(57)【要約】【課題】従来の水蒸気改質による水素製造装置は、改質反応に必要な熱量をバーナーにより発生させた高温燃焼ガスを利用し、多数の伝熱管を使用して間接的に伝えているため熱効率が悪く大きくて高価な反応器となる課題がある。    【解決手段】改質反応は吸熱反応でありその熱量が大きいため、一般的には伝熱管を通して外部よりその熱量を供給している。そのために耐熱材を使用した多数の伝熱管を使用することになり設備費の低減や設置面積の縮小には限界が見られる。反応ガスを循環させることにより反応ガスの顕熱量を増やし外部からの熱供給なしで自らの顕熱のみ改質反応熱を賄うことで運転温度領域も外部加熱方式に比べ低温でしかも構造が単純でコンパクトな改質反応器の使用が可能となる。【選択図】図１
2011153040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系燃料から改質反応により水素を製造する水素製造装置において、相対して直立するルーバ（鎧状壁）間に改質触媒を充填した改質反応器、反応ガス循環用の循環ガスファン、循環ガスを反応温度まで昇温する循環ガス昇温器、水蒸気と炭化水素系燃料を一定比率で当該改質反応器入口に供給する原料ガス供給器、発生ガス抽出用の1次圧力調整弁、抽出ガス廃熱ボイラ、抽出ガス中のCOガスを変成させるCO変成器および水素ガスを分離回収するＰＳＡにより構成されることを特徴とした水素製造装置。
【請求項２】
改質反応器の入口ガス成分を１．メタンガスを５．５％〜６．０％、２．水素分を５０％〜５５％、３．水分を２０％〜２５％に４．残量をＣＯｘにするよう制御し、反応器入口ガス温度を８００℃から８５０℃にすることにより反応器出口のメタン濃度が３％以下になるよう循環ガス寮を制御することを特徴とする請求項１記載の水素製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素水素系燃料に水蒸気を加えた原料ガスに対し数倍の改質反応ガスを循環させ、当該循環ガスと原料ガスの顕熱のみで必要改質反応熱を賄って水素を製造するガス循環式水素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化水素系燃料を使用して改質反応により水素を製造する技術は既に確立された技術ではあるけれども、今後急速に拡大が予想される燃料電池用の水素源を確保するために更に効率のよいオンサイト用小型水素製造設備の開発が産官学共同で行なわれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的な水蒸気改質による水素製造装置において、原料ガスを改質して水素を発生させる改質反応器は、反応温度を保持するために外部より加熱することで改質反応に必要な熱量を供給している。水素製造量は供給される熱量に比例し、総括伝熱係数、伝熱面積および加熱ガス温度と原料ガス温度との差に比例する。従来の改質反応器は加熱用燃焼ガス温度および総括伝熱係数の制約から一般に１００Aの耐熱鋳造管が使用されており、伝熱面積を確保するために多数の耐熱鋳造管を配列した構造になっており、更なる装置のコンパクト化、コストダウン、水素回収率の向上の障害となっている。
【０００４】
また、前記改質反応器は伝熱管を多数配列する場合には夫々の伝熱管の温度分布を均一に保持するために燃焼ガス発生装置を複数個配備する必要があり運転制御も複雑になるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための請求項１の発明は、改質反応熱を多数の伝熱管の外壁を通して伝えるのではなく、原料ガスを循環ガスとともに改質触媒充填層をクロスフローさせることにより、当該ガスの顕熱を改質反応熱として利用するもので循環ガス量を原料ガス量の６〜９倍流すことにより、８０〜９０％の水素転化率を確保し、改質反応後に６５０℃〜７００℃に低下した反応ガスの一部を抽出ガスとして系外に抜き出し、残りの反応ガスは循環ガスとして循環ガスファンにより昇圧し、循環ガス昇温器により８００℃〜８５０℃に昇温させて改質反応器へと循環させる。
【０００６】
本発明に使用する反応器は相対して直立するルーバ（鎧状壁）間に触媒を充填するもので触媒充填層に対して循環ガスおよび原料ガスをクロスフローさせることにより、当該ガスは改質触媒に直接接触する。このため反応熱の供給は伝熱係数には無関係でしかも反応速度の影響も受け難く空間速度を小さくしても言い換えれば活性の低い触媒を使用しても充填触媒量は増大するけれども反応器の大きさへの影響が少なく循環ガスの温度と顕熱のみが水素転化率に影響を与えることになる。即ち水素ガスの製造量は循環ガスの反応器入口温度と出口温度の差および循環ガス量に比例する。
