JPH0664902A - 伝熱管用触媒カートリッジ及び伝熱管内への触媒の充填方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 改質管等の伝熱管内に改質触媒等の触媒の最
密充填を能率良く行えるようにする。 【構成】 改質管１１の内径よりやや小さい外径を有し
軸方向に所定の長さ延びた螺旋体２１と、螺旋体２１の
軸方向の一端に固着され多数の孔２４ａが穿設された底
蓋２４とで管基体２０を形成し、その外周面を金網（壁
部材）２６で覆ってカートリッジ用管体２５を形成し、
この中に触媒４０を密に充填して触媒カートリッジ５０
を形成する。カートリッジ用管体２５の回りに保護管３
０を装着して底蓋２４が位置する側を底にして立てた状
態でカートリッジ用管体２５内へ上方から触媒４０を充
填する。保護管３０の触媒カートリッジ５０の底蓋２４
が位置する側の一端側を改質管１１の開口端に接合さ
せ、管基体２０の底蓋２４とは反対側端部（押し部２１
ａ）を押し込むことにより触媒カートリッジ５０を保護
管３０から押し出してそのまま改質管１１内へ挿入す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は例えば流動床改質器等の
改質管等の伝熱管の内部へ装入する改質用触媒等の触媒
のカートリッジ及び該伝熱管に触媒を充填する方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、流動床改質器においては伝熱管
としての改質管内に改質用の触媒が最密充填されていな
いと改質ガスとしての例えば都市ガスやメタン等がショ
ートパスして反応効率を低下させたり、触媒が存在しな
いことによりメタン自体が熱で分解したりしてカーボン
の析出が発生する等の問題が生じる。このような問題を
なくするため、改質管を水平に設置した流動床改質器に
おいては、改質管に触媒を充填する場合には改質器本体
から多数本存在する改質管を改質器外へ抜き出しそれぞ
れ垂直に立てた状態にして上方開口から触媒を入れて充
填していた。なお、改質器に改質管が水平状態に取付け
られたまま充填すると改質管の上方に隙間ができること
は避けられない。

【０００３】一方、改質管を垂直に流動した流動床改質
器においては、改質管は垂直状態にされているため改質
器に設置したままの状態で多数本配置されている改質管
ごとにその上方の開口端から触媒を直接充填していた。
また、触媒を改質管内に最密状態で充填するため作業員
が改質器本体内に入って改質管に振動を与えながら充填
するようにしていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような水平改質管を設置した改質器においては、改質管
を改質器本体から抜き出すのは改質管自体が所定長さを
有したものであり、かつ、重量が大であるため、その作
業が非常に困難であり、また、抜き出した後、垂直に立
てる作業も必要であり、その作業も困難である。このよ
うに触媒充填のための作業性が非常に悪いものとなって
いた。そして、改質器外でこれらの作業のための多くの
面積の空間を必要とする。殊に大型の改質器においては
これらの問題点が大きくなる。

【０００５】一方、上記のような改質管を垂直に設置し
た流動床改質器の触媒充填方法においては、改質管が立
設されているので触媒を比較的容易に密に充填するよう
にすることはできるが、多数本配置されている改質管ご
とにその上方の開口端から触媒を直接充填していかねば
ならず作業性が悪く、また、触媒を改質管内に最密状態
で充填するため作業員が改質器本体内に入って改質管に
振動を与えながら充填する作業も作業性が悪く最密充填
も思うように行えないという問題があった。

【０００６】本発明はこのような従来の触媒の充填方法
の問題点に鑑みてなされたものであり、水平伝熱管であ
っても竪型伝熱管であっても触媒の最密充填を可能と
し、触媒の充填のための作業時間を短縮して作業能率を
向上させうる伝熱管用触媒カートリッジ及び伝熱管内へ
の触媒の充填方法を提供することを目的とするものであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は、 （１）伝熱管に充填する触媒を伝熱管用触媒カートリッ
ジとして形成し、この伝熱管用触媒カートリッジを、伝
熱管の内径よりやや小さい外径を有し軸方向に所定の長
さ延びた螺旋体と、この螺旋体の軸方向の一端に固着さ
れ多数の孔が穿設され螺旋体と同等の外径とした底蓋と
で管基体を形成し、この管基体の外周面を壁部材で覆っ
てカートリッジ用管体を形成し、このカートリッジ用管
体内に触媒を密に充填して伝熱管装入用のカートリッジ
として形成した構成とした。また、

【０００８】（２）伝熱管内へ触媒を充填する際に、先
ず、伝熱管の内径よりやや小さい外径を有し軸方向に所
定の長さ延びた螺旋体とこの螺旋体の軸方法の一端に固
着され多数の孔が穿設され螺旋体と同等の外径とした底
蓋とで管基体を形成しこの管基体の外周面を壁部材で覆
ってカートリッジ用管体を形成し、この管体に触媒を密
に充填して触媒カートリッジを製作し、然る後、この触
媒カートリッジの前記底蓋とは反対側の管基体の端部を
押して触媒カートリッジを伝熱管内へそのまま挿入する
ようにした構成とした。さらに、

