JPH03101826A - ガス改質装置 - 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） 本発明はガス改質装置に係り、特に燃焼ガスが反応管の
周囲の決められた流路を通ることなく流れるのを回避す
るのに好適なシールプレートを有するガス改質装置に関
する。

（従来の技術） 燃料発電プラントで使用されるガス改質装置は炭化水素
系の燃料ガス、例えば天然ガス、プロパンあるいはナフ
サを改質するもので、そこで原料ガスは触媒の作用のも
とに燃料電池の燃料極用ガスに適する水素成分の比率の
高い燃料ガスに転化させられる。触媒はハウジング内に
設けられた反応管の内部に充填され、原料ガスは、この
触媒層の微小な隙間を通り抜ける。触媒反応は４３０〜
９３０℃の温度を維持して進められる。ガス改質装置は
、この温度を維持するためにバーナで発生した燃焼ガス
を閉じ込めるハウジングとして働く圧力容器を備えてい
る。また、反応管内では改質ガスから原料ガスへの熱回
収を果たすように触媒層を通過する原料ガスの上向きの
流れと、その触媒層の内側を通過する改質ガスの下向き
の流れとが対向流を保っている。燃焼ガスは反応管を取
囲むスリーブによって原料ガスとの間に緊密な接触を保
ち、反応管の外面から原料ガスに熱を与える。

この反応管の下端には上記したスリーブを支持すると共
に、燃焼ガスの案内管、圧力容器の壁面およびスリーブ
とそれぞれ対面して燃焼ガスの気密を維持するシールプ
レートが備えられ、これにより燃焼ガスはスリーブの内
側を経てシールプレートの開口を通り抜けながら、シー
ルプレートの下側に備えられる出口プレナムへと導かれ
る。

（発明が解決しようとする課題） 一般に、燃焼ガスの温度が高いためにシールプレートは
オーステナイト系の鋼から製作される。

これに対して、圧力容器はフエライト系の鋼から作られ
、壁面に断熱材を施すために運転中の温度は約１５０℃
にしかならない。シールプレートは高温の燃焼ガスに曝
されるので、オーステナイト系の鋼が使用され、運転中
は、その温度が約６００℃まで上昇する。このシールプ
レートと圧力容器との間に生じる温度差によって双方部
材には熱膨張差が生じ、しかもオーステナイト系の鋼は
フエライト系の鋼と比べて熱膨張が格段に大きいために
、この熱膨張差はさらに拡大する傾向にある。この熱膨
張によってシールプレートには燃焼ガスの漏洩を引き起
こす隙間が生じ、全部の燃焼ガスがスリーブと反応管と
の間に形戊された環状空間に流れず、一部は熱交換に関
与せずに隙間を通って出口プレナムに流れる。したがっ
て、燃焼ガスの案内管外側の筒状のシール管との間、各
スリーブとの間および圧力容器との間をそれぞれ塞ぐシ
ールプレートは気密を一段と高めて漏洩をなくすことを
求られている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は断熱面を内部に形或する壁面を有する圧力容器
と、圧力容器内の中心にあって、壁面からある間隔を置
いて支持された改質ガスの出口ヘッダ装置と、圧力容器
の軸心に沿って設けられた燃焼ガスのための案内管と、
出口ヘッダ装置の上方にあって、案内管と圧力容器の壁
面との間の空間をわたって設けられたシールプレートと
、出口ヘッダ装置に下端を支持されると共に、シールプ
レートに穿たれた開口部を貫いて上方に延在し、かつそ
れぞれ開口部の周りに環状のガス通路を有する複数の反
応管と、シールプレートを支持するために反応管に設け
られた複数の支持片と、シールプレートの上面に支持さ
れ、反応管とシールプレートとの間のガス通路を介して
シールプレートの下側に備えられる出口プレナムと連通
させた環状空間を反応管との間に形成する複数のスリー
ブと、スリーブとシールプレートとの間に介装されたシ
ール部材と、シールプレートと案内管との間にあって、
軸方向に圧縮された状態で半径方向に変形して気密を保
つ内側シール部材と、シールプレートと圧力容器の壁面
との間に設けられ、対角線的に変位可能な外側シール手
段とを具備してなるガス改質装置に関する。

