(57)【要約】【解決手段】一体化された水蒸気改質反応器を含む水素生成システムを開示する。反応器は、全体として円筒形状を有しており、リフォーメートを受け入れ、それとは別に燃焼混合物を受け入れる。反応器は、積み重ねられ連続する構成に配置された複数の改質ステージを含んでおり、各改質ステージは、リフォーメートが通過する円盤形の触媒パックに隣接する円盤形の燃焼部を有し、リフォーメートは、ステージ間で軸線方向に、各ステージ内では半径方向に方向付けられており、燃焼混合物は、ステージのグループ間で半径方向に、各ステージ内では円周方向に方向付けられる。【選択図】図３
2009511421.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素生成システムであって：
炭化水素燃料供給部と；
水供給部と；
燃焼ガス混合部；及び
燃料供給の一部を受け入れてリフォーメートとして処理し、別途燃焼混合物を受け入れる一体型の改質反応器を含んでおり、該反応器は：
積み重ねられ連続する構成に配置された複数の改質ステージを含み、各改質ステージは、リフォーメートが通過する円盤形の触媒パックに隣接する円盤形の燃焼部を有しており、リフォーメートは、ステージ間で軸線方向に、各ステージ内では半径方向に方向付けられ、燃焼混合物は、ステージのグループ間で軸線方向に、各ステージ内では円周方向に方向付けられる水素生成システム。
【請求項２】
各ステージの燃焼部は、一対の対向する円盤形のプレートを含んでおり、各プレートは、フラットな熱交換面と反対面とを有し、反対面は、反対面上に形成された複数の弓形の同心円状リブと、貫通する中心軸方向ボアとを有しており、一対の円盤形のプレートは、一対のプレートの第１側縁から一対のプレートの反対の側縁に延びて、弓形で同心円状の通路を形成するように交互に配置された同心円状のリブと嵌まり合う請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
燃焼ガスを受入及び排出するために、交互に配置されたリブの側縁と側端との間に形成されたテーパー状入口通路と、反対のテーパー状出口通路とをさらに含んでいる請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
各リブの横断面は、各弓形通路をシールするように、反対のプレート面に接触している請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
触媒パックは、２つの触媒スクリーンの間に挟まれたフラットな円盤形のダイバータプレートを含んでいる請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
各触媒パックは、ダイバータプレートを挟む一連の触媒スクリーンを有している請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
燃焼部は、燃焼部を貫通する中央ボアを有し、中央ボアを通ってリフォーメートが通過し、隣接する触媒パックに軸線方向に入る請求項５に記載のシステム。
【請求項８】
リフォーメートは、最初に半径方向に触媒を通って、ダイバータプレートの外縁の周囲で、中央ボアからダイバータプレートの外縁に方向付けられ、隣接するステージの別の燃焼部の中央ボアへ半径方向内側に方向付けられる請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
一体型の改質反応器は、３つのグループに配置された複数のステージを有しており、燃焼ガスは、平行なステージの各グループを通って、一続きに順に接続されたグループ間を流れる請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
一体型の改質反応器は、少なくとも１２のステージを有しており、燃焼ガスをステージのグループ間に方向付けるために、ステージに取り付けられたマニホールドを含んでいる請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
