JP7126469B2 - 改質炉 - Google Patents

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Description

本発明は、天井壁と底壁との間に円筒状の側壁が配置された炉本体における前記天井壁の中央箇所に、下向きに燃焼するバーナが設けられ、
前記バーナの周囲に、原料ガスとしての炭化水素系ガスを水蒸気改質処理する改質反応管が前記天井壁から垂下する姿勢で設けられ、
前記側壁の上方側箇所に、前記バーナの燃焼ガスを排出する排出部が開口されている改質炉に関する。
かかる改質炉は、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスを、水蒸気を混合させた状態で、改質反応管に供給することにより、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスに改質反応処理するために使用されることになる。
このような改質炉の従来例として、炉本体の側壁が外部に露出する形態に構成されたものがある（例えば、特許文献１参照。）。
ちなみに、特許文献１には記載されていないが、従来では、炉本体の排出部から排出される燃焼ガスにて加熱される水蒸気生成用熱交換器を設けて、当該水蒸気生成用熱交換器に対して純水を供給して水蒸気を生成すること、又は、当該水蒸気生成用熱交換器に対して原料ガスと純水を供給して水蒸気と原料ガスの混合ガスを生成することにより、燃焼ガスの排熱を回収することが行われている。
特開平５－３０１７０１号公報
従来の改質炉においては、水蒸気生成用熱交換器を設けて、炉本体の排出部から排出される燃焼ガスの熱を回収した水蒸気又は混合ガスを改質反応管に供給することにより、改質反応管の内部の触媒を適正な反応温度（例えば、６５０℃）に維持するために必要なバーナの燃焼量の低下を図ることができるものである。
しかしながら、従来の改質炉においては、炉本体の内部の熱が、外部に露出する状態になっている側壁を通して外部に放出され易いことに起因して、改質反応管の内部の触媒を適正な反応温度（例えば、６５０℃）に維持するためのバーナの燃焼量の低下を十分に図ることができない不都合があった。
また、従来では、水蒸気生成用熱交換器が、炉本体とは別に設けられるため、水蒸気生成用熱交換器と炉本体とをコンパクトに配置し難い不都合があった。
本発明は、上記実状に鑑みて為されたものであって、その目的は、改質反応管の内部の触媒を適正な反応温度に維持しながらもバーナの燃焼量の低下を十分に図ることができ、しかも、蒸気生成用熱交換器と炉本体とをコンパクトに配置することができる改質炉を提供する点にある。
本発明の改質炉は、天井壁と底壁との間に円筒状の側壁が配置された炉本体における前記天井壁の中央箇所に、下向きに燃焼するバーナが設けられ、
前記バーナの周囲に、原料ガスとしての炭化水素系ガスを水蒸気改質処理する改質反応管が前記天井壁から垂下する姿勢で設けられ、
前記側壁の上方側箇所に、前記バーナの燃焼ガスを排出する排出部が開口されているものであって、その特徴構成は、
円筒状の外方壁が、前記側壁の外方側箇所に、前記天井壁と前記底壁との間に配置される状態で設けられ、
前記側壁と前記外方壁との間の外部空間に、前記改質反応管の上部に供給する水蒸気又は原料ガスと水蒸気の混合ガスを生成する水蒸気生成用熱交換器が配置され、
前記外方壁の下方側箇所に、前記排出部から前記外部空間を通して流動する前記燃焼ガスを排出する外部排出口が設けられている点にある。