なお、上記構成のうち、望ましい態様は次の通りである
。

出口ヘッダ装置が圧力容器の壁面の少なくとも３つの点
から回動自在に支持されているガス改質装置である。

シールプレートが異なる高さに置かれた環状の複数のプ
レート部材と、隣接する該プレート部材を連結する縦方
向の円筒状結合部材とから形成され、これにより複数の
プレート部材の間の熱膨張差が縦方向の結合部材により
吸収されるようになっているガス改質装置である。

外側シールが圧力容器の壁面に固く、かつ気密を保って
内側に延在するように設けられた固定プレートと、この
固定プレートに設けられ、そこから下方向に延在する蛇
腹構造の側壁およびシールプレートにその下端を固定さ
れた真直な円筒部を有するベローズとを具備するガス改
質装置である。

外側シール手段が圧力容器の壁面に固く、かつ気密を保
って内側に延在するように設けられた固定プレートと、
この固定プレートに設けられ、そこから下方向に延在す
る蛇腹構造の側壁およびシールプレートにその下端を固
定された真直な円筒部を有するベローズとを備え、固定
プレートは壁面に固定されるフエライト系の材料からな
る部分と、そこから内側に延びるオーステナイト系の材
料からなる部分とから構成され、さらに圧力容器がフエ
ライト系の材料ならびにシールプレートおよびベローズ
がオーステナイト系の材料からなるガス改質装置である
。

外側シール手段が圧力容器の壁面に固く、かつ気密を保
って内側に延在するように設けられた固定プレートと、
固定プレートに設けられ、そこから下方向に延在する蛇
腹構造の側壁およびシールプレートにその下端を固定さ
れた真直な円筒部を有するベローズとを備え、圧力容器
の壁面にある断熱材はベローズの高さに合わせて設けら
れ、断熱材がベローズの下端で最大の厚さを保ち、ベロ
ーズの上端に向かってその厚さを減少させるように構成
したガス改質装置である。

固定プレートが壁面に固定されるフエライト系の材料か
らなる部分と、そこから内側に延びるオーステナイト系
の材料からなる部分とから構成され、さらに圧力容器が
フエライト系の材料ならびにシールプレートおよびベロ
ーズがオーステナイト系の材料からなるガス改質装置で
ある。

外側シールが互いの強度を増す縦方向の円筒部材と、こ
の円筒部材の端部から内側に延在するように設けられた
水平なプレート部材とからなる断面Ｌ字状の中間プレー
トと、シールプレートと中間プレートとの間で水平方向
に滑りながら気密を保つシールと、圧力容器の壁面と中
間プレートとの間で縦方向に滑りながら気密を保つシー
ルとを具備するガス改質装置である。

（実施例） 図面を参照して本発明の実施例を説明する。圧力容器１
０は内壁１２に装着された断熱材１４を有する。この圧
力容器１０に燃焼ガスを導く案内管１７は圧力容器１０
の底部から内部に臨ませ、それと同心を保ってある高さ
に延在し、その内側部分は耐火性の被覆材１６、外側部
分は筒状のシール管１８によってそれぞれ覆われる。バ
ーナ（図示せず）は、この案内管の下部に備えられ、案
内管を通り抜けて流れる燃焼ガス２０は反転して反応管
２２の上端に導かれる。反応管２２の下部には、それぞ
れスリーブ２４が備えられ（第２図参照）、このスリー
ブ２４と反応管２２との間を通り抜ける燃焼ガス２６が
開口２８を通って出ロプレナム３０へと導かれる。

