JP4762496B2 - Catalytic reactor - Google Patents
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Description
本発明は、複数の触媒反応を行う複数種類の触媒が充填された触媒反応装置に関し、より詳しくは複数の触媒反応を行う複数種類の触媒を一体の円筒状容器内に充填した触媒反応装置の構造に関する。特に、燃料電池に水素を供給する、都市ガスやLPGなどの炭化水素系燃料からの水素製造装置において、円筒状容器内に複数の異なる特性の触媒をそれぞれ別層に区画して配置するとともに、一体に構成された触媒反応装置に関する。 The present invention relates to a catalytic reaction apparatus filled with a plurality of types of catalysts for performing a plurality of catalytic reactions. More specifically, the present invention relates to a catalytic reaction apparatus in which a plurality of types of catalysts for performing a plurality of catalytic reactions are packed in an integral cylindrical container. Concerning structure. In particular, in a hydrogen production apparatus that supplies hydrogen to a fuel cell from a hydrocarbon-based fuel such as city gas or LPG, a plurality of catalysts having different characteristics are arranged in separate layers in a cylindrical container, The present invention relates to an integrally configured catalytic reaction apparatus.
触媒反応装置、例えば固体高分子形燃料電池(PEFC、以下適宜PEFCと略称する)等の燃料電池に水素を供給する燃料処理装置においては、改質触媒、シフト触媒、CO除去触媒などの複数の触媒が使用される。ここで、シフト触媒としては、単一のシフト触媒を用いる場合のほか、高温シフト触媒と低温シフト触媒を併用する場合もあり、またそれら触媒に加えて脱硫剤などを使用する場合もある。それらの触媒や脱硫剤をそれぞれ充填した反応器を別体として設置した場合、各反応器間を接続する配管や断熱材などが必要となり、機器構成が煩雑になる。そのため、それらの簡素化や小型化を目指し、それぞれの反応器を一体化した燃料処理装置すなわち一体型触媒反応装置が開発されている。図1はその一例を示す図で、縦断面図として示している(WO 02/098790A)。 In a fuel processing apparatus for supplying hydrogen to a catalytic reactor, for example, a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell (PEFC, hereinafter abbreviated as PEFC), a plurality of reforming catalysts, shift catalysts, CO removal catalysts, etc. A catalyst is used. Here, as the shift catalyst, a single shift catalyst may be used, a high temperature shift catalyst and a low temperature shift catalyst may be used in combination, and a desulfurizing agent may be used in addition to these catalysts. When the reactors filled with these catalysts and desulfurization agents are installed separately, piping and heat insulating materials for connecting the reactors are required, and the equipment configuration becomes complicated. Therefore, with the aim of simplifying and downsizing them, a fuel processing apparatus in which the respective reactors are integrated, that is, an integrated catalytic reaction apparatus has been developed. FIG. 1 is a view showing an example thereof, which is shown as a longitudinal sectional view (WO 02 / 098790A).
図1のとおり、触媒反応装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の円筒体を間隔を置いて多重に配置して構成される。図1中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印はその方向、すなわちその軸方向を示している。径(直径、以下同じ)を順次大きくした、第1円筒体1、第2円筒体2及び第3円筒体3が中心軸を同一にして間隔を置いて配置されている。第3円筒体3の上部には第3円筒体3より径を大きくした第4円筒体4が配置されている。第1円筒体1の内側には中心軸を同じくして、第1円筒体1より径の小さい円筒状の伝熱隔壁すなわち輻射筒5が配置され、輻射筒5内にはバーナー6が配置されている。すなわちバーナー6は、中心軸部に配置され、輻射筒5の内側に上蓋兼バーナー取付台7を介して取り付けられている。
As shown in FIG. 1, the catalytic reaction apparatus is configured by arranging a plurality of cylindrical bodies having different diameters provided with the same central axis at intervals. In FIG. 1, the alternate long and short dash line indicates the central axis, and the arrow indicates the direction, that is, the axial direction. The first cylindrical body 1, the second
輻射筒5は、その下端と第1円筒体1の底板8との間に間隔を設けて配置してあり、この間隙と、これに連なる輻射筒5と第1円筒体1との間の空隙とがバーナー6からの燃焼排ガスの排気通路9を形成している。底板8は第1円筒体1の径に対応した径で円盤状に構成されている。排気通路9は、その上部で排気通路9の上蓋(上蓋兼バーナー取付台7の下面)と隔壁10(後述予熱層14の上蓋)との間の間隙を経て燃焼排ガスの排出口11に連なり、燃焼排ガスはここから排出される。
The
12は炭化水素系原料ガスの供給管であり、第1円筒体1と第2円筒体2との間の空間内には、その上部に予熱層14、これに続く下部に改質触媒層16が設けられている。なお、第2円筒体2は、改質触媒層16を囲む部分と予熱層14を囲む部分とが別個に構成され、改質触媒層16を囲む上端部と予熱層14を囲む下端部との間の接合部で接合されているが、接合部を設けることなく一体に構成してもよい。また、改質触媒層16の触媒は、その下部で多孔板等で支持されているが、その記載は省略している。予熱層14の内部に一本の丸棒15が螺旋状に配置され、これにより予熱層14の内部に一つの連続した螺旋状のガス通路が形成されている。原料ガスは、供給管12から供給され、水(水蒸気)が混合部13で混合された後、予熱層14を経て、改質触媒層16に導入される。改質触媒層16では、炭化水素系原料ガスが下降しながら水蒸気により改質される。炭化水素系原料ガスが例えばメタンガスの場合、下記反応式(I)の反応で改質される。改質触媒層16における改質反応は吸熱反応であり、バーナー6で発生する燃焼熱を吸収して反応が進行する。具体的には、バーナー6による燃焼排ガスが輻射筒5と第1円筒体1との間の排気通路9を流通して通過するときに、燃焼排ガスの熱が改質触媒層16に吸収され、改質反応が行われる。
改質触媒層16の改質触媒としては、粒状等の改質触媒のほか、モノリス型改質触媒が用いられるが、好ましくはモノリス型改質触媒(=ハニカム改質触媒)が用いられる。改質触媒は例えば700℃程度の高温で使用され、また、触媒反応装置(改質器)を例えば家庭用コージェネレーションシステム(熱電併給システム)で使用する場合には、起動、停止を頻繁に行う必要がある。そのため、粒状等の改質触媒を用いる場合、温度の上昇、下降などの繰り返しにより、改質触媒層に充填されている改質触媒が圧壊、粉化し、触媒活性が低下することが問題になる。そこで、改質触媒としてモノリス型改質触媒を用いることにより、粒状改質触媒を用いる場合におけるそれらの問題を解決することができる。モノリス型改質触媒は、触媒固定床を一体化した触媒で、多数の平行貫通孔すなわちセルをもったセラミック製またはメタル製の担体のセル内表面に金属触媒、すなわちNiやRuなどの金属触媒を担持させた触媒である。モノリス型触媒は、振動や高温の環境にも耐えることから、主に車の排ガス浄化触媒などに使用されることが多いが、改質触媒としてモノリス型改質触媒を用いることで触媒反応装置における上記問題を解決できる。
As the reforming catalyst of the reforming
第2円筒体2の下端は第3円筒体3の底板17との間に間隔を置いて配置してあり、第2円筒体2と第3円筒体3との間は、改質ガスの流路18を構成している。底板17は第3円筒体3の径に対応した径で円盤状に構成されている。改質ガスは、第2円筒体2の下端と第3円筒体3の底板17との間で折り返して第2円筒体2と第3円筒体3との間で形成された流路18を流通する。第3円筒体3の上部には第3円筒体3より径を大きくした第4円筒体4が配置され、第2円筒体2と第4円筒体4との間にCO変成触媒層21が設けられている。第3円筒体3の上端部と第4円筒体4の下端部には板体19(第3円筒体3の直径に相当する部分は第3円筒体3で占められるので、ドーナツ状の板体)が配置され、板体19の上に、間隔を置いてガス流通用の複数の孔を有する支持板20(第2円筒体2の直径に相当する部分は第2円筒体2で占められるので、ドーナツ状の支持板)が配置されている。CO変成触媒層21は、支持板20とガス流通用の複数の孔を有する支持板22(第2円筒体2の直径に相当する部分は第2円筒体2で占められるのでドーナツ状の支持板、CO変成触媒層21の上蓋)との間に設けられている。支持板20、22は金属製等の網目体で構成してもよく、この場合には網目体の網目がガス流通孔となる。流路18を流通した改質ガスは、支持板20の孔を経てCO変成触媒層21に供給される。
