JP5826051B2 - Continuous fixed bed catalytic reactor and catalytic reaction method using the same - Google Patents

Continuous fixed bed catalytic reactor and catalytic reaction method using the same Download PDF

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Description

本発明は、塊状触媒を用いた流体の化学反応を行うための反応装置及びこれを用いた触媒反応方法の技術に関する。   The present invention relates to a reaction apparatus for performing a chemical reaction of a fluid using a bulk catalyst and a technique of a catalytic reaction method using the reaction apparatus.

触媒を充填した固定床触媒反応容器を用いた流体の化学反応において、触媒反応によって固体等の析出物を生成する場合には、しばしば、触媒層中の触媒間の空間にこの固体析出物が堆積して触媒層を閉塞させ、通気できなくなる問題が発生する。   In a chemical reaction of a fluid using a fixed bed catalytic reaction vessel filled with a catalyst, when a solid precipitate is generated by the catalytic reaction, the solid precipitate often accumulates in a space between the catalysts in the catalyst layer. As a result, there is a problem that the catalyst layer is blocked and cannot be vented.

例えば、特許文献1(特開2010−77219号公報)においては、水素・二酸化炭素・水蒸気・タール含有ガスを、固定床触媒反応装置において、ニッケル・セリウム・アルミニウムを含む触媒に接触させてタールガスの改質を行う技術が開示されており、この技術においては、改質中に触媒表面に固体炭素が析出し、これを除去するために水蒸気または空気を前記炭素に接触させる再生処理の必要なことが記載されている。   For example, in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-77219), hydrogen, carbon dioxide, water vapor, and a tar-containing gas are brought into contact with a catalyst containing nickel, cerium, and aluminum in a fixed bed catalytic reaction apparatus. A technique for reforming is disclosed. In this technique, solid carbon is deposited on the surface of the catalyst during the reforming, and in order to remove it, it is necessary to perform a regeneration treatment in which water vapor or air is brought into contact with the carbon. Is described.

また、特許文献1には、移動床形式および流動床形式の触媒反応容器の使用も例示されている。これらの方式では触媒表面に析出した炭素を反応作業中に除去しうる。しかし、このような反応容器は、固定床触媒反応容器に比べて装置が複雑化することや、流動床形式の場合には操業も不安定になりやすいので、特に、高温・高圧・高腐食性流体を処理するための反応容器としては一般的ではない。   Patent Document 1 also exemplifies the use of moving bed type and fluidized bed type catalytic reaction vessels. In these systems, carbon deposited on the catalyst surface can be removed during the reaction operation. However, such a reaction vessel is more complicated than the fixed bed catalyst reaction vessel, and in the case of a fluidized bed type, the operation tends to become unstable. It is not common as a reaction vessel for processing a fluid.

一方、移動床形式および流動床形式の触媒反応容器における上記のような問題がない固定床反応容器では、通常、触媒層を挟んだ両側に空間を設け、一方の空間から他方に流体を流通させて反応させる。触媒層の両側に空間を形成するためには、触媒の保持機構が必要であり、触媒保持機構の代表例は特許文献2(特開2011−6289号公報)に記載されているが、触媒径よりも小さな孔径を有するパンチングメタル板や網を用いて触媒の保持と通気を確保している。図6にその例を示すが、触媒反応容器1の内部に触媒2が収容されており、触媒の保持はパンチングメタル板や網3によって行われている。図1において、原料ガス4は流入口5から流入し、流出口6から改質ガス7として流出する。   On the other hand, in a fixed bed reaction vessel that does not have the above-mentioned problems in moving bed type and fluidized bed type catalyst reaction vessels, spaces are usually provided on both sides of the catalyst layer, and fluid is circulated from one space to the other. To react. In order to form a space on both sides of the catalyst layer, a catalyst holding mechanism is necessary. A typical example of the catalyst holding mechanism is described in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2011-6289). The catalyst is held and ventilated by using a punching metal plate or net having a smaller hole diameter. An example is shown in FIG. 6, in which the catalyst 2 is accommodated in the catalyst reaction vessel 1, and the catalyst is held by a punching metal plate or a net 3. In FIG. 1, the raw material gas 4 flows in from the inlet 5 and flows out as the reformed gas 7 from the outlet 6.

反応中の固体析出物の堆積による触媒層の閉塞を防止する手段として、例えば特許文献2には、2つの触媒層の間をガスが通気する自由空間において、第1の触媒層から流出したガス中の粉塵を補足することによって第2の触媒層での閉塞を防ぐ技術が記載されている。しかしこの場合には、触媒層内部で生成し、触媒間の空間で触媒に付着・堆積する粉塵による触媒層の閉塞を防止することはできない。   As a means for preventing clogging of the catalyst layer due to the deposition of solid precipitates during the reaction, for example, Patent Document 2 discloses a gas flowing out from the first catalyst layer in a free space in which a gas passes between the two catalyst layers. A technique for preventing clogging in the second catalyst layer by supplementing the dust inside is described. However, in this case, it is impossible to prevent clogging of the catalyst layer due to dust generated inside the catalyst layer and adhering to and depositing on the catalyst in the space between the catalysts.

特許文献3(特開2009−48797号公報)には、燃料電池用のセル内の触媒層に超音波を照射することによって、触媒上で発生した水を流出・除去する技術が記載されている。超音波は、自由空間中や粒体層・粉体層中での減衰が大きいので、照射源近傍にしか作用できない。このため、燃料電池用セル内の触媒層のように比較的小型のものには有効であるが、大量の流体を処理する大型の触媒層では、超音波によって触媒層全体を振動させることは困難である。   Patent Document 3 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-48797) describes a technique for flowing out and removing water generated on a catalyst by irradiating the catalyst layer in the cell for the fuel cell with ultrasonic waves. . Ultrasonic waves can act only in the vicinity of the irradiation source because they are greatly attenuated in free space and in the granular layer and powder layer. For this reason, it is effective for a relatively small catalyst layer such as a catalyst layer in a fuel cell, but it is difficult to vibrate the entire catalyst layer by ultrasonic waves in a large catalyst layer that processes a large amount of fluid. It is.

特許文献4(特開2008−120604号公報)には、炭化水素の水蒸気改質を低温で実施することによりコーキングを抑制する技術が記載されている。しかし、触媒反応には触媒耐久性および反応速度上の観点から最適な反応温度条件が存在し、コーキングによる触媒層の閉塞は、この最適条件において発生している。そのため、触媒反応温度を低下させてしまうと、反応の最適条件ではなくなるので、触媒性能が低下する問題がある。   Patent Document 4 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-120604) describes a technique for suppressing coking by performing steam reforming of hydrocarbons at a low temperature. However, there are optimum reaction temperature conditions for the catalytic reaction from the viewpoint of catalyst durability and reaction rate, and clogging of the catalyst layer due to coking occurs under these optimum conditions. For this reason, if the catalyst reaction temperature is lowered, the optimum conditions for the reaction are lost, and there is a problem that the catalyst performance is lowered.

特許文献5(特開平8−24622号公報)には、従来技術として、移動床触媒反応容器における堆積ダストによる触媒層の部分閉塞を槌打装置やバイブレータによって除去することが記載されている。この場合には、槌打やバイブレーションによって、触媒の充填率が上昇して触媒間の空間が狭まり、触媒の流動性がかえって悪化する問題がある。   Patent Document 5 (Japanese Patent Laid-Open No. 8-24622) describes, as a conventional technique, removing a partial blockage of a catalyst layer due to accumulated dust in a moving bed catalyst reaction vessel with a striking device or a vibrator. In this case, there is a problem that the packing ratio of the catalyst increases due to beating or vibration, the space between the catalysts is narrowed, and the fluidity of the catalyst is deteriorated.

特開2010−77219号公報JP 2010-77219 A 特開2011−6289号公報JP 2011-6289 A 特開2009−48797号公報JP 2009-48797 A 特開2008−120604号公報JP 2008-120604 A 特開平8−24622号公報JP-A-8-24622

このように、従来技術では大型の固定床触媒層内で生成・堆積する固体生成物を有効に除去する手段がなかった。本発明の目的は、大型の固定床触媒層内で生成・堆積する固体生成物の除去に有効な手段を備えた連続式固定床触媒反応装置と、これを用いて原料ガス、特にタール含有原料ガスを、高効率に改質する触媒反応方法を提供することである。   As described above, in the prior art, there is no means for effectively removing the solid product generated and deposited in the large fixed bed catalyst layer. An object of the present invention is to provide a continuous fixed bed catalytic reactor equipped with a means effective for removing a solid product produced and deposited in a large fixed bed catalyst layer, and a raw material gas, particularly a tar-containing raw material using the same. To provide a catalytic reaction method for reforming a gas with high efficiency.

上記課題を解決するために、本発明者の研究の結果、以下の解決方法を発明するに至った。   In order to solve the above-mentioned problems, the following solutions have been invented as a result of the inventor's research.

(1)触媒反応用の原料ガスの流入路及び改質ガスの流出路と、
流入路及び流出路に接続された触媒反応容器であり、反応容器内壁に接して塊状触媒の触媒層を収容する触媒反応容器と、
流体の通過を可能にする通気性を有するとともに触媒層を保持する触媒保持器と、
を有する連続式固定床触媒反応装置であって、触媒保持器を昇降させることにより触媒層を昇降させるための駆動機構を具備すること
前記原料ガスが炭化水素を含有するガスであり、触媒反応による生成物がガスと固体の炭化水素または固体のカーボンとであることを特徴とする、連続式固定床触媒反応装置。
(1) a source gas inflow path and a reformed gas outflow path for catalytic reaction;
A catalytic reaction vessel connected to the inflow path and the outflow path, and in contact with the inner wall of the reaction container, the catalytic reaction container containing the catalyst layer of the bulk catalyst;
A catalyst holder that has air permeability that allows fluid to pass through and that holds the catalyst layer;
A continuous fixed bed catalyst reaction apparatus having a drive mechanism for raising and lowering the catalyst layer by raising and lowering the catalyst holder ,
A continuous fixed bed catalytic reactor characterized in that the raw material gas is a gas containing hydrocarbon, and the product of catalytic reaction is a gas and solid hydrocarbon or solid carbon .

(2)前記触媒層の高さが、触媒反応容器の厚みの2倍以下であり、かつ、塊状触媒外面の代表長さの最大値の3倍以上であることを特徴とする、上記(1)に記載の連続式固定床触媒反応装置。   (2) The height of the catalyst layer is not more than twice the thickness of the catalyst reaction vessel and not less than three times the maximum value of the representative length of the outer surface of the bulk catalyst. ) Continuous fixed bed catalytic reactor.

(3)前記駆動機構の下降時の速度が上昇時の速度よりも速いことを特徴とする、上記(1)又は(2)に記載の連続式固定床触媒反応装置。   (3) The continuous fixed bed catalytic reactor according to (1) or (2) above, wherein the speed when the drive mechanism is lowered is faster than the speed when the drive mechanism is raised.

(4)前記触媒保持器として、前記塊状触媒を略平行に配置されたピンの先端部で保持し、前記原料ガスが当該ピンの間の空間を流通できる構造を有する触媒保持器を用いることを特徴とする、上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載の連続式固定床触媒反応装置。 (4) As the catalyst holder, a catalyst holder having a structure in which the bulk catalyst is held at a tip portion of pins arranged substantially in parallel and the raw material gas can flow through the space between the pins is used. The continuous fixed bed catalytic reactor according to any one of (1) to (3) above,

)前記触媒反応用流体がタールを含有するガスであることを特徴とする、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の連続式固定床触媒反応装置。 ( 5 ) The continuous fixed bed catalytic reactor according to any one of (1) to (4) above, wherein the catalytic reaction fluid is a gas containing tar.

)前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、アルミニウムを含む複合酸化物であって、アルミナを含まない複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl24、CeO2の結晶相からなることを特徴とする、上記()に記載の連続式固定床触媒反応装置。 ( 6 ) The catalyst is a composite oxide containing nickel, magnesium, cerium, and aluminum, and is made of a composite oxide not containing alumina, and the composite oxide is NiMgO, MgAl 2 O 4 , CeO. The continuous fixed bed catalytic reactor according to ( 5 ) above, comprising two crystal phases.

)前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl24、CexZr1-x2(0<x<1)の結晶相を含むことを特徴とする、上記()に記載の連続式固定床触媒反応装置。 (7) wherein the catalyst is a catalyst comprising a composite oxide containing nickel, magnesium, cerium, zirconium, aluminum, the complex oxide, NiMgO, MgAl 2 O 4, Ce x Zr 1-x O 2 (0 <X <1) The continuous fixed bed catalytic reactor according to ( 5 ) above, comprising a crystalline phase.

)前記触媒が、
aM・bNi・cMg・dOで表わされる複合酸化物であるタール含有ガスの改質用触媒であって、
a、b、及びcは、a+b+c=1、0.02≦a≦0.98、0.01≦b≦0.97、かつ、0.01≦c≦0.97を満たし、
dは、酸素と陽性元素が電気的に中立となる値であり、
Mは、Ti、Zr、Ca、W、Mn、Zn、Sr、Ba、Ta、Co、Mo、Re、白金、ルニウム、パラジウム、ロジウム、Li、Na、K、Fe、Cu、Cr、La、Pr、Ndから選ばれる少なくとも1種類の元素であり、
前記複合酸化物に、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物を加え、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる前記酸化物の含有量が、前記複合酸化物に対し1〜90質量%である、
ことを特徴とする、上記()に記載の連続式固定床触媒反応装置。
( 8 ) The catalyst is
A tar-containing gas reforming catalyst which is a composite oxide represented by aM · bNi · cMg · dO,
a, b, and c satisfy a + b + c = 1, 0.02 ≦ a ≦ 0.98, 0.01 ≦ b ≦ 0.97, and 0.01 ≦ c ≦ 0.97,
d is a value at which oxygen and positive elements are electrically neutral;
M is Ti, Zr, Ca, W, Mn, Zn, Sr, Ba, Ta, Co, Mo, Re, platinum, runium, palladium, rhodium, Li, Na, K, Fe, Cu, Cr, La, Pr , At least one element selected from Nd,
At least one oxide selected from silica, alumina, and zeolite is added to the composite oxide, and the content of the oxide selected from silica, alumina, and zeolite is 1 to 90% by mass with respect to the composite oxide. Is,
The continuous fixed bed catalytic reactor according to ( 5 ) above, wherein

)上記(1)〜()のいずれか1つに記載の連続式固定床触媒反応装置を用いて、触媒反応を行うことを特徴とする、連続式固定床触媒反応方法。 ( 9 ) A continuous fixed bed catalytic reaction method, wherein the catalytic reaction is carried out using the continuous fixed bed catalytic reaction apparatus according to any one of (1) to ( 8 ) above.

ここで、本発明者が本発明に到達した経緯を説明すると、次のとおりである。   Here, the background of the inventor's arrival at the present invention will be described as follows.

本発明者らの調査の結果、固定床触媒層中の触媒間に生成固体カーボンの堆積する機構は次のとおりであることがわかった。
(1)固定床触媒層中の隣り合う複数の触媒で形成される触媒間空間において、主流の上流側の隙間から原料ガス(一部改質済み)が流入し、主流の下流側の隙間から改質されたガス(一部は残留した原料ガス)が改質ガスとして流出する。
(2)触媒間空間に供給された原料ガスが触媒反応によって改質される際、触媒表面で生成した固体カーボンの一部が触媒表面に付着する。
(3)触媒間空間に供給された原料ガスが触媒反応によって改質される際、触媒表面で生成し、気流によって触媒表面から離脱した固体カーボン微粒子は、上記の既に触媒表面に付着した固体カーボン上に付着して、触媒表面で直径数十μmから約1mmのカーボン球が成長する。
(4)上記のカーボン球は、時に触媒表面から離脱し、既に存在する他のカーボン球の上に再付着するなどして、触媒表面に多層のカーボン球から構成される厚みが数mmにもおよぶ固体カーボンの堆積層が形成される。
(5)この固体カーボン堆積層は実質的に多孔質であるので、高速のガスが通気する際には大きな圧力損失を生じる。
(6)特定の触媒間空間での通気抵抗が過大となれば、主流は、他のより通気抵抗の低い触媒間空間を優先的に通気するようになる。但し、固体カーボン堆積層が多孔質であるため、固体カーボンの堆積によって通気抵抗が過大になった空間においても、触媒間空間へのガスの流れが完全に遮断されるわけではなく、触媒表面には低流量で原料ガスが供給され続ける。この結果、触媒表面でのガス改質による固体カーボンの成長は常に進行し続ける(但し、触媒表面での露出面積は減少するので、改質速度は初期に比べて大幅に低下する)。
(7)触媒層中の大半の触媒間空間において固体カーボンの堆積が進むと触媒層全体としての圧力損失が過大となり、「閉塞状態」が生じる(触媒反応容器では所与の流量で原料ガスを処理しなければならず、この所与のガス流量時にいずれの触媒間空間を通気しても圧力損失が反応装置の許容値(ガス搬送能力や容器の強度等によって定まる)を超えることが避けられない状態で触媒層は実質的な「閉塞」となる)。
As a result of the inventors' investigation, it has been found that the mechanism for depositing the generated solid carbon between the catalysts in the fixed bed catalyst layer is as follows.
(1) In the inter-catalyst space formed by a plurality of adjacent catalysts in the fixed bed catalyst layer, the raw material gas (partially reformed) flows from the gap on the upstream side of the mainstream, and from the gap on the downstream side of the mainstream The reformed gas (a part of the remaining raw material gas) flows out as the reformed gas.
(2) When the raw material gas supplied to the inter-catalyst space is reformed by a catalytic reaction, a part of the solid carbon generated on the catalyst surface adheres to the catalyst surface.
(3) When the raw material gas supplied to the inter-catalyst space is reformed by a catalytic reaction, the solid carbon fine particles generated on the catalyst surface and separated from the catalyst surface by the air flow are solid carbon particles already attached to the catalyst surface. A carbon sphere having a diameter of several tens μm to about 1 mm grows on the catalyst surface.
(4) The above-mentioned carbon spheres are sometimes detached from the catalyst surface and reattached on other carbon spheres already present, so that the thickness composed of multi-layer carbon spheres on the catalyst surface is several millimeters. A deposited layer of solid carbon is formed.
(5) Since this solid carbon deposition layer is substantially porous, a large pressure loss occurs when high-speed gas flows.
(6) If the ventilation resistance in a specific inter-catalyst space becomes excessive, the mainstream preferentially ventilates other inter-catalyst spaces having lower ventilation resistance. However, since the solid carbon deposition layer is porous, the gas flow to the inter-catalyst space is not completely blocked even in a space where the ventilation resistance is excessive due to the deposition of the solid carbon. The material gas continues to be supplied at a low flow rate. As a result, the growth of solid carbon by gas reforming on the catalyst surface always proceeds (however, since the exposed area on the catalyst surface decreases, the reforming rate is greatly reduced compared to the initial stage).
(7) When solid carbon deposits in most of the inter-catalyst space in the catalyst layer, the pressure loss of the entire catalyst layer becomes excessive and a “clogged state” occurs (in the catalyst reaction vessel, the raw material gas is supplied at a given flow rate). No matter which catalyst space is vented at this given gas flow rate, the pressure loss can be prevented from exceeding the allowable value of the reactor (determined by gas transfer capacity, vessel strength, etc.). In the absence, the catalyst layer is substantially “clogged”).

