JP5823341B2 - Self-heating reformer and steam reforming method using the same - Google Patents
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Description
本発明は、自己熱型改質器及びこれを用いた水蒸気改質方法に関する。 The present invention relates to an autothermal reformer and a steam reforming method using the same.
水蒸気改質法は水素の代表的な製造方法である。この水蒸気改質法においては、天然ガス、ナフサ、灯油、メタノールなどの炭化水素含有ガスと水蒸気との混合ガスを触媒の存在下で改質して水素を生成させる。具体的には、下記式(1)で表される改質反応と、下記式(2)で表される変性反応とを連続して生じさせることで、水素を生成する。
CnHm+nH2O→nCO+(m/2+n)H2 ・・・(1)
CO+H2O→CO2+H2 ・・・(2)
The steam reforming method is a typical method for producing hydrogen. In this steam reforming method, hydrogen is generated by reforming a mixed gas of a hydrocarbon-containing gas such as natural gas, naphtha, kerosene, and methanol and steam in the presence of a catalyst. Specifically, hydrogen is generated by continuously generating a reforming reaction represented by the following formula (1) and a modification reaction represented by the following formula (2).
C n H m + nH 2 O → nCO + (m / 2 + n) H 2 (1)
CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)
上記改質反応は吸熱反応である。そこで、この改質反応に必要な熱を外部から供給する方法があるが、この場合、改質器が安定して水素を生成する状態となるまで長い時間を要する。かかる不都合は、DSS(Daily Start and Stop)運転される水素ステーションなどに顕著に表れる。また、外部熱源を供給する装置が必要となるため、装置全体のコンパクト化が困難である。 The reforming reaction is an endothermic reaction. Thus, there is a method of supplying the heat necessary for the reforming reaction from the outside. In this case, it takes a long time until the reformer becomes stable and produces hydrogen. Such an inconvenience appears remarkably in a hydrogen station operated by DSS (Daily Start and Stop). In addition, since an apparatus for supplying an external heat source is required, it is difficult to make the entire apparatus compact.
そこで、上記改質反応に必要な熱源として、上記炭化水素の燃焼熱を用いる自己熱型改質器が知られている。この自己熱型改質器は、改質触媒と共に酸化触媒を含む酸化改質部を備えており、水素製造の際は、この酸化改質部に上記混合ガスに加えて少量の酸素含有ガスを供給する。こうすることで、酸化改質部において酸化触媒の存在により炭化水素の一部が酸化(燃焼)し、この燃焼熱を利用して改質反応を進めることができる。この自己熱型改質器は、熱損失が少なく、昇温に要する時間も短縮化が可能となる。さらには、主改質質の上流側に予備改質室を備え、高温ガスを酸化改質部に流通させることで、昇温時間をより短縮させる技術も提案されている(特開2007−145637号公報参照)。 Therefore, as a heat source necessary for the reforming reaction, a self-heat reformer using the combustion heat of the hydrocarbon is known. This self-heating reformer includes an oxidation reforming section including an oxidation catalyst together with a reforming catalyst. When hydrogen is produced, a small amount of oxygen-containing gas is added to the oxidation reforming section in addition to the mixed gas. Supply. By doing so, a part of the hydrocarbon is oxidized (combusted) in the oxidation reforming section due to the presence of the oxidation catalyst, and the reforming reaction can be advanced using this combustion heat. This self-heating reformer has little heat loss and can shorten the time required for temperature increase. Furthermore, a technique has been proposed in which a preliminary reforming chamber is provided on the upstream side of the main reformate, and the temperature rise time is further shortened by circulating high-temperature gas to the oxidation reforming section (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-145637). No. publication).
