JPH0635321B2 - 流動床型改質炉 - Google Patents

流動床型改質炉

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JPH0635321B2
JPH0635321B2 JP11816688A JP11816688A JPH0635321B2 JP H0635321 B2 JPH0635321 B2 JP H0635321B2 JP 11816688 A JP11816688 A JP 11816688A JP 11816688 A JP11816688 A JP 11816688A JP H0635321 B2 JPH0635321 B2 JP H0635321B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は都市ガスなどの炭化水素系燃料と水蒸気とから
水素を主成分とするガスを取出して例えば燃料電池に供
給しうるようにした流動床型改質炉に係り、詳しくは流
動床部の差圧が小さく、したがって動力損失も少なく、
かつ、負荷変動によっても流動床温度の変化が少なく、
また、触媒管内の原料を均一に加熱でき極めて効率良く
改質しうるなどした流動床型改質装置に関するものであ
る。
［従来の技術］ 従来、この種の流動床型改質炉は改質炉内部に複数の触
媒管を縦方向に向けて配置し、触媒管と触媒管の間に流
動床を形成させ、流動床下部から供給される燃料と空気
との燃焼により加熱された流動媒体を触媒管に接触させ
て触媒管を加熱し、触媒管内部に供給される炭化水素燃
料を水蒸気を添加して改質するように構成されている。
［発明が解決しようとする課題］ このような従来の縦方向に触媒管を設けた改質炉におい
ては、縦方向に長い触媒管に流動媒体を接触させる必要
があるため、静置床の高さ（流動媒体が流動していない
時の高さ）を、触媒管長さの例えば約半分位と高くする
ため、流動床部のガスの差圧が大きくなり、このために
流動損失が大きくなるという問題点がある。また、流動
媒体の飛び上り高さも静置床高さが高くなるほど、高く
なるためフリーボードを高くする必要があり、このため
に炉体が高くなる。またフリーボード高さを低く抑えよ
うとすると炉外へ飛び出す流動媒体の捕集装置が必要と
なる。
一方、触媒管を縦方向に向けて設けた従来の流動床型改
質炉は流動床の特徴である床内を均一温度に保つことが
できるという利点を有していて触媒管の温度分布を小さ
くできて均一な熱伝達を与えることができ、また、負荷
の変化に対して応答速度も速いという利点は有している
が、一方では、流動床の高さは負荷（ガス量）に直線的
に比例せず、例えば負荷（ガス量）が増大するにしたが
って流動床高さが上方に徐々に湾曲していきながら増大
していく曲線を描くという性質を有しているため、例え
ば負荷が半分になっても流動媒体が縦方向に向いた触媒
管に接触する割合は半分までは下がらず、したがって交
換熱量が増えて流動床温度が低下し、その改質炉の負荷
に応じた所定の改質が行なえないという問題点も有して
いる。
本発明は上記のような問題点に鑑みなされたもので、流
動床の高さを低くでき、圧損や動力損失が少なく、炉体
高さも必要以上高くならず、また改質炉の負荷変動に対
しても流動床温度の変化を少なくでき負荷に応じた所定
の改質を行ないうる等とした流動床型改質炉を提供する
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、本発明に係る流動床型改質
炉は、流動室内部に触媒を充填した触媒管を有し、この
触媒管内に炭化水素系燃料と水蒸気を通すと共に触媒管
を流動床により外部から加熱することにより炭化水素系
燃料を水素を主成分とするガスに変換するようにした流
動床型改質炉において、前記触媒管をガス分散板上方位
置の流動室に水平状態で上下方向と水平方向にそれぞれ
複数本配設した構成とした。
また、前記水平な触媒管は、管の内周壁部に沿い、か
つ、管の長手方向にわたって延びる螺旋状の帯を有して
