JPH04119901A

JPH04119901A - 改質管および改質装置

Info

Publication number: JPH04119901A
Application number: JP23910790A
Authority: JP
Inventors: Yasumasa Idei; 安正出井
Original assignee: Ube Industries Ltd
Current assignee: Ube Corp
Priority date: 1990-09-11
Filing date: 1990-09-11
Publication date: 1992-04-21
Anticipated expiration: 2013-03-25
Also published as: JP2730283B2

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〕本発明は、原燃料として管内に都市ガス、ＬＰＧ、メタ
ノール、灯油等の炭化水素系燃料をスチームと混合して
流し、外部から加熱して水素と一酸化炭素が主体のガス
を得る改質管、および同改質管を備えた改質装置に係り
、詳しくは改質管内の圧力損失を下げて必要伝熱面積お
よび触媒量を減少しうる改質管および改質装置に関する
ものである。

〔従来の技術〕

都市ガス等の炭化水素燃料を改質する改質管および改質
装置は例えば特開平１−２９０５０２号公報に示されて
いる。この改質管には管の内部に全長にわたって改質触
媒が充填され、該改質触媒は管端部に詰められた充填物
を押さえ筒で押し付けることにより管内に密に詰められ
た状態にされている。この改質管の内部には都市ガス等
の炭化水素系燃料とスチームが供給され触媒層を流通さ
せられる。そして、改質管は加熱された流動床に外部か
ら接触されて加熱され、これにより炭化水素系燃料は触
媒層を通りながら熱を吸収し、触媒の作用で次第に分解
されていき、水素と一酸化炭素の濃度の濃いガスに改質
される。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記のように内部に触媒を密に充填した
改質管では都市ガス等の原燃料の圧力が例えば１ｋｇ／
ｄＧ程度と低い場合、改質管内の圧損がネックとなって
１本の改質管に流し得る原燃料ガス量に限度があり、あ
る程度までしか上げられない。そのため、改質管内の触
媒の充填層伝熱が律速となって伝熱面積が多く必要とな
る。即ち、管内を流れる原燃料ガス量が少なければ管内
側の伝熱係数が小さく、これがネックになるため改質に
必要な所定の熱量を与えるためには伝熱面積を大きくせ
ねばならな”い。即ち、管径又は管長を大きくする必要
がある。管径又は管長が大きくなればその管内に充填す
る触媒量も大きくなり、例えば改質に必要な触媒量の約
２倍充填することにもなり不経済であった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり
、改質管内の圧力損失を減らして原燃料ガスの供給圧が
比較的低い場合であっても管内を流れる原燃料ガス量が
多くなるようにし、所定の改質率を得るに必要な伝熱面
積および触媒量を減少しうる改質管および改質装置を提
供することを目的とするものである。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は、（１）外部から
加熱して炭化水素系燃料の改質を行う改質管であって、
改質触媒と充填物とを混合して形成した触媒充填層を内
部に有してなる改質管としたものである。また、（２）上記（１）の改質管であって該改質管を水平改質
管としたものである。また、（３）改質触媒と充填物とを混合して形成した触媒充填
層を内部に有してなる水平改質管を流動床により加熱す
る改質装置としたものである。

〔作　用〕

請求項（１）の改質管では、改質触媒と充填物（熱伝導
性の良い材質（例えば金属製）からなり内部に空間を有
する例えば円環状等の形状のもの〕を所定の容積比で、
例えば、触媒と充填物とを容積比で２対１というように
、均一に混合して触媒充填層としこれを改質管内に密に
して有せしめる。

従って、この改質管には所定の空間率が確保され、ガス
流通抵抗（圧損）が減少されてより多くの力゛ス量が流
れ、管内の充填層伝熱係数が大きくなり伝熱面積は少な
くなる。このため改質管のバス数や触媒量が減少される
。