すなわち、炉本体の側壁の外方側箇所に、円筒状の外方壁が、天井壁と底壁との間に配置される状態で設けられて、排出部から排出される燃焼ガスが、側壁と外方壁との間の外部空間を通して流動して、外方壁の下方側箇所の外部排出口から外部に排出されることになるから、炉本体の側壁の外方側箇所を外方壁にて覆うこと、および、側壁と外方壁との間の外部空間を通して燃焼ガスが流動することにより、バーナの燃焼により発生する熱が、炉本体の外部に逃げることを抑制する断熱性を向上させることができることになり、その結果、改質反応管の内部の触媒を適正な反応温度に維持しながらもバーナの燃焼量の低下を十分に図ることができる。
しかも、側壁と外方壁との間の燃焼ガスが流動する外部空間に、水蒸気生成用熱交換器を配置するものであるから、水蒸気生成用熱交換器を炉本体とは別の箇所に配置する場合に較べて、水蒸気生成用熱交換器と炉本体とをコンパクトに配置することができる。
要するに、本発明の改質炉の特徴構成によれば、改質反応管の内部の触媒を適正な反応温度に維持しながらもバーナの燃焼量の低下を十分に図ることができ、しかも、蒸気生成用熱交換器と炉本体とをコンパクトに配置することができる。
本発明の改質炉の更なる特徴構成は、前記水蒸気生成用熱交換器が、前記側壁の外周に沿って伝熱用管を螺旋状に配置する形態に構成されている点にある。
すなわち、水蒸気生成用熱交換器が、炉本体の側壁の外周に沿って螺旋状に配置された伝熱用管を通して、純水又は原料ガスと純水とを流動させることによって、水蒸気又は原料ガスと水蒸気との混合ガスを生成することになる。
そして、炉本体の側壁の外周に沿って螺旋状に配置された伝熱用管は、純水又は原料ガスと純水とを流動させる経路長さを十分に大きくできるものであるから、純水又は原料ガスと純水とを流動させながら十分に加熱することができ、その結果、水蒸気又は原料ガスと水蒸気との混合ガスを適切に生成することができる。
要するに、本発明の改質炉の特徴構成によれば、水蒸気又は原料ガスと水蒸気との混合ガスを適切に生成することができる。
本発明の改質炉の更なる特徴構成は、前記改質反応管が、底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ前記外管と前記内管との間に触媒が充填された複数の反応管部を、前記バーナの周囲に沿って間隔を隔てて並べる形態に構成されている点にある。
すなわち、改質反応管が、複数の反応管部をバーナの周囲に沿って間隔を隔てて並べる形態に構成されるものであるから、バーナの燃焼ガスが、隣接する反応管部の間や反応管部の底部と炉本体の底壁との間を通して流動しながら、複数の反応管部を燃焼ガスにて良好に加熱できる。
また、複数の反応管部が、底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ外管と内管との間に触媒が充填される状態に構成されるものであるから、原料ガスと水蒸気とを、外管と内管との間を通して流動させ、その後、内管の内部を通して流動させながら、水蒸気改質処理することができるものになる。
そして、触媒が外管と内管との間に充填されるものであるから、隣接する反応管部の間や反応管部の底部と炉本体の底壁との間を通して流動する形態で外管の外周側を流動する燃焼ガスにて触媒を良好に加熱することができる。
要するに、本発明の改質炉の更なる特徴構成によれば、バーナの燃焼ガスにて改質反応管の触媒を良好に加熱できる。
本発明の改質炉の更なる特徴構成は、前記外部空間における前記水蒸気生成用熱交換器と前記外方壁との間に、前記バーナに供給する空気を予熱する空気予熱用熱交換器が設けられている点にある。
すなわち、バーナに供給する空気を予熱する空気予熱用熱交換器が、外方壁と側壁との間の外部空間における水蒸気生成用熱交換器と外方壁との間に設けられているから、バーナの燃焼ガスにて空気予熱用熱交換器を加熱することにより、燃焼ガスの熱を炉本体の内部に回収することができる。
つまり、バーナの燃焼ガスにて空気予熱用熱交換器を加熱することにより、燃焼用の空気を用いて燃焼ガスの熱を炉本体の内部に回収することができることになるから、燃焼ガスの熱回収量の増加により、バーナの燃焼量の一層の低下を図ることができる。
