JPH0323201A - 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】 （産業上の利用分野） この発明は、例えば燃料電池用の水素を、炭化水素のス
チームリフオーミングにより製造するための炭化水素の
改Ｍ装四に閏するものである。

〔従来の技術〕

従来、炭化水素の改質装置としては、例えば特公昭５　
７　−　７　５．３　８　０公報で提案されているよう
な多管式のものが知られている。これは、炉内に複数本
の反応管を互いに離して配置したものである。

〔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、複数本の反応管の
互いの間に所定の空間を設けることが伝熱上必要なため
に炉全体の容積が比較的大きくなる。また、反応管を加
熱する燃焼ガスのそれぞれの反応管への分散が不均一に
なり易いために、構造的変形が生じ易く、また触媒の寿
命も不均一になり易いという問題を有している。さらに
上記構造変形、すなわち反応管の曲りも不均一であるた
めに、曲がっても隣接する反応管が接触しないような間
隔に互いに離して配置する必要があり、これによっても
装置全体が大型化する要因となる。

そこで、炭化水素改質装置を第８図に示すように１バー
ナー多重管式に構成することが考えられる（特願昭６３
−９４０８３号参照〉。これは燃焼バーナー２を中心と
してこの周囲に３つの筒体１１０．１２０．１３０を同
軸に配置することにより、これらの筒体間に内層通路１
４０と外層通路１５０とを形成するとともに、これらの
通路１４０，１５０の一端部を互いに連通ずるようにし
て反応管１００を構成し、燃焼バーナー２による燃焼ガ
スがこの反応管１００の内周面から外周面に沿って誘導
されるようにしたものである。

ところが、この１バーナー多重管式の炭化水素改質装置
において、このｖ４造をそのまま大規模な改質炉として
採用する場合には、次の問題点がある。上記２つの筒体
１１０，１３０が大型化することにより、その筒休１１
０．１３０の肉厚も必然的に大きくなる。この肉厚が大
きくなると、その分だけ伝熱性能が低下することになる
。また上記１バーナー多重管式ではｍ焼バーナー２から
の燃焼ガスの方が反応管１００内部の原料ガスよりも一
般にその圧力が低く、このため上記筒体１１０には内外
の差圧に相当する外圧がその外周面に作用する。このた
め上記筒体１１０には座屈に抵抗するだけの分厚い肉厚
が必要となる。さらに上記燃焼バーナー２への燃料の供
給や、反応管１００への原料ガスの供給などを制即する
ことにより、上記差圧をなるべく小さくするように制御
することも考えられるが、この制御のため全体のシステ
ムが１１雑になる。

この発明は、このような事情に鑑みてなされたものであ
り、大規模化に適し、反応管の大肉厚化を防止して伝熱
性能の低下を防止することができ、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、この発明では炉体と、この
炉体の内部空間の中心部と外周部とを、これらの上下方
向一端部が互いに連通した状態で区分けする仕切り用筒
体と、１Ｍ媒が充填された複数の反応管と、上記中心部
の上下方向他端部に配置され、燃焼ガスを供給する給熱
手段と、上記燃焼ガスを上記中心部から外周部にＩ？導
する燃焼ガス誘導路とを有し、上記反応管は一組の上下
方向管によってＵ字状に形成されるとともに、上記゛上
下方向管が上記給熱手段を中心として内外側に位置する
ように放射状に配置され、上記反応管には一端に原料ガ
ス供給管、他端に改質ガス取出し管がそれぞれ接続され
、上記一組の上下方向管の間には上記仕切り用筒体が挿
入され、上記反応管は上記仕切り用同体によって上記燃
焼ガス誘導路に沿って配直されているように構成した。

また請求項２では、上記請求項１において複数の反応管
と原料ガス供給管とがマニホールドを介して互いに接続
され、上記反応管とマニホールドとの間にはこのマニホ
ールドの内径よりも小さい内径を有する縮径部が形成さ
れているように構成した。

