(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の端部に原料ガス供給部に接続された原料ガス流入管を有し、他方の端部に複数に分岐された流入分岐管を有する、流入集合管と、
前記複数の流入分岐管の各々に接続され、流入する原料ガスを触媒により改質して改質ガスを生成させる、複数の触媒反応器と、
前記複数の触媒反応器の各々に供給される原料ガスを、前記各々の触媒反応器毎に独立して遮断可能に設置される複数の原料ガス遮断部と、
一方の端部に前記複数の触媒反応器の各々で生成した改質ガスを通す複数に分岐された流出分岐管を有し、他方の端部に前記改質ガスを後段へ排出する改質ガス流出管を有する、流出集合管と、
前記原料ガス遮断部の開閉動作および前記触媒反応器が備える触媒保持器の昇降動作を制御する反応器群制御部と、
前記原料ガス供給部から供給される前記原料ガス流量を所定値に維持するための流量調整部と、
前記いずれかの触媒反応器に原料ガス流れを集中して増速させるための増速部と、を備え、
前記各々の触媒反応器は、
反応容器と、
前記反応容器内に収容され、前記反応容器の内壁面に接触する触媒層と、
前記反応容器内で前記触媒層を前記触媒層の下面全体で保持するとともに、通気性を有する触媒保持器と、
前記触媒層の上側及び下側のいずれかに設けられ、前記反応容器内に前記原料ガスを流入させる流入路と、
前記触媒層の上側及び下側のうち、前記流入路が設けられる側の反対側に設けられ、前記原料ガスと前記触媒層との反応によって生成した改質ガスを前記反応容器から流出させる流出路と、
前記触媒保持器を昇降させることが可能な駆動装置と、を備え、
前記増速部は、前記流量調整部および前記反応器群制御部を用いて、前記原料ガス供給部から供給される前記原料ガス流量を所定値に維持するとともに、前記複数の原料ガス遮断部のうち、一部の前記原料ガス遮断部を開放状態又は一時的に閉塞状態を生じる開放状態とし、残りの前記原料ガス遮断部を閉塞状態として、前記開放状態又は一時的に閉塞状態を生じる開放状態の原料ガス遮断部が設置された触媒反応器に流入される原料ガスの流速を増速し、当該原料ガスの流速が増速されている触媒保持器の昇降中に触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、触媒反応装置。
【請求項２】
前記原料ガス遮断部は、
前記反応容器の内壁面に設けられ、前記反応容器内の空間を仕切る弁座と、
前記弁座を上下に貫通する通気孔と、
前記通気孔を閉塞可能な弁体と、
前記反応容器内に設けられ、前記弁体と、前記触媒保持器とを連結する心棒と、を備え、
前記駆動装置は、前記心棒を、前記弁体が前記通気孔を閉塞する閉塞位置と、前記弁体が前記通気孔を開放する開放位置との間で昇降させることが可能であり、
前記夾雑物除去処理では、前記増速部は、前記心棒を前記開放位置に移動させることで、前記原料ガス遮断部を前記開放状態とし、前記心棒を前記閉塞位置に移動させることで、前記原料ガス遮断部を前記閉塞状態とすることを特徴とする、請求項１記載の触媒反応装置。
【請求項３】
前記駆動装置は、前記心棒を前記閉塞位置と前記開放位置との中間位置に停止可能であることを特徴とする、請求項２記載の触媒反応装置。
【請求項４】
前記夾雑物除去処理では、前記増速部は、前記開放状態のガス遮断部に対応する前記駆動装置を駆動させることで、前記開放状態のガス遮断部に対応する前記心棒を前記中間位置と前記開放位置との間で昇降させることを特徴とする、請求項３記載の触媒反応装置。
【請求項５】
前記夾雑物除去処理では、前記増速部は、全ての前記原料ガス遮断部が最低１回以上前記開放状態となるように、前記開放状態となる前記原料ガス遮断部を切り替えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項６】
前記増速部は、全ての前記原料ガス遮断部を同時に前記開放状態として触媒保持器の昇降を所定回数行い、その後、前記夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項７】
前記原料ガス供給部が原料ガス発生装置であるとともに、前記増速部は、全ての前記原料ガス遮断部を同時に前記閉塞状態とし、その後、前記夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項８】
昇降中の前記触媒層内を通過する前記原料ガスの線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上に調整するガス流量調整部を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項９】
前記原料ガスがタールを含有するとともに、前記夾雑物が触媒反応によって生じたコークであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の触媒反応装置を用いた触媒反応方法であって、
前記流量調整部および前記反応器群制御部を用いて、触媒保持器の昇降中に前記原料ガス供給部から供給される前記原料ガス流量を所定値に維持するとともに、前記複数の原料ガス遮断部のうち、一部の前記原料ガス遮断部を開放状態とし、残りの前記原料ガス遮断部を閉塞状態として触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１１】
全ての前記原料ガス遮断部を同時に前記開放状態として触媒保持器の昇降を所定回数行い、その後、前記夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、請求項１０記載の触媒反応方法。
【請求項１２】
前記原料ガス供給部が原料ガス発生装置であるとともに、全ての前記原料ガス遮断部を同時に前記閉塞状態とし、その後、前記夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、請求項１０または１１に記載の触媒反応方法。
【請求項１３】
昇降中の前記触媒層内を通過する前記原料ガスの線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上に調整することを特徴とする、請求項１０〜１２のいずれか１項に記載の触媒反応方法。
【請求項１４】
前記原料ガスがタールを含有するとともに、前記夾雑物が触媒反応によって生じたコークであることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の触媒反応方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触媒反応装置及び触媒反応方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１〜３には、触媒を用いて原料ガスを改質する技術が開示されている。ここで、触媒を充填した固定床触媒反応器を用いた流体の化学反応においては、触媒層内に夾雑物（副生物＋粉塵）が多量に堆積して原料ガスの通気を妨げる問題がしばしば発生する。ここで、触媒反応器は、少なくとも触媒層と、触媒層を収容する反応容器とを含む。夾雑物は、上流から飛来する煤塵（すなわち、原料ガスに含まれる煤塵）に由来する場合もあるが、触媒反応によって固体等の生成物を生じる場合には、この固体生成物が夾雑物となりうる。特に、例えばタール含有ガスを原料ガスとして触媒改質を行う際には、原料ガス中の炭化水素が分解して生成する固体炭化水素（コーク）が触媒粒子間の空間で成長して触媒層を閉塞させる場合がある。このように触媒層内で生成したコーク粒子は、触媒粒子間の空間のネック部（触媒粒子間の隙間断面積が最小となる部位）を通過できない大きさである場合が多いので、フィルタ閉塞時に一般的に用いられる逆洗等の方法でコークを触媒層から除去することができない。このため、触媒層中のコーク除去のために様々な技術が試みられてきた。
【０００３】
例えば、特許文献１（特開２０１０−７７２１９号公報）においては、水素・二酸化炭素・水蒸気・タール含有ガスを、固定床触媒反応装置内で、ニッケル・セリウム・アルミニウムを含む触媒に接触させてタール含有ガスの改質を行う技術が開示されている。この技術においては、コークを除去するために水蒸気または空気を触媒に接触させる再生処理が必要なことが記載されている。
【０００４】
また、特許文献１には、移動床形式および流動床形式の触媒反応器の使用も例示されている。これらの方式では触媒表面に析出した炭素を反応作業中に除去しうる。しかし、このような反応器は、固定床触媒反応器に比べて装置が複雑化すること、触媒の破損や摩耗の激しいこと等の理由から、特に、高温・高圧・高腐食性流体を処理するための反応器としては一般的ではない。
【０００５】
一方、移動床形式および流動床形式の触媒反応器における上記のような問題がない固定床触媒反応器では、反応中に触媒層内に副生物である固体析出物が夾雑物として堆積し、触媒の反応性を低下させるとともに触媒層の通気抵抗を著しく上昇させて触媒層を閉塞させる問題がしばしば発生する。
【０００６】
上記の再生処理を行うことなく、反応中の固体析出物の堆積による触媒層の閉塞を防止する手段として、例えば特許文献２には、触媒反応用の原料ガスの流入路及び改質ガスの流出路と、流入路及び流出路に接続され、触媒粒子の触媒層を収容する反応容器と、流体の通過を可能にする通気性を有するとともに触媒層を保持する触媒保持器と、触媒保持器を昇降させることにより触媒層を昇降させる駆動装置（昇降装置）と、を有する連続式固定床触媒反応装置が開示されている。触媒層は、反応容器内壁に接している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１０−７７２１９号公報