上記自己熱型改質器においては、供給口を酸化改質部内に設けた配管により酸素含有ガスを供給する。しかし、この場合、酸化改質部内の酸素含有ガス供給口近傍で燃焼(酸化)反応が起こりやすく、酸素含有ガス供給口から離れるにつれて発熱量が減少する。そのため、混合ガスの流れに対して酸化改質部の入口付近(上流)にて酸素含有ガスを供給した場合、酸化改質部の出口付近(下流)の温度が入口付近の温度よりも低くなる。上記改質反応は吸熱反応かつ可逆反応であるため、出口付近で上記改質反応の逆反応が生じ水素転化率が低下する。そこで、出口付近の温度を上げるため、酸素含有ガスの供給流量を増加させることも考えられる。しかし、このようにしても、酸化改質部の入口付近でのみ酸素が消費され、その結果、入口付近の温度が過度に上昇し触媒や改質器材料の劣化が生じる。また、入口付近の温度を上げずに出口付近の温度を上げるため、酸素含有ガスの供給口を出口付近に設置することも考えられる。しかし、この場合は、酸化改質部の入口付近の温度が低下して転化効率が下がることに加え、酸素が全て消費されず酸化改質部から流出しやすくなる。また、上記自己熱型改質器においては、この酸化改質部の下流側に上記変性反応を行うシフト反応部が設けられているため、このシフト反応部に酸素が流入するとシフト反応部中のシフト触媒の活性が低下するという不都合もある。 In the self-heating reformer, the oxygen-containing gas is supplied through a pipe having a supply port provided in the oxidation reforming section. However, in this case, a combustion (oxidation) reaction tends to occur in the vicinity of the oxygen-containing gas supply port in the oxidation reforming section, and the amount of heat generation decreases as the distance from the oxygen-containing gas supply port increases. Therefore, when the oxygen-containing gas is supplied near the inlet (upstream) of the oxidation reforming unit with respect to the flow of the mixed gas, the temperature near the outlet (downstream) of the oxidation reforming unit becomes lower than the temperature near the inlet. . Since the reforming reaction is an endothermic reaction and a reversible reaction, the reverse reaction of the reforming reaction occurs near the outlet, and the hydrogen conversion rate decreases. Therefore, it is conceivable to increase the supply flow rate of the oxygen-containing gas in order to increase the temperature near the outlet. However, even in this case, oxygen is consumed only in the vicinity of the inlet of the oxidation reforming section. As a result, the temperature in the vicinity of the inlet is excessively increased, and the catalyst and the reformer material are deteriorated. It is also conceivable to install an oxygen-containing gas supply port near the outlet in order to increase the temperature near the outlet without increasing the temperature near the inlet. However, in this case, the temperature in the vicinity of the inlet of the oxidation reforming section is lowered and the conversion efficiency is lowered. In addition, all the oxygen is not consumed and easily flows out of the oxidation reforming section. In the autothermal reformer, a shift reaction unit for performing the modification reaction is provided on the downstream side of the oxidation reforming unit. Therefore, when oxygen flows into the shift reaction unit, There is also a disadvantage that the activity of the shift catalyst is lowered.
本発明は、上述のような事情に基づいてなされたものであり、高い転化率で水素を生成することができ、かつシフト反応部におけるシフト触媒の活性低下を抑制することができる自己熱型改質器、及びこれを用いた水蒸気改質方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made on the basis of the above-described circumstances, and is capable of generating hydrogen at a high conversion rate, and can suppress the decrease in the activity of the shift catalyst in the shift reaction section. It is an object of the present invention to provide a quality device and a steam reforming method using the same.
上記課題を解決するためになされた発明は、
酸化及び改質触媒を含む酸化改質部、
この酸化改質部の下流に位置し、シフト触媒を含むシフト反応部、及び
上記酸化改質部に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段
を備え、
上記酸化改質部及びシフト反応部に炭化水素及び水蒸気の混合ガスを流通させ、炭化水素の水蒸気改質反応を行う自己熱型改質器であって、
上記酸素供給手段が、上記酸化改質部内の上流側及び下流側の少なくとも2箇所に配設される複数の酸素含有ガス供給口を有することを特徴とする。
The invention made to solve the above problems is
An oxidation reforming section including an oxidation and reforming catalyst,
A shift reaction unit including a shift catalyst located downstream of the oxidation reforming unit, and an oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas to the oxidation reforming unit,
A self-thermal reformer that performs a steam reforming reaction of hydrocarbons by circulating a mixed gas of hydrocarbon and steam through the oxidation reforming unit and the shift reaction unit,
The oxygen supply means has a plurality of oxygen-containing gas supply ports arranged at at least two locations on the upstream and downstream sides in the oxidation reforming section.
当該自己熱型改質器は、酸化改質部内上流側と下流側との少なくとも2箇所に酸素含有ガス供給口を配設しており、下流側の供給口からも酸素含有ガスを供給することで、下流側(出口側)での炭化水素の燃焼量を増加させることができる。このようにすることで、酸化改質部の下流側(出口側)での温度の低下、すなわち改質反応の逆反応の発生を抑制し、水素転化率を高めることができる。また、当該自己熱型改質器によれば、下流側の供給口の位置やこの供給口からの酸素含有ガス供給量を調整することなどにより、酸化改質部から流出する酸素の量も低減させることができ、この結果、シフト反応部におけるシフト触媒の活性低下等を抑制することができる。 The self-heating reformer has oxygen-containing gas supply ports provided at at least two locations on the upstream side and the downstream side in the oxidation reforming section, and supplies oxygen-containing gas from the downstream supply port. Thus, the combustion amount of hydrocarbons on the downstream side (outlet side) can be increased. By doing in this way, the fall of the temperature in the downstream (exit side) of an oxidation reforming part, ie, generation | occurrence | production of the reverse reaction of a reforming reaction, can be suppressed, and a hydrogen conversion rate can be raised. In addition, according to the self-thermal reformer, the amount of oxygen flowing out from the oxidation reforming section is reduced by adjusting the position of the downstream supply port and the supply amount of the oxygen-containing gas from the supply port. As a result, it is possible to suppress a decrease in the activity of the shift catalyst in the shift reaction section.