（作用） 上記請求一項１の構成によれば、複数の反応管において
、炉休の径方向についてはその温度に違いはあっても、
周方向にはその温度分布が一定となるために変形が生じ
ても炉体の径方向に起るため、上記複数の反応管を周方
向に互いに近接して配置することができ、これにより装
置全体をコンパクトにすることができる。

また反応管をＵ字状管によって構成しているために、反
応管に作用する差圧は管の内方から外方への内圧となる
ために、第８図に示す反応管に外圧が作用する場合にお
ける座屈防止対策を考慮しなくてもよくなる。さらに反
応管の径が小さくなることにより、必然的に第８図に示
す反応管を用いる場合と比べて肉厚を薄くすることがで
きる。

また所定の差圧に保つためのＩＩ１１御も不要となる。

請求項２の構成によれば、マニホールドに供給された原
料ガスは、反応管のマニホールド側に縮｛￥部が形威さ
れているために、まずマニホールドの内部に充満し、そ
の後に反応管に流入する。このため複数の反応管に対し
て均等に分配される。

（実施例） 第１実施例が示された第１図において、改質装ａは反応
管１と、燃焼バーナー（給熱手段｝２と、燃焼ガス誘導
路３と、炉体４とから基本構成されている。

反応管１は、第１図および第３図に示すようにＵ字状管
１１によって＃Ｉ成され、この反応管１の上端には円環
状の大小一対のマニホールド１２，１３が連結され、こ
のマニホールド１２．１３には原利ガス入口管１４と、
改質ガス出口管１５とが連結されている。上記Ｕ字状管
１１は同じ内径の一対の上下方向管１１１，１１２が下
端部１１３で互いに一体連結されたもので、それぞれの
上靖部にはその内径を上記マニホールド１２．１３より
も小さくなるように縮径された縮径部１１４．１１５が
形成されている。この複数のＵ字状管１１は、第２図に
示すように炉体４の内部空間．内に放射状に配画され、
これにより上記Ｕ字状管１１を構成する一対の上下方向
管１１ｉ．１’Ｔ２が同一の径方向に並び、一方が内側
、他方が外側に配置される。

上記反応管１の内側上下方向管１１１の上端縮径部１１
４が内銅マニホールド１２、外側上下方向管１１２の上
靖の縮径部１１５が外側マニホールド１３とそれぞれ接
続されている。また上記内側マニホールド１２には原料
ガス入口管１４が接続され、また上記外側マニホールド
１３には改質ガス出口管１５が接続されている。これに
よって原料ガス入口管からの原料ガスが内側マニホール
ド１２を介してｌｉ数のＵ字状管１１に分岐して供給さ
れるとともに、上記Ｕ字状管１１からの改質ガスが外側
マニホールド１３によって集められ、これが改質ガス出
口管を通して炉体４の外部に取出される。

また上記一対のマニホールド１２．１３が炉体４の益部
４０に支持ざれることにより、複数の反応管１はその下
端部１１３が炉体４の内部底而４１から所定間隔上方に
離されて浮いた状態で炉体４に支持される。

上記Ｕ字状管１１の内外便の上下方向管１１１．１１２
の間には仕切り用筒体３０が上方から挿入され、この仕
切り用筒体３０はその上部が炉体４によって支持されて
いる。また炉体４の内部空間の中心部上方には、燃焼バ
ーナー２がその先端を上記仕切り用筒休３０の内部空間
に臨ませて配置され、この燃焼バーナー２は耐熱タイル
２１を介して位置固定されている。

この仕切り用笥体３０の内部空間によって１５焼ガスの
中心部誘導路（中心部）３１、上記仕切り用筒休３０の
下端と炉体４の内部底面４１によって下端部誘導路３２
、上記仕切り用筒体３０の外周面と炉体内周面４２とに
よって外周側誘導路（外周部〉３３がそれぞれ形成され
る。上記燃焼バーナー２に供給された燃料および空気が
燃焼されることにより、その燃焼ガスが上記中心部誘導
路３１、下端部誘導路３２および外周側誘導路３３に沿
って流れ、この燃焼ガスは炉体４に貫通された燃焼ガス
出口管３４を通して放出される。

