JP4413040B2 - Shift reactor - Google Patents
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本発明は、水素リッチな改質ガスに含まれる一酸化炭素(CO)を水性シフト反応によって転化除去するために用いられるシフト反応装置に関する。 The present invention relates to a shift reaction apparatus used for converting and removing carbon monoxide (CO) contained in a hydrogen-rich reformed gas by an aqueous shift reaction.
近年、燃料電池に注目が集まっている。この燃料電池は、都市ガスやガソリン等が保有する化学エネルギを電気エネルギに変換するものであり、灯油等の原燃料から何段かの触媒反応を介して発電の燃料である水素を製造する水素製造装置を備えている。この水素製造装置は、灯油からなる燃料を脱硫器の触媒を通して、燃料から硫黄化合物を脱硫させる。次に、この脱硫された燃料に水を加えて当該燃料を改質器の触媒を通すことにより、燃料を水素、一酸化炭素、二酸化炭素、および微量のメタン等からなる改質ガスに分解する。次に、この改質ガスをシフト反応装置の触媒に通すことにより、水性シフト反応によって一酸化炭素の大半を二酸化炭素と水素に転換する。そして、最後に改質ガスをCO選択酸化器の触媒に通すことにより、有害な一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、一酸化炭素が除去された水素リッチな改質ガスを燃料電池スタックに供給するようにしている。 In recent years, attention has been focused on fuel cells. This fuel cell converts chemical energy possessed by city gas, gasoline, etc. into electric energy, and produces hydrogen as fuel for power generation from raw fuel such as kerosene through several catalytic reactions. A manufacturing device is provided. In this hydrogen production apparatus, a sulfur compound is desulfurized from a fuel made of kerosene through a catalyst of a desulfurizer. Next, by adding water to the desulfurized fuel and passing the fuel through a reformer catalyst, the fuel is decomposed into a reformed gas composed of hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and a small amount of methane. . Next, this reformed gas is passed through the catalyst of the shift reactor, so that most of the carbon monoxide is converted into carbon dioxide and hydrogen by an aqueous shift reaction. Finally, the reformed gas is passed through the catalyst of the CO selective oxidizer to oxidize harmful carbon monoxide to carbon dioxide and supply the hydrogen-rich reformed gas from which carbon monoxide has been removed to the fuel cell stack. Like to do.
ここで、このような水素製造装置の一部を構成するシフト反応装置として、例えば特許文献1に示すようなものが提案されている。このシフト反応装置は、図8に示すように、軸方向の両端にそれぞれ導入口100Aおよび送出口100Bが設けられた筒状の容器100と、容器100内に同心円状に収容された円筒状の触媒層101と、触媒層101のうち送出口100B側に位置する開口端を閉塞するプレート102とを備えている。
Here, as a shift reaction apparatus constituting a part of such a hydrogen production apparatus, for example, the one shown in Patent Document 1 has been proposed. As shown in FIG. 8, this shift reaction apparatus includes a cylindrical container 100 provided with an
そして、このシフト反応装置では、改質器から供給される改質ガスが導入口100Aから触媒層101の内周側に導かれる。ここで、触媒層101の送出側100Bに位置する開口端はプレート102で閉塞されているため、前記原燃料は触媒層101の内部通過してから触媒層101の外周側に向けて通過する。これにより、改質ガスが触媒層101の内部を通過する間に、一酸化炭素が二酸化炭素と水素に変換されて、送出口100Bから送出するようにしている。
ところで、前記特許文献1に記載のシフト反応装置によれば、触媒層101の一方の開口端をプレート102で閉塞しているため、触媒層101の内周側に導入された改質ガスを、触媒層101の内周側から外周側へと強制的に通過させて、触媒層101による改質ガスの転換効率を高めるようにしている。 By the way, according to the shift reaction apparatus described in Patent Document 1, since one open end of the catalyst layer 101 is closed by the plate 102, the reformed gas introduced into the inner peripheral side of the catalyst layer 101 is The catalyst layer 101 is forcibly passed from the inner peripheral side to the outer peripheral side to improve the conversion efficiency of the reformed gas by the catalyst layer 101.