水素・二酸化炭素・水蒸気・タール含有ガスの改質反応を行い、閉塞を生じた固定床触媒反応容器の触媒表面から固体カーボン堆積層を単独で取り出し、容器の中に入れて軽くシェイクする様な機械的外力を加えると、構成単位であるカーボン球の境界で容易に分離し、粉化した。このような固体カーボンの堆積により閉塞を生じた触媒層から固体カーボンを除去するために、本発明者らは、種々の対策を試みた。   A reforming reaction of hydrogen, carbon dioxide, water vapor, and tar-containing gas is performed, and the solid carbon deposit layer is taken out from the catalyst surface of the fixed bed catalytic reactor that has become clogged, and it is placed in the container and shaken lightly. When mechanical external force was applied, it was easily separated and pulverized at the boundaries of the carbon spheres as the constituent units. In order to remove the solid carbon from the catalyst layer clogged by such solid carbon deposition, the present inventors have tried various measures.

第1の対策として、触媒層外部からのブローによる触媒層の逆洗を試みた。詳しく言えば、反応容器内に触媒層の下流側に窒素ガス供給配管を設け、触媒層に対して高速窒素流を噴射して、触媒層の逆洗を試みた。逆洗は、粉塵除去用のフィルタの閉塞時の対策として一般に用いられる手法である。   As a first countermeasure, an attempt was made to backwash the catalyst layer by blowing from the outside of the catalyst layer. More specifically, a nitrogen gas supply pipe was provided in the reaction vessel on the downstream side of the catalyst layer, and a high-speed nitrogen flow was jetted onto the catalyst layer to attempt backwashing of the catalyst layer. Backwashing is a technique that is generally used as a countermeasure when a filter for removing dust is blocked.

結果として、一部の固体カーボンは除去されたが、触媒層の圧力損失の変化は軽微であり、閉塞を解消する効果はなかった。その理由としては、次のことが考えられる。   As a result, a part of the solid carbon was removed, but the change in the pressure loss of the catalyst layer was slight, and there was no effect of eliminating the blockage. The reason is considered as follows.

1)フィルタの場合、上流からフィルタ内に流入した粉塵粒のうち、フィルタの目開きよりも大きいものをその場で捕集する。フィルタは、通常、上流ほど目開きが大きい。従って、フィルタの閉塞部に対して主流の下流側から高速流を供給して逆洗を行う場合、捕集された粉塵粒のうちフィルタの目から離脱したものは、高速気流に搬送されて主流の上流側に進行する際、より大きな目開きを通過するので、メッシュに再捕集されることは少なく、フィルタ外に排出できる。   1) In the case of a filter, dust particles larger than the opening of the filter among dust particles flowing into the filter from upstream are collected on the spot. The filter usually has a larger opening toward the upstream. Accordingly, when backwashing is performed by supplying a high-speed flow from the downstream side of the main flow to the filter block, the collected dust particles separated from the filter eyes are transferred to the high-speed air flow and flowed into the main flow. When traveling to the upstream side of the filter, it passes through a larger mesh, so it is less likely to be collected again by the mesh and can be discharged out of the filter.

一方、本発明が対象とする触媒反応副生物である固体カーボンなどの堆積層は、主流の上流から流入するのではなく、触媒間空間中で、ガスを原料として生成する。このため、堆積カーボンの大きさが触媒間空間の流出入の隙間よりも小さいとは限らないので、そのままでは触媒間空間から流出できない堆積カーボンが多量に存在する。   On the other hand, a deposited layer of solid carbon or the like, which is a by-product of the catalytic reaction of the present invention, does not flow from the upstream of the main stream, but generates gas as a raw material in the space between the catalysts. For this reason, the size of the deposited carbon is not necessarily smaller than the gap between the inflow and the outflow of the intercatalyst space, and there is a large amount of the deposited carbon that cannot flow out from the intercatalyst space as it is.

カーボン堆積層を破壊して微粉化すれば触媒間空間から流出できる可能性がある。しかし、気流が堆積カーボンに与える応力は一般に小さいので(触媒層全体に大きい気圧差を与えても、触媒層中で触媒は、通常多数の層で積載されているいので、個々の触媒間空間の入側−出側気圧差は微小となり、大きな応力を堆積カーボンに与えることはできない)、堆積カーボン層を破壊することはできない。   If the carbon deposit layer is destroyed and pulverized, there is a possibility that it can flow out from the space between the catalysts. However, since the stress exerted on the deposited carbon by the airflow is generally small (even if a large pressure difference is given to the entire catalyst layer, the catalyst is usually loaded in a large number of layers in the catalyst layer. The difference between the pressure on the inlet side and the outlet side becomes very small and a large stress cannot be applied to the deposited carbon), and the deposited carbon layer cannot be destroyed.

2)一部のカーボンを除去した時点で、カーボン除去の結果として通気抵抗の小さくなった少数の触媒間空間を連ねた狭い流路が触媒層の中に新たに形成され、主流の大半はこの流路に集中して流れる。この際、新たに形成された流路以外の触媒間空間には気流はほとんど通過しないので、これ以上カーボンが除去されることはない。このため、主流が通過する狭い流路で流速が上昇して大きな圧力損失が生じるので、閉塞状態はあまり改善されない。このように形成された新たな流路も、流路内で新たなカーボンが生成・堆積することよって急速に再閉塞していくので、逆洗の効果は短時間とならざるをえない。その一方、早期に失活を生じた触媒によって構成される(囲まれる)触媒間空間ではこのような触媒間空間の再閉塞を生じない。しかし、そもそも、主流が失活した触媒のみと接触して触媒層を通過するのであれば、ガスの改質を行えないので、触媒反応容器としての性能を発揮できない。   2) When a part of the carbon is removed, a narrow channel that connects a small number of inter-catalyst spaces with reduced ventilation resistance as a result of carbon removal is newly formed in the catalyst layer. Concentrates in the flow path. At this time, since the air flow hardly passes through the space between the catalyst other than the newly formed flow path, no more carbon is removed. For this reason, since the flow velocity increases in a narrow flow path through which the main flow passes and a large pressure loss occurs, the closed state is not improved so much. Since the new flow path formed in this way is re-closed rapidly as new carbon is generated and deposited in the flow path, the effect of backwashing must be short. On the other hand, such inter-catalyst space re-occlusion does not occur in the inter-catalyst space constituted (enclosed) by the catalyst that has deactivated early. However, in the first place, if the main stream comes into contact with only the deactivated catalyst and passes through the catalyst layer, the gas cannot be reformed, so that the performance as a catalyst reaction vessel cannot be exhibited.

これらから、次のように結論することができる。
すなわち、一般に、閉塞を生じた触媒層においては、
[個々の堆積カーボンの大きさ]>[当該触媒間空間の隙間]
の状態となっており、
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
としない限り、触媒層からカーボンを大量に除去することはできず、触媒層外部からのブローによる触媒層の逆洗はこれに有効ではない。
From these, we can conclude as follows.
That is, in general, in a catalyst layer that has clogged,
[Size of individual deposited carbon]> [Gap in the space between the catalysts]
It is in the state of
[Size of individual deposited carbon] <[Gap in the space between the catalysts]
Unless this is true, a large amount of carbon cannot be removed from the catalyst layer, and backwashing of the catalyst layer by blowing from the outside of the catalyst layer is not effective for this.

そこで次に、第2の対策として、反応容器外面を槌打して、堆積カーボン層の破壊、または触媒間空間の拡大を試みた。   Therefore, as a second countermeasure, the outer surface of the reaction vessel was beaten to try to destroy the deposited carbon layer or expand the space between the catalysts.

結果として、最初の閉塞発生後に槌打(第1回目の槌打)すると、一部の堆積カーボンを除去でき、圧力損失も半分程度に減少し、一定の効果が見られた。この後、再閉塞発生後に再び槌打(第2回目の槌打)すると、堆積カーボンの除去は微小であり、圧力損失の変化はなく、閉塞を回避することはできなかった。すなわち、反応容器外面の槌打は、2回目以降は堆積カーボンの除去に有効でないことがわかった。その理由としては、次のことが考えられる。   As a result, when striking after the first occurrence of clogging (the first striking), a part of the deposited carbon could be removed, the pressure loss was reduced to about half, and a certain effect was seen. Thereafter, when striking again after the occurrence of re-occlusion (second striking), removal of the deposited carbon was minute, there was no change in pressure loss, and clogging could not be avoided. That is, it was found that the strike on the outer surface of the reaction vessel was not effective for removing the deposited carbon after the second time. The reason is considered as follows.

1)通常、触媒を反応容器内に積層する際には上部から単純に落下させるので、触媒層における触媒は最密充填状態にはない。ここに、第1回目の槌打を加えると、振動によって触媒が最密充填あるいはそれに近い状態になる(簡単にするために、以下ではこれを「最密重点化」と称することにする)。最密充填化の過程で触媒間の相対位置は、合計で触媒代表長さの30%程度の大きさで移動する。この相対位置の移動(即ち、触媒間相対運動)時に、一部の堆積カーボンが触媒との接触応力によって破壊されて小型化するとともに、触媒間の間隔が一時的に広がる瞬間を生じるので、
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
の関係が実現されて触媒層中を落下し、遂には触媒層から除去された。
1) Normally, when the catalyst is stacked in the reaction vessel, it is simply dropped from the top, so that the catalyst in the catalyst layer is not in the closest packing state. When the first strike is added here, the catalyst is in a state of close packing or close to that by vibration (for the sake of simplicity, this will be referred to as “closest emphasis” hereinafter). In the process of close-packing, the relative position between the catalysts moves by a total of about 30% of the catalyst representative length. At the time of this relative position movement (ie, relative movement between the catalysts), a part of the deposited carbon is destroyed by contact stress with the catalyst and becomes smaller, and the interval between the catalysts temporarily increases.
[Size of individual deposited carbon] <[Gap in the space between the catalysts]
The above relationship was realized, and it dropped in the catalyst layer and was finally removed from the catalyst layer.

2)一方、第1回の槌打終了後に触媒層は最密充填化されているので、第2回目以降の槌打を行っても触媒間の相対位置はほとんど変化せず、堆積カーボンの破壊や触媒間の間隔の広がりは生じない。このため、第2回目以降の槌打では堆積カーボンの除去の効果が認められなかった。   2) On the other hand, since the catalyst layer is closely packed after the first strike, the relative position between the catalysts hardly changes even after the second and subsequent strikes, and the deposited carbon is destroyed. Further, there is no widening of the interval between the catalysts. For this reason, the effect of removing the deposited carbon was not recognized in the second and subsequent strikes.

これらから、次のように結論することができる。
すなわち、1回限りの閉塞解消効果では、多くの場合、触媒反応容器における所要処理継続時間を満足できないので、反応容器外面の槌打は堆積カーボンの継続的な除去のためには不十分である。触媒層から堆積カーボンを継続的に除去するためには、
[個々の堆積カーボンの大きさ]<[当該触媒間空間の隙間]
とした後に、触媒層の最密充填状態を解消する手段が必要である。
From these, we can conclude as follows.
That is, in many cases, the one-time clogging relieving effect cannot satisfy the required processing duration in the catalytic reaction vessel, so that the strike on the outer surface of the reaction vessel is insufficient for the continuous removal of the deposited carbon. . In order to continuously remove deposited carbon from the catalyst layer,
[Size of individual deposited carbon] <[Gap in the space between the catalysts]
After that, a means for eliminating the closest packing state of the catalyst layer is required.

前述の結論を踏まえ、第3の対策として、反応容器内での触媒層自体の移動を試みた。より詳しく言えば、静止反応容器の中で触媒が反応容器内壁に接した状態で、触媒層の底に設けた保持器を昇降することによって触媒層全体を昇降させることを試みた。その結果、数回の昇降操作の後、触媒層の昇降運動は安定状態(昇降操作の1サイクルの後、触媒層が当該サイクルの始点の状態に平均的に戻る)に到達する。この安定状態において、保持器の上昇時には触媒層下端の上昇量に対して触媒層上端での上昇量の方が一般に小さく、保持器の下降後には触媒層上下端とも始点の位置に戻る。従って、保持器昇降のサイクル内では、触媒層の平均充填率の変動を生じており(触媒層平均充填率は、保持器上昇時に増大し、保持器下降時には減少する)、触媒層内において少なくとも上下方向での触媒間相対運動が発生する。この保持器昇降時の触媒層の上端と下端の上昇量の差は、触媒層高さ(触媒層上端と下端間の距離)が大きいほど増大し、遂には触媒層上端がほとんど上昇しない状態に至る。この触媒層上端の移動しない状態では、触媒層上端近傍の触媒はそもそも保持器昇降によって移動しないので、触媒間相対運動が生じない。この結果、この領域では触媒間の堆積カーボンを保持器昇降によって除去することはできない。従って、触媒層全体で保持器昇降によって触媒間の堆積カーボンを除去するためには、保持器昇降によって、単に触媒層の平均充填率を変動させるだけでなく、触媒層上端でも十分な昇降ストロークを確保することが必要であることがわかった。   Based on the above conclusion, as a third countermeasure, an attempt was made to move the catalyst layer itself in the reaction vessel. More specifically, an attempt was made to raise and lower the entire catalyst layer by raising and lowering a cage provided at the bottom of the catalyst layer while the catalyst was in contact with the inner wall of the reaction vessel in a stationary reaction vessel. As a result, after several raising / lowering operations, the raising / lowering movement of the catalyst layer reaches a stable state (after one cycle of the raising / lowering operation, the catalyst layer returns to the state of the starting point of the cycle on average). In this stable state, when the cage is raised, the amount of rise at the upper end of the catalyst layer is generally smaller than the amount of rise at the lower end of the catalyst layer, and after the cage is lowered, both the upper and lower ends of the catalyst layer return to the starting position. Therefore, the average packing rate of the catalyst layer fluctuates within the cage ascending / descending cycle (the catalyst layer average packing rate increases when the cage rises and decreases when the cage descends), and at least within the catalyst layer. Relative motion between the catalysts in the vertical direction occurs. The difference between the rising amounts of the upper and lower ends of the catalyst layer when the cage is raised and lowered increases as the catalyst layer height (distance between the upper and lower ends of the catalyst layer) increases, and finally the upper end of the catalyst layer hardly rises. It reaches. In the state where the upper end of the catalyst layer does not move, the catalyst in the vicinity of the upper end of the catalyst layer does not move by raising and lowering the cage in the first place, so that no relative movement between the catalysts occurs. As a result, in this region, the deposited carbon between the catalysts cannot be removed by raising and lowering the cage. Therefore, in order to remove the carbon deposited between the catalysts by raising and lowering the cage in the entire catalyst layer, not only simply changing the average filling rate of the catalyst layer by raising and lowering the cage, but also a sufficient raising and lowering stroke at the upper end of the catalyst layer. It turns out that it is necessary to secure.