上記反応管１のＵ字状管１１の内部には改質触ＩｊＸＳ
（例えばアルミナ一ニッケル系の改質触Ｗ）が充填され
、内外で一対の上下方向管１１１．１１２によって反応
管１の高さのほぼ２倍に相当する長さの改質触媒層が形
成される。

また外周ｍ誘導路３３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
に漠整され、伝熱が促進される。

上記構成の改質装置においては、燃焼バーナー２に例え
ばメタンなどの燃料と空気とを供給してｍ焼させること
により、燃焼・ガスが発生される。

このＭ焼ガスは中心部誘導路３１に沿って下降し、下端
部誘導路３２で折返した後、外周側誘導路３３を上昇し
て燃焼ガス出口管３４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原料ガス入口管１４から内側
マニホールド１２に供給される。

この内鋸マニホールド１２と、このマニホールド１２か
ら分岐する複数のＵ字状管１１の内側上下方向管１１１
とは、縮径部１１４を介して接続されているために、上
記原料ガスはまず内側マニホールド１２の内部に充満す
る。そしてこの原料ガスは上記充満の後に、内側マニホ
ールド１２から各Ｕ字状管１１へ流れるために、各Ｕ字
状！！１１への原料ガスの分配をほぼ均等に行うことが
できる。

上記原料ガスは内側上下方向管１１１に沿って下降する
とともに、その下端部１１３で折返して外側上下方向管
１１２を上昇する。このＵ字状管１１内の触媒層Ｓ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
スは外側マニホールド１３に集められ、改質ガス出口管
１５を通して取出される。

上記燃焼ガスが燃焼バーナー２から燃焼ガス出口管３４
まで誘導される間に、上記内側上下方向管１１１の触媒
層は中心部誘導路４１内の燃焼ガスから、また外側上下
方向管１１２の触媒層は外周側誘導路３３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。

上記炭化水素改質装置においては、反応管１を複数のＵ
字状管１１によって構或しているために、Ｎ焼ガスから
の熱をＵ字状管１１の全外周面から受けることができ、
燃焼ガスの熱を効率よく利用することができる。しかも
反応管１における原料ガスの通過良さは従来の一直線状
のものと比べてほぼ倍になるために、触媒層の容積をほ
ぼ倍に増大させることができ、これにより触媒反応が増
大し、発生する改質ガス量を増大させることができる。

また上下方向１！１１１および１１２において、この上
下方向管１１１および１１２の表面の温度は炉体４の径
方向に対しては違いはあっても、炉体４の周方向に対し
てはその温度分布はほぼ一定となるために、上記周方向
に対しては反応管の熱による伸縮量はほぼ一定となる。

このため複数の反応管を上記周方向に互いに近接して配
置することができ、これにより＠置全体をコンパクトに
することができる。

反応管を複数のＵ字状管によって構成しているために、
！！焼ガスと原料ガスとの圧力差に起因する差圧は反応
管に対してその内方から外方への内圧として作用する。

このために、第８図に示す筒体に差圧どして外圧が作用
する場合の座屈防止対策として肉厚を大きくする必要が
なく、これにより上記筒体を用いる場合と比べて肉厚を
薄くすることができ、伝熱性能を損うこともない。

また内側マニホールド１２と各Ｕ字状管１１とは縮径部
１１４を介して連結されているために、上記内側マニホ
ールド１２に供給された原料ガスはまず上記内側マニホ
ールド１２内に充満し、その後に各Ｕ字状管１１に流れ
る。これにより複数のＵ字状管１１への分配が均等に行
われる。また燃焼バーナを中心にＵ字状管を放朗状に配
置することにより各Ｕ字状管の受熱状態が一様になこと
により各Ｕ字状管１１での触媒反応が均一化ざれ、その
構成材料や触媒などの寿命を均一化することができる。