おり、この管内に触媒を最密状態で充填させた触媒管と
した。
さらに、前記ガス分散板は、上下方向に隙間を有して配
置された２つの仕切板と、この仕切板を上下方向に貫通
した設けた多数のガスノズルとからなり、前記隙間をガ
ス燃料供給通路として形成すると共に、このガス燃料供
給通路に位置する前記ガスノズルの壁部にガス燃料導入
用の小孔を設けたガス分散板としたものである。
［作用］ 触媒管を水平状態で上下方向と水平方向にそれぞれ複数
本配設することにより、流動室における触媒管の設定高
さあるいは高さ方向の触媒管同士の設置間隔などを、流
動媒体の充填量と相関させ、流動床高さが改質炉負荷の
変動に対応して変えられた際にこの流動床への埋没本数
が変化するように、すなわち、流動媒体が触媒管に接触
する割合が変化するように調整して設定することが可能
となり、改質炉の負荷（ガス量）の増減に応じて流動床
から触媒管に伝えられる総熱量が増減することになり、
流動床温度の変動幅が小さくできる。これにより、改質
炉負荷が低下した場合においても従来の触媒管を縦方向
に設置した場合のように多量の熱交換が行なわれて流動
床温度が低下するという事態が回避され、低負荷時にお
いても安定した改質炉の運転が行なわれる。
そして、触媒管を水平に設置するので、前記の設定高さ
位置などと関連させて流動媒体の静置床の高さを極めて
低くでき、いわゆる浅床とすることが可能であり、この
ため流動化用ガスの圧損が小さくなり、この動力損失も
小さくなる。
そして、このため流動媒体の飛び出し高さも小さくな
り、フリーボードも低く抑えることが可能で改質炉大き
さが大きくならない。
このような状態において、本発明の流動床型改質炉は流
動床伝熱の有する本来の特徴を発揮し、触媒管への均一
熱伝達、負荷変化に対する応答速度の良好を充分に維持
しつつ炭化水素系燃料の改質を高効率で行なえるもので
ある。
また、触媒管の内壁面に螺旋状の帯を設けてこの触媒管
内に最密状態で触媒を充填した触媒管とすれば、触媒管
が水平であっても、自重で触媒が管の下方へ詰って上方
が疎になることが極力防止され、また例え上方に空間部
が形成されたとしても螺旋状帯の作用により管内のガス
の流れに旋回流が与えられるので、上方の隙間のみをガ
スが流れ、下方に流れなくなって触媒管が部分的に異常
高温になる事態が回避されると共に、充填層伝熱係数が
この帯によりさらに向上させられる。
さらに、ガス分散板の多数のガスノズルに、ガス燃料を
導入して流動床内に流動化用空気と共に供給すれば、流
動床内全体に均一にガス燃料がゆき渡って燃焼され、流
動床温度が均等に保たれて、横に長く延びる複数の触媒
管を均等に加熱する。
［実施例］ 以下、図面を参照して実施例について説明する。
第１図は本発明の実施例に係る流動床型改質炉の縦断面
図、第２図は第１図のII〜II線矢視断面図、第３図は第
２図のＸ部の拡大縦断面図、第４図は第３図のIV〜IV線
矢視図で螺旋状帯の取付要領を示す図、第５図はガス分
散板の拡大詳細図である。
符号１０は改質炉体であり、その内部の底部にはガス分
散板１２がこの炉内部を横断するように設置され、燃焼
室１４が区画形成されている。この燃焼室１４の炉壁に
はガスバーナ１６が設置され、このバーナ１６には図示
を省略したガス燃料管と空気供給管が接続されている。
ガス分散板１２の上方には流動室１７が形成され、この
流動室１７内には触媒管１８が水平状態で上下方向と水
平方向にわたって多数配設されており、本実施例では上
下方向に４段になるように設置されており、かつ上下方
向に千鳥配列となるように設置されている。符号Ｆは砂
などの小粒径の流動媒体によって形成される流動床を示
し、符号１７ａは流動床Ｆ上部のフリーボード（空塔
部）である。フリーボード１７ａの上部には前記ガスバ
ーナ１６へ供給されるガス燃料や燃焼用空気、後記分散
板１２のガスノズルへ導入されるガス燃料、あるいは触
媒管１８内に供給する都市ガスなどの炭化水素系燃料を
燃焼排ガスによって予熱するための予熱器１９が設けら
れ、この予熱器１９のガス流れの下流には排ガス抜出口
