JP4315292B2 - 水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法 - Google Patents

Description

本発明は、水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法に関するものであり、より詳細には、比較的低温の水蒸気を高温に加熱して水性ガスを生成する水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法に関するものである。

廃棄物焼却炉、廃棄物ガス化溶融炉、ボイラー、廃熱回収ボイラー、加熱炉又は石炭ガス化炉等の各種燃焼炉又は燃焼設備が、公共施設、或いは、発電施設又は石油化学プラント等の種々の業種の事業設備において実用に供されている。この種の燃焼炉又は燃焼設備は、一般に、燃焼用空気を燃焼炉の燃焼領域に供給する給気装置又は給気設備を有し、給気装置又は給気設備は、例えば、燃焼排ガスの廃熱等を利用した熱交換装置、或いは、燃焼用空気を予燃焼又は予熱する予燃焼装置又は予熱装置等の給気加熱装置を備える。給気加熱装置は、燃焼炉又は燃焼設備の燃焼領域における燃焼効率を改善すべく、導入外気又は燃焼用空気を適当な温度に加熱又は予熱し、所望の温度に昇温した高温給気流又は燃焼用予熱空気流をバーナ等の燃焼装置又は火炎帯形成装置に給送する。

燃焼装置に対する給気流を高温に予熱し得る高速切換式又は高周期切換式の蓄熱型熱交換システムが、本出願人の出願に係る特願平５─６９１１号（特開平６−２１３５８５号）に開示されている。本出願人の開発に係る切換式蓄熱型熱交換システムは、多数の狭小流路を備えたハニカム構造の蓄熱体を有し、この蓄熱体は、極めて高い温度効率及び容積効率を発揮する。高温の燃焼排ガス及び低温の燃焼用給気流は、ハニカム型蓄熱体を短時間に交互に流通し、給気流は、ハニカム型蓄熱体を介してなされる燃焼排ガスとの直接的な熱交換により、８００℃を超える極めて高温に予熱される。

ここに、水蒸気及び炭素の水性ガス化反応によって水性ガスを生成する水性ガス生成方法が知られている。水性ガス化反応は、次の化学式で知られた反応であり、通常は、以下のシフト反応を伴う。
H₂O + C → H₂ + CO （水性ガス化反応）
CO + H₂O→ CO₂ + H₂ （シフト反応）

このような水性ガス化反応は吸熱反応であり、反応に必要な熱は、炭素自体の燃焼熱によって与えられる。このため、通常は、多量の燃料（炭素）及び空気の供給によって大きな発熱を得ることができる比較的大きな容積の燃焼室又は反応炉を要する。
特開平６−２１３５８５号公報

このような水性ガス化反応のために供給可能な高温水蒸気の温度は、従来は、５００乃至６００℃の温度を高温限界としており、かかる高温限界を超える超高温の水蒸気を工業的且つ連続的に供給し得る装置が存在しなかった事情もあり、水性ガスを効率的に生成して水性ガスを水性ガス消費設備に連続供給する装置又は方法の研究開発には、限界が生じていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的とすることろは、水性ガスを効率的に生成して水性ガスを水性ガス消費設備に連続供給することができる新規構成の水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、水蒸気と燃焼ガスとに交互に伝熱接触して水蒸気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱体と、加熱後の水蒸気流を流出する前記蓄熱体の出口に隣接して水蒸気流の方向に直列に配置された流路形態の水性ガス化反応領域と、炭化水素系燃料を前記水性ガス化反応領域に供給する燃料供給手段とを有し、
前記水性ガス化反応領域は、前記蓄熱体から該反応領域への前記水蒸気の供給前及び供給後に前記炭化水素系燃料の燃焼反応を生起する燃焼域として機能し、前記蓄熱体を加熱するための前記燃焼ガスを生成することを特徴とする水性ガス生成装置を提供する。

他の観点より、本発明は、水蒸気を高温の蓄熱体と伝熱接触させて８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の水蒸気流を前記蓄熱体から水性ガス化反応領域に流出させ、水蒸気流の方向に直列に配置された流路形態の水性ガス化反応領域において水性ガス化反応を進行させ、これにより、水性ガス流を後続の装置に供給する第１工程と、
前記水性ガス化反応領域に前記炭化水素系燃料の燃焼反応を生じさせ、該水性ガス化反応領域に燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスと前記蓄熱体との熱交換によって該蓄熱体を加熱する第２工程とを有し、
前記第１及び第２の工程を交互に実行することを特徴とすることを特徴とする水性ガス生成方法を提供する。

好ましくは、上記燃料供給手段は、水性ガス化反応のための炭化水素系燃料を水性ガス化反応領域に供給する。

所望により、水性ガス生成装置は 酸化剤を水性ガス化反応領域に供給する酸化剤供給手段を備え、酸化剤が、水性ガス化反応領域に供給される。

望ましくは、水蒸気は、蓄熱体によって１１００℃以上の高温に加熱される。

本発明によれば、水蒸気は、蓄熱体で加熱された直後に流路形態の水性ガス化反応領域を通り、水性ガス流として後続の水性ガス消費設備に供給される。８００℃以上に加熱された水蒸気は、このような効率的な水性ガスの生成を可能にする。従って、本発明の構成によれば、水性ガスを効率的に生成して水性ガスを水性ガス消費設備に連続供給する新規構成の水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法を提供することができる。