The lower end of the second
上記のとおり、CO変成触媒層21は、第2円筒体2と第4円筒体4との間に設けられているが、第4円筒体4の外周には間隔を置いて円筒体24が配置され、その間に断熱材23が配置されている。円筒体24の外周には水供給管25から連なる伝熱管26が直接螺旋状に巻き付けてある。伝熱管26はCO変成触媒層21を間接的に冷却する冷却機構として作用する。断熱材23は、伝熱管26の冷却作用により、CO変成触媒層12の温度を低下させ過ぎず、適度な温度に均一に保持できる厚さに巻き付けてある。断熱材23としては好ましくはセラミックファイバーなどの加工性のよいものを用いる。ここで、伝熱管26は、水供給管25から供給される水のボイラーとしての機能を備え、また水供給管25から続く連続した一つの通路となっているので、複数の通路では生じる部分的な滞留等が生じない。
As described above, the CO
CO変成触媒層21では、下記反応式(II)で示されるCO変成反応(water gas shift reaction)、すなわちシフト反応が行われ、改質ガス中のCOが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。
CO変成触媒としては、従来の触媒(すなわちCu/Zn系低温CO変成触媒等)でもよいが、少なくとも350℃以上で連続して使用できる触媒(すなわち白金系やFe/Cr系の高温CO変成触媒等)を用いることにより、改質ガスの流路18やCO変成触媒層21の長さ(すなわち支持板20と支持板22と間の長さ)を短縮でき、それら各層を小型化できる。これにより触媒反応装置(改質器)全体を小型化、軽量化できる。白金系触媒すなわち白金を主成分とした触媒はアルミナ等の担体に白金を担持して構成される。白金を主成分とした触媒は、酸化などによる劣化にも強く、350℃以上の高温域、特に400℃以上の高温域でも連続して使用することが可能であり、より速い速度で反応を進行させることができる。
The CO conversion catalyst may be a conventional catalyst (that is, a Cu / Zn-based low temperature CO conversion catalyst, etc.), but a catalyst that can be used continuously at least at 350 ° C. or higher (that is, a platinum-based or Fe / Cr-based high-temperature CO conversion catalyst). Etc.), the lengths of the reformed
なお、単にそのような白金系触媒をCO変成反応に適用するだけでは、高温域において下記反応式(III)で示されるメタネーション反応と呼ばれる副反応が起こり、目的とするCO変成反応を阻害してしまうことがある。
この場合には、CO変成触媒として、白金を主成分とし、CeO2等の金属酸化物を副成分として含む触媒を使用する。これにより、高温域で発生するメタネーション反応を充分抑制できる。また、CO変成触媒として、Fe/Cr系の高温CO変成触媒を使用してもよく、さらには、Al、Cu、Fe、Cr、Moなどの卑金属種をZrなどの担体に担持させた高温CO変成触媒なども使用することができる。なお、高温CO変成触媒は低温CO変成触媒と併用してもよい。 In this case, a catalyst containing platinum as a main component and a metal oxide such as CeO 2 as an auxiliary component is used as the CO conversion catalyst. Thereby, the methanation reaction which generate | occur | produces in a high temperature range can fully be suppressed. Further, as the CO conversion catalyst, an Fe / Cr high-temperature CO conversion catalyst may be used, and furthermore, a high-temperature CO in which a base metal species such as Al, Cu, Fe, Cr, and Mo is supported on a support such as Zr. A shift catalyst or the like can also be used. The high temperature CO conversion catalyst may be used in combination with the low temperature CO conversion catalyst.
支持板22の上方には所定の間隔を置いて一つの連通孔28を有する仕切板27が設けてあり、両板間の空間に空気の供給管29を通してCO除去用空気が供給される。仕切板27の上方には円環状の通路30が設けてある。連通孔28を、所定の孔径で、且つ、一つとすることにより、改質ガスとCO除去用空気が連通孔28を通過する際に所定の通過速度が得られ、通過時の乱流により改質ガスとCO除去用空気を良好に混合することができる。CO除去触媒層35は、第2円筒体2と、これより径を大きくした円筒体36と、第2円筒体2と円筒体36との間の下部及び上部にそれぞれ間隔を置いて配置された、複数個の孔34を有する支持板33(第2円筒体2の直径に相当する部分は第2円筒体2で占められるので、ドーナツ状の板体)と、ガス流通用の複数個の孔38を有する支持板37(第2円筒体2の直径に相当する部分は第2円筒体2で占められるので、ドーナツ状の支持板)と、の間の空間に設けられている。
A
円筒体36の下部にはその円周方向に均等に設けられた複数個の孔32が設けられている。円環状の通路30は、円筒体24と仕切板27と仕切板31と円筒体36で形成された通路であり、それら複数個の孔32と、支持板33の複数個の孔34を介してCO除去触媒層35と連通しており、CO除去用空気が混合された改質ガスがそれら複数個の孔32、34を介してCO除去触媒層35に導入される。CO除去触媒層35は、その上蓋である複数個の孔38を有する仕切板37と隔壁10との間の間隙を介して改質ガスの取出管39に連通している。また、CO除去触媒層35は円筒体36で囲まれているが、円筒体36の外周には円筒体24の外周の伝熱管26から連なる伝熱管26が直接螺旋状に巻き付けてある。
A plurality of
CO除去触媒層35には、CO除去触媒(=PROX触媒)が充填してあり、PROX触媒によりCO除去反応が行われ、改質ガス中のCO含有量をppm単位にまで低減する。CO除去触媒としては、改質ガス中のCOを選択的に酸化し得る触媒であれば特に限定はなく、例えばRu系などの金属触媒が用いられる。金属触媒は、例えばアルミナ等の担体にRuなどの金属触媒を担持させて構成される。CO除去触媒層35においては、下記反応式(IV)で示されるCO除去反応が進行する。
CO除去触媒層35においてCOを除去した改質ガスは、その上蓋である仕切板37に設けられた複数個の孔38から排出され、仕切板37と隔壁10との間の間隙を経て改質ガスの取出管39から取り出される。第3円筒体3、円筒体24及び円筒体36を含む外周部には断熱材40を配置し、外部への熱の放散を防止している。断熱材40としては、例えばマイクロサーム、ケイ酸カルシウム、アルミナファイバーなど、断熱効果の高い断熱材が使用される。
The reformed gas from which CO has been removed in the CO
図2は、図1中CO除去触媒層35の部分を中心に拡大して示した図である。図2のとおり、円筒体36の下部にその円周方向に均等に設けられた複数個の孔32から導入されたCO除去用空気が混合された改質ガスは、CO除去触媒層35中を上昇しながら、COを酸化除去し、その上部から導出される。すなわち、CO除去用空気が混合された改質ガスは、厚みをもつドーナツ状のCO除去触媒層35中を下方から上方へ向かって、すなわちCO除去触媒層35を区画する第2円筒体2及び円筒体36の軸方向に流れる。改質ガスの取出管39は、例えばPEFCへの燃料ガス供給管に接続される。この場合、所定の濃度の水素を含有する改質ガスがPEFCの燃料極側に供給され、これを燃料として発電される。なお、PEFCの燃料極からのオフガス(アノードオフガス)を、バーナー6での燃焼用燃料ガスとして使用してもよい。
FIG. 2 is an enlarged view centering on the portion of the CO
ところで、以上のように構成された触媒反応装置において用いられる各触媒は、それぞれ、ガス空間速度SV、ガス線速度LV、温度条件などの異なる特性、環境で使用されるため、装置設計上の制約がある。触媒反応装置のうち、例えばPEFC用の水素製造装置に用いられる各触媒の特性は以下のとおりである。
(1)改質触媒:反応速度が大きく、伝熱律速の反応形態であるため(伝熱面積が大きいため)、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が高いため、断熱材が厚くなる。
(2)シフト触媒(CO変成触媒):反応速度が遅いため、触媒量が多くなる。そのため、ガス空間速度SVが小さく、ガスの流れ軸方向に大きい反応器となる。
(3)CO除去触媒:ガス線速度LVが大きいため、ガス流れ軸方向に長くなる。また、温度が低いため、断熱材は薄くてもよい。
By the way, since each catalyst used in the catalytic reaction apparatus configured as described above is used in different characteristics and environments such as gas space velocity SV, gas linear velocity LV, and temperature conditions, restrictions on the apparatus design. There is. Among the catalytic reaction apparatuses, for example, the characteristics of each catalyst used in a hydrogen production apparatus for PEFC are as follows.
