JPS5849588B2 - 部分燃焼式ガス改質炉の温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は部分燃焼式ガス改質炉の温度制御方法に関する
。

石油系ガスおよびナフサから都市ガスを製造する方式と
して部分燃焼式がある。

この部分燃焼式ガス製造方法とは、触媒を有するガス改
質炉内に原料（石油系ガスおよびナフサ）、空気および
蒸気を供給し、一方では供給された原料の一部を空気に
より燃焼させて触媒を所定温度に加熱するようにし、他
方ではその触媒の作用のもとに残りの原料を蒸気と反応
させて分解し、都市ガスを生戊するという方法である。

このような部分燃焼式ガス改質炉においては、安定した
連続操業が出来ることと生或ガスの組戊の変動が少ない
ことが最も重要であり、これを可能にするためには反応
温度すなわち炉内触媒温度を一定に制御することが必要
である。

この反応温度の変動はガス変或効率、生或ガスの組戊お
よび触媒に悪影響を与えるカーボンの析出に関係し、そ
してこの反応温度を変動させる因子としては、原料の流
量およびカロリーなどの塗動、この原料に対する空気流
量の比率変動、原料に対する蒸気流量の比率変動、炉内
圧力の変動および原料予熱温度の変動などがある。

また、部分燃焼式は連続式であるが１日に１回スタート
アップ、シャットダウンを行なうので、運転中の安定度
を高めることは勿論であるが、スタートアップ時間の短
縮が運転効率、作業効率を上げる上に大きく影響してい
る。

このような部分燃焼式ガス改質炉の温度制御方法として
は、従来一般的には、空気流量を制御して温度を制御す
るのであるが、原料流量と空気流量との比率制御を行な
い、温度調節器の出力でその比率を修正するという比率
・カスケード制御方法が採用されている。

第１図はこのような部分燃焼式ガス改質炉の温度制御装
置の従来例を示す。

この第１図においで、１は触媒層７を有するガス改質炉
であり、このガス改質炉１内には原料導管２、空気導管
３および蒸気導管４を介して原料、空気および蒸気が供
給されている。

５は原料導管２内を流れる原料の流量■２を測定し、発
信する原料流量発信器、６は空気導管３内を流れる空気
の流量■３を測定し、発信する空気流量発信器である。

８はガス改質炉１内の触媒層７の温度を測定する熱電対
、９はこの熱電対８の出力電圧と温度設定電圧とを比較
し、その偏差を発信する温度調節計である。

１０は、この温度調節計９の出力信号■１および原料流
量発信器５からの原料流量■２とで所定の比率演算を行
ない、その出力信号■。

を空気流量調節計１１に空気流量設定値として与える比
率設定器である。

空気流量調節計１１はこの空気流量設定値■ｏと空気流
量発信器６からの空気流量■３とを比較し、その偏差に
基づいて空気導管３に配設された弁１２を開閉する。

このガス改質炉１の従来の温度制御装置は次のように動
作する。

ここで、比率設定器１０は次の比率演算式で示される比
率演算を行なう。

しかして、第２図に示すように、今原料流量■２がｖ２
，からＶ２２に変化したとすると、比率設定器１０によ
り、第（１）式に基づいて、この原料流量ｖ２２に対応
した空気流量■。

すなわち■。２が求めら？、この空気流量■。

２が空気流量設定値として空気流量調節計１１に与えら
れる。

この空気流量調節計１１は、その空気流量設定値■。

２と実際の空気流量■３とを比較し、その偏差に応じて
、実際の空気流量■３が空気流量設定値■。

２に等しくなるように弁１２を開閉制御する。

一方、原料の組或などが変化し、そのカロリーも変化し
ている場合には、改質炉１内の触媒温度は当然変化する
。

この温度変化は熱電対８により検出され、この熱電対出
力は温度調節計９の温度設定電圧と比較される。

その結果、温度調節計９の出力信号■１が■１になった
とすると、第（３）式の修正比率設定値Ｋ１がＫ１、一
ａ（■１−Ｂ３）となり、それゆえ第（１）式の比率設
定値Ｋの修正が行なわれる。