本発明の好適な実施形態において、上記蓄熱体は、水蒸気と燃焼域の燃焼排ガスとが交互に流通可能な多数の流路を備えたセラミックス製のハニカム型蓄熱体からなる。好適には、ハニカム型蓄熱体は、各流路を構成する正方形断面又は三角形断面等の所定断面形状のセル孔を備えた格子状のハニカム構造に成形され、セル孔を画成するセル壁の壁厚及び各セル壁間のピッチは、好ましくは、蓄熱体の容積効率の最大値に相応し且つ０．７乃至１．０の温度効率を確保し得る壁厚及びピッチに設定される。更に好適には、セル壁の壁厚は、１．６mm以下の所定厚に設定され、セル壁ピッチは、５．０mm以下の所定値に設定される。

本発明の更に好適な実施形態において、水性ガス生成装置は、水蒸気を低温給気流として供給する水蒸気導入路と、燃焼域で生成した高温ガスを排出する排ガス導出路と、導入路及び導出路に連結された流路切換装置と、流路切換装置に連結された第１給排流路及び第２給排流路と、第１給排流路及び第２給排流路に連結された第１加熱装置及び第２加熱装置と、第１及び第２加熱装置と連通し且つ水性ガス給送路と連通する分流域とを有する。第１加熱装置は、第１給排流路に連結された第１熱交換装置と、第１熱交換装置に対して直列に配置された第１燃焼域とを備え、同様に、第２加熱装置は、第２給排流路に連結された第２熱交換装置と、第２熱交換装置に対して直列に配置された第２燃焼域とを備える。第１及び第２燃焼域は、水性ガス化反応領域を構成する。第１及び第２燃焼域は、熱交換装置によって加熱された水蒸気に対して酸化剤及び炭化水素系燃料を供給可能な燃焼手段を備える。第１又は第２熱交換装置は、水蒸気を高温に加熱し、この結果、高温水蒸気の水性ガス化反応が、熱交換装置及び燃焼域において進行する。かくして生成した水性ガスは、分流域において第１水性ガス流と第２水性ガス流とに分流し、第２水性ガス流は、複合発電システム等の水性ガス消費設備に給送され、第１水性ガス流は、他方の燃焼域に流入し、酸化剤及び炭化水素系燃料の存在下に燃焼反応し、高温ガスを生成する。高温ガスは、熱交換装置を介して系外に排出され、高温ガスが保有する顕熱は、熱交換装置の蓄熱体に蓄熱される。

このような実施形態において、燃焼域の燃焼排ガスは、第１又は第２熱交換装置を構成する蓄熱体の流路を通過し、蓄熱体を加熱する。流路切換手段に対する所定時間の切換制御により、燃焼域の燃焼排ガスの顕熱を蓄熱体に熱伝導／熱伝達し且つ蓄熱体に蓄熱する蓄熱作用と、蓄熱体に蓄熱した顕熱を水蒸気流に対して放熱し且つ水蒸気流を加熱する放熱作用とが、短時間に交互に反覆する。この結果、水蒸気流と燃焼排ガスとの熱交換作用が、蓄熱体を介して継続し、水蒸気流は、上記蓄熱体を介してなされる実質的に直接的な熱伝導作用により、８００℃乃至１０００℃以上の高温域に加熱される。

好適には、上記流路切換装置は、水蒸気導入路を第１給排流路に連結し且つ燃焼排ガス導出路を第２給排流路に連結する第１位置と、水蒸気導入路を第２給排流路に連結し且つ燃焼排ガス導出路を第１給排流路に連結する第２位置とを有し、所定の時間間隔にて第１位置又は第２位置のいずれか一方に選択的に切換制御される。第１及び第２燃焼域の各燃焼排ガスは、流路切換手段の第２位置において第１燃焼域の燃焼手段が燃焼作動する間、第１熱交換装置の蓄熱体を通過して第１給排流路に送出され、流路切換手段の第１位置において第２燃焼域の燃焼手段が燃焼作動する間、第２熱交換装置の蓄熱体を通過して第２給排流路に送出される。更に好ましくは、上記流路切換手段は、上記時間間隔にて上記第１位置又は第２位置に交互に切換制御され、この時間間隔は、６０秒以下、更に好ましくは、３０秒以下の所定時間に設定され、上記第１及び第２熱交換装置の各蓄熱体は、この時間間隔に相応して蓄熱又は放熱を反覆し、水蒸気流を加熱し且つ燃焼排ガスを冷却する。