(1) Reforming catalyst: Since the reaction rate is high and the heat transfer rate-controlled reaction mode (because the heat transfer area is large), the reforming catalyst becomes longer in the gas flow axis direction. Moreover, since temperature is high, a heat insulating material becomes thick.
(2) Shift catalyst (CO shift catalyst): Since the reaction rate is slow, the amount of catalyst increases. Therefore, the gas space velocity SV is small and the reactor is large in the gas flow axis direction.
(3) CO removal catalyst: Since the gas linear velocity LV is large, it becomes longer in the gas flow axis direction. Further, since the temperature is low, the heat insulating material may be thin.
前述のような従来の触媒反応装置においては、各触媒はともに、ガス流れ軸方向に沿って順次区画して設置されるため、すなわち円筒状容器の軸方向と同じ方向にガスが流通するように順次区画して設置されるため、前述図1〜2に示すような形状となる。このうち、特にCO除去触媒が充填された区画は、CO変成触媒が充填された区画に対して、径方向に小さくなるため、これらを一体に配置した触媒反応装置の外形が段階状の複雑な構造となる。そのため、部品点数が多く、断熱材や配管施工などに手間がかかるため、製作コストが高くなり、またガスの流れ軸方向に小型化できないなどの問題があった。 In the conventional catalytic reaction apparatus as described above, since each catalyst is sequentially partitioned and installed along the gas flow axis direction, that is, the gas flows in the same direction as the axial direction of the cylindrical container. Since it is divided and installed sequentially, it becomes a shape as shown in FIGS. Among these, especially the section filled with the CO removal catalyst is smaller in the radial direction than the section filled with the CO shift catalyst, and therefore, the outer shape of the catalyst reaction apparatus in which these are integrally arranged is a complicated stepwise shape. It becomes a structure. For this reason, the number of parts is large, and it takes time for heat insulating material and piping construction. Therefore, there are problems that the manufacturing cost is high and the gas flow cannot be downsized in the axial direction.
そこで、本発明においては、従来の触媒反応装置における上述諸問題を解決することを目的とし、各触媒の特性を損なうことなく、各触媒、特にCO除去触媒層を特殊、特定の配置にすることにより、部品点数を少なくし、断熱材や配管施工などの手間を少なくして、製作コストの低減を図り、触媒反応装置を小型化してなる触媒反応装置を提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, the purpose is to solve the above-mentioned problems in the conventional catalytic reaction apparatus, and each catalyst, particularly the CO removal catalyst layer is specially and specifically arranged without impairing the characteristics of each catalyst. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a catalytic reaction apparatus in which the number of parts is reduced, the labor for heat insulation and piping work is reduced, the production cost is reduced, and the catalytic reaction apparatus is downsized.
本発明は、円筒状容器内に順次複数の気相触媒反応を行うための複数種類の触媒層をそれぞれ別層に区画して配置するとともに、それらを一体に構成した触媒反応装置において、円筒状容器の軸方向にガスが流通する触媒層Aと、円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように円筒状容器の軸方向に対して前後の隔壁で区画した空間に触媒層Bを配置し、触媒層Aを経た反応ガスを触媒層Bに導入するようにしてなることを特徴とする触媒反応装置を提供するものである。 The present invention provides a catalyst reactor in which a plurality of types of catalyst layers for sequentially performing a plurality of gas phase catalytic reactions in a cylindrical container are divided into separate layers, and the cylindrical reactor is integrally formed. A space defined by a catalyst layer A through which gas flows in the axial direction of the container and partition walls before and after the axial direction of the cylindrical container so that gas flows in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical container and radially. The catalyst layer B is disposed in the catalyst layer B, and the reaction gas having passed through the catalyst layer A is introduced into the catalyst layer B.
本触媒反応装置において、前記円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、ガスが流通する方向に対して傾斜をもたせることにより、その傾斜に対応して外周側に向けて流路断面を狭くすることができる。また、本触媒反応装置は、円筒状容器内の触媒層Bの前後の隔壁のうち、特に後部隔壁に傾斜をもたせることで、触媒層Bでの触媒の沈降などによるガスリークが生じない構造とすることができる。また、その前後の隔壁間に、冷却媒体が流れる冷却機構を付設し、触媒層Bの反応熱を除去するようにすることができる。さらに、触媒層Bを区画する前後の隔壁間に触媒層Bの反応熱を除去するための冷却用の複数個のフィンを配置することができ、それら複数個のフィンは触媒層Bを区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方に固定して配置される。 In this catalytic reaction apparatus, at least one of the partition walls before and after partitioning so that the gas flows in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical container and tilted with respect to the direction in which the gas flows. By providing the above, the cross section of the flow path can be narrowed toward the outer peripheral side corresponding to the inclination. Further, the present catalytic reactor has a structure in which a gas leak due to sedimentation of the catalyst in the catalyst layer B does not occur by inclining the rear partition among the partition walls before and after the catalyst layer B in the cylindrical container. be able to. In addition, a cooling mechanism through which a cooling medium flows can be provided between the front and rear partition walls so that the reaction heat of the catalyst layer B can be removed. Further, a plurality of cooling fins for removing reaction heat of the catalyst layer B can be disposed between the partition walls before and after partitioning the catalyst layer B, and the plurality of fins partition the catalyst layer B. It is fixed to at least one of the front and rear partition walls.
本発明の触媒反応装置は、前述のような従来の触媒反応装置において、ガス流れ軸方向に沿ってそれぞれ設置していた触媒を、以下(1)〜(4)のとおりに構成することにより、触媒反応装置の外形形状を簡素化し(すなわちストレート化し)、その小型化(すなわちガス流れ軸方向の長さを短くすることで小型化すること)を達成したものである。
(1)ガス流れ軸方向に対して垂直に(すなわち直角に)且つ放射状にガスを流通する部位にCO除去触媒を配置する。
(2)前記ガス流れ軸方向に対して垂直に且つ放射状にガス流れを形成し、且つ、前記触媒を区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁はガス流れに対して(すなわちガスが流通する方向に対して)傾斜をもたせる。
(3)前記前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、冷却媒体が流れる冷却機構を付設し、前記触媒の反応熱を除去する。
(4)前記前後の隔壁間に前記触媒の反応熱を除去するための冷却用のフィンを両隔壁のうち少なくとも一方の隔壁に固定して配置する。
In the catalyst reaction apparatus of the present invention, in the conventional catalyst reaction apparatus as described above, the catalysts respectively installed along the gas flow axis direction are configured as follows (1) to (4), The external shape of the catalytic reactor is simplified (ie, straightened), and the miniaturization thereof (ie, downsizing by shortening the length in the gas flow axis direction) is achieved.
(1) A CO removal catalyst is disposed at a portion where gas is circulated perpendicularly (that is, perpendicularly) to the gas flow axis direction and radially.
(2) A gas flow is formed vertically and radially with respect to the gas flow axis direction, and at least one of the partition walls before and after partitioning the catalyst is against the gas flow (that is, the gas flows). Be inclined).
(3) A cooling mechanism through which a cooling medium flows is attached to at least one of the front and rear partition walls to remove reaction heat of the catalyst.
(4) A cooling fin for removing reaction heat of the catalyst is fixed between at least one of the partition walls between the front and rear partition walls.