【特許文献２】特開２０１３−１４６７０３号公報
【特許文献３】国際公開第２０１１／１２５６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献２の装置では、夾雑物の生成速度が比較的小さい場合には、触媒層中に生成した夾雑物の過半を重力で落下させて触媒層から除去することができる。しかし、触媒層中での夾雑物の生成速度が特に大きくなる場合、夾雑物の生成速度が夾雑物の除去速度を上回り、触媒層中に残留した夾雑物が徐々に触媒層中に蓄積する場合がある。
【０００９】
ところで、炭化水素（タールもその一種である）を触媒反応器で改質する技術においては、一般に吸熱反応である反応温度を維持するために外部から触媒に熱供給を行うとともに反応容器の内部も高温に維持する必要がある。反応容器の内部を高温に維持するための技術として、反応容器を細長い円筒形状にする技術が提案されている。この技術によれば、反応容器外面と触媒層中心部との距離が小さいため、反応容器外面を加熱して触媒層中心部における温度を所定の反応温度に維持する際に反応器外面温度を触媒層中心部での温度よりもわずかに高い温度まで加熱すればよい。このため、反応容器の温度を著しい高温にする必要がなく、比較的安価な材料を用いた装置にすることができ、また、触媒層内での温度差も比較的小さいので全ての触媒を好適な温度条件にて改質に供することができる。さらに、円筒形の反応容器では量産可能な汎用管を容器外壁に用いることができるので、平板を溶接等で加工して製作しなければならない矩形断面の反応容器に比べて安価に装置を製造できる。
【００１０】
しかし、反応容器を細長い円筒形状にする場合、特に、タール含有ガスを改質する場合には、改質中に副生したコークが触媒層内に堆積して夾雑物となって通気抵抗となり、断面積当たりの流量（線速度ＬＶ）が細長い円筒形状では大きくなりがちであることと相まって原料ガスの通気を著しく阻害することがある。従って、コークを効率よく除去する必要がある。しかし、このような技術は従来、効果が不十分であった。例えば、特許文献２に開示された技術では、上述したように、夾雑物を効率よく除去できるとは言えなかった。このため、特許文献２の技術においては、断面積を円形とする代わりに、反応容器内でのＬＶ値を変えることなく単一の反応器での断面積を大きく設定する（即ち、長辺の長い矩形断面にする）ことによって、コーク堆積による通気性悪化の影響を緩和していた。つまり、反応器の断面積が大きい場合には、反応容器の特定高さの断面において一部に閉塞（コークの過大な堆積）が生じても、それ以外の閉塞していない部分を通じて原料ガスを下流に流通させることができる。これに対して、円形断面の反応器（細長い円筒型の反応容器）では、伝熱性から規定される直径によって単一反応容器での断面積が制限される（必要な総断面積は反応容器の本数を複数設けて確保する）ので、特定部分に閉塞を生じると反応容器全体で通気できなくなってしまう。このように、単一の反応容器における断面積が小さいほど、コークの堆積による通気性の低下について不利である。このため、反応容器を細長い円筒形状とする技術は、触媒層内で夾雑物が堆積しにくいガス、例えば天然ガス等の改質に適用されるにとどまっていた。したがって、タール含有ガスを改質する触媒反応器では、単一の反応容器での断面積の大きな反応容器を使用する必要があり、結果として、反応容器を高温に維持するのに大きなコストがかかっていた。
【００１１】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、夾雑物を効率よく除去することができ、簡易に実現可能な、新規かつ改良された触媒反応装置及びこれを用いた触媒反応方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一方の端部に原料ガス供給部に接続された原料ガス流入管を有し、他方の端部に複数に分岐された流入分岐管を有する、流入集合管と、複数の流入分岐管の各々に接続され、流入する原料ガスを触媒により改質して改質ガスを生成させる、複数の触媒反応器と、複数の触媒反応器の各々に供給される原料ガスを、各々の触媒反応器毎に独立して遮断可能に設置される複数の原料ガス遮断部と、一方の端部に複数の触媒反応器の各々で生成した改質ガスを通す複数に分岐された流出分岐管を有し、他方の端部に改質ガスを後段へ排出する改質ガス流出管を有する、流出集合管と、原料ガス遮断部の開閉動作および触媒反応器が備える触媒保持器の昇降動作を制御する反応器群制御部と、原料ガス供給部から供給される原料ガス流量を所定値に維持するための流量調整部と、いずれかの触媒反応器に原料ガス流れを集中して増速させるための増速部と、を備え、各々の触媒反応器は、反応容器と、反応容器内に収容され、反応容器の内壁面に接触する触媒層と、反応容器内で触媒層を触媒層の下面全体で保持するとともに、通気性を有する触媒保持器と、触媒層の上側及び下側のいずれかに設けられ、反応容器内に原料ガスを流入させる流入路と、触媒層の上側及び下側のうち、流入路が設けられる側の反対側に設けられ、原料ガスと触媒層との反応によって生成した改質ガスを反応容器から流出させる流出路と、触媒保持器を昇降させることが可能な駆動装置と、を備え、増速部は、流量調整部および反応器群制御部を用いて、原料ガス供給部から供給される原料ガス流量を所定値に維持するとともに、複数の原料ガス遮断部のうち、一部の原料ガス遮断部を開放状態又は一時的に閉塞状態を生じる開放状態とし、残りの原料ガス遮断部を閉塞状態として、開放状態又は一時的に閉塞状態を生じる開放状態の原料ガス遮断部が設置された触媒反応器に流入される原料ガスの流速を増速し、当該原料ガスの流速が増速されている触媒保持器の昇降中に触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、触媒反応装置が提供される。
【００１３】
ここで、原料ガス遮断部は、反応容器の内壁面に設けられ、反応容器内の空間を仕切る弁座と、弁座を上下に貫通する通気孔と、通気孔を閉塞可能な弁体と、反応容器内に設けられ、弁体と、触媒保持器とを連結する心棒と、を備え、駆動装置は、心棒を、弁体が通気孔を閉塞する閉塞位置と、弁体が通気孔を開放する開放位置との間で昇降させることが可能であり、夾雑物除去処理では、増速部は、心棒を開放位置に移動させることで、原料ガス遮断部を開放状態とし、心棒を閉塞位置に移動させることで、原料ガス遮断部を閉塞状態としてもよい。
【００１４】
また、駆動装置は、心棒を閉塞位置と開放位置との中間位置に停止可能であってもよい。
【００１５】
また、夾雑物除去処理では、増速部は、開放状態のガス遮断部に対応する駆動装置を駆動させることで、開放状態のガス遮断部に対応する心棒を中間位置と開放位置との間で昇降させてもよい。
【００１６】
また、夾雑物除去処理では、増速部は、全ての原料ガス遮断部が最低１回以上開放状態となるように、開放状態となる原料ガス遮断部を切り替えてもよい。
【００１７】
また、増速部は、全ての原料ガス遮断部を同時に開放状態として触媒保持器の昇降を所定回数行い、その後、夾雑物除去処理を行ってもよい。
【００１８】
また、原料ガス供給部が原料ガス発生装置であるとともに、増速部は、全ての原料ガス遮断部を同時に閉塞状態とし、その後、夾雑物除去処理を行ってもよい。
【００１９】
また、昇降中の触媒層内を通過する原料ガスの線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上に調整するガス流量調整部を備えてもよい。
【００２０】
また、原料ガスがタールを含有するとともに、夾雑物が触媒反応によって生じたコークであってもよい。
【００２１】
本発明の他の観点によれば、上記触媒反応装置を用いた触媒反応方法であって、流量調整部および反応器群制御部を用いて、触媒保持器の昇降中に原料ガス供給部から供給される原料ガス流量を所定値に維持するとともに、複数の原料ガス遮断部のうち、一部の原料ガス遮断部を開放状態とし、残りの原料ガス遮断部を閉塞状態として触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去処理を行うことを特徴とする、触媒反応方法が提供される。
【００２２】
ここで、全ての原料ガス遮断部を同時に開放状態として触媒保持器の昇降を所定回数行い、その後、夾雑物除去処理を行ってもよい。
【００２３】
また、原料ガス供給部が原料ガス発生装置であるとともに、全ての原料ガス遮断部を同時に閉塞状態とし、その後、夾雑物除去処理を行ってもよい。
【００２４】
また、昇降中の触媒層内を通過する原料ガスの線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上に調整してもよい。
【００２５】
また、原料ガスがタールを含有するとともに、夾雑物が触媒反応によって生じたコークであってもよい。
【００２６】
（本発明の特徴１）
（従来技術１）特許文献２の技術について
単に触媒層を昇降させただけでは触媒層中の夾雑物を充分には除去できないことがある。