水素生成システムに使用するための一体型の改質反応器であって、該反応器は、リフォーメートを受け入れ、別途燃焼混合物を受け入れるものであって、該反応器は：
積み重ねられ連続する構成に配置された複数の改質ステージを含み、各改質ステージは、円盤形の触媒パックに隣接する円盤形の燃焼部を有しており、燃焼部をリフォーメートが通過し、リフォーメートは、ステージ間で軸線方向に、各ステージ内では半径方向に方向付けられ、燃焼混合物は、ステージのグループ間で軸線方向に、各ステージ内では円周方向に方向付けられる水素生成システムに用いられる一体型改質反応器。
【請求項１２】
各ステージの燃焼部は、一対の対向する円盤形のプレートを含み、各プレートは、フラットな熱交換面と反対面とを有し、反対面は、反対面上に形成された複数の弓形で同心円状のリブと、貫通する中心軸方向ボアとを有しており、一対の円盤形のプレートは、一対のプレートの第１側縁から一対のプレートの反対の側縁に延び、弓形で同心円状の通路を形成するように交互に配置された同心円状のリブと嵌まり合う請求項１１に記載の反応器。
【請求項１３】
燃焼ガスを受入及び排出するために、交互に配置されたリブの側縁と側端との間に形成されたテーパー状入口通路と、反対のテーパー状出口通路とをさらに含んでいる請求項１２に記載の反応器。
【請求項１４】
各リブの横断面は、各弓形通路をシールするように、反対のプレート面に接触している請求項１２に記載の反応器。
【請求項１５】
触媒パックは、２つの触媒スクリーンの間に挟まれたフラットな円盤形のダイバータプレートを含んでいる請求項１１に記載の反応器。
【請求項１６】
各触媒パックは、ダイバータプレートを挟む一連の触媒スクリーンを有している請求項１５に記載の反応器。
【請求項１７】
燃焼部は、燃焼部を貫通する中央ボアを有し、中央ボアをリフォーメートが通過して、隣接する触媒パックに軸線方向に入る請求項１５に記載の反応器。
【請求項１８】
リフォーメートは、最初に半径方向に触媒を通って、ダイバータプレートの外縁の周囲で、中央ボアからダイバータプレートの外縁に方向付けられ、隣接するステージの別の燃焼部の中央ボアへ半径方向内側に方向付けられる請求項１７に記載の反応器。
【請求項１９】
一体型の改質反応器は、３つのグループに配置された複数のステージを有しており、燃焼ガスは、平行なステージの各グループを通って、一続きに順に接続されたグループ間を流れる請求項１１に記載の反応器。
【請求項２０】
一体型の改質反応器は、少なくとも１２のステージを有しており、燃焼ガスをステージのグループ間に方向付けるために、ステージに取り付けられたマニホールドを含んでいる請求項１９に記載の反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
＜１．分野＞
本開示は、水素生成システムに関するものであり、より具体的には、小型の水蒸気改質水素生成システムに組み込まれる小型の一体型水蒸気改質装置に関係する。
【背景技術】
【０００２】
＜２．一般的背景＞
水素生成ユニット(ＨＧＵ)又はシステムには、一般的に水蒸気改質方法が含まれ、その方法には、燃料−水蒸気混合物を、燃料原料の組成に応じて、主として水素(Ｈ2)、一酸化炭素(ＣＯ)、二酸化炭素(ＣＯ2)、メタン(ＣＨ4)、水蒸気(Ｈ2Ｏ)、水素(Ｈ)及びその他のガスからなる水素リッチガス混合物に転換する熱化学的プロセスの組み合わせが含まれる。製造されているこの混合物は、一般的にリフォーメート(reformate)として知られている。多くの用途において、このリフォーメートストリームは、次に水素精製ユニットに移され、該ユニットにおいて、水素の６０％〜９０％は、比較的純粋な水素ストリーム(９９＋％ Ｈ2)と、リフォーメート混合物中の他の種類のオフガスストリームに分離される。
【０００３】