【０００９】（３）伝熱管内へ触媒を充填する際に、先
ず、伝熱管の内径よりやや小さい外径を有し軸方向に所
定の長さ延びた螺旋体とこの螺旋体の軸方向の一端に固
着され多数の孔が穿設され螺旋体と同等の外径とした底
蓋とで管基体を形成しこの管基体の周囲を壁部材で覆っ
てカートリッジ用管体を形成し、この管体を両端が開口
され伝熱管と内径をほぼ同一とした軽量の保護管内に挿
入してセットし、該カートリッジ用管体と保護管とを該
カートリッジ用管体の底蓋が位置する側を底にして立て
た状態で該カートリッジ用管体内へ上方から触媒を入れ
て密に充填して該カートリッジ用管体を触媒カートリッ
ジとして製作し、該触媒カートリッジを内装した保護管
の該触媒カートリッジの底蓋が位置する側の一端側を伝
熱管の開口端に接合させ、然る後、該触媒カートリッジ
の前記底蓋とは反対側の管基体の端部を押し込むことに
より該触媒カートリッジを保護管から押し出してそのま
ま伝熱管内へ挿入するようにした構成とした。

【００１０】

【作用】請求項１及び２のような構成では、螺旋体と底
蓋とからなる管基体および壁部材とで形成されるカート
リッジ用管体の内部に触媒が充填されて触媒カートリッ
ジとして製作され、この触媒カートリッジ自体が伝熱管
内へそのままの状態で挿入される。しかして、触媒カー
トリッジは装置本体に備え付けられた伝熱管とは別の位
置で単独に製作可能であるので、例えばカートリッジ用
管体を立てた状態にして該管体内に触媒を上から落とし
込んで触媒を該カートリッジ用管体内へ容易にかつ確実
に最密に充填することができる。そして、該触媒カート
リッジは螺旋体等からなる管基体を内装していることに
より触媒を密に充填してもカートリッジが頑丈に形成さ
れる。

【００１１】製作された触媒カートリッジは該触媒カー
トリッジの底蓋が位置する側の端部を伝熱管の開口端部
に当てがい、触媒カートリッジを構成するカートリッジ
用管体の管基体の底蓋とは反対側の端部を押し治具等で
押し込むことによってカートリッジ内部に充填されてい
る触媒に圧縮力等の無理な力が作用して壁部材が膨れた
りすることがなくそのままの状態で伝熱管に円滑に挿入
することができ、伝熱管内に容易にかつ短時間でセット
することができる。

【００１２】即ち、触媒カートリッジを伝熱管に装入す
るときにカートリッジ用管体の管基体の底蓋とは反対側
の螺旋体の端部を押し込むことにより、押し込み力は該
端部から螺旋体を介して底蓋に伝えられるため底蓋に作
用するだけであり、触媒カートリッジの内部に充填され
た触媒には作用せず、従ってカートリッジ用管体が膨れ
たり変形することがない。このため、伝熱管内壁との間
に余分な摩擦抵抗が作用せず触媒カートリッジが極めて
円滑に伝熱管に挿入される。従って、伝熱管内に触媒を
最密状態で能率良く充填することができる。

【００１３】しかして、本発明の触媒カートリッジは内
部に管基体としての螺旋体を備えていることにより、伝
熱管内で改質ガス等のガスが螺旋体に沿って旋回して流
れることにより、管路（流路）が実質的に長くされる。
従って、単位時間、単位断面積当たりに流れるガスの質
量、所謂、質量速度が増え、伝熱係数が増える。このた
め、同じガス量を流す場合に伝熱管の伝熱面積を小さく
することができる。即ち、伝熱管の長さを小さいものと
することができる。

【００１４】一方、本発明の触媒カートリッジを水平の
伝熱管に適用して使用するときには、伝熱管の運転作動
中に熱により伝熱管と螺旋体は半径方向に膨張して伸び
るが、触媒はそれ程膨張せず、伝熱管の上部（頂部）に
は例えば内径が約７８．１ｍｍの伝熱管の場合、５ｍｍ
前後の隙間ができるが、このような場合でも管基体の螺
旋体が上部隙間を螺旋体のピッチ毎にさえぎり、この隙
間が塞がれ改質ガス等のガスのショートパスが防止され
て、改質ガスが生ガスのまま排出されたり改質ガス自体
が熱で分解されてカーボンが析出されること等が防止さ
れ、改質反応等の反応が高効率で行われると共に触媒が
伝熱管の全断面にわたって均等に使用され利用率が向上
される。

【００１５】本発明では、カートリッジ用管体の構成要
素である管基体の周囲を覆う壁部材としては、例えば、
細い線径の耐熱性ステンレス鋼製の金網、ポリプロピレ
ン製フィルムやポリイミド製フィルム等の樹脂製フィル
ム、或いは、紙が用いられる。なお、壁部材を前記の金
網製とすると、線径（肉厚）の小さいものであっても所
要の強度を有するので触媒を最密充填したときでも円筒
形状を自己保持することができると共に、伝熱管に挿入
するときも金属同士である故、滑り抵抗が少ないため、
挿入が円滑、容易である。また、破損に対しても強い。