〈1.ガス流通を放射状にする態様〉
図3はガス流通を放射状にする態様を説明する図である。本触媒反応装置は円筒状であり、図3(a)は縦断面図、図3(b)は、図3(a)中X−X線断面図である。図3中、41は円筒体、42はその上蓋である。45はCO除去触媒層であり、CO除去触媒層45は、円筒体41内に配置された、小径の多孔性円筒体44と大径の多孔性円筒体46と下部隔壁43と上部隔壁47とで区画された、厚みを有するドーナツ状の空間に配置される。円筒体41と大径多孔性円筒体46とは間隔を置いて配置され、その間の空隙48は処理済みガスの流路を形成する。ここで、下部隔壁43はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁47はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当している。CO除去触媒は粒状、顆粒状、ペレット状、円柱状等でもよく、ハニカム型触媒でもよい。以下、粒状、顆粒状、ペレット状、円柱状等の触媒を代表して粒状触媒あるいは粒状等の触媒と言う。
<1. Mode of making gas flow radial>
FIG. 3 is a diagram for explaining a mode in which the gas flow is made radial. This catalyst reaction apparatus is cylindrical, FIG. 3 (a) is a longitudinal cross-sectional view, FIG.3 (b) is XX sectional drawing in Fig.3 (a). In FIG. 3, 41 is a cylindrical body, and 42 is an upper lid.
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、装置下部から導入された被処理ガス、例えばCO除去用空気が混入された改質ガスが、小径多孔性円筒体44の下部から導入され、その孔を介してCO除去触媒層45に流入し、大径多孔性円筒体46の方向へ流通しながら、CO成分が酸化、燃焼して除去される。ここで、改質ガスは、図3(a)中矢印(←----→)で示すようにCO除去触媒層45中を横方向、つまり円筒状容器の軸方向に対して垂直に流れ、且つ、図3(b)中矢印(---→)で示すようにCO除去触媒層45中を放射状に流れる。処理済みガスは、大径多孔性円筒体46の孔を経て、円筒体41と大径多孔性円筒体46との間の空隙48から、上蓋42と隔壁47との間の空隙49を通り、導出管50から排出される。CO除去触媒層45でのCOの酸化反応の反応速度が速いため、線速度LVを大きくする必要があるが、本態様のようにCO除去触媒層45中を改質ガスが放射状に流通するようにすることにより、ガス流れ軸方向(縦方向)に反応器を大きくしなくても〔すなわち、図3(a)中、下部隔壁43と上部隔壁47との間隔を大きくしなくても〕、線速度LVを大きくすることができる。
During operation of the catalytic reaction apparatus configured as described above, a gas to be treated introduced from the lower part of the apparatus, for example, a reformed gas mixed with CO removal air, is introduced from the lower part of the small-diameter porous
〈2.ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様〉
円筒状の触媒反応装置において、触媒層を形成する上部隔壁または下部隔壁、あるいはその両方を外周に向けて傾斜をもたせて構成することが本発明における重要な特徴点の一つである。図4は、ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる態様を説明する図で、縦断面図として示している。図4中、47′として示すように、図3中の上部隔壁47に相当する隔壁に傾斜をもたせ、上部隔壁を逆すり鉢状に構成する。ここで、下部隔壁43はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁47′はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当している。逆すり鉢状に構成した上部隔壁47′及びこれに関連する構成以外の構成は図3に示すものと同様である。装置下部から導入された被処理ガス、例えばCO除去用空気が混入された改質ガスが、小径多孔性円筒体44の下部から導入され、その孔を介してCO除去触媒層45に流入し、大径多孔性円筒体46の方向へ流通しながら、CO成分が酸化、燃焼して除去される。
<2. A mode in which gas flow is made radial and the partition wall is inclined>
In the cylindrical catalyst reaction apparatus, it is one of the important characteristic points in the present invention that the upper partition wall and / or the lower partition wall forming the catalyst layer are inclined toward the outer periphery. FIG. 4 is a view for explaining a mode in which the gas flow is made radial and the partition wall is inclined, and is shown as a longitudinal sectional view. As shown as 47 'in FIG. 4, the partition corresponding to the
ここで、改質ガスは、図4中矢印(←----→)で示すようにCO除去触媒層45中を横方向、つまり円筒状容器の軸方向に対して垂直に流れ、且つ、図3の場合と同様、CO除去触媒層45中を放射状に流れる〔図3(b)参照〕。そして、その際、上部隔壁47′が外周側に向けて傾斜しているので、その傾斜に対応して外周側に向けて流路断面を狭くすることができ、それに対応して改質ガスの流速は速くなる。このようにCO除去触媒層を区画する上部隔壁に傾斜をもたせ、且つ、その傾斜の程度を調整することにより、触媒へのガス入口部と出口部のそれぞれを(また、その中間部についても)最適なガス線速度LVやガス空間速度SVに設計した触媒反応装置とすることができる。例えば、入口のガス流速を遅くするという反応設計が可能となる。また、触媒層を形成する上部隔壁及び下部隔壁のうち、特に上部隔壁に傾斜をもたせることで、触媒が粒状等の触媒である場合、その沈降などによるガスリークが生じない構造にできる。
Here, the reformed gas flows in the CO
図5〜8は、ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせる基本構造を備えた、炭化水素系燃料(原料ガス)の改質反応、シフト反応及びCO除去反応のそれぞれの反応器を一体化した燃料処理装置、すなわち一体型触媒反応装置の態様を説明する図である。図5〜6において、CO除去触媒層54が関連する部分を除き、図1〜2と同じ部材については同じ符号を用いている。本触媒反応装置は、中心軸を同一にして設けられた径の異なる複数の円筒体を間隔を置いて多重に配置して構成される。図5〜6中、一点鎖線はその中心軸を示し、矢印はその方向、すなわちその軸方向を示している。この点、後述図9〜10についても同じである。図5〜6のとおり、CO除去触媒層54を逆すり鉢状に配置する。51は複数の孔52を有する下部隔壁である。図7はその下部隔壁51を取り出して示した平面図で、下部隔壁51はドーナツ状で、その中央縁の円環部面に複数の孔52を備えている。53は仕切板27と下部隔壁51との間に形成した空隙である。55はその裾部に複数の孔56を有する逆すり鉢状の上部隔壁であり、中央部から外方へ下向きに傾斜している。図8はその上部隔壁55を取り出して示した図で、図8(a)は平面図(上側から見た図)、図8(b)は図8(a)中Y−Y線断面図である。ここで図5〜6において、下部隔壁51はガス流れ軸方向の前部隔壁に相当し、上部隔壁55はガス流れ軸方向の後部隔壁に相当しており、この点、後述図9〜10についても同じである。
Figs. 5 to 8 integrate the reactors for hydrocarbon fuel (raw gas) reforming reaction, shift reaction, and CO removal reaction, with a basic structure that makes the gas flow radiate and the partition wall inclined. It is a figure explaining the aspect of the made fuel processing apparatus, ie, an integrated catalyst reaction apparatus. 5-6, the same code | symbol is used about the same member as FIGS. 1-2 except the part to which the CO
57は第2円筒体2に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体、58は円筒体24に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体である。CO除去触媒層54は、下部隔壁51と上部隔壁55と円筒体57と円筒体58とにより区画された空間にCO除去触媒を充填することで形成される。ここで上部隔壁55を外周に向けて下向きに傾斜をもたせて構成することが本態様での基本構造の一つである。このようにCO除去触媒層を区画する上部隔壁に傾斜をもたせ、且つ、その傾斜の程度を調整することにより、触媒へのガス入口部と出口部のそれぞれに(また、その中間部についても)最適なガス線速度LVやガス空間速度SVに設計した触媒反応装置を得ることができる。例えば、入口のガス流速を遅くするという反応設計が可能となる。また、触媒充填部の上面隔壁に傾斜をもたせることで、触媒の沈降などによるガスリークが生じない構造にできる。
57 is a cylindrical body having a plurality of communication holes spaced from the second
従来の円筒状容器内に順次複数の気相触媒反応を行うための複数種類の触媒層をそれぞれ別層に且つ上下の隔壁で区画して配置した触媒反応装置においては、前述図1〜2のとおり、CO除去触媒とCO変成触媒の特性から、CO除去触媒層の径はCO変成触媒層の径より小さくすることが必須であった。これに対して、本発明によれば、図5〜8のとおり、CO除去触媒層54の径をCO変成触媒層21の径と同じ径とすることができることから、CO除去触媒の特性に対応して、ガス流れ方向に長くでき、また断熱材を薄くできる。このように、触媒設置位置の自由度が上がり、また3次元にガスフローを構成できるため、無駄な空間がなくなり、装置を小型化することができる。
