応器３と同一の形状を有する体積約２３００ｃｃの高温転換反応器４，寸法１９０×２００ｍｍ内外の該当分離板７，高温転換反応器４と同一の形状及び体積を有する低温転換反応器５，燃焼排ガスの出口である煙道１２が設けられ且つ燃焼排ガスの流路を変更させるための該当ダンパー６ａ，６ｂ，６ｃ，高温転換反応器４及び低温転換反応器５の温度調節のために設置された冷却ファン１３，及びバーナ１の周りに過熱防止及び熱回収の目的で設置された冷却コイルとしての熱交換１５からなることが好ましい。
【００３８】
即ち，本実施の形態にかかる改質装置１００は，反応器３，４，５に必要な熱を供給するためのバーナ１と，水を高温の水蒸気に変えるための水蒸気発生装置としてのスチーム発生器２と，炭化水素（以下「天然ガス」という）と水蒸気とを反応させ，合成ガスを作るための改質反応器３と，改質反応器３で生成された合成ガスのうち，一酸化炭素を水蒸気と反応させて一酸化炭素の濃度を減らすための高温転換反応器４，低温転換反応器５とからなる積層構造である。
【００３９】
また，改質反応器３と，高温転換反応器４，低温転換反応器５以外に，天然ガス内に含まれた硫黄成分を除去するための脱硫反応器（図示せず）と，微量の一酸化炭素及び炭化水素を除去するための酸化反応器（図示せず）を追加設置することができ，脱硫反応器を改質反応器３と転換反応器５との間に積層するか，或いは酸化反応器を転換反応器４，５の前後に積層することができる。
【００４０】
このプレート形水蒸気改質装置１００における動作を説明する。バーナ１は，四角形の金属繊維を用いる金属繊維バーナであって，バーナ１の外部から天然ガス流入口１７を介して燃料ガスの天然ガスと空気との混合ガスを投入すると，バーナ１の上端に設置された分配板１０を通過しながら均一にバーナ１に供給され，バーナ１の上方に設置されたスパークプラグ１１によって点火すると，混合ガスの燃焼によって赤熱を発生させる。
【００４１】
そして，バーナ１から発生する熱は，バーナ１の上方に設置されたスチーム発生器２を直接加熱する。これにより，スチーム発生器２の一側部から高温の排ガスが流れ，スチーム発生器２の上方に積層された改質反応器３を加熱するが，改質反応器３が所望の温度に達していない場合には，ダンパー６ａは開状態になる。従って，高温の燃焼排ガスは改質反応器３側へ流れながら改質反応器３に熱を供給し続ける。
【００４２】
もし改質反応器３の温度が設定温度に達すれば，ダンパー６ａは閉となる。この際，高温の燃焼排ガスは直接高温転換反応器４へ流れることにより，それ以上改質反応器３に熱を供給しなくなる。このような方法によって反応器３の温度を適切に維持することができる。
【００４３】
また，改質反応器３を通過しながら温度が低くなった燃焼排ガスは，改質反応器３へ流れて高温転換反応器４を加熱し，次に高温転換反応器４の温度が上昇して目標値の温度より上昇した場合，高温転換反応器４の前面に設置された該当ダンパー６ｂが同様に閉となって排ガスが高温転換反応器４を通過せず上方の低温転換反応器５へ流れるように誘導される。
【００４４】
さらに，高温転換反応器４を加熱して出た排ガスは，連続的に低温転換反応器５を加熱し，この時も低温転換反応器５が目標値の温度より上昇した場合，ダンパー６ｃの角度を変形させるか或いは閉めて排ガスを直接煙道１２から排出させることで，反応器５の温度を制御することができる。
【００４５】
特に改質反応の場合は吸熱反応であるが，転換反応の場合は発熱反応であるため，実際の運転時，低温転換反応器５自体から熱が発生する。この場合，排ガスが低温転換反応器５を通過することなく直ちに煙道１２へ通り抜けるようにダンパー６ｃの角度を調節しても温度が上昇すると，改質装置の一側に設置されたブロアとしての冷却ファン１３または外気流入管１４を介して冷たい外気を内部に流入させ，適切に低温転換反応器５の温度を制御することができる。
【００４６】
一方，水素を製造するための原料として水流入口１８を介して流入する水は，天然ガスと適正のモル比で混合され，バーナ１の周りに設置された熱交換器１５で予熱された後，バーナ１の上方に設置されたスチーム発生器２を通過しながら高温の水蒸気と天然ガスとの混合物になる。この混合ガスは改質反応器３に流入する。
【００４７】