要するに、本発明の改質炉の更なる特徴構成によれば、バーナの燃焼量の一層の低下を図ることができる。
本発明の改質炉の更なる特徴構成は、前記空気予熱用熱交換器が、円筒状の内壁と円筒状の外壁との間で空気を流動させる円筒状に構成され、
前記空気予熱用熱交換器の下方側箇所に、空気導入部が設けられ、
前記空気予熱用熱交換器の上方側箇所と前記バーナとを接続する複数の空気供給管が、前記バーナの周囲に沿って放射状に配置される状態で、前記天井壁の内部に設けられている点にある。
すなわち、空気予熱用熱交換器が、円筒状の内壁と円筒状の外壁との間で空気を流動させる円筒状に構成されているから、この空気予熱用熱交換器が、外方壁の内面を覆う断熱体として機能することになり、バーナの燃焼により発生する熱が炉本体の外部に逃げることを抑制する断熱性を一層向上させることができる。
また、空気予熱用熱交換器の下方側箇所に設けた空気導入部から導入された空気が、空気予熱用熱交換器の上方側箇所とバーナとを接続する複数の空気供給管を通してバーナに流動することになり、そして、複数の空気供給管が、バーナの周囲に沿って放射状に配置される状態で、天井壁の内部に設けられているから、天井壁を断熱体として利用しながら、空気供給管を通して流動する空気の冷却を抑制できるため、空気予熱用熱交換器にて加熱された空気を温度の低下を抑制しながらバーナに適切に供給できる。
要するに、本発明の改質炉の更なる特徴構成によれば、バーナの燃焼により発生する熱が炉本体の外部に逃げることを抑制する断熱性を一層向上させることができ、しかも、空気予熱用熱交換器にて加熱された空気を温度の低下を抑制しながらバーナに適切に供給できる。
改質炉を示す縦断正面図である。 改質炉における空気供給管の配置構成を示す平面図である。 反応管を示す一部省略縦断正面図である。
〔実施形態〕
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（改質装置の全体構成）
図１に示すように、改質炉は、天然ガスやナフサ等の炭化水素系ガスである原料ガスＧを水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスＫに改質するものであって、改質反応管１及び当該改質反応管１を加熱するバーナＢを備える炉本体Ｈが設けられている。
炉本体Ｈが、天井壁２Ｕと、底壁２Ｄと、天井壁２Ｕと底壁２Ｄとの間に配置される円筒状の側壁２Ｓを備える形態に構成されている。
そして、炉本体Ｈにおける天井壁２Ｕの中央箇所に、バーナＢが下向きに燃焼する形態に設けられ、側壁２Ｓの上方側箇所に、バーナＢの燃焼ガスを排出する排出部２Ｅが開口されている。
改質反応管１を構成する複数の反応管部Ａが、バーナＢの周囲に、炉本体Ｈの天井壁２Ｕから垂下する姿勢で設けられている。
つまり、図１及び図２に示すように、改質反応管１が、炉本体Ｈの天井壁２Ｕから垂下する姿勢で設けられる複数の反応管部Ａを、バーナＢの周囲に沿って間隔を隔てて並べる形態に構成されている。
尚、本実施形態においては、複数の反応管部Ａとして、４つの反応管部Ａを設ける場合を例示するが、３つや５つ以上の反応管部Ａを設ける形態で実施してもよい。
また、図１に示すように、円筒状の外方壁２Ｇが、炉本体Ｈの側壁２Ｓの外方側箇所に、天井壁２Ｕと底壁２Ｄとの間に配置される状態で設けられている。
そして、側壁２Ｓと外方壁２Ｇとの間の外部空間Ｆに、改質反応管の上部に供給する水蒸気を生成する水蒸気生成用熱交換器Ｊが配置され、また、外方壁２Ｇの下方側箇所に、排出部２Ｅから外部空間Ｆを通して流動する燃焼ガスを排出する外部排出口２Ｚが設けられている。
さらに、図１に示すように、外部空間Ｆにおける水蒸気生成用熱交換器Ｊと外方壁２Ｇとの間に、バーナＢに供給する空気を予熱する空気予熱用熱交換器Ｎが設けられている。