望ましくは、上記分流域は、流体圧力の制御（動圧規制及び／又は静圧規制）により、加熱給気流を第１水性ガス流及び第２水性ガス流に分流する。所望により、オリフィス又は流路縮径部を形成する分流手段が設けられる。分流手段は、第１及び第２加熱装置の相対的な圧力バランスを制御する流体圧力調整機能と、水性ガス流の分流方向を調整する気流配向機能とにより、水性ガス流を第１及び第２水性ガス流に分割する。本発明の或る実施形態において、分流域は、上記加熱装置の中心軸線に対して所定角度をなして傾斜した流路と、該流路に配置された整流手段及び流路抵抗手段を備える。整流手段及び流路抵抗手段は、例えば、上記熱交換装置の蓄熱体と実質的に同一の構造を有するハニカム構造の成形品からなる。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施例に係る水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法について、詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明に係る水性ガス生成装置の実施例を示す概略ブロックフロー図及び概略断面図である。図１及び図２において、（Ａ）図は、水性ガス生成装置の第１加熱工程を示し、（Ｂ）図は、水性ガス生成装置の第２加熱工程を示す。

水性ガス生成装置１は、水性ガス反応(water gas reaction)により水性ガス(water gas) を生成する水性ガス化炉又はガス化反応容器として使用される。

水性ガス生成装置１は、流路切換装置２０を介して水蒸気供給路ＳＴ又は高温ガス導出路ＳＨＢに選択的に連通可能な第１給排路Ｌ１及び第２給排路Ｌ２を備えるとともに、水蒸気供給路ＳＴを介して導入した水蒸気を所定温度に加熱する第１熱交換装置１１及び第２熱交換装置１２と、水性ガス流ＳＨを分流する分流域１５と、分流域１５において分流した所定流量の第１水性ガス流ＳＨ１の存在下に炭化水素系燃料の燃焼反応を生起する第１燃焼域１３及び第２燃焼域１４とを備える。

流路切換装置２０は、第１給気開閉弁２７、第２給気開閉弁２８、第１排気開閉弁３７及び第２排気開閉弁３８を備える。第１及び第２給気開閉弁２７、２８は、水蒸気供給路ＳＴの分岐連通管路２９を介して相互連通し、第１及び第２排気開閉弁３７、３８は、高温ガス導出路ＳＨＢの分岐連通管路３９を介して相互連通する。

第１給気開閉弁２７及び第２排気開閉弁３８は、同時に開放し且つ同時に閉塞するように連動し、第２給気開閉弁２８及び第１排気開閉弁３７は、同時に開放し且つ同時に閉塞するように連動する。水性ガス生成装置１の制御装置（図示せず）は、第１加熱工程において、第１給気開閉弁２７及び第２排気開閉弁３８を開放し且つ第２給気開閉弁２８及び第１排気開閉弁３７を閉塞する（図１Ａ）。他方、水性ガス生成装置１の制御装置は、第２加熱工程において、第１給気開閉弁２７及び第２排気開閉弁３８を閉塞し且つ第２給気開閉弁２８及び第１排気開閉弁３７を開放する（図１Ｂ）。

第１及び第２燃焼域１３、１４は、水性ガス化反応領域として構成される。燃焼域１３、１４は、炭化水素系ガス燃料又は液体燃料を燃焼域１３、１４内に吐出又は噴射する燃料供給口４３、４４と、酸化剤を燃焼域１３、１４に供給する酸化剤吐出口８３、８４とを備える。

第１及び第２熱交換装置１１、１２は、多数のセル孔を備えたハニカム構造のセラミックス製蓄熱体からなり、セル孔は、複数の流路を構成する。かかる蓄熱体として、例えば、アンモニア選択接触還元法等においてハニカム型触媒の担体として一般に使用され且つ多数の狭小流路（セル孔）を備えるセラミック製ハニカム構造体を好適に使用し得る。

図２に示すように、給気流加熱装置１は、第１熱交換装置１１を収容し且つ第１中間流路Ｌ３及び第１燃焼域１３を直列に画成する第１加熱装置１０Ａと、第２熱交換装置１２を収容し且つ第２中間流路Ｌ４及び第２燃焼域１４を直列に画成する第２加熱装置１０Ｂと、第１加熱装置１０Ａ及び第２加熱装置１０Ｂを相互連結し且つ第３中間流路Ｌ５、分流域１５及び第４中間流路Ｌ６を画成する連通部１０Ｃとから構成される。第１及び第２加熱装置１０Ａ、１０Ｂは、実質的に同一の機能及び構造を備える。第１加熱装置１０Ａ、第２加熱装置１０Ｂ及び連通部１０Ｃは、水性ガス生成装置１の中心軸線に対して対称に配置された切換式蓄熱型熱交換システム１０を構成する。加熱装置１０Ａ、１０Ｂ及び連通部１０Ｃは、耐熱性キャスタブル・ライニング材料、耐熱レンガ、耐火・断熱レンガ又は耐熱性セラミックス材料等の各種耐火・耐熱性材料により一体的に形成される。

第１及び第２バーナ４３、４４は、第１及び第２加熱装置１０Ａ、１０Ｂの端壁に配置され、第１又は第２熱交換装置１１、１２の先端面に対向する火炎帯を第１及び第２燃焼域１３、１４に形成するように配向される。なお、第１及び第２バーナ４３、４４には、パイロットバーナ及び点火用トランスなどの付帯設備が一般に設けられるが、これらの付帯設備については、図を簡略化するために図示を省略してある。