次に，改質反応器３で高温の条件下に該当触媒投入口２０を介して落下投入した触媒との触媒反応によって一部未反応ガスを含んだ水素と一酸化炭素との混合ガスが生成され，次に高温転換反応器４，低温転換反応器５へ移動する。
【００４８】
そして，高温転換反応器４，低温転換反応器５では一酸化炭素と余分の水蒸気とが反応して水素と二酸化炭素を生成させるので，水素排出口１９を介して水素，二酸化炭素，微量の一酸化炭素及び天然ガスが混合されたガスが排出され，このような混合ガスはＰＳＡのような分離装置を経て高純度の水素ガスに精製されることができる。
【００４９】
本発明の第１の実施の形態を用いて水蒸気改質を行ったところ，装置の予熱完了時間が約４０分であって，既存の約２時間に比べて大幅短縮されることが分った。また，水蒸気とメタンの比を１：３とした時，正常状態での改質装置出口における濃度は乾燥ガスを基準として水素８２.３１％，一酸化炭素１.６１％，メタ０.２４％，二酸化炭素１５.８４％であることが分った。
【００５０】
（第２の実施の形態）
次に第２の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置２００について説明する。上記第１の実施の形態は，本発明に係る水蒸気改質装置の基本型であり，図６及び図７に示す応用実施例であるプレート形水蒸気改質装置２００は，要部が第１の実施の形態と同一の構成を有する。
【００５１】
即ち，図６の応用実施例は，スチーム発生器２がバーナ１と改質反応器３との間に加え，改質反応器３と高温転換反応器４との間にも同時に位置するように追加設置されていることが第１の実施の形態とは異なる。他の構成については，第１の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置１００と同様であるので，同一の符号を付して説明を省略する。
【００５２】
（第３の実施の形態）
また，図７は，第３の実施の形態にかかるプレート形水蒸気改質装置３００の構成を示す図である。プレート形水蒸気改質装置３００は，高温転換反応器４と低温転換反応器５を冷却させるために，冷却ファン１３ではなく，外部空気注入用の外気流入管１４が設置されていることが第１の実施の形態と異なる。他の構成は第１の実施の形態と同様であるので，同一の符号を付し，説明を省略する。
【００５３】
以上のように，本発明によれば，コンパクトな構成にしたので，装置の立ち上げに要する時間の短縮が可能であり，反応器同士を上下に配置して熱を効率よく利用することで，燃料効率の良いプレート形水蒸気改質装置が提供される。
【００５４】
以上，添付図面を参照しながら本発明にかかるプレート形水蒸気改質装置の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明のプレート形水蒸気改質装置によれば，改質反応器と高温転換反応器及び低温転換反応器を積層構造として配列し，バーナからの熱をそれぞれの反応器の周囲に回り込んで出るようにする方法によって，改質反応器のみならず，高温転換反応器及び低温転換反応器を効率良く予熱させることができ，かつダンパーを用いて排ガス流量を調節することにより，それぞれの反応器の温度を所望の温度に制御することができるため，水素の豊富なガスを得ることができる。
【００５６】
つまり，それぞれの反応器をモジュール化して統合することにより，別途のユーティリティ設備が不要になることにより，コンパクト化が可能であって小型化を達成することができる。さらに，積層形態で組み立てて熱の自然な流れを用いることにより，装置に自然なエネルギーバランスを取ることができ，維持保守において便宜性を有し，高温転換反応器及び低温転換反応器の初期予熱のための付帯設備を設置することなく廃熱を活用することにより，エネルギーを節約し且つエネルギーを効率よく活用することができるという利点がある。