JPH02150613A - 触媒燃焼改質装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は改質管の外側に高温燃焼ガスを流して改質管を
加熱することにより、原料ガスを水蒸気に改質して改質
ガスを得る触媒燃焼改質装置に関する。

（従来の技術） 第６図を参照して従来のバーナ燃焼式の改質装置につい
て説明する。第６図は従来の二重管式の改質装置の構成
を示す断面図であり、図中符号１は改質器容器である。

この改質器容器１の内周側には断熱層２が設けられてい
る。この断熱層２には保温材として例えばセラミックウ
ールあるいはグラスウール等が使用されており、改質装
置の急速な起動・停止、及び負荷変動に対処するもので
ある。

上記断熱層２の内側であって軸方向中間部よりやや上方
位置には管板３が配設されており、この管板３は上記改
質容器１に固定された支持台４に支持されている。又、
管板３内には中空部が形成されている。上記管板３の下
方には二重管構造をなす改質管５が複数垂下されている
。改質管５は内側管５（以下内管と称す）６とこの内管
６の外側に同心に配設された外側管路（以下外管と称す
）７とから構成されている。

上記外管７はその下端を上記管板３の上部管板３ｂに固
着されており、さらに細管８を介してヘッダ９に接続さ
れている。このヘッダ９には原料ガス流入管１０が接続
されている。又、外管７の下端部は鏡板７ａにより閉塞
されており改質管頂部となっている。一方、内管６はそ
の下方を上記管板３の下部管板３ａに固着されるととも
に貫通してさらに上方まで配設され、上記ヘッダ９の上
方に配設された別のへラダ１１に接続されており、この
ヘッダ１１には改質ガス流出管１２が接続されている。

上記内管６と外管７との間には改質触媒層１３が配置さ
れている。上記管板３の中空部にはυ１ガス流出管コ４
が接続されている。

又、１−層外管７の外側にはスリーブ管１５が配設され
、このスリーブ管１５と外管７との間には伝熱充填層１
６が形成されている。

」１記断熱層２の内側であって、上記複数の改質管５の
下ノｊには燃焼室１７が形成されており、この燃焼室１
７には燃焼空気流入管１８が接続されている。この燃焼
空気流入管１８の内側には燃料ガス流入管１９か同心に
配設されている。この燃料ガス流入管１９の先端には燃
焼バーナノズル２０が取付けられている。尚、図中符号
２１は目皿であり、２２はリターンパスであり、また２
３はセンタプラグを示している。

上記構成によると、まず燃焼空気流入管１８、及び燃料
ガス流入管１９、燃焼バーナノズル２０を介して燃焼室
１７内に燃焼用空気及び燃料ガスを供給し、燃焼室１７
内にて燃焼させる。該燃焼により得られた高温燃焼ガス
は目皿２１を介して伝熱充填層１６内に導入され、この
伝熱充填層１６内を上方に向って流通し、管板３の中空
部内に流出し、さらに排気ガス流出管１４を介して排気
される。その際、改質管５は加熱される。

一方原料ガス流入管１０を介してヘッダ９さらには外管
７内に原料ガス及び水蒸気が供給される。

この供給された原料ガス及び水蒸気は改質触媒層１３を
下降する間に加熱されて改質ガスとなり、外管頂部（鏡
板７ａ）にてリターンして内管６内の改質触媒層１３と
センタラブタ２３との間に形成されるリターンパス２２
を上昇する。その際、改質触媒層１３により冷却されて
ヘッダ１１及び改質ガス流出管１２を介して改質器容器
１の外に排出される。

上記伝熱充填層１６は改質管５とスリーブ１５の間の伝
熱効率を高めるためのもので、セラミックス管で形成さ
れた球状あるいはシリンダ状の粒子が充填されており、
この伝熱充填層１６に燃焼触媒を混入させる技術思想は
、実公昭６２−５２２３号公報、特開昭６１−１０６４
０２号公報、特開昭６０−２４８２３０号公報等で公知
である。