連通部１０Ｃは、水性ガス生成装置１の中心軸線に対して対称の構造に形成され、中心軸線上において流路内方に突出する三角形断面の突出部１６を備える。水性ガス送出路SHAの流入口が、水性ガス生成装置１の中心軸線上において連通部１０Ｃの内壁面に開口し、この流入口は、突出部１６の先端部分と対向する。突出部１６は、第３中間流路Ｌ５及び第４中間流路Ｌ６の間に局所的な縮小流路を形成するオリフィス又は流路抵抗として作用するとともに、水性ガス流SHを第１及び第２水性ガス流SH１：SH２として分割し且つ各分割流を所定方向に配向する分流手段として機能する。第１及び第２加熱装置１０Ａ、１０Ｂの流体圧力と、水性ガス送出路SHAの流体圧力との圧力バランスは、突出部１６により形成されたオリフィスにより調整又は制御され、従って、分流域１５に流入した水性ガス流SHは、突出部１６の動圧規制作用及び流体分配作用に従って、所望の流量割合の第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流する。

図３は、第１及び第２熱交換装置１１、１２を構成する蓄熱体の斜視図（図３Ａ）及び部分拡大斜視図（図３Ｂ）であり、図４は、蓄熱体のハニカム構造の各種形式を例示する蓄熱体の概略部分断面図である。

第１及び第２熱交換装置１１、１２を構成する蓄熱体は、図３に示す如く、第１及び第２加熱装置１０Ａ、１０Ｂ内に組み込み可能な幅員Ｗ、全長Ｌ及び全高Ｈの各寸法を備えるとともに、複数の正方形断面のセル孔（流路）１７を備えた格子状のハニカム構造に成形される。各流路１７を形成するセル壁１８の壁厚ｂ及び各セル壁１８のピッチ（壁体間隔）Ｐは、好ましくは、蓄熱体の容積効率の最大値に相応し且つ０．７乃至１．０の範囲内の熱交換装置１１、１２の温度効率を確保し得る所望の壁厚ｂ及びピッチＰに設定される。

蓄熱体の容積効率 (Ｑ／Ｖ) 及び温度効率（ηt ）は、下式(1)(2)により定義し得る。
Ｑ／Ｖ＝ηt(Thi-Tci) (1-ε)Cm/τ・PM₂/PM₁ ・・・・・・・ (1)
ηt ＝１／(1+2/PM₁ + exp(-2PM₁/PM₂)) ・・・・・・・ (2)

上記式(1) 及び式(2) におけるＰＭ₁ 、ＰＭ₂ は、下式により求められる。
ＰＭ₁ ＝ ｈＡ／Cg Gg
ＰＭ₂ ＝ ｈＡτ／Cm Gm

上記各式における符号は、以下の通り定義される。
Tci: 低温側気体の入口温度 ℃ Thi :高温側気体の入口温度 ℃
ε : 蓄熱体の空隙率
Ａ : 伝熱面積 m² ｈ : 熱伝達係数 Kcal/m²h℃
τ : 切換時間 hr Cg : 気体の定圧比熱 Kcal/m³N℃
Gg : 気体の流量 m³N/h Cm : 蓄熱体の比熱 Kcal/m³ ℃
Gm : 蓄熱体の正味体積 m³

第１及び第２蓄熱体１１、１２は、容積効率（Ｑ／Ｖ）が極大値を指示する空隙率（ε）を有するとともに、温度効率（ηt ）が０．７乃至１．０の範囲の所定の設定値を指示する熱伝達係数（ｈ）及び伝熱面積（Ａ）を有し、上記ハニカムピッチＰ及びハニカム壁厚ｂは、空隙率（ε）、熱伝達係数（ｈ）及び伝熱面積（Ａ）に相当する値に決定される。上記正味体積(Gm)、伝熱面積（Ａ）及び流量（Gg) は、熱交換器（蓄熱体）全体の正味体積、伝熱面積及び全流量である。なお、上記蓄熱体の具体的な構造詳細については、本出願人の出願に係る特願平５─６９１１号（特開平６−２１３５８５号）に詳細に開示されているので、更なる詳細な説明は、同特許出願を引用することにより省略する。

図４は、上記第１及び第２熱交換装置１１、１２を構成する蓄熱体のハニカム構造の各種形式を例示する蓄熱体の概略部分断面図である。

蓄熱体を構成するハニカム構造は、流体通路を分割して蜂の巣状に配列した構造のものを広く包含しており、ハニカム構造の流路断面性状は、図３に示す方形断面形状に限定されるものではなく、種々の形式ないし形態の流路断面に設計し得る。多様のハニカム構造の各種流路形態が図４に例示されており、流路断面の形状は、三角形、円形、正方形、長方形、六角形等の他、円管、板体などを組合せたものなどを含む。なお、図４には、これら種々の形態のハニカム構造におけるハニカムピッチＰ及びハニカム壁厚ｂが示されている。このようなハニカム形態の適当な設定に伴い、上記空隙率ε及びＡ／Gm等の算定式は、その都度、適当に設定変更し得る。