さらに誘導路３１．３２．３３内の燃焼ガスと、反応管
１の内、外側上下方向管１１１，１１２内の原料ガスも
しくは改質ガスとは互いに並行して流れるように構成（
盤行流）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３１の上端部において、燃焼ガスと原料
ガスもしくは改質ガスとの温度差は比較的大きくなる。

このため、原料ガスの入口部分である内側上下方向管１
１１の上端側では上記温度差が大きい分だけ伝熱量が大
きく、燃焼バーナー２での燃焼直後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ｇＸ層Ｓ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。

なお、外周側誘導路３３内に充填された充填物Ｂの吊も
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。したがって上記充填物
Ｂを全く充填しないようにしてもよい。

なａ３、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、これらが対向流となるように構成してもよい
。この場合には内側マニホールド１２に改質ガス出口管
、外側マニホールド１３に原料ガス入口管をそれぞれ連
結するように構成すればよい。

第４図および第５図には第２実施例が示されている。こ
れは第１図に示す第１実施例のＵ字状管１１の一対の上
下方向管の内径を互いに異ならせて構或したものである
。すなわちこの第２実施例では、比較的小径の管によっ
て内側上下方向管１１１ａ、比較的大径の管によって外
側上下方向管１１２ａをそれぞれ構或し、下端部１１３
ａでその内径が徐々に大きくなるように互いに一体的に
連結している。

この第２実施例において、内側上下方向管１１１ａでは
この管が比較的小径であるとともに、原料ガスが下降流
であるために、その原料ガスの流速が比較的速くなるが
、中心部誘導路３１から比較的′Ｉｓ瀉の輻躬熱を受け
て急激に触媒反応が起こるために、原料ガスの改質を十
分に行うことができる。一方、外側上下方向管１１２ａ
では比較的大径であるとともに，ＵＡ料ガスが上ｔＮＲ
であるために、その原料ガスの流速が比較的遅くなり、
これにより触媒Ｂの流動化を防止することができる。

しかも外周Ｉｌ誘導路３３から受ける輻躬熱は比較的小
さいために、原料ガスの流速を比較的遅くすることによ
り触媒反応を十分に行うことができる。

また第２図に示す第１実施例では複数の内側上下方向管
１１１同士を互いに近接させて配置しても外側上下方向
管１１２間には比較的大きい空間が残るが、この第２実
施例では第５図に示すように複数の外側上下方向管１１
２ａが比較的大径に形成されているために空間の有効利
用を図ることができる。

第６図および第７図には第３実施例が示されている。こ
れは反応管１ｂを１本の内側上下方向管１１ｂと複数木
《図例では２本）の外側上下方向管１１２ｂ，１１２ｂ
とによって側面視でＵ字状となるように構成したもので
ある。すなわち下端部１１３ｂで二股に分岐させるとと
もに、２本の外側上下方向管１１２ｂの内空断面積の合
計が内側上下方向管１１１ｂの内空断面積よりも大きく
なるようにしたものである。

この第３実施例においては、原料ガスが内側上下方向管
１１１ｂを下降して下端部１１３ｂで２本の外側上下方
向管１１２ｂｌ．：流入することにより、この外側上下
方向管１１２ｂにおいては、第２実施例と同様に原料ガ
スの流速を比較的遅くさせることができ、これにより触
媒の流動化を防止することができる。また外周側誘導路
３３から受ける輻射熱はその温度がある程度低くなって
いるが、上記流速が比較的遅くなるために触媒反応を十
分に行なわすことができる。

さらにこの第３実施例では、第７図に示すように第１実
施例において存在する外側」一下方向管１１２ｂ間の空
間を有効利用することができる。これと同時に、外側上
下方向管１１２ｂ全体の外表面積が単一の外側上下方向
管によって構成づ−る場合に比べて大ぎくなるために、
その分／ｅけ伝熱面積も大きくなり、これにより触媒反
応のための給熱を効率よく行うことができる。