しかし、このような特許文献1に記載のシフト反応装置を用いたとしても、必ずしも改質ガスを原燃料を触媒層101全体に強制的に通過させることができず、触媒層101全体を有効に利用することができないという問題がある。 However, even if such a shift reaction device described in Patent Document 1 is used, the reformed gas cannot always be forced to pass through the raw fuel through the entire catalyst layer 101, and the entire catalyst layer 101 is effectively used. There is a problem that it cannot be used.
本発明は、前記課題に鑑み、触媒層全体に均一に改質ガスを送り込み、触媒層全体を有効に利用することができるようにしたシフト反応装置を提供することを目的とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a shift reaction apparatus in which reformed gas is uniformly fed into the entire catalyst layer so that the entire catalyst layer can be used effectively.
本発明は、前記課題を解決すべく構成されるものであり、請求項1に記載の発明は、反応容器と、前記反応容器内に充填されて前記反応容器の一側との間に上流側空間を形成する触媒層と、を有し、前記反応容器は上下方向に配置し、前記反応容器内の上下方向の一側に前記上流側空間が形成されていると共に、前記反応容器内の上下方向の他側と前記触媒層との間に下流側空間を設け、前記反応容器の他側から前記下流側空間を通過して前記触媒層の下流側から上流側まで当該触媒層の内部を貫通し、先端側が前記上流側空間内に改質ガスを供給する改質ガス供給口となって前記上流側空間内に開口する改質ガス供給配管と、前記反応容器の他側に設けられた改質ガス排出口とを備え、前記改質ガス供給配管を複数本設け、各改質ガス供給配管を離間させて設けたことを特徴とするシフト反応装置である。 The present invention is configured to solve the above problems, and the invention according to claim 1 is an upstream side between the reaction vessel and one side of the reaction vessel filled in the reaction vessel. A catalyst layer that forms a space, and the reaction vessel is arranged in a vertical direction, the upstream space is formed on one side in the vertical direction in the reaction vessel, and the upper and lower sides in the reaction vessel A downstream space is provided between the other side of the direction and the catalyst layer, and passes through the downstream space from the other side of the reaction vessel to penetrate from the downstream side to the upstream side of the catalyst layer. And a reformed gas supply pipe that opens into the upstream space as a reformed gas supply port for supplying a reformed gas into the upstream space at the front end side, and a reformer provided on the other side of the reaction vessel. and a quality gas outlet, the reforming is provided a plurality of the gas supply pipe, the reformed gas supply A shift reactor, characterized in that provided that they are spaced from each tube.
請求項1に記載のシフト反応装置によれば、改質ガス供給配管を流れる改質ガスの流れと、反応容器内の触媒層を流れる改質ガスの流れとを、互いに対向した対向流とすることができる。従って、例えば220℃程度の適温の改質ガスからの放熱により反応容器内の触媒層を加熱し、当該触媒層による反応に適する温度まで短時間で上昇させることができる。このため、触媒層のスタートアップ加熱を良好に行うことができる。 According to the shift reaction apparatus of claim 1, the flow of the reformed gas flowing through the reformed gas supply pipe and the flow of the reformed gas flowing through the catalyst layer in the reaction vessel are opposed to each other. be able to. Therefore, for example, the catalyst layer in the reaction vessel can be heated by heat radiation from the reformed gas having an appropriate temperature of about 220 ° C., and can be raised in a short time to a temperature suitable for the reaction by the catalyst layer. For this reason, the startup heating of the catalyst layer can be performed satisfactorily.
また、請求項1に記載のシフト反応装置によれば、改質ガス供給配管を複数本、互いに離間させて配置することにより、改質ガス供給配管による触媒層のスタートアップ加熱を均一にでき、スタートアップ加熱の偏りを防止することができる。 According to the shift reactor of claim 1 , by arranging a plurality of reformed gas supply pipes separated from each other, the startup heating of the catalyst layer by the reformed gas supply pipe can be made uniform, Uneven heating can be prevented.
