JPH04357103A - 改質器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、炭化水素系燃料とス
チームとからなる原料ガスから水素を含む改質ガスを反
応生成する改質器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は例えば特開昭６３ー１４７７０８
号公報に記載された従来の改質器を示す断面図であり、
図において１は原料ガス、２は改質ガス、３は内管、４
は内管３の外周側に同心状に配設された外管、５は内管
３と外管４との間に同心状に配設された中間管、６は内
管３と中間管５との間に形成され、原料ガス１が導入さ
れる環状の空隙である第１の環状部、７は第１の環状部
６内に触媒が充填されて形成され、第１の環状部６全域
にわたって単位長さ当たりの圧損値（流路抵抗）が一定
の触媒層、８は中間管５と外管４との間に形成され、第
１の環状部６内に導入された原料ガス１が触媒層７を流
通することにより改質反応が行われて生成された改質ガ
ス２が流通する第２の環状部、９は第１の環状部６の改
質ガス２の排出側に配設され、複数のガス流通孔（図示
せず）が形成され、第１の環状部６内に充填された触媒
を保持する受け皿である。

【０００３】１０は内管３および外管４のそれぞれの端
部に配設された環状エンドキャップであり、この環状エ
ンドキャップ１０は第１の環状部６と第２の環状部８と
を連通し、第１の環状部６から流出する改質ガス２の流
れを反転させ、原料ガス１の流通方向と逆方向に第２の
環状部８内に改質ガス２を流通させる。ここで、これら
３〜１０の部材により環状の反応管１００が構成され、
この反応管１００が複数組み込まれて多管式の改質器を
構成している。

【０００４】１１は環状エンドキャップ１０を囲んで配
設された環状のエンドキャップ断熱材、１２は加熱源で
ある高温の燃焼ガス、１３は内管３の内側に同心状に配
設された芯体、１４は内管３と芯体１３との間に形成さ
れた燃料ガスの流通路、１５は燃料ガスの流通路１４内
に充填された例えばセラミック系材料や金属材料からな
る充填粒子、１６は断熱材である。

【０００５】つぎに、図６に示した従来の改質器の動作
について説明する。炭化水素とスチームとからなる原料
ガス１が例えば４５０℃程度に予熱された後、反応管１
００の第１の環状部６に導入される。第１の環状部６内
に導入された原料ガス１は、触媒層７と接触し、水蒸気
改質反応を生じ、水素、一酸化炭素および二酸化炭素等
の混合ガスである改質ガス２となる。反応の終了した改
質ガス２は例えば８００℃程度の高温となり、受け皿１
０のガス流通孔を通過して環状エンドキャップ１０内に
流出し、環状エンドキャップ１０内で流れを反転されて
第２の環状部８内を原料ガス１の流通方向と逆方向に流
通する。改質ガス２は、第２の環状部８内を流通する過
程で改質ガス２と中間管５との熱伝導が促進され、改質
ガス顕熱が中間管５の管壁を経て触媒層７に回収された
後、系外に排出される。

【０００６】一方、加熱源である燃焼ガス１２はバーナ
（図示せず）より供給され、内管３の内壁部に沿って流
れ、燃料ガス１２のガス輻射により内管３の管壁が加熱
される。さらに、燃焼ガス１２は燃焼ガスの流通路１４
を流通し、充填粒子１５を加熱する。充填粒子１５はあ
る熱容量をもっているので、例えば燃料流量が減少して
も熱容量と放出容量との相関で決まる温度レベルでの固
体輻射熱を放出し、この充填粒子１５の固体輻射により
内管３の管壁が加熱される。この燃料ガス１２は内管３
の内部のみを流通するので、燃料ガス１２のガス輻射お
よび充填粒子１５の固体輻射により内管３の内壁が均一
に加熱され、内管３の管壁を通して触媒層７内が均一に
加熱され、均一な改質反応が得られる。

【０００７】これらの加熱熱量は、触媒層７を流通する
原料ガス１、改質ガス２を加熱する。原料ガス１の加熱
は、触媒反応の出発条件を決めるものであり、改質ガス
２の加熱は、触媒反応の進行度合を決めるものであり、
これらにより燃料流量の変動、特に低下時にも反応条件
の安定化が図れる。