【００１６】そして、底蓋等の触媒カートリッジを構成
する他の部材も金属製にすれば、触媒カートリッジが装
填された伝熱管が加熱されても触媒カートリッジの構成
部材は伝熱管内にそのまま残存する。このため、触媒が
劣化して交換するときもカートリッジの形として伝熱管
からそのまま取り出すだけでよく、新しい触媒カートリ
ッジとすぐに交換することができる。

【００１７】また、壁部材を前記樹脂フィルム製または
紙製とすると触媒カートリッジを軽量化できる。伝熱管
内にセットされた後に伝熱管が加熱されて所定の高温に
されると樹脂フィルム製の場合には燃焼してガスとなっ
て消滅し、また、紙製の場合には燃えて無くなるが、こ
のような場合でも触媒はそのままの状態で伝熱管内に位
置され触媒は改質作用等を阻害されることなく有効に作
用する。

【００１８】請求項３のような構成とすると、上記作用
に加えて、カートリッジ用管体が保護管の内部にセット
された状態で触媒が充填されるので触媒の最密充填をさ
らに確かなものとすることができる。即ち、カートリッ
ジ用管体の外側には保護管が位置しているので該カート
リッジ用管体の安定性が増し触媒の充填作業が容易であ
ると共に保護管の外部から保護管に振動を与えつつ触媒
を充填するようにすれば振動を保護管を介して該管体に
効果的に伝えることが可能となり触媒を極めて密にカー
トリッジ用管体内に充填することができる。

【００１９】そして、そのようにして触媒が充填されて
構成された触媒カートリッジを保護管に内装して保護管
と一体にしたままで持ち運びすることが可能であり、触
媒カートリッジを損傷することがない。そして、触媒カ
ートリッジを保護管と一体にしたままで保護管の該触媒
カートリッジの底蓋が位置する側の一端側を装置本体に
備え付けられた伝熱管の開口端部に接合させて触媒カー
トリッジを保護管をガイドとして保護管から押し出して
伝熱管の内部へ挿入することができる。

【００２０】この場合、管基体である螺旋体の底蓋とは
反対側の端部を押し込むことにより、押し込み力は底蓋
に作用するだけで触媒には作用せずカートリッジ用管体
が膨れることがなく、膨れによる保護管内壁面および伝
熱管内壁面との間の摩擦抵抗が発生することがない。従
って、伝熱管内へ触媒カートリッジを極めて能率良く容
易に挿入することができる。

【００２１】

【実施例】次に、図面に示した実施例により本発明を詳
細に説明する。図１から図３は本発明方法を説明する図
であり、図１（ａ）〜（ｅ）は触媒カートリッジの製作
工程を説明する図、図２は触媒カートリッジを改質管
（伝熱管）へ挿入する要領を示す斜視図、図３は図２の
Ａ〜Ａ矢視断平面図、図４は本発明方法が適用される改
質管（伝熱管）を備えた流動床改質器の一実施例を示す
縦断正面図、図５は図４のＢ〜Ｂ矢視断面図、図６は触
媒カートリッジが装入された水平改質管の上部（頂部）
の部分の運転時の状態を示す斜視断面図、図７は触媒カ
ートリッジが装入された水平改質管の運転時の全断面状
態を示す縦断面図である。

【００２２】先ず触媒カートリッジの製作方法を図１
（ａ）〜（ｅ）に基づいて説明する。先ず、図１（ａ）
に示すような管基体２０を形成する。管基体２０は、中
心の軸２３に伝熱管としての改質管１１の内径よりも小
さい大きさの外径を有した螺旋（螺旋状羽根）２２を軸
方向に所定長さ延ばして取付けて螺旋体２１を形成し、
この螺旋体２１の一方の端部である螺旋２２と軸２３の
端部に多数の孔２４ａが穿設された底蓋２４を固着して
形成する。底蓋２４は螺旋体２１の螺旋２２と同等の外
径とされる。

【００２３】そして、図１の（ｂ）に示すように、管基
体２０の周囲に螺旋２２の外周および底蓋２４の周囲に
沿って壁部材としての金網２６を取付けて管基体２０を
覆うようにして壁面を構成する。これによりカートリッ
ジ用管体２５が形成される。管基体２０の底蓋２４とは
反対側の端部（螺旋２２と軸２３の端部）は後述する触
媒カートリッジ５０を伝熱管の中に挿入する時の押し部
２１ａとして形成される。なお、図１（ａ）、（ｂ）に
はそれぞれ管基体２０、カートリッジ用管体２５を垂直
に立てて置いた状態を示している。