図１及び図２に示すように、燃料供給口４３、４４は、燃料供給路CH１、CH２を介して燃料供給制御装置４０に接続され、制御装置４０は、燃料供給主管CHG に接続される。炭化水素系燃料として、例えば、メタン、エタン、プロパン又はブタン等の炭化水素系ガス、或いは、灯油又は重油等の液体燃料を好適に使用し得る。また、酸化剤吐出口８３、８４は、酸化剤供給路OX１、OX２を介して酸化剤供給制御装置８０に接続され、制御装置８０は、酸化剤供給主管OXG に接続される。酸化剤として、酸素O₂を好適に使用し得るが、所望により、空気等を酸化剤として使用しても良い。図２に示す如く、酸化剤供給制御装置８０は、酸化剤供給路OX１、OX２に夫々介装された第１及び第２流量制御弁８１、８２を含み、燃料供給制御装置４０は、燃料供給路CH１、CH２に夫々介装された燃料供給制御弁４１、４２を含む。

第１及び第２燃焼域１３、１４の間に位置する分流域１５は、水性ガス給送路SHA の上流端に接続され、他方、第１及び第２熱交換装置１１、１２の基端部は、流路切換装置２０を介して、水蒸気供給路STの下流端又は高温ガス導出路SHB の上流端に選択的に接続される。

次に、上記構成の水性ガス生成装置１の作動について説明する。

ボイラ設備又は水蒸気発生装置等（図示せず）において生成した過熱水蒸気が、水蒸気供給路STを介して水性ガス生成装置１の流路切換装置２０に供給される。水蒸気供給路STの水蒸気温度は、例えば、１５０乃至３００℃の範囲に設定される。

水性ガス生成装置１は、所定の時間間隔で第１位置（図１Ａ）又は第２位置（図１Ｂ）に交互に切換えられ、第１及び第２加熱工程を交互に実行する。水性ガス生成装置１は、第１加熱工程（図１Ａ：図２Ａ) において、第２燃焼域１４を燃焼作動し、第２加熱工程（図１Ｂ：図２Ｂ）において第１燃焼域１３を燃焼作動する。

第１加熱工程（図１Ａ：図２Ａ）において、水蒸気供給路STの過熱水蒸気は、第１給気開閉弁２７、第１給排路Ｌ１、第１熱交換装置１１及び第１中間流路Ｌ３を介して第１燃焼域１３に供給される。水蒸気は、第１熱交換装置１１を流通する間に８００℃以上の高温域、好適には、１１００℃以上の高温域に加熱される。

第１及び第２燃焼域１３、１４は、熱交換装置１１、１２によって加熱された水蒸気に対して炭化水素系燃料及び酸化剤を供給する燃料供給口４３、４４及び酸化剤吐出口８３、８４を備えており、第１又は第２熱交換装置１１、１２は、水蒸気を高温に加熱し、高温の水蒸気の水性ガス化反応が、熱交換装置１１、１２及び燃焼域１３、１４において進行する。

第１加熱工程（図１Ａ：図２Ａ）において、水性ガス化反応した水蒸気は、水素を含む高温の水性ガス流SHとして、第３中間流路Ｌ５を介して分流域１５に流入し、分流域１５において、第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流する。

第２水性ガス流SH２は、水性ガス給送路SHA に送出され、水性ガス給送路SHA を介して燃焼装置９０に供給される。他方、第１水性ガス流SH１は、第４中間流路Ｌ６を介して第２燃焼域１４に流入する。燃料供給路CHG の炭化水素系燃料が、制御弁４２を介して燃料吐出口４４から第２燃焼域１４に導入されるとともに、酸化剤供給路OXG の酸化剤(O₂)が、制御弁８２を介して酸化剤吐出口８４から第２燃焼域１４に導入される。炭化水素系燃料、酸化剤及び第１水性ガス流SH１は、第２燃焼域１４にて燃焼反応し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温ガス流SH3 は、第２中間流路Ｌ４、第２熱交換装置１２、第２給排路Ｌ２及び第２排気開閉弁３８を介して、高温ガス導出路SHB に送出される。高温ガス流SH3は、第２熱交換装置１２を通過する際に第２熱交換装置１２と伝熱接触し、高温ガス流SH3が保有する顕熱は、第２熱交換装置１２に蓄熱される。

第１加熱工程に引き続いて実行される第２加熱工程（図１Ｂ：図２Ｂ）において、水蒸気供給路STの過熱水蒸気は、第２給気開閉弁２８、第２給排路Ｌ２、第２熱交換装置１２及び第２中間流路Ｌ４を介して第２燃焼域１４に供給される。水蒸気は、第２熱交換装置１２を流通する間に８００℃以上の高温域、好適には、１１００℃以上の高温域に加熱され、水蒸気の水性ガス化反応が、第２熱交換装置１２及び第２燃焼域１４において生起し且つ進行する。水素を含む高温の水性ガス流SHが、第４中間流路Ｌ６を介して分流域１５に流入し、分流域１５において、第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流する。

