JPH01264903A - 炭化水素の改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分立〕 この発明は、例えば燃料電池用の水素を、炭化水素のス
チームリフォーミングにより製造するための炭化水素の
改質装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、炭化水素の改質装置としては、例えば特開昭５９
−１　ｏＭｓｏ１号公報で提案されているものが知られ
ている。これは、３重管構造により互いに連通ずる内層
通路および外層通路が形成された反応管と、この反応管
の外側方に配置した然料供給管と、上記反応管の中心部
に形成された燃焼排ガス排出路とからなり、内層通路か
ら外層通路に通される原料ガスと、上記反応管の外周面
側から内周面側に通されて排出路から排出される燃焼ガ
スとがＵいに対向流となるように構成されたちのである
。そして上記原料ガスは反応管を通過する間に燃焼ガス
から給熱されて改質ガスに改質される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来の炭化水素の改質装置では、燃料供給管が反応
管の外側方に位置し、反応管の外周側に比較的高温の燃
焼ガスが流れるので、これらの周囲を比較的分厚い断熱
材で被覆する必要が生じ、この分だけ装置全体が大型化
するという問題がある。

また給熱源である燃焼ガスと原料ガスとが対向流となる
ように構成されているために、燃焼ガスの流れに沿った
ガス温度は第４図にＢＧで示すように変化し、逆に原料
ガスもしくは改質ガスのガス温度は同図にＭＧで示すよ
うに変化する。このように入口部分側の比較的高温の燃
焼ガスにより加熱される外層通路内の触媒層には、すで
に内層通路で出口側の燃焼ガスからの伝熱により温度が
上ｎした原料ガスもしくは改質ガスが流れている。

このため上記入口部分側の燃焼ガスと外層通路内の触媒
層との温度差は比較的小さくなっており、上記高温部の
燃焼ガスの熱を有効に利用することができないという問
題がある。

また上記外層通路の出口部から出てくる改質ガスはその
ガス温度が比較的高い（例えば８００　’Ｃ程度）ため
に、この改質ガス温度を所定温度まで低下させてから取
出す必要がある。このため上記改質ガスと原料ガスとの
熱交換部を炉頂部に別途設ける必要があり、装置の大型
化の一因ともなっている。

この発明は、このような従来の問題を解決するためにな
されたものであり、装置全体の熱効率を高めることがで
きるとともに、従来よりもコンパクトにすることができ
る炭化水素の改質装置を提供することを目的としている
。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、この発明でｔよ原料ガス供
給通路と、触媒の充填された反応管と、燃焼ガス誘導路
と、燃焼ガスを供給づる給熱手段とを有し、上記反応管
は同軸に配置した３つの筒体の間に環状の内層通路と外
層通路とが形成されるとともに、これらの通路がその一
端部で互いに連通ずるように構成され、上記給熱手段は
反応管の中心部に配置され、上記燃焼ガス誘導路は反応
管の内周面と外周面とに沿って形成され、上記原料ガス
供給通路は反応管の外周面側に形成された燃焼ガス誘導
路の外周面を囲むように形成されているように構成した
。

また請求項２では原料ガス供給通路と、触媒の充填され
た反応管と、燃焼ガス誘導路と、燃焼ガスを供給する給
熱手段とを有し、上記反応管は同軸に配置した３つの筒
体の間に環状の内層通路と外層通路とが形成されるとと
もに、これらの通路がそれぞれの一端部で互いに連通ず
るように構成され、上記給熱手段は反応管の中心部に配
置され、Ｆ記燃焼ガス誘導路は燃焼ガスが反応管の内周
面から外周面に沿って誘導されるように形成され、上記
原料ガス供給通路は上記内層通路の伯端部と接続され、
原料ガスと燃焼ガスとが互いに並行して流れるように構
成した。

〔作用〕

上記請求項１の構成によれば、燃焼ガスは反応管の内層
通路内の触媒層に給熱した後、外周側誘導路を通される
ことにより、外層通路内の触媒層に給熱するとともに、
原料ガス供給通路内の原料ガスを予熱する。これにより
燃焼ガスは熱を奪われて上記誘導路の出口部では比較的
低いガス温度となるとともに、外周側誘導路の燃焼ガス
はこの外周囲に配置された原料ガス供給通路により気相
断熱されるので、その分だけ断熱材の厚みを薄くするこ
とかできる。

請求項２の構成によれば、燃焼ガスと原料ガスとが互い
に並行流となるために、高温部の燃焼ガスと、この燃焼
ガスにより給熱される入口部の原料ガスとの温度差が比
較的大きくなり、このため上記高温部の燃焼ガスから比
較的大きい伝熱を得ることかできる。