一方、原料ガスは可撓性の原料ガス管３４を通って入口
ヘッダ３２へ入り、各反応管２２の環状空間３６へと導
かれる（第２図参照）。この環状空間３６には触媒が充
填されており、この触媒層を原料ガスが上に向かって通
り抜ける。この間、スリーブ２４と反応管２２の間を売
れる燃焼ガス２６によって加熱され改質ガスとなる。さ
らに原料ガスは反転して反応管２２の中央の通路３８を
通って出口ヘッダ４０の一つに導かれる。これらの出口
ヘツダ４０は一つにまとまった出口ヘッダ装置を構成す
るために連結管４２によって互いに結ばれている。

さらに、すべての燃焼ガスがスリーブ２４と反応管２２
との間の環状空間を通って出口プレナム３０まで流れる
ように、それ以外の経路は完全に遮断され、気密が保た
れるようになっている。

すなわち、環状のシールプレート４４は案内管のシール
管１８と圧力容器１０の内壁１２との間の空間をわたっ
て配置される。このシールプレート４４は水平方向に延
在する３枚の環状のプレート４６と、縦方向に延びる３
枚の結合片４８とから構或される。燃焼ガスの気密の維
持は、このシールプレート４４と案内管１７のシール管
１８，スリーブ２４、および圧力容器１０との間にそれ
ぞれ必要とされる。

フエライト系の鋼で作られる圧力容器１０の内部には、
オーステナイト系の鋼からなる出口ヘッダ装置を支持す
るリンク装置５０が備えられる。

この部分のガス温度が約６００℃となるためオーステナ
イト系の鋼が使用されている。反応管２２は出口ヘッダ
４０に立設され、しかも各反応管２２には支持片５２が
設けられる（第２図参照）。

これらの支持片５２は順次ンールプレート４４を支持し
ている。また、このシールプレート４４は運転時の温度
水準からみてオーステナイト系の鋼でなければならない
。反応管２２を取囲むスリーブ２４の下部領域は断熱材
５４で満たされる。この断熱材５４の働きは、この領域
内で燃焼ガスの再循環あるいは渦が生じるのを防止し、
さらに、圧力容器１０の方向へそれに接して設けられる
断熱材１４に伝熱作用が及ぶのを重ねて遮断する働きも
ある。

第２図にスリーブ２４とシールプレート４４との間に設
けられるガスケットシール５５を示している。各々スリ
ーブ２４には外方向に延びるフランジ５６が設けられ、
ガスケット６０がシールプレート４４とこのフランジ５
６との間に挟み込まれた後にボルト５８と蝶ナット５つ
によって固く締められる。このスリーブ２４はシールプ
レート４４と同じニッケルクローム合金で作られる。ス
リーブ２４およびシールプレート４４は共に運転中の温
度がかなり高い水準にあり、条件的には両者ほぼ同じで
ある。シールプレート４４に熱膨張が起こると、それに
従ってスリーブ２４も膨張するために双方の間で変位量
に差が生じても極めて僅かである。したがって、金属に
比べセラミックで作られたガスケット６０は経済的であ
り、しかも長い運転時間を通してシール機能を損なうこ
とがない。

また、シールプレート４４は燃焼ガスの気密を維持する
ために案内管１７のシール管１８に近づけて置かれる。

シールプレート４４の縦方向の変位は出口ヘッダ装置の
構或材料であるオーステナイト系の鋼が高温度で熱膨張
して下向きに、さらに支持片５２よりも下側の反応管２
２の一部が熱膨張して上向きにそれぞれ起こる。シール
管１８は圧力容器１０の底部に固定され、そこから上向
きに熱膨張していく。また、このシール管１８はオース
テナイト系の鋼から作られる。出口プレナム３０は、ほ
ぼ改質装置出口の燃焼ガス温度に近く、案内管の内側の
耐火性の被覆材１６を経て外に伝えられる熱のためにほ
んの僅か高くなる程度である。一般に、その温度はシー
ルプレート４４の温度に近い。シール管１８が上向きに
伸びるのに対してシールプレート４４は下向きに伸びる
から、双方の間で起こる縦方向の変位が発生する。