第２水性ガス流SH２は、水性ガス給送路SHA に送出され、水性ガス給送路SHA を介して燃焼装置９０に供給され、第１水性ガス流SH１は、第３中間流路Ｌ５を介して第１燃焼域１３に流入する。燃料供給路CHG の炭化水素系燃料が、制御弁４１を介して燃料吐出口４３から第１燃焼域１３に導入されるとともに、酸化剤供給路OXG の酸化剤(O₂)が、制御弁８１を介して酸化剤吐出口８３から第１燃焼域１３に導入される。炭化水素系燃料、酸化剤及び第１水性ガス流SH１は、第１燃焼域１３にて燃焼反応し、高温の燃焼排ガスを生成する。高温ガス流SH3 は、第１中間流路Ｌ３、第１熱交換装置１１、第１給排路Ｌ１及び第１排気開閉弁３７を介して、高温ガス導出路SHB に送出される。高温ガス流SH3は、第１熱交換装置１１を通過する際に第１熱交換装置１１と伝熱接触し、高温ガス流SH3が保有する顕熱は、第１熱交換装置１１に蓄熱される。

上記構成の水性ガス生成装置１においては、第１及び第２燃焼域１３、１４に導入される水蒸気は、第１及び第２熱交換装置１１、１２を介してなされる水蒸気流SHと高温ガス流SH3 との実質的に直接的な熱交換作用により、８００乃至１１００℃以上の高温域に加熱されるので、高効率の水性ガス反応を第１及び第２熱交換装置１１、１２及び燃焼域１３、１４に生起し且つ維持することができる。しかも、第１水性ガス流SH1 は、燃焼域１３、１４に供給される比較的少量の燃料及び酸化剤と混合し、水性ガスの燃焼反応を燃焼域１３、１４に生起し且つ維持する。かくして、上記水性ガス生成装置１は、燃焼域１３、１４の水性ガス化反応の反応温度を所望の温度域に維持し得るので、高温加熱処理した水蒸気流の存在下に、高効率の水素ガス生成反応を燃焼域１３、１４に生起し、所望の水素ガスを含む高効率の水性ガスを燃焼装置９０に供給することができる。このような水性ガス生成装置１によれば、比較的少量の酸化剤及び燃焼用燃料により、比較的高純度又は高品位の水性ガスを生成することができる。

図５は、上記第１実施例に係る水性ガス生成装置１の分流域１５の変形構造を示す水性ガス生成装置１の概略断面図であり、図５には、給気流の流路形態のみが、概略的に図示されている。

図５に示す水性ガス生成装置１は、第１及び第２燃焼域１３、１４を画成する第１及び第２加熱装置１０Ａ、１０Ｂと、各加熱装置を相互連通する連通部１０Ｃとを備える。加熱装置１０Ａ、１０Ｂの端壁には、パイロットバーナ３０５、３０６を備えたバーナ組立体３０３、３０４が配設される。燃料供給路CH１、CH２及び酸化剤供給路OX１、OX２が、バーナ組立体３０３、３０４に連結され、バーナ組立体３０３、３０４は、燃焼域１３、１４に向かって軸線方向に酸化剤及び炭化水素系燃料を吐出する。

分流域１５を構成する左右の中間流路Ｌ５、Ｌ６は、水性ガス流SHの流体流を第１水性ガス給送路SHA に向けて差し向けるように、各加熱装置１０Ａ、１０Ｂの中心軸線に対して所定角度αをなして傾斜しており、水性ガス生成装置１の中心線位置において相互接続される。第１及び第２中間流路Ｌ５、Ｌ６の接合部には、第１水性ガス給送路SHA の上流端が接続されるとともに、突出部１６が配設される。突出部６は、水性ガス生成装置１の中心線上に延在する比較的薄い板体からなり、第１水性ガス給送路SHA の上流端開口部と対向するように流路内に突出する。

かかる分流域１５の構造によれば、分流域１５は、水性ガス流SHが第１水性ガス給送路SHA に流入し易いように設定された流路形態を有し、この結果、比較的減量し易い性質を有する第２水性ガス流SH２は、水性ガス流SHの方向性又は慣性により、確実に所望の流量を確保し、第１水性ガス給送路SHA に流入する。従って、第２水性ガス流SH２の流量の低減が防止され、水性ガス流SHは、分流域１５において円滑に所望の流量比の第１及び第２水性ガス流SH１、SH２に分流する。

流路抵抗を増大し且つ流体流を整流するハニカム型蓄熱体３０１、３０２が、第１及び第２中間流路Ｌ５、Ｌ６の流路内に更に配置される。蓄熱体３０１、３０２は、上記第１及び第２熱交換装置１１、１２を構成する蓄熱体と実質的に同一の素材、各部形状及び各部寸法を有する蓄熱体からなる。図５に示す如く、第１燃焼域１３に生成した水性ガス流SHは、第３中間流路Ｌ５に流入し、蓄熱体３０１を流通した後、分流域１５にて第１及び第２水性ガス流SH１、SH2 に分流する。第１水性ガス流SH1 は、蓄熱体３０２のハニカム流路を流通した後、第４中間流路Ｌ６から第２燃焼域１４に流入する。