〔実施例〕

第１図において、改質装置は反応管１と、原料ガス供給
通路２と、燃焼バーナー（給熱手段）３と、燃焼ガスの
誘導路４と、炉体５とから基本構成されている。

反応管１は内筒１１と、中ｆ５１２と、外筒１３とを互
いに離して同軸に配置することにより、内筒１１と中ｆ
ｔ１ｌ１２との闇に環状の内層通路１４、中筒１２と外
筒１３との間に環状の外層通路１５がそれぞれ形成され
たものである。

上記内筒１１と外筒１３との下縁問は閉じられるととも
に、上記中筒１２の下端はその閉じられた底部分から所
定間隔、上方に離れているように形成され、これにより
上記内層通路１４と外層通路１５とはその下端部で互い
に連通されている。上記内層通路１４と外層通路１５と
の内部にはアルミナ−ニッケル系の改質触媒Ｓが充填さ
れ、この内外で一対の通路１４．１５によって反応管１
の高さのほぼ２倍に相当する艮ざの改質触媒層が形成さ
れる。

そして上記内筒１１の上端は上方に突出され、この突出
部１１１が炉体５の蓋部５１に固定されることにより、
反応管１は炉体５に対してその底面５２から所定間隔浮
かせた状態で取付けられている。

上記反応管１の外周囲には二重の円筒２０が配置され、
この円筒２０の内部には環状の原料ガス供給通路２が形
成されている。この原料ガス供給通路２の下端部には炉
体５を貫通した導入管２１が連通され、上端部は導管２
２によって反応管１の内層通路１４の上端１４１と連通
され、導入管２１から導入した原料ガスが原料ガス供給
通路２を通して反応管１の内層通路１４に供給されるよ
うにしている。

反応管１の上方には、内筒１１の突出部１１１の外周囲
を囲むようにマニホールド６１が配置され、このマニホ
ールド６１はその複数の分岐管６２が反応管１の外層通
路上端１５１と接続されるとともに、炉体５を貫通する
改質ガス取出し管６３と接続され、反応管１からの改質
ガスをマニホールド６１によって集め、これを改質ガス
取出し管６３を通して炉体５の外部に取出すことができ
るようにしている。

反し６管１の中心部上方には、燃焼バーナー３がその先
端を内筒１１の内部空間に臨ませて配置され、この燃焼
バーナー３は耐熱タイル３１を介して内筒１１の突出部
１１１内に位置固定されている。この燃焼バーナー３に
供給された燃料および空気が燃焼されることにより、そ
の燃焼ガスが内筒１１の内部空間（中心部誘導路）４１
に放出されるようにしている。

反応管１の外筒１３外周面と、原料ガス供給通路２を形
成する円筒２０の内周面との間には、環状の外周側誘導
路４２が上下方向に形成されている。この外周側誘導路
４２の内部空間には例えばアルミナ製ボールもしくはラ
シヒリングなどの充填物Ｂが充填され、これにより燃焼
ガスの滞留時間が比較的長くなるように調整され、伝熱
を促進するようにされている。

上記外周側誘導路４２は、その下端が炉体５の底面５２
と反応管１下面との間を通して上記中心部誘導路４１と
連通されるとともに、上記外周側誘導路４２の上端は炉
体５の蓋５１に貫通配置された燃焼ガス出口管４３と連
通されている。これによって燃焼バーナー３からの燃焼
ガスは、中心部誘導路４１を通して反応管１の下方に誘
導され、この燃焼ガスは外周側誘導路４２を通して反応
管１の上方に誘導され、そして燃焼ガス出口管４３から
排出される。

なお図中Ｐは断熱材を示している。

上記構成の改質ｖＡ置においては、燃焼バーナー３に例
えばメタンなどの燃料と空気とを供給して燃焼させるこ
とにより、燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスは中心部
誘導路４１に沿って■降し、反応管１の下端で折返した
後、外周側誘導路４２を上昇して燃焼ガス出口管４３か
ら排出される。

一方、例えば天然ガスなどのガス状炭化水素および水蒸
気などからなる原料ガスが導入管２１から原料ガス供給
通路２に供給され、この原料ガスは上記原料ガス供給通
路２に沿って上背し、導管２２を通して反応管１の内層
通路１４に供給される。そして上記原料ガスは内層通路
１４に沿って下降するとともに、そのＦ端で折返して外
層通路１５を上昇し、これらの通路１４．１５内の触媒
層を通過する間に原料ガスは触媒反応により主として水
素と一酸化炭素とからなる改質ガスに改質される。この
改質ガスはマニホールド６１に集められ、改質ガス取出
し管６３から取出される。