上記酸素供給手段が、上記複数の酸素含有ガス供給口からの各酸素含有ガス供給量を制御する制御手段を有するとよい。このような制御手段を有することで、酸化改質部内の好適な温度への調整や、酸化改質部から流出する酸素量の低減を効率的かつ容易に行うことができる。 The oxygen supply means may include a control means for controlling each oxygen-containing gas supply amount from the plurality of oxygen-containing gas supply ports. By having such a control means, adjustment to a suitable temperature in the oxidation reforming unit and reduction of the amount of oxygen flowing out from the oxidation reforming unit can be performed efficiently and easily.
上記酸素含有ガス供給口における酸素含有ガスの噴出方向と混合ガスの流通方向とがなす角を90°以上150°以下とするとよい。また、この酸素含有ガスの噴出方向を混合ガスの流通方向に対して放射状にするとよい。このようにすることで、酸素含有ガスを酸化改質部内に広くかつ均一に供給することができ、酸化改質部全体を昇温させることができるため、転化効率を高めることができる。また、効率的に酸素が消費されることから、酸化改質部から流出する酸素量も低減させることができる。 The angle formed by the oxygen-containing gas ejection direction and the mixed gas flow direction at the oxygen-containing gas supply port may be 90 ° or more and 150 ° or less. Moreover, it is good to make the jet direction of this oxygen containing gas radial with respect to the distribution direction of mixed gas. By doing so, the oxygen-containing gas can be supplied widely and uniformly into the oxidation reforming section, and the temperature of the entire oxidation reforming section can be raised, so that the conversion efficiency can be increased. In addition, since oxygen is efficiently consumed, the amount of oxygen flowing out from the oxidation reforming unit can be reduced.
本発明の水蒸気改質方法は、
当該自己熱型改質器を用い、
上記酸化改質部及びシフト反応部に炭化水素及び水蒸気の混合ガスを流通させる工程、及び
上記酸素供給手段により酸化改質部に酸素含有ガスを供給する工程
を有する。
The steam reforming method of the present invention comprises:
Using the autothermal reformer,
A step of circulating a mixed gas of hydrocarbon and water vapor through the oxidation reforming unit and the shift reaction unit, and a step of supplying an oxygen-containing gas to the oxidation reforming unit by the oxygen supply means.
当該自己熱型改質方法は、本発明の自己熱型改質器を用いて行うため、高い転化率で水素を生成することができ、またシフト反応部におけるシフト触媒の活性低下も抑制することができる。 Since the autothermal reforming method is carried out using the autothermal reformer of the present invention, hydrogen can be generated at a high conversion rate, and the decrease in the activity of the shift catalyst in the shift reaction section can be suppressed. Can do.
上記酸素含有ガスとして純酸素を用いることが好ましい。純酸素を用いることで、効率的に昇温を行うことができ、副生成物による触媒劣化も抑制することができる。 It is preferable to use pure oxygen as the oxygen-containing gas. By using pure oxygen, the temperature can be increased efficiently and catalyst deterioration due to by-products can be suppressed.
ここで、「酸化及び改質触媒」とは、酸化触媒と改質触媒との混合物に加え、酸化反応に対する触媒機能と改質反応に対する触媒機能とを有する触媒も含む。 Here, the “oxidation and reforming catalyst” includes, in addition to a mixture of an oxidation catalyst and a reforming catalyst, a catalyst having a catalytic function for an oxidation reaction and a catalytic function for a reforming reaction.
以上説明したように、本発明の自己熱型改質器及び水蒸気改質方法によれば、高い転化率で水素を生成することができ、かつシフト反応部におけるシフト触媒の活性低下を抑制することができる。 As described above, according to the autothermal reformer and the steam reforming method of the present invention, hydrogen can be generated at a high conversion rate, and the decrease in the activity of the shift catalyst in the shift reaction section can be suppressed. Can do.