【０００７】
しかも改質触媒が被毒した場合新しい改質触媒との取替えが簡単であり、触媒に付着したカーボンは空気を導入することで焼却処理することが出来る。
【発明の効果】
【０００８】
取り扱うガスの温度は最大でも８５０℃と外部加熱反応器における原料ガス加熱用の燃焼ガス温度に比べ低くより耐熱度の低い安価な材料が使用でき、反応器外殻は断熱材を内張りすることで普通炭素鋼を使用できるため材料費を安価にできる。
【０００９】
また反応器入口ガス温度を一定にした場合、水素転化率を循環ガス量の増減により制御することができるために水素を分離した後のオフガスを循環ガスの加熱用および水蒸気発生用の熱源として利用する場合には、その必要熱量にバランスさせるようガス循環量を変え水素転化率を増減させてオフガスの発熱量を制御することができる。
【００１０】
析出カーボンにより反応器内の圧力損失が増大した場合は、一時的に空気を導入し焼却可能下あり、触媒の性能の劣化した場合は反応器下部に設けられた抜き出し口より抜き出し新しい触媒に取り替えることも簡単にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本願発明の水素製造用反応器に関する実施の形態について説明する。
なお、この形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために説明するものであり、特に指定しない限り、本発明を限定するものではない。
【実施例１】
【００１２】
図１は本発明の全体フローを示すもので改質触媒を充填した改質反応器１００を出た反応ガスの一部は圧力調整弁８００により発生ガスに見合った量抽出され、廃熱ボイラ５００を経てＣＯ変成器４００に導入され抽出ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成させた後、ＰＳＡ５００にて水素を分離回収する。
水素を分離した後のメタンを含むオフガスは循環ガス昇温器に設置された熱効率のよいラジアントチューブバーナの燃料として使用する。一方残りの反応ガスは循環ガスとして循環ガスファン２００により昇圧され、後続の循環ガス昇温器３００により改質反応上限温度まで昇温された後、原料ガス供給器７００にてメタンと水蒸気を一定比率で注入されて改質反応器へと循環する。
【００１３】
反応ガスの顕熱のみでメタンガスの改質を行うため、反応器入口ガスと出口ガスの顕熱の差が水素発生量に見合った改質反応熱にバランスし、出口ガス成分は出口ガス温度におけるガス平衡により決定される。即ち入口ガス成分と入口ガス温度が決まれば出口ガス成分と出口ガス温度が決まり水素転化率も決定される。
【００１４】
循環ガス２４００Ｎｍ３／ｈにメタン１００Ｎｍ３／ｈ、水蒸気２５０Ｎｍ３／ｈを加えた、反応器の入口ガス量を２７５０Ｎｍ３／ｈ，入口ガス温度を８３０℃とし、収支計算を行うと出口ガス温度は６７０℃にてバランスし出口ガス成分は表１に示す通りとなる。抽出ガス中のメタン流量は１１Ｎｍ３／ｈとなることから水素ガス転化率は８９％となる。この時の抽出ガス中の水素量は２８０Ｎｍ３／ｈである。
【表１】
2011153040.tif 000003
【００１５】
図２は、改質反応器の大きさを示すもので、実施例の場合、反応器の空間速度ＳＶを１００００／Ｈとして触媒充填量Ｖｍ３はＶ＝２７３７／１００００≒＝０．２８ｍ３となり触媒充填厚さを０．２８ｍとすればガス通過面積は１ｍ２即ちルーバ面積は１ｍ２となる。反応器の大きさが高さ１．５ｍ、幅１．０ｍ、奥行き１．２ｍでありこのときの水素発生量は２８０Ｎｍ３／ｈである。
【産業上の利用可能性】
【００１６】
本願発明により、改質反応に必要な熱を直接供給できるため加熱ガス発生燃焼器が不要となるとともに反応器の構造が単純でスケールアップが容易な水素製造装置の提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】反応ガス循環による水素製造装置の全体フロー図である。
【図２】実施例における改質反応器の大きさを示す内部構造図である。
【符号の説明】
【００１８】
１００    改質反応器                １１０    ルーバ
１２０    改質触媒                  ２００    循環ガスファン  
３００    循環ガス昇温器            ４００    ＣＯ変成器
５００    廃熱ボイラ                ６００    ＰＳＡ
７００    原料供給器                ８００    圧力調整弁    
【図１】
2011153040.tif 000004
【図２】
2011153040.tif 000005