図4に、断面積の一定な矩形断面のダクト状反応容器内に触媒を充填して触媒層を形成し、触媒層の下方に保持器を設けて触媒層を保持する機構の装置において、保持器を27mm上昇させることにより、静止反応容器内の触媒層を触媒が反応容器内壁に接した状態で5回昇降後の安定状態における、触媒層上端高さの変位として表した触媒層上端高さを示す。縦軸が触媒層上端高さであり、基準となる0mmは、保持器上昇前の触媒層上端の垂直方向の位置に対応している。横軸の触媒層高さ/反応容器厚は、以下において触媒層の「アスペクト比」とも呼ぶ指標であり、反応容器厚は、水平平面における反応容器の代表長さのうちの最短の長さに相当し、例えば、反応容器の水平断面が長方形の場合はその短辺の長さ、円形の場合はその直径に相当する。   Fig. 4 shows a mechanism in which a catalyst layer is formed by filling a catalyst in a duct-shaped reaction vessel having a rectangular cross section with a constant cross-sectional area, and a retainer is provided below the catalyst layer to hold the catalyst layer. The catalyst layer upper end height expressed as a displacement of the catalyst layer upper end height in the stable state after raising and lowering the catalyst layer in the stationary reaction vessel 5 times while the catalyst is in contact with the inner wall of the reaction vessel by raising the vessel by 27 mm Indicates. The vertical axis represents the catalyst layer upper end height, and 0 mm serving as a reference corresponds to the vertical position of the catalyst layer upper end before the cage rises. The catalyst layer height / reaction vessel thickness on the horizontal axis is an index also referred to as “aspect ratio” of the catalyst layer in the following, and the reaction vessel thickness is the shortest of the representative lengths of the reaction vessel in the horizontal plane. For example, when the horizontal cross section of the reaction vessel is rectangular, it corresponds to the length of its short side, and when it is circular, it corresponds to its diameter.

図4から、触媒層のアスペクト比(触媒層高さ/反応容器厚)>2のとき、触媒層の上昇量(5回の昇降動作後に最終的に認められた昇降開始前の高さからの上昇量)は保持器上昇量(27mm)や触媒外寸(直径)15mmに比べてはるかに小さいことがわかる。これは、保持器上昇時(触媒層上昇時)には触媒充填率が大きくなり、保持器下降時(触媒層下降時)には充填率が小さくなることを意味している。ここで、保持器上昇・下降時とも、下方の触媒ほど移動速度が大きいので、触媒層高さ方向の各触媒の移動速度が異なることから、少なくとも上下方向の触媒間相対運動を生じる。この条件(アスペクト比>2)では、触媒層上端部の上昇の振幅が小さいので、この部分での触媒間の相対運動は比較的小さく、触媒間の堆積カーボンの排出能力は低い。   From FIG. 4, when the aspect ratio of the catalyst layer (catalyst layer height / reaction vessel thickness)> 2, the amount of rise of the catalyst layer (from the height before the start of raising / lowering finally recognized after five raising / lowering operations) It can be seen that the increase amount is much smaller than the increase amount of the cage (27 mm) and the catalyst outer dimension (diameter) of 15 mm. This means that the catalyst filling rate increases when the cage rises (when the catalyst layer rises) and decreases when the cage descends (when the catalyst layer descends). Here, even when the cage is raised and lowered, the lower the catalyst, the higher the moving speed. Therefore, the moving speed of each catalyst in the catalyst layer height direction is different. Under this condition (aspect ratio> 2), the rising amplitude of the upper end portion of the catalyst layer is small, so the relative motion between the catalysts in this portion is relatively small, and the ability to discharge deposited carbon between the catalysts is low.

それに対し、触媒層のアスペクト比≦2(アスペクト比=1.8)のときは、触媒層上端の上昇量は保持器上昇量に比べてやや小さい(保持器上昇量27mmに対し、20mmの上昇)ことがわかる。即ち、この条件では、触媒層上端でも保持器と同レベルの昇降ストロークを満足し、かつ、保持器昇降による触媒層充填率の変動も確保するという、前記の触媒層全域での触媒間相対運動を実現でき、触媒間の堆積カーボンの排出能力が高い。   On the other hand, when the aspect ratio of the catalyst layer ≦ 2 (aspect ratio = 1.8), the rising amount of the upper end of the catalyst layer is slightly smaller than the rising amount of the cage (an increase of 20 mm with respect to the raising amount of the cage of 27 mm). ) That is, under this condition, the relative movement between the catalysts in the entire catalyst layer is such that the upper and lower strokes of the catalyst layer satisfy the same lifting stroke as that of the cage, and also ensure the fluctuation of the catalyst layer filling rate due to the raising and lowering of the cage. And the ability to discharge deposited carbon between the catalysts is high.

また、このような上下方向の触媒間相対運動の効果に加えて、本発明では、触媒が反応容器内壁に接触した状態で触媒層が昇降することによって、触媒層の厚方向および幅方向にも触媒間相対運動を発生させる効果を発揮できる。即ち、触媒層の昇降に伴う充填率変化の際の触媒間相対位置の変化を考察すると、触媒層厚み方向(反応容器厚み方向に同じ)の各触媒の移動に対する拘束状態が異なる。これは、壁面との摩擦によって、壁面に近い触媒ほど、拘束が大きく、初期の上昇・下降速度が小さいことに起因している。その結果、触媒層厚み方向の各触媒の移動速度が異なるので、触媒間の相対運動を生じる。   In addition to the effect of the relative movement between the catalysts in the vertical direction, in the present invention, the catalyst layer moves up and down while the catalyst is in contact with the inner wall of the reaction vessel, so that the catalyst layer also moves in the thickness direction and the width direction. The effect of generating relative movement between the catalysts can be exhibited. That is, when the change in the relative position between the catalysts during the change in the packing rate accompanying the raising and lowering of the catalyst layer is considered, the restraint state with respect to the movement of each catalyst in the catalyst layer thickness direction (the same in the reaction vessel thickness direction) is different. This is due to the fact that the closer the catalyst is to the wall surface due to friction with the wall surface, the greater the restraint and the lower the initial ascent / descent speed. As a result, the movement speed of each catalyst in the catalyst layer thickness direction is different, so that relative movement between the catalysts occurs.

こうして、反応容器内で触媒を容器内壁に接触させて触媒層自体を昇降させた場合、触媒層の昇降に伴う充填率変化の際の触媒間相対位置の変化は大きくなり、例えば、保持器の昇降ストロークが30mmの場合、昇降の度に触媒代表長さ(例えば15mm)の30%程度になる。   Thus, when the catalyst layer is brought into contact with the inner wall of the vessel in the reaction vessel and the catalyst layer itself is raised and lowered, the change in the relative position between the catalysts when the filling rate changes accompanying the raising and lowering of the catalyst layer becomes large. When the lifting stroke is 30 mm, it is about 30% of the catalyst representative length (for example, 15 mm) every time the lifting stroke is performed.

前述のように反応容器内で触媒を容器内壁に接触させて触媒層自体を昇降させることにより個々の触媒間の相対位置を移動させ、触媒層全体を撹拌すると、触媒層全域において触媒間に堆積した固体、例えばタール分を含むガスの改質反応の際に堆積するカーボンなどを、効率的に触媒間から落下させて触媒層から除去できることがわかった。   As described above, the catalyst is brought into contact with the inner wall of the reaction vessel in the reaction vessel, and the catalyst layer itself is moved up and down to move the relative position between the individual catalysts. It was found that the solids such as carbon deposited during the reforming reaction of the gas containing tar content can be efficiently dropped from the catalyst and removed from the catalyst layer.

特に、下降時に保持器を触媒層下部の自由落下速度よりも速く、より好ましくは触媒層下端の触媒の自由落下速度よりも速く、下降させると、触媒層下端は保持器から離脱し、保持器下端位置で先に停止した保持器上に触媒が次々と振り積もるので、最密化されていた触媒層であっても、触媒の再配列によって、低充填化することができる。それと同時に、触媒の落下中に触媒間の隙間が極端に大きくなる瞬間を生じ得るので、触媒間に堆積した固体を効率的に除去できる。   In particular, when the cage is lowered when descending, it is faster than the free fall speed of the lower part of the catalyst layer, more preferably faster than the free fall rate of the catalyst at the lower end of the catalyst layer. Since the catalyst is piled up one after another on the cage previously stopped at the lower end position, even if the catalyst layer is close-packed, it can be reduced by reordering the catalyst. At the same time, a moment in which the gap between the catalysts becomes extremely large during the fall of the catalyst can occur, so that the solid deposited between the catalysts can be efficiently removed.

それに対して、保持器と反応容器を同一速度で昇降した場合、触媒層全体は保持器・反応容器と同一速度で昇降するので、触媒間の相対移動は生じない。そのため、触媒表面の固体カーボンなどの除去効果は低い(反応容器外部からの槌打なみ)。また、触媒全体をかご等に入れてかごと触媒層を同時に昇降する場合も同様である。   On the other hand, when the cage and the reaction vessel are moved up and down at the same speed, the entire catalyst layer is moved up and down at the same speed as the cage and the reaction vessel, so that relative movement between the catalysts does not occur. For this reason, the effect of removing solid carbon or the like on the catalyst surface is low (similar to strike from outside the reaction vessel). The same applies to the case where the entire catalyst is put in a car or the like and the car and the catalyst layer are moved up and down simultaneously.

以上から、固定床触媒層内で触媒上に生成・堆積する固体堆積物を除去するためには、触媒層をその保持器とともに、反応容器に対して相対移動させることが必要であることがわかった。これが、本発明の根本原理である。そして本発明によれば、触媒層全体の撹拌(個々の触媒間の相対位置を移動させること)を、固体カーボン等の固体生成物が発生する触媒反応に短時間適用することによって、触媒層全域において触媒間に堆積した固体生成物を効率的に触媒間から落下させて触媒層から除去できるという顕著な効果がある。触媒層から除去された固体生成物は、保持器の開口部を通して落下させることができ、落下して下方に溜まった固体生成物は、例えば触媒の交換時などに系外へ排出することができる。   From the above, it was found that in order to remove solid deposits generated and deposited on the catalyst in the fixed bed catalyst layer, it is necessary to move the catalyst layer together with its retainer relative to the reaction vessel. It was. This is the basic principle of the present invention. According to the present invention, the entire catalyst layer is applied to the catalytic reaction in which a solid product such as solid carbon is generated for a short time by stirring the entire catalyst layer (moving the relative position between the individual catalysts). In this case, the solid product deposited between the catalysts can be effectively dropped from the catalyst and removed from the catalyst layer. The solid product removed from the catalyst layer can be dropped through the opening of the cage, and the solid product that has fallen and accumulated below can be discharged out of the system, for example, when the catalyst is replaced. .

本発明は、固定床触媒層内で触媒上に生成・堆積する固体生成物の除去に好適に適用することができる。例えば、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む複合金属酸化物触媒によるタール含有ガスの改質反応では、他の反応に比べて触媒表面への固体カーボンの堆積量が多く、それを除去するニーズがより高い。本発明は、このように他の反応に比べ触媒表面への固体カーボンの堆積量が多いタール含有ガス改質反応用の触媒を用いる場合においても、触媒上に生成・堆積する固体生成物の効率的な除去を可能にする。   The present invention can be suitably applied to the removal of a solid product produced and deposited on a catalyst in a fixed bed catalyst layer. For example, in a reforming reaction of a tar-containing gas with a composite metal oxide catalyst containing nickel, magnesium, cerium, zirconium, and aluminum, the amount of solid carbon deposited on the catalyst surface is larger than other reactions, and it is removed. Needs are higher. In the present invention, the efficiency of the solid product produced / deposited on the catalyst is obtained even when the tar-containing gas reforming catalyst having a large amount of solid carbon deposited on the catalyst surface as compared with other reactions is used. Allows for efficient removal.

本発明の対象である触媒固定床と異なり、移動床は、原則として反応中に絶えず触媒を移動(および撹拌)させる。それに対し、本発明では、反応容器内での触媒層の移動を間欠的に、短時間実施すればよいので、反応中に触媒撹拌を行う必要はない。さらに、移動床では、反応中に一定量の触媒を系外に排出するとともに同量の触媒を系外から供給する。それに対し、本発明では、反応中に触媒の入れ替えは行わない(触媒層が固定床であるから)。   Unlike the fixed catalyst bed, which is the subject of the present invention, the moving bed in principle moves the catalyst continuously (and stirred) during the reaction. On the other hand, in the present invention, it is only necessary to intermittently move the catalyst layer in the reaction vessel for a short time, so that it is not necessary to stir the catalyst during the reaction. Further, in the moving bed, a certain amount of catalyst is discharged out of the system during the reaction and the same amount of catalyst is supplied from outside the system. In contrast, in the present invention, the catalyst is not replaced during the reaction (because the catalyst layer is a fixed bed).

本発明の触媒反応装置によれば、固定床触媒層内で触媒上に生成・堆積して触媒性能を低下させ、かつ触媒層の閉塞の原因となる固体堆積物を、触媒層全体を昇降運動させることにより、効率よく除去することができる。そのため、従来のように閉塞した触媒保持器を洗浄するために運転を停止する必要なしに、反応装置を連続運転することが可能となる。また、その触媒反応装置を用いて、固体カーボンなどの固体生成物を発生する触媒反応を高い効率で行うことができる。   According to the catalyst reaction apparatus of the present invention, solid deposits that are generated and deposited on the catalyst in the fixed bed catalyst layer to lower the catalyst performance and cause clogging of the catalyst layer are moved up and down the entire catalyst layer. By doing so, it can be efficiently removed. Therefore, it is possible to continuously operate the reaction apparatus without having to stop the operation in order to wash the closed catalyst holder as in the prior art. In addition, the catalytic reaction apparatus can be used to perform a catalytic reaction that generates a solid product such as solid carbon with high efficiency.

本発明の第1の実施形態の反応装置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the reaction apparatus of the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施形態の反応装置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the reaction apparatus of the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施形態の反応装置を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the reaction apparatus of the 3rd Embodiment of this invention. 触媒層アスペクト比と触媒層上端高さの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a catalyst layer aspect ratio and a catalyst layer upper end height. 触媒層アスペクト比とピーク荷重/基準ピーク荷重との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between a catalyst layer aspect-ratio and a peak load / reference | standard peak load. 従来技術の触媒反応容器を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the catalyst reaction container of a prior art. 本発明の第2の実施形態の反応装置に用いる保持器の図である。It is a figure of the holder | retainer used for the reaction apparatus of the 2nd Embodiment of this invention.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

(全体構造)
図1に、本発明の第1の実施形態の連続式固定床触媒反応装置10を示す。この図の(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。本発明の触媒反応装置10は、反応容器11を含み、その内部には、下部を保持器12によって支持された触媒層13が収容され、触媒層13中の触媒のうち反応容器内壁に隣接する触媒(図示せず)は反応容器内壁に接触している。本発明では、触媒を反応容器内壁に接触させて触媒層を昇降させるので、昇降作業時の触媒の移動の妨げとならないように、反応容器11の内面は平滑であることが好ましい。保持器12の下には、保持器を昇降させることにより触媒層13を上下に移動させるための駆動機構20が位置し、この駆動機構20は昇降装置21と、昇降装置21を保持器12につなぐ伝導軸22で構成されている。
(Overall structure)
FIG. 1 shows a continuous fixed bed catalytic reactor 10 according to a first embodiment of the present invention. In this figure, (a) is a plan view, (b) is a front view, and (c) is a side view. The catalytic reaction apparatus 10 of the present invention includes a reaction vessel 11, in which a catalyst layer 13 having a lower portion supported by a cage 12 is accommodated, and is adjacent to the inner wall of the reaction vessel among the catalysts in the catalyst layer 13. A catalyst (not shown) is in contact with the inner wall of the reaction vessel. In the present invention, since the catalyst layer is moved up and down by bringing the catalyst into contact with the inner wall of the reaction vessel, the inner surface of the reaction vessel 11 is preferably smooth so as not to hinder the movement of the catalyst during the lifting operation. A drive mechanism 20 for moving the catalyst layer 13 up and down by moving the cage up and down is located under the cage 12. The drive mechanism 20 is configured to move the elevator device 21 and the elevator device 21 to the cage 12. The connecting shaft 22 is connected.

反応容器11には、下方から原料ガス14が供給されて触媒層13で反応し、触媒層13からの改質ガス15は反応容器11の上方から排出される。原料ガス14の例は、炭化水素を含有するガス、炭化水素とともにタールを含有するガスなどでよい。改質ガス15の例は、炭化水素を含有するガスを改質して得られる改質ガスなどでよい。触媒の例を挙げると、炭化水素改質用の塊状触媒などでよく、その表面には触媒反応の副生物として固形物、例えば固体カーボンなどが堆積する。触媒反応が吸熱反応の場合、反応に必要な温度と熱を、触媒反応容器11を例えば加熱炉(図示せず)中に配置することにより、与えてもよい。触媒反応が発熱反応の場合は、反応熱を、触媒反応容器の外部に設けた冷媒流路(図示せず)に冷媒を流すなどにより除去してもよい。場合により、反応容器11への原料ガスは、図1とは逆に、触媒層13の上方から下方へ流れるように供給することも可能である。   A raw material gas 14 is supplied to the reaction vessel 11 from below and reacts in the catalyst layer 13, and the reformed gas 15 from the catalyst layer 13 is discharged from above the reaction vessel 11. An example of the source gas 14 may be a gas containing hydrocarbons, a gas containing tar together with hydrocarbons, or the like. An example of the reformed gas 15 may be a reformed gas obtained by reforming a gas containing hydrocarbon. As an example of the catalyst, a bulk catalyst for hydrocarbon reforming may be used, and a solid substance such as solid carbon is deposited on the surface as a by-product of the catalytic reaction. When the catalytic reaction is an endothermic reaction, the temperature and heat necessary for the reaction may be provided by placing the catalytic reaction vessel 11 in, for example, a heating furnace (not shown). When the catalytic reaction is an exothermic reaction, the reaction heat may be removed by flowing a refrigerant through a refrigerant flow path (not shown) provided outside the catalytic reaction vessel. In some cases, the raw material gas to the reaction vessel 11 can be supplied so as to flow downward from above the catalyst layer 13, contrary to FIG.