蓄熱体３０１、３０２は、水性ガス流SH、SH１の顕熱を蓄熱し且つ放熱する機能を発揮する。しかしながら、蓄熱体３０１、３０２は、これを主たる目的として中間流路Ｌ５、Ｌ６に配設されたものではなく、主として第３及び第４中間流路Ｌ５、Ｌ６の流路抵抗を局所的に増大させるとともに、乱流状態で中間流路Ｌ５、Ｌ６に流入する水性ガス流SHを整流し、分流域１５の分流機能を規制することを意図としたものである。即ち、燃焼域１３、１４の水性ガス流SHは、乱流形態又は不規則な流体特性を有する高温気流として中間流路Ｌ５、Ｌ６に流入し、蓄熱体３０１、３０２のハニカム流路を流通する間に整流され、比較的規則的な方向性を有する整流として分流域１５の分流部に流入する。しかも、水性ガス流SHから分流した第１水性ガス流SH１に対して、蓄熱体３０１、３０２の流通抵抗又は流路抵抗が作用するので、比較的増量し易い第１水性ガス流SH１の流量は、この流通抵抗又は流路抵抗により抑制される。この結果、第１及び第２水性ガス流SH１、SH２の流量比は、適切に規制され、適当な流量の第１及び第２水性ガス流SH１、SH２が、燃焼域１３、１４及び第１水性ガス給送路SHA に送出される。

かくして、図５に示す流路形態の分流域１５を備えた水性ガス生成装置１によれば、分流域１５における第１及び第２水性ガス流SH１、SH２の分流比又は流量比を適切に規制し得る。

図６は、水性ガス生成装置の更なる変形例を示す概略ブロックフロー図である。また、図７及び図８は、図６に示す水性ガス生成装置の概略断面図である。なお、図６（Ａ）及び図７には、水性ガス生成装置の第１位置が図示されており、図６（Ｂ）及び図８には、水性ガス生成装置の第２位置が図示されている。

水性ガス生成装置１は、第１又は第２燃焼域１３、１４を相互連通する連通部１０Ｃ（図７、図８）と、燃焼域１３、１４と第１水性ガス給送路SHA とを相互連通可能に接続する第３及び第４中間流路Ｌ７、Ｌ８とを備える。連通部１０Ｃの分流連通路１５は、第１及び第２燃焼域１３、１４を相互連通する。第１又は第２熱交換装置１１、１２及び燃焼域１３、１４における水性化反応により生成した水性ガスは、分流連通路１５により分流する。縮径部１６が、分流連通路１５の流路内方に突出し、局所的な縮小流路を形成する。縮径部１６は、分流連通路１５のオリフィス又は流路抵抗として機能する。

水性ガス生成装置１は、第１位置（図６Ａ：図７）と第２位置（図６Ｂ：図８）とに交互に切換可能な４方弁形式の流路切換装置２０を有し、流路切換装置２０は、流入ポート２１、流出ポート２２、第１給排ポート２３、第２給排ポート２４、中心回転軸２５、弁体２６及び４方弁駆動装置（図示せず）を備える。水性ガス生成装置１は又、第１位置（図６Ａ：図７）と第２位置（図６Ｂ：図８）とに交互に切換可能な３方弁形式の分流制御装置１３０を備える。分流制御装置１３０は、中間流路Ｌ７、Ｌ８と第１水性ガス給送路SHA との間に介装され、電子式制御装置２００（図６）の制御下に第１又は第２位置に選択的に切換えられる。電子式制御装置２００は、分流制御装置１３０及び流路切換装置２０の切換作動を同期制御し、従って、分流制御装置１３０及び流路切換装置２０は、好ましくは６０秒以下の所定時間に設定される切換時間毎に第１位置（図６Ａ：図７）又は第２位置（図６Ｂ：図８）に同時に切換えられる。なお、本実施例の流路切換装置２０は、高速切換式又は高周期切換式構造を備えた４方弁として構成されているが、図１及び図２に示す如く複数の開閉弁を組み合わせてなる複合構造の弁装置として流路切換装置２０を構成しても良い。

第１及び第２熱交換装置１１、１２を介して第１及び第２燃焼域１３、１４に導入される水蒸気流ＳＴは、水性ガス流SHとして第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流し、第１水性ガス流SH１は、燃焼域１３、１４に供給される燃料及び酸化剤の存在下に、水性ガスの燃焼反応を燃焼域１３、１４に生起し且つ維持する。

図６（Ａ）及び図７に示すように、水性ガス生成装置１の第１加熱工程（第１位置）において、第１熱交換装置１１を介して第１燃焼域１３に導入された高温の水蒸気流は、水性ガス流SHとして第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流し、第１水性ガス流SH１は、分流連通路１５を介して第２燃焼域１４に導入され、燃焼域１４に供給される燃料及び酸化剤の存在下に、第１水性ガス流SH１の燃焼反応を燃焼域１４に生起し且つ維持する。他方、図６（Ｂ）及び図８に示す水性ガス生成装置１の第２加熱工程（第２位置）において、第２熱交換装置１２を介して第２燃焼域１４に導入された高温の水蒸気流は、水性ガス流SHとして第１及び第２水性ガス流SH１：SH２に分流し、第１水性ガス流SH１は、分流連通路１５を介して第１燃焼域１３に導入され、燃焼域１３に供給される燃料及び酸化剤の存在下に、第１水性ガス流SH１の燃焼反応を燃焼域１３に生起し且つ維持する。これに対し、燃焼域１３、１４に生成した水性ガスの第２水性ガス流SH２は、分流制御装置１３０を介して第１水性ガス給送路SHA に送出される。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変形又は変更が可能であり、該変形例又は変更例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることは、いうまでもない。