このような伝熱充填層］６の粒子間を高温燃焼ガスが通
過することによって改質管５への伝熱特性が高められ、
それによって効率の良い改質がなされている。つまり改
質ガスの改質量は温度に依存し、例えば７５０℃〜８０
０℃に改質ガスを加熱すると改質は急激に進行し、原料
ガスとしてメタンを水蒸気と共に導入して水素と一酸化
炭素に改質する。

（発明が解決しようとする課題） ところで、第６図の改質装置を実際に運転すると伝熱充
填層１６の温度が上昇し、スリーブ管１５が熱膨張によ
り広がる。しかしながらスリーブ管１５の内側に位置す
る伝熱充填層１６の熱膨張係数はスリーブ管１５よりも
小さい。すなわち伝熱充填層１６に充填されているセラ
ミ・ツクボール等の粒子の熱膨張係数は、スリーブ管１
５を構成する金属等の約１／３である。したがって、改
質装置を運転すると温度の上昇によって伝熱充填層１６
とスリーブ管１５との間に隙間が発生してしまい、かか
る隙間の発生により粒子の配列が変化し上記隙間に粒子
が入込む。

一方、改質装置の運転を停止してバーナノズル２０の火
を消すと、伝熱充填層１６内に流入するガスが冷却され
、スリーブ管１５が熱収縮する。

しかしながらこの時には伝熱充填層］６の粒子の配列は
変化しない。つまり、スリーブ管１５による締付けによ
り伝熱充填層１６を構成する粒子が再配列するには伝熱
充填層１６の入口から出口までの高さが高過ぎるからで
ある。その結果、上記スリーブ管１５の熱収縮によりス
リーブ管１５及び伝熱充填層１６に大きな負荷が作用し
、まず充填されている粒子が破壊する。この粒子の破壊
は粒子が小分割されると共に粉末ができ、伝熱充填層１
６の下流にこの粉末が燃焼排ガスと共に流下して次のよ
うな悪い影響を及ぼす。この粒子の破壊状況は各改質管
５毎の伝熱充填層１６の圧力損失が増加すると共に不均
一が発生する。

そして、伝熱充填層１６の粒子の破壊がある程度進行す
ると、伝熱充填層１６自身の空間率が少なくなると共に
剛性が高くなり、外側のスリーブ管１５が破損するに至
らしめる事も考えられる。

また、改質器容器１内に収納されている複数本の改質管
５は、種々の原因から各改質管５毎に温度のバラツキが
発生し、このうち、温度が最も高い改質管５の頂部の管
壁温度が不均一になる。

管壁温度が不均一になると、高温の改質管５は寿命が短
かくなり、また温度の低い改質管５は改質ガスの改質効
率が悪く、例えばメタンと水蒸気を水素と炭酸ガスに改
質する場合に、メタンの残留量が温度不均一幅が大きけ
れば大きい程多くなる。すなわち、複数本の改質管５の
平均管壁温度を制限温度に合わせた状態で運転を行なう
と、高温の改質管５は管の寿命が例えば数千時間と短か
く、早く破損することになり、また温度の低い改質管は
改質効率が悪く、低い温度の改質管５が多い程またそれ
らの温度が平均温度に比べて低い程、改質されないメタ
ンの量が多くなり、改質装置としての全体の改質効率が
低下してしまう。