また、請求項1に記載のシフト反応装置によれば、シフト反応装置の作動を停止した後(改質ガスの供給停止後)、反応容器内に滞留する改質ガスあるいは水蒸気による凝縮成分が触媒層と反応容器の下部との間の空間部に溜まり、凝縮成分による触媒層の劣化を防止することができる。 Further , according to the shift reaction apparatus of claim 1 , after the operation of the shift reaction apparatus is stopped (after the supply of the reformed gas is stopped), the condensing component due to the reformed gas or water vapor staying in the reaction vessel is the catalyst. It can accumulate in the space part between a layer and the lower part of reaction container, and can prevent deterioration of the catalyst layer by a condensed component.
請求項2に記載の発明は、改質ガス供給配管には改質ガスに空気を混合するための空気導入口を設けたことを特徴とする請求項1に記載のシフト反応装置である。
The invention according to
請求項2に記載のシフト反応装置によれば、改質ガスに空気導入口から導入される微量の空気を混合して改質ガス供給配管を流通させることにより、前記空気と改質ガス中に含まれる水素(H2)とを反応させ、その発熱により触媒層のスタートアップの時間を短縮することができる。
According to the shift reaction apparatus of
請求項3に記載の発明は、前記反応容器の外周面には、前記触媒層の内部を流れる前記改質ガスの上流側に位置して断熱材を設け、下流側には断熱材を設けていないことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシフト反応装置である。
According to a third aspect of the present invention, on the outer peripheral surface of the reaction vessel, a heat insulating material is provided on the upstream side of the reformed gas flowing inside the catalyst layer, and a heat insulating material is provided on the downstream side. a shift reactor of claim 1 or
請求項3に記載のシフト反応装置によれば、反応容器のうち、触媒層の内部を流れる改質ガスの上流側(以下、触媒層の上流側という)に位置する部位には、断熱材を設け、触媒層の上流側を比較的高温(例えば、約300℃)に保ち、反応速度を増大させることができる。一方、触媒層の下流側は、断熱材を設けていないため、触媒層の下流側を比較的低温(例えば200℃)に保ち、化学平衡によって一酸化炭素濃度を低く抑えることができる。 According to the shift reaction apparatus of claim 3 , a heat insulating material is provided in a portion of the reaction vessel located upstream of the reformed gas flowing inside the catalyst layer (hereinafter referred to as upstream of the catalyst layer). It is possible to increase the reaction rate by keeping the upstream side of the catalyst layer at a relatively high temperature (for example, about 300 ° C.). On the other hand, since no heat insulating material is provided on the downstream side of the catalyst layer, the carbon monoxide concentration can be kept low by chemical equilibrium while keeping the downstream side of the catalyst layer at a relatively low temperature (for example, 200 ° C.).
請求項4に記載の発明は、改質ガス供給口からの改質ガスが触媒層の軸心部と外周部とを交互に貫通して改質ガス排出口から排出されるように、前記触媒層の内部には改質ガスの流れ方向を制御する整流板を複数枚埋設したことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のシフト反応装置である。
The invention according to
請求項4に記載のシフト反応装置によれば、改質ガス供給配管の改質ガス供給口から上流側空間内に供給された改質ガスは、整流板により、触媒層の軸心部と外周部を交互に流通するため、改質ガスを触媒層全体と均一に反応させることができ、触媒層全体を有効に利用することができる。
According to the shift reaction device of
本発明により、触媒層全体に均一に改質ガスを送り込むことができ、触媒層全体を有効に利用することができる。また、断熱材により触媒層の上流側を比較的高温に保ち、大きい反応速度を得ることができる。一方、触媒層の下流側は、断熱材を設けていないため比較的低温に保たれ、化学平衡により一酸化炭素濃度を低く抑えることができる。 According to the present invention, the reformed gas can be uniformly fed into the entire catalyst layer, and the entire catalyst layer can be used effectively. In addition, a high reaction rate can be obtained by keeping the upstream side of the catalyst layer at a relatively high temperature by the heat insulating material. On the other hand, the downstream side of the catalyst layer is not provided with a heat insulating material, so that it is kept at a relatively low temperature, and the carbon monoxide concentration can be kept low by chemical equilibrium.
