JPH05305229A - 改質装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電子出願以前の出願であるので 要約・選択図及び出願人の識別番号は存在しない。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は例えば水蒸気と炭化水素とを混合し た原料ガスを触媒反応によって分解して水素を生 成する改質装置に関する。

（従来の技術） 例えば燃料電池発電プラントにおいては、水 蒸気と炭化水素とを混合した原料ガスを触媒反応 によって分解して水素を生成するコンパクトな改 質装置が設けられている。

この種の改質装置としては、一般に第３図に示 すような構成が採用されている。第３図において、 １は内壁面に断熱層２を形成した改質容器で、こ の改質容器１内には複数本の改質管３が収納され、 その各改質管３の外周部にスリーブ管４を同心状 に配設してその中に伝熱充填層５が形成されてい る。また、各改質管３内には触媒層６とセンタプ ラグ７が設けられ、これらの間に再生室８が形成 されている。また、改質容器１内の各改質管３の 上部に燃焼室９が形成され、この燃焼室９に燃焼 空気と燃焼ガスを送り込む燃焼空気入口管１０お よび燃焼ガス入口管１１が改質容器１を貫通させ、 且つ貫通部を密封構造にして設けられている。こ の場合、燃焼空気入口管１０および燃焼ガス入口 管１１は二重管にして構成され、その燃焼室９側 の開口端に共通の燃焼バーナノズル１２が設けら れている。一方、改質容器１の下部側面部を貫通 させて原料ガス入口管１３、改質ガス出口管１４ および排ガス出口管１５がそれぞれ設けられてい る。原料ガス入口管１３は各改質管３内に目皿に より支持された触媒層６に連通する共通管に接続 され、また改質ガス出口管１４は各改質管３内の 触媒層６とセンタプラグ７との間の再生室８に連 通する共通管に接続され、さらに排ガス出口管 １５は各改質管３の外周部に形成され、目皿１６ により支持された伝熱充填層５に連通する共通管 に接続されている。なお、１７は断熱層１２を支持 する支持台、１８ａ，１８ｂは各スリーブ管４、 各改質管３を保持する管保持板である。

なお、改質管３は改質容器１の内部に１本のみ 設ける場合もあるが、一般的には第３図に示すよ うに複数本設けられる。

第４図は１本の改質管３の内部構成を詳細に示 したものである。

第４図に示すように改質管３は外管３−１と内 管３−２からなる二重管に構成され、その外管３ −１と内管３−２との間に触媒粒子６−１を充填 して触媒層６が形成されている。この触媒層６は その下端部に設けられた下部目皿１９により支持 されると共に、上端部にも上部目皿２０が設けら れている。また、内管３−２の中心軸線上にはセ ンタープラグ７が設けられ、内管３−２との間に 再生室８が形成されている。

このような構成の改質装置において、バーナノ ズル１２へ燃焼ガスと燃焼空気とを送込み、これ を燃焼室９で燃焼させると、この燃焼により生じ た排ガスは伝熱充填層５内を流れ、排ガス出口管 １５を通して外部に排出される。また、原料ガス 入口管１３より流入した原料ガスは改質管３内に 設けられた触媒粒子を充填して目皿により支えら れた触媒層６の内部を流れて上昇し、上端部で逆 向きに方向転換して触媒層６とセンタプラグ７と の間に形成された再生室８を流下させて改質ガス 出口管１４から流出する。この間に燃焼室９で燃 焼した排ガスは伝熱充填層５を通して排ガス出口 管１５に流れ、その燃焼熱により改質管３が加熱 され、例えばメタンと水蒸気を混合した原料ガス は水素と一酸化炭素ガスに改質される。

ここで、改質管内で原料ガスが改質される過程 の詳細を第４図により説明する。すなわち、原料 ガスが原料ガス入口管１３から改質管３の下部目 皿１９を通して触媒層６に流入すると、この原料 ガスは触媒層６を上昇する。このとき改質管３の 外部から図示矢印で示す如く改質に十分な量の熱 が加えられ、触媒層６の温度は図示左側に示すよ うに原料ガスの入口温度５５０゜Ｃから出口温度 ８００゜Ｃに上昇し、原料ガスの改質反応が行な われる。そして、改質されたガスは上部目皿２０ を通過して改質管３内の上部空間２１に達すると、 ここで方向を反転して再生室８内を流下し、改質 ガス出口管１４より外部に流出する。