本発明は急激に起動・停止を行なっても伝熱充填層の充
填粒子およびスリーブ管も破損する事のない、長寿命で
かつ高い効率で改質を行なうことが可能な触媒燃焼改質
装置を提供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明は前記目的を達成するため、改質器容器と、この
改質器容器内に燃焼室を確保するとともに、複数配設さ
れ、内側管路およびこれと同心に配設された外側管路と
からなり、一端部が密閉され、かつ内側管路と外側管路
との間に改質触媒層が設けられた断面環状の改質管とを
備え、前記燃焼室内で燃焼ガスと燃焼空気を混合した混
合ガスを燃焼して得られる加熱流体を前記改質管の一端
部よりその外側管路を通して他端部より外部へ排出させ
、かつ改質ガスを前記改質管の他端部より前記改質触媒
層を通して流入させ、さらにその一端部より前記内側管
路を通して他端部より流出させる如く構成し、前記改質
触媒の作用により天然ガスと水蒸気を反応させて水素含
有ガスを製造する改質装置において、前記燃焼ガスと前
記燃焼空気の混合ガスを前記燃焼室に供給する供給路に
、前記混合ガスを燃焼させるための触媒燃焼部を設け、
この触媒燃焼部で燃焼された燃焼ガスを整流流下させる
ためのものであって、前記触媒燃焼部の断面積より大き
く形成した整流充填層を設けたものである。

（作　用） 本発明によれば、触媒燃焼部の断面積を燃焼室の断面積
より小さくしであるので、燃焼ガスの流速が大きくなり
、混合ガスを燃焼室に供給するための供給路は冷却され
、これにより触媒燃焼を維持する低い温度に保持するこ
とができる。触媒燃焼部により得られる燃焼ガスは、燃
焼室内部で高温になるとともに、触媒燃焼部に比べて断
面積の大きい整流充填層を通過するうちに十分に整流さ
れ、改質管は均一に加熱される。このようなことから、
触媒燃焼部を比較的低い温度に保持でき、整流充填層を
比較的高い温度になることから、燃燐触媒の寿命も長く
なり、高い効率で改質できる。

また、従来装置のように伝熱充填層を設ける必要がない
ことから、急激に起動・停止を行なっても伝熱充填層の
充填粒子が破損することがなく、スリーブ管も破損する
ことがない。

（実施例） 以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。第１図は本発明の触媒燃焼改質装置の一実施例の上手
部のみを示す断面図であり、下半部は第６図の従来装置
と同様な構成となっているので、ここではその説明は省
略する。

改質器容器３１は、内周側にはグラスウール等からなる
断熱層３２が設けられている。改質器容器３１の土壁に
は、これを貫通する円形の構造物収納穴３３が形成され
ている。この構造物収納穴３３の周縁には容器ノズル３
０が設けられている。

また、構造物収納穴３３内にはガイド管３５が挿入され
ており、これは管径の大きい大径管と管径の小さい小径
管とが一体に形成され、この両者の結合部近くの円筒の
外周面に複数のリブ３４が等間隔に一体に形成されてお
り、かつリブ３４の上面に載置できるように段部３６が
形成されている。

ガイド管３５内には、後述する触媒担持構造物３７が設
けられ、これとガイド管３５により触媒燃焼室３８が構
成されている。この触媒燃焼室３８の上部には、燃料空
気と燃料ガスを導入するとともにこれらを予じめ混合す
る予混合室３９が分解組立可能に連結されている。この
予混合室３９は、燃料空気室４０と燃料ガス室４１とか
らなっている。燃料空気室４０は、円筒状であってこの
周面に複数の空気噴出口４２を等間隔に形成された本体
４３と、この本体４３の周面に形成された環状の空気導
入室４４と、この空気導入室４４内に燃料空気を導入す
るための空気入口管４５とからなっている。燃料ガス室
４１は燃料空気室４０と同様に、円筒状であってこの周
面に複数のガス吹出口４６を等間隔に形成された本体４
７と、この本体４７の周面に形成された環状のガス導入
室４８と、このガス導入室４８内に燃料ガスを導入する
ためのガス入口管４９とからなっている。