その理由は、発明者の調査の結果から、触媒保持器の直上には、昇降操作後に夾雑物が残留し易い部分のあることがわかったためである。この部位は触媒保持器とほぼ同一の運動を行うため、夾雑物の落下や飛散を促す、触媒粒子間の相対運動が小さい。また、触媒保持器が夾雑物の落下や飛散を妨げるため触媒保持器上に夾雑物が堆積する。これらの原因により、特許文献２に記載された技術では、夾雑物を充分に除去できないことがある。
【００２７】
（従来技術２）静止した触媒層に高速気流を通気させる技術について
触媒層から夾雑物を除去する技術として、触媒層に高速気流を供給する技術も想定できる。しかし、この技術では、触媒層中の夾雑物は、ほとんど除去されない。その第１の理由は、触媒粒子間で生成し、触媒粒子間の空間ネック部寸法よりも大きく成長した夾雑物は、気流によってこのネック部を通過させることできないからである。第２の理由は、触媒層内の一部に比較的、通気し易い流路が形成されて、この流路沿いの夾雑物しか除去できないためである。しかも、こうして形成された流路は改質時に原料ガスの流路にもなるため、この流路において夾雑物生成速度に夾雑物の排出速度が追いつかず、やがてこの流路は閉塞する。この流路が閉塞した後には次に通気し易い部位に流路が形成されるが、新たな流路での通気抵抗は初期の流路での通気抵抗よりもはるかに大きなものなので、このような流路形成の繰り返しの結果、やがて触媒層全体が閉塞に至る。
【００２８】
あるいは、非反応性の除去ガスを極めて高速（例えば、数十ｍ／ｓ）で触媒層を通気させれば、一定量の夾雑物を吹き飛ばして除去可能かもしれない。しかし、このような高速気流の通気時には触媒層内での圧力損失が過大となり、高温の反応装置である本発明の対象装置では設備保全上、許容できない。また、後述のように、このような高速気流は触媒をも飛散させる可能性があるので採用できない。
【００２９】
（本発明の技術）
触媒層の昇降中に除去ガスを高速気流として触媒層に通気できる。ここで、高速気流とは、後述するコーク除去性能に関するＬＶの臨界値である０．２〜０．４ｍ／ｓ以上の気流を意味し、タールを含有するガスを改質する際の原料ガス流れでのＬＶは、通常、０．１ｍ／ｓ以下であるので高速気流ではない。また、本発明では、原料ガスを除去ガスとする。これによって、移動床や流動床に比べて触媒の破損や摩耗を抑えながら、触媒層中の夾雑物の大半を除去できる顕著な効果を発揮する。以下、その原理について説明する。
【００３０】
従来技術２ではガス流路が固定されていたが、本発明では、触媒層昇降による触媒粒子間の相対位置変化によってガス流路が変化する。このため、本発明では、新たな流路沿いの夾雑物を除去できる。
【００３１】
特に、触媒層下降時には、壁面摩擦の効果によって触媒層の上部は下部に遅れて下降する傾向になるので、触媒層の充填率が一時的に低下する。この際、触媒粒子間の平均的な間隙が拡大するため、気流の通過しにくい部位（例：触媒保持器直上の触媒等）にも気流が到達し、そこでの夾雑物を除去できる。尚、気流（原料ガス）の到達しにくい部位ではそもそも夾雑物の発生速度が小さいので、この部位で夾雑物除去を図る必要はないとの考えもありうる。しかし、実際には、気流の到達しにくい部位でも原料ガスの拡散等を通じて夾雑物は徐々に発生し、ここで発生した夾雑物は、この部位からあふれて隣接する気流の通気し易い部位に及んで、気流の通気し易い部位での通気抵抗を上昇させるので、気流の到達しにくい部位でも夾雑物を除去する必要性が存在する。
【００３２】
触媒保持器の直上部分は、本来（静止時には）、通気のしにくい領域でもある。触媒層の昇降中であれば、ここへの除去ガスの通気も容易なため、触媒保持器直上の触媒粒子間に堆積した夾雑物も通気によって除去できる。
【００３３】
（従来技術１＋２の組み合わせの困難さについて）
本発明が対象とする、細長い円筒形等の直径（断面積）に対して高さの大きい（即ち、アスペクト比の大きい）触媒層での触媒昇降時には触媒に比較的大きな荷重が加わり、触媒強度上、悪影響を与える可能性があるので、触媒昇降は、間欠的に短時間、実施すべきである。このため、操業の大部分の時間では、触媒層は昇降せずに静止している。そして、触媒層を昇降させずに高速気流を生じさせた場合には、様々な問題が生じる。以下、高速気流を生じさせる方法ごとに問題点を説明する。
（１）原料ガスの流量を増大して高速気流を得る方法について
触媒量が同じであっても、原料ガスの流量を増大させることで原料ガスの空間速度（ＳＶ）が増大する。なお、本発明における流量は、体積流量を意味するものとする。このため、原料ガスの消費率（選択率）が低下する。したがって、反応特性上、問題がある。また、原料ガスの流量を増大させると、原料ガスの流速が大きくなる。したがって、触媒層中の夾雑物量が同じであっても通気抵抗が増大し、操業中により早く通気抵抗の許容上限に到達してしまう。
【００３４】
夾雑物の堆積によって既に通気抵抗の大きくなった触媒層に無理に高速気流を供給すると、触媒層の上流−下流間で高い圧力差を生じる。そして、何らかの原因によって一部の夾雑物が短時間に飛散して通気抵抗が急減すると、この高い圧力差によって気流速が爆発的に増大し、触媒を飛散させる（上昇流の場合）惧れがある。
【００３５】
（２）反応容器の断面を小さくして高速気流を得る方法について
反応容器の断面を小さくすると、原料ガスの流速が大きくなる。したがって、触媒層中の夾雑物量が同じであっても、通気抵抗が増大し、操業中により早く通気抵抗の許容上限に到達してしまう。
【００３６】
（３）原料ガスに非反応性のガス等を混入して、高速気流を得る方法について
（１）と同様の問題がある。
【００３７】
（４）そもそも、触媒層の昇降中に触媒層に除去ガスを供給すれば夾雑物の除去に劇的な効果が得られることは当業者に知られていなかった。気流搬送技術のように粒子間の間隙が極端に大きいケース（粒子が互いにほとんど接触しないケース）では気流がすべての粒子の周辺に流れることは公知であった。しかし、触媒粒子間の相対位置がわずかにしか変化しない触媒層昇降技術において、このわずかな相対位置変化が夾雑物周辺の気流に大きく影響して夾雑物を除去できることは、全く知られていなかった。
【００３８】
実際、改質時に好適なＳＶに対応する低い線速度（ＬＶ）の除去ガスを触媒保持器昇降中に与えても、夾雑物除去性能にはほとんど影響しない。本発明では、触媒保持器昇降中に与える除去ガスのＬＶを臨界値以上とすることで、夾雑物除去性能を著しく向上できる。尚、本発明における各種ガスの線速度（ＬＶ［ｍ／ｓ］）は、触媒層に投入されるガスの触媒層単位断面積当りの流量と定義される。触媒層の断面積がガスの進行方向で変化する場合、各種ガスの線速度は、触媒層入口における断面積を用いて算出される。また、各種ガスの空間速度（ＳＶ［１／ｈ］）は、触媒層体積当たりの原料ガス流量と定義するものとする。更にまた、ＬＶ、ＳＶ共に、ガスの標準状態に換算した値で定義するものとする。
【００３９】
一方、既に閉塞した充填層（本発明では触媒層）を昇降させずに高速気流を供給しようとすると、気流供給の初期には夾雑物がほとんど除去されていないために充填層の上流―下流間で極端に大きな圧力差を与える必要があった。このため、高温の装置では強度上の問題を生じるとともに、一旦、一定量の夾雑物が除去されると通気抵抗が急減し、この大きな圧力差によって気流速が爆発的に上昇して触媒まで飛散させる問題を生じていた。このため、充填層に高速気流を供給することで夾雑物を除去する方法は好ましくないと考えられてきた。以上の理由により、昇降中の触媒層に高速気流を供給することは、何ら想定されるものではなかった。
【００４０】
しかし、本発明では、閉塞した触媒層を昇降させることで触媒層昇降中に通気抵抗の小さい状態を作り出し、ここに除去ガスを供給する。これにより、夾雑物を除去するために高速気流を触媒層を通過させる際に高い圧力差を必要としない。したがって、上記のような問題を生じることがない。
【００４１】
（昇降中の気流の影響に関する今回知見について）
後述実施例１での結果から、触媒層の昇降中に臨界値（下向き（負方向）に０．２ｍ／ｓ、または上向きに０．４ｍ／ｓ）以上の線速度（即ち、高速気流）の除去ガスを触媒層に供給すると触媒層中の夾雑物の大半を除去できることがわかった（図１３）。さらに、除去ガスの線速度は従来技術で想像されていたもの（例えば従来技術２における数十ｍ／ｓ）ほど高くなくてもよいこともわかった。
【００４２】
これに対し、静止した触媒層に図１３の臨界値以上の高速気流を与えても、触媒層中の夾雑物除去について本発明ほどの効果は得られない。静止した触媒層に本発明での臨界値の約２倍の高速気流を通気する試験を行ったが、顕著なコーク除去効果は認められなかった。
【００４３】
（本発明での工夫について）
触媒層の昇降に連動して昇降中に高速気流を供給するように気流を制御することで、夾雑物の除去性を向上させるとともに、非昇降時には好適なＳＶ条件で原料ガスを処理することができる。
【００４４】
（本発明の特徴２）
ところで、触媒反応容器の１台あたりの容積は、触媒反応容器の伝熱性及び通気性を確保する等の理由によって上限値が存在する。その一方で、大流量の原料ガスを処理したい場合には、原料ガスの流量及び原料ガスの改質に適した原料ガスの空間速度から定まる触媒反応容器の容積が上記上限値を超える場合がありうる。この場合、触媒反応器を複数用意し、これらに原料ガスを分散させて導入する必要がある。実際、工業的な天然ガス等の水蒸気改質設備では、数十から数百台の触媒反応器を並列に接続して原料ガスを処理するのが一般的である。ところが、触媒層中にコーク等の夾雑物が堆積して通気抵抗を上昇させうる触媒改質プロセス、特に、タールを含有するガスの改質プロセスにおいては、特許文献２におけるように、触媒層の通気抵抗上昇の悪影響を緩和する観点から単一の反応容器の断面積を大きく設定することが指向されていた。このため、コークが多量に堆積して閉塞に至るまでの長期間に渡って改質を行う際には、触媒反応器を並列に多数配置することは行われていなかった。しかし、単一の触媒反応器の断面積を極端に拡大することには設備技術上の問題が存在するので、処理可能な原料ガス流量の上限に制約が生じる。