(反応容器の形状)
反応容器11は、両端に開口16a、17aを有し、これらの開口間に触媒を収納できるものであればどのような形状でもよい。開口16aは、触媒反応用流体(原料ガス)の流入路16を構成する供給管に通じており、触媒反応用の原料ガスの反応容器11への流入口に当たるものである。開口17aは、反応容器11の改質ガスの流出路17を構成する排出管に通じており、改質ガスの反応容器11からの流出口に当たるものである。反応容器11は、例えば、円筒状、角型ダクト状などの形状であることができる。以下では、角型ダクト状の反応容器を例に説明する。
(Reaction vessel shape)
The reaction vessel 11 may have any shape as long as it has openings 16a and 17a at both ends and can accommodate the catalyst between these openings. The opening 16a communicates with a supply pipe constituting the inflow path 16 for the catalytic reaction fluid (raw material gas), and corresponds to the inlet of the raw material gas for catalytic reaction to the reaction vessel 11. The opening 17 a communicates with a discharge pipe constituting the reformed gas outflow path 17 of the reaction vessel 11 and corresponds to an outlet of the reformed gas from the reaction vessel 11. For example, the reaction vessel 11 may have a cylindrical shape, a rectangular duct shape, or the like. Hereinafter, a rectangular duct-shaped reaction vessel will be described as an example.

以下の説明において、「容器の中心軸」とは、容器の水平断面の図心を鉛直方向に連ねたものと定義する。「反応容器厚」は、水平断面における反応容器の代表長さのうちの最小の長さに相当し、「反応容器幅」は、水平平面における反応容器の代表長さのうちの最大の長さに相当する。容器が円筒の場合には、容器の「幅」および「厚」を「直径」と置き換えればよい。   In the following description, the “center axis of the container” is defined as a centroid of a horizontal section of the container connected in the vertical direction. “Reaction vessel thickness” corresponds to the minimum length of the representative length of the reaction vessel in the horizontal section, and “Reaction vessel width” is the maximum length of the representative length of the reaction vessel in the horizontal plane. It corresponds to. When the container is a cylinder, the “width” and “thickness” of the container may be replaced with “diameter”.

(反応容器の材質)
反応容器11の材質は、触媒を保持する強度、触媒反応に関与する流体への耐熱・耐食性、反応生成物への耐汚染性を有する材料であれば、どのようなものでも使用できる。例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料(煉瓦に加工されたものを含む)、ソーダガラス、溶融石英等のガラス材料を使用することができる。
(Reaction vessel material)
Any material can be used as the material of the reaction vessel 11 as long as it has strength to hold the catalyst, heat resistance / corrosion resistance to the fluid involved in the catalyst reaction, and contamination resistance to the reaction product. For example, carbon steel, stainless steel, nickel alloy, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, titanium, titanium alloy and other metal materials, silica, alumina, silicon nitride, silicon carbide and other ceramic materials (those processed into bricks) Glass materials such as soda glass and fused silica can be used.

(反応容器の寸法)
反応容器の厚みは、下限が塊状触媒の代表寸法(例:直径)以上でなければならない(例えば、10mm)。一般に触媒反応では発熱または吸熱があり、かつ、反応容器の表面を通じてこれらの熱を外部と授受するため、触媒反応容器内部まで伝熱を確保するために、厚みには上限が存在する。上限の値は、反応熱・流量・伝熱特性等によってエンジニアリング的に定めればよい(例えば、200mm)。
(Reaction vessel dimensions)
The lower limit of the thickness of the reaction vessel must be equal to or larger than the representative dimension (eg, diameter) of the bulk catalyst (for example, 10 mm). In general, in the catalytic reaction, heat is generated or absorbed, and the heat is transferred to the outside through the surface of the reaction vessel. Therefore, there is an upper limit on the thickness in order to ensure heat transfer to the inside of the catalytic reaction vessel. The upper limit value may be determined in terms of engineering by reaction heat, flow rate, heat transfer characteristics, etc. (for example, 200 mm).

反応容器の幅には、機能上、特段の制約はない。保持すべき触媒層体積、反応容器厚を基に、構造上・強度上の制約を考慮してエンジニアリング的に定めればよい(例えば、5000mm)。   There is no particular limitation on the width of the reaction vessel in terms of function. Based on the volume of the catalyst layer to be retained and the thickness of the reaction vessel, it may be determined from an engineering viewpoint (for example, 5000 mm) in consideration of structural and strength constraints.

反応容器の高さは、触媒層の高さよりも大きくなければならない。一方、反応容器高さの上限については、機能上の制約はなく、構造上・強度上の制約を考慮してエンジニアリング的に定めればよい(例えば、5000mm)。   The height of the reaction vessel must be greater than the height of the catalyst layer. On the other hand, the upper limit of the reaction vessel height is not limited in terms of function, and may be determined in terms of engineering in consideration of structural and strength limitations (for example, 5000 mm).

(触媒層の保持器)
触媒層13を支持する保持器12には、網、パンチングメタル、複数の棒を用いて棒の間に空間を生じるように水平方向に各棒を互いに平行に並べて棒の両端を固定したもの等を用いることができる。図1に示した保持器12は、複数の棒18の両端を固定具19で固定して作製したものの例である。
(Catalyst layer cage)
The cage 12 that supports the catalyst layer 13 includes a net, punching metal, a plurality of rods, the rods arranged in parallel to each other in a horizontal direction so as to create a space between the rods, and the like. Can be used. The cage 12 shown in FIG. 1 is an example of one produced by fixing both ends of a plurality of rods 18 with a fixture 19.

保持器12の開口率が小さくなると、通気性や固体カーボンなどの通過性が悪化する。高開口率では、保持器で触媒を保持する部位が少なくなるで、保持器の強度が不足する。上記いずれかの形式の保持器の場合、保持器12の開口率は30〜70%程度が好ましい。   When the opening ratio of the cage 12 becomes small, the air permeability and the permeability of solid carbon and the like deteriorate. When the aperture ratio is high, the number of parts for holding the catalyst in the cage decreases, and the strength of the cage is insufficient. In the case of any of the above types of cages, the aperture ratio of the cage 12 is preferably about 30 to 70%.

保持器12の材質は、耐熱・耐腐食性・強度を備えた金属材料が好ましい。そのような金属材料の例として、ステンレス鋼、ハステロイ(登録商標)やインコネル(登録商標)等のNi合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。   The material of the cage 12 is preferably a metal material having heat resistance, corrosion resistance, and strength. Examples of such metal materials include stainless steel, Ni alloys such as Hastelloy (registered trademark) and Inconel (registered trademark), titanium, titanium alloys, and the like.

(触媒層の駆動機構)
本発明では、保持器12を昇降させることによってその上の触媒層13を反応容器11内で昇降させる。そのために、本発明の反応容器11には触媒保持器12を昇降させる駆動機構20が装備される。駆動機構20には、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置21などの、一般的な駆動機構を用いることができる。保持器12は、伝導軸22を用いて昇降装置21に結合される。昇降装置21を作動させると、保持器12の全体が反応容器11の軸線に沿って移動して、触媒層13の全体をやはり反応容器11の軸線に沿って上下に移動させる。
(Catalyst layer drive mechanism)
In the present invention, the cage 12 is moved up and down to raise and lower the catalyst layer 13 in the reaction vessel 11. For this purpose, the reaction vessel 11 of the present invention is equipped with a drive mechanism 20 for raising and lowering the catalyst holder 12. As the drive mechanism 20, a general drive mechanism such as an elevating device 21 using a gear such as an air cylinder or a rack and pinion can be used. The cage 12 is coupled to the lifting device 21 using the conduction shaft 22. When the elevating device 21 is operated, the entire cage 12 moves along the axis of the reaction vessel 11, and the entire catalyst layer 13 is also moved up and down along the axis of the reaction vessel 11.

少なくとも伝導軸22の保持器12側の一部は反応容器11、または、反応容器11の下方に存在しうる原料ガス流入炉16や改質ガス流出路17の内側に存在する必要がある。昇降装置21は、反応容器11の外部に設けることができる。反応容器11を例えば加熱炉などの加熱装置(図示せず)内に配置する場合には、昇降装置21を加熱装置外に設けることもできる。この場合、市販の昇降装置を使える一方で、伝導軸22が反応容器11を貫通する部分を高温用パッキン等で封止する必要がある。   At least a part of the conduction shaft 22 on the side of the cage 12 needs to exist inside the reaction vessel 11 or the raw material gas inflow furnace 16 or the reformed gas outflow passage 17 that can exist below the reaction vessel 11. The elevating device 21 can be provided outside the reaction vessel 11. In the case where the reaction vessel 11 is arranged in a heating device (not shown) such as a heating furnace, the elevating device 21 can be provided outside the heating device. In this case, while a commercially available lifting device can be used, it is necessary to seal the portion where the conductive shaft 22 penetrates the reaction vessel 11 with high-temperature packing or the like.

駆動機構20全体を、図1に示したように反応容器11内に設ける場合には、昇降装置21を、例えば反応容器11内の高温や腐食性物質から保護するために、耐熱・耐食性のものとする必要がある。これは、一例として、駆動機構20のエアシリンダ全体をハステロイ(登録商標)等の耐熱合金製とすることによって実現できる。この場合、エアシリンダへの供給エア配管(図示せず)は反応容器11を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。   In the case where the entire drive mechanism 20 is provided in the reaction vessel 11 as shown in FIG. 1, in order to protect the elevating device 21 from, for example, high temperatures and corrosive substances in the reaction vessel 11, it is heat and corrosion resistant. It is necessary to. As an example, this can be realized by making the entire air cylinder of the drive mechanism 20 made of a heat-resistant alloy such as Hastelloy (registered trademark). In this case, a supply air pipe (not shown) to the air cylinder passes through the reaction vessel 11, but since this part is a non-movable part, the pipe may be welded around the circumference and the like may be sealed.

保持器上昇時に、保持器12の一部が触媒層13に食い込む場合があるので(特に、次に説明する第2の実施形態のピン式保持器を用いる場合)、保持器12は上昇時だけでなく下降時も駆動することが好ましい。   Since a part of the cage 12 may bite into the catalyst layer 13 when the cage is raised (particularly when the pin type cage of the second embodiment described below is used), the cage 12 is only raised. It is preferable to drive even when the vehicle is lowered.

(保持器の昇降ストローク)
触媒間の相対運動を十分行うためには、保持器12の昇降ストロークは大きいことが好ましい。例えば、触媒外面の代表寸法(例:直径)の0.1倍程度の昇降ストロークであっても加振の効果は存在するので、触媒表面の固体カーボンなどの堆積物の除去効果は一定程度は得られる。とは言え、十分な堆積物除去効果を挙げるためには、保持器12の昇降ストロークは触媒外面代表寸法の0.5倍以上であることが好ましく、1倍以上であることがより好ましい。
(Climbing stroke of cage)
In order to sufficiently perform the relative movement between the catalysts, it is preferable that the raising / lowering stroke of the cage 12 is large. For example, even with a lifting stroke of about 0.1 times the representative dimension (eg, diameter) of the outer surface of the catalyst, there is an effect of vibration, so that the removal effect of deposits such as solid carbon on the catalyst surface is to a certain extent. can get. However, in order to obtain a sufficient deposit removal effect, the raising / lowering stroke of the cage 12 is preferably 0.5 times or more, more preferably 1 time or more, of the catalyst outer surface representative dimension.

一方、昇降ストロークが極端に大きい場合には、反応容器11および駆動機構20が大型化するので効率的ではない。また、小さいストローク(但し、1倍以上)の昇降を繰り返し行うことで、より大きな昇降ストロークと同様の効果が得られる。よって、昇降ストロークは、触媒外面の代表寸法の10倍以下であることが好ましい。   On the other hand, when the lift stroke is extremely large, the reaction vessel 11 and the drive mechanism 20 are increased in size, which is not efficient. Moreover, the effect similar to a bigger raising / lowering stroke is acquired by repeatedly raising / lowering a small stroke (however, 1 times or more). Therefore, the lifting stroke is preferably 10 times or less of the representative dimension of the catalyst outer surface.

(昇降速度)
保持器12とともに触媒層13を上昇させるのに要する所要上昇力は、上昇速度が小さいほど小さい。本発明者らの調査の結果、10mm/sで保持器とともに触媒層を上昇させるときの所要上昇力は、1mm/sで上昇させる場合の2倍が必要であることがわかった。また、大きな上昇速度では、触媒が破壊しやすくなる。従って、上昇速度は小さいことが好ましい。但し、1mm/sで上昇させる場合と0.5mm/sで上昇させる場合の所要上昇力の差は小さいので、1mm/sよりも遅くする必要は必ずしもない。また、10mm/sの上昇速度であっても、触媒が破壊しないのであれば、適用してよい。
(Lifting speed)
The required ascending force required to raise the catalyst layer 13 together with the cage 12 is smaller as the ascent rate is smaller. As a result of the investigation by the present inventors, it has been found that the required ascending force when raising the catalyst layer together with the cage at 10 mm / s needs to be double that when raising at 1 mm / s. Further, at a high rising speed, the catalyst is easily destroyed. Therefore, it is preferable that the rising speed is small. However, the difference in required ascending force between the case of raising at 1 mm / s and the case of raising at 0.5 mm / s is small, so it is not always necessary to make it slower than 1 mm / s. Further, even if the rising speed is 10 mm / s, it may be applied as long as the catalyst is not destroyed.

前述のように、保持器の下降速度は大きいことが好ましい。特に、最下端での触媒の自由落下速度よりも大きい速度(例:100mm/s)で保持器を下降すれば、触媒は保持器から離脱して触媒間の拘束が小さくなり、触媒間の相対運動を大きくとれるので好ましい。但し、触媒の自由落下速度よりも極端に大きな速度で保持器を下降させても得られる効果に差はない。   As described above, the descending speed of the cage is preferably large. In particular, if the cage is lowered at a speed (for example, 100 mm / s) larger than the free fall speed of the catalyst at the lowermost end, the catalyst is detached from the cage and the restriction between the catalysts is reduced, and the relative relationship between the catalysts is reduced. It is preferable because a large amount of exercise can be taken. However, there is no difference in the effect obtained even if the cage is lowered at a speed extremely higher than the free fall speed of the catalyst.

(触媒の大きさ)
一般に触媒作用を有する物質を多孔質の単体に担持して構成される触媒は、保持器12の上に位置する触媒層13にとどまる必要がある。そのため、触媒は、保持器12の開口を通過しない大きさである必要がある。
(Catalyst size)
In general, a catalyst configured by supporting a substance having a catalytic action on a porous simple substance needs to remain in the catalyst layer 13 located on the cage 12. Therefore, the catalyst needs to have a size that does not pass through the opening of the cage 12.

(触媒の形状)
前述のように、特定の保持器で触媒を保持する際、同一触媒外面の代表寸法のうち最小のものに下限値が存在する。触媒層13の容積が一定の場合、一般に触媒の数が多いほど、触媒の総表面積は増大し、反応容器11の反応速度を向上できる。従って、球や球に近い形状の触媒は、一定の体積の中で触媒の数を増やしやすいので好ましい。触媒の外周で囲まれる体積が同一でも、表面積のより大きい形状、例えば、円筒やリング状の形状も好ましい。一方、棒状あるいは円盤状の形状は、保持しにくいので、好ましくない。
(Catalyst shape)
As described above, when a catalyst is held by a specific cage, a minimum value exists in the smallest representative dimension of the same catalyst outer surface. When the volume of the catalyst layer 13 is constant, generally, the greater the number of catalysts, the greater the total surface area of the catalyst, and the reaction rate of the reaction vessel 11 can be improved. Therefore, a sphere or a catalyst having a shape close to a sphere is preferable because the number of catalysts can be easily increased in a certain volume. Even if the volume surrounded by the outer periphery of the catalyst is the same, a shape having a larger surface area, for example, a cylindrical shape or a ring shape is also preferable. On the other hand, a rod-like or disk-like shape is not preferable because it is difficult to hold.