【００２４】カートリッジ用管体２５を構成する螺旋体
２１としての螺旋２２、軸２３および底蓋２４からなる
管基体２０および壁部材としての金網２６は耐熱性のス
テンレス鋼製からなり、金網２６は例えば線径０．１９
ｍｍ、ピッチ（開き目）０．４５ｍｍのものが用いられ
る。カートリッジ用管体２１は伝熱管としての流動床改
質器１の改質管１１の長さに相当する長さとされると共
に、その外径、即ち金網２６の外径は改質管１０内に装
入したときに改質管１１の内壁面との隙間が極力小さく
なるように、改質管１１の内径よりもやや小さい大きさ
にされる。

【００２５】一方、図１（ｃ）に示すように、別に、前
記カートリッジ用管体２５の外径よりもやや大きく、か
つ、改質管１１（図２又は図４参照）と同等の内径と
し、長さをカートリッジ用管体２０と同等か、それより
もやや長くした保護管３０を形成して用意する。保護管
３０は材質を例えば厚紙で形成し、保護管３０の内面に
樹脂を厚さ数μｍコーティングして、後で説明するよう
にカートリッジ用管体２５を保護管３０に入れるときや
触媒カートリッジ５０を保護管３０から押し出すときの
滑りを良くする。そして、保護管３０は、流動床改質器
１の改質管１１の大きさが例えば内径７８．１ｍｍ、長
さ２０００ｍｍであるときには、厚さ３ｍｍの厚紙で内
径７８ｍｍ、長さ２０２０ｍｍの管とされる。

【００２６】次に、前記カートリッジ用管体２５を前記
厚紙製の保護管３０内に挿入して両者をセットした後、
図１（ｄ）に示すように保護管３０付きのカートリッジ
用管体２５をその底蓋２４が底になるようにして垂直に
立てて上方の開口から触媒４０をカートリッジ用管体２
５内へ落とし込んで充填する。触媒４０は螺旋２２に沿
って落下し底蓋２４上から詰まって行く。この触媒４０
の充填に際しては保護管３０の外側から木槌等のハンマ
ーで振動を与えつつ充填するようにして最密充填する。
保護管３０を比較的硬度のある厚紙で製作すれば振動が
保護管３０から内部にセットされているカートリッジ用
管体２５に良く伝わり触媒４０を効果的に最密充填がで
きる。触媒４０としては、例えば材質がバナジウムやニ
ッケル系で寸度が外径１３ｍｍ×内径６ｍｍ×高さ１３
ｍｍの円筒形のものが使用される。

【００２７】このようにしてカートリッジ用管体２５内
の上部まで所定量の触媒４０が充填されたら、図１
（ｅ）に示すようにカートリッジ用管体２５の上部開口
に耐熱性のステンレス鋼製で多数の孔２７ａを貫通して
穿設して形成された上蓋２７を管基体２０の押し部２１
ａに当てがって上蓋２７とカートリッジ用管体２５の金
網２６とを点溶接などして固着する。このようにしてカ
ートリッジ用管体２５は内部に触媒４０が最密充填され
た触媒カートリッジ５０として形成される。なお、触媒
カートリッジ５０には前記管基体２０の押し部２１ａと
上蓋２７とによって新たな押し部が形成される。触媒カ
ートリッジ５０は両端を底蓋２４と上蓋２７とで閉塞さ
れており、それを横にした場合にでも充填された触媒４
０は流出することはなく最密充填状態が保たれる。

【００２８】そして、このようにして形成された触媒カ
ートリッジ５０を流動床改質器１に設置された伝熱管と
しての改質管１１の中に挿入してセットする。この要領
は図２、図３に示したようにして行う。即ち、カートリ
ッジ支持台６０を予め用意する。カートリッジ支持台６
０は保護管３０の外径とほぼ内径を合わせて形成した半
円形のサポート６１とこのサポート６１の下面に取付け
た脚６２によって構成されている。脚６２の下端にはキ
ャスタ６３が取付けられてカートリッジ支持台６０が横
方向に移動自在に構成されると共に、脚６２の下部分に
は太径の脚嵌入部６２ａが形成されて脚６２が軸方向に
伸縮自在に構成され、サポート６１の上下方向の高さが
調節できるように構成されている。

【００２９】６２ｂは所定の高さ位置で脚６２を脚嵌入
部６２ａに固定するための止め具である。なお、脚６２
の伸縮手段として太径の脚嵌入部６２ａの代わりに油圧
ジャッキや油圧シリンダ等の手段を組み込んでもよい。
また、脚６２、脚嵌入部６２ａの部分を例えばリンク機
構にシリンダを組み込んでシリンダを作動させることに
より、リンク機構を上下方向に動作させる構造のものと
してもよい。

【００３０】このように構成された支持台６０のサポー
ト６１上に触媒カートリッジ５０を内装した保護管３０
を水平状に載置する。そして支持台６０を移動させてそ
のサポート６１上に載置された保護管３０の触媒カート
リッジ５０の底蓋２４が位置する側の端部を図４に示し
たような流動床改質器１に設置された水平改質管１１の
開口端部に接合する。このときサポート６１の脚６２を
伸縮させてその高さを改質管１１の内面と保護管３０の
内面が合致するように支持台６０の高さを調節する。