上記燃焼ガスが燃焼バーナー３から燃焼ガス出口管４３
まで誘導される闇に、上記内層通路１４の触媒層は内筒
１１を介して中心部誘導路４１内の燃焼ガスから、また
外層通路１５の触媒層は外筒１３を介して外周側誘導路
４２内の燃焼ガスから、それぞれ触媒反応に必要な熱を
主として輻射伝熱により給熱される。

上記給熱に際し、誘導路４１．４２内の燃焼ガスと、反
応管１の内、外層通路１４．１５内の原料ガスもしくは
改質ガスとは伝熱面である内筒１１および外筒１３を挟
んで互いに並行して流れるように構成されているので、
燃焼ガスの入口部分、すなわち中心部誘導路４１の上端
部において、第２図に示すように燃焼ガス（ＢＧで示す
曲Ｉ！ｉ！参照）と原料ガスもしくは改質ガス（ＭＧで
示す曲線参照）との温度差は比較的大きくなる。このた
め、原料ガスＭＧの入口部分である内層通路１４の上端
１４１側ではＦ記温度差が大きい分だけ伝熱けが大きく
、燃焼バーナー３での燃焼直竣の比較的高温の燃焼ガス
の熱を有効に利用することができる。これによって触媒
層の単位体積当たりの吸熱量が大きくなるために、必要
触媒量を従来より少なくすることができ、装置のコンパ
クト化に寄与することができる。例えば水素発生量が数
千況／ｈまでの中・小型の改質装置として第１図に示す
１つの反応管１だけでコンパクトに構成することができ
る。

さらに燃焼ガスと原料ガスとが並行流となるようにして
いるので、上記燃焼ガスの入口部分においては、未だこ
の燃焼ガスからの給熱を受けていない原料ガスが内層通
路上端部１４１から供給されることにより内筒１１の壁
面が冷却され、これにより第４図に破線で示す対向流の
場合と比べて反応管１の壁温Ｗを第２図に破線で示すよ
うに下げることができる。したがってこの反応管１の素
材として対向流となるように構成する場合に比べて低い
グレードのものを使用することができ、コストの低減化
を期待することができる。

また原料ガス供給通路２内の原料ガスは、外周側誘導路
４２内の燃焼ガスと熱交換されることにより予熱され、
この熱交換により上記燃焼ガスは熱を奪われ、単に外層
通路１５内の触媒層に給熱するだけの場合（第２図の１
点鎖線参照）に比べてその出口部分く外層通路上端部１
５１）の燃焼ガスの温度を下げることができる（第２図
の実線参照）。さらに、原料ガスと熱交換される分だけ
燃焼ガスの熱が奪われる結果、反応管１の出口部分であ
る外層通路上端１５１から出てくる改質ガスＭＧの温度
を相対的に下げることができる（第２図の１点鎖線およ
び実線参照）。

なお、外周側誘導路４２内に充填された充填物Ｂの量も
しくは種類などを変化させることにより燃焼ガスの滞留
時間などを変化することができ、これにより上記熱交換
の度合を調整することができる。したがって十記充填物
Ｂを全く充填しないようにしてもよい。

そして外周側誘導路４２の周囲は原料ガス供給通路２に
囲まれているために、この外周側誘導路４２の燃焼ガス
は上記原料ガス供給通路２内の原料ガスによって気相所
熱され、これにより上記外周側誘導路４２を原料ガス供
給通路２で囲まない場合に比べて炉体５の断熱材Ｐの厚
みを小さくすることができる。例えば炉体５の外面を安
全上要求される６０℃に保つために必要な断熱材Ｐの厚
みを、上記原料ガス供給通路２で囲まない場合に比べて
１７２〜２７３程度に薄くすることができる。

これにより装置全体の容積を従来の装置よりもコンパク
トにすることができる。

なお、上記実施例では、燃焼ガスと原料ガスもしくは改
質ガスとが並行流となるように構成しているが、これに
限らず、第３図に示すようにこれらが対向流となるよう
に構成してもよい。