【０００８】また、反応管１００の管壁温度の最高点は
、燃料ガス１２の流れの最も上流側でかつ断熱エンドキ
ャップ１１に覆われていない内管３の管壁部であり、こ
の内管３の管壁部の温度は、内管３内に充満した燃料ガ
ス１２からのガス輻射が支配的となり、燃料ガス１２に
より均一加熱が行える。さらに、各反応管１００毎の内
管３の管壁温度の均一性は、燃料ガス１２の各反応管１
００への供給量を均一化することにより均一加熱が行え
る。

【０００９】ところで、一般的にガスは高温であるほど
体積膨張する特性を有するので、同じように触媒が充填
された部分に同一モル流量を流した場合でも温度が高い
ほど触媒部の単位長さ当たりの圧損値（流路抵抗）は大
きくなる。改質器では、原料ガス１は触媒層７内で改質
反応することにより改質ガス２に変換されるが、この改
質反応はモル増加反応であるので反応が進むほど体積が
増加する。さらに、この反応は温度が高いほど進むので
、温度が高いほど触媒部７の単位長さ当たりの圧損値が
高くなる。触媒層７の温度分布は、触媒層７の原料ガス
１導入側で低く、改質ガス２排出側で高くなっているの
で、触媒層７の単位長さ当たりの圧損値は触媒層７の原
料ガスの流れ方向に対して図７に示すような傾向を示し
、触媒層７の原料ガス１導入側に比べて改質ガス２排出
側では約２倍の圧損値となっている。

【００１０】ここで、多管式の改質器を構成する反応管
１００の中で他の反応管１００の触媒層７に比べて温度
の高い触媒層７を持つ反応管１００があれば、温度の高
い触媒層７を持つ反応管１００の触媒層７の単位長さ当
たりの圧損値が大きくなり、他の反応管１００に比べて
触媒層７に流れるガス流量が減少して触媒層７の圧損値
を他の反応管１００の触媒層７の圧損値に揃えようとす
る。しかし、触媒層７に流れるガス流量が減少すると、
改質反応に必要な吸熱量も減少し、ますますこの反応管
１００の温度が高くなり、他の反応管１００との温度差
が一層拡大されてしまうことになる。

【００１１】特に、改質器の触媒層７の改質ガス２の排
出側では、触媒充填のバラツキや燃焼ガス１２からの熱
供給のバラツキ等の要因から温度差を生じ易く、図７に
示すように触媒層７の改質ガス２の排出側付近の単位長
さ当たりの圧損値が大きいため、たとえ温度差が小さく
とも触媒層７に流れるガス流量分配に与える影響が大き
く、各反応管１００間で触媒層７の改質ガス２の排出側
付近に一旦温度差が発生すると、各反応管１００間に大
きな温度差が発生してしまうことになる。したがって、
各反応管１００間に大きな温度差が生じた場合には、反
応管１００や触媒の寿命は各反応管１００のうち最高温
度のものによって決まるのに対して、反応の進行率は平
均温度に強く依存することにより改質ガスの収率が低下
することになる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の改質器は以上の
ように構成されていたので、多管式の改質器の各反応管
１００の第１の環状部６内に充填された触媒層７の間に
温度差が一旦生じた場合には、その温度差が拡大されて
しまい、改質ガスの収率が低下するという課題があった
。

【００１３】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、各反応管の環状触媒層の改質ガ
ス排出側付近で温度差が生じても、各反応管の環状触媒
層のガス流量分配の変動を抑え、改質ガスの収率を一定
に維持できる改質器を得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】この発明に係る改質器は
、環状触媒層の単位長さ当たりの圧損値を原料ガス導入
側で大きくするものである。

【００１５】

【作用】この発明においては、原料ガス導入側の環状触
媒層の圧損値を大きくしているので、原料ガス導入側の
環状触媒層の圧損値が各反応管の環状触媒層のガス流量
分配を主に支配することになり、各反応管の改質ガス排
出側の環状触媒層間で発生する温度差の影響を低減して
いる

【００１６】

【実施例】以下、この発明の実施例を図について説明す
る。 実施例１．図１はこの発明の改質器の一実施例を示す断
面図であり、図において図６に示した従来の改質器と同
一または相当部分には同一符号を付し、その説明を省略
する。図において、１７は第１の環状部６内の原料ガス
１の導入側に比較的小粒径の触媒を充填して形成された
第１の触媒層１７ａと第１の環状部６内の改質ガス２の
排出側に第１の触媒層１７ａより粒径の大きな触媒を充
填して形成された第２の触媒層１７ｂとから構成される
環状触媒層である。ここで、第１の触媒層１７ａは小粒
径の触媒を充填して形成されており、第２の触媒層１７
ｂに比べて大きな圧損値を持っている。