熱分解反応器は、燃料を水素と他の化合物に分解するために用いられる。この分解は、触媒の存在下で行われるが、必ずしも触媒を必要とするわけではない。熱分解型改質器では、一般的に水は使用されないので、アンモニアが燃料として使用される場合には、固体炭素又は窒素も生成される。改質器において、炭化水素と有機燃料は、一般的に水の存在下で反応し、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を生成する。産業用の最も一般的な改質器は、水蒸気改質型反応器であるが、自己熱改質器や部分酸化改質器として知られている他の改質器も、酸素又は空気を反応物質として使用することができる。これらの改質器は、水蒸気生成及び水性シフト(ＷＧＳ)反応器のような前反応器及び後反応器と一体にされて、燃料処理システムを形成し、水素生成ユニットと一体化されることで、水素生成システムを形成する。
【０００４】
燃料電池システムや水素燃料補給所のようなエネルギー用途の分野において、水素のエネルギー価が電気に転換される際、水素生成装置の効率は、システム経済全体にとって不可欠であると思われる。同様に、設置面積がより小さく小型で、パッケージングに柔軟性のある改良器が、機器費用を低減し、一体化されたシステムの費用効果性を高めるために必要とされている。さらに、燃料電池と水素燃料用途では、最大容量が均一ではない。ある用途では、数キロワットを必要とし、ある用途では、数百キロワットを必要とする。その結果、２５ｋＷ用に設計された改質器を、２ｋＷ又は１００ｋＷ用とするには完全に設計し直されなければならない。より効果性が高く、向上した小型性及び、モジュール性の改良された改質器に市場のニーズがある。
【発明の開示】
【０００５】
＜開示の要旨＞
この開示は、水素生成システムに用いられる水蒸気改質システム及び方法に関する。従来の燃料オイルのような炭化水素化合物を利用する水素生成システムは、例えば、望ましくは水素を抽出するために改質システムを利用する。この改質プロセスにおいて、改質反応は吸熱性であって、反応を進めるには熱が必要であることを意味している。改質器供給物(reformer feed)は、間接的に過熱温度まで加熱され、これにより、改質器供給物が、後にリフォーメートから分離される放出水素を分解できるようにしている。燃焼熱交換器における燃料ガスの燃焼は、リフォーメート温度を要求される高温まで上げるために用いられる。その後、改質器供給物が加熱され、触媒床を通過し、よりシンプルな構成ガスに分解されるとき、改質反応が起こる。高速の熱伝達が可能である一般的な小型改質器は、マイクロチャネルと平板熱交換器に基づいており、一般的にデザインが矩形又は正方形であって、拡散接合又は溶接されたコーナー部での熱応力によって欠陥が生ずる。この開示は、新規な一体型の改質反応器に特に焦点を当てたものであり、該改質反応器は、円筒形の改質反応器モジュールを形成するように直列に積み重ねて配置された複数の改質ステージと燃焼ステージを含んでいる。各改質ステージは、リフォーメートが通過する円盤形の触媒パックに隣接する円盤形の燃焼部を有しており、リフォーメートは、ステージ間で軸線方向に方向付けられ、各ステージ内では半径方向に方向付けられ、燃焼混合物は、ステージのグループ間で半径方向に方向付けられ、各ステージ内では円周方向に方向付けられる。
【０００６】
各ステージの燃焼部は、一対の対向する円盤形のプレートを含み、各プレートは、平らな熱交換面と反対面とを有し、反対面は、その上に形成された複数の同心円状のリブと、これらを貫通する中央の軸線方向ボアとを有している。円盤形のプレート対は、プレート対の第１側端からプレート対の反対の側端に延びる、弓形で同心円状の通路を形成するように交互に配置された同心円状のリブと組み合っている。燃焼部を形成する組み合わさった各プレート対は、交互に配置されたリブの側縁と側端との間に形成されたテーパー状入口通路と反対のテーパー状出口通路とをさらに含んでおり、燃焼ガスを受入及び排出する。各リブの端面は、反対のプレート面に接触し、各弓形の通路をシールする。これらのリブの表面は、米国特許第５９８０８４３号でSilversandによって説明されているように、燃焼反応を促進するために特別に処理され、触媒化される。