触媒層13の上昇時に、触媒層中では上にいくほど触媒間に働く力が等方化し、触媒層13を押し上げるための上下方向の力と同程度の力がこれ以外の方向にも生じ、この力に比例した摩擦力が触媒間で生じる。この摩擦力の下向き成分が触媒層押し上げの抵抗力として働く。触媒層13を下端から押し上げる際には触媒層の下側ほど触媒間の反力および触媒−反応容器内壁間で働く力が大きい。上昇中の触媒層内での上下方向の力は、その位置より上方の抵抗力の上下方向成分の合計以上でなければならないので、触媒層の下側ほど、押し上げに必要な力は急速に上昇する。触媒層の下端では最大の押し力となり、この力が過大であれば、触媒や反応容器の破壊を招き得る。   When the catalyst layer 13 rises, the force acting between the catalysts becomes more isotropic in the catalyst layer, and a force equivalent to the vertical force for pushing up the catalyst layer 13 is generated in the other directions, A frictional force proportional to this force is generated between the catalysts. The downward component of this frictional force acts as a resistance force for pushing up the catalyst layer. When the catalyst layer 13 is pushed up from the lower end, the reaction force between the catalysts and the force acting between the catalyst and the inner wall of the reaction vessel are larger toward the lower side of the catalyst layer. Since the vertical force in the rising catalyst layer must be greater than or equal to the sum of the vertical components of the resistance force above that position, the force required to push up rapidly increases at the lower side of the catalyst layer. To do. The maximum pressing force is at the lower end of the catalyst layer, and if this force is excessive, the catalyst and the reaction vessel may be destroyed.

この観点から、触媒層の高さは低いほどよい。圧壊強度100N、安息角35°の一般的な触媒(円筒状)を、次に説明する第2の実施形態のピン式保持器で保持して昇降する試験を行った。その結果を図5に示す。この図の横軸は触媒層高さ/反応容器厚比(触媒層のアスペクト比)であり、縦軸は特定の条件において触媒層を押し上げる際の押し上げピーク荷重を基準として規格化した触媒層押し上げのピーク荷重である。この図から、触媒層のアスペクト比(触媒層高さ/反応容器厚比)が2を超えると押し上げ荷重が急激に上昇することがわかる。そして、触媒層のアスペクト比(触媒層高さ/反応容器厚比)が2以下であれば、触媒はほとんど破壊しないことを見出した。また、前述のように、触媒層全体で触媒を相対運動させるためにもアスペクト比が2以下であることが好ましい。   From this point of view, the lower the catalyst layer, the better. A test was conducted in which a general catalyst (cylindrical shape) having a crushing strength of 100 N and an angle of repose of 35 ° was held and moved up and down by the pin type cage of the second embodiment described below. The result is shown in FIG. The horizontal axis of this figure is the catalyst layer height / reaction vessel thickness ratio (catalyst layer aspect ratio), and the vertical axis is the catalyst layer push-up normalized based on the push-up peak load when pushing up the catalyst layer under specific conditions. The peak load. From this figure, it can be seen that when the aspect ratio of the catalyst layer (catalyst layer height / reaction vessel thickness ratio) exceeds 2, the push-up load increases rapidly. It was found that the catalyst hardly breaks if the aspect ratio of the catalyst layer (catalyst layer height / reaction vessel thickness ratio) is 2 or less. Further, as described above, the aspect ratio is preferably 2 or less in order to cause the catalyst to move relative to the entire catalyst layer.

一方、触媒層高さが極端に低い場合には、反応容器内壁と触媒の相対運動による触媒間の相対運動は、反応容器厚方向の反応容器内壁面近傍に限定され、反応容器厚方向の中央部では触媒間の相対運動が生じなくなるので好ましくない。特に、触媒高さが平均的に触媒の2層分の高さ(触媒を垂直方向に2つ積み重ねた最大高さ)以下である場合、上層の触媒の拘束が小さいので、触媒は容易に最密充填化し、低充填化できなくなるので相対運動をいっそう阻む効果を生じる。従って、触媒層高さは触媒の3層分以上の高さ(触媒を垂直方向に3つ積み重ねた最大高さ)、すなわち、触媒外面代表長さの最大値の3倍以上であることが好ましい。   On the other hand, when the catalyst layer height is extremely low, the relative movement between the catalyst due to the relative movement of the inner wall of the reaction vessel and the catalyst is limited to the vicinity of the inner wall surface of the reaction vessel in the thickness direction of the reaction vessel, and the center in the thickness direction of the reaction vessel. This is not preferable because the relative movement between the catalysts does not occur in the portion. In particular, when the catalyst height is equal to or less than the height of two layers of catalyst (the maximum height in which two catalysts are stacked vertically), the upper layer catalyst is less constrained, so the catalyst is easily Since it becomes densely packed and cannot be lowly filled, the relative movement is further prevented. Therefore, the catalyst layer height is preferably at least three times the height of the catalyst (the maximum height obtained by stacking three catalysts in the vertical direction), that is, at least three times the maximum value of the catalyst outer surface representative length. .

(触媒の流動性)
反応容器11内において保持器12とともに上昇させた触媒は、反応容器内で棚吊り(触媒層13を保持器12で上昇させた後、保持器12を下降させても触媒同士のセルフロックを生じて触媒が下降しない現象)を起こすことがある。反応容器11内での触媒の棚吊り防止の観点から、触媒層13における粒体群としての触媒の流動性は、低いことが好ましく、安息角が50°未満であることが好ましい。
(Catalyst fluidity)
The catalyst raised together with the cage 12 in the reaction vessel 11 is suspended in the reaction vessel (the catalyst layer 13 is lifted by the cage 12 and then the cage 12 is lowered to cause self-locking between the catalysts. Cause the catalyst not to descend). From the viewpoint of preventing the catalyst from hanging in the reaction vessel 11, the fluidity of the catalyst as the particle group in the catalyst layer 13 is preferably low, and the angle of repose is preferably less than 50 °.

一方、保持器12の上昇時に保持器から触媒層13に与える力の触媒層内での非等方性(上向きの力が卓越)を触媒層13のより高い位置まで保持するためには、触媒の流動性が極端に低くないことが好ましく、安息角は10°以上が好ましい。触媒層内での力の非等方性の高い領域が広いほど、より小さい推力で保持器12を上昇させることができ、触媒が破壊しにくくなるからである。   On the other hand, in order to maintain the anisotropy (upward force is superior) in the catalyst layer of the force applied from the cage to the catalyst layer 13 when the cage 12 is raised, to a higher position of the catalyst layer 13, the catalyst It is preferable that the fluidity is not extremely low, and the angle of repose is preferably 10 ° or more. This is because the cage 12 can be raised with a smaller thrust, and the catalyst is less likely to be broken, as the region with higher force anisotropy in the catalyst layer is wider.

(触媒の材質・作用)
本発明の触媒反応装置を適用できる触媒の材質や触媒作用は、流体、特にガスを原料とする触媒反応に用いられる触媒であれば、特に制限はない。流体がガスであり、触媒反応による生成物がガスと固体または液体とである触媒反応、中でも、触媒反応用流体が炭化水素を含有するガスであり、触媒反応による生成物がガスおよび固体または液体である触媒反応、特に、触媒反応用流体がタールを含有するガスであり、触媒反応による生成物が固体の炭化水素または固体のカーボンを含む触媒反応に用いられる触媒に好適に使用できる。
(Catalyst material and action)
The material and catalytic action of the catalyst to which the catalytic reaction apparatus of the present invention can be applied are not particularly limited as long as it is a catalyst used for a catalytic reaction using a fluid, particularly a gas as a raw material. Catalytic reaction in which the fluid is a gas, and the product of the catalytic reaction is a gas and a solid or liquid. In particular, the catalytic reaction fluid is a gas containing hydrocarbons, and the product of the catalytic reaction is a gas and a solid or liquid. In particular, the catalyst reaction fluid is a gas containing tar, and the product of the catalyst reaction can be suitably used for a catalyst used in a catalytic reaction containing solid hydrocarbon or solid carbon.

一般的には、上記のような触媒反応に用いられる酸化物触媒に広く使用でき、特に触媒反応用流体がタールを含有するガスであり、触媒反応による生成物が固体の炭化水素または固体のカーボンを含む触媒反応に用いられる酸化物触媒に好適に適用できる。   In general, it can be widely used for oxide catalysts used in the catalytic reaction as described above. In particular, the catalytic reaction fluid is a gas containing tar, and the product of the catalytic reaction is solid hydrocarbon or solid carbon. It can apply suitably for the oxide catalyst used for the catalytic reaction containing.

本発明の触媒反応装置に好適に使用できる触媒の具体的な例としては、たとえば、ニッケル、マグネシウム、セリウム、アルミニウムを含む酸化物であって、少なくとも1種の複合酸化物を含み、単独化合物としてアルミナを含まないタール含有ガスの改質用触媒を挙げることができる(WO2010/134326)。この複合酸化物の好適な例は、NiMgO、MgAl24、CeO2の結晶相からなり、さらには、各結晶相の内、X線回折測定により求めたNiMgO結晶相の(200)面の結晶子の大きさが1nm〜50nm、MgAl24結晶相の(311)面の結晶子の大きさが1nm〜50nm、CeO2結晶相の(111)面の結晶子の大きさが1nm〜50nmである。この触媒は、炭素質原料を熱分解した際に発生する多量の硫化水素を含み、炭素析出を起こし易い縮合多環芳香族主体のタール含有ガスであっても、随伴するタール等重質炭化水素を高効率に改質して、水素、一酸化炭素、メタンを主体とする軽質炭化水素に変換すること、また、触媒性能が劣化した際、水蒸気又は空気の少なくともいずれかを高温下で触媒に接触させることにより、触媒上の析出炭素や吸着硫黄を除去して触媒性能を回復させ長期間安定した運転が可能になるという特徴を有する。 Specific examples of the catalyst that can be suitably used in the catalytic reactor of the present invention include, for example, oxides containing nickel, magnesium, cerium, and aluminum, including at least one complex oxide, and as a single compound Mention may be made of catalysts for reforming tar-containing gases not containing alumina (WO 2010/134326). A preferred example of this composite oxide is a crystal phase of NiMgO, MgAl 2 O 4 , and CeO 2 , and among the crystal phases, the (200) plane of the NiMgO crystal phase determined by X-ray diffraction measurement is used. The crystallite size is 1 nm to 50 nm, the crystallite size of the (311) plane of the MgAl 2 O 4 crystal phase is 1 nm to 50 nm, and the crystallite size of the (111) plane of the CeO 2 crystal phase is 1 nm to 50 nm. This catalyst contains a large amount of hydrogen sulfide generated when a carbonaceous raw material is thermally decomposed, and even if it is a condensed polycyclic aromatic-based tar-containing gas that easily causes carbon deposition, the accompanying heavy hydrocarbon such as tar Is converted to light hydrocarbons mainly composed of hydrogen, carbon monoxide, and methane, and when the catalyst performance deteriorates, at least one of water vapor and air is converted to the catalyst at a high temperature. By contacting, the carbon is removed from the catalyst and adsorbed sulfur, and the catalyst performance is restored to enable stable operation over a long period of time.

また、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む複合酸化物からなることを特徴とするタール含有ガスの改質用触媒を挙げることができる(特願2010−082576)。この複合酸化物の好適な例は、NiMgO、MgAl24、CexZr1-x2(0<x<1)の結晶相を含み、さらには、各結晶相の内、X線回折測定により求めたNiMgO結晶相の(220)面の結晶子サイズが1nm〜50nm、MgAl24結晶相の(311)面の結晶子サイズが1nm〜50nm、CexZr1-x2結晶相の(111)面の結晶子サイズが1nm〜50nmであることが好ましい。この触媒によれば、石炭やバイオマスを熱分解した際に発生するタール含有ガスを、安定的に一酸化炭素、水素等の軽質化学物質へ転換することができる。特に、タール含有ガス中に、硫化水素を高濃度で含むタール含有ガスであっても、脱硫処理せずにそのまま触媒と接触させて、粗ガス中のタールを改質して、又は、精製ガス中の炭化水素成分を改質して、タール含有ガスを一酸化炭素、水素等の軽質化学物質へ安定的に転換することができる。 Further, a reforming catalyst for tar-containing gas, which is composed of a composite oxide containing nickel, magnesium, cerium, zirconium and aluminum, can be mentioned (Japanese Patent Application No. 2010-082576). Suitable examples of the composite oxide, NiMgO, include MgAl 2 O 4, Ce x Zr 1-x O 2 (0 <x <1) crystal phase, and further, among the crystalline phase, X-rays diffraction the crystallite size of (220) plane of NiMgO crystalline phase determined by the measurement is 1 nm to 50 nm, a crystallite size of (311) plane of the MgAl 2 O 4 crystalline phase 1nm~50nm, Ce x Zr 1-x O 2 crystals The crystallite size of the (111) plane of the phase is preferably 1 nm to 50 nm. According to this catalyst, the tar-containing gas generated when coal or biomass is pyrolyzed can be stably converted into light chemical substances such as carbon monoxide and hydrogen. In particular, even if the tar-containing gas contains a high concentration of hydrogen sulfide in the tar-containing gas, it is brought into contact with the catalyst without desulfurization to reform the tar in the crude gas, or a refined gas The tar-containing gas can be stably converted into light chemical substances such as carbon monoxide and hydrogen by reforming the hydrocarbon component therein.

さらに、aM・bNi・cMg・dOで表される複合酸化物であるタール含有ガスの改質用触媒であって、a、b、及びcは、a+b+c=1、0.02≦a≦0.98、0.01≦b≦0.97、かつ、0.01≦c≦0.97を満たし、dは、酸素と陽性元素が電気的に中性となる値であり、Mは、Li、Na、Kから選ばれる少なくとも1種類の元素であるタール含有ガスの改質用触媒を挙げることができる(特願2010−081867、特願2010−08197、特願2010−083527)。この複合酸化物の好適な例は、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物を加えてなり、さらには、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物の含有量が、複合酸化物全体に対し1〜90質量%であることが好ましい。この触媒によれば、石炭やバイオマスを熱分解した際に発生するタール含有ガスを、安定的に一酸化炭素、水素等の軽質化学物質へ転換することができる。特に、タール含有ガス中に、硫化水素を高濃度で含むタール含有ガスであっても、脱硫処理せずにそのまま触媒と接触させて、粗ガス中のタールを改質して、又は精製ガス中の炭化水素成分を改質して、タール含有ガスを一酸化炭素、水素等の軽質化学物質へ安定的に転換することができる。   Furthermore, a catalyst for reforming a tar-containing gas that is a composite oxide represented by aM · bNi · cMg · dO, wherein a, b, and c are a + b + c = 1, 0.02 ≦ a ≦ 0. 98, 0.01 ≦ b ≦ 0.97 and 0.01 ≦ c ≦ 0.97 are satisfied, d is a value at which oxygen and a positive element are electrically neutral, M is Li, Mention may be made of a catalyst for reforming a tar-containing gas which is at least one element selected from Na and K (Japanese Patent Application Nos. 2010-081867, 2010-08197, and 2010-083527). A suitable example of this composite oxide is formed by adding at least one oxide selected from silica, alumina, and zeolite, and further contains at least one oxide selected from silica, alumina, and zeolite. It is preferable that it is 1-90 mass% with respect to the whole complex oxide. According to this catalyst, the tar-containing gas generated when coal or biomass is pyrolyzed can be stably converted into light chemical substances such as carbon monoxide and hydrogen. In particular, even if the tar-containing gas contains a high concentration of hydrogen sulfide in the tar-containing gas, it is brought into contact with the catalyst as it is without desulfurization treatment to reform the tar in the crude gas or in the purified gas. Thus, the tar-containing gas can be stably converted to light chemical substances such as carbon monoxide and hydrogen.

(その他の適用可能な例)
本発明は、上記に例示した触媒反応装置及び触媒のほか、コーキング等を生じる、下記の触媒反応装置にも好適に使用できる。
1)メタン改質触媒反応装置: 特開2006−35172号公報の「比較例」には、炭化水素であるメタンガスを原料ガスとして大量のコーキング(炭素析出)が発生することが記載されている。
2)都市ガス改質触媒反応装置: 特許文献2にコーキングの事例が記載されている。
3)その他、LPG等の各種石油精製ガスや天然ガスの改質のための触媒反応装置、水素を含有するガスと酸化剤ガスを作用させて発電し、水を副生する、燃料電池用の触媒反応装置(例:特開2009−48797号公報)等に適用できる。
(Other applicable examples)
The present invention can be suitably used for the following catalytic reaction apparatus that causes coking, in addition to the catalytic reaction apparatus and catalyst exemplified above.
1) Methane reforming catalytic reactor: “Comparative Example” of Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-35172 describes that a large amount of coking (carbon deposition) occurs using methane gas as a raw material gas.
2) City gas reforming catalytic reactor: Patent Document 2 describes a case of coking.
3) In addition, catalytic reactors for reforming various petroleum refining gases such as LPG and natural gas, and fuel cells that generate hydrogen by generating gas by acting hydrogen-containing gas and oxidant gas. The present invention can be applied to a catalytic reactor (eg, JP 2009-48797 A).

次に、図2を参照して第2の実施形態の連続式固定床触媒反応装置を説明する。この図の(a)は平面図であり、(b)は正面図、(c)は側面図である。図2の触媒反応装置10は、触媒保持器が図7に示したように多数のピンを利用したものであることを除いて、図1を参照して説明した第1の実施形態のものと同様である。   Next, the continuous fixed bed catalytic reactor of the second embodiment will be described with reference to FIG. (A) of this figure is a plan view, (b) is a front view, and (c) is a side view. The catalyst reaction device 10 of FIG. 2 is the same as that of the first embodiment described with reference to FIG. 1 except that the catalyst holder uses a large number of pins as shown in FIG. It is the same.