請求項（２）の改質管では、上記作用に加えてさらに、
改質管が水平であることにより、触媒の粉化が防止され
触媒の寿命が著しく長いものとされる。

即ち、改質管は触媒よりも熱膨張係数が大きく運転時に
改質管が膨らむが、水平改質管である故、触媒層が薄い
ため運転停止時に改質管が収縮しても触媒の粉化が起こ
らない、因みに、従来から一般的に多く採用されている
竪方向に長い垂直改質管では運転時に改質管が膨らみ触
媒層に隙間が生じ、できた隙間は自重で触媒が詰まる。

そして、停止時に改質管が収縮して触媒を圧潰し、粉化
させる。このため、触媒の寿命が著しく短いものとなっ
ていた。本発明の水平改質管では、特に燃料電池用改質
装置として採用した場合、この装置では起動停止が頻繁
に行われるため触媒の寿命において著しく有利である。

請求項（３）の改質装置では、上記（１）、（２）の作
用にに加えて、水平改質管の加熱が流動床によって行わ
れるので効率の良い改質作用が行われると共に改質管が
均等に加熱されて局部加熱が避けられ改質管や触媒の寿
命が長くされる。そして、改質管を水平にすることによ
り、垂直改質管に比べて流動床の高さを低くでき、装置
の全体高さ香低くできると同時に空気ブロワ−の動力を
小さいものにすることができる。

〔実施例〕

以下、図面に基づき、本発明の詳細な説明する。

第１図および第２図は本発明の改質管を装備した改質装
置としての流動床改質炉の全体構成を示すものであり第
１図は縦断正面図、第２図は第１図の■〜■線矢視断面
図、第３図は本発明に用いられる充填物の種々の例を示
す斜視図、第４図は本発明の水平触媒管内に改質触媒と
充填物を混合した触媒充填層を形成させた状態を示す縦
断面図である。

先ず、流動床改質炉の全体構成を第１図および第２図に
基づいて説明する。

ｌＯは炉体であり、流動室７０内には炉体１０の炉底１
０ａ上にガス分散部２０が設置され、その上方の流動室
７０内にはガス分散部２０と所定の距離をおいて上下に
複数本（本実施例では上下４段）の改質管としての触媒
管８０が流動室７０を横断して水平状態で配置されてい
る。第１図に示すように、最下段と２段目、３段目と４
段目の触媒管８０はそれぞれ端部同士を連絡管８０ａで
連通され、２段目と３段目の触媒管８０は前記とは反対
側端部を連絡管８０ｂで連通されている。

８１は例えば都市ガス等の炭化水素系燃料とスチームと
を触媒管８０内へ供給する下部供給管（ヘッダ）、８２
は触媒管８０内で改質されて得られた水素ガスや一酸化
炭素ガスが取り出される上部排出管（ヘッダ）である。

ガス分散部２０は、空気へラダ３１から分岐され炉底１
０ａ上に載置されて配置された空気管３０とこの空気管
３０にその軸線方向に間隔をおいて取付けられた多数の
空気分散管４０、及び、空気分散管４０の上方位置でガ
ス燃料供給ヘッダ５１から分岐されて空気管３０とほぼ
平行に配置されたガス燃料管５０、このガス燃料管５０
にその軸線方向に間隔をおいて取付けられ前記隣合う空
気分散管４０の間に位置された多数のガス燃料分散管６
０から構成されている。運転していないときには炉底１
０ａから所定高さ上方位置に上面を位置させて流動媒体
１００が充填（静置）されている。なお、第１．２図に
は流動媒体１００が流動化して流動床Ｆを形成している
状態を示している。流動室７０の上方のフリーボード７
０ａには燃焼排ガス取出管９０が取付けられている。９
０ａは排ガス排出管である。

しかして、触媒管８０内にはその長手方向にわたって第
４図に示すように改質触媒１１０と充填物１２０が均等
に混合されて形成された触媒充填層１３０が密な状態で
充填されている。各触媒管８０内の触媒充填層１３０は
それぞれへラダ８１．８２例の触媒管８０の端部を押さ
え筒８３により押し込まれることにより密な状態で充填
される。