【０００７】
改質触媒パッキングは、２組の触媒スクリーンの間に挟まれた平らな円盤形のダイバータプレートを含むことが望ましい。各触媒パックは、ダイバータプレートを挟む一連の触媒スクリーンを有することが望ましい。
【０００８】
燃焼部は、該燃焼部を貫通する中央ボアを有し、リフォーメートは、中央ボアを通って、隣接する触媒パックに軸線方向に入る。リフォーメートは、最初に半径方向に触媒を通って、ダイバータプレートの外縁の周囲で、中央ボアからダイバータプレートの外縁に方向付けられ、隣接するステージの別の燃焼部の中央ボアへ半径方向内側に方向付けられる。一体型の改質反応器は、円筒形モジュールを形成するように軸線方向に配置された、これら複数のステージを有している。燃焼ステージは、３つのグループに配置される。燃焼ガスは、平行なステージの各グループを通って、連続的に繋がったグループ間を流れる。
【０００９】
この開示におけるその他の形態、利点及び目的は、以下の詳細な説明を、添付の図面と共に検討することで一層明らかになるであろう。
【００１０】
＜発明の詳細な説明＞
水蒸気改質反応器は、改質反応を推進するために、熱エネルギーを改質触媒に添加することが必要である。改質器は、一般的に、操業温度が７００℃〜９００℃の範囲内であり、副産熱エネルギーが、改質反応によって要求される吸熱エネルギーに用いられると、最高の効率に達する。水素生成システムにおいて、水素精製システムからのオフガスは、この副産熱エネルギーに用いることができる。燃料電池システムでは、アノードオフガスは、この副産熱エネルギーの供給源として用いることもできる。
【００１１】
このことは、熱エネルギー入力が比較的高いため、水蒸気改質反応器には特に重要である。一般的に、水蒸気改質反応器では、この熱エネルギーを改質触媒に伝達することが、比率制限因子と容量制限因子になる。これは真実であるので、反応器内での設計熱伝達面積量は、決定的なパラメータである。低コスト、高熱伝達面積、モジュール性、拡張性、効果的な改質器側の熱伝達及び小型化を組み合わせることが課題となっている。
【００１２】
自己熱及び部分酸化改質反応器(ＡＴＲ／ＰＯＸ)において、酸素が改質ガス混合物に加えられ、燃料成分と反応し、触媒に改質プロセスを推進する内部熱を生成するが、改質効率を低下させる。水素生成システムにおいて、ＡＴＲ／ＰＯＸに基づく精製又は利用プロセスからのオフガスはすべて、改質反応の推進を助けるためには効果的に使用することができない。一般的に、自己熱改質及び部分酸化改質反応器では、完全燃焼に必要な酸素は、二酸化炭素及び水蒸気に対して、約０.２５即ち２５％の最小二段燃焼率を必要とする。米国特許第６８３５３５４号Ｂ２において、Woodsは、自己熱改質器をオフガス燃焼ユニットに組み入れる利点を特定しているが、これは、二段燃焼率を０.１８まで低下させることを実現したに過ぎず、このことは、再熱エネルギーのプロセスへの移送が、キーの１つであり、したがって、水蒸気改質器にとって重要なことは、自己熱改質器にとっても重要であることを示している。
【００１３】
水素生成システムにおける別の決定的に設計パラメータは、圧力の最適化である。燃焼システムは、燃焼用送風機によって消費される補助的なエネルギーを最小化し、オフガスエネルギー源を効果的に使用するために、周囲圧力あるいはそれに近い圧力で操作することを必要とする。水素精製プロセスは、精製プロセスを推進するための圧力を必要としており、それゆえに、水素生成システム内の熱伝達面積は、改質器側で５〜１５バール(a)、燃焼側で１〜２バール(a)となるように高い差圧を管理しなければならない。
【００１４】
水蒸気改質反応器の設計は、燃焼プロセスと改質プロセスとの間の熱伝達面積によって、そして、改質プロセスと燃焼プロセスとの間の差圧を管理することによって推進される。プレート型熱交換器は、小型で拡張性のあるユニット内の熱伝達表面積を最大化する。特に改質プロセスの高温域で、圧力健全性を最大化するために球形構造が用いられる。改質プロセス側熱伝達は、触媒層の厚さが約３０ｍｍ未満、望ましくは１０ｍｍ未満である場合に効果的である。これらの値は、使用される触媒パック又はパッケージの熱伝達特性に依存している。