このようにして、原料流量■２の変動に対して、改質炉
１の触媒温度を設定温度に保持する最適な空気流量設定
値ｖ／０２が求めら札最終的（ごは空気流量■３が設定
値■′ｏ２になるように修正制御が行なわれる。

このような制御により、 （１）原料流量の変動（供給圧の変動、負荷変更などに
よる。

）（２）空気流量の変動（供給圧の変動による。

）などの外乱が除かれ、安定した温度制御ができる。

ところで、第１図の従来の制御装置においては、原料流
量■２と空気流量■。

との関係が第２図および第（１）式に示すような直線関
係にあるという前提のもとに、空気流量の制御が行なわ
れている。

ところが、部分燃焼式ガス改質炉１においては、上述し
たように、同一炉内で、原料の一部と空気との燃焼によ
る発熱反応と原料の残りと蒸気とのガス化反応による吸
熱反応とが生じている。

そこで、本発明者等が種々の研究と数々の実験を繰り返
し行なった結果、発熱反応による発熱量と吸熱反応によ
る吸熱量との熱収支の関係が原料流量の変化に対して一
定ではないことが判明した。

すなわち換言すれば、ガス改質炉１の触媒温度を所定温
度ｔ（たとえば温度ｔ１１ ｔ２ ｔ ｔ３・・・・・
・）に一定保持するためには、原料流量と空気流量との
関係は第３図に示すようにほぼ指数関数の関係が収り立
っていなければならないことが判明した。

従って、このように原料流量〜空気流量特性が実際には
指数関数特性となっていなければならないガス改質炉１
に対して、原料流量一空気流量特性が第２図に示すよう
な直線特性となる制御方法を適用しでも、充分な応答速
度を有する制御を行なうことはできない。

ところで、一般のカスケード制御においては、比率制御
をする２つの流量の関係が直線関係にない場合には、近
似直線にリニアライズして比率制御を行なっている。

このような制御方法を部分燃焼式ガス改質炉に適用した
場合には、実曲線と近似直線との差は１次調節計（温度
調節計９）の入力変動として検出され、２次調節計（空
気流量調節計１１）の空気流量設定値の変更指令となり
、修正制御がされる。

ところが、この修正ループでは遅れが大きいため、発生
ガス量の変更、プラント始動時など原料流量の変更時に
温度変動が大きく、制御系が安定するまでに長時間を要
する。

本発明は、このような点に鑑みてなされ、原料流量の変
動に追従して、迅速にしかも正確に空気流量、すなわち
原料流量と空気流量との比率を修正することのできる部
分燃焼式ガス改質炉の温度制御方法を提供することを目
的とする。

このような目的は、本発明によれば、上述した種類の温
度制御方法において、比率設定値を、触媒温度のほかに
、原料流量の変動に応じても変えるようにすることによ
って達或される。

本発明の技術的思想は次のような実験結果に基づいてい
る。

すなわち、第３図に示した原料流量空気流量特性は、本
発明者等の実験および研究によれば、触媒温度ｔをパラ
メータとして、原料流量一（空気流量／原料流量）特性
を求めると、第４図の如く右下がりの直線特性に書き換
えることができることが判明した。

従って、この第４図から理解できるように、原料流量の
変化に対して、各原料流量に対応する（空気流量／原料
流量）の値すなわち比率説定値を与えてやれば、燃焼反
応に必要な空気量を正しく与えてやることができる。

次に本発明の温度制御方法を図面に基づいて詳細に説明
する。

第５図は本発明の温度制御方法を実施するための制御装
置の一例である。

この第５図において、第１図の各部分と同一の機能を有
する部分には同一符号が付されている。

この制御装置においては、比率設定器１０の前段に、温
度調節計９の出力信号■１および原料流量発信器５の出
力信号（原料流量）Ｖ２を入力とする演算器１３が接続
されている。