【００４５】
本発明では、このような原料ガス処理流量の上限を回避するために反応容器を複数並列に配置して同時に改質を行うものである。そして、本発明者は、本発明に係る触媒反応器（即ち、夾雑物の多量に発生する改質に供する触媒反応器）を例えば天然ガス改質プロセスにおけるがごとく単に並列接続しただけでは、いくつかの問題が生じることを見出した。そこで、まず、本発明に係る触媒反応器を並列接続した連結構造の例について説明し、その上で、問題点について説明する。
【００４６】
図１５は、本発明に係る触媒反応器２を複数台並列接続した連結構造の一例を示す。図１５に示す連結構造は、流入集合管１０１と、複数台の触媒反応器２と、流出集合管１０２とを備える。流入集合管１０１の一方の端部は単管の流入管１０１ａとなっており、流入管１０１ａは原料供給部となるコークス炉等の原料ガス発生装置に接続されている。流入集合管１０１の他方の端部は複数（この例ではＮ本）の流入分岐管１０１ｂに分岐している。そして、各流入分岐管１０１ｂに触媒反応器２が接続されている。例えば、流入分岐管１０１ｂ−１に触媒反応器２−１が接続され、流入分岐管１０１ｂ−２に触媒反応器２−２が接続され、流入分岐管１０１ｂ−ｉに触媒反応器２−ｉが接続され、流入分岐管１０１ｂ−Ｎに触媒反応器２−Ｎが接続されている。流入管１０１ａに導入された原料ガスは、流入分岐管１０１ｂを通って各触媒反応器２に導入される。ここで、ｉは１〜Ｎの整数であり、Ｎは２以上の整数である。
【００４７】
触媒反応器２は、少なくとも上記特徴１を有する反応器である。触媒反応器２に導入された原料ガスは、触媒反応器２内の触媒層を通過する際に改質され、改質ガスとなる。流出集合管１０２の一方の端部は単管の流出管１０２ａとなっている。流出管１０２ａは、例えば粉塵回収器等に接続される。流出集合管１０２の他方の端部は複数（この例ではＮ本）の流出分岐管１０２ｂに分岐している。そして、各流出分岐管１０２ｂに触媒反応器２が接続されている。例えば、流出分岐管１０２ｂ−１に触媒反応器２−１が接続され、流出分岐管１０２ｂ−２に触媒反応器２−２が接続され、流出分岐管１０２ｂ−ｉに触媒反応器２−ｉが接続され、流出分岐管１０２ｂ−Ｎに触媒反応器２−Ｎが接続されている。各触媒反応器２で発生した改質ガスは、流出分岐管１０２ｂを通って流出管１０２ａに導入される。流出管１０２ａ内の改質ガスは、粉塵回収器等に導入される。
【００４８】
ここで、上記連結構造における各パラメータを以下のように定義する。
Ｑｉ：ｉ番目の触媒反応器での原料ガス流量
（改質による流量変化は、簡単のためにここでは無視する）
Ｑ０：原料ガス所要流量（流入路１０１ａ内に存在する原料ガスの流量。原料ガス所要流量は、一定値となるように制御されるものとする）
ｒｉ：ｉ番目の触媒反応器での圧力損失係数
ｕｉ：ｉ番目の触媒反応器での原料ガスの平均流速（線速度）
Ｓｉ：ｉ番目の触媒反応器での配管断面積（触媒反応容器の断面積）
Ｐｉｎ：流入圧力（流入管１０１ａの内圧）
Ｐｏｕｔ：流出圧力（流出管１０２ａの内圧）
ρ：原料ガスの密度
△Ｐ：圧損
添え字ｉ，ｊ：触媒反応器の連番（ｉ，ｊ＝１〜Ｎ）
Ｎ：触媒反応器の総台数
【００４９】
ガス流れが非圧縮性の範囲（即ち、音速よりも十分に遅い流れ）では、上記パラメータ間には、
Ｑ０＝ΣＱｉ（ｉ＝１〜Ｎ）
Ｑｉ＝Ｓｉｕｉ
△Ｐ＝ｒｉρｕｉ２／２
の関係があるので、△Ｐが一定の条件下では、
Ｑｉ∝ｒｉ−１／２
となる。ｒｉは、夾雑物による改質層のコーキングによって変化し、一般に改質時間の経過とともに夾雑物（コーク）の堆積量が増大するとｒｉも増大する。
【００５０】
まず、改質時（触媒層を昇降させない場合）のＱｉを考える。いま、擾乱として特定の触媒反応器２−ｊにおいて夾雑物によるコーキングが他の触媒反応器２よりも激しくなった結果、△ｒｊ（＝ｒｊ−全触媒反応器２の圧力損失係数の算術平均値）＞０となったと仮定する。この場合、△Ｑｊ（＝Ｑｊ−全触媒反応器２の原料ガス流量の算術平均値）＜０となり、Ｑｊは減少する。一般に夾雑物（コーキング）生成速度は原料ガス流量に比例することが知られているので、Ｑｊが減少すると夾雑物が比較的生じにくくなり、時間の経過ともに△ｒｊは減少する（他の触媒反応器２でのｒｉ増大速度の方が大きい）。即ち、原料ガスの改質時には、触媒反応器２間の流量差を自動的に小さくする機構が存在する。このため、夾雑物を生じるような触媒反応器２を並列配置した場合であっても、触媒反応器２間での流量ばらつきの問題は少ない。
【００５１】
次に、原料ガスをＱ０の流量で通気しながら全ての触媒反応器２内で触媒保持器を昇降させるなどして各触媒層中の夾雑物の一部をそれぞれ除去した後、再び原料ガスをＱ０の流量で通気する際のＱｉについて考える。この場合、以下の問題１が生じる。
【００５２】
（問題１）
特許文献２等のコーク除去操作を行った場合（除去操作中に原料ガスは、流しても、止めてもよい）、一般に、コーク除去操作後のコークの触媒層中での残留量は、触媒層間で大きく異なる（触媒反応器毎にｒｉが異なる）ことがわかった。いま、擾乱として特定の触媒反応器２−ｊにおける夾雑物除去量が他の触媒反応器２よりも多い結果、△ｒｊ＜０となったと仮定する。この場合、どの触媒反応器においても△Ｐは同じなので、△Ｑｊ＞０となり、Ｑｊは増加する。Ｓｊは一定なので、Ｑｊの増加は、ｕｊの増加と同義である。特徴１の結果から、ＬＶの臨界値以上の条件で触媒昇降を行うと、ｕｊが大きいほど夾雑物除去量が多いので、ｕｊの増加する触媒反応器２−ｊでは、触媒層昇降中に△ｒｊはますます低下し、△Ｑｊは益々増加する。つまり、全ての触媒反応器２内で夾雑物の除去を行った場合、夾雑物の除去量が多い少数の触媒反応器２に原料ガスが集中して流入する。原料ガスの集中した触媒反応器ではＬＶの臨界値を超えうる。この結果、これらの触媒反応器２での夾雑物除去が進むとともに、それ以外の触媒反応器２では夾雑物の除去量は少なく、かつ、流量も少ない状態に取り残される。したがって、触媒反応器２間で原料ガスの流量が不均一となり、この結果、コーク除去操作後の改質時に触媒反応の不効率化の問題が生じる（問題１）。
【００５３】
即ち、原料ガスの改質操業では、全ての触媒反応器２での原料ガスの空間速度が原料ガスの改質に好適な空間速度となることが指向される。しかし、触媒保持器の昇降を終了して再び原料ガスの改質操業に復帰した際には、少数の触媒反応器２では、原料ガスの空間速度が原料ガスの改質に好適な空間速度よりも過大となる。この結果、当該触媒反応器２では、改質ガス中に未反応の原料ガスが残留する割合が増大する。一方、それ以外の触媒反応器２では、原料ガスの空間速度が原料ガスの改質に好適な空間速度よりも過小となり、改質ガスの生産性が低下する。なお、このまま改質を続ければ、原料ガスの空間速度が大きい触媒反応器２ではより多くの夾雑物を生じる。したがって、各触媒反応器２での原料ガスの空間速度は、いずれは再び均一になる。しかし、上述のコーク除去操作時に発生する、触媒反応器２間でのｕｉの差は極めて大きいので、原料ガスの空間速度が触媒反応器２間で均一になるためには多大な時間を要する。
【００５４】
なお、本発明においても、一部の触媒反応器２内での原料ガスの線速度を増大させるが、上記のような意図的でない原料ガス流量の増大とは異なる。本発明は、予め対象として定めた特定の触媒反応器２内での原料ガスの流量を意図的に増大させるものである。これに対して、上記の意図的でない原料ガス流量の増大では、どの触媒反応器のｕｉが増大するのかは不定であり、また、ｕｉの不足する触媒反応器に対してｕｉを増大させることもできない。なお、本発明では、特定の触媒反応器２内での原料ガスの流量を意図的に減少させてもよい。
【００５５】
（問題２）
なお、各触媒反応器２での夾雑物の除去量に十分注意して操業を行うことで、各触媒反応器２のｒｉの擾乱を防ぐことができるかもしれない。この場合、問題１は生じない。しかし、このときには、Ｑｉ＝Ｑ０／Ｎとなるので、触媒層中で十分大きなｕｉを生じる触媒反応器２が存在しない。したがって、反応装置全体として夾雑物の残留率が高くなり、原料ガス改質の効率が悪くなるという問題が生じる（問題２）。
【００５６】
なお、コークが発生する改質プロセスにおける固定床を用いた触媒反応器の技術分野では、触媒反応器を並列接続し、これらの触媒反応器内に生じた夾雑物をオンラインで除去することは行われていなかった。したがって、上記の問題１、２は知られていなかった。
【００５７】
そこで、本発明に係る連結構造では、図１に示すように、触媒反応器２毎にガス遮断部３を設ける。ガス遮断部３は、流入分岐管１０１ｂと触媒反応器２との間に設けられる。例えば、ガス遮断部３−１は流入分岐管１０１ｂ−１と触媒反応器２−１との間に設けられ、ガス遮断部３−２は流入分岐管１０１ｂ−２と触媒反応器２−２との間に設けられ、ガス遮断部３−ｉは流入分岐管１０１ｂ−ｉと触媒反応器２−ｉとの間に設けられ、ガス遮断部３−Ｎは流入分岐管１０１ｂ−Ｎと触媒反応器２−Ｎとの間に設けられる。そして、本発明では、ガス遮断部３の開閉を各触媒反応器に対応するガス遮断部３毎に独立して行う。そして、夾雑物除去時に一部のガス遮断部３だけを開放状態とし、他のガス遮断部３を閉塞状態とすることで、原料ガスが集中する触媒反応器２を意図的に生じさせる。