(第1の実施の形態)
図1は、本実施の形態に係るシフト反応装置を示す全体図である。図2は、図1中の第1の整流板を示す平面図であり、図3は、図1中の第2の整流板を示す平面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall view showing a shift reaction apparatus according to the present embodiment. 2 is a plan view showing the first rectifying plate in FIG. 1, and FIG. 3 is a plan view showing the second rectifying plate in FIG.
図1に示すように、符号「1」は、燃料電池システムで発電用燃料として使用する水素含有ガスを製造するシフト反応装置である。このシフト反応装置1は、上下方向に配置された筒状の反応容器2と、反応容器2内に収容された触媒層3と、触媒層3の内部を貫通して反応容器2の軸方向一端側まで延び、互いに離間して配置された2本の改質ガス供給配管4と、反応容器2の軸方向他端側に設けられた改質ガス排出口5とを備えている。
As shown in FIG. 1, reference numeral “1” denotes a shift reaction apparatus that produces a hydrogen-containing gas used as a power generation fuel in a fuel cell system. This shift reaction apparatus 1 includes a
反応容器2は、筒状体2Aと、筒状体2Aの軸方向一端側を閉塞する蓋部2Bと、筒状体2Aの軸方向他端側を閉塞する他の蓋部2Cとを有している。また、反応容器2の内部は、蓋部2Bと触媒層3との間が上流側空間S1となり、蓋部2Cと触媒層3との間が下流側空間S2となっている。そして、上流側空間S1内には、改質ガス供給配管4の先端側が触媒層3から突出している。
The
触媒層3は、貴金属系、Cu系等からなる触媒を用いて形成され、改質ガス(CO2、CO、CH4、H2)が改質ガス供給配管4を通じて触媒層3の内部を流通するときに、CO+H2O→H2+CO2で表されるシフト反応を促進させるものである。
The catalyst layer 3 is formed using a catalyst made of noble metal, Cu, or the like, and reformed gas (CO 2 , CO, CH 4 , H 2 ) flows through the interior of the catalyst layer 3 through the reformed
改質ガス供給配管4,4の上流側には、それぞれ空気導入口である空気導入バルブ6,6が設けられている。そして、空気導入バルブ6,6から導入される微量の空気は、改質ガス供給配管4内を流れる改質ガス中に含まれるH2と混合して反応し、このときの発熱により触媒層3のスタートアップ時間を短縮させるものである。
Air introduction valves 6 and 6, which are air introduction ports, are provided on the upstream side of the reformed
ここで、触媒層3の内部には、図1に示すように第1の整流板10,10,…と第2の整流板11,11,…とが反応容器2の軸方向に対して交互に埋設されている。そして、第1の整流板10は、例えば金属材料等を用いて環状板として形成され、その軸心には改質ガスが流通する貫通孔10Aが穿設されている。また、第1の整流板10には、貫通孔10Aを挟んで径方向で対向した位置に改質ガス供給配管4が挿通される配管挿通孔10B,10Bが穿設されている。さらに、第2の整流板11は、例えば金属材料等を用いて円形板として形成されている。そして、第2の整流板11には、改質ガス供給配管4が挿通される他の配管挿通孔11A,11Aが穿設されている。また、第2の整流板11の外周側を改質ガスが流通するようになっている。
Here, as shown in FIG. 1, the first rectifying plates 10, 10,... And the second rectifying plates 11, 11,. It is buried in. The first rectifying plate 10 is formed as an annular plate using a metal material or the like, for example, and a through
なお、符号「7」は改質ガス排出口5内に含まれるCO(一酸化炭素)をCO2(二酸化炭素)に酸化させるためのCO選択酸化器で、このCO選択酸化器7は、改質ガス排出口5と配管8で接続されている。
Reference numeral “7” denotes a CO selective oxidizer for oxidizing CO (carbon monoxide) contained in the reformed gas outlet 5 to CO 2 (carbon dioxide). The quality gas discharge port 5 and the