In the conventional catalytic reactor in which a plurality of types of catalyst layers for sequentially performing a plurality of gas phase catalytic reactions are arranged in separate layers and separated by upper and lower partition walls in a conventional cylindrical vessel, the above-described FIGS. As described above, from the characteristics of the CO removal catalyst and the CO conversion catalyst, it is essential that the diameter of the CO removal catalyst layer be smaller than the diameter of the CO conversion catalyst layer. In contrast, according to the present invention, as shown in FIGS. 5 to 8, the diameter of the CO
ここで、上部隔壁55に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁51に傾斜をもたせるようにしてもよく、また、上部隔壁55に傾斜をもたせるとともに、下部隔壁51にも傾斜をもたせるようにしてもよい。このうち、上部隔壁55に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁51に傾斜をもたせる場合には、上部隔壁55がドーナツ状の隔壁、下部隔壁51がすり鉢状の隔壁となり、下部隔壁51が外周に向けて上向きに傾斜をもつ構成となる。また、上部隔壁55に傾斜をもたせるとともに、下部隔壁51にも傾斜をもたせる場合には、上部隔壁55が逆すり鉢状、下部隔壁51がすり鉢状の隔壁となり、下部隔壁51が外周に向けて下向きに傾斜をもち、下部隔壁51が外周に向けて上向きに傾斜をもつ構成となる。これらは、本発明において、円筒状容器の軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように触媒層Bを区画する前後の隔壁のうちの少なくとも一方の隔壁に、ガスが流通する方向に対して傾斜をもたせてなる構成に相当している。
Here, instead of inclining the
本触媒反応装置の作動に際しては、CO変成触媒層21から支持板22の孔を経て、CO除去用空気が混合された改質ガスは、隔壁(仕切板)27の孔28から隔壁27と下部隔壁51との間の空隙53を流通し、下部隔壁51の複数の孔52から第2円筒体2と円筒体57との間の隙間に導入され、円筒体57の連通孔を経てCO除去触媒層54に導入される。そして改質ガスは、CO除去触媒層54では、円筒体58の方向に放射状に流通するが、CO除去触媒層の上部隔壁55が円筒体58の方へ下向きに傾斜しているので、その流速が制御される。
In the operation of the present catalytic reactor, the reformed gas mixed with the CO removal air from the CO
ここで、CO変成触媒層21のCO変成触媒としては、粒状CO変成触媒のほか、モノリス型CO変成触媒が用いられるが、好ましくはモノリス型CO変成触媒(=ハニカムCO変成触媒)が用いられる。モノリス型CO変成触媒は、触媒固定床を一体化した触媒で、多数の平行貫通孔すなわちセルをもったセラミック製またはメタル製の担体のセル内表面にCO変成触媒を担持させた触媒である。本触媒反応装置を例えば家庭用コージェネレーションシステム(熱電併給システム)で使用する場合には、起動、停止を頻繁に行う必要がある。そのため、粒状触媒を用いる場合、温度の上昇、下降などの繰り返しにより、触媒層に充填されている触媒が圧壊、粉化し、触媒活性が低下することが問題になる。そこで、CO変成触媒としてモノリス型CO変成触媒を用いることにより、粒状CO変成触媒を用いる場合におけるそれらの問題を解決することができる。
Here, as the CO conversion catalyst of the CO
〈3.ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様〉
図9〜11はガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせ、さらに冷却機構を設ける態様を説明する図である。図9〜11において、図1〜2、図5〜8と同じ部材、部位については同じ符号を用いている。まず、図9の態様では、CO除去触媒層54の上部隔壁55の上部に冷却機構59を設ける。冷却機構59は水供給管25に連なる管で、上部隔壁55の上面に螺旋状に配置される。作動に際しては、冷却機構59の管内に水を流通させることにより、上部隔壁55の壁面を介してCO除去触媒層54を冷却する。水は、水供給管25から、図9中、矢印aのように流れて冷却機構59の管内を流通した後、矢印bのように流れて水供給管25に至り(戻り)、これに連なる冷却管26を経て、混合部13で原料ガスに混合される。この冷却機構59によりCO除去触媒層54での反応熱を効率的に除去することができる。また、上部隔壁55に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁51に傾斜をもたせるようにした場合にも、下部隔壁51に対して同様に冷却機構を配置することができる。この場合にも上記と同様の冷却効果が得られる。
<3. A mode in which gas flow is made radial and the partition wall is inclined, and a cooling mechanism is further provided>
9-11 is a figure explaining the aspect which makes a gas distribution radial, makes a partition incline, and also provides a cooling mechanism. 9-11, the same code | symbol is used about the same member and site | part as FIGS. 1-2, FIGS. First, in the embodiment of FIG. 9, a
図10〜11は、冷却機構の他の態様を説明する図である。図10〜11のとおり、CO除去触媒層54の下部隔壁51の下面に冷却機構60を構成する。図11のとおり、冷却機構60は下部隔壁51の下面と構成部材61とで構成される。図11(a)は、図10における下部隔壁51と構成部材61を取り出し、その断面を示した図である。図11(b)は、その構成部材61の平面図である。図11のとおり、構成部材61は、下部隔壁51に対応した形状であり、ドーナツ状すなわちその中央部に円環状空間を有する円盤状である。図11(b)に示す構成部材61の上面が下部隔壁51の下面に密に当接されて冷却機構60が構成される。図11(b)のとおり、構成部材61には冷却媒体流通用の溝63が設けられ、その中央部にガス(例えばCO除去用空気が混合された改質ガス)を流通する孔65が設けられている。このように溝63が形成された構成部材61の上面に下部隔壁51の下面が密に当接されるので、溝63が冷却媒体の流路となる。また、冷却媒体として水を使用した場合、隔壁51と部材61の隙間には水が表面張力で満たされるため、冷却媒体である水蒸気や水の主な流路は溝63に沿った流路となる。図11(b)中、62は該流路への冷却媒体の導入管、64は該流路からの冷却媒体の導出管である。なお、図11(a)では、孔65を形成する部分を、下部隔壁51及び構成部材61とは別個に構成した場合を示しているが、下部隔壁51及び構成部材61を当該部分まで延長し、その延長部分に孔65を設けてもよい。
FIGS. 10-11 is a figure explaining the other aspect of a cooling mechanism. As shown in FIGS. 10 to 11, the
冷却媒体としては、図10〜11の態様では、冷却管26を流れる水が用いられる。図10では水の導入、流れ方向を矢印cとして模式的に示しているが、これは図11(a)、(b)に示すcに相当し、導入管62から冷却機構60に導入される。CO除去触媒層54の冷却に寄与した水は、図10中矢印dとして示すように流れ、混合部13で原料ガスに混合されるが、これは図11(a)、(b)に示すdに相当し、導出管64から導出されて原料ガスに混合される。ここで、図10〜11の態様では、冷却機構60は下部隔壁51の下面に構成部材61を配置することで構成されるが、構成部材61を下部隔壁51の上面に配置して構成してもよい。この場合には、構成部材61がCO除去触媒層54の側に位置することになり、溝63が形成された構成部材61の当該溝63を有する面が下部隔壁51の上面に当接される。また、上部隔壁55に傾斜をもたせるのに代えて、下部隔壁51に傾斜をもたせるようにした場合にも、対応する傾斜をもたない上部隔壁に対して上記と同様に冷却機構を構成することができる。この場合にも上記と同様の冷却効果が得られる。
As a cooling medium, the water which flows through the cooling
〈4.ガス流通を放射状にし且つ隔壁に傾斜をもたせるとともに、冷却機構を設け、さらにCO除去触媒層に冷却用のフィンを設ける態様〉
図12はCO除去触媒層54に冷却用のフィンを設ける態様を説明する図である。ここで、他の構成は図5〜11と同様である。図12(a)は断面図、図12(b)は冷却用のフィンの側面図、図12(c)は冷却用のフィンの断面図である。図12(b)〜(c)中フィンの寸法例を示しているが、これは一例としてのものである。図12のとおり、ガス流通を放射状にし且つ上部隔壁に傾斜をもたせた空間にCO除去触媒層54を配置し、そのCO除去触媒層54中に複数個の冷却用のフィン66を設ける。各冷却用のフィン66は中央部から外周に向けて放射状に配置し、各冷却用のフィン66は等間隔に配置する。各冷却用のフィン66は下部隔壁51(図5〜11参照)に固定してもよく、上部隔壁55(図5〜11参照)に固定してもよく、その両方に固定してもよいが、好ましくはその両方に固定する。固定は例えば溶接や金属ろう材により行うことができる。このように、CO除去触媒層に冷却用のフィンを設けることにより、CO除去触媒を均等に冷却し、CO除去反応を均等に行うことができる。CO除去触媒層に冷却用のフィンを設ける態様は、前述図3〜4に示す態様においても適用でき、この場合にも上記と同様な冷却効果を得ることができる。
<4. A mode in which gas flow is made radial and the partition wall is inclined, a cooling mechanism is provided, and a cooling fin is provided in the CO removal catalyst layer>
FIG. 12 is a diagram for explaining a mode in which cooling fins are provided on the CO