【００３１】そして、押し棒７０でその先端のゴム７３
を保護管３０に内装された触媒カートリッジ５０の後端
である触媒カートリッジ５０の上蓋２７部分、即ち、押
し部に当てて触媒カートリッジ５０を改質管１１の中に
押し込む。保護管３０の内径、即ち触媒カートリッジ５
０の外径と改質管１１の内径はほぼ一致させてあるので
触媒カートリッジ５０は改質管１１の中に円滑に挿入さ
れる。触媒カートリッジ５０は改質管１１の末端内部に
取付けられた環状ストッパ１１ｃに底蓋２４が当接され
るまで押し込まれる。

【００３２】押し棒７０は図２又は図３に示すように把
持部７１とその先端のフランジ７２、及びフランジ７２
に取付けたゴム７３で構成されている。なお、図３で
は、説明のため触媒カートリッジ５０のカートリッジ用
管体２５の外面と保護管３０の内面との間、及び、触媒
カートリッジ５０のカートリッジ用管体２５の外面と改
質管１１の内面との間は隙間を持たせて示されているが
実際にはこれらの隙間は殆ど存在しない。

【００３３】しかして、この触媒カートリッジ５０の改
質管１１への挿入に当たっては、押し込み力が押し棒７
０から触媒カートリッジ５０の上蓋２７を介して管基体
２０の押し部２１ａに伝えられ、さらにこの力が螺旋体
２１、即ち螺旋２２と軸２３を介して触媒カートリッジ
５０の先端に位置する底蓋２４に伝えれる。そして、底
蓋２４が触媒カートリッジ５０全体をその進行方向の先
端位置で連れ込むので、触媒カートリッジ５０の内部の
触媒に押し込み力が全く作用せず、触媒カートリッジ５
０が膨れたりすることがなく保護管３０内面や改質管１
１内面との間で摩擦抵抗も発生せず、触媒カートリッジ
５０は極めて円滑に改質管１１内に挿入されてセットさ
れる。

【００３４】次に、本発明の触媒カートリッジおよび触
媒の充填方法が適用される改質管１１を備えた流動床改
質器の一実施例を図４および図５に基づいて説明する。
２は炉体であり、流動室１０内には炉体２の炉底２ａ上
にガス分散部３が設置され、その上方の流動室１０内に
はガス分散部３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）の伝熱管としての改質管１１（触
媒管ともいう）が流動室１０を横断して水平状態で配置
されている。図４に示すように、最下段と２段目、３段
目と４段目の改質管１１はそれぞれ図中右端部同士を連
絡管１１ａで連通され、２段目と３段目の改質管１１は
前記とは反対側端部を連絡管１１ｂで連通されている。

【００３５】１２は例えば都市ガスやメタン等の炭化水
素系燃料とスチームとを改質管１１内へ供給する下部供
給管（ヘッダ）、１３は改質管１１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３は、空気ヘッダ５か
ら分岐され炉底２ａ上に載置されて配置された空気管４
とこの空気管４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６、及び、空気分散管６の上方位
置でガス燃料供給ヘッダ８から分岐されて空気管４とほ
ぼ平行に配置されたガス燃料管７、このガス燃料管７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６の間に位置された多数のガス燃料分散管９から
構成されている。

【００３６】運転していないときには炉底２ａから所定
高さ上方位置に上面を位置させて流動媒体１６が充填
（静置）されている。なお、図４及び図５には流動媒体
１６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１０の上方のフリーボード１０ａには燃焼
排ガス取出管１５が取付けられている。１５ａは排ガス
排出管である。

【００３７】しかして、各々の改質管１１内には触媒カ
ートリッジ５０が前記した要領で挿入されて装備されて
いる。なお、各改質器１１内の触媒カートリッジ５０は
その先端側端部の底蓋２４を環状ストッパ１１ｃに当接
されると共に、その後端部の上蓋２７部をそれぞれヘッ
ダ１２、１３が位置する側の改質管１１の端部側を抑え
筒１４（なお、この抑え筒１４はヘッダ１２、１３と改
質管１１内部が連通される構造とされている）によって
押し込まれることにより改質管１１の内部に押圧される
ようにして装填される。

【００３８】そして、流動床改質器１は運転開始に際し
てはガス分散部３の空気分散管６とガス燃料分散管９か
らそれぞれ燃焼空気とガス燃料を流動室１０内へ供給し
て流動媒体１６を流動化させてガス燃料を燃焼させ、先
ず流動床Ｆの予熱を行う。流動床Ｆの温度が例えば６０
０℃程度に達すると予熱が終了する。