この両者における直径の膨張はおよそ等しいが、時には
シール管１８がシールプレート４４よりも僅かに膨張す
ることが予想される。したがって、第３図に示すような
軸方向に圧縮され、しかも半径方向に変形し得る内側シ
ール６２がこの場合の最良のシール手段となる。容易に
変形し得るセラミック繊維を編んで作られたガスケット
６８がボルト６４と座金６６を使って少し圧縮した状態
でシールプレート４４上に取付けられる。この圧縮はガ
スケット６８に変形をもたらし、このためシール管１８
と対面する面が押しつけられ、ガスケット６８がシール
部１８と密に接触する。この内側シール６２は縦方向の
相対的な変位が生じると、容易に滑り、しかも、その弾
性は水平方向の熱膨張に従い、そのときの伸び差を吸収
して変わらない接触を果たす。

第４図を参照すると、圧力容器１０の内壁１２とシール
プレート４４との間の対角線的に生じる変位を吸収する
ベローズ形の外側シール６９が示されている。縦寸法の
短い下部リング７０はシールプレート４４に溶接されて
一体化され、また、この下部リング７０はオーステナイ
ト系の鋼から作られる。内壁１２から内側に延びる環状
の固定プレート７２は圧力容器１０の高い位置に溶接さ
れる。この固定プレート７２はフエライト系の鋼から作
られる。オーステナイト系の鋼から作られる断面Ｌ字形
の上部リング７４は一端が固定プレート７２に溶接され
ると共に、他端はベローズ７６に溶接される。これによ
りシールプレート４４は内側に延在するフエライト系の
材料からなる部分と共に、そこから内側に延びるオース
テナイト系の材料からなる部分とを併せ有することにな
る。

ベローズ７６は縦方向の熱収縮および熱膨張を吸収する
ために側壁を蛇腹構造に形成され、その下端は真直ぐに
延往する円筒部７７を有する。この円筒部７７の長さは
その部分の寸法によって温度勾配のパターンが変わり、
熱的ひすみもそれに影響されるため、綿密に評価して決
める。ベローズ７６の蛇腹構造の側壁に過大な熱応力が
生じるのを避けるために大きな温度勾配がつく領域はこ
の円筒部７７の範囲に収めるようにする。温度勾配は断
熱材１４の厚さを適当に変えることによって調節するこ
とが可能である。ベローズ７６の下端は下部リング７０
に溶接される。シールプレート４４の端部は、運転中、
圧力容器１０の内壁１２に対して対角線的に水平或分１
．８ｃｍ，垂直成分１．　　１ｃｍの変位をもって動き
、これは水平位置からほぼ下向きに３０度移動した位置
である。

したがって、この位置で使われるシール手段は斜め方向
に移動自在なシール手段でなければならない。この外側
への移動は中心が偏心することによって起こる変位では
なく、構造要素の正反対の部分が相反する方向に斜めに
移動することによってもたらされる。周知のように、ベ
ローズ７６は、この場合の垂直方向の伸び差に相当する
縦向きの変位を吸収している。一方、半径方向の、ある
いは正反対方向の変位は材料の選択および断熱材の位置
を適切に選ぶことにより吸収することになる。

運転中の温度が約６００℃になるシールプレート４４は
外向きに膨張し、シールプレート４４と同じ材料で作ら
れ、しかも、そこに固定されているベローズ７６の下部
項域もこれと同じ温度条件で運転に供される。したがっ
て、ベローズ７６の下部領域も同じ程度膨張する。ベロ
ーズ７６の上部端部７８は固定プレート７２に順次溶接
されたＬ字形の上部リング７４に固定されている。この
ため、ベローズ７６のこの部分は圧力容器１０の温度に
近づいて行く。ベローズ７６はオーステナイト系の材料
であるから、圧力容器１０が据付けられる周囲の温度と
比べてある温度差がついたならば、その分、内壁１２よ
りも熱膨張が大きくなる。