【００５８】
具体的には、原料ガスの改質時には、全てのガス遮断部３を開放状態（通気可能な状態）とする。したがって、原料ガスの改質は、図１５に示す連結構造と同様に行われる。一方、夾雑物除去時には、図２に示すように、いずれかのガス遮断部３−ｊ（図２の例ではガス遮断部３−１）のみ開放状態とし、他のガス遮断部３を閉塞状態（通気不可能な状態）とする。集合流入管から触媒反応器全体に供給されるガス流量は所定の固定値Ｑ０となるように常に制御されるので、開放状態のガス遮断部３−ｊに対応する触媒反応器２−ｊ（図２の例では触媒反応器２−１）ではＱｊ＝Ｑ０となる。したがって、触媒反応器２−ｊでは、原料ガスの流量が十分に大きくなってＬＶを臨界値以上にしえるので、夾雑物を効率よく除去することができる。
【００５９】
そして、本発明では、例えば、開放状態とするガス遮断部３を順次変更することで、全ての触媒反応器２でＱｊ＝Ｑ０とする。これにより、全ての触媒反応器２で高い夾雑物除去率を満足することができる。
【００６０】
もちろん、夾雑物除去時に全てのガス遮断部３を開放状態とし、各触媒反応器２に大流量の原料ガスを導入することで、夾雑物を除去することも可能である。ただし、この処理を実現するためには、原料ガス供給部、ブロワ、冷却装置（ブロワ、冷却装置は流出集合管１０２の後段に接続される）の容量に十分な余力があることが必要である。この場合、ブロワの回転数を上昇させる等の処理によって、各触媒反応器２に大流量の原料ガスを導入することができる。ただし、短時間しか行われない夾雑物除去操業のためだけに大容量の設備を揃えることは、設備上の無駄が大きい。本発明を用いれば、各設備の容量を改質操業時に必要なだけの容量に設定したとしても、夾雑物除去時に各触媒反応器２に大流量の原料ガスを導入することができる。すなわち、ガス遮断部３を触媒反応器２毎に設置し、開放状態のガス遮断部３を順次切り替えることで、各触媒反応器２に大流量の原料ガスを導入することができる。したがって、より小型で簡易な設備で本発明を実現することができる。
【００６１】
（本発明の特徴３）
図２に示す例では、ガス遮断部３は触媒反応器２の外部に設置されている。したがって、低温で凝縮する成分が含まれているガス（例えばタール含有ガス）を原料ガスとして使用する場合、ガス遮断部３を高温（例えば、７００℃以上）に維持する必要がある。ガス遮断部３で低温凝縮成分が結露するのを抑制するためである。したがって、ガス遮断部３は耐熱性の高い高温弁等で構成される必要がある。さらに、ガス遮断部３を高温に維持するための加熱・保温装置を用意する必要もある。このため設備コストが増大する可能性がある。
【００６２】
そこで、本発明の第２〜５の実施形態（後述）に係る発明では、元々、加熱されている触媒反応器内に弁体・弁座を設けるとともに、触媒層中の夾雑物を除去するための触媒保持器昇降装置（駆動装置）を弁体の昇降装置と兼用する。すなわち、触媒反応器２内を昇降する心棒に弁座・弁体・触媒保持器を固定する。そして、これらを心棒と一体的に昇降させる。したがって、ガス遮断部３を弁体・弁座等で構成する。本発明では、心棒を弁体が弁座の通気孔を閉塞する閉塞位置に移動させることで、ガス遮断部３を閉塞状態とし、心棒を弁体が弁座の通気孔を開放する開放位置に移動させることで、ガス遮断部３を開放状態とする。
【００６３】
これにより、ガス遮断部３として高価な高温弁を使用する必要がなくなるので、本発明を安価に実現することができる。特に、ガス遮断部３は触媒反応器２毎に用意する必要があるため、ガス遮断部３の必要数が多くなりがちである。このため、これらの高温弁の省略は、設備費的に大きなメリットになる。さらに、本発明では、弁座、弁体の材料として触媒反応器と同様の材料を使用することができるので、この点でも触媒反応装置の製造コストが小さくなる。さらに、弁座、弁体は高温弁に比べて単純な構造となっているので、より高温に耐えることができる。例えば、高温弁の耐熱温度は８００℃程度であるが、弁座、弁体の耐熱温度は９００℃程度となりうる。
【００６４】
（本発明の特徴４）
本発明の第２、４の実施形態（後述）に係る発明では、心棒の停止位置として、開放位置、閉塞位置の他に両者の中間位置を設定する。これにより、触媒層中の夾雑物を除去するための昇降操作と、原料ガスを遮断するための昇降操作とを切り分けて実施できる。例えば、心棒を閉塞位置に移動させることで、原料ガスを遮断することができる。また、心棒を中間位置と開放位置との間で昇降させることで、触媒層から夾雑物を除去することができる。この結果、開放状態（心棒が開放位置、または、中間位置）のガス遮断部３に対応する触媒反応器２には、大流量の原料ガスを継続して導入することができる。もし、中間位置を設けない場合には夾雑物除去時の上記のガス遮断部３−１は、心棒の開放位置と閉塞位置との間で往復運動させなければならない。この場合、ガス遮断部３−１の心棒が閉塞位置に位置するときには全てのガス遮断部が閉塞状態となるため一時的に原料ガス流れが停止し、夾雑物除去時には原料ガス流量が０とＱ０の間を振動することによって配管内に圧力変動を引き起こし、適切な制御を行わないと操業が不安定化するおそれがある。心棒に中間位置を設けることによって、触媒層から夾雑物を除去する際に常に原料ガス流量をＱ０に維持することが可能となり、その結果、流入路内圧と反応容器内圧とを均一にすることができる。したがって、触媒層から夾雑物を除去する際に、原料ガス供給配管系統をより安定させることができる。
【００６５】
（本発明の特徴５）
本発明においては、夾雑物の除去ガスとして原料ガスを用いるが、この場合、原料ガスの流量をいかに上昇させるかが問題となる。原料ガス供給部が原料ガス発生装置である場合、原料ガス発生装置からの原料ガス発生量を急上昇させることは一般に困難なためである。本発明では、上述したように、一部のガス遮断部３だけを開放状態とすることで、開放状態に対応する触媒反応器２に大流量の原料ガスを導入する。さらに、本発明では、ガス発生炉のように時間当たりの原料ガス発生質量が常に一定であるガス発生装置を前提としたうえで、全てのガス遮断部３を一旦閉塞状態とする。すなわち、一旦原料ガスを全ての触媒反応器２から遮断する。これにより、ガス遮断部よりも上流の配管では発生した原料ガスが滞留するために流入管１０１ａの内圧を高める。その後、一部のガス遮断部３を開放状態とすることで、さらに大流量の原料ガスを触媒反応器２に導入することができる。すなわち、流入管１０１ａと触媒反応器２との大きな内圧差に起因する大きな原料ガス流量を一定時間発生させることができる。そして、本発明では、大流量の原料ガスが触媒反応器２に導入されている際に、触媒層を昇降させることができる。本発明では、上記のように、簡単な設備で上記の処理を行うことができる。
【発明の効果】
【００６６】
以上説明したように本発明によれば、夾雑物を効率よく除去することができ、簡易に実現可能な、新規かつ改良された触媒反応装置及びこれを用いた触媒反応方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明に係る連結構造を模式的に示す説明図である。
【図２】本発明に係る連結構造を模式的に示す説明図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る触媒反応装置の全体構成を示すブロック図である。
【図４】（ａ）は触媒反応器の内部構成を示す側断面図である。（ｂ）は触媒保持器の構成を示す平面図である。（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る触媒反応装置の全体構成を示すブロック図である。
【図６】（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る触媒反応器の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図７】（ａ）は触媒反応器の連結構造の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図８】（ａ）触媒保持器を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は触媒保持器及びその周辺構造を示す側断面図である。
【図９】（ａ）弁座及び弁体等を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は弁座及び弁体等を示す側断面図である。
【図１０】（ａ）は本発明の第３の実施形態に係る触媒反応器の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図１１】（ａ）は本発明の第４の実施形態に係る触媒反応器の外観を示す側面図である。（ｂ）〜（ｄ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図１２】（ａ）は本発明の第５の実施形態に係る触媒反応器の内部構成を示す側断面図である。（ｂ）は触媒保持器の構成を示す平面図である。（ｃ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図１３】除去ガスの線速度と夾雑物（コーク）除去率との対応関係を示すグラフである。