本触媒反応装置は、各種触媒反応を行う装置として使用することができる。特に、炭化水素系燃料を水蒸気改質反応で改質して水素を製造する水素製造装置において、触媒層Aの触媒としてCO変成触媒を用い、触媒層Bの触媒としてCO除去触媒を用いる場合や、燃焼排気ガス中のNOx(=NO等の窒素酸化物)及びCH4等の未燃成分を除去する排ガス処理装置において、触媒層Aの触媒として脱硝触媒を用い、触媒層Bの触媒として燃焼触媒を用いる場合などに好適に適用される。このうち水蒸気改質反応による水素製造装置は、燃料電池に水素を供給する水素製造装置として有用である。 This catalytic reaction apparatus can be used as an apparatus for performing various catalytic reactions. In particular, in a hydrogen production apparatus that produces hydrogen by reforming a hydrocarbon-based fuel by a steam reforming reaction, a CO conversion catalyst is used as the catalyst of the catalyst layer A, and a CO removal catalyst is used as the catalyst of the catalyst layer B. In an exhaust gas treatment apparatus for removing unburned components such as NOx (= nitrogen oxides such as NO) and CH 4 in combustion exhaust gas, a denitration catalyst is used as a catalyst for catalyst layer A, and combustion is performed as a catalyst for catalyst layer B It is suitably applied when using a catalyst. Among these, a hydrogen production apparatus using a steam reforming reaction is useful as a hydrogen production apparatus that supplies hydrogen to a fuel cell.
本触媒反応装置を炭化水素系燃料からの水素製造装置として構成する場合、以下(1)〜(8)の構成とすることができる。(1)同心状に間隔を置いて配置した順次径の大きい第1円筒体、第2円筒体及び第3円筒体と、第3円筒体の上部に第3円筒体より径を大きくした第4円筒体を備える。(2)第1円筒体の内部に中心軸を同軸にして配置された輻射筒を備える。(3)輻射筒内の軸方向にバーナーを備え、第1円筒体と第2円筒体により区画された間隙に改質触媒を充填した改質触媒層を配置する。(4)第2円筒体と第4円筒体との間に軸方向に隔壁を介して間隔を置いて順次CO変成触媒層及びCO除去触媒層を配置する。(5)CO除去触媒層における改質ガスの流通を中心軸側から外周に向けて放射状に流通するように構成する。 When this catalytic reaction apparatus is configured as a hydrogen production apparatus from a hydrocarbon-based fuel, the following (1) to (8) can be employed. (1) A first cylindrical body, a second cylindrical body, and a third cylindrical body, which are arranged concentrically and spaced apart from each other in order, and a fourth cylinder whose diameter is larger than that of the third cylindrical body at the top of the third cylindrical body. A cylindrical body is provided. (2) A radiation cylinder is provided in the first cylindrical body with the central axis being coaxial. (3) A reforming catalyst layer that is provided with a burner in the axial direction in the radiation cylinder and is filled with the reforming catalyst is disposed in a gap defined by the first cylinder and the second cylinder. (4) A CO shift catalyst layer and a CO removal catalyst layer are sequentially arranged between the second cylinder and the fourth cylinder with an interval in the axial direction through a partition wall. (5) The flow of the reformed gas in the CO removal catalyst layer is configured to flow radially from the central axis side toward the outer periphery.
ここで、上記(5)の構成については、そのようにCO除去触媒層における改質ガスの流通を中心軸側から外周に向けて放射状に流通するようにするのに加え、(6)CO除去触媒層を区画する上部隔壁及び上部隔壁のうち一方または両方を中心軸側から外周に向けて傾斜させる構成とすることができる。この傾斜は、上部隔壁では中心軸側から外周に向けて下降する傾斜とし、下部隔壁では中心軸側から外周に向けて上昇する傾斜とする。(7)これら(1)〜(5)の構成または(1)〜(6)の構成に加え、CO除去触媒層に対して前述の冷却機構を設けてもよく、また冷却機構とともに、前述の冷却用のフィンを設けてもよい。 Here, with regard to the configuration of (5) above, in addition to making the flow of the reformed gas in the CO removal catalyst layer circulate radially from the central axis side toward the outer periphery, (6) CO removal One or both of the upper partition wall and the upper partition wall that partition the catalyst layer may be inclined from the central axis side toward the outer periphery. This slope is a slope that descends from the central axis side toward the outer periphery in the upper partition wall, and a slope that rises from the central axis side toward the outer periphery in the lower partition wall. (7) In addition to the configurations of (1) to (5) or (1) to (6), the above-described cooling mechanism may be provided for the CO removal catalyst layer. You may provide the fin for cooling.
以上、本触媒反応装置において、触媒を除く構成部材としては耐熱合金、好ましくはステンレス鋼が用いられる。また、本触媒反応装置での各触媒層の触媒としては、触媒反応の種類に応じて用いられる。例えば、改質触媒としては、NiやRuなどの金属触媒、その他の改質触媒から適宜選定して用いられ、CO変成触媒としては、Cu/Zn系触媒、Fe/Cr系触媒、白金属触媒、白金を主成分としCeO2等の金属酸化物を副成分として含む触媒、Al、Cu、Fe、Cr、Moなどの卑金属触媒、その他のCO変成触媒から適宜選定して用いられ、CO除去触媒としては、Ru系などの金属触媒その他のCO除去触媒から適宜選定して用いられる。また、燃焼触媒としては、Pd、Ptなどの白金属触媒、その他の燃焼触媒から適宜選定して用いられ、脱硝触媒としては、Pt、Rh、Pd等の貴金属触媒、TiO2、Cr2O3、Fe2O3等の酸化物触媒、その他の脱硝触媒から適宜選定して用いられる。それら触媒はアルミナその他の担体に担持して構成される。 As described above, in the present catalytic reactor, a heat-resistant alloy, preferably stainless steel, is used as a constituent member excluding the catalyst. Moreover, as a catalyst of each catalyst layer in this catalyst reaction apparatus, it is used according to the kind of catalytic reaction. For example, the reforming catalyst is appropriately selected from metal catalysts such as Ni and Ru, and other reforming catalysts, and the CO conversion catalyst is a Cu / Zn-based catalyst, Fe / Cr-based catalyst, white metal catalyst, or the like. , A catalyst that contains platinum as a main component and a metal oxide such as CeO 2 as an accessory component, a base metal catalyst such as Al, Cu, Fe, Cr, and Mo, and other CO conversion catalysts, and is used as appropriate. Are appropriately selected from Ru-based metal catalysts and other CO removal catalysts. The combustion catalyst is appropriately selected from white metal catalysts such as Pd and Pt, and other combustion catalysts, and the denitration catalyst is a noble metal catalyst such as Pt, Rh, and Pd, TiO 2 , Cr 2 O 3. , Fe 2 O 3 and other oxide catalysts, and other denitration catalysts are appropriately selected and used. These catalysts are configured to be supported on an alumina or other support.