しかし、運転時に１５０℃程度にしかならない。

この部分はオーステナイト系材料とフエライト系材料と
が結合していてもこの程度の熱膨張差でもたらされる歪
には充分に耐えられる。

ベローズ７６はその全長にわたり温度が下端で最も高く
、上に行くに従って低くなる。大きな温度勾配がつくの
は下端であるから、真直な円筒部７７はそのときの大き
な熱的ひずみをベローズ７６の蛇腹構造の部分の同じ箇
所に生じさせないように配慮する必要がある。圧力容器
１０の内壁１２に備えられる断熱材１４はベローズ７６
の下端の位置で７．　　５ｃ＋ｎの厚さであり、その上
端で２．　　５ｃｍの厚さを保ってテーバを形成してい
る。

したがって、この配置はベローズ７６全体を通して温度
勾配が均一になるような熱伝達の分布を各部分に与える
ことになる。

階段状のシールプレート４４は上記したシール手段と組
み合わせて使うとき格別の利点が得られる。多くの燃焼
ガスの通路の全部にわたり均一な温度を維持するための
試みがあるにもかかわらず、例えば、反応管２２の外側
リングの周囲のシールプレート４４部分が内側リングの
周りよりも高い温度になることを避けるのは難しい。単
一のシールプレートに関してこうした温度差は局部的に
熱膨張差を生じさせることになり、シールプレートに一
段と大きい荷重を負わせ、しかもシール部材の移動量が
大幅に増加することにより座屈が発生する原因となる。

この理由からシールプレート４４は縦方向の３枚の結合
片４８によって結合された３枚の環状のプレート４６か
ら構戊される。

したがって、各プレート４６は結合片４８が熱膨張差を
許容するために変位しても、それ自身が受ける温度に従
って膨張するだけであり、シールプレート４４を常に平
らな状態に置き、上記したような気密状態を維持する。

第５図は本発明の別の実施例を示している。この実施例
では、オーステナイト系の鋼から作られるＬ字状のプレ
ート８０は縦方向のリング８２および環状のプレート８
４から構成されている。シールプレート４４にはセラミ
ック繊維からなるガスケット９６を装着する外方向に延
在させたシール部８６が形成される。上記実施例と同様
に圧力容器１０に固定されるフエライト系の鋼からなる
固定プレート８８にはセラミック繊維からなるガスケッ
ト９２を装着する下方向に延在させたシール部９０がオ
ーステナイト系の鋼を用いて作られる。これらの気密領
域を含めてＬ字状のプレート８０の全体組立は圧力容器
１０の外で溶接によって行なわれる。この後、プレート
８０は圧力容器１０の内部にシールプレート４４と共に
搬入され、最後に圧力容器１０の内壁１２にプレート８
０の固定プレート８８を溶接して仕上げられる。

〔発明の効果〕

本発明のガス改質装置の出口ヘッダ装置は圧力容器の中
心にあって、圧力容器の壁面から支持され、縦方向の熱
膨張差を吸収して中心位置を保持している。この出口ヘ
ッダ装置は、反応管を順次支持し、反応管の下端に近い
位置にはシールプレートを支える支持片が備えられてい
る。この反応管を取囲み、その外面と間に環状のガス通
路を有するスリーブはシールプレートの開口部にガスケ
ットを双方の間に挟み込み、かつボルトを用いて固定さ
れている。この部分はスリーブがシールプレートと共に
動き、熱膨張差は双方の間に生じないので、上記のガス
ケットによる方法が可能である。また、圧力容器の軸心
に沿って設けられた燃焼ガスの案内管は、それを取囲み
、かつシールプレートと対面してそこに気密を保つシー
ル管と共に、耐火性の被覆材を有する。このシール管は
運転中に温度がかなり高くなるが、その直径が比較的小
さいので、部材同士の間で起こる半径方向の熱膨張差は
比較的少ない。したがって、この部分には一つの部材に
対面して外方向に拡がることのできるシール要素を備え
たシール手段が使用される。このシール手段に求められ
るものは僅かな半径方向の伸び差に従いつつ、縦方向の
伸び差には滑りながら応じられるという二つの働きであ
る。