【００３９】この後、流動床改質器１は正運転に入り、
ガス燃料供給と空気供給がさらに増加されて流動床Ｆは
さらに層高が高くなると共に所定の高温度、例えば約８
００℃の均等な温度に保たれる。そして、改質管１１は
流動床Ｆに接触して均等に加熱され、例えば改質原料と
しての都市ガス等の炭化水素系燃料とスチームが下部供
給管１２から最下段の改質管１１内の触媒カートリッジ
５０へその端部の上蓋２７の多数の孔２７ａを通って供
給され、該改質管１１内の触媒カートリッジ５０内部の
触媒４０層を通過してもう一方の端部の底蓋２４部に至
り、底蓋２４の多数の孔２４ａを通過し、連絡管１１ａ
を介して上段側の改質管１１内の触媒カートリッジ５０
内へ流れる。以後、連絡管１１ｂ、１１ａを経由してさ
らに上段側の改質管１１内の触媒カートリッジ５０内へ
と流れる。

【００４０】この間で、炭化水素系燃料とスチーム、お
よび触媒４０は流動床Ｆから均等に熱を吸収しつつ、触
媒４０の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改質管１１の上部排出管１３から
取り出され、水素ガスは燃料電池等に利用される。燃料
排ガスはフリーボード１０ａを上昇し、排ガス取出管１
５へ吸引され排ガス排出管１５ａから外部へ排出され
る。

【００４１】しかして、触媒カートリッジ５０は内部に
螺旋体２１を備えていることにより、改質管１１内で改
質ガスが螺旋体２１の螺旋２２に沿って旋回して流れる
ことにより、実質的に管路（流路）が長くされる。従っ
て、単位時間、単位断面積当たりに流れる改質ガスの質
量、所謂、質量速度が増え、伝熱係数が増す。このた
め、同じガス量を流す場合に改質管１１の伝熱面積を小
さくすることができる。即ち、改質管１１の長さを小さ
いものとすることができる。

【００４２】そして、改質作用に際して、流動床Ｆの約
８００℃の高熱により改質管１１と螺旋体２１の螺旋２
２は半径方向に膨張して伸びるが、触媒４０はそれ程膨
張せず、改質管１１の上部（頂部）には例えば内径が７
８．１ｍｍの改質管の場合、５ｍｍ前後の隙間ＣＬがで
きるが、図６及び図７に示すように、このような場合で
も螺旋２２が隙間ＣＬを螺旋２２の取付ピッチ毎にさえ
ぎることになる。即ち、上部隙間ＣＬを流れるガス流Ｓ
は螺旋２２の所に至ると螺旋２２に当てられて流れが下
方に向けられて触媒４０の充填層の方へ流されるように
なる。従って、メタンガス等の改質ガスのショートパス
が防がれて改質ガスが生ガスのまま排出されたり、改質
ガス自体が高熱で分解されてカーボンが析出したりする
ことがなく、改質反応を高効率で行うことができると共
に触媒４０が改質管１１の全断面にわたって均等に使用
され触媒４０の利用率を向上することができる。

【００４３】本実施例では改質管１１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、この流動床改質器１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、改質管１１が熱により膨張して収縮したときに触
媒４０の充填層が圧縮されることがなく、従って、触媒
４０自体が圧潰・粉砕されることはない。

【００４４】そして、本実施例では触媒カートリッジ５
０を構成するカートリッジ用管体２５、上蓋２７は金属
製であるため、改質器１が運転されて改質器１１が熱せ
られても改質管１１内部にそのまま残存しており、触媒
４０が劣化して交換するときでも、カートリッジとして
そのまま取り出すことができ、新しい触媒カートリッジ
５０と交換を容易に行うことができる。

【００４５】以上の実施例では触媒カートリッジ５０を
形成するのに保護管３０を用いた場合を説明したが、本
発明では、保護管３０は必ずしも用いなくてもカートリ
ッジ用管体２５に触媒４０を最密に充填して触媒カート
リッジ５０を形成することができる。

【００４６】また、触媒カートリッジ５０としては１本
の改質管１１に対して１本とする必要はなく、長さの短
い触媒カートリッジ５０を製作して１本の改質管１１に
複数本装填するようにすることもできる。このような場
合は改質管１１の長さが長い場合には改質管１１への挿
入も容易であり、また、触媒カートリッジ５０の持ち運
びも容易であって好都合である。

【００４７】一方、上記実施例において、カートリッジ
用管体２５は線径の小さい金網で構成されていることに
より軽量であると共に内部を目視することが可能であ
り、保護管３０を用いずに該カートリッジ用管体２５に
触媒４０を充填するときは、内部の充填状況を監視しつ
つ充填作業が行え、最密充填をより確かに行うことがで
きる。なお、保護管３０に内装して触媒４０を充填する
場合でも、保護管３０から抜いて充填状態を目視で確認
することもできる。

【００４８】また、本実施例のようにカートリッジ用管
体２５を保護管３０の内部に装入した状態で触媒４０を
充填する場合には、保護管３０は紙製であるのでカート
リッジ用管体２５内への触媒の充填作業を外部から目視
で監視しつつ行うことができない。従って、これに対処
するために保護管３０をアクリル樹脂等の透明性の樹脂
や内部を見通すことのできる材質のもので製作すること
により、最密充填をより有効に行うようにすることがで
きる。