【００１５】
燃焼プロセス設計は、高表面領域、フィン付き構造及び、ガス層改質器内の熱伝達の有効性に影響を与える熱伝達面間の最小層流厚さとによって推進される。本開示における一体化された改質反応器設計の望ましい実施例は、これらの設計指針のすべてに対処するものである。
【００１６】
ここで図面を参照すると、図１は、水素生成システム(1)の簡略化したブロック図である。水素生成システム(1)は、主として、改質ユニット(2)と、水素精製ユニット(3)と、水素貯蔵ユニット(4)とから構成される。改質ユニット(2)は、改質触媒セクション(13)と、触媒燃焼又は燃焼セクション(15)と、気化セクション(12)とからなっている。改質触媒セクション(13)は、熱伝達面(17)を通じて燃焼セクション(15)と熱的に接触している。気化セクション(12)は、熱交換表面(18)も有している。
【００１７】
システム(1)の通常操業中、燃料及び水(30)は、改質ユニット(2)に入り、およそ２〜１００バール(a)、より具体的にはおよそ３〜１０バール(a)の圧力で気化セクション(12)に入り、燃焼セクション(15)からの燃焼排出ガスからの熱は、気化セクション(12)内の熱交換チャネルを通じて、約１〜２バール(a)の圧力で通過する。燃料及び／又は水(30)は、気化セクション(12)に入る前に、その他の熱源を使用して、予熱又は予気化することができる。この熱により、液体水及び燃料は、コネクション(31)を通って改質触媒セクション(13)に入る前に、気化された燃料／蒸気混合物に気化される。高温の気化された燃料／蒸気混合物は、改質触媒セクション(13)に入り、改質触媒セクション(13)内の触媒と反応し、コネクション(32)を通じて改質触媒セクション(13)から排出される水素リッチなリフォーメートガスストリームを形成する。この水素リッチなリフォーメートガスストリームは、過剰な水蒸気を含んでいる。過剰な水蒸気は、コンデンサ(図１の概略図には図示せず)でリフォーメートガスから凝縮され、一般的に７０℃以下の露点まで下げられる。この部分的に乾燥されたリフォーメートガスストリームは、水素精製ユニット(3)に流入し、純粋な水素ガスは、リフォーメートストリーム中の他のガスから分離される。純粋な水素ガスは、コネクション(36)を通過し、純粋な水素ガスから分離された他のガス又はオフガスストリームは、コネクション(33)を通過し、水素精製ユニット(3)から出る。
【００１８】
排出されたオフガスストリームには、依然として水素のような可燃性種を含んでいる。このオフガスストリームは、改質ユニット(2)内の燃焼セクション(15)へ流れ、そこで、コネクション(41)を通じて導入された酸素(一般的に空気)と混合されて、燃焼セクション(15)内で反応又は燃焼する燃焼性混合物を形成する。この燃焼は、熱交換面(17)を通じて改質触媒セクション(13)に伝達される熱を生成し、改質触媒反応に必要とされる熱を提供する。
【００１９】
温かい燃焼排ガスは、燃焼セクション(15)からコネクション(34)を通って熱交換器(18)に流れ、該熱交換器は、コネクション(30)を通じて気化セクション(12)に入る水及び燃料混合物と熱的接触状態にある。その熱エネルギーの放出後、熱交換器(18)を通り抜ける燃焼排ガスは、排出コネクション(30)を通じてシステムから出る。
【００２０】
同時に、水素精製ユニット(3)からの純粋な水素ストリームは、コネクション(36)及び弁(20)を通り、コネクション(37)を通って、水素貯蔵ユニット(4)に入り、貯蔵される。水素は、その後、弁(22)を介してコネクション(38)及び(39)を通って貯蔵ユニット(4)から、外部アプリケーションに引き出され、利用することができる。起動弁(21)は、通常動作中は閉じられている。隔離弁(20)及び(22)は、通常動作中は流れるように開いている。