以下、実施例を基に本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。実施例1で実験例を記載し、実施例2〜5は本発明の各種構成例である。 EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, of course, this invention is not limited to these Examples. An experimental example is described in Example 1, and Examples 2 to 5 are various configuration examples of the present invention.
〈実施例1〉
図5〜7に示す触媒反応装置を水素製造装置として用いて試験した。本水素製造装置は、一時間当たり1Nm3の水素を製造できる装置である。これに出力1kWのPEFCを連結した。1Nm3の水素のうち0.75Nm3の水素を使って1kWの発電を行うことができる。改質触媒層16、CO変成触媒層21及びCO除去触媒層54のそれぞれに各触媒を充填した。改質触媒として、ルテニウム系触媒〔アルミナにRuを担持した触媒、粒状、平均粒径(直径)≒3mm〕を用いた。CO変成触媒として、Cu/Zn系触媒〔アルミナにCu及びZnを担持して押出成形した触媒、円柱状、3mm(直径)×3mm(長さ)〕を用いた。また、CO除去触媒として、ルテニウム/白金系触媒〔粒状アルミナにRuを担持した触媒、粒状、平均粒径(直径)≒3mm〕を用いた。
<Example 1>
The catalytic reaction apparatus shown in FIGS. 5 to 7 was tested as a hydrogen production apparatus. This hydrogen production apparatus is an apparatus capable of producing 1 Nm 3 of hydrogen per hour. This was connected to a PEFC with an output of 1 kW. Power can be generated for 1kW with hydrogen 0.75 nm 3 of hydrogen 1 nm 3. Each catalyst was filled in each of the reforming
原料ガスとして脱硫済みの都市ガス(13A)を使用し、流量4.1NL/minで供給し、水(純水)を流量:10.0g/minで供給した。スチーム比(S/C比)=2.5である。また、CO除去用空気を流量:1.5NL/minで供給した。バーナー用燃料としては、都市ガスを使用した。こうして、改質ガスが流量(ドライベース):23.1NL/minで得られた。表1は、定常運転時に計測された改質触媒層、CO変成触媒層及びCO除去触媒層におけるガスの空間速度と線速度である。表1のとおり、特にCO除去触媒層における線速度LVを、CO除去触媒層の入口と出口とで、ほぼ同等にすることができた。 Desulfurized city gas (13A) was used as the raw material gas, supplied at a flow rate of 4.1 NL / min, and water (pure water) was supplied at a flow rate of 10.0 g / min. Steam ratio (S / C ratio) = 2.5. Further, CO removal air was supplied at a flow rate of 1.5 NL / min. City gas was used as the fuel for the burner. Thus, the reformed gas was obtained at a flow rate (dry base): 23.1 NL / min. Table 1 shows the space velocity and linear velocity of the gas in the reforming catalyst layer, the CO shift catalyst layer, and the CO removal catalyst layer measured during steady operation. As shown in Table 1, the linear velocity LV particularly in the CO removal catalyst layer could be made substantially equal at the inlet and the outlet of the CO removal catalyst layer.
〈実施例2〉
図13は本実施例2を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、図13では縦断面図として示している。図13中、77はCO変成触媒層、82はCO除去触媒層であり、ともに円筒体71内に配置されている。72は円筒体71の底板、73は底板72に設けられた改質ガス導入管である。74は円筒体71の上蓋、75は上蓋74に設けられた改質ガス導出管である。CO変成触媒層77は、底板72と間隔を置いて配置された多孔板76と上部多孔板78との間に充填されている。CO除去触媒層82は、該上部多孔板78と間隔を置いて配置された板体80と逆すり鉢状隔壁83との間に充填されている。板体80は円盤状で、その中央部に改質ガス導入管81を備えている。79はCO除去用空気導入管である。84は逆すり鉢状隔壁83の底部(隔壁83が逆すり鉢状であるので上方にある)、85は多数の孔を有する円筒体である。こうして構成した反応装置全体を断熱材86で断熱している。
<Example 2>
FIG. 13 shows the second embodiment. This catalytic reaction apparatus is cylindrical, and is shown as a longitudinal sectional view in FIG. In FIG. 13,
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、導入管73から導入された改質ガスは底板72と多孔板76との間の間隙から多孔板76の孔を通してCO変成触媒層77に導入され、シフト反応により、改質ガス中のCOが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。CO変成後の改質ガスは、導管79からのCO除去用空気が混合され、上部多孔板78と板体80との間の間隙から導入管81を通り、その流れが逆すり鉢状隔壁83の底部すなわち上部隔壁84にぶつかることにより、改質ガスとCO除去用空気が十分に混合される。その後、円筒体85の孔を通って、CO除去触媒層82に導入される。ここでのCO除去反応により、改質ガス中のCOが二酸化炭素に変えられる。CO除去後の改質ガスは導出管75から導出され、取り出される。図13中、改質ガスの流れを点線で示している。こうして、CO濃度10vol%以上の改質ガス中のCO濃度を10ppm以下にまで低減させることができる。なお、上部多孔板78と板体80との間は、図1〜2、図5〜6に示すように、一つの連通孔28を有する隔壁(仕切板)27を間隔を置いて配置した構造にしてもよい。この一つの連通孔28は改質ガスとCO除去用空気を混合する機能をもっており、上記導入管81もこれと同様の機能をもつ構造である。
In the operation of the catalytic reaction apparatus configured as described above, the reformed gas introduced from the
〈実施例3〉
本実施例3は、円筒状容器の中心部の軸方向に、改質反応の原料となる炭化水素系原料ガス(燃料)が流通して、該炭化水素系燃料中の硫黄分を除去する脱硫剤を配置し、その外周に前記触媒層Aの触媒としてCO変成触媒を配置し、前記触媒層Bの触媒としてCO除去触媒を配置し、該脱硫剤で硫黄分を除去した炭化水素系燃料を水蒸気改質した改質ガスを、順次、触媒層A、触媒層Bに流通するように構成してなる触媒反応装置の例である。図14は、本実施例3を示す図で、実施例2を示す図13の触媒反応装置において、その中心部の軸方向に脱硫剤を配し、そして炭化水素系燃料の改質装置を別個に配置した例に相当している。
<Example 3>
The third embodiment is a desulfurization in which a hydrocarbon-based raw material gas (fuel) serving as a raw material for the reforming reaction flows in the axial direction of the central portion of the cylindrical vessel to remove the sulfur content in the hydrocarbon-based fuel. A hydrocarbon-based fuel in which a CO conversion catalyst is disposed as the catalyst of the catalyst layer A, a CO removal catalyst is disposed as the catalyst of the catalyst layer B, and a sulfur content is removed by the desulfurization agent This is an example of a catalytic reaction device configured to sequentially flow the reformed gas subjected to steam reforming to the catalyst layer A and the catalyst layer B. FIG. 14 is a diagram showing the third embodiment. In the catalytic reaction apparatus of FIG. 13 showing the second embodiment, a desulfurizing agent is arranged in the axial direction of the central portion, and a hydrocarbon-based fuel reforming apparatus is separately provided. This corresponds to the example of the arrangement.