例えば、流路を切換えるための流路切換手段として、ケース切換型高速切換システム（ＣＥＭ）などの他の形式の流路切換手段の構造を採用しても良い。

また、熱交換装置を介して系外に排出される高温ガスを可燃性ガスとして同一装置系内又は系外の装置系において使用しても良い。

以上説明した如く、本発明の上記構成によれば、水性ガスを効率的に生成して水性ガスを水性ガス消費設備に連続供給する水性ガス生成装置及び水性ガス生成方法を提供することができる。

本発明の好適な実施例に係る水性ガス生成装置の構成を示すブロックフロー図である。 図１に示す水性ガス生成装置の概略断面図である。 第１及び第２熱交換装置を構成する蓄熱体の斜視図（図３（Ａ））及び部分拡大斜視図（図３（Ｂ））である。 蓄熱体のハニカム構造の各種形式を例示する蓄熱体の概略部分断面図である。 水性ガス生成装置を構成する分流域の変形構造を示す水性ガス生成装置の概略断面図である。 図１及び図２に示す水性ガス生成装置の更なる変形例を示す水性ガス生成装置の概略ブロックフロー図である。 図６に示す水性ガス生成装置の概略断面図（第１位置）である。 図６に示す水性ガス生成装置の概略断面図（第２位置）である。

符号の説明

１ 水性ガス生成装置
１０ 切換式蓄熱型熱交換システム
１０Ａ 第１加熱装置
１０Ｂ 第２加熱装置
１０Ｃ 連通部
１１ 第１熱交換装置（蓄熱体）
１２ 第２熱交換装置（蓄熱体）
１３ 第１燃焼域
１４ 第２燃焼域
１５ 分流域
１７ 流路
１８ セル壁
２０ 流路切換装置
２７ 第１給気開閉弁
２８ 第２給気開閉弁
３７ 第１排気開閉弁
３８ 第２排気開閉弁
４０ 燃料供給制御装置
４１ 第１燃料供給制御弁
４２ 第２燃料供給制御弁
４３ 第１バーナ
４４ 第２バーナ
４５ 第１排ガス流入口
４６ 第２排ガス流入口
４７ 第１開閉制御弁
４８ 第２開閉制御弁
ＳＴ 水蒸気供給路
ＳＨＡ 水性ガス給送路
ＳＨＢ 高温ガス導出路
ＣＨＧ 燃料供給主管
ＯＸＧ 酸化剤供主管
Ｌ１ 第１給排路
Ｌ２ 第２給排路
Ｌ３ 第１中間流路
Ｌ４ 第２中間流路
Ｌ５ 第３中間流路
Ｌ６ 第４中間流路
ＳＨ１ 第１水性ガス流
ＳＨ２ 第２水性ガス流
ＳＨ 水性ガス流

Claims (5)

1. 水蒸気と燃焼ガスとに交互に伝熱接触して水蒸気を８００℃以上の温度に加熱する蓄熱体と、加熱後の水蒸気流を流出する前記蓄熱体の出口に隣接して水蒸気流の方向に直列に配置された流路形態の水性ガス化反応領域と、炭化水素系燃料を前記水性ガス化反応領域に供給する燃料供給手段とを有し、
   前記水性ガス化反応領域は、前記蓄熱体から該反応領域への前記水蒸気の供給前及び供給後に前記炭化水素系燃料の燃焼反応を生起する燃焼域として機能し、前記蓄熱体を加熱するための前記燃焼ガスを生成することを特徴とする水性ガス生成装置。
2. 酸化剤を前記水性ガス化反応領域に供給する酸化剤供給手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の水性ガス生成装置。
3. 水蒸気を高温の蓄熱体と伝熱接触させて８００℃以上の温度に加熱し、加熱後の水蒸気流を前記蓄熱体から水性ガス化反応領域に流出させ、水蒸気流の方向に直列に配置された流路形態の水性ガス化反応領域において水性ガス化反応を進行させ、これにより、水性ガス流を後続の装置に供給する第１工程と、
   前記水性ガス化反応領域に前記炭化水素系燃料の燃焼反応を生じさせ、該水性ガス化反応領域に燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスと前記蓄熱体との熱交換によって該蓄熱体を加熱する第２工程とを有し、
   前記第１及び第２の工程を交互に実行することを特徴とすることを特徴とする水性ガス生成方法。
4. 前記蓄熱体によって前記水蒸気を１１００℃以上の高温に加熱することを特徴とする請求項３に記載の水性ガス生成方法。
5. 酸化剤を前記水性ガス化反応領域に供給することを特徴とする請求項４に記載の水性ガス生成方法。

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