（反応管部の詳細）
反応管部Ａは、図３に示すように、底部が閉塞された外管３と、当該外管３の内部に配置される内管４とを備え、内管４が、底部を開口する状態に形成され、外管３と内管４との間に、粒状の触媒Ｓが、充填部を形成する状態で配置されている。
外管３の上端側部分が、炉本体Ｈの天井壁２Ｕを貫通する状態で当該天井壁２Ｕに支持され、内管４の上端側部分が、外管３の管上壁３ｕを貫通する状態で、当該管上壁３ｕに支持されている。
尚、外管３と内管４との間には、触媒Ｓを受止め支持する多孔体Ｔが、内管４の下端部に支持される状態で設けられている。
外管３における天井壁２Ｕから上方に突出する部分には、原料ガスＧを導入する原料ガス管５が接続され、内管４における外管３の管上壁３ｕから突出する部分には、改質ガスＫを案内する改質ガス案内管６が接続されている。
尚、図示は省略するが、原料ガス管５は、複数（４つ）の反応管部Ａの夫々の外管３に向けて分岐する状態で設けられることになる。
同様に、改質ガス案内管６は、複数（４つ）の反応管部Ａの夫々の内管４に向けて分岐する状態で設けられることになる。
ちなみに、原料ガス管５には、後述の如く、水蒸気生成用熱交換器Ｊにて生成された水蒸気が供給されることになり、原料ガス管５を通して、原料ガスＧと水蒸気とが混合された状態で外管３に供給されることになる。
反応管部Ａは、バーナＢにて改質反応用の目標温度に加熱されることによって、外管３が高温（例えば、平均温度が８００℃程度）に加熱され、それに伴って、触媒Ｓや内管４が、外管３よりも低い温度（例えば、平均温度が６５０℃程度）に加熱されことになる。
そして、原料ガス管５から導入される水蒸気を混合した原料ガスＧが、外管３と内管４との間の触媒Ｓの充填部を通して下方に向けて流動することにより、水蒸気改質処理により水素成分が多い改質ガスＫに改質され、改質ガスＫが内管４の内部を通して上方に流動した後、改質ガス案内管６を通して排出されるように構成されている。
尚、改質ガス案内管６を通して排出される改質ガスＫは、詳細な説明は省略するが、ＣＯ変成器に搬送されて、改質ガスＫに含まれている一酸化炭素をＣＯ変成器にて二酸化炭素に変成処理した後、例えば、圧力変動吸着装置（ＰＳＡ）に供給されて、水素成分が高い製品ガスに生成されることになる。
（水蒸気生成用熱交換器の詳細）
水蒸気生成用熱交換器Ｊは、図１に示すように、炉本体Ｈの側壁２Ｓの外周に沿って伝熱用管７を螺旋状に配置する形態に構成されている。
つまり、伝熱用管７の下端部に、純水Ｗが供給される純水導入管部７ａが形成され、伝熱用管７の上端部に、水蒸気を原料ガス管５に供給する水蒸気排出管部７ｂが形成されている。
したがって、水蒸気生成用熱交換器Ｊは、純水導入管部７ａに供給された純水Ｗを、外部空間Ｆを流動する燃焼ガスにて加熱される伝熱用管７にて加熱される伝熱用管７の内部を通して流動させることにより、水蒸気を生成するように構成され、そして、生成した水蒸気を水蒸気排出管部７ｂより原料ガス管５に供給するように構成されている。
（空気予熱用熱交換器の詳細）
空気予熱用熱交換器Ｎは、図１及び図２に示すように、円筒状の内壁８ｎと円筒状の外壁８ｇとの間で空気を流動させる円筒状に構成されている。
そして、空気予熱用熱交換器Ｎの下方側箇所に、空気導入部８ｄが設けられている。
空気予熱用熱交換器Ｎの上方側箇所とバーナＢとを接続する複数の空気供給管９が、バーナの周囲に沿って放射状に配置される状態で、炉本体Ｈの天井壁２Ｕの内部に設けられている。
したがって、空気予熱用熱交換器Ｎは、空気導入部８ｄに供給された燃焼用空気Ｒを、外部空間Ｆを流動する燃焼ガスにて加熱される内壁８ｎと外壁８ｇとの間を通して流動させることにより、高温状態に加熱するように構成され、そして、空気供給管９を通して高温に加熱された空気をバーナＢに供給するように構成されている。