第４図に示した改質触媒１１０は円筒形状のものを一例
として示している。この改質触媒１１０としてはバナジ
ウムやニッケル系等の触媒が用いられる。充填物１２０
はステンレス鋼製で第３図（ａ）に示した円筒形のラシ
ヒリングと呼ばれるものが図示しである。

第３図に本発明に適用される種々の充填物の例を示す。

第３図（ａ）はラシヒリング１２０、第３図（ｂ）はレ
ッシングリング１２１、第３図（ｃ）はベルルサドル１
２２、第３図（ｄ）はインタロックスサドル１２３、第
３図（ｅ）はテラレット１２４、第３図（ｆ）はポール
リング１２５と呼ばれる充填物を各々示し、いずれも内
部に空間部１２０ａ〜１２５ａを有しており所要の空間
率を有している。

このような改質触媒１１０と充填物１２０〜１２５とを
例えば２対１の容積比で均一に混合して触媒充填層１３
０として触媒管８０内に形成させる。これにより、触媒
充填層１３０の内部には所定の空隙率が付与され、触媒
管８ｏの差圧（圧損）を従来の触媒のみを充填した触媒
管と同一に保っても触媒管８０の１本当たりの流せる原
燃料ガス量が例えば約３０％と増やされる。従って、触
媒管８０内の充填層伝熱係数（充填層伝熱量）が増加さ
れ、結果として伝熱面積も減少され、触媒管８０のバス
数（必要本数）が約３０％減少されてバランスされる。

結果として、触媒量は約５０％となる。

本発明では、所定の改質率（例えば９３％以上）を得る
のに必要最小限の触媒量を確保することを前徒に、触媒
量が触媒管８０の容積の２／３以上となるように触媒１
１０と充填物１２０〜１２５と均一に混合して触媒充填
層１３０を形成させるようにする。

このような触媒管８０は、第１図、第２図に示すように
流動床Ｆとの接触によって均等に加熱される。即ち、流
動床Ｆはガス分散部２０の多数の空気分散管４０から供
給される燃焼用兼流動化用空気によって流動化されて層
高が高（なっており、ガス燃料分散管６０から供給され
るガス燃料の燃焼によって所定温度、例えば約８００°
Ｃの均等温度に保たれており、触媒管８０は流動床Ｆに
接触したりまたは埋没されたりすることにより均等に加
熱される。そして、下部供給管８１から最下段の触媒管
８０内へ供給される例えば都市ガス等の炭化水素系燃料
とスチームは最下段の触媒管８０から上段側の触媒管８
０へと連絡管８０ａ、８０ｂを介して流れ、この間で、
炭化水素系燃料とスチーム、および改質触媒１１０は充
填物１２０を介して均等に熱を吸収しつつ、改質触媒１
１００作用で炭化水素系燃料は水素ガスや一酸化炭素ガ
スの濃度の高いガスに改質される。このようにして得ら
れたガスは最上段の触媒管８０の上部排出管８２から取
り出され、水素ガスは燃料電池等に利用される。燃焼排
ガスはフリーボード７０ａを上昇し排ガス取出管９０へ
吸引され排ガス排出管９０ａから取り出される。

触媒管８０は水平状態で配置されており、垂直方向での
触媒層の厚みが薄いものとされている。

このため、この流動床改質炉を運転・停止が比較的頻繁
に行われる燃料電池用改質装置として用いても、触媒管
８０が熱により膨張して収縮したときに触媒充填層１３
０が圧縮されることがなく、従って、触媒１１０自体が
圧潰・粉砕されることがない。

ここで、従来形の触媒管と本発明による触媒管８０によ
る実験例を説明する。

触媒管８０として、内径８０ｍｏ＋、触媒充填層１３０
の充填長さ１６００ｍ（１本当たり）が４列高さ方向に
シリーズ（直列）に繋がっており〔第１．２図に示した
と同様〕、水平方向には上記高さ方向の各列当たり３０
本〔第１．２図では４本〕が並び、原燃料ガスとしての
都市ガスが各々パラレル（並列）に供給される触媒管を
用いた。