３０が設けられている。
ガス分散板１２はその詳細を第５図に示すように、上下
方向に間隔をおいて上部仕切板１２ａと下部仕切板１２
ｂとが炉体１０を横断して配置され、前記間隔部はガス
燃料供給通路４１を構成し、前記上下の仕切板１２ａ，
１２ｂを上下方向に貫通してガスノズル４０が固着され
て形成され、このガスノズル４０のガス燃料供給通路４
１に位置する部分の壁面にはガス燃料導入孔４０ａが設
けられている。このガスノズル４０の下端は前記燃焼室
１４に開口されており、その上部には燃焼室１４で燃焼
した燃焼ガスや前記ガス燃料導入孔４０ａから流入した
ガス燃料を流動室１７内へ噴出する吹出孔４０ｂが設け
られ、その上端にはこの吹出孔４０ｂへの流動媒体の侵
入を阻止するための蓋体４０ｃが取付けられている。ま
た、前記ガス燃料供給通路４１に通ずる炉体１０壁には
ガス燃料供給口４１ａが設けられている。上下の仕切板
１２ａ，１２ｂにはそれぞれ断熱材１３が施されてい
る。なお、この上下の仕切板１２ａ，１２ｂおよびその
断熱材１３の部分に水管を施行して水冷パネルとするこ
ともできる。
吹媒管１８はその取付要領を第２図に示すように一端側
を炉体１０の炉壁に固定され、他端側は自由とされ、こ
の自由端側で屈曲されてＵ字形状に形成され、このよう
な上下１対の連続した触媒管１８が水平方向に等間隔に
かつ交互にその高さを異ならせて、上下方向に４段とな
るように配置されるものである。なお、符号１０ａは炉
壁内面に設ける断熱材である。そして、この触媒管１８
の炉壁から外部に突出した端面にはフランジ１８ａが固
着され、このフランジ１８ａには触媒管１８の端部内に
挿入されて触媒を押えて最密状態に保つための内部に断
熱材１８ｄを有する押え筒１８ｃを突設して取付けた相
フランジ１８ｂが図示していないボルト・ナットによっ
てパッキンを両フランジ１８ａ，１８ｂ間に介装させた
状態で取付けられる（第３図参照）。なお、この相フラ
ンジ１８ｂを取外すことにより、触媒６０あるいは螺旋
状の帯７０の取替えを行なうことができる。そして、第
２図に示すように触媒管１８の炉体１０から突出した部
分の斜め上方位置と下方位置には上部大径管５１と下部
大径管５２がそれぞれボイラ炉体１０に支持されて設け
られており、上下の触媒管１８の炉体１０からの突出部
はそれぞれ上部大径管５１と下部大径管５２との間を熱
伸びを逃げうるように小径管５１ａおよび５２ａで連結
されている。この下部大径管５２から小径管５２ａを介
して触媒管１８内に約５５０℃に加熱された都市ガスな
どの炭化水素系燃料とスチームとが導入され、触媒管１
８内部でさらに流動床から外部加熱されて発生する温度
が約７００℃となった水素ガスや一酸化炭素ガスを上部
の触媒管１８の小径管５１ａを介して上部大径管５１内
へ導入される。
そして、触媒管１８内には詳細を第３図および第４図に
示すように、管１８の全長にわたって管内壁面にステン
レス鋼などからなる比較的厚みの薄い螺旋状の帯７０が
設けられると共に、この触媒管１８の流動室１７に位置
する部分には固体寸度が２０φ×２０Ｈ程度のバナジウ
ムやニッケル系の触媒６０が多数最密状態で充填され、
さらに流動室１７から炉外に突出する部分にはステンレ
ス鋼などからなり、多数個押圧して充填しても空隙率が
保たれてガス通過抵抗の少ない状態にされうる充填物８
０が詰められ、前記触媒管１８内に充填される触媒６０
はこの充填物８０を介して前記相フランジ１８ｂの押え
筒１８ｃの押付け作用によって最密状態を保って保持さ
れるように構成されている。なお、触媒管１８に触媒６
０を充填するとき、螺旋状の帯７０と一緒に最密状態と
なるように充填することもできる。
このような構成とした流動床型改質炉において、前記予
熱器１９にて予熱された都市ガスなどのガス燃料と空気
をガスバーナ１６へ供給し、ガス燃料を燃焼室１４で燃
焼させてガスノズル４０から燃焼ガスを流動室１７内へ
導くと共に前記ガス燃料の一部はガス分散板１２のガス
燃料供給通路４１にも燃料供給口４１ａを介して導きガ