そして、燃料空気導入室４０の最上部は触媒燃焼室３８
の内径Ｄ１より大きく開口されており、この開口部には
盲蓋５０が締付ボルト５１により取外し自在に取付けら
れている。前記改質器容器３１内であって触媒燃焼室３
８の下部には、燃焼室５２が存在するとともに、この下
部に整流充填層５３が設けである。この整流充填層５３
はアルミナ、シリカなどの耐熱セラミック系の材料を、
円筒、孔明き円筒、リング等のいずれかの形状とした粒
子５４からなり、これは改質器容器３１内の上部空間つ
まり改質管５の上方に配設されている支持格子５５の上
に設けである網５６に載せである。この場合、整流充填
層５３の断面積は、上記触媒燃焼室３８の断面積にくら
べて十分大きく形成しである。すなわち、第１図に示す
ごとく両方が断面円形の場合、触媒燃焼室３８の内径寸
法ＤＩにくらべて整流充填層５３の内径寸法Ｄ２は十分
大きく４〜１０倍にする。

なお、前記支持格子５５は、耐熱合金あるいは耐熱セラ
ミックで形成する。

前記触媒担持構造物３７の構造としては以下に述べるよ
うなものを用いる。第２図はその一例を示すものであり
、これは断面を正方形格子としたものである。これは具
体的には、第５図（ａ）のように平坦壁３７１に、複数
のリブ３７２を等間隔に配置し両者を固着した素材を多
数組合せ隣接するリブ３７２と平坦壁３７１とを固着し
たものである。また、第５図（ｂ）のように、断面り字
形の壁３７３を多数組合せ隣接する壁３７３の端部同士
を固着したものである。

以上述べた３７１〜３７３の材料は、アルミナあるいは
シリカなどの主要成分からなる耐熱セラミック系材料で
作られ、この壁の表面に鉄系、バナジウム系、白金系な
どの燃焼触媒を溶着させたものである。

第３図は第１図の■−■線に沿って切断した横断面を示
すもので、ガイド管３５の中に第２図に示す触媒担持構
造物３７が設けられており、格子空間内を燃焼ガスと燃
焼空気の混合ガスが通過できるようになっている。

次に、以上のように構成された改質装置の作用について
説明する。加熱源として利用される触媒燃焼部は入口管
４５．４９から予混合室３９の空気室４４、ガス室４８
に導びかれた燃料空気と燃料ガスは、噴出口４２．４６
を介して燃料空気室４０と燃料ガス室４１に導かれると
ともに、この内部で両者が混合され触媒燃焼室３８に入
り、下部の燃焼室５２に流下する。この場合、混合ガス
が格子状の触媒担持構造物３７の間の空間を通過する間
に燃焼し、下部の燃焼室７に入り、整流充填層５３で整
流されて下部の改質管５を均一に加熱される。

ここで、触媒燃焼室３８の燃焼触媒はその寿命が短かく
数千時間であり、その寿命に達すると触媒としての活性
が劣化するので、触媒担持構造物３７共に新しいものに
交換しなければならない。

そのため、第１図に示すごとく触媒燃焼室３８の上部の
燃料ガス室４１および燃料空気室４０は、触媒燃焼室３
８の内径Ｄ１より大きく、かつ燃料空気室４０の上部の
盲蓋５０は取外し可能になっているので、触媒担持構造
物３７全体を容易に取換えできる。

以上述べたように燃焼触媒の寿命は比較的短かいが、そ
の触媒の温度が高温度になればなる程寿命は短かくなる
。ところが、ここでは触媒燃焼室３８は整流充填層５３
の断面積より小さくして燃焼するガスの流速が大きくな
るようにしである。

そのため、触媒担持構造物３７はその間の空間を流速の
大きな燃焼ガスを通過させることによって、予混合室３
９側にもどろうと作用する逆火を防止できると共に、触
媒担持構造物３７は冷却され触媒燃焼を維持する低い温
度に保持することができる。

実際に実験してみると、１０５　（１／Ｈｒ）のスペー
スベロシティで燃焼ガスを通過させて、触媒燃焼室入口
温度を６００℃、出ロ温度８００℃程度一定値にする事
により敵方時間の寿命が得られることがわかった。

しかして、整流充填層５３はこの上部の燃焼室５２の内
部で燃焼ガスが高温になり、大きな循環流れが形成され
るが、その断面積が大きい整流充填層５３を通過するう
ちに十分に整流され、下部の改質管５は均一に加熱され
る。