この他にも，起動時間を既存の２時間に比べて画期的に減少させて３０分以内とすることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた斜視図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の後方からみた内部構造図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の前方からみた内部構造図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置１００の側方からみた内部構造図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置２００の内部構造図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るプレート形水蒸気改質装置３００の内部構造図である。
【図８】既存の水蒸気改質装置による改質工程を示す概念図である。
【符号の説明】
１ バーナ
２ スチーム発生器
３ 改質反応器
４ 高温転換反応器
５ 低温転換反応器
６ａ，６ｂ，６ｃ ダンパー
７ 仕切り板
８ ダンパーハンドル
９ 混合ガス引込口
１０ 分配板
１１ スパークプラグ
１２ 煙道
１３ 冷却ファン
１４ 外気流入管
１５ 熱交換器
１６ フィン（ひだ）
１７ 天然ガス流入口
１８ 水流入口
１９ 水素排出口
２０ 触媒投入口
２１ ガス混合器
Claims (7)
- 広い面積を加熱することが可能な熱源としてのプレート形バーナが下方に設置され，前記バーナの上方には高温を必要とする改質反応器が積層され，その上方に前記改質反応器に比べ相対的に低い高温を必要とする高温転換反応器が積層され，前記高温転換反応器の上方に低い温度を必要とする低温転換反応器が積層される一方，前記改質反応器，高温転換反応器，低温転換反応器それぞれの間には該当仕切り板が設置され，バーナから発生する高温の燃焼排ガスが、前記仕切り板によって、前記改質反応器，高温転換反応器，低温転換反応器それぞれの間を分割して囲むように流れて必要な熱を供給し得るようにコンパクトに構成されたことを特徴とするプレート形水蒸気改質装置。
- 前記改質反応器と高温転換反応器及び低温転換反応器は周囲に流れる高温の燃焼排ガスを調節して加熱または予熱しうるように角度調節される該当ダンパーがそれぞれ設置されたことを特徴とする請求項１記載のプレート形水蒸気改質装置。
- 前記バーナは，プレート形金属繊維バーナとして使用されて過熱されることを防止できるように，装置の外壁に冷却コイルからなる熱交換器が設置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプレート形水蒸気改質装置。
- 前記改質反応器と前記高温転換反応器及び低温転換反応器は，排ガスとの熱交換面積を増加させるために，該当外側面にそれぞれフィンが取り付けられ，前記改質反応器，高温転換反応器，低温転換反応器反応器は反応物の滞留時間が増加するように２区画またはそれ以上に仕切られていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプレート形水蒸気化改質装置。
- 前記高温転換反応器及び低温転換反応器は，反応中に発生する熱によって温度が上昇するとき，外部の冷たい空気を流入させて前記ダンパーと共に温度を調節し得るように，装置の外壁に円筒形ブロアーとしての冷却ファンまたは外気流入管が設置されたことを特徴とする請求項２記載のプレート形水蒸気改質装置。
- スチーム発生器が，前記バーナと改質反応器との間に基本的に設置されるか，或いは前記改質反応器と高温転換反応器との間にも追加設置されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプレート形水蒸気改質装置。
- 前記改質反応器と高温転換反応器及び低温転換反応器以外に，天然ガス内に含まれた硫黄成分を除去するための脱硫反応器と，微量の一酸化炭素及び炭化水素を除去するための酸化反応器がさらに設置され，前記脱硫反応器が前記改質反応器と低温転換反応器との間に積層されるか，或いは前記酸化反応器が前記高温転換反応器及び低温転換反応器の前後に積層されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のプレート形水蒸気改質装置。
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