スノズル４０の導入孔４０ａから内部へ導入されて流動
室１７内へ供給される。そして、この燃焼ガスの流動室
１７への導入によって、流動室１７内に充填された流動
媒体は流動化されて加熱されて流動床Ｆを形成する。同
時に流動床Ｆ内には全体にわたって前記ガス燃料がゆき
渡って燃焼され、流動床Ｆ全体が一層均等に加熱され
る。このようにして触媒管１８は均等に加熱される。
しかして、本発明の実施例ではこの流動床Ｆの高さが改
質炉負荷の変動に対応して変えられた際に該流動床Ｆへ
の埋没本数が変化するように触媒管１８の設置高さや触
媒管１８の上下方向の間隔、および流動媒体の充填量が
設定されている。例えば、改質炉負荷が最大になった場
合にはこれに対応してガスバーナ１６へのガス燃料およ
びガスノズル４０へのガス燃料供給量および空気供給量
が最大とされ、流動床Ｆの高さは第１図のＡのレベルに
まで増大し、全ての触媒管１８が流動床Ｆに埋没する。
また、中間の負荷状態にあっては、それに見合って前記
ガス燃料供給量および空気供給量が減少され、流動床Ｆ
の高さは第１図のＢあるいはＣのレベルにまで低下し、
触媒管１８のうち最上段あるいは上段２列のものが流動
床Ｆから露出する。さらに、最低負荷状態になったとき
には、前記ガス燃料供給量および空気供給量が最低量ま
で減少され、流動床Ｆの高さは第１図のＤのレベルにま
で低下する。これにより最上段および中２段の伝熱管１
８が流動床Ｆから露出し、最下段の触媒管１８のみが流
動床Ｆに埋没することになる。このように、改質炉の負
荷変動に対応して流動床高さが変動すると、該流動床に
埋没する触媒管１８の本数が増減し、伝熱面積が増減す
る。したがって、流動床Ｆから触媒管１８に伝えられる
総熱量が負荷の増減に対応して増減することになり、流
動床Ｆの温度の変動幅が著しく小さくなる。したがっ
て、従来のように改質炉負荷が低下した場合においても
多量の熱交換がなされて流動床温度が急激に低下すると
いう事態が回避され、低負荷状態においても安定した改
質炉の運転を行なうことが可能である。そして、負荷の
変化に低負荷まで追随できると同時に素早く変化するこ
とができる。流動床Ｆの温度は８００〜９００℃の範囲
で一定に保持される。
一方、加熱された都市ガスあるいは天然ガス、またはナ
フサなどの炭化水素系燃料（本実施例では都市ガスとし
て説明する。）とスチームが下部大径管５２から小径管
５２ａを介して下部の触媒管１８内へ入り、まず充填物
８０層を円滑に通過し、触媒６０の層を通りＵ字状管の
屈曲部で反転して上部の触媒管１８を通るが、この間に
上記のように全体を均等に加熱された流動床Ｆとの外部
触媒により流動床Ｆから均等に熱を吸収して次第に分解
していき、水素と一酸化炭素濃度の高いガスに改質され
て上部小径管５１ａを介して上部大径管５１から排出さ
れ、この内の大量の水素ガスは燃料電池へ送られる。こ
の改質過程において触媒管１８内では螺旋状帯７０によ
って最密状態で充填された触媒６０層中を原料としての
都市ガスやスチームまたは改質されたガスなどのガスが
旋回流となって流れるため触媒６０層中を均等に流れる
ので極めて効率良く改質作用が行なわれると共に、たと
え触媒管１８の上部に隙間が形成されたとしてもガスが
旋回流となっていることにより上方の隙間のみをガスが
流れて下方の触媒６０層には流れなくなるという現象が
強力回避されるので、触媒管１８自体も部分的に異常高
温になって破損したりすることが防止されると共に、触
媒６０自体の局部加熱による劣化現象が極力回避される
ので、安定した改質炉の運転が行なえる。触媒管１８は
Ｕ字形状とされているので、熱による伸びに対して極め
て融通性を有しており触媒管１８が一端側の炉壁で固定
されていてもその変形を許容し、破損が防止される。
そして、このように、水平状態で触媒管１８を設置する
ことによって流動床Ｆの静置高さは極めて低くできるも
のであるので、流動化のための圧力損失は低くなり、こ
のため動力損失も小さく、また、流動媒体の飛び出し高
さも小さくなりフリーボード１７ａも低い高さで良い。