【図１４】本発明でのコーク除去の時間推移の一例を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る触媒反応器を単に並列接続した連結構造を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００６９】
＜１．第１の実施形態＞
（１．全体構成）
まず、図３に基づいて、第１の実施形態に係る触媒反応装置１の全体構成について説明する。触媒反応装置１は、流入集合管１０１と、複数（図３の例ではＮ個）の触媒反応器２と、複数（図３の例ではＮ個）のガス遮断部３と、流出集合管１０２と、反応器群制御装置５と、増速装置（増速部）５３と、粉塵回収器６と、冷却装置７と、流量調整部８と、ブロワ９とを備える。
【００７０】
（原料ガス供給部）
原料ガス供給部１００は、原料ガスを触媒反応器に供給するための装置である。原料ガス供給部１００は、例えば原料ガス発生装置であってよい。原料ガス発生装置は、原料ガスを所定の速度で発生させ、発生した原料ガスを触媒反応器２（具体的には触媒反応器２が備える反応容器１０）に供給するものである。原料ガス発生装置は、例えば、ガス発生炉（コークス炉等）である。あるいは、原料ガス供給部１００は、原料ガスを貯留するガスホルダであってもよい。このとき、ガスホルダから供給される原料ガスは、加熱装置によって昇温した後に触媒反応器に供給される。
【００７１】
（原料ガス）
原料ガスは、後述する触媒層４３を通過する際に触媒層４３によって改質されるものであれば特に制限されない。例えば、原料ガスは、炭化水素を含有するガス、タール含有ガスなどであってもよい。タール含有ガスは、少なくともタールを含有するガスであり、さらに炭化水素を含有していてもよい。原料ガスがタール含有ガスとなる場合、原料ガスの改質の際に副生するコークが夾雑物として触媒層４３中に堆積し易い。したがって、原料ガスがタール含有ガスとなる場合、第１の実施形態の効果が顕著に現れやすい。炭化水素を含有するガスの例としては、天然ガス、ＬＰＧ、ナフサ等が挙げられる。また、タール含有ガスの例としては、コークス炉ガス（石炭乾留ガス）、バイオマス乾留ガス等が挙げられる。また、原料ガスは、コークス炉等の原料ガス発生装置から高温で供給され、供給される原料ガスが改質反応温度（例えば８００℃）に達していればそのまま、あるいは、達していなければさらに外部から加熱された後、触媒反応器２に供給される。加熱装置は、加熱区間Ａ内に存在する構成要素、すなわち流入集合管１０１、触媒反応器２、ガス遮断部３、流出集合管１０２、及び粉塵回収器６を加熱する。加熱装置は、加熱区間Ａ全体を内蔵する加熱炉であってよく、また、加熱区間Ａ内の各装置を個別に囲う複数の加熱炉であってもよい。例えば、原料ガスがタール含有ガスとなる場合、加熱装置は、触媒反応器２を改質反応温度（例えば８００℃）に維持するように加熱を行い、また、流入集合管１０１、ガス遮断部３、流出集合管１０２、及び粉塵回収器６を、タール含有ガスのタール分が凝縮しない程度の温度（例えば７００℃以上）に維持するように加熱する。
【００７２】
（流入集合管）
流入集合管１０１の一方の端部は、単管の流入管１０１ａとなっている。流入管１０１ａは、原料供給部（ここでは原料ガス発生装置）１００に連結されている。流入集合管１０１の他方の端部は、複数（図３の例ではＮ個）の流入分岐管１０１ｂに分岐されている。原料ガス供給部１００から発生した原料ガスは、まず、流入管１０１ａに導入される。その後、原料ガスは、各流入分岐管１０１ｂからガス遮断部３を経由して触媒反応器２内に導入される。原料ガス供給部１００と流入管１０１ａを複数設けてそれぞれ流入集合管１０１に接続してもよい。例えば、コークス炉の窯（原料ガス発生装置）ごとに流入管１０１ａを設けて１本の流入集合管１０１に接続してよい。この場合、コークス炉は定期的に大気開放されるので、流入集合管が大気に開放されないように、流入管１０１ａごとに高温弁を設け、コークス炉の窯が大気開放される都度、この窯に接続する流入管１０１ａの高温弁を閉止する。
【００７３】
（ガス遮断部）
ガス遮断部３は、触媒反応器２毎に設置される。具体的には、ガス遮断部３は、流入分岐管１０１ｂと触媒反応器２との間に設けられる。例えば、ガス遮断部３−１は流入分岐管１０１ｂ−１と触媒反応器２−１との間に設けられ、ガス遮断部３−２は流入分岐管１０１ｂ−２と触媒反応器２−２との間に設けられ、ガス遮断部３−ｉは流入分岐管１０１ｂ−ｉと触媒反応器２−ｉとの間に設けられ、ガス遮断部３−Ｎは流入分岐管１０１ｂ−Ｎと触媒反応器２−Ｎとの間に設けられる。ここで、第１の実施形態及び後述する各実施形態において、ｉは１〜Ｎの整数であり、Ｎは２以上の整数である。操業の安定性の観点から、Ｎは、３以上であることが好ましく、さらに、ガス流量を特定の触媒反応器に集中する際の効率の観点からは、Ｎは、５以上であることがより好ましい。そして、第１の実施形態では、ガス遮断部３の開閉をガス遮断部３毎に独立して行う。そして、夾雑物除去時に一部のガス遮断部３を開放状態とし、他のガス遮断部３を閉塞状態とすることで、原料ガスが集中する触媒反応器２を意図的に生じさせる。第１の実施形態では、ガス遮断部３は、例えば高温弁である。高温弁には市販の高温用ボール弁等を用いることができる。このように、第１の実施形態では、ガス遮断部３として高温弁が必要になるが、後述する第２の実施形態以降の実施形態では、高温弁は不要となる。尚、ガス遮断部３は、触媒反応器２の上流に設置されることが好ましいが、設計上の便宜等の理由があれば、ガス遮断部３を触媒反応器２と流出管１０２ａの間に設けることもできる。
【００７４】
（触媒反応器）
触媒反応器２は、原料ガス供給部１００から発生した原料ガスを改質する。改質後の原料ガスは、改質ガスとして流出分岐管１０２ｂに導入される。触媒反応器２の詳細構成及び動作については後述する。
【００７５】
（流出集合管）
流出集合管１０２の一方の端部は、単管の流出管１０２ａとなっている。流出管１０２ａは、粉塵回収器６に接続されている。流出集合管１０２の他方の端部は、複数の流出分岐管１０２ｂに分岐されており、各流出分岐管１０２ｂに触媒反応器２が接続されている。例えば、流出分岐管１０２ｂ−１に触媒反応器２−１が接続され、流出分岐管１０２ｂ−２に触媒反応器２−２が接続され、流出分岐管１０２ｂ−ｉに触媒反応器２−ｉが接続され、流出分岐管１０２ｂ−Ｎに触媒反応器２−Ｎが接続されている。各触媒反応器２で発生した改質ガスは、流出分岐管１０２ｂを通って流出集合管１０２経由で流出管１０２ａに導入される。流出管１０２ａ内の改質ガスは、粉塵回収器６に導入される。
【００７６】
（反応器群制御装置）
反応器群制御装置（反応器群制御部）５は、ガス遮断制御部５１と、駆動制御部５２とを備える。ガス遮断制御部５１は、各ガス遮断部３に対してガス遮断部の開閉の指令を行う。ガス遮断部３にはそれぞれ独立に開閉可能な指令が与えられる。これにより、ガス遮断制御部５１は、各触媒反応器２に導入される原料ガスを触媒反応器２毎に独立して遮断することができる。
【００７７】
駆動制御部５２は、触媒反応器２内の駆動装置４９（図４参照）に対して指令を行って駆動装置４９を駆動することで、心棒および触媒保持器４４を昇降させる。反応器群制御装置５ではガス遮断制御部５１と駆動制御部５２が協調して動作するようにガス遮断部と駆動装置への指令のタイミングを調整する。この指令タイミングを調整する方法は、ガス遮断部と駆動装置の動作の順序を予め定めたシーケンス制御等を用いればよい。なお、反応器群制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によってガス遮断制御部５１及び駆動制御部５２を実現する。すなわち、ＲＯＭには、ガス遮断制御部５１及び駆動制御部５２を実現するためのプログラム等が記録される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。ＲＡＭはＣＰＵによる作業領域となるものである。
【００７８】
（粉塵回収器）
粉塵回収器６は、改質ガス中の粉塵を除去・回収する装置である。粉塵が除去された改質ガスは冷却装置７に導入される。回収された粉塵（例えばコーク）は、燃料等に再使用されうる。冷却装置７としてスクラバを用いる際には、スクラバを粉塵回収に兼用することができる。したがって、この場合、独立した粉塵回収器６を省略してもよい。粉塵回収器６の具体例としては、サイクロン、インパクタ、バグフィルタ等が挙げられる。
【００７９】
（冷却装置）
冷却装置７は、改質ガス中の凝縮成分（例えばタール等）を除去するとともに、改質ガスを後段の流量調整部８、及びガスホルダ２００に供給可能な温度（例：８０℃未満）まで冷却する。冷却装置７の具体例としては、熱交換器やスクラバが挙げられる。冷却された改質ガスは、流量調整部８の流量計８１及び流量調整弁８２を通ってブロワ９に導入される。
【００８０】
（流量調整部）
流量調整部８は、全ての流入管１０１ａ内の原料ガスの流量を合計した原料ガス流量が目標値である所要原料ガス流量Ｑ０となるように調整する装置である。例えば、流量調整部８は、原料ガスの改質時には、改質時用の流量目標値を設定し、原料ガス流量をこの目標値に一致させるように制御する。同様に、夾雑物除去時には夾雑物除去時用の流量目標値を設定し、原料ガス流量を制御する。
【００８１】
改質時用の原料ガス流量の目標値は、各触媒反応器２内において定めた原料ガスの改質に適した流量値を全触媒反応器について合計したものに設定できる。その結果、改質時には原料ガスの流量が原料ガスの改質に適した流量に制御される。
【００８２】