第３図において、原料ガス供給通路２の上端と反応管１
の外層通路上端１５１とは導管２２ａによって接続され
、マニホールド６１ａの分岐管６２ａは内層通路上端１
４１と接続されている。これによって原料ガス供給通路
２から供給される原料ガスはまず外周側誘導路４２と接
する外層通路１５に流され、下端部で折り返して内層通
路１４を上昇するように流され、このため原料ガスもし
くは改質ガスと、中心部誘導路４１から外周側誘導路４
２へ流れる燃焼ガスとは互いに対向するように流れる。

この場合においても、外周側誘導路４２を流れる燃焼ガ
スは原料ガス供給通路２内の原料ガスを予熱することが
できるとともに、上記原料ガスによって気相断熱される
。これによって断熱材Ｐの厚みの低減化を図ることがで
きる。

なお第１図および第３図に示す改質装置は、その装置全
体の上下の配置を全く逆転しても、同じ作用効果を得る
ことができる。

また上記実施例において、原料ガス供給通路２は環状に
形成されているが、これに限らず、コイル状の熱交換器
などを適用してもよい。さらに中心部誘導路４１の内側
空間にアルミナ系の燃焼触媒を充填Ｊるようにしでもよ
い。

〔発明の効果〕

この発明の請求項１の炭化水素の改質５Ａ置によれば、
燃焼ガスは反応管の内岡通路内の触媒層に給熱した後、
外周側誘導路を通されることにより、外層通路内の触！
ｆＸ層を給熱するとともに、原料ガス供給通路内の原料
ガスを予熱する。これにより燃焼ガスは熱を奪われ、上
記誘導路の出口部で排出される燃焼ガスや反応管から取
出される改質ガスのガス温度を相対的に低くすることが
でき、従来のように余分な熱交換器を設ける必要はない
。

これとともに、外周側誘導路の燃焼ガスはこの外周囲に
配置された原料ガス供給通路により気相断熱されるので
、その分だけ断熱材の厚みを薄くすることができる。こ
れによって装置全体の容積をコンパクトにすることがで
きる。

請求項２の構成によれば、燃焼ガスと原料ガスとは互い
に並行流となるために、高温部の上流側燃焼ガスと、こ
の燃焼ガスにより給熱される入口部の原料ガスとの温度
差が比較的大きくなり、この温度差に対応した比較的大
きい伝熱を上記高温部の燃焼ガスから得ることができ、
この燃焼ガスの熱を有効に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例の断面説明図、第２図は第１
図の＠置における反応管のＦ！！、煤層と燃焼ガス誘導
路とに沿ったガスおよび壁の温度変化を示す関係図、第
３図は伯の実施例を示す断面説明図、第４図は従来装置
における反応管の触媒層と燃焼ガス誘導路とに沿ったガ
スおよび壁の温度変化を示す関係図である。 １・・・反応管、２・・・原料ガス供給通路、３・・・
燃焼バーナー（給熱手段）、４・・・燃焼ガス誘導路、
５・・・炉体、１１・・・内筒、１２・・・中筒、１３
・・・外筒、１４・・・内層通路、１５・・・外層通路
、４１・・・中心部誘導路、４２・・・外周側誘導路、
Ｓ・・・触媒。 第　　１　　図 ユ 第　　２　　図 第　　４　　図 人 第　　３　　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、原料ガス供給通路と、触媒の充填された反応管と、
   燃焼ガス誘導路と、燃焼ガスを供給する給熱手段とを有
   し、上記反応管は同軸に配置した３つの筒体の間に環状
   の内層通路と外層通路とが形成されるとともに、これら
   の通路がその一端部で互いに連通するように構成され、
   上記給熱手段は反応管の中心部に配置され、上記燃焼ガ
   ス誘導路は反応管の内周面と外周面とに沿って形成され
   、上記原料ガス供給通路は反応管の外周面側に形成され
   た燃焼ガス誘導路の外周面を囲むように形成されている
   ことを特徴とする炭化水素の改質装置。 ２、原料ガス供給通路と、触媒の充填された反応管と、
   燃焼ガス誘導路と、燃焼ガスを供給する給熱手段とを有
   し、上記反応管は同軸に配置した３つの筒体の間に環状
   の内層通路と外層通路とが形成されるとともに、これら
   の通路がそれぞれの一端部で互いに連通するように構成
   され、上記給熱手段は反応管の中心部に配置され、上記
   燃焼ガス誘導路は燃焼ガスが反応管の内周面から外周面
   に沿つて誘導されるように形成され、上記原料ガス供給
   通路は上記内層通路の他端部と接続され、原料ガスと燃
   焼ガスとが互いに並行して流れるように構成されている
   ことを特徴とする炭化水素の改質装置。