実施例では、触媒燃焼室３８より整流充填層５３の方が
高温になり１０００℃〜１３００℃の一定温度に保持で
きることがわかった。従って、整流充填層５３は燃焼触
媒がないため高温にしても耐熱アルミナ粒子の寿命は十
分である。

従って、触媒担持構造物３７に担持躊れている燃焼触媒
が存在している触媒燃焼室を比較的低い温度に保持でき
、かつ整流充填層５３を比較的高温にすることができ、
これによって燃焼触媒の寿命も長いものが得られ、なお
かつ複数本の改質管の管毎の温度の不均一は少なく、高
い効率で改質でき、信頼性の高い寿命の長い改質装置を
得ることができる。

しかも、燃焼触媒を担持している燃焼触媒担持構造物３
７の交換が容易な構成となっているので、実用的である
。

また、従来装置のように伝熱充填層を設ける必要がない
ことから、急激に起動・停止を行なっても伝熱充填層の
充填粒子が破損することがなく、スリーブ管も破損する
ことがない。

さらに、低い温度で燃焼させることができるので、燃焼
排ガス側に出るＮｏ　　（窒素酸化物）量が十分少ない
特性が得られる。

第４図は前述した触媒担持構造物３７の他の例で、これ
は管状壁３７４と放射状リブ３７５からなり、管状壁３
７４は管径の小さい小径管状壁３７４ａとこれと同心状
に管径の比較的大きい中径管状壁３７４ｂおよび管径の
大きい大径管状壁３７４Ｃに配設され、放射状リブ３７
５は大径管状壁３７４Ｃの外周面に軸方向に沿って螺旋
状に形成されている。

このように構成することにより、燃焼空気と燃焼ガスと
の混合ガスが螺旋状に旋回しながら燃焼室５２内に放出
されるので、第２図に示すものに比べて混合ガスの流速
が速くなり、かつ温度分布のばらつきがより均一となる
。

［発明の効果］ 以上述べた本発明によれば、急激に起動・停止を行なっ
ても伝熱充填層の充填粒子およびスリーブ管が破損する
ことがなく、長寿命でかつ高い効率で改質を行うことが
できる触媒燃焼改質装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による触媒燃焼改質装置の一実施例の上
部のみを示す断面図、第２図は第１図の触媒担持構造物
の一例を示す斜視図、第３図は第１図の■−■線に沿っ
て切断し矢印方向に見た断面図、第４図は第１図の触媒
担持構造物の他の５・・・改質管、１３・・・改質触媒
層、３１・・・改質器容器、３７・・・触媒担持構造物
、３８・・・触媒燃焼室、３９・・・予混合室、５３・
・・整流充填層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 改質器容器と、この改質器容器内に燃焼室を確保すると
   ともに、複数配設され、内側管路およびこれと同心に配
   設された外側管路とからなり、一端部が密閉され、かつ
   内側管路と外側管路との間に改質触媒層が設けられた断
   面環状の改質管とを備え、前記燃焼室内で燃焼ガスと燃
   焼空気を混合した混合ガスを燃焼して得られる加熱流体
   を前記改質管の一端部よりその外側管路を通して他端部
   より外部へ排出させ、かつ改質ガスを前記改質管の他端
   部より前記改質触媒層を通して流入させ、さらにその一
   端部より前記内側管路を通して他端部より流出させる如
   く構成し、前記改質触媒の作用により天然ガスと水蒸気
   を反応させて水素含有ガスを製造する改質装置において
   、前記燃焼ガスと前記燃焼空気の混合ガスを前記燃焼室
   に供給する供給路に、前記混合ガスを燃焼させるための
   触媒燃焼部を設け、この触媒燃焼部で燃焼された燃焼ガ
   スを整流流下させるためのものであって、前記触媒燃焼
   部の断面積より大きく形成した整流充填層を設けたこと
   を特徴とする触媒燃焼改質装置。