図14中、その上部が図13に示すような触媒反応装置の円筒状容器の中心部の軸方向に脱硫剤を配した反応装置である。図14中、図5、図13と共通する部分については、同じ符号を付している。図14のとおり、図13に示すような触媒反応装置の中心部の軸方向に、すなわちその中心部で且つ軸方向に脱硫剤を充填する円筒体88を配置する。その上蓋89には炭化水素系燃料である原料ガスの導入管90、その下蓋91には脱硫済み原料ガスの導出管92を備えている。円筒体88内には上下の多孔板93、94間に脱硫剤が充填されている。図14中、下半部が改質装置で、その構成は基本的には前述図5に示す触媒反応装置の下半部に相当している。
In FIG. 14, the upper part is a reactor in which a desulfurizing agent is arranged in the axial direction of the central part of the cylindrical container of the catalytic reactor as shown in FIG. In FIG. 14, parts that are the same as those in FIGS. 5 and 13 are given the same reference numerals. As shown in FIG. 14, a
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、導入管90から導入された原料ガスは脱硫剤層を流通しながら脱硫される。脱硫済み原料ガスは導出管92から導出され、途中水(水蒸気)を混合して改質装置の改質触媒層に導入される。改質触媒層はバーナー6で発生する燃焼ガスにより加熱されているので、改質反応が進行し、改質ガスは導入管73を介してCO変成触媒層77に導入され、シフト反応により、改質ガス中のCOが二酸化炭素に変成され、併せて水素が生成する。CO変成後の改質ガスは、CO除去触媒層82に導入され、CO除去反応により、改質ガス中のCOが二酸化炭素に変えられる。CO除去後の改質ガスは導出管75から導出され、取り出される。こうして、CO濃度10vol%以上の改質ガス中のCO濃度を10ppm以下にまで低減させることができる。本例では、触媒反応装置内に原料ガスの脱硫剤を配置して一体化しているので、脱硫装置を別個に設けるのに比べて、システム全体として小型化ができる。
During the operation of the catalytic reactor configured as described above, the raw material gas introduced from the
〈実施例4〉
本実施例4は、本発明を燃焼排ガス(燃焼排気ガス)の浄化に適用した例である。図15は本実施例4を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、縦断面図として示している。図15中、96はNOx処理触媒層、99はCOやメタン等の未燃成分の燃焼触媒層(燃焼処理触媒層)である。両層は、円筒体95内に、順次、燃焼排ガスの流れ方向に配置されている。NOx処理触媒層96は下部多孔板97と上部多孔板98との間に配置されている。燃焼処理触媒層99は、下部隔壁100と上部隔壁101と小径の多孔性円筒体102と大径の多孔性円筒体103との間に形成された空間に配置され、円筒体95と大径多孔性円筒体103とは間隔を置いて配置され、その空隙104は処理済みガスの流路を形成する。NOx処理触媒、燃焼触媒は粒状でもよく、ハニカム型触媒でもよいが、ハニカム型触媒の方が好ましい。
<Example 4>
The fourth embodiment is an example in which the present invention is applied to purification of combustion exhaust gas (combustion exhaust gas). FIG. 15 shows the fourth embodiment. This catalytic reaction apparatus is cylindrical and is shown as a longitudinal sectional view. In FIG. 15, 96 is a NOx treatment catalyst layer, and 99 is a combustion catalyst layer (combustion treatment catalyst layer) of unburned components such as CO and methane. Both layers are sequentially arranged in the flow direction of the combustion exhaust gas in the
以上のように構成された触媒反応装置の運転に際しては、装置下部から導入された燃焼排ガスは、NOx処理触媒層96を流通しながら、NOxが処理、除去された後、上部多孔板98を経て、小径多孔性円筒体102の下部から流入し、該円筒体102の孔を通して燃焼触媒層99に流入、流通する。ここで未燃成分は燃焼、除去され、円筒体95と大径多孔性円筒体103との間の空隙104を通って排出される。図15中、燃焼排ガスの流れを点線で示している。燃焼触媒による燃焼は、一般に反応速度が速いため、触媒の量は少なくてよい。また、燃焼触媒層では、触媒と被処理ガスとの接触時間を短くし且つ線速度LVを低くする必要があるため、本実施例のような形状の触媒配置が最適である。
During the operation of the catalyst reaction apparatus configured as described above, the combustion exhaust gas introduced from the lower part of the apparatus passes through the NOx treatment catalyst layer 96, and after NOx is treated and removed, it passes through the upper
〈実施例5〉
本実施例5は、実施例4と同じく、燃焼排ガスの浄化に適用した例であるが、実施例4の場合とは、燃焼触媒層での被処理ガスの流通方向が異なる。図16は、本実施例5を示す図である。本触媒反応装置は円筒状であり、縦断面図として示している。図16中、図15で示す部材と同じ部材について同じ符号を用いている。図16のとおり、装置下部から導入された燃焼排ガスは、NOx処理触媒層96を流通しながら、NOxが処理、除去された後、円筒体95と大径多孔性円筒体103との間の空隙104から大径多孔性円筒体103の孔を通って、燃焼触媒層99中を小径多孔性円筒体102の方向へ流通する。ここで未燃成分は燃焼して除去され、小径多孔性円筒体102の孔を経てその筒体内を上方に向かって通って排出される。他の点は実施例4と同様である。
<Example 5>
The fifth embodiment is an example applied to the purification of combustion exhaust gas as in the fourth embodiment. However, the flow direction of the gas to be treated in the combustion catalyst layer is different from that in the fourth embodiment. FIG. 16 is a diagram illustrating the fifth embodiment. This catalytic reaction apparatus is cylindrical and is shown as a longitudinal sectional view. In FIG. 16, the same members as those shown in FIG. As shown in FIG. 16, the combustion exhaust gas introduced from the lower part of the apparatus passes through the NOx treatment catalyst layer 96, and after NOx is treated and removed, the gap between the
1〜4 第1円筒体〜第4円筒体
5 輻射筒
6 バーナー
7 上蓋兼バーナー取付台
8 底板
9 燃焼排ガスの排気通路
10 隔壁
21 CO変成触媒層
35、54 CO除去触媒層
47 上部隔壁
47′ 逆すり鉢状に構成した上部隔壁
51 複数の孔52を有する下部隔壁
53 仕切板27と下部隔壁51との間に形成した空隙
55 裾部に複数の孔56を有する逆すり鉢状の上部隔壁
57 第2円筒体2に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体
58 円筒体24に対して間隔を置いて配置された複数の連通孔を有する円筒体
59、60 冷却機構
61 冷却機構の構成部材
62 冷却媒体の導入管
63 溝
64 冷却媒体の導出管
a〜d 冷却媒体としての水の流れ方向
93、94 上下の多孔板
95 円筒体
96 NOx処理触媒層
97 下部多孔板
98 上部多孔板
99 燃焼触媒層
100 下部隔壁
101 上部隔壁
102 小径多孔性円筒体
103 大径多孔性円筒体
104 空隙
1 to 4 1st cylinder to
Claims (10)
(ロ)前記円筒状容器について、その円筒状容器内のうち、前記触媒層Bを配置した部位を、その軸方向に対して垂直に且つ放射状にガスが流通するように区画するとともに、
(ハ)前記触媒層Bの入口線速度と出口線速度がほぼ同等になるように逆すり鉢状の上部隔壁を有する
ことを特徴とする触媒反応装置。
(A) In a catalytic reaction apparatus in which a plurality of types of catalyst layers for sequentially performing a plurality of gas phase catalytic reactions are divided into separate layers and arranged integrally in a cylindrical container, the cylindrical container In a space partitioned by a catalyst layer A through which gas flows in the axial direction and partition walls before and after the axial direction of the cylindrical container so that gas flows in a direction perpendicular to the axial direction of the cylindrical container and radially. A catalyst reaction apparatus in which a catalyst layer B is disposed and a reaction gas having passed through the catalyst layer A is introduced into the catalyst layer B,
For (ii) the cylindrical container, of the cylindrical container, a portion was placed the catalyst layer B, as well as partition so that the gas flows into and radially perpendicular to the axial direction of its,
(C) A catalytic reaction apparatus having an inverted mortar-shaped upper partition so that the inlet linear velocity and the outlet linear velocity of the catalyst layer B are substantially equal.
The catalyst reaction apparatus according to any one of claims 1 to 5 , wherein the catalyst reaction apparatus for exhaust gas treatment removes NOx and unburned components such as CH 4 in combustion exhaust gas, and the catalyst of the catalyst layer A Is a denitration catalyst, and the catalyst of the catalyst layer B is a combustion catalyst.
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