なお第１の実施例に示す炭化水素改質装霞は、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。

またこの発明の変形例として、反応管を例えば逆Ｎ字状
もしくはＷ字状などに屈曲形成した複数の管によって構
成することも考えられる。

（発明の効果） この発明の請求項１の炭化水素の改質装置によれば、反
応管をＵ字状管によって構成しているために、反応管に
作用する差圧は管の内方から外方ヘの内圧となり、第８
図に示す筒体によって構成した場合に必要とされる座屈
防止対策が不要となる。これにより比較的大規模な改質
装［（例えば改質ガス（水素〉の発生量が１０００Ｎ１
ｔ／ｈ以上〉にこの構造を適用した場合において、上記
座屈防止のための大肉厚化を回避することができ、伝熱
性能の低下を防止することができる。したがって比較的
大演模な改質装置への適用が容易となる。

また複数の反応管において、炉体の径方向についてはそ
の濶度に適いはあっても、周方向にはその温度分布が一
定となるために、上記複数の反応管を周方向に互いに近
接して配酉することができ、これにより装置仝休をコン
パクトにすることができる。

さらに反応管をＵ字管によって構成しているために、触
媒層の長さは従来の一直線状のものと比べてほぼ倍にな
り、これにより改質ガス量の増大を図ることができる。

請求項２の構成によれば、マニホールドに供給された原
料ガスは、反応管のマニホールド側に縮径部が形成され
ているために、まずマニホールドの内部に充満し、その
後に反応管に流入する。このため複数の反応管に対して
原料ガスが均等に分配され、これにより反応管の構成材
料や触媒などの寿命を複数の反応管で均一化することが
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。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第１実施例を示す断面説明図、第２
図は第１図の■一■線における断面説明図、第３図は第
１実施例の反応管を部分的に示す斜視図、第４図は第２
実施例を示す第１図相当図、第５図は第４図のｖ−ｖ線
における断面説明図、第６図は第３実施例の第３図相当
図、第７図は第３実施例における第２図相当図、第８図
はこの発明の基礎となる構成を示す断面説明図である。 １．１ａ．１ｂ・・・反応管、２・・・燃焼バーナー３
・・・燃焼ガス誘導路、４・・・炉休、１１．１１ａ，
１１ｂ・・・Ｕ字状管、１２・・・内側マニホールド、
１３・・・外側マニホールド、３０・・・仕切り用筒体
、３１・・・中心部誘導路、３３・・・外周ＩＩ誘導路
、４１・・・炉体の内部底面、４２・・・炉体の内周壁
、１１１，１１１ａ．１１１ｂ−・・内側上下方向管、
１１２．１　１　２ａ．　１　１　２ｂ−”外側上下方
向管、１１４，１１５・・・縮径部、Ｓ・・・触媒。 第　　１ 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、炉体と、この炉体の内部空間の中心部と外周部とを
   、これらの上下方向一端部が互いに連通した状態で区分
   けする仕切り用筒体と、触媒が充填された複数の反応管
   と、上記中心部の上下方向他端部に配置され、燃焼ガス
   を供給する給熱手段と、上記燃焼ガスを上記中心部から
   外周部に誘導する燃焼ガス誘導路とを有し、上記反応管
   は一組の上下方向管によつてＵ字状に形成されるととも
   に、上記上下方向管が上記給熱手段を中心として内外側
   に位置するように放射状に配置され、上記反応管には一
   端に原料ガス供給管、他端に改質ガス取出し管がそれぞ
   れ接続され、上記一組の上下方向管の間には上記仕切り
   用筒体が挿入され、上記反応管は上記仕切り用筒体によ
   つて上記燃焼ガス誘導路に沿って配置されていることを
   特徴とする炭化水素の改質装置。 ２、複数の反応管と原料ガス供給管とはマニホールドを
   介して互いに接続され、上記反応管とマニホールドとの
   間にはこのマニホールドの内径よりも小さい内径を有す
   る縮径部が形成されていることを特徴とする請求項１記
   載の炭化水素の改質装置。