このように構成される本実施の形態では、図1に示すように、触媒層3の内部には、第1の整流板10,10,…と第2の整流板11,11,…とが反応容器2の軸方向に対して交互に埋設されている。このため、改質ガス供給配管4を通じて反応容器2内に導入された改質ガスを、整流板10,11によって触媒層3の軸心部(図1中の矢示A方向)と外周部(図1中の矢示B方向)を交互に流通させることができ、改質ガスを触媒層3全体と均一に接触反応させることができ、触媒層3全体を有効に利用することができる。また、整流板10,11によって改質ガスを触媒層3全体と均一に接触反応させることにより、反応容器2内部の径方向の温度分布の均一化を図ることができ、触媒層3の反応中心部温度が高くなりすぎるのを防止することができる。従って触媒層3によりCO+H2O→H2+CO2で表されるシフト反応を効率的に行うことができ、改質ガス中の水素濃度を増加させ、一酸化炭素の濃度を小さくすることができる。
In the present embodiment configured as described above, as shown in FIG. 1, the first rectifying plates 10, 10,... And the second rectifying plates 11, 11,. The
、
また、改質ガス供給配管4の途中には、空気導入バルブ6を設けたので、空気導入バルブ6から導入される微量の空気と改質ガスとを混合した状態で、この改質ガスを改質ガス供給配管4に流通させることにより、前記空気と改質ガス中に含まれるH2、CO、CH4とを反応させ、その発熱が触媒層3に伝わり、触媒層3のスタートアップ時間を短縮することができる。
,
Further, since an air introduction valve 6 is provided in the middle of the reformed
さらに、改質ガス供給配管4を触媒層3の内部を貫通させる構成としたので、触媒層3の内部を改質ガス供給配管4を介して流通する改質ガスと触媒層3との間で熱交換させることができる。この結果、触媒層3を高熱(200℃〜300℃)に保つことができる。
(第2の実施の形態)
Furthermore, since the reformed
(Second Embodiment)
次に、図4は本発明に係る第2の実施の形態を示す、本実施の形態では、前記第1の実施の形態と同一の構成要素は同一の符号を付し。その説明を省略するものとする。
ここで、断熱材20は、有蓋の筒状体として形成され、例えばロックウールやグラスウール、セラミック繊維等の耐熱性材料を用いて形成されている。そして、図4に示すように、断熱材20は、反応容器2のうち触媒層3の内部を流れる改質ガスの上流側に位置する部位には、断熱材20が反応容器2の外周側に隙間なく嵌合して外側から覆うように取り付けられている。
Next, FIG. 4 shows a second embodiment according to the present invention. In this embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals. The description will be omitted.
Here, the heat insulating material 20 is formed as a covered cylindrical body, and is formed using a heat-resistant material such as rock wool, glass wool, ceramic fiber, or the like. As shown in FIG. 4, the heat insulating material 20 is located on the outer peripheral side of the
この結果、触媒層3の上流側を比較的高温(例えば、約300℃)に保ち、反応速度を増大させることができる。一方、触媒層3の下流側は、断熱材20を設けていないため、触媒層3の下流側を比較的低温(例えば約200℃)に保ち、化学平衡によって一酸化炭素濃度を低くすることができる。 As a result, the upstream side of the catalyst layer 3 can be kept at a relatively high temperature (for example, about 300 ° C.), and the reaction rate can be increased. On the other hand, since the heat insulating material 20 is not provided on the downstream side of the catalyst layer 3, it is possible to keep the downstream side of the catalyst layer 3 at a relatively low temperature (for example, about 200 ° C.) and reduce the carbon monoxide concentration by chemical equilibrium. it can.