以下、適宜図面を参照にしつつ、本発明の自己熱型改質器及び水蒸気改質方法の実施の形態を詳説する。 Hereinafter, embodiments of the self-heating reformer and the steam reforming method of the present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate.
<自己熱型改質器>
図1の自己熱型改質器1は、略円筒状の外壁を備える中空な略円柱体である。自己熱型改質器1は、内部に略同軸に配設される略円筒状の反応室2、外壁下部に連通する混合ガス供給口3、及び反応室2の下に設けられ、この反応室2の下方と連通する改質ガス排出口4を主に備えている。当該自己熱型改質器1は、混合ガス供給口3から流入するガスが外壁内を上昇して反応室2に流入し、反応室2内を下降し、改質ガス排出口4から排出されるよう構成されている。
<Self-thermal reformer>
The self-
反応室2は、上方側に設けられる酸化改質部5と、この酸化改質部5の下流に設けられるシフト反応部6とを有する。また、自己熱型改質器1は、外部から酸素含有ガスを酸化改質部5に供給する酸素含有ガス供給手段としての2つの配管7、8を備えている。さらに、自己熱型改質器1は、通常、改質器外壁を加熱するヒーター等の加熱手段を有している。
The
上記酸化改質部5には、酸化触媒及び改質触媒が混合されて充填されている。
The
上記酸化触媒は、炭化水素を酸化(燃焼)させて、水蒸気改質反応に必要な温度を得るものである。上記酸化触媒としては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、又はこれらの化合物等を挙げることができる。これらは、1種又は2種以上を混合して用いることができる。 The oxidation catalyst oxidizes (combusts) hydrocarbons to obtain a temperature necessary for the steam reforming reaction. The oxidation catalyst is not particularly limited, and a known catalyst can be used. Examples thereof include platinum, palladium, rhodium, ruthenium, and compounds thereof. These can be used alone or in combination of two or more.
上記酸化触媒及び改質触媒の合計に対する酸化触媒の含有量は、用いられる炭化水素の種類等によって適宜選択されるが、例えば1〜15質量%である。なお、炭化水素としてメタンを使用する場合は1〜5質量%が好ましく、メタノールを使用する場合は1〜3質量%が好ましい。 The content of the oxidation catalyst relative to the total of the oxidation catalyst and the reforming catalyst is appropriately selected depending on the type of hydrocarbon used, and is, for example, 1 to 15% by mass. In addition, when using methane as a hydrocarbon, 1-5 mass% is preferable, and when using methanol, 1-3 mass% is preferable.
上記改質触媒は、炭化水素を水蒸気改質させて水素を生成させるものである。上記改質触媒としては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、NiO−A12O、NiO−SiO2・A12O3、NiO−WO2・SiO2・A12O3などのニッケル系触媒や、その他WO2−SiO2・A12O3、等を挙げることができる。これらは、1種又は2種以上を混合して用いることができる。 The reforming catalyst generates hydrogen by steam reforming a hydrocarbon. The reforming catalyst is not particularly limited, and known catalysts can be used. For example, NiO—A1 2 O, NiO—SiO 2 .A1 2 O 3 , NiO—WO 2 .SiO 2 .A1 2 O 3 And nickel-based catalysts such as WO 2 —SiO 2 .A1 2 O 3 . These can be used alone or in combination of two or more.
上記酸化触媒及び改質触媒の形状としては、特に限定されず、ペレット型やモノリス型などのものを用いることができる。また、上記酸化触媒及び改質触媒を混合して用いる代わりに、酸化反応に対する触媒機能と改質反応に対する触媒機能とを兼ね備える触媒を用いることもできる。 The shape of the oxidation catalyst and the reforming catalyst is not particularly limited, and a pellet type or a monolith type can be used. Further, instead of mixing the oxidation catalyst and the reforming catalyst, a catalyst having both a catalytic function for the oxidation reaction and a catalytic function for the reforming reaction can be used.