【００１７】つぎに、上記実施例１の動作について説明
する。第１の環状部６に導入された原料ガス１は、第１
の触媒層１７ａを通過した後、第２の触媒層１７ｂを通
過し、第１および第２の触媒層１７ａ、１７ｂからなる
環状触媒層１７で水蒸気改質反応により改質ガス２とな
る。上記実施例１における他の動作は、図６に示した従
来の改質器と同様に動作する。

【００１８】上記実施例１では、第１の触媒層１７ａは
第２の触媒層１７ｂの触媒より小さな粒径の触媒が充填
されているので、第２の触媒層１７ｂより単位長さ当た
りの圧損値が大きくなっており、各反応管１００の環状
触媒層１７に流れる原料ガス１および改質ガス２のガス
流量分配は主に第１の触媒層１７ａによって決定される
ことになる。したがって、上記実施例１によれば、先に
述べたように改質器の各反応管１００間の環状触媒層１
７の改質ガス２の排出側付近では、いろいろな要因で温
度差が生じるのに対して、環状触媒層１７の原料ガス１
の導入側ではほぼ同一温度とみなすことができるので、
たとえ各反応管１００間の環状触媒層１７の改質ガス２
の排出側で温度差が生じてもその影響を従来の改質器に
比べて大幅に低減することができ、各反応管１００の環
状触媒層１７のガス流量分配を均一に維持できる。

【００１９】実施例２．図２はこの発明の改質器の他の
実施例を示す断面図であり、図において１９は中間管５
の内周側に同心状に配設された内管であり、この内管１
９は原料ガス１の導入側の第１の内管部１９ａと改質ガ
ス２の排出側の第２の内管部１９ｂとからなり、この第
１の内管部１９ａは第２の内管部１９ｂと同一の内径を
有するとともに、第２の内管部１９ｂより肉厚を厚く形
成している。この内管１９と中間管５との間で形成され
る第１の環状部６内に均一な粒径の触媒が充填されて形
成される環状触媒層１７は、層幅の小さな原料ガス導入
側触媒層１７ｃと層幅の大きな改質ガス排出側触媒層１
７ｄとから構成されている。ここで、原料ガス導入側触
媒層１７ｃは、触媒層の幅が小さいので改質ガス排出側
触媒層１７ｄより大きな圧損値をもっている。

【００２０】図２に示す実施例２では、原料ガス導入側
触媒層１７ｃは改質ガス排出側触媒層１７ｄの層幅より
小さな層幅となっているので、改質ガス排出側触媒層１
７ｄより単位長さ当たりの圧損値が大きくなっており、
各反応管１００の環状触媒層１７に流れるガス流量分配
は主に原料ガス導入側触媒層１７ｃによって決定される
ことになる。したがって、この実施例２によれば、上記
実施例１と同様に、改質器の各反応管１００間の環状触
媒層１７の改質ガス２の排出側付近では、いろいろな要
因で温度差が生じるのに対して、環状触媒層１７の原料
ガス１の導入側ではほぼ同一温度とみなすことができる
ので、たとえ各反応管１００間の環状触媒層１７の改質
ガス２の排出側で温度差が生じてもその影響を従来の改
質器に比べて大幅に小さくすることができ、各反応管１
００の環状触媒層１７に流れるガス流量分配を均一に維
持できる。

【００２１】実施例３．上記実施例２では、内管１９の
内径を同一として肉厚をかえた第１の内管部１９ａと第
２の内管部１９ｂとから内管１９を形成し、層幅の異な
る原料ガス導入側触媒層１７ｃと改質ガス排出側触媒層
１７ｄとから環状触媒層１７を構成するものとしている
が、この実施例３では、中間管５の外径をそのままとし
、中間管５の原料ガス導入側の肉厚を厚くして、層幅の
異なる原料ガス導入側触媒層１７ｃと改質ガス排出側触
媒層１７ｄとから環状触媒層１７を構成するものとし、
同様の効果を奏する。