この実施形態における触媒反応容器11は、反応容器11への流入口である下部に触媒保持器12’を有する。この触媒保持器12’は、多数のピン25を底板26で保持した構造物であり、そのピン25の先端部で触媒層13の塊状の触媒を保持する触媒保持手段である。ピン25の間の間隔を塊状触媒の大きさより小さく設定することで、これらのピン19の先端部で塊状触媒を保持することが可能であり、ピン間の隙間が触媒反応用流体の流入口または生成流体の流出口として機能する。   The catalyst reaction vessel 11 in this embodiment has a catalyst holder 12 ′ in the lower part which is an inlet to the reaction vessel 11. The catalyst holder 12 ′ is a structure in which a large number of pins 25 are held by a bottom plate 26, and is a catalyst holding unit that holds the massive catalyst of the catalyst layer 13 at the tip of the pins 25. By setting the distance between the pins 25 to be smaller than the size of the bulk catalyst, it is possible to hold the bulk catalyst at the tips of these pins 19, and the gap between the pins is the inlet of the catalyst reaction fluid or It functions as an outlet for the product fluid.

図示した触媒保持器12’では、ピン25は、例えば丸棒などで製作することができる。ピン25は、同一形状が一般的であるが、必ずしも同じ形状である必要はない。塊状触媒をピン25の先端部で保持し、ピン25の間の間隙を流体が流通できればよく、ピンの大きさも長さも角度も同じでなくてよいし、ピンは直線状に限定されるものでもない。図示したの触媒保持器12’では、ピン25の先端は同一平面を形成しているが、ピン25の先端が形成する面が曲面状であったり、例外的に一部のピンが先端を形成する面から突き出ていてもよい。このような触媒保持器25によれば、高い開口率と閉塞の防止が実現される。   In the illustrated catalyst holder 12 ′, the pin 25 can be made of, for example, a round bar. The pins 25 are generally the same shape, but are not necessarily the same shape. It is only necessary to hold the massive catalyst at the tip of the pin 25 and to allow fluid to flow through the gap between the pins 25, and the size, length and angle of the pins need not be the same, and the pins are limited to be linear. Absent. In the illustrated catalyst holder 12 ′, the tip of the pin 25 forms the same plane, but the surface formed by the tip of the pin 25 is curved, or exceptionally, some pins form the tip. You may protrude from the surface to do. According to such a catalyst holder 25, a high opening ratio and prevention of clogging are realized.

触媒保持器12’におけるピン25の配置は、ピンの軸に垂直な平面上でのピンの中心を頂点とし、隣り合う3本のピンの中心で構成される三角形が、全て合同な二等辺三角形、特に正三角形であることが好ましい。それによって保持すべき触媒の所要断面積に対して最小のピン数で触媒保持構造を実現できる。   The arrangement of the pins 25 in the catalyst holder 12 ′ is an isosceles triangle in which all the triangles formed by the centers of three adjacent pins with the center of the pin on the plane perpendicular to the axis of the pin as a vertex are congruent. In particular, an equilateral triangle is preferable. As a result, a catalyst holding structure can be realized with a minimum number of pins for the required cross-sectional area of the catalyst to be held.

全てのピン25は、ピンの中心軸が互いに平行に配置されることが好ましい。ピン側面での開口が均一になり、より、閉塞しにくくなるからである。ピン軸間が極端に近接する部位ではピン側面間で閉塞を生じやすい。ピンが平行な部分の長さはピン間の間隙が閉塞しないで原料流体や改質流体が自由に流通できる空間を形成するように決められる。   All the pins 25 are preferably arranged so that the central axes of the pins are parallel to each other. This is because the opening on the side surface of the pin becomes uniform and becomes more difficult to close. In a region where the pin shafts are extremely close to each other, blockage between the pin side surfaces is likely to occur. The length of the portion where the pins are parallel is determined so as to form a space in which the raw material fluid and the reformed fluid can freely flow without closing the gap between the pins.

設計上の便宜等がある場合には、触媒方向に向けて中心軸間の距離が徐々に広がる、または、狭まる等のように設定して、ピン25の軸線は必ずしも平行でなくてもよい。同様に、ピンの中心軸は平行であるが、ピン間の間隔は徐々に広がる、または、狭まる等のように設定してもよい。ピンが略平行な部分の長さはピン間の間隙が閉塞しないで反応流体が自由に流通できる空間を形成するように決められる。   If there is a design convenience, the distance between the central axes gradually increases or decreases toward the catalyst direction, and the axis of the pin 25 does not necessarily have to be parallel. Similarly, although the central axes of the pins are parallel, the interval between the pins may be set so as to gradually widen or narrow. The length of the portion where the pins are substantially parallel is determined so as to form a space in which the reaction fluid can freely flow without closing the gap between the pins.

ピン間の間隔は、全てのピンの直径(外径寸法)を除いた軸間距離が、特に触媒保持器の頂部(ピン先端部)において、触媒の通過しうる最小のメッシュ目開き寸法(篩の目明き寸法)より小さければよい。こうすれば、触媒塊はピンの間を落下することはなく、これらのピンで支持することができる。触媒の破損により生じた触媒の小片のように、例外的に一部の触媒寸法がピンの直径を除いた軸間距離より小さくて、ピンの間を落下することがありうるが、触媒保持器12’の下部および下方に十分な落下物の貯留空間を設けることによって、少なくとも触媒反応容器閉塞の観点からは特に問題ではない。通気性および保持器の耐閉塞性の観点から、通気の主流方向垂直断面での開口率(1−[ピン断面積の合計]/[流路の見かけ断面積])は、90%以上であることが好ましい。開口率の上限は、ピンの耐座屈性等から定まる個々のピンの断面積から制約される。   The distance between the pins is such that the distance between the shafts excluding the diameters (outer diameters) of all the pins is the smallest mesh opening size (sieving sieve) through which the catalyst can pass, particularly at the top (pin tip) of the catalyst holder. Smaller than the apparent dimension). In this way, the catalyst mass does not fall between the pins and can be supported by these pins. Some catalyst dimensions are exceptionally smaller than the distance between the axes excluding the pin diameter, such as a small piece of catalyst caused by catalyst failure, but may fall between the pins. By providing a sufficient storage space for fallen objects below and below 12 ', there is no particular problem at least from the viewpoint of clogging the catalytic reaction vessel. From the viewpoint of air permeability and resistance to blockage of the cage, the opening ratio (1- [total pin cross-sectional area] / [apparent cross-sectional area of the channel]) in the vertical cross section in the main flow direction of the air flow is 90% or more. It is preferable. The upper limit of the aperture ratio is restricted by the cross-sectional area of each pin determined from the buckling resistance of the pin.

ピンの長さは、[ガス流入口(流出口)での流体の流通見かけ断面積] ≧ [触媒層における流体の流通見かけ断面積」とするのが好ましい。触媒反応容器の厚さと幅(直径)が所与のとき、ピンの高さを変更して、流入口(流出口)での流体の流通見かけ断面積を調整できる。但し、触媒層における流体の流通見かけ断面積が極端に大きい場合(反応容器が主流方向に扁平等)には、この限りではない。ここで、「流体の流通見かけ断面積」とは、原料流体や改質流体の主流に垂直な平面上で触媒反応容器側壁で囲また領域の面積である。   The length of the pin is preferably [apparent cross-sectional area of fluid flow at the gas inlet (outlet)] ≧ [apparent cross-sectional area of fluid in the catalyst layer]. When the thickness and width (diameter) of the catalytic reaction vessel are given, the height of the pin can be changed to adjust the apparent flow sectional area of the fluid at the inlet (outlet). However, this is not the case when the apparent cross-sectional area of the fluid in the catalyst layer is extremely large (the reaction vessel is flat in the main flow direction, etc.). Here, the “fluid apparent sectional area” is an area of a region surrounded by the side wall of the catalyst reaction vessel on a plane perpendicular to the main flow of the raw material fluid and the reforming fluid.

ピンのアスペクト比(長さ/直径比)は、座屈防止の観点から100以下が値が好ましく、20以下がより好ましい。但し、ピンに加わる最大荷重が十分に小さい場合には、これ以上の値であってもよい。また、流入口(流出口)での流体の流通見かけ断面積を十分大きく設定するために、ピンのアスペクト比は、1以上が好ましく、5以上がより好ましい。   The aspect ratio (length / diameter ratio) of the pin is preferably 100 or less, more preferably 20 or less, from the viewpoint of buckling prevention. However, when the maximum load applied to the pin is sufficiently small, a value larger than this may be used. Further, in order to set the apparent flow sectional area of the fluid at the inlet (outlet) sufficiently large, the pin aspect ratio is preferably 1 or more, and more preferably 5 or more.

ピンの材質は、触媒を保持する強度、接触する流体への耐熱・耐食性、反応生成物への耐汚染性を有する材料であれば、どのようなものでも使用できる。たとえば、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料、ソーダガラス、溶融石英等のガラス材料、を使用できる。タール改質用の触媒反応容器では、通常、800℃以上の高温で操作されるので、ステンレス鋼やハステロイ(登録商標)、インコネル(登録商標)等のニッケル合金が特に好ましい。   As the material of the pin, any material can be used as long as it has strength to hold the catalyst, heat resistance / corrosion resistance to the fluid in contact, and contamination resistance to the reaction product. For example, carbon steel, stainless steel, nickel alloy, copper, copper alloy, aluminum, aluminum alloy, titanium, titanium alloy and other metal materials, silica, alumina, silicon nitride, silicon carbide and other ceramic materials, soda glass, fused quartz, etc. Glass material, can be used. Since the catalytic reactor for tar reforming is usually operated at a high temperature of 800 ° C. or higher, nickel alloys such as stainless steel, Hastelloy (registered trademark), and Inconel (registered trademark) are particularly preferable.

ピンの底板への固定方法は、特に限定されず、例えば、全てのピンを溶接で底板へ固定することができる。   The method for fixing the pins to the bottom plate is not particularly limited. For example, all the pins can be fixed to the bottom plate by welding.

このような触媒保持器を用いることにより、パンチングメタルや網の場合と違い開口率を大きくしても強度を維持することができるので、実質的な開口率(ピン列の触媒への接触部においてピン軸に垂直な面内での空間の比率)を90%以上という、従来技術では実現できなかった高い値とすることができる。95%以上も可能である。   By using such a catalyst holder, the strength can be maintained even if the aperture ratio is increased unlike the case of punching metal or mesh, so that the substantial aperture ratio (in the contact portion of the pin row to the catalyst) The ratio of the space in the plane perpendicular to the pin axis can be set to a high value of 90% or more, which cannot be realized by the conventional technology. More than 95% is possible.

また、触媒保持器12’の各ピン25は、ピン中心軸垂直断面内で全て孤立し、ピン列の間に広がる空間が互いに連結しているので、仮にピン表面にカーボン等の固体が析出したとしても、隣り合うピン間でこの固体が架橋して開口を閉塞させることは容易には生じない。   In addition, each pin 25 of the catalyst retainer 12 ′ is isolated in the vertical cross section of the pin central axis, and the spaces extending between the pin rows are connected to each other, so that a solid such as carbon is temporarily deposited on the surface of the pin. Even so, it is not easy for this solid to bridge between adjacent pins to close the opening.

この実施形態の反応容器10の触媒層13中の塊状触媒は、前記ピンにおける寸法制約を満足可能な条件でなければならない。例えば、次の例1の触媒を用いることができる。
(例1)φ10mmの球形触媒塊を見かけ断面が直径100mmの円筒触媒反応容器に納めた場合、ピン高さは、100mmあれば十分である。一方、ピン直径をφ5mmにできるので、このときのピンのアスペクト比は、20程度であるので、実現可能である。
The bulk catalyst in the catalyst layer 13 of the reaction vessel 10 of this embodiment must satisfy the dimensional constraints on the pin. For example, the catalyst of the following Example 1 can be used.
(Example 1) When a spherical catalyst lump having a diameter of 10 mm is placed in a cylindrical catalyst reaction vessel having an apparent cross section of 100 mm in diameter, a pin height of 100 mm is sufficient. On the other hand, since the pin diameter can be set to 5 mm, the aspect ratio of the pin at this time is about 20, which is feasible.

一方、前記ピンにおける寸法制約を満足できないので、次の例2の触媒は、採用できない。
(例2)φ0.1mmの球形触媒塊を見かけ断面が直径100mmの円筒触媒反応容器に納めた場合、ピン高さは、少なくとも数十mm必要である。一方、ピン直径は触媒塊直径よりも小さくなければならない。従って、ピンのアスペクト比は、100を超えるので、実現不可能である。
On the other hand, since the dimensional constraints on the pin cannot be satisfied, the catalyst of Example 2 below cannot be used.
(Example 2) When a spherical catalyst lump having a diameter of 0.1 mm is placed in a cylindrical catalyst reaction vessel having an apparent cross section of 100 mm in diameter, the pin height needs to be at least several tens of mm. On the other hand, the pin diameter must be smaller than the catalyst mass diameter. Therefore, the pin aspect ratio exceeds 100, which is not feasible.

触媒の寸法は、触媒反応の効率から決定され、一概ではない。触媒の寸法を考慮して触媒保持器のピン間の間隔を決めればよいが、必要に応じて、触媒の寸法を本発明の触媒保持器のピン間の間隔を考慮して決めることができる。   The size of the catalyst is determined from the efficiency of the catalytic reaction and is not general. The distance between the pins of the catalyst holder may be determined in consideration of the dimensions of the catalyst. However, if necessary, the dimension of the catalyst can be determined in consideration of the distance between the pins of the catalyst holder of the present invention.

前述のように、特定の触媒保持器で触媒を保持する際、同一触媒外面の代表寸法のうち最小のものに下限値が存在する。触媒反応容器の容積が一定の場合、一般に触媒の数が多いほど、触媒の総表面積は増大し、反応容器の反応速度を向上できる。従って、球や球に近い形状のものは、一定の体積の中で触媒の数を増やしやすいので好ましい。また、触媒の外周で囲まれる体積が同一でも、触媒塊の表面積の大きい形状、例えば、円筒やリング状の形状も好ましい。   As described above, when a catalyst is held by a specific catalyst holder, a minimum value exists in the smallest representative dimension of the same catalyst outer surface. When the volume of the catalyst reaction vessel is constant, generally, the greater the number of catalysts, the greater the total surface area of the catalyst, and the reaction rate of the reaction vessel can be improved. Accordingly, a sphere or a shape close to a sphere is preferable because the number of catalysts can be easily increased in a certain volume. Moreover, even if the volume enclosed by the outer periphery of a catalyst is the same, the shape with a large surface area of a catalyst lump, for example, a cylindrical shape or a ring shape, is also preferable.

一方、円盤のように、一方向の代表長さのみが極端に小さい形状のものは、本発明では保持しにくいので、概して好ましくない(比較: 従来技術の網やパンチングメタルでは、メッシュ寸法よりも若干大きな円盤は、触媒の数を最も増やしうる形状であった)。また、棒状の形状は、従来技術と同様に保持しにくいので、好ましくない。
触媒塊の外寸は、触媒保持器での保持のしやすさと、反応性のための高い比表面積確保の観点から、5〜50mm程度であることが好ましい。
On the other hand, a shape such as a disk that has an extremely small representative length only in one direction is generally unfavorable because it is difficult to hold in the present invention (comparison: conventional meshes and punching metals are not preferred than the mesh size). The slightly larger disk was the shape that could increase the number of catalysts most). Further, the rod-like shape is not preferable because it is difficult to hold as in the prior art.
The outer dimension of the catalyst mass is preferably about 5 to 50 mm from the viewpoint of easy retention in the catalyst cage and securing a high specific surface area for reactivity.

この実施形態においても、触媒の材質や作用は先に説明した第1の実施形態のものと同様である。   Also in this embodiment, the material and action of the catalyst are the same as those of the first embodiment described above.

この実施形態における触媒保持器12’は、図1を参照して先に説明した第1の実施形態の保持器12と同様に、駆動機構20により昇降させることができ、それにより反応容器11内の触媒層13を上下に移動させることができる。駆動機構20は、第1の実施形態についてやはり先に説明したように、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置21などの、一般的な駆動機構を用いることができ、そして保持器12’は伝導軸22を用いて昇降装置21に結合される。   The catalyst holder 12 ′ in this embodiment can be moved up and down by the drive mechanism 20 similarly to the holder 12 of the first embodiment described above with reference to FIG. The catalyst layer 13 can be moved up and down. The drive mechanism 20 can use a general drive mechanism such as an elevating device 21 that uses gears such as an air cylinder and a rack and pinion as described above for the first embodiment, and a cage. 12 ′ is coupled to the lifting device 21 using a conduction shaft 22.

次に、図3を参照して第3の実施形態の連続式固定床触媒反応装置を説明する。この図の(a)は平面図、(b)は正面図、(c)は側面図である。図3の触媒反応装置10は、触媒保持器を昇降させるための駆動機構を除いて、図2を参照して説明した第2の実施形態のものと同様である。   Next, a continuous fixed bed catalytic reactor according to a third embodiment will be described with reference to FIG. In this figure, (a) is a plan view, (b) is a front view, and (c) is a side view. The catalyst reaction apparatus 10 of FIG. 3 is the same as that of the second embodiment described with reference to FIG. 2 except for a drive mechanism for raising and lowering the catalyst holder.