【００２１】
通常動作中、温度、温度プロファイル、圧力、水対燃料比、及びその他のパラメータの制御は、改質プロセスの安定動作を維持する。このことは、液体水素燃料(−ＣＨ2−)ｎ、但しｎは一般的な炭化水素鎖の長さを表しており、及び／又はメタン(ＣＨ4)の転換のような所望の反応が、改質器内の温度、圧力、組成混合物及び触媒環境によって促進されることを意味している。一般的に、炭化水素系燃料についての所望の蒸気反応は以下の通りである。
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ←→ＣＯ＋３Ｈ2
ＣＨ4＋２Ｈ2Ｏ←→ＣＯ2＋４Ｈ2
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ←→ＣＯ2＋Ｈ2
(ＣＨ2)ｎ＋ｎ(Ｈ2Ｏ)←→ｎ(ＣＯ)＋(２ｎＨ2)
(ＣＨ2)ｎ＋(２ｎＨ2Ｏ)←→ｎ(ＣＯ2)＋(３ｎＨ2)
【００２２】
一般的に、同様な燃料についての所望されない反応は以下の通りである。
ＣＨ4←→Ｃ＋２Ｈ2
２ＣＯ←→Ｃ＋ＣＯ2
(ＣＨ2)ｎ←→(Ｃ)ｎ＋(ｎＨ2)
【００２３】
これは、水蒸気改質平行反応の極めて単純に表したものであって、特に複雑な商用燃料、例えば天然ガス、液化石油ガス、ガソリン、灯油、ディーゼル及びその他を処理する場合、さらに複雑な相互作用及び逐次反応を含む可能性がある。これらの燃料には、不飽和炭化水素及び芳香族化合物が含まれることがあり、それらの二重結合炭素及び複雑なリング構造により、固体炭素の形成が促進される。その結果、気化される水及び燃料源は、固体炭素の形成を妨げるために、反応器(2)内で極めて高温に維持されなければならない。水対炭素比を３：１に維持することは、ユニット内でコークス、すなわち炭素の形成を妨げるのに必要であることがわかっている。
【００２４】
一体化された熱改質反応器アセンブリ(200)を、図２の側面図において単独で示している。アセンブリ(200)は、予熱された熱交換器(202)を含んでおり、供給液体混合物として水及び燃料源を受け取り、その温度を約３００℃まで上げる。液体／蒸気混合物は、その後、改質モジュール(206)の予熱ブロック(204)に供給される。予熱ブロック(204)は、液体／蒸気混合物を７００〜９００℃まで加熱し、水分子と燃料分子の過熱された混合物を、以下でより詳細に説明する改質モジュール(206)の改質ステージ(208)に送る。改質モジュール(206)から出るリフォーメートは、水性シフト反応器(210)に供給され、該反応器は、図１に示されるような水素精製ユニット(3)にリフォーメートを送る前、後続処理のために、リフォーメートの温度をおよそ３００℃のより扱いやすい温度まで低下させる。
【００２５】
改質モジュール(206)の幾つかのステージ(208)の拡大された斜視外観図を、図３に別に示しており、軸方向断面図を図４に示している。図３の斜視図において、シートメタル・マニホールド・シュラウド(212)を有する外側の外部低圧格納シリンダを取り除いて示しており、シュラウド支持耳部(214)とグループ・リダイレクタ・マニホールド・パーティション(group redirector manifold partitions)(222)が露出している。シートメタル・マニホールド・シュラウド(212)は、燃焼ガスを、モジュール(206)内のステージのグループに出入りさせる。図示の如く、ステージ(208)の各グループには、３つのステージがある。しかしながら、他の構成にも設計することができ、そのような構成も本開示の範囲内である。
【００２６】
図３及び図４に示されるように、加圧され、気化された水と燃料リフォーメートは、望ましくは２〜４気圧の範囲内の圧力で、中央ボア(216)を軸方向に通って、モジュール(206)の第１ステージ(208)に入る。リフォーメートは、直ちにダイバータプレートによって方向転換して、触媒スクリーンパック(220)の片側を通って、矢印(218)に示されるように半径方向外向きに通過する。リフォーメートは、次にＵターンし、触媒スクリーンパック(220)の他の側を通って中央に戻り、別のボア(216)を通って次のステージ(208)へ軸方向に通過する。この軸方向／半径方向の流路は、次に、モジュール(206)内の組み立てられた連続するステージ(208)全体にわたって繰り返され、最終的に水性シフト反応器(210)に入る。