この演算器１３は次の第（４）式で示される演算を行な
い、その演算出力Ｋ′を比率設定器１０に比率演算式の
比率設定値として与える。

第６図に演算器１３の出刃特性図を示す。

原料流量■２がＶ２３から■２４に変化すると、（空気
流量／原料流量） Ｋ／は第（４）式に基づいてＥ１か
らＥ２に迅速に変えられる。

一方、上述したように、原料の組６ｆｉども変化し、そ
のカロリーも変化した場合には、温度調節計９の出力信
号■１も変わる。

その結果、（空気流量／原料流量）Ｋ′はＥ２から最終
的にはたとえばＥ′２に修正され、原料流量■２の変化
△Ｖ２ （ 一Ｖ２４ Ｖ２３ ）に対応した変化△
Ｅ（一Ｅｔ Ｅ’２）を生ぜしめられ、正しい比率設
定値に制御される。

この（空気流量／原料流量）Ｋ′は比率設定器１０に比
率設定値として与えられ、比率演算が行なわれる。

この比率演算は第（１）式および第（２）式と同様に次
の比率演算式に基づいて行なわれる。

■ちーＫ′（■２−Ｂ１）十Ｂ２（６） その結果、ガス改質炉１の触媒温度を所定温度に保つた
めに、原料流量■２の変動に対応した正しい空気流量■
６を求めることができる。

この空気流量■ｏは空気流量設定値として空気流量調節
計１１に与えら札実際の空気流量■３と比較される。

空気流量調節計１１はこの空気流量■３が空気流量設定
値■。

に等しくなるように弁１２を開閉制御する。このように
して、改質炉１内には空気導管３を介しして原料流量■
２の変動に対応した正しい空気流量■ｏが迅速に供給さ
れるようになる。

以上に説明したように、本発明によれば、原料流量の変
化に対応した比率の修正を比率カスケード制御の応答の
早い部分で行なうため（すなわち、原料流量の変化に対
応しても比率の修正を行なうため）、原料流量の変動が
一次ループへ影響するのを除去することができ、発生ガ
ス量の変更、プラント始動時などに応答の早い制御がで
きるようになった。

このことは、特に部分燃焼式のように、スタートアップ
、シャットダウンが多く繰り返えされるプラントにおい
ては運転効率の向上に大きく貢献し、産業上使用する上
での効果は極めて大きいものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は部分燃焼式ガス改質炉の従来の温度制御装置の
構或図、第２図はその制御装置による原流流量一空気流
量特性図、第３図および第４図は部分燃焼式ガス改質炉
の原料流量一空気流量特性図および原料流量一（空気流
量／原料流量）特性図、第５図は本発明の温度制御方法
を実施するための温度制御装置の構或図、第６図はその
原料流量−（空気流量／原料流量）特性図である。 １・・・・・・ガス改質炉、２・・・・・・原料導管、
３・・・・・・空気導管、４・・・・・・蒸気導管、５
・・・・・・原料流量発信器、６・・・・・・空気流量
発信器、７・・・・・・触媒層、８・・・・・・熱電対
、９・・・・・・温度調節計、１０・・・・・・比率設
定器、１１・・・・・・空気流量調節計、１２・・・・
・・弁、１３・・・・・・演算器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 原料の一部を空気により燃焼させて触媒を加熱する
   と共にこの触媒の作用のもとに原料の残りを蒸気と反応
   させて所望のガスを製造する部分燃焼式ガス改質炉に供
   給される原料流量の変動に応じて空気流量を比率制御し
   、かつその比率設定値を触媒温度の変動に応じて変更す
   るようにした温度制御方法において、前記比率設定値を
   前記触媒温度のほかに前記原料流量の変動に応じても変
   更することができるようにするために、前記比率設定値
   （Ｋ′）の変更を、前記原料流量（■２）とガス改質炉
   の温度制御を行なうための温度調節計の出力信号（■１
   ）とで表わされる次の演算式に従って行なうことを特徴
   とする部分燃焼式ガス改質炉の温度制御方法。