夾雑物除去時の目標値は、増速を意図する触媒反応器におけるＬＶを臨界値以上とする観点および原料ガス発生装置やブロワ能力の観点を総合的に勘案して適宜定めればよく、例えば、原料ガス改質時の目標値と同じであってもよい。夾雑物除去時の目標値を改質時と同じにする場合、夾雑物除去時には原料ガスの流路は特定の触媒反応器に集中してこの触媒反応器における流量が増大するので触媒反応器における圧力損失が改質時よりも増大する可能性がある。従って、流量調整部８は、この増大した圧力損失に打ち克って原料ガスの流量を目標値に維持するように動作する。なお、夾雑物除去時の目標値は、各触媒反応器２内で夾雑物が効率よく除去できるのであれば、必ずしも原料ガス改質時の目標値と同じでなくてもよい。
【００８３】
流量調整部８は、具体的には、例えば、流量計８１と、流量調整弁８２と、ブロワ９と、流量制御装置８３とを備える。流量計８１は、原料ガスの流量を求めるためのものであり、例えば、各流入管１０１ａにそれぞれ設けて原料ガス流量を直接、測定してよく、あるいは、改質ガス流量を原料ガス流量に換算する前提で改質ガスの流量を測定してもよい。流量計８１は、その測定値に関する測定情報を流量制御装置８３に出力する。流量計８１は、例えばオリフィス流量計であるが、これに限定されない。流量調整弁８２は、改質ガスの流量を調整する弁であり、電動モータやエアシリンダ等の駆動装置を備える。流量調整弁には市販のものを用いることができる。流量制御装置８３は、改質ガス流量の測定値を原料ガス流量に換算し、これを流量目標値と比較したうえで原料ガス流量を目標値に近づけるために必要な流量調整弁８２の開度、または、ブロワ回転数を、ＰＩＤ制御理論等に基づいて演算し、演算結果を流量調整弁８２、または、ブロワ９に指令する。改質ガス流量測定値を原料ガス流量に換算する方法としては、例えば、原料ガスが改質される際のガス増幅率（＝改質ガス流量／原料ガス流量）を求めて原料ガスの目標値を換算する方法が挙げられる。ガス増幅率を求める方法は、例えば、流入集合管と流出集合管からサンプルガスをそれぞれ抽気してガス成分を分析し、この分析結果から得られるガス成分構成率の違いを用いてマテリアルバランス解析によって算出することができる。ガス成分の分析には、ガスクロマトグラフ分析装置を用いることができる。あるいは、より簡便な方法として、原料ガスの平均的な発生流量と改質ガスの平均的な回収流量との比を用いることもできる。
【００８４】
ブロワの回転数がＶＶＶＦ技術等によって変更可能な場合には、流量調整部８は、流量調整弁８２を省略して、ブロワ回転数の制御のみによって流量を調整してもよい。特に、ブロワ９がプランジャー型等の容積型のブロワとなる場合、ブロワ回転数がほぼ一意に改質ガス流量を決定するので、ブロワ回転数のみの制御に適している。
【００８５】
また、流量調整部８は、触媒反応器２の上流側、すなわち流入管１０１ａに設けることもできる。この場合、流量調整部８は、原料ガスの流量測定値に直接、基づいて調整することになる。また、少なくとも流量調整弁８２を高温に維持する必要がある。
【００８６】
なお、流量制御装置８３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によって流量制御装置８３の機能を実現する。すなわち、ＲＯＭには、流量制御装置８３の機能を実現するためのプログラム等が記録される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。ＲＡＭはＣＰＵによる作業領域となるものである。
【００８７】
（ブロワ）
流量調整部８の一部であるブロワ９は、冷却装置７によって冷却された改質ガスをガスホルダ２００に供給する（送風する）。ブロワ９も特に制限されず、市販のターボ式・容積式のブロワであってもよい。
【００８８】
（ガスホルダ）
ガスホルダ２００は、ブロワ９から供給された改質ガスを貯留する。
【００８９】
（増速装置）
増速装置５３は、夾雑物除去時に、増速を意図する特定の触媒反応器においてＬＶ値が臨界値以上である高速気流を発生させるために関連するハードおよびソフトを協調動作させるための制御装置である。増速装置５３における高速気流を発生するためのハードおよびソフトの協調動作の一例を以下に説明する。
【００９０】
増速装置５３は、触媒反応器の圧力損失測定値に基づく差圧を監視し、差圧が所定値を超えた場合に触媒反応器における閉塞（または閉塞のおそれ）が発生したものと判定して夾雑物除去操作を開始する。この差圧の算出方法として、例えば、流入集合管１０１および流出集合管１０２にそれぞれ圧力計を設けてその測定値を増幅部に対して出力し、増幅部では、この２つの圧力計測定値の差を差圧（実質的に触媒反応器の圧力損失に相当する）として算出すればよい。圧力計には市販のダイヤフラム型圧力計等を用いることができる。夾雑物除去操作において、まず、増速装置５３は、流量調整部に夾雑物除去時用の原料ガス流量目標値を指令して原料ガス流量を夾雑物除去時用の目標値に制御する。次に、増速装置５３は、反応器群制御装置に対して指令して以下の動作を実行させる。即ち、第１の増速を意図する触媒反応器で心棒（触媒層）の昇降動作を開始させるともに、これ以外の全ての触媒反応器に対応するガス遮断部を閉塞位置とする。その結果、第１の増速を意図する触媒反応器に全ての原料ガス流量が集中してこの触媒反応器内に高速気流が生じ、この高速気流条件下で触媒層の昇降が行われ、第１の増速を意図する触媒反応器内の触媒層中の夾雑物が除去される。この間、増速装置５３は、前記差圧を連続的に監視して差圧を算出し、差圧が所定値以下となった時点で第１の増速を意図する触媒反応器における閉塞が解消したものと判定し、この触媒反応器における心棒の昇降動作を終了する。これに引き続き、第２の増速を意図する触媒反応器に対応するガス遮断部を開放状態とした後、第２の増速を意図する触媒反応器の心棒を昇降を開始させる。第２の増速を意図する触媒反応器の心棒の昇降が開始した後、第１の増速を意図する触媒反応器に対応するガス遮断部を閉塞状態にする。その結果、第２の増速を意図する触媒反応器に全ての原料ガス流量が集中してこの触媒反応器内に高速気流が生じ、この高速気流条件下で触媒層の昇降が行われる。以降、同様の操作を残りの触媒反応器に対して順次、実施して全ての触媒反応器において高速気流下での触媒層昇降を行う。全ての触媒反応器での昇降操作が完了した後、増速装置５３は、夾雑物除去作業を完了して改質操業を再開するために全ての触媒反応器に対応するガス遮断部を開放する指令を反応器群制御装置に対して出力するとともに、原料ガス流量が改質時の所要原料ガス流量となるように、流量調整部に対して指令を出力する。この後、改質操業は、改質終了操作がなされるか、あるいは、次に前記の差圧が所定値を超えるまで継続する。
【００９１】
上記の夾雑物除去操業において、全ての触媒反応器での昇降操作が完了すると、全ての触媒反応器においてコークの残留量が微小となり、通気抵抗がどの触媒反応器においても等しく低い値に回復する。このため、夾雑物除去操業に引き続き行われる改質操業において、低い圧力損失で各触媒反応器に均等に原料ガスが流通し、改質を好適に行うことができる。また、夾雑物除去操業において上記の順序で触媒層の昇降とガス遮断部の開閉を動作させることによって、通気抵抗が極端に大きな触媒反応器に原料ガスが集中して通気することを避けることができ、夾雑物除去操業を安定に実施できる。なお、夾雑物除去操業時の所要原料ガス流量は、１つの触媒反応器にこの流量の原料ガスが通気する際にこの触媒層でのＬＶが臨界値を超えるように設定されるべきである。この観点からは、触媒反応器の台数Ｎが５以上の場合、一般的に、夾雑物除去時の原料ガス流量目標値は、改質時のものと同じ値でもよい。Ｎが５未満の場合、もし、夾雑物除去時に流量を集中する触媒層でのＬＶ値が不足するようであれば、このＬＶ値が臨界値以上となるように、夾雑物除去時の所要原料ガス流量を改質時のものよりも増大してもよい。
【００９２】
ここで、夾雑物除去時における目標値は、原料ガスが集中する触媒反応器２内の線速度が、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上となるように設定されることが好ましい。この場合、夾雑物をより効率よく除去することができる。なお、図４の例では、原料ガスは触媒反応器２内を鉛直下向きに通過するが、流入路４１及び流出路４２の設置位置を逆転させることで、原料ガスの流動方向を鉛直上向きとしてもよい。この場合、原料ガスの線速度は、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【００９３】
増速装置５３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備える。ＲＯＭには、上記の夾雑物除去シーケンスを実現するためのプログラム等が記録される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。ＲＡＭはＣＰＵによる作業領域となるものである。例えば、制御ソフトをインストールし、外部機器との入出力機能を備えた汎用パーソナルコンピュータ等を増速装置５３に用いることができる。増速装置５３、反応器群制御装置、並びに、流調弁制御装置は、いずれも制御ソフトをインストールし、外部機器との入出力機能を備えた汎用パーソナルコンピュータによって実現可能である。従って、これら個々の制御装置を個別に設ける代わりに、これら個々の制御装置の機能を統合した１つの制御ソフトの搭載された１台のパーソナルコンピュータを用いてもよい。また、これらいずれかの制御装置の機能を人間の操作で代用することもできる。