【００２７】
リフォーメートが、連続するステージ(208)を通り抜けるのと同時に、燃焼ガスは、３つの平行経路(230)で半径方向にステージに入り、３つのステージ(208)からなるグループの燃焼部(232)に入り、それらを通り抜ける。通過の際に、燃焼混合物は燃焼し、燃焼部(232)の周囲面に熱を放出する。図５に示されるように、燃焼ガスは、熱をリフォーメートに伝達するように熱交換面を形成したインターレース型の同心弓形フィンにより形成された中心ボア(216)の周りで、同心通路を通って、改質器(206)の片側から別の側へ通過する。燃焼ガスは、ステージ(208)のグループの燃焼部(232)の別の側から出て、反転し、ステージ(208)からなる次のグループの燃焼部(232)の次のグループを通って、改質器(206)の第１側面を再び通過する。この蛇行形式において、モジュール(206)を通過して、燃焼ガスが排出されるまで、燃焼ガスは、ステージの１つのグループからステージの次のグループへ流れる。
【００２８】
各ステージ(208)の燃焼部(232)は、図６に別に示すように、２つの燃焼プレート(240)及び(250)に挟まれて形成される。各プレート(240)は、フラットな平面(242)及び(252)と、同心円状に間隔を在する一連のリブ(244)及び(254)とを有しており、図５に示すように、リブ(244)及び(254)は、２つのプレート(240)及び(250)が嵌まり合うことで、弓形通路(246)を形成するように交互に配置される。各リブ(244)の端面は、リブ(254)間の対向プレート(250)の対応面に接触し、各リブ(254)の端面は、リブ(244)間の対向プレート(240)の対応面に接触することで、弓形通路(246)は、互いに分離している。燃焼ガスが、図５に示されるように右から入ると、ガスは、これらの通路(246)に誘導される。
【００２９】
弓形流路(246)の熱交換特性は、中央ボア(216)に近い通路よりも、外側の通路での通過時間が長くなっている。その結果、入口チャネル(248)と出口チャネル(249)は、この差異を部分的に補うようにテーパー状になっている。このウェッジ又は曲がった漏斗状の入口と出口チャネル構造により、プレート(240)及び(250)の表面の全域で、より均一な熱伝達プロファイルとなる。通路(246)を通る燃焼ガス流は、相当量の熱エネルギーをフラットな平面(242)及び(252)に伝達する。その後、この熱エネルギーは、触媒パック(220)の触媒スクリーンを半径方向に通り抜ける際にリフォーメートに伝達されて、リフォーメート内の種の分離を促進させると共に、リフォーメートストリーム中の自由水素の生成を促進させる。
【００３０】
２つのステージ(208)の組み立てられたセットを図７に断面図で示している。各ステージ(208)は、触媒パック(220)とともに、一対の嵌め合い燃焼プレート(240)及び(250)から作製される。図４に最もよく示されるように、燃焼ガスは、熱をプレート(240)及び(250)のフラットな表面に伝達し、次いで、触媒パック(220)の両側を通って半径方向に出入りするリフォーメートを加熱する。ステージ(208)の組み立てに際し、プレート(240)及び(250)は、嵌め合わされ、その後、外周溶接(247)によって一体に溶接され、燃焼部(232)が形成される。次に、触媒パック(220)は、表面(252)の反対側に配置され、別の燃焼部(232)が、触媒パック(220)の上に組み立てられ、別の外周溶接(251)に沿って溶接される。
【００３１】