なお、第1の実施の形態では、第1の整流板10には、貫通孔10Aを挟んで径方向で対向した位置に改質ガス供給配管4が挿通される配管挿通孔10B,10Bを穿設する共に、第2の整流板11には改質ガス供給配管4が挿通される配管挿通孔11A,11Aを穿設するものとして述べた。しかし、本発明はこれに限ることなく、例えば図5および図6に示す第1の変形例のように、第3の整流板10′には貫通孔10A′および配管挿通孔10B′,10B′を穿設すると共に、図6に示すように第4の整流板11′には周方向に間隔をおいて貫通孔11A′,11A′,…と配管挿通孔11B′,11B′とを穿設し、これら第3の整流板10′と第4の整流板11′とを交互に触媒層3に埋設する構成としてもよい。
In the first embodiment, the first rectifying plate 10 is provided with pipe insertion holes 10B and 10B through which the reformed
また、第1の実施の形態では、触媒層3の内部に第1の整流板10と第2の整流板11とを埋設する構成とした場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明はこれに限ることなく、例えば図7に示す第2の変形例のように、整流板を廃止してもよい。この場合でも、改質ガス供給配管4を流れる改質ガスの流れ(図7中の矢示C)と、触媒層3を流れる改質ガスの流れ(図7中の矢示D)とを、互いに対向して流れる対向流とすることができる。従って、例えば220℃程度の適温の改質ガスからの放熱により触媒層3を加熱し、触媒層3のスタートアップ加熱を良好に行うことができる。 In the first embodiment, the case where the first rectifying plate 10 and the second rectifying plate 11 are embedded in the catalyst layer 3 has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the rectifying plate may be eliminated as in the second modification shown in FIG. Even in this case, the flow of the reformed gas flowing through the reformed gas supply pipe 4 (arrow C in FIG. 7) and the flow of the reformed gas flowing through the catalyst layer 3 (arrow D in FIG. 7) The counterflows can be opposite to each other. Therefore, for example, the catalyst layer 3 can be heated by heat radiation from the reformed gas having an appropriate temperature of about 220 ° C., and the catalyst layer 3 can be favorably started up.
1,1′ シフト反応装置
2 反応容器
3 触媒層
4 改質ガス供給配管
5 改質ガス排出口
6 空気導入バルブ(空気導入口)
10 第1の整流板
10′ 第3の整流板
11 第2の整流板
11′ 第4の整流板
20 断熱材
S1 上流側空間
S2 下流側空間
1, 1 '
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 1st baffle plate 10 '3rd baffle plate 11 2nd baffle plate 11' 4th baffle plate 20 Heat insulating material S1 Upstream space S2 Downstream space
Claims (4)
前記反応容器内に充填されて前記反応容器の一側との間に上流側空間を形成する触媒層と、を有し、
前記反応容器は上下方向に配置し、前記反応容器内の上下方向の一側に前記上流側空間が形成されていると共に、前記反応容器内の上下方向の他側と前記触媒層との間に下流側空間を設け、
前記反応容器の他側から前記下流側空間を通過して前記触媒層の下流側から上流側まで当該触媒層の内部を貫通し、先端側が前記上流側空間内に改質ガスを供給する改質ガス供給口となって前記上流側空間内に開口する改質ガス供給配管と、
前記反応容器の他側に設けられた改質ガス排出口とを備え、
前記改質ガス供給配管を複数本設け、各改質ガス供給配管を離間させて設けたことを特徴とするシフト反応装置。 A reaction vessel;
A catalyst layer filled in the reaction vessel and forming an upstream space with one side of the reaction vessel ,
The reaction vessel is arranged in the vertical direction, the upstream space is formed on one side in the vertical direction in the reaction vessel, and between the other side in the vertical direction in the reaction vessel and the catalyst layer. Provide downstream space,
Reformation that passes through the downstream space from the other side of the reaction vessel and penetrates the inside of the catalyst layer from the downstream side to the upstream side of the catalyst layer, and the leading end side supplies the reformed gas into the upstream space. A reformed gas supply pipe opening into the upstream space as a gas supply port;
A reformed gas outlet provided on the other side of the reaction vessel ,
A shift reaction apparatus, wherein a plurality of the reformed gas supply pipes are provided and the respective reformed gas supply pipes are provided apart from each other .
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