第2の実施形態では、触媒保持器12’を昇降させるための駆動機構20が保持器12’の全体を反応容器11の軸線に沿って移動させる構成であるのに対し、第3の実施形態では、保持器12’は底板26の一端が回転軸27につながれ、他端が駆動機構20の伝導軸22につながれた片持ち式の構成をとっている。駆動機構20により保持器12’の片側(図3の(b)では左側)を昇降させ、触媒を相対移動させることによって、触媒層13内で生成・堆積する固体生成物の効率的に除去することができる。本実施形態では、触媒層全体をせん断変形させる効果によって、同一昇降ストロークでの実施形態2等の昇降方法に比べて触媒間相対変位をより大きく与えることができる。尚、保持器の上昇時には、保持器のピンの先端部は全て回転軸27側に移動する。そこで、ピン先端の移動によってピンと隣接する反応容器内壁間の干渉や隙間の増大による触媒のピンからの脱落を防止するために、保持器のピンは、予め駆動機構20側に寄せて配置することができる。   In the second embodiment, the drive mechanism 20 for raising and lowering the catalyst holder 12 ′ moves the entire holder 12 ′ along the axis of the reaction vessel 11, whereas the third embodiment The cage 12 ′ has a cantilever structure in which one end of the bottom plate 26 is connected to the rotary shaft 27 and the other end is connected to the conduction shaft 22 of the drive mechanism 20. The drive mechanism 20 moves up and down one side (left side in FIG. 3B) of the cage 12 ′ to move the catalyst relatively, thereby efficiently removing the solid product generated and deposited in the catalyst layer 13. be able to. In the present embodiment, the relative displacement between the catalysts can be given more by the effect of shearing the entire catalyst layer as compared with the lifting method of the second embodiment or the like with the same lifting stroke. Note that when the cage is raised, all the tips of the pins of the cage move to the rotating shaft 27 side. Therefore, in order to prevent the catalyst from falling off the pin due to interference between the inner wall of the reaction vessel adjacent to the pin due to the movement of the pin tip or an increase in the gap, the pin of the cage should be arranged in advance toward the drive mechanism 20 side. Can do.

以下の実施例により本発明をさらに説明する。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   The following examples further illustrate the present invention. However, the present invention is not limited to these examples.

[実施例1]
図2に示した装置で試験した。
[Example 1]
Tested with the apparatus shown in FIG.

(反応系全体の構成)
石炭供給装置(石炭ホッパー定量供給器)から、加熱されたキルンに20kg/時の速度で石炭を供給して石炭乾留ガス(石炭中の水分に起因する水蒸気を含む)を連続発生させた。触媒反応装置の流入口は、保温管によってキルンに接続し、触媒反応装置流出口は、保温管によってスクラバ経由で誘引ファンに接続した。石炭乾留ガスは、ガス中のタールが触媒反応容器で改質されて軽質ガス(水素等)を生成し、改質ガスとして誘引ファンによってフレアスタック(改質ガスを燃焼する)経由で大気中に放散させた。触媒反応容器は、炉温が一定温度に制御された電気加熱炉内に収容した。誘引ファンは、流量を調節でき、石炭乾留ガスの発生速度に対応する流量に制御された。
(Composition of the entire reaction system)
Coal was supplied from a coal supply device (coal hopper quantitative supply device) to a heated kiln at a rate of 20 kg / hr to continuously generate coal dry distillation gas (including water vapor caused by moisture in the coal). The inlet of the catalyst reactor was connected to the kiln by a heat insulating tube, and the outlet of the catalyst reactor was connected to the induction fan via a scrubber by the heat insulating tube. In coal dry distillation gas, tar in the gas is reformed in a catalytic reaction vessel to produce light gas (hydrogen, etc.), which is then introduced into the atmosphere via a flare stack (burning reformed gas) by an induction fan as reformed gas. Dissipated. The catalytic reaction vessel was accommodated in an electric heating furnace in which the furnace temperature was controlled at a constant temperature. The induction fan was able to adjust the flow rate and was controlled to a flow rate corresponding to the generation rate of coal dry distillation gas.

(触媒)
触媒としては、Ni0.1Ce0.1Mg0.8Oなる成分系のものを使用した。
硝酸ニッケル、硝酸セリウム、硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が1:1:8になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケル、マグネシウム、及びセリウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。その後、60℃に保持したまま一定時間攪拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で十分に洗浄を行った。洗浄後に得られた沈殿物を120℃で乾燥し粗粉砕した後、空気中600℃で焼成(か焼)したものを解砕した後にビーカーに入れ、アルミナゾルを加えて攪拌羽根を取り付けた混合器で十分混合したものをなすフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、攪拌しながら吸引することで、水分を蒸発させた。なすフラスコ壁面に付着したニッケルとマグネシウムとセリウムとアルミナの化合物を蒸発皿に移して120℃で乾燥、600℃でか焼後、粉末を圧縮成形器を用いて3mmφの錠剤状にプレス成型し、外径15mm、内径5mm、高さ15mmの円筒状成型体を得た。
(catalyst)
As the catalyst, a component system of Ni 0.1 Ce 0.1 Mg 0.8 O was used.
Nickel nitrate, cerium nitrate, and magnesium nitrate were precisely weighed so that the molar ratio of each metal element was 1: 1: 8, and a mixed aqueous solution was prepared by heating at 60 ° C., and heated to 60 ° C. A potassium carbonate aqueous solution was added to coprecipitate nickel, magnesium, and cerium as hydroxides, and the mixture was sufficiently stirred with a stirrer. Thereafter, the mixture was aged for a certain period of time while being kept at 60 ° C., and then subjected to suction filtration and sufficiently washed with pure water at 80 ° C. The precipitate obtained after washing was dried at 120 ° C. and coarsely pulverized, then baked (calcined) at 600 ° C. in the air, crushed, put into a beaker, added with alumina sol, and a mixer equipped with stirring blades Then, the mixture was transferred to a flask which was mixed well and attached to a rotary evaporator, and the water was evaporated by suction while stirring. The nickel, magnesium, cerium, and alumina compounds attached to the flask wall are transferred to an evaporating dish, dried at 120 ° C., calcined at 600 ° C., and pressed into a 3 mmφ tablet using a compression molding machine. A cylindrical molded body having an outer diameter of 15 mm, an inner diameter of 5 mm, and a height of 15 mm was obtained.

その成型体を空気中950℃で焼成を行い、Ni0.1Ce0.1Mg0.8Oにアルミナが50質量%混合した触媒成型体を調製した。その成型体の成分をICP分析で確認した結果、所望の成分であることを確認した。また、その成型体を木屋式硬度計で計測したところ、約100Nの高い強度を保持することがわかった。 The molded body was fired in air at 950 ° C. to prepare a catalyst molded body in which 50% by mass of alumina was mixed with Ni 0.1 Ce 0.1 Mg 0.8 O. As a result of confirming the component of the molded body by ICP analysis, it was confirmed to be a desired component. Moreover, when the molding was measured with the Kiyama-type hardness meter, it was found that a high strength of about 100 N was maintained.

(触媒反応装置)
使用した触媒反応装置は、次のとおりであった。
・反応容器形状: 中心軸垂直断面の形状・寸法が一定な矩形断面となるダクト状
・反応容器材質: ステンレス鋼
・反応容器厚: 120mm
・反応容器幅: 300mm
・触媒層高さ: 400mm
・触媒層アスペクト比: 3.3
・駆動装置昇降ストローク: 15mm
・駆動装置上昇速度: 2mm/秒
・駆動装置下降速度: 100mm/秒
・触媒保持器: スレンレス丸棒製のピン式
・ピン: 直径5.1mm、長さ90mm、頂部は平坦、コーナ部1mmを面取り
・ピンの配置: 底辺16mm(反応容器幅方向)、高さ13.5mm(反応容器厚方向)の二等辺三角形、全て触媒保持器底板に溶接
・ピン開口率: 92%
・使用触媒量: 7kg
上記の触媒を図2に示した触媒反応装置に収容し、触媒層中央位置に熱電対を挿入した。
改質反応を始める前に、まず反応器を窒素雰囲気下で800℃まで昇温した後、水素ガスを80Nl/min流しながら30分間還元処理を行った。その後、コークス炉ガスを調整して導入し、常圧下、反応評価した。
駆動装置の操作タイミングは、石炭乾留ガスの通気を開始してから3時間後及び4時間後に、それぞれ第1回及び第2回の昇降を、各2往復実施した。
(Catalytic reactor)
The catalytic reactor used was as follows.
・ Reaction vessel shape: Duct shape with a rectangular cross-section with a constant central axis shape ・ Reaction vessel material: Stainless steel ・ Reaction vessel thickness: 120 mm
・ Reaction vessel width: 300 mm
・ Catalyst layer height: 400mm
Catalyst layer aspect ratio: 3.3
・ Driver lifting stroke: 15mm
・ Driver ascent speed: 2 mm / sec ・ Driver descent speed: 100 mm / sec ・ Catalyst retainer: Pin type made of slender rod ・ Pin: Diameter 5.1 mm, length 90 mm, top is flat, corner 1 mm Chamfering ・ Pin arrangement: An isosceles triangle with a bottom of 16 mm (in the reaction vessel width direction) and a height of 13.5 mm (in the reaction vessel thickness direction), all welded to the bottom plate of the catalyst cage ・ Pin opening ratio: 92%
・ Amount of catalyst used: 7kg
The above catalyst was accommodated in the catalyst reaction apparatus shown in FIG. 2, and a thermocouple was inserted at the center position of the catalyst layer.
Before starting the reforming reaction, the reactor was first heated to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then reduced for 30 minutes while flowing hydrogen gas at 80 Nl / min. Thereafter, coke oven gas was adjusted and introduced, and the reaction was evaluated under normal pressure.
Regarding the operation timing of the driving device, the first and second ascending and descending operations were performed two reciprocations each three hours and four hours after the start of the ventilation of the coal dry distillation gas.

(作業条件)
作業条件は、次のとおりであった。
・石炭乾留キルン温度: 750℃
・電気加熱炉炉温: 800℃
・石炭乾留ガス流量: 平均10Nm3/h
・石炭乾留ガス通気時間: 5時間
(Process conditions)
The working conditions were as follows:
・ Coal dry distillation kiln temperature: 750 ℃
・ Electric heating furnace temperature: 800 ℃
・ Coal dry distillation gas flow rate: 10Nm 3 / h on average
・ Coal dry distillation aeration time: 5 hours

(結果)
試験結果は、次のとおりであった。
・通気性(圧力損失)
通気開始直後: 0.1kPa
第1回昇降時: 4kPa(直前) → 0.3kPa(直後)
第2回昇降時: 4kPa(直前) → 1.0kPa(直後)
このとおり、触媒層の昇降による通気性の回復が認められた。
(result)
The test results were as follows.
・ Breathability (pressure loss)
Immediately after the start of ventilation: 0.1 kPa
During the first lift: 4 kPa (immediately before) → 0.3 kPa (immediately after)
During the second lift: 4 kPa (immediately before) → 1.0 kPa (immediately after)
As described above, recovery of air permeability by raising and lowering the catalyst layer was observed.

・改質特性(水素増幅率=改質ガス中水素流量/原料ガス中水素流量)
通気開始直後: 3.5
第1回昇降時: 2.5(直前) → 2.3(直後)
第2回昇降時: 1.8(直前) → 1.7(直後)
このとおり、触媒層アスペクト比が3.3(2より大きい)の本実施例では、触媒層の昇降による改質特性の回復効果は限定的であることがわかった。
・ Reforming characteristics (hydrogen amplification rate = hydrogen flow rate in reformed gas / hydrogen flow rate in feed gas)
Immediately after the start of ventilation: 3.5
During the first lift: 2.5 (immediately before) → 2.3 (immediately after)
During the 2nd lift: 1.8 (immediately before) → 1.7 (immediately after)
As described above, it was found that in this example having a catalyst layer aspect ratio of 3.3 (greater than 2), the effect of recovering the reforming characteristics by raising and lowering the catalyst layer is limited.

試験終了後に、装置を分解して内部を調査した結果、保持器底板上に40gの固体カーボンが堆積していたが、保持器表面には薄い固体カーボン膜を生じたのみであり、バルク状の固体カーボンのピンへの付着は一切なく、保持器の通気抵抗は、設置時と同一であった。   After the test, the device was disassembled and the inside was examined. As a result, 40 g of solid carbon was deposited on the cage bottom plate, but only a thin solid carbon film was formed on the cage surface. There was no adhesion of solid carbon to the pins, and the ventilation resistance of the cage was the same as at the time of installation.

[比較例]
実施例1の駆動機構のない(触媒保持器は固定)触媒反応容器を用い、触媒反応容器外壁を定期的に錘で打撃する槌打装置を用いた装置で試験した。
槌打装置の操作タイミングは、石炭乾留ガスの通気を開始してから3時間後及び3.5時間後に、それぞれ第1回及び第2回の槌打を、各10回実施した。
これ以外の条件は、実施例1と同じであった。
[Comparative example]
A catalyst reaction vessel without a driving mechanism (the catalyst holder is fixed) in Example 1 was used, and the test was carried out with an apparatus using a striking device that periodically hits the outer wall of the catalyst reaction vessel with a weight.
As for the operation timing of the striker, the first and second strikes were carried out 10 times each 3 hours and 3.5 hours after the start of the aeration of the coal dry distillation gas.
The other conditions were the same as in Example 1.

(結果)
試験結果は、次のとおりであった。
・通気性(圧力損失)
通気開始直後: 0.1kPa
第1回槌打時: 4kPa(直前) → 2.5kPa(直後)
第2回槌打時: 4kPa(直前) → 4kPa(直後)
このとおり、槌打による通気性の回復は、2回目で効果が認められず、1回目の効果も実施例1に比べて小さかった。圧力損失が低下しなかったので閉塞と判断し、通気開始後4時間時点で通気を中止した。
(result)
The test results were as follows.
・ Breathability (pressure loss)
Immediately after the start of ventilation: 0.1 kPa
First strike: 4 kPa (immediately before) → 2.5 kPa (immediately after)
During the second strike: 4 kPa (immediately before) → 4 kPa (immediately after)
As described above, the effect of restoring the air permeability by the hitting was not recognized at the second time, and the effect at the first time was smaller than that of Example 1. Since the pressure loss did not decrease, it was judged as a blockage, and aeration was stopped at 4 hours after the start of aeration.

[実施例2]
触媒層高さを150mm、触媒量を2.5kgとし、原料ガス(石炭乾留ガス)/触媒体積比を実施例1と同じにしたこと、駆動装置を、次の条件、すなわち
・駆動装置昇降ストローク: 20mm
・駆動装置上昇速度: 2mm/秒
・駆動装置下降速度: 10mm/秒
とし、操作タイミングを、石炭乾留ガスの通気を開始してから3時間後及び5時間後に、それぞれ第1回及び第2回の昇降を、各2往復実施したこと以外は、実施例1と同様に試験を行った。
[Example 2]
The catalyst layer height was 150 mm, the catalyst amount was 2.5 kg, the raw material gas (coal dry distillation gas) / catalyst volume ratio was the same as in Example 1, and the drive device had the following conditions: : 20mm
・ Drive device ascending speed: 2 mm / sec ・ Drive device descending speed: 10 mm / sec, and the operation timing is 1st and 2nd, respectively, 3 hours and 5 hours after the start of aeration of coal dry distillation gas The test was carried out in the same manner as in Example 1 except that the lifting and lowering were performed two reciprocations each.

(結果)
試験結果は、次のとおりであった。
・通気性(圧力損失)
通気開始直後: 0.1kPa
第1回昇降時: 4kPa(直前) → 0.25kPa(直後)
第2回昇降時: 4kPa(直前) → 0.6kPa(直後)
このとおり、触媒層の昇降による通気性の回復が認められた。
(result)
The test results were as follows.
・ Breathability (pressure loss)
Immediately after the start of ventilation: 0.1 kPa
During the first lift: 4 kPa (immediately before) → 0.25 kPa (immediately after)
During the second lift: 4 kPa (immediately before) → 0.6 kPa (immediately after)
As described above, recovery of air permeability by raising and lowering the catalyst layer was observed.

・改質特性(水素増幅率=改質ガス中水素流量/原料ガス中水素流量)
通気開始直後: 3.3
第1回昇降時: 2.4(直前) → 2.8(直後)
第2回昇降時: 1.4(直前) → 2.0(直後)
このとおり、触媒層アスペクト比が1.25(2より小さい)の本実施例では、昇降操作によって触媒改質性能の回復が認められた。これは、触媒層の触媒全体を撹拌できた効果であると言える。
・ Reforming characteristics (hydrogen amplification rate = hydrogen flow rate in reformed gas / hydrogen flow rate in feed gas)
Immediately after the start of ventilation: 3.3
During the first lift: 2.4 (immediately before) → 2.8 (immediately after)
During the 2nd lift: 1.4 (immediately before) → 2.0 (immediately after)
As described above, in this example having a catalyst layer aspect ratio of 1.25 (less than 2), recovery of the catalyst reforming performance was recognized by the lifting operation. This can be said to be the effect that the whole catalyst of the catalyst layer could be stirred.

試験終了後に、保持器底板上に70gの固体カーボンが堆積していたが、保持器表面には薄い固体カーボン膜を生じたのみであり、バルク状の固体カーボンのピンへの付着は一切なく、保持器の通気抵抗は、設置時と同一であった。   After the test, 70 g of solid carbon was deposited on the cage bottom plate, but only a thin solid carbon film was formed on the cage surface, and there was no adhesion of bulk solid carbon to the pins. The airflow resistance of the cage was the same as when installed.