触媒パック(220)の一実施例を図８に別に示されている。各触媒パック(220)は、円盤形のダイバータプレート(262)の両側に配置された、一組の環状触媒スクリーン(260)から作られている。一組の環状触媒スクリーン(260)は、図示のような多孔性スポンジ構造を有する単体中に別々に形成することができ、スクリーン(260)を通って半径方向外側あるいは内側に通過するリフォーメートは、スクリーン支持体上の触媒材料と効果的に反応する。このパック(220)は、熱伝達係数効果を最大にするために、低コストで高い熱伝導性の金属スクリーン基板を使用して予め作製することができる。
【００３２】
代替パック(270)を図９に示している。この構成において、ダイバータプレート(272)は、図８に示されているものと同様である。しかしながら、スクリーン(274)と(276)は、夫々積み重ねらて一体として、パックが形成される。この構成において、入口側のパックは、出口側とは異なる数のスクリーンを有するようにすることができ、リフォーメートがパックを通り抜けるときに、吸熱改質反応を最適化することができる。このようにして、例えば、設計者は、プロセス面の熱伝達係数を調整し、ボア(216)内の中央リミックス及び分配ゾーンの直前又は直後で、プロセス面の熱交換を均一に又は増加させることができる。
【００３３】
望ましくは、ダイバータプレートは、リフォーメートの温度上昇プロセスにおける熱伝達を高めるために、入口リフォーメート燃焼面に極めて近くなるように配置することができる。リフォーメートが半径方向外側に流れるとき、ダイバータプレートと燃焼面(152)との間のギャップの内直径が非常に小さく、極めて少量の触媒が存在するので、リフォーメートの温度は増加する。周縁部において、リフォーメートガスは、外壁で回転し、大幅に減速して、触媒パックの出口側を通って半径方向内側に流れ、ガスは、吸熱改質反応によって冷却されるが、次の燃焼要素(232)によって加熱される。
【００３４】
図３に示す改質モジュール(206)において、モジュール(206)は、積み重ねて溶接された１２のステージ(208)を含んでいる。３つのステージの各組は、図３に示すように、閉じた耳状パーティション(222)を含んでおり、燃焼ガス混合物は、３つのステージ(208)の各グループから３つのステージ(208)の次のグループに再び方向付けられる。図３に示すように、各ステージ(208)は、プレート(240)の縁から突出した耳部(214)を含んでいる。これらの各耳部(214)は、パーティション耳部(222)以外は、開いている。それぞれの耳部(214)及び(222)は、図２に示すシートメタルマニホールド(212)に溶接され、支持する。このマニホールド(212)は、燃焼ガスの流れをステージ(208)のグループ間に方向付ける。
【００３５】
設計される改質モジュール(206)は、主としてリフォーメート経路中に、圧力容器を有している。一方、モジュールの燃焼側、すなわち燃焼器(232)及びマニホールド(212)は、比較的低圧に保たれる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本開示に関する水素生成システムを簡略化したブロック図である。
【図２】本開示による図１に示したシステムに一体化された改質モジュールを組み入れた一体化熱改質反応器アセンブリの側面図である。
【図３】幾つかの熱改質反応ステージで作られた図２のアセンブリ中の一体化熱改質モジュールの一部の分離して示す斜視図である。
【図４】図３に示したモジュールの軸方向断面図である。
【図５】燃焼ガス流路を示すステージの１つを断面した平面図である。
【図６】ステージの燃焼部の分解断面図である。
【図７】図４に示す改質モジュールの２つの組立ステージの組立横断面図である。
【図８】模範的な触媒スクリーンパックの断面図である。
【図９】本開示による他の触媒スクリーンパックの断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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