【００４９】また、本発明では、カートリッジ用管体２
５の壁部材を金網２６で構成する代わりに、ポリプロピ
レン製フィルムやポリイミド製フィルム等の樹脂製フィ
ルム、或いは紙製で構成することもできる。樹脂製フィ
ルムで構成する場合は、持ち運ぶときや触媒４０を充満
するとき、又は、触媒カートリッジ５０を保護管３０か
ら押し出すときにも自己円筒形状を保持できるような強
度を有する厚みの薄い樹脂製フィルムとし、管基体２０
の周囲に該樹脂製フィルムを巻き、管基体２０と樹脂製
フィルムとを接着剤で充分に接着してカートリッジ用管
体２５を形成する。樹脂製フィルムは例えば厚み５０μ
ｍとされる。

【００５０】このように壁部材を樹脂製としたカートリ
ッジ用管体２５を用いて触媒カートリッジ５０を構成し
た場合には、前記の流動床Ｆの予熱時に改質管１１が例
えば６００℃に加熱されてカートリッジ用管体２５を構
成する樹脂が高温で燃焼してガスとなり上部排出管１３
から排出され、改質管１１内には、金属製である螺旋体
２１（螺旋２２、軸２３）、底蓋２４、上蓋２７とが触
媒４０とともに残り、触媒４０がそのまま充填された状
態で維持される。なお、壁部材を紙で構成した場合は紙
が燃えて消滅し、螺旋体２１、底蓋２４、上蓋２７が残
る。

【００５１】また、以上の実施例では改質管１１の加熱
源として流動床Ｆを用いた場合の流動床改質器１を示し
たが、本発明では加熱源を燃焼バーナとした改質器であ
ってもよい。また、流動床改質器の改質管は水平に設置
されたものを示したが、勿論、竪型に設置された流動床
改質器であっても本発明は有効に適用される。

【００５２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、請求項１及び２のような構成とすることによ
り、触媒を触媒カートリッジとしてそのまま伝熱管内へ
挿入することができるので、伝熱管内に容易にかつ短時
間に能率よくセットすることができる。そして、該触媒
カートリッジは装置本体に備え付けられた伝熱管とは別
の位置で単独に製作可能であるので、触媒は管体内へ最
密に充填することができる。従って、伝熱管内に触媒を
最密状態で能率良く充填することができる。

【００５３】そして、触媒カートリッジを伝熱管に装入
するときにカートリッジ用管体の管基体の底蓋とは反対
側の螺旋体の端部を押し込むことにより、押し込み力は
該端部から螺旋体を介して底蓋に伝えられるため底蓋に
作用するだけであり、触媒カートリッジの内部に充填さ
れた触媒には作用せず、従ってカートリッジ用管体が膨
れたり変形することがない。このため、伝熱管内壁との
間に余分な摩擦抵抗が作用せず触媒カートリッジが極め
て円滑に伝熱管に挿入される。従って、伝熱管内に触媒
を最密状態で能率良く充填することができる。

【００５４】また、触媒カートリッジは内部に管基体と
しての螺旋体を備えていることにより、伝熱管内で改質
ガス等のガスが螺旋体に沿って旋回して流れ、管路（流
路）が実質的に長くされる。従って、単位時間、単位断
面積当たりに流れるガスの質量、所謂、質量速度が増
え、伝熱係数が増える。このため、同じガス量を流す場
合に伝熱管の伝熱面積を小さくすることができる。即
ち、伝熱管の長さを小さいものとすることができる。

【００５５】さらに、触媒カートリッジを水平の伝熱管
に適用して使用するときには、伝熱管の運転作動中に熱
により伝熱管と螺旋体は半径方向に膨張して伸びるが、
触媒はそれ程膨張せず、伝熱管の上部（頂部）には所定
の隙間ができるが、このような場合でも管基体の螺旋体
が上部隙間を螺旋体のピッチ毎にさえぎり、この隙間が
塞がれ改質ガス等のガスのショートパスが防止され、改
質ガスが生ガスのまま排出されたり改質ガス自体が熱で
分解されてカーボンが析出されること等が防止され、改
質反応等の反応が高効率で行われると共に触媒が伝熱管
の全断面にわたって均等に使用され触媒の利用率が向上
される。

【００５６】請求項３のような構成とすることにより、
上記効果に加えて、カートリッジ用管体が保護管の内部
にセットされた状態で触媒が充填されるので触媒の最密
充填をさらに確かなものとすることができる。即ち、カ
ートリッジ用管体の外側には保護管が位置しているので
該管体の安定性が増し触媒の充填作業が容易であると共
に保護管の外部から保護管に対して振動を与えつつ触媒
を充填すると振動を保護管を介して該管体に効果的に伝
えることが可能となり触媒を極めて密に該管体内に充填
することができる。