ところで、上記改質管３において、外管３−１ と内管３−２との間に充填される触媒は組立時に は上部目皿２０と触媒層６の上端との間の空間部 の寸法が０であるが、運転時には改質管上部が約 １０００゜Ｃに上昇するため、金属と触媒の熱膨 脹係数の違いにより改質管３の上部目皿２０と触 媒層６の上端との間にΔＬの空間を生じてしまう。

因みに金属の熱膨脹係数が １８×１０^-6［１／Ｃ゜］であるのに対して、触 媒の熱膨脹係数は４〜７×１０^-6［１／Ｃ゜］で ある。

また、第４図に示すごとくガスの上昇と共に温 度が上昇するので、触媒層６の下端から上端に行 くに従ってガスの流速が大きくなる。

したがって、ガスの上昇に伴って流速が大きく なると、触媒粒子が浮上がるという現象が生じる。

この粒子の浮上がり現象を改質管のガス入口から 出口までの温度を一定にして観測した結果、粒子 が浮上がり、踊り、上下に動揺することが分った。

そして、粒子の動揺によりその部分の流体抵抗が 少なくなるので、その上部の粒子が踊り、この流 動の激しい部分と少ない部分が交互に上部に移動 する。さらに、全体の速度を大きくすると、触媒 粒子は上方に移動して飛散する。

この触媒粒子の飛散の防止は、改質管の上端に 設けられた目皿に粒子が押付けられることにより 行われている。しかし、触媒層の中間部分の動揺 は大きく、この部分での上下の動揺によって粒子 の表面が削られ、その粉体が目皿に付着し、ガス の流路抵抗を大きくする要因となって改質効率が 低下する。一般に触媒粒子としてその形状が球状 のものやペレット状のもの、あるいは環状のもの 等が使われるが、特にペレット状の粒子は角がと れて丸くなる。

（発明が解決しようとする課題） このように従来の改質管においては、外管３ −１と内管３−２との間に充填される触媒粒子が 流動現象により削落、割れ等が発生するため、触 媒活性の劣化により早期に触媒粒子の破損現象が 見られ、触媒の寿命が短くなる。また、触媒粒子 が破損するとその粉体が目皿に付着して目詰りの 要因になり、改質反応を低下させるという問題が ある。

そこで、触媒粒子が流動を開始する速度以下に ガスの流速を設定すればよいが、これでは触媒層 の容積が大きくなり、改質器自体が大きくなると いう問題がある。

本発明は、外管と内管との間に充填される触媒 粒子の浮遊流動による粒子の削落あるいは破損を 防止できると共に、外部からの伝熱量を十分効率 よく受熱して容積を小さくして全体のコンパクト 化を図ることができる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） 本発明は上記の目的を達成するため、外部か ら加熱される外管と内管とからなる二重管に構成 され、この二重管の外管と内管との間に触媒粒子 を充填して触媒層を形成し、且つこの触媒層に一 端部側から供給される原料ガスを前記触媒層内を 流通させて改質反応させると共に、前記触媒層の 他端部側から得られる改質ガスを前記内管内部の 再生室を通して外部に取出すようにした改質装置 において、前記触媒層の他端部側に多孔性固体に 触媒を担持した触媒体を設ける構成としたもので ある。

（作 用） このような構成の改質装置にあっては、触媒 層の改質ガス流出側端に多孔性固体に改質触媒を 担持した触媒体を設けることにより、この触媒体 の空間を流れるガスの速度が触媒粒子で構成され た触媒層を流れる流速より大幅に低減するので、 触媒体を押し上げる圧損も減少し、触媒粒子の流 動による破損、削落を防止することが可能となる。

また、触媒体は二重管の上部からの放射熱を受熱 することによって大きな熱吸収率を得ることがで きるので、小さな空間で大きな熱交換が達成でき る。

（実施例） 以下本発明の実施例を図面を参照して説明す る。

第１図は本発明による改質装置の第１の実施例 における改質管の構成を示すもので、第４図と同 一部分には同一記号を付してその説明を省略し、 ここでは異なる点についてのみ述べる。第１の実 施例では、第１図に示すように改質管３の内壁側 に球状またはペレット状の触媒粒子を充填して触 媒層６を形成し、この触媒層６の上部の目皿に代 えて例えばセラミックホームなどの担体に改質触 媒を担持した環状の多孔性触媒体２２を設ける構 成としたものである。この場合、多孔性触媒体 ２２の空間率は０．７５〜０．９５と高い値のも のが使用される。