上記酸化改質部5の長さL(混合ガスの流れ方向の長さ)としては、特に制限されないが、例えば50mm以上300mm以下であり、100mm以上200mm以下が好ましい。酸化改質部5をこのようなサイズとすることで、効率的に酸化及び改質反応を行うことができる。
The length L (length in the flow direction of the mixed gas) of the
上記配管7は先端部分に設けられた酸素含有ガス供給口9を有する。この酸素含有ガス供給口9は、酸化改質部5における上流側(入口側)に配設されている。この酸素含有ガス供給口9の酸化改質部5の入口からの距離Aとしては、酸化改質部5の長さLの1/2以下が好ましく、1/10以上1/3以下がより好ましい。このような位置に上流側の酸素含有ガス供給口9を配設することにより、効率的に燃焼反応を行うことができる。
The
上記配管8も先端部分に設けられた酸素含有ガス供給口10を有する。この酸素含有ガス供給口10は、酸化改質部5における下流側(出口側)に配設されている。この酸素含有ガス供給口10の酸化改質部5の出口からの距離Bとしては、酸化改質部5の長さの1/8以上1/2以下が好ましく、1/6以上1/3以下がより好ましい。このような位置に下流側の酸素含有ガス供給口10を配設することにより、酸化改質部5から流出する酸素の量を抑えつつ、効率的に出口側においても燃焼反応を行うことができる。
The pipe 8 also has an oxygen-containing
上記各酸素含有ガス供給口9、10は、酸素含有ガスYの噴出方向が、混合ガスXの流通方向(上下方向)に対して略垂直方向となるように形成されている。具体的には、配管8の例として図2(a)に示すように、先端がT字状に枝分かれした構造となっている。このようにすることで、酸素含有ガスを酸化改質部5内に広く供給することができ、酸化改質部5全体を昇温させることができるため、転化効率を高めることができる。また、効率的に酸素が消費されることから、酸化改質部5から流出する酸素量も低減させることができる。
The oxygen-containing
また、図2(b)に示すように、配管8’の先端がやや上向き(Y字状)に枝分かれした構造であってもよい。このように混合ガスXにやや対向する向きに酸素含有ガスYを噴出させることによって、酸化改質部5からの酸素の流出をより低減させることができる。この酸素含有ガスYの噴出方向(配管の先端の延出方向)と混合ガスXの流通方向とのなす角αとしては、90°以上150°以下が好ましく、90°超120°以下がより好ましい。
Further, as shown in FIG. 2B, the pipe 8 'may have a structure in which the tip of the pipe 8' branches slightly upward (Y-shaped). In this way, by causing the oxygen-containing gas Y to be ejected in a direction slightly opposite to the mixed gas X, the outflow of oxygen from the
なお、このように、一つの配管に設けられる複数の酸素含有ガス供給口は、酸素含有ガスの噴出方向Yが混合ガスの流通方向Xに対して放射状となるように形成されていることが好ましい。ここで放射状とは、複数の噴出方向のなす角が略等しいことを言う。例えば供給口が2つの場合は噴出方向が180°(逆向き)となる。このように複数の酸素含有ガス供給口を設けることで、酸化改質部5内により均一に酸素を拡散させ、燃焼反応を生じさせることができる。
As described above, it is preferable that the plurality of oxygen-containing gas supply ports provided in one pipe are formed so that the jet direction Y of the oxygen-containing gas is radial with respect to the flow direction X of the mixed gas. . Here, “radial” means that angles formed by a plurality of ejection directions are substantially equal. For example, when there are two supply ports, the ejection direction is 180 ° (reverse direction). By providing a plurality of oxygen-containing gas supply ports in this manner, oxygen can be diffused more uniformly in the
上記酸素含有ガス供給口9、10は、混合ガスの流れ方向(上下方向)に移動可能に配設されていることが好ましい。この場合、稼働中の酸化改質部5内の温度や流出する酸素量等をチェックしながら、供給口9、10(特に供給口10)の位置を移動させてより好適な燃焼環境で反応を行うことができるため、転化効率等をより高めることができる。
The oxygen-containing
上記配管7、8には、それぞれ酸素含有ガス供給量を制御する制御手段としてのマスフローコントローラ11、12がそれぞれ設けられている。この各マスフローコントローラ11、12により各酸素含有ガス供給口9、10における各酸素含有ガス供給量を制御することができる。このような制御手段を有することで、酸化改質部5内の好適な温度への調整や、酸化改質部5から流出する酸素量の低減を効率的かつ容易に行うことができる。
The
なお、当該自己熱型改質器1は、酸化改質部5内の温度を測定する温度測定手段を備えていることが好ましい。さらに、この温度測定手段は、上流側(入口側)及び下流側(出口側)の少なくとも2箇所の温度を測定可能に設けられていることが好ましい。このような温度測定手段を備えることで、温度を把握しながら、酸素の供給量を制御したり、また、酸素含有ガス供給口の位置を移動させたりすることができる。上記温度測定手段としては、特に制限されるものではなく、公知の温度計等を用いればよい。
Note that the self-
上記シフト反応部6は、上流(上方)側に設けられる高温シフト触媒層13と下流(下方)側に設けられる低温シフト触媒層14とからなる。上記高温シフト触媒層13及び低温シフト触媒層14には、シフト触媒が充填されている。このシフト反応部6は、改質ガス中に残留する一酸化炭素を二酸化炭素に転換するものである。すなわち、このシフト反応部6においては、改質ガスに残存する水蒸気と一酸化炭素の混合物をシフト触媒の存在下で水素と二酸化炭素とにシフト変換して水素を発生させ、改質ガスに残存する一酸化炭素濃度を低くし、水素濃度を高くする。
The
上記シフト触媒としては、特に限定されず公知のものを用いることができ、例えば、CuO−ZnO2、Fe2O3、Fe3O4、酸化銅等を挙げることができる。これらは、1種又は2種以上を混合して用いることができる。 The shift catalyst is not particularly limited, and a known catalyst can be used. Examples thereof include CuO—ZnO 2 , Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 , and copper oxide. These can be used alone or in combination of two or more.