【００５７】そして、そのようにして触媒が充填されて
構成された触媒カートリッジを保護管に内装して保護管
と一体にしたままで持ち運びすることが可能であり、触
媒カートリッジを損傷することがなく、また、触媒カー
トリッジを保護管と一体にしたままで保護管の触媒カー
トリッジの底蓋が位置する側の一端側を装置本体に備え
付けられた伝熱管の開口端部に接合させて触媒カートリ
ッジの底蓋とは反対側の管基体の端部に押し込み力を作
用させて触媒カートリッジを保護管をガイドとして保護
管から押し出して伝熱管の内部へそのまま挿入すること
ができる。従って伝熱管内へ触媒カートリッジを極めて
能率良く容易に挿入することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｅ）は本発明の実施例に係る触媒カ
ートリッジの製作工程を説明する図であり、（ａ）は螺
旋体の端部に底蓋を固着した状態を示す斜視図、（ｂ）
はカートリッジ用管体を示す斜視図、（ｃ）は保護管を
示す斜視図、（ｄ）はカートリッジ用管体を保護管内に
セットした状態で触媒を充填している状態を示す斜視
図、（ｅ）は触媒の充填を終えて上蓋を取付けるときの
状態を示し、触媒カートリッジが完成される直前の状態
を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施例に係る触媒カートリッジを改質
管へ挿入する要領を示す斜視図である。

【図３】図２のＡ〜Ａ線矢視断平面図である。

【図４】本発明方法が適用される改質管を備えた流動床
改質器の一実施例を示す縦断正面図である。

【図５】図４のＢ〜Ｂ線矢視断面図である。

【図６】触媒カートリッジが装入された水平改質管の上
部（頂部）の部分の運転時の状態を示す斜視断面図であ
る。

【図７】触媒カートリッジが装入された水平改質管の運
転時の全断面（改質管の軸線と直交する断面）状態を示
す縦断面図である。

【符号の説明】

１ 流動床改質器 １０ 流動室 １１ 改質管（伝熱管） Ｆ 流動床 ２０ 管基体 ２１ 螺旋体 ２１ａ 押し部 ２２ 螺旋 ２３ 軸 ２４ 底蓋 ２４ａ 孔 ２５ カートリッジ用管体 ２６ 金網（壁部材） ２７ 上蓋 ２７ａ 孔 ３０ 保護管 ４０ 触媒 ５０ 触媒カートリッジ ６０ 支持台 ７０ 押し棒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 伝熱管の内径よりやや小さい外径を有し
   軸方向に所定の長さ延びた螺旋体と、この螺旋体の軸方
   向の一端に固着され多数の孔が穿設され螺旋体と同等の
   外径とした底蓋とで管基体を形成し、この管基体の外周
   面を壁部材で覆ってカートリッジ用管体を形成し、この
   カートリッジ用管体内に触媒を密に充填して伝熱管装入
   用のカートリッジとして形成したことを特徴とする伝熱
   管用触媒カートリッジ。
2. 【請求項２】 伝熱管内へ触媒を充填する際に、先ず、
   伝熱管の内径よりやや小さい外径を有し軸方向に所定の
   長さ延びた螺旋体とこの螺旋体の軸方向の一端に固着さ
   れ多数の孔が穿設され螺旋体と同等の外径とした底蓋と
   で管基体を形成しこの管基体の外周面を壁部材で覆って
   カートリッジ用管体を形成し、この管体に触媒を密に充
   填して触媒カートリッジを製作し、然る後、この触媒カ
   ートリッジの前記底蓋とは反対側の管基体の端部を押し
   て触媒カートリッジをそのまま伝熱管内へ挿入するよう
   にしたことを特徴とする伝熱管内への触媒の充填方法。
3. 【請求項３】 伝熱管内へ触媒を充填する際に、先ず、
   伝熱管の内径よりやや小さい外径を有し軸方向に所定の
   長さ延びた螺旋体とこの螺旋体の軸方向の一端に固着さ
   れ多数の孔が穿設され螺旋体と同等の外径とした底蓋と
   で管基体を形成しこの管基体の周囲を壁部材で覆ってカ
   ートリッジ用管体を形成し、この管体を両端が開口され
   伝熱管と内径をほぼ同一とした軽量の保護管内に挿入し
   てセットし、該カートリッジ用管体と保護管とを該カー
   トリッジ用管体の底蓋が位置する側を底にして立てた状
   態で該カートリッジ用管体内へ上方から触媒を入れて密
   に充填して該カートリッジ用管体を触媒カートリッジと
   して製作し、該触媒カートリッジを内装した保護管の該
   触媒カートリッジの底蓋が位置する側の一端側を伝熱管
   の開口端に接合させ、然る後、該触媒カートリッジの前
   記底蓋とは反対側の管基体の端部を押し込むことにより
   該触媒カートリッジを保護管から押し出してそのまま伝
   熱管内へ挿入するようにしたことを特徴とする伝熱管内
   への触媒の充填方法。