【００２２】実施例４．図３はこの発明の改質器のさら
に他の実施例を示す断面図、図４および図５はそれぞれ
図３のＩＶーＩＶ、ＶーＶ線に沿った断面図であり、図
において２０は中間管５の内周側に同心状に配設された
内管であり、この内管２０は原料ガス導入側内管部２０
ａと改質ガス排出側内管部２０ｂとからなり、この内管
部２０ａは内管部２０ｂと同一の内径を有し、内管部２
０ｂより肉厚を厚くするとともに、スリット２１を形成
している。この内管２０と中間管５との間で形成される
第１の環状部６内に均一な粒径の触媒が充填されて形成
される環状触媒層１７は、層幅の小さな原料ガス導入側
触媒層１７ｃと層幅の大きな改質ガス排出側触媒層１７
ｄとから構成されている。

【００２３】この実施例４では、原料ガス導入側触媒層
１７ｃが、触媒層の幅が小さいので改質ガス排出側触媒
層１７ｄより大きな圧損値をもっているので、上記実施
例２と同様の効果を奏し、さらに原料ガス導入側内管部
２０ａにスリット２１が形成されているので、内管２０
の原料ガス導入側の表面積が増大し、環状触媒層１７に
対する伝熱促進効果が得られる。

【００２４】実施例５．上記実施例４では、内管２０を
原料ガス導入側内管部２０ａと改質ガス排出側内管部２
０ｂとで構成し、原料ガス導入側内管部２０ａの内径を
改質ガス排出側内管部２０ｂの内径と同一とし、さらに
原料ガス導入側内管部２０ａの肉厚を改質ガス排出側内
管部２０ｂより厚くするとともにスリット２１を設けて
、触媒層の幅のことなる原料ガス導入側触媒層１７ｃと
改質ガス排出側触媒層１７ｄとから環状触媒層１７を形
成しているが、この実施例５では、内管２０を均一な外
径とし、中間管５の肉厚を改質ガス排出側より原料ガス
導入側を厚くするとともに、原料ガス導入側の中間管５
にスリットを形成するものとして、同様の効果を奏する
。

【００２５】なお、上記各実施例では、環状触媒層１７
を単位長さ当たりの圧損値の異なる第１および第２の触
媒層１７ａ、１７ｂあるいは原料ガス導入側触媒層１７
ｃおよび改質ガス排出側触媒層１７ｄの２層構造として
説明しているが、この発明はこれに限定されるものでは
なく、環状触媒層１７の単位長さ当たりの圧損値が原料
ガス導入側で大きく構成されていれば、環状触媒層１７
が３層以上の触媒層から構成されても何等問題がない。

【００２６】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、原料ガ
ス導入側の環状触媒層の単位長さ当たりの圧損値を大き
くしているので、各反応管の環状触媒層の改質ガス排出
側付近で温度差が生じても、各反応管の環状触媒層に流
れるガス流量分配の変動を抑え、改質ガスの収率を一定
に維持できる改質器が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の改質器の実施例１を示す断面図であ
る。

【図２】この発明の改質器の実施例２を示す断面図であ
る。

【図３】この発明の改質器の実施例４を示す断面図であ
る。

【図４】図３に示すこの発明の改質器の実施例４のＩＶ
ーＩＶ線に沿った断面図である。

【図５】図３に示すこの発明の改質器の実施例４のＶー
Ｖ線に沿った断面図である。

【図６】従来の改質器の一例を示す断面図である。

【図７】図６に示す従来の改質器における触媒層の単位
長さ当たりの圧損値の変化を表すグラフである。

【符号の説明】

１　　　　原料ガス ２　　　　改質ガス ６　　　　第１の環状部（環状の空隙）１７　　環状触
媒層 １７ａ第１の触媒層 １７ｂ第２の触媒層 １７ｃ原料ガス導入側触媒層 １７ｄ改質ガス排出側触媒層 １００反応管

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　環状の空隙に触媒が充填されてなる環
   状触媒層を有する反応管を複数備え、前記反応管に原料
   ガスを導入し、前記環状触媒層内で導入された前記原料
   ガスから改質ガスを反応生成し、前記改質ガスを排出す
   る改質器において、前記環状触媒層の単位長さ当たりの
   圧損値を、前記原料ガス導入側で大きくしたことを特徴
   とする改質器。