[参考例1]
硝酸ニッケル、硝酸セリウム、硝酸酸化ジルコニウム、硝酸マグネシウムを各金属元素のモル比が1:1:1:7になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケル、セリウム、ジルコニウム、及びマグネシウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。
[Reference Example 1]
To the one prepared by precisely weighing nickel nitrate, cerium nitrate, zirconium nitrate oxide and magnesium nitrate so that the molar ratio of each metal element is 1: 1: 1: 7, and preparing a mixed aqueous solution by heating at 60 ° C., A potassium carbonate aqueous solution heated to 60 ° C. was added to coprecipitate nickel, cerium, zirconium, and magnesium as hydroxides, and the mixture was sufficiently stirred with a stirrer.

その後、60℃に保持したまま一定時間攪拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で十分に洗浄を行った。洗浄後に得られた沈殿物を120℃で乾燥し粗粉砕した後、空気中600℃でか焼したものを解砕した後にビーカーに入れ、アルミナゾルを加えて攪拌羽根を取り付けた混合器で十分混合したものを、なすフラスコに移してロータリーエバポレーターに取り付け、攪拌しながら吸引することで、水分を蒸発させた。なすフラスコ壁面に付着したニッケルとマグネシウムとアルミナの化合物を蒸発皿に移して120℃で乾燥、600℃でか焼後、圧縮成形器を用いて粉末を3mmφの錠剤状にプレス成型し、錠剤成型体を得た。その成型体を空気中950℃で焼成を行い、Ni0.1Ce0.1Zr0.1Mg0.7Oにアルミナが50質量%混合した触媒成型体を調製した。 Thereafter, the mixture was aged for a certain period of time while being kept at 60 ° C., and then subjected to suction filtration and sufficiently washed with pure water at 80 ° C. The precipitate obtained after washing is dried at 120 ° C and coarsely pulverized, then the material calcined at 600 ° C in the air is crushed and then placed in a beaker, mixed with alumina sol and thoroughly mixed in a mixer equipped with stirring blades The product was transferred to a flask made of eggplant, attached to a rotary evaporator, and sucked with stirring to evaporate water. The nickel, magnesium, and alumina compounds attached to the flask wall are transferred to an evaporating dish, dried at 120 ° C, calcined at 600 ° C, and then pressed into 3mmφ tablets using a compression molding machine. Got the body. The molded body was fired in air at 950 ° C. to prepare a catalyst molded body in which 50% by mass of alumina was mixed with Ni 0.1 Ce 0.1 Zr 0.1 Mg 0.7 O.

その成型体の成分をICP分析で確認した結果、所望の成分であることを確認した。また、本調製品をXRD測定した結果、NiMgO、MgAl24、CexZr1-x2相からなることが判明し、各々の結晶子の大きさは、14nm、11nm、22nmであった。 As a result of confirming the component of the molded body by ICP analysis, it was confirmed to be a desired component. As a result of this preparation was subjected to XRD measurement, NiMgO, proved to consist of MgAl 2 O 4, Ce x Zr 1-x O 2 phases, the size of each crystallite, 14 nm, 11 nm, 22 nm met It was.

この触媒をSUS製反応管の中央に位置するよう石英ウールで固定し、触媒層中央位置に熱電対を挿入し、これら固定床反応管を所定の位置にセットした。   This catalyst was fixed with quartz wool so as to be located at the center of the reaction tube made of SUS, a thermocouple was inserted at the center position of the catalyst layer, and these fixed bed reaction tubes were set at predetermined positions.

改質反応を始める前に、まず反応容器を窒素雰囲気下で800℃まで昇温した後、水素ガスを100mL/min流しながら30分間還元処理を行った。その後、コークス炉ガス(粗ガス)の模擬ガス(水素:窒素=1:1、H2Sを2000ppm含有、トータル流量125mL/min)を調製して反応容器に導入するとともに、石炭乾留時発生タールの模擬物質として、タール中にも実際に含まれ且つ常温で粘度の低い液体物質である1−メチルナフタレンを代表物質として、0.025g/minの流量で反応容器へ導入し、常圧下で反応させた。 Before starting the reforming reaction, the reaction vessel was first heated to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then reduced for 30 minutes while flowing hydrogen gas at 100 mL / min. Then, a simulated gas (hydrogen: nitrogen = 1: 1, containing 2000 ppm of H 2 S, total flow rate 125 mL / min) of coke oven gas (crude gas) is prepared and introduced into the reaction vessel, and tar generated during coal dry distillation As a representative substance, 1-methylnaphthalene, which is a liquid substance that is actually contained in tar and has a low viscosity at room temperature, is introduced into a reaction vessel at a flow rate of 0.025 g / min as a representative substance, and reacted under normal pressure. I let you.

試験終了後に触媒を回収して観察した結果、触媒間に大量のバルク状カーボンが堆積していた。この触媒および堆積物を篩分けしたところ、触媒表面のバルク状固体カーボンは、数回の軽微な振動で大半が触媒表面から離脱し篩の目を通過して落下した。   As a result of collecting and observing the catalyst after the test was completed, a large amount of bulk carbon was deposited between the catalysts. As a result of sieving the catalyst and the deposit, most of the bulk solid carbon on the catalyst surface was detached from the catalyst surface by several slight vibrations and dropped through the sieve eyes.

従って、本触媒を用いた場合、触媒間に堆積した固体カーボンの大半は、わずかな触媒撹拌で触媒間を通過して落下することがわかった。この結果から、本触媒を用いた改質反応において、実施例1や2の装置を用いれば、触媒層保持部での生成物の付着・閉塞を大幅に回避できると考えられる。   Therefore, when this catalyst was used, it turned out that most of the solid carbon deposited between the catalysts passes between the catalysts and falls with slight catalyst stirring. From this result, it is considered that, in the reforming reaction using the present catalyst, if the apparatus of Example 1 or 2 is used, the adhesion / clogging of the product at the catalyst layer holding part can be largely avoided.

[参考例2]
ニッケル、マグネシウム、ナトリウムの原子量%がそれぞれ10%、80%、10%になるように精秤して、60℃の加温で混合水溶液を調製したものに、60℃に加温した炭酸カリウム水溶液を加えて、ニッケルとマグネシウムとナトリウムを水酸化物として共沈させ、スターラーで十分に攪拌した。その後、60℃に保持したまま一定時間攪拌を続けて熟成を行った後、吸引ろ過を行い、80℃の純水で十分に洗浄を行った。
[Reference Example 2]
A potassium carbonate aqueous solution heated to 60 ° C. was prepared by accurately weighing the atomic weight% of nickel, magnesium and sodium to 10%, 80% and 10%, respectively, and preparing a mixed aqueous solution by heating at 60 ° C. Was added, nickel, magnesium and sodium were coprecipitated as hydroxides and stirred well with a stirrer. Thereafter, the mixture was aged for a certain period of time while being kept at 60 ° C., and then subjected to suction filtration and sufficiently washed with pure water at 80 ° C.

洗浄後に得られた沈殿物を120℃で乾燥し粗粉砕した後、空気中600℃で焼成(か焼)したものを解砕し、その後、粉末を圧縮成形器を用いて3mmφの錠剤状にプレス成型し、錠剤成型体を得た。その成型体を空気中950℃で焼成を行い、Ni0.10.1Mg0.8Oの触媒成型体を調製した。 The precipitate obtained after washing is dried at 120 ° C. and coarsely pulverized, and then baked (calcinated) at 600 ° C. in the air, and then pulverized into a 3 mmφ tablet using a compression molding machine. Press molding was performed to obtain a tablet molding. The molded body was fired in air at 950 ° C. to prepare a Ni 0.1 M 0.1 Mg 0.8 O catalyst molded body.

この触媒をSUS製反応管の中央に位置するよう石英ウールで固定し、触媒層中央位置に熱電対を挿入し、これら固定床反応管を所定の位置にセットした。   This catalyst was fixed with quartz wool so as to be located at the center of the reaction tube made of SUS, a thermocouple was inserted at the center position of the catalyst layer, and these fixed bed reaction tubes were set at predetermined positions.

改質反応を始める前に、反応容器を窒素雰囲気下で800℃まで昇温した後、水素ガスを100mL/min流しながら30分間還元処理を行った。その後、コークス炉ガス(粗ガス)の模擬ガス(水素:窒素=1:1、H2Sを2000ppm含有、トータル流量125mL/min)を調製して反応容器に導入するとともに、石炭乾留時発生タールの模擬物質として、タール中にも実際に含まれかつ常温で粘度の低い液体物質である1−メチルナフタレンを代表物質として、0.025g/minの流量で反応容器へ導入し、常圧下で反応させた。 Before starting the reforming reaction, the temperature of the reaction vessel was raised to 800 ° C. in a nitrogen atmosphere, and then reduction treatment was performed for 30 minutes while flowing hydrogen gas at 100 mL / min. Then, a simulated gas (hydrogen: nitrogen = 1: 1, containing 2000 ppm of H 2 S, total flow rate 125 mL / min) of coke oven gas (crude gas) is prepared and introduced into the reaction vessel, and tar generated during coal dry distillation As a representative substance, 1-methylnaphthalene, which is a liquid substance that is actually contained in tar and has a low viscosity at room temperature, is introduced into a reaction vessel at a flow rate of 0.025 g / min as a representative substance, and the reaction is performed under normal pressure. I let you.

試験終了後に触媒を回収して観察した結果、触媒間に大量のバルク状カーボンが堆積していた。この触媒および生成物を篩分けしたところ、触媒表面のバルク状固体カーボンは、数回の振動で大半が触媒表面から離脱し篩の目を通過して落下した。   As a result of collecting and observing the catalyst after the test was completed, a large amount of bulk carbon was deposited between the catalysts. As a result of sieving the catalyst and the product, most of the bulk solid carbon on the catalyst surface was detached from the catalyst surface by several vibrations and dropped through the sieve mesh.

従って、本触媒を用いた場合、触媒間に堆積した固体カーボンの大半は、わずかな触媒撹拌で触媒間を通過して落下することがわかった。この結果から、本触媒を用いた改質反応において、実施例1や2の装置を用いれば、触媒層保持部での生成物の付着・閉塞を大幅に回避できると考えられる。   Therefore, when this catalyst was used, it turned out that most of the solid carbon deposited between the catalysts passes between the catalysts and falls with slight catalyst stirring. From this result, it is considered that, in the reforming reaction using the present catalyst, if the apparatus of Example 1 or 2 is used, the adhesion / clogging of the product at the catalyst layer holding part can be largely avoided.

10 連続式固定床触媒反応装置
11 反応容器
12、12’ 触媒保持器
13 触媒層
14 原料ガス
15 改質ガス
16 原料ガス流入路
17 改質ガス流出路
18 棒
19 固定具
20 駆動機構
21 昇降装置
22 伝導軸
25 ピン
26 底板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Continuous type fixed bed catalyst reaction apparatus 11 Reaction container 12, 12 'Catalyst holder 13 Catalyst layer 14 Raw material gas 15 Reformed gas 16 Raw material gas inflow path 17 Reformed gas outflow path 18 Bar 19 Fixing device 20 Drive mechanism 21 Lifting device 22 Conduction shaft 25 pin 26 Bottom plate

Claims (9)

触媒反応用の原料ガスの流入路及び改質ガスの流出路と、
流入路及び流出路に接続された触媒反応容器であり、反応容器内壁に接して塊状触媒の触媒層を収容する触媒反応容器と、
流体の通過を可能にする通気性を有するとともに触媒層を保持する触媒保持器と、
を有する連続式固定床触媒反応装置であって、触媒保持器を昇降させることにより触媒層を昇降させるための駆動機構を具備すること
前記原料ガスが炭化水素を含有するガスであり、触媒反応による生成物がガスと固体の炭化水素または固体のカーボンとであることを特徴とする、連続式固定床触媒反応装置。
A source gas inflow path and a reformed gas outflow path for catalytic reaction;
A catalytic reaction vessel connected to the inflow path and the outflow path, and in contact with the inner wall of the reaction container, the catalytic reaction container containing the catalyst layer of the bulk catalyst;
A catalyst holder that has air permeability that allows fluid to pass through and that holds the catalyst layer;
A continuous fixed bed catalyst reaction apparatus having a drive mechanism for raising and lowering the catalyst layer by raising and lowering the catalyst holder ,
A continuous fixed bed catalytic reactor characterized in that the raw material gas is a gas containing hydrocarbon, and the product of catalytic reaction is a gas and solid hydrocarbon or solid carbon .
前記触媒層の高さが、触媒反応容器の厚みの2倍以下であり、かつ、塊状触媒外面の代表長さの最大値の3倍以上であることを特徴とする、請求項1に記載の連続式固定床触媒反応装置。   The height of the catalyst layer is not more than twice the thickness of the catalyst reaction vessel and not less than three times the maximum value of the representative length of the bulk catalyst outer surface. Continuous fixed bed catalytic reactor. 前記駆動機構の下降時の速度が上昇時の速度よりも速いことを特徴とする、請求項1又は2に記載の連続式固定床触媒反応装置。   The continuous fixed-bed catalytic reactor according to claim 1 or 2, wherein a speed when the drive mechanism is lowered is faster than a speed when the drive mechanism is raised. 前記触媒保持器として、前記塊状触媒を略平行に配置されたピンの先端部で保持し、前記原料ガスが当該ピンの間の空間を流通できる構造を有する触媒保持器を用いることを特徴とする、請求項1から3のいずれか1項に記載の連続式固定床触媒反応装置。 As the catalyst holder, a catalyst holder having a structure in which the bulk catalyst is held at a tip portion of pins arranged substantially in parallel and the source gas can flow through the space between the pins is used. The continuous fixed bed catalytic reactor according to any one of claims 1 to 3. 前記原料ガスがタールを含有するガスであることを特徴とする、請求項1から4のいずれか1項に記載の連続式固定床触媒反応装置。 The continuous fixed bed catalytic reactor according to any one of claims 1 to 4, wherein the raw material gas is a gas containing tar. 前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、アルミニウムを含む複合酸化物であって、アルミナを含まない複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl24、CeO2の結晶相からなることを特徴とする、請求項に記載の連続式固定床触媒反応装置。 The catalyst is a composite oxide containing nickel, magnesium, cerium, and aluminum, and is a composite oxide not containing alumina. The composite oxide is a crystal of NiMgO, MgAl 2 O 4 , or CeO 2 . The continuous fixed bed catalytic reactor according to claim 5 , comprising a phase. 前記触媒が、ニッケル、マグネシウム、セリウム、ジルコニウム、アルミニウムを含む複合酸化物からなる触媒であり、前記複合酸化物が、NiMgO、MgAl24、CexZr1-x2(0<x<1)の結晶相を含むことを特徴とする、請求項に記載の連続式固定床触媒反応装置。 Wherein the catalyst is a catalyst comprising a composite oxide containing nickel, magnesium, cerium, zirconium, aluminum, the complex oxide, NiMgO, MgAl 2 O 4, Ce x Zr 1-x O 2 (0 <x < The continuous fixed bed catalytic reactor according to claim 5 , comprising the crystal phase of 1). 前記触媒が、
aM・bNi・cMg・dOで表わされる複合酸化物であるタール含有ガスの改質用触媒であって、
a、b、及びcは、a+b+c=1、0.02≦a≦0.98、0.01≦b≦0.97、かつ、0.01≦c≦0.97を満たし、
dは、酸素と陽性元素が電気的に中立となる値であり、
Mは、Ti、Zr、Ca、W、Mn、Zn、Sr、Ba、Ta、Co、Mo、Re、白金、ルニウム、パラジウム、ロジウム、Li、Na、K、Fe、Cu、Cr、La、Pr、Ndから選ばれる少なくとも1種類の元素であり、
前記複合酸化物に、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる少なくとも1種類の酸化物を加え、シリカ、アルミナ、ゼオライトから選ばれる前記酸化物の含有量が、前記複合酸化物に対し1〜90質量%である、
ことを特徴とする、請求項に記載の連続式固定床触媒反応装置。
The catalyst is
A tar-containing gas reforming catalyst which is a composite oxide represented by aM · bNi · cMg · dO,
a, b, and c satisfy a + b + c = 1, 0.02 ≦ a ≦ 0.98, 0.01 ≦ b ≦ 0.97, and 0.01 ≦ c ≦ 0.97,
d is a value at which oxygen and positive elements are electrically neutral;
M is Ti, Zr, Ca, W, Mn, Zn, Sr, Ba, Ta, Co, Mo, Re, platinum, runium, palladium, rhodium, Li, Na, K, Fe, Cu, Cr, La, Pr , At least one element selected from Nd,
At least one oxide selected from silica, alumina, and zeolite is added to the composite oxide, and the content of the oxide selected from silica, alumina, and zeolite is 1 to 90% by mass with respect to the composite oxide. Is,
The continuous fixed bed catalytic reactor according to claim 5 , wherein
請求項1からのいずれか1項に記載の連続式固定床触媒反応装置を用いて、触媒反応を行うことを特徴とする、連続式固定床触媒反応方法。 A continuous fixed-bed catalytic reaction method, wherein the catalytic reaction is carried out using the continuous fixed-bed catalytic reactor according to any one of claims 1 to 8 .
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