<水蒸気改質方法>
本発明の水蒸気改質方法は、
当該自己熱型改質器1を用い、
上記酸化改質部及びシフト反応部に炭化水素及び水蒸気の混合ガスを流通させる工程、及び
上記酸素供給手段により酸化改質部に酸素含有ガスを供給する工程
を有する。
<Steam reforming method>
The steam reforming method of the present invention comprises:
Using the
A step of circulating a mixed gas of hydrocarbon and water vapor through the oxidation reforming unit and the shift reaction unit, and a step of supplying an oxygen-containing gas to the oxidation reforming unit by the oxygen supply means.
具体的には、まず、酸化改質部5を炭化水素の燃焼開始温度まで加温した状態で、加温された炭化水素と水蒸気との混合ガスXをガス供給口3から供給する。上記炭化水素としては、特に限定されず、メタン、13A等の都市ガス、灯油、メタノール等を用いることができる。この混合ガスXは、ガス供給口3から、反応室2に流れ、酸化改質部5及びシフト反応部6を流通する。
Specifically, first, the heated mixed gas X of hydrocarbon and steam is supplied from the
一方、酸素含有ガスYを酸素含有ガス供給配管7、8から酸化改質部5に供給する。上記酸素含有ガスYとしては、空気や純酸素を用いることができるが、純酸素を用いることが好ましい。空気を用いると燃焼により生じる熱の一部が空気の大部分を占める窒素の昇温に使用されるためエネルギー効率が低下する。また、窒素がアンモニアに変性し、触媒を劣化させる場合などがある。そこで、純酸素を用いることで、発生した熱のロスを抑え、エネルギー効率を高めることができ、一方、アンモニア等の副生成物による触媒劣化も抑制することができる。ここで、純酸素とは、酸素濃度が99体積%以上の気体をいい、この酸素濃度が99.9体積%以上であることがより好ましい。
On the other hand, the oxygen-containing gas Y is supplied from the oxygen-containing
混合ガス供給口3から供給された上記混合ガスXは、酸素含有ガスYと共に反応室2に流入し、酸化改質部5にて混合ガスXに含まれる炭化水素の一部が酸化(燃焼)する。この燃焼熱により上記炭化水素の水蒸気改質反応が進行し、水素と一酸化炭素が生じる。この改質されたガス中の一酸化炭素は、シフト反応部6にて、水素と二酸化炭素とに変換される。このようにして得られた改質ガスZは、水素リッチな改質ガスZとしてガス排出口4から排出される。
The mixed gas X supplied from the mixed
当該水蒸気改質方法は、当該自己熱型改質器を用いて行うため、酸化改質部5における下流側の酸素含有ガス供給口10からも酸素含有ガスYが供給され、酸化改質部5における下流側(出口側)での炭化水素の燃焼量を増加させることができる。このようにすることで、酸化改質部5の下流側(出口側)での温度の低下、すなわち改質反応の逆反応を抑制し、水素転化率を高めることができる。
Since the steam reforming method is performed using the autothermal reformer, the oxygen-containing gas Y is also supplied from the oxygen-containing
また、当該水蒸気改質方法によれば、酸化改質部5の下流側の酸素含有ガス供給口10の位置や、マスフローコントローラ12を用いてこの供給口10からの酸素含有ガス供給量を調整することなどにより、酸化改質部5内の温度や酸化改質部5から流出する酸素の量も低減させることができる。このようにすることで、転化率の向上や、シフト反応部6におけるシフト触媒の活性低下の抑制が可能となる。
Further, according to the steam reforming method, the position of the oxygen-containing
なお、定常運転の際の酸化改質部5の温度の上限としては、上流側(入口付近)及び下流側(出口付近)とも900℃が好ましく、850℃がより好ましい。一方、この温度の下限としては、750℃が好ましく、800℃がより好ましい。このような温度範囲とすることで、触媒や改質器材料の劣化を抑えつつ、効率的な改質反応を行うことができる。
The upper limit of the temperature of the
また、酸化改質部5の上流側の酸素含有ガス供給口からの酸素含有ガス供給量100体積部に対する下流側の酸素含有ガス供給口からの酸素ガス供給量としては、酸素換算で30体積部以上100体積部以下が好ましく、50体積部以上80体積部以下がより好ましい。このような供給量比とすることで、酸化改質部5からの酸素の流出を抑制しつつ、酸化改質部5を全体的に効率的に昇温させることができる。
The oxygen gas supply amount from the downstream oxygen-containing gas supply port with respect to 100 volume parts of the oxygen-containing gas supply amount from the upstream oxygen-containing gas supply port of the