さらに、シールプレートの外側部分は好ましくは圧力容
器との間にベローズを介在させて気密を保持する。この
ベローズはシールプレートと同様にオーステナイト系の
鋼から作られ、その下端が温度条件および熱膨張挙動が
ほぼ同様であるシールプレートに固定される。このベロ
ーズの下部には温度勾配の平準化を果たすために蛇腹構
造の部分から離して配置される真直な円筒部が備えられ
る。

ベローズは蛇腹構造の側壁を経てオーステナイト系の材
料からなるもう一つの環状の部材に固定されたプレート
の他端にかけて延びる。しかし、この環状の部材は圧力
容器に水平に溶接された環状のプレートに溶接により固
定される。ベローズの上端における温度は圧力容器の壁
面の温度に近づくから、ベローズと第１の環状のプレー
トとの間で大きな熱的ひすみは発生しない。オーステナ
イト系材料のプレートと、フエライト系材料のプレート
との結合点は比較的低い温度領域に置かれ、双方のひず
み量の差は材料の熱膨張率の差のために起こるものに限
られる。伸び差による縦方向の変位は従来から知られた
方法によりベローズが受け持つ。一方半径方向の変位は
温度勾配を適切に調節する方法によって吸収される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るガス改質装置の実施例を示す縦断
面図、第２図はシールプレートとスリーブの結合部の詳
細を示す断面図、第３図はシールプレートとシール管と
の間に設けられるシールの詳細を示す断面図、第４図は
シールプレートと圧力容器との間に設けられるシールの
詳細を示す断面図、第５図は本発明の他の実施例を示す
断面図である。 １０・・・圧力容器、１７・・・案内管、１８・・・シ
ール部、２２・・・反応管、２４・・・スリーブ、３２
・・・入口ヘッダ、４０・・・出口ヘッダ、４４・・・
シールプレート、５２・・・支持片、５５・・・ガスケ
ットシール、６２・・・内側シール、６９・・・外側シ
ール、７２、８８・・・固定プレート、７６・・・ベロ
ーズ、８０・・・Ｌ字状プレート、 ９２・・・ガスケット。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、断熱面を内部に形成する壁面を有する圧力容器と、
   前記圧力容器内の中心にあって、前記壁面からある間隔
   を置いて支持された改質ガスの出口ヘッダ装置と、前記
   圧力容器の軸心に沿って設けられた燃焼ガスのための案
   内管と、前記出口ヘッダ装置の上方にあって、前記案内
   管と前記圧力容器の壁面との間の空間をわたって設けら
   れたシールプレートと、前記出口ヘッダ装置に下端を支
   持されると共に前記シールプレートに穿たれた開口部を
   貫いて上方に延在しかつそれぞれ前記開口部のまわりに
   環状のガス通路を有する複数の反応管と、前記シールプ
   レートを支持するために前記反応管に設けられた複数の
   支持片と、前記シールプレートの上面に支持され前記反
   応管と前記シールプレートとの間の前記ガス通路を介し
   て前記シールプレートの下側に備えられる出口プレナム
   と連通させた環状空間を該反応管との間に形成する複数
   のスリーブと、前記スリーブと前記シールプレートとの
   間に介装されたシール部材と、前記シールプレートと前
   記案内管との間にあって軸方向に圧縮された状態で半径
   方向に変形して気密を保つ内側シール部材と、前記シー
   ルプレートと前記圧力容器の壁面との間に設けられ対角
   線的に変位可能な外側シール手段と、を具備してなるガ
   ス改質装置。