ちなみに、バーナＢの詳細な構成は省略するが、バーナＢには、空気供給管９が接続されることに加えて、燃料ガスＭを供給する燃料ガス管１０が接続され、燃料ガス管１０にて供給される燃料ガスＭを、空気供給管９を通して供給される燃焼用空気にて燃焼させるように構成されている。
〔別実施形態〕
次に、別実施形態を列記する。
（１）上記実施形態においては、改質反応管１が、複数の反応管部ＡをバーナＢの周囲に沿って間隔を隔てて並ぶ状態に構成される場合を例示したが、改質反応管１としては、バーナＢの周囲を覆う２重管状の管体の内部に触媒Ｓを充填する形態に構成する等、改質反応管１の具体構成は各種変更できる。
（２）上記実施形態では、水蒸気生成用熱交換器Ｊとして、純水Ｗを供給して水蒸気を生成する場合を例示したが、水蒸気生成用熱交換器Ｊとしては、原料ガスＧと純水Ｗを供給して、原料ガスＧと水蒸気の混合ガスを生成する形態で実施してもよい。
（３）上記実施形態においては、水蒸気生成用熱交換器Ｊとして、炉本体Ｈの側壁２Ｓの外周に沿って伝熱用管７を螺旋状に配置する形態に構成する場合を例示したが、水蒸気生成用熱交換器Ｊとしては、例えば、フィンチューブ式熱交換器として構成する等、各種の形態に構成できる。
なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。
１ 改質反応管
２Ｄ 底壁
２Ｅ 排出部
２Ｇ 外方壁
２Ｓ 側壁
２Ｕ 上壁
２Ｚ 外部排出口
３ 外管
４ 内管
７ 伝熱用管
８ｄ 空気導入部
８ｎ 内壁
８ｇ 外壁
９ 空気供給管
Ａ 反応管部
Ｂ バーナ
Ｊ 水蒸気生成用熱交換器
Ｎ 空気予熱用熱交換器
Ｓ 触媒

Claims (5)

  1. 天井壁と底壁との間に円筒状の側壁が配置された炉本体における前記天井壁の中央箇所に、下向きに燃焼するバーナが設けられ、
    前記バーナの周囲に、原料ガスとしての炭化水素系ガスを水蒸気改質処理する改質反応管が前記天井壁から垂下する姿勢で設けられ、
    前記側壁の上方側箇所に、前記バーナの燃焼ガスを排出する排出部が開口されている改質炉であって、
    円筒状の外方壁が、前記側壁の外方側箇所に、前記天井壁と前記底壁との間に配置される状態で設けられ、
    前記側壁と前記外方壁との間の外部空間に、前記改質反応管の上部に供給する水蒸気又は原料ガスと水蒸気の混合ガスを生成する水蒸気生成用熱交換器が配置され、
    前記外方壁の下方側箇所に、前記排出部から前記外部空間を通して流動する前記燃焼ガスを排出する外部排出口が設けられている改質炉。
  2. 前記水蒸気生成用熱交換器が、前記側壁の外周に沿って伝熱用管を螺旋状に配置する形態に構成されている請求項１に記載の改質炉。
  3. 前記改質反応管が、底部が閉塞されかつ上端側が支持された外管の内部に底部が開口しかつ上端側が支持された内管が配置され且つ前記外管と前記内管との間に触媒が充填された複数の反応管部を、前記バーナの周囲に沿って間隔を隔てて並べる形態に構成されている請求項１又は２に記載の改質炉。
  4. 前記外部空間における前記水蒸気生成用熱交換器と前記外方壁との間に、前記バーナに供給する空気を予熱する空気予熱用熱交換器が設けられている請求項１～３のいずれか１項に記載の改質炉。
  5. 前記空気予熱用熱交換器が、円筒状の内壁と円筒状の外壁との間で空気を流動させる円筒状に構成され、
    前記空気予熱用熱交換器の下方側箇所に、空気導入部が設けられ、
    前記空気予熱用熱交換器の上方側箇所と前記バーナとを接続する複数の空気供給管が、前記バーナの周囲に沿って放射状に配置される状態で、前記天井壁の内部に設けられている請求項４に記載の改質炉。
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