改質触媒１１０としてはニッケル系触媒で寸度が外径１
６５ｗ＋φ×高さ１０ｍｍ／で中心部が孔明きされた円
筒状の触媒を用いた。

充填物１２０としてはステンレス鋼製の口径が１／４イ
ンチのラシヒリングを用いた。

〔実験例〕

充填物１２０を混合しないで触媒のみを詰めた従来形の
触媒管の場合、この触媒管（水平方向３０本）の全てを
使って供給圧１ｋｇ／ｃｄＧの原燃料ガスとして都市ガ
スを触媒管に供給して所定の改質率（９３％）を得る改
質を行ったところ触媒管全体の差圧（圧損）が０．６ｋ
ｇ／ｃ１ｉｌであった。

これに対して、改質触媒１１０と充填物１２０を容積比
で２：１となるように均等に混合して触媒充填層１３０
となし、これを内部に充填した本発明の触媒管８０で°
は、同一供給圧・種類の原燃料ガスを流した場合、水平
方向で２１本でもって触媒管８０の差圧が約０．６ｋｇ
／ｄであって所定の改質率（９３％）を達成することが
できた。

このことから、本発明の触媒管８０では、圧損が減少さ
れてガス流通が容易ならしめられ、管内に触媒のみを詰
めた触媒管に比べて、所定の改質率（９３％）を得るの
に伝熱面積を３０％（（３０−２１）／３０＝０．３１
、触媒量を約半分（７０％ｘ（２／３）　＝４７％ｌ　
と相当量減少させうることが分かる。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明では、請求項（１）の改質管では、改質管に所定の空間率が付
与されるためガス流通抵抗（圧損）が減少され、より多
くのガス量を流すことができ、管内の充填層伝熱係数を
大きくして伝熱面積を少なくすることができる。従って
、改質管のパス数や触媒量を減少させて所定の改質をさ
せることができる。

請求項（２）の改質管では、上記効果に加えてさらに、
改質管が水平であることにより、熱による管膨張、収縮
による触媒の粉化が防止され触媒の寿命を著しく長いも
のとすることができる。この水平改質管は、特に運転、
停止が比較的頻繁に行われる改質装置、例えば燃料電池
用改質装置として採用した場合に触媒の寿命において著
しく有利なものとすることができる。

請求項（３）の改質装置では、上記（１）、（２）の効
果にに加えて、水平改質管の加熱が流動床によって行わ
れるので効率の良い改質作用を行わせることができると
共に改質管を均等に加熱して局部加熱を避けることがで
き改質管や触媒の寿命を長くすることができる。そして
、改質管を水平にすることにより、流動床の高さを低く
でき、装置の全体高さを低くできると同時に空気プロワ
−の動力を小さいものにすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の改質管を装備した改質装
置としての流動床改質炉の全体構成を示すものであり第
１図は縦断正面図、第２図は第１図の■〜■線矢視断面
図、第３図（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ本発明に用いられ
る充填物の種々の例を示す斜視図、第４図は本発明の水
平触媒管内に改質触媒と充填物を混合した触媒充填層を
形成させた状態を示す触媒管の断面図である。１０・・・炉体、１０ａ・・・炉底、２０・・・ガス分
散部、３０・・・空気管、４０・・・空気分散管、４７
・・・空気噴出口、５０・・・ガス燃料管、６０・・・
ガス燃料分散管、６２・・・ガス燃料噴出口、７０・・
・流動室、８０・・・触媒管（改質管）、９０・・・排
ガス取出管、１００・・・流動媒体、Ｆ・・・流動床、
１１０・・・改質触媒、１２０〜１２５・・・充填物、
１３０・・・触媒充填層。第２図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外部から加熱して炭化水素系燃料の改質を行う改
質管であって、改質触媒と充填物とを混合して形成した
触媒充填層を内部に有してなることを特徴とする改質管
。
（２）改質管が水平改質管であることを特徴とする請求
項（１）記載の改質管。
（３）改質触媒と充填物とを混合して形成した触媒充填
層を内部に有してなる水平改質管を流動床により加熱す
ることを特徴とする改質装置。