このような構成の改質管とすれば、触媒層６の 上部に多孔性触媒体２２を設けることによって、 触媒層６の触媒粒子の浮上がり流動を防止するこ とができる。すなわち、多孔性触媒体２２は触媒 層６の空間率に比べて内部の空間率が大きいので、 第１図の左側に示すようにガスの速度分布は触媒 層６の内部では温度の上昇があるので、下端から 上に行くに従ってほぼ直線的に増加するが、多孔 性触媒体２２に入ると空間率が触媒層６のそれの 約２倍になるので、ガスの平均流速が半分になる と共に圧力損失分が約１／４に減少し、多孔性触 媒体２２に浮上り現象は発生しない。

また、多孔性触媒体２２は金属管より膨脹係数 が小さいので、改質管の内壁に接触していないが、 この内壁からの輻射熱を受熱する吸収率が触媒層 ６に比べて格段大きなものとなる。

第２図は本発明の第２の実施例における改質装 置の管の構成を示すもので、第１図と同一部分に は同一記号を付して示し、ここでは異なる点につ いて述べる。

第２の実施例では、第２図に示すように触媒層 ６の上部の目皿に代えて第１の実施例同様に環状 の多孔性触媒体２２を設けると共に、その内側の センタプラグ上方の開口部に円柱状の内側触媒体 ２３を設ける構成としたものである。この内側触 媒体２３は前述の多孔性媒体２２と同じ構成材質 にしたものである。あるいはまた多孔性媒体２２ と一体構成にしたものである。

この場合、センタープラグとしては外周に螺旋 状の仕切板２４を設けた短目のものを使用し、そ の上部にリブ２５を取付けてその上に内側触媒体 ２３を配設している。

このような構成の改質管とすれば、第１図と同 様の効果を得ることができる上、さらに中央に設 けられた円柱状の内側触媒体２３により改質管の 上部における輻射熱を受けてこの部分でも改質反 応が行われるので、改質効率を向上させることが できる。この場合、センタプラグ７の外周面には 螺旋状の仕切板２４が設けられているので、再生 室８の経路が長くなり、第１図の改質管の全長Ｌ に比べて全長Ｌ′という短い改質管にすることが 可能となり、それだけコンパクトにすることがで きる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、二重管の 外管と内管との間に充填される触媒粒子の浮遊流 動による粒子の削落あるいは破損を防止できると 共に、外管からの放射熱量を十分効率よく受熱し て全体の容積をコンパクトにすることができる改 質装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例における改質 管を示す構成図、第２図は本発明の第２の実施例 における改質管を示す構成図、第３図は従来の改 質装置の構成を示す断面図、第４図は同装置に使 用される改質管を詳細に示す構成図である。 １…改質容器、２…断熱層、３…改質管、 ４…スリーブ管、５…伝熱充填層、６…触媒層、 ７…センタープラグ、８…再生室、９…燃焼室、 １０…燃焼空気入口管、１１…燃焼ガス入口管、 １２…燃焼バーナノズル、１３…原料ガス入口 管、１４…改質ガス出口管、１５…排ガス出口 管、１６，１９，２０…目皿、１７…支持台、 １８ａ，１８ｂ…管保持板、２２…多孔性触媒体、 ２３…柱状の内側触媒体、２４…螺旋状の仕切板、 ２５…リブ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から加熱される外管と内管とから
   なる二 重管に構成され、この二重管の外管と内管との間 に触媒粒子を充填して触媒層を形成し、且つこの 触媒層に一端部側から供給される原料ガスを前記 触媒層内を流通させて改質反応させるると共に、 前記触媒層の他端部側から得られる改質ガスを前 記内管内部の再生室を通して外部に取出すように した改質器において、前記触媒層の他端部側に多 孔性固体に触媒を担持した触媒体を設けたことを 特徴とする改質装置。