なお、流動床Ｆを通った燃焼ガスはフリーボード１７ａ
を通過し、その上部に設けた予熱器１９に導入され、こ
こで前記ガス燃料や燃焼用空気に顕熱を与えて熱交換し
予熱した後、抜出口３０から炉外へ排出される。
なお、触媒管１８は第２図に示すように自由端側で屈曲
されて１本のＵ字形状のものとする場合に限ることな
く、単に１本の触媒管１８を上下方向に複数段設けるこ
ともある。
また、本実施例では触媒管１８は上下方向に４段に配列
されているが、本発明は３段，２段もしくはそれ以上の
多段に配設しても良い。
また、螺旋状の帯７０にはセラミック塗料を塗ることに
よって遠赤外線による輻射伝熱効果を与えるようにすれ
ば、旋回流を与える作用と相俟って充填層伝熱係数を一
層向上させることができ、これにより触媒管１８の外表
面積も一層小さくすることが可能である。
［発明の効果］ 本発明は以上詳述したように構成されているので、つぎ
のような優れた効果を奏する。
請求項１記載の改質炉においては、流動床の高さを低く
でき、圧損や動力損失を少なくすることができ、炉体高
さも低くすることができると共に、改質炉負荷変動に対
して流動床温度の変化を少なくすることができ、低負荷
状態においても安定した運転が可能であり、負荷変化に
低負荷まで追随させることができると同時に素早く変化
させることができる。
請求項２記載の改質炉においては、水平な触媒管中で触
媒が下方に偏ることが極力阻止されると共に、管内をガ
スが旋回流となって流れるため、触媒層中を均等に流れ
て極めて効率良く改質作用が行なわれ、かつ、触媒管中
をガスが均等に流れるので触媒管が局部的に加熱されて
破損したり、触媒自体の局部加熱による劣化現象が防止
されるので極めて安定した効率の良い運転が行なえる。
請求項３記載の改質炉においては、流動床内全体にわた
ってガス燃料が行き渡って燃焼することにより流動床全
体が一層均等な温度に加熱され、触媒管を均等に加熱す
るので、極めて安定した改質作用を行なうことが可能と
なる。
【図面の簡単な説明】
図面はいずれも本発明の実施例に係るものであり、第１
図は流動床型改質炉の概略縦断面図、第２図は第１図の
II〜II線矢視断面図、第３図は第２図のＸ部の拡大縦断
面図、第４図は第３図のIV〜IV線矢視断面図、第５図は
ガス分散板の拡大図である。 １０……改質炉炉体、１２……ガス分散板、 １２ａ，１２ｂ……仕切板、 ４０……ガスノズル、４０ａ……ガス燃料導入孔、 ４１……ガス燃料供給通路、１４……燃焼室、 １６……ガスバーナ、１７……流動室、 １８……触媒管、６０……触媒、 ７０……螺旋状の帯。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】流動室内部に触媒を充填した触媒管を有
    し、この触媒管内に炭化水素系燃料と水蒸気を通すと共
    に触媒管を流動床により外部から加熱することにより炭
    化水素系燃料を水素を主成分とするガスに変換するよう
    にした流動床型改質炉において、前記触媒管をガス分散
    板上方位置の流動室に水平状態で上下方向と水平方向に
    それぞれ複数本配設したことを特徴とする流動床型改質
    炉。
  2. 【請求項２】前記水平な触媒管は、管の内周壁部に沿
    い、かつ、管の長手方向にわたって延びる螺旋状の帯を
    有しており、この管内に触媒を最密状態で充填させた触
    媒管としたことを特徴とする請求項１記載の流動床型改
    質炉。
  3. 【請求項３】前記ガス分散板は、上下方向に隙間を有し
    て配置された２つの仕切板と、この仕切板を上下方向に
    貫通した設けた多数のガスノズルとからなり、前記隙間
    をガス燃料供給通路として形成すると共に、このガス燃
    料供給通路に位置する前記ガスノズルの壁部にガス燃料
    導入用の小孔を設けたガス分散板としたことを特徴とす
    る請求項１または２記載の流動床型改質炉。
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