<他の実施形態>
本発明の自己熱型改質器及び水蒸気改質方法は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、配管7、8の先端は3つ以上に枝分かれした形状であってもよいし、枝分かれせず、先端が単に折れ曲がった形状であってもよい。また、酸素供給手段として、1本の配管を用いてもよい。この場合、図3に示すように配管17の先端に、上流側に位置する酸素含有ガス供給口15と、下流側に位置する酸素含有ガス供給口16とを配設することができる。なお、この複数の酸素含有ガス供給口15は、酸素ガスの噴出方向が混合ガスの流通方向に対して放射状となるように形成されている。また、複数の酸素含有ガス供給口16も同様である。このような配管17を用いることで、一本の配管17で酸化改質部を全体的に効率的に昇温させることが可能となる。なお、逆に3本以上の配管を用い、酸化改質部内に3箇所以上の酸素含有ガス供給口を配設してもよい。
<Other embodiments>
The autothermal reformer and the steam reforming method of the present invention are not limited to the above embodiment. For example, the ends of the
また、各酸素含有ガス供給量を制御する制御手段は設けられていなくともよい。例えば、一方の酸素含有ガス供給量のみを制御可能とすることなどにより、当該自己熱型改質器の簡素化を図ることができる。 Moreover, the control means which controls each oxygen-containing gas supply amount does not need to be provided. For example, by making it possible to control only the supply amount of one oxygen-containing gas, the self-heat reformer can be simplified.
以下、実施例によって本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these Examples.
[実施例1]
図1に示す自己熱型改質器1を用いて水蒸気改質を行い、水素を生成した。条件は以下のとおりである。
[Example 1]
Steam reforming was performed using the
酸化改質部:白金系触媒、長さ150mm
シフト反応部:ニッケル系触媒
炭化水素(燃料ガス)種:都市ガス13A
炭化水素(燃料ガス)流量:15.8NL/min
水蒸気流量:57.8NL/min
改質ガス圧力:0.75MPaG
酸素含有ガス:純酸素
酸化改質部上流側酸素流量:5.8NL/min
酸化改質部下流側酸素流量:3.7NL/min
なお、上流側の酸素含有ガス供給口は酸化改質部の入口から約30mmの位置(酸化改質部の長さに対して入口から1/5の長さの位置)に、下流側の酸素含有ガス供給口は酸化改質部の出口から約30mmの位置(酸化改質部の長さに対して出口から1/5の長さの位置)に設けた。
混合ガス供給口3より水蒸気と燃料ガスとしての13Aとを上記流量供給した。酸化改質部5において改質されたガスは、シフト反応部6にて変性し、改質ガス排出口4より排出された。この際、触媒及び改質器材料の劣化を考慮し、酸化改質部5の上方入口部温度の上限を850℃として運転を行った。
Oxidation reforming part: platinum catalyst, 150mm length
Shift reaction section: Nickel-based catalyst Hydrocarbon (fuel gas) species: City gas 13A
Hydrocarbon (fuel gas) flow rate: 15.8 NL / min
Water vapor flow rate: 57.8 NL / min
Reforming gas pressure: 0.75 MPaG
Oxygen-containing gas: pure oxygen Oxygen reforming section upstream oxygen flow rate: 5.8 NL / min
Oxidation reformer downstream oxygen flow rate: 3.7 NL / min
The upstream oxygen-containing gas supply port is located at a position approximately 30 mm from the inlet of the oxidation reforming section (a position that is 1/5 of the length of the oxidation reforming section). The contained gas supply port was provided at a position of about 30 mm from the outlet of the oxidation reforming section (position of 1/5 length from the outlet with respect to the length of the oxidation reforming section).
Water vapor and 13 A as fuel gas were supplied from the mixed
このようにして運転を行い、定常状態での酸化改質部5における上方入口部と下方出口部の温度及び改質ガス排出口より排出されるガス組成を分析した。
The operation was performed in this manner, and the temperature of the upper inlet and the lower outlet in the
[結果]
上方入口部温度850℃
下方出口部温度810℃
改質ガス組成H2:74.8%、CO2:24.8%、CO:0.1%、CH4:0.3%
メタン転化率は98.7%であった。
[result]
Upper inlet temperature 850 ° C
Lower outlet temperature 810 ° C
Reformed gas composition H 2 : 74.8%, CO 2 : 24.8%, CO: 0.1%, CH 4 : 0.3%
The methane conversion was 98.7%.
[比較例1]
酸化改質部下流側酸素流量を0NL/minとしたこと以外は実施例1と同様の運転を行った。実施例1と同様に定常状態での酸化改質部5における上方入口部と下方出口部の温度及び改質ガス排出口より排出されるガス組成を分析した。
[Comparative Example 1]
The same operation as in Example 1 was performed except that the oxygen reforming portion downstream oxygen flow rate was set to 0 NL / min. Similarly to Example 1, the temperature of the upper inlet and the lower outlet in the
[結果]
上方入口部温度850℃
下方出口部温度610℃
改質ガス組成H2:64.4%、CO2:22.8%、CO:0.1%、CH4:12.7%
メタン転化率は64.3%であった。
[result]
Upper inlet temperature 850 ° C
Lower outlet temperature 610 ° C
Reformed gas composition H 2 : 64.4%, CO 2 : 22.8%, CO: 0.1%, CH 4 : 12.7%
The methane conversion was 64.3%.
上記結果に示されるとおり、実施例の水蒸気改質方法によれば、高い転化率で水素を生成することができる。 As shown in the above results, according to the steam reforming method of the example, hydrogen can be generated at a high conversion rate.
本発明の自己熱型改質器及び水蒸気改質方法によれば、高い転化率で水素を生成することができ、例えば水素ステーション等に好適に用いることができる。 According to the autothermal reformer and the steam reforming method of the present invention, hydrogen can be generated at a high conversion rate, and can be suitably used for, for example, a hydrogen station.
1 自己熱型改質器
2 反応室
3 混合ガス供給口
4 改質ガス排出口
5 酸化改質部
6 シフト反応部
7、8、8’、17 配管
9、10、15、16 酸素含有ガス供給口
11、12 マスフローコントローラ
13 高温シフト触媒層
14 低温シフト触媒層
X 混合ガス
Y 酸素含有ガス
Z 改質ガス
DESCRIPTION OF
Claims (5)
この酸化改質部の下流に位置し、シフト触媒を含むシフト反応部、及び
上記酸化改質部に酸素含有ガスを供給する酸素供給手段
を備え、
上記酸化改質部及びシフト反応部に炭化水素及び水蒸気の混合ガスを流通させ、炭化水素の水蒸気改質反応を行う自己熱型改質器であって、
上記酸素供給手段が、上記酸化改質部内の上流側及び下流側の少なくとも2箇所に配設される複数の酸素含有ガス供給口と、上記複数の酸素含有ガス供給口からの各酸素含有ガス供給量を制御する制御手段とを有することを特徴とする自己熱型改質器。 An oxidation reforming section including an oxidation and reforming catalyst,
A shift reaction unit including a shift catalyst located downstream of the oxidation reforming unit, and an oxygen supply means for supplying an oxygen-containing gas to the oxidation reforming unit,
A self-thermal reformer that performs a steam reforming reaction of hydrocarbons by circulating a mixed gas of hydrocarbon and steam through the oxidation reforming unit and the shift reaction unit,
The oxygen supply means includes a plurality of oxygen-containing gas supply ports disposed at least two locations on the upstream side and the downstream side in the oxidation reforming unit, and each oxygen-containing gas supply from the plurality of oxygen-containing gas supply ports. A self-heating reformer characterized by comprising control means for controlling the amount .
上記酸化改質部及びシフト反応部に炭化水素及び水蒸気の混合ガスを流通させる工程、及び
上記酸素供給手段により酸化改質部に酸素含有ガスを供給する工程
を有する水蒸気改質方法。 Using the autothermal reformer according to claim 1, claim 2, or claim 3 ,
A steam reforming method comprising: flowing a mixed gas of hydrocarbon and steam through the oxidation reforming unit and the shift reaction unit; and supplying an oxygen-containing gas to the oxidation reforming unit by the oxygen supply unit.
The steam reforming method according to claim 4 , wherein pure oxygen is used as the oxygen-containing gas.
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