【００９４】
このように、反応器群制御装置、流量調整部、並びに、増速装置は、いずれも各アクチュエータに対する入出力を有する計算機上のソフトウェアとして実現できる。本実施形態では、制御の個別機能を明確にするためにこれらの制御装置を個別に設けたが、上記の機能を満足する限り、これらの制御装置を統合して単一の装置（ソフトウェア）としてもよい。
【００９５】
（２．触媒反応器の詳細構成）
つぎに、図４に基づいて、第１の実施形態に係る触媒反応器２の詳細構成を説明する。図９に示すように、触媒反応器２は、反応容器４０と、流入路４１と、流出路４２と、触媒層４３と、触媒保持器４４と、心棒４８と、駆動装置４９とを備える。触媒保持器４４は、互いに平行に配置された複数のロッド４４ａと、ロッド４４ａの端部間を連結するロッド固定具４４ｂとを備える。これらの構成は、従来（例えば特許文献２）とほぼ同様の構成である。そこで、まず、従来と同様の構成について説明し、ついで、従来と異なる構成について説明する。
【００９６】
（反応容器の形状）
反応容器４０は、上下両端に開口を有し、これらの開口間に触媒を収納できるものであればどのような形状でもよい。上方の開口は、流入路４１に通じており、触媒反応用の原料ガスの反応容器４０への流入口に当たるものである。下方の開口は、流出路４２に通じており、改質ガスの反応容器４０からの流出口に当たるものである。反応容器４０は、例えば、円筒状、角型ダクト状などの形状であることができる。以下では、角型ダクト状の反応容器を例に説明する。
【００９７】
触媒反応器２の説明において、「容器の中心軸」とは、容器の水平断面の図心を鉛直方向に連ねたものと定義する。「反応容器の厚み」は、水平断面における反応容器の長さのうちの最小の長さに相当し、「反応容器の幅」は、水平平面における反応容器の長さのうちの最大の長さに相当する。容器が円筒の場合には、容器の「幅」および「厚」を「直径」と置き換えればよい。
【００９８】
（反応容器の材質）
反応容器４０の材質は、触媒を保持する強度、触媒反応に関与する流体への耐熱・耐食性、反応生成物への耐汚染性を有する材料であれば、どのようなものでも使用できる。例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、ニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料（煉瓦に加工されたものを含む）、ソーダガラス、溶融石英等のガラス材料を使用することができる。
【００９９】
（反応容器の寸法）
反応容器４０の厚みは、下限が塊状触媒の代表寸法（例：直径）以上でなければならない（例えば、１０ｍｍ）。一般に触媒反応では発熱または吸熱があり、かつ、反応容器４０の表面を通じてこれらの熱を外部と授受するため、反応容器４０内部まで伝熱を確保するために、厚みには上限が存在する。上限の値は、反応熱・流量・伝熱特性等によってエンジニアリング的に定めればよい（例えば、２００ｍｍ）。
【０１００】
反応容器４０の幅には、機能上、特段の制約はない。保持すべき触媒層体積、反応容器厚を基に、構造上・強度上の制約を考慮してエンジニアリング的に定めればよい（例えば、５０００ｍｍ）。
【０１０１】
反応容器４０の高さは、触媒層４３の高さよりも大きくなければならない。一方、反応容器４０高さの上限については、機能上の制約はなく、構造上・強度上の制約を考慮してエンジニアリング的に定めればよい（例えば、５０００ｍｍ）。
【０１０２】
（触媒保持器）
触媒穂軸４４は、反応容器４０内で触媒層４３を触媒層４３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。触媒保持器４４には、網、パンチングメタル、複数の棒を用いて棒の間に空間を生じるように水平方向に各棒を互いに平行に並べて棒の両端を固定したもの等を用いることができる。図４に示した触媒保持器４４は、複数のロッド４４ａの両端をロッド固定具４４ｂで固定して作製したものの例である。
【０１０３】
触媒保持器４４の開口率が小さくなると、通気性や固体カーボンなどの通過性が悪化する。高開口率では、保持器で触媒を保持する部位が少なくなるで、保持器の強度が不足する。上記いずれかの形式の保持器の場合、触媒保持器４４の開口率は３０〜７０％程度が好ましい。
【０１０４】
触媒保持器４４の材質は、耐熱・耐腐食性・強度を備えた金属材料が好ましい。そのような金属材料の例として、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等のＮｉ合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。
【０１０５】
（触媒層の駆動機構）
本発明では、触媒保持器４４を昇降させることによってその上の触媒層４３を反応容器４０内で昇降させる。そのために、反応容器４０には触媒保持器４４を昇降させる駆動装置４９が装備される。駆動装置４９には、エアシリンダ、ラックピニオン等の歯車を利用した昇降装置などの、一般的な駆動機構を用いることができる。触媒保持器４４は、心棒４８を用いて駆動装置４９に結合される。駆動装置４９を作動させると、保持器４４の全体が反応容器４０の軸線（反応容器４０の中心軸）に沿って移動して、触媒層４３の全体をやはり反応容器４０の軸線に沿って上下に移動させる。
【０１０６】
少なくとも心棒４８の触媒保持器４４側の一部は反応容器４０、または、流入路４１、流出路４２の内側に存在する必要がある。駆動装置４９は、反応容器４０の外部に設けることができる。反応容器４０を例えば加熱炉などの加熱装置（図示せず）内に配置する場合には、駆動装置４９を加熱装置外に設けることもできる。この場合、市販の昇降装置を使える一方で、心棒４８が反応容器４０を貫通する部分を高温用パッキン等で封止する必要がある。
【０１０７】
駆動装置４９全体を、図４に示したように反応容器４０内に設ける場合には、駆動装置４９を、例えば反応容器４０内の高温や腐食性物質から保護するために、耐熱・耐食性のものとする必要がある。これは、一例として、駆動装置４９のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金製とすることによって実現できる。この場合、エアシリンダへの供給エア配管（図示せず）は反応容器４０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。
【０１０８】
（３．触媒層の昇降）
触媒保持器４４の上面全体に触媒を充填して触媒層を形成する。このように形成された触媒層の側面は、反応容器４０の内壁面に常に接触し続ける。触媒保持器を上昇させると触媒層には上向きに力が与えられ、触媒層側面では反応容器内壁面からの下向きの摩擦力を生じる。この結果、触媒層内では、壁面近傍の触媒では壁面の拘束が大きいために上方への移動量が触媒保持器の上昇量よりも平均的に小さくなるとともに、この部分での触媒粒子の充填率は上昇する。一方、壁面から遠い、触媒層の中心部では壁面の拘束がより弱いので、触媒層の上方への移動量は比較的大きく、この部分での触媒粒子の充填率の上昇はより小さい。この結果、触媒保持器の上昇中には、壁面近傍から中心にかけて触媒層のせん断変形を生じ、触媒層のいたるところで触媒粒子間の相対変位が発生する。この相対変位によって触媒粒子間の空間が変形するので、この空間に堆積していた副生コークは、破砕され、押し出されて触媒層外に排出されうる。このように、触媒保持器の上昇によって触媒層の平均充填率は上昇する。
【０１０９】
これに対して、触媒保持器の下降時には、触媒層の平均充填率は昇降開始前のレベルまで低下する。これは、触媒保持器の下降時には、壁面の拘束によって、下方の触媒層から順に徐々に落下するため触媒層の下降中には触媒粒子間の平均距離が増大し、この触媒間の位置関係の一部が触媒層の下降完了後まで維持されるため、触媒層の充填率が低下する。また、触媒層下降時の充填率の低下にともなう触媒粒子間隔の増大に伴って、粒子間に堆積した副生コークが移動して触媒外に排出されうる。この結果、触媒層の昇降を繰り返しても充填率が上昇し続けて最密充填に至ることはなく、長期間に渡ってコーク除去を継続できる。このように、触媒層の昇降操作によって、触媒層内に堆積したコークを除去することができる。即ち、この方法は、壁面摩擦を利用して触媒層の移動中に触媒層内に充填率分布を惹起することを利用したコーク除去方法である。また、この手法において触媒層からコークを除去するための原理は、触媒粒子間の空間を変形させることであるので、触媒層の昇降速度は必ずしも大きい必要はない。１０ｍｍ／ｓ程度の昇降速度で充分な効果が得られる。また、粒子間の相対変位量も粒子の寸法程度（例えば、１０ｍｍ）でよい。この点で、粒子層から夾雑物を除去する他の方法、例えば、篩分けとは大きく異なる。篩分けにおいては、篩寸法に相当する大きな相対変位と、重力加速度の数倍程度の大きな加速度および数ｍ／ｓ程度の大速度が必須である。また、本発明が対象とするような高いアスペクト比の触媒層に単に大きな振動を与えても、粒子全体が同じ動きをするために粒子間の相対変位を生じず、篩分けの効果（コークの除去）は得られない。
【０１１０】
本発明では、触媒層昇降中の非定常で不安定な触媒粒子間の空間に高速気流を供給することによって、本来、通気できない空間に高速気流が到り、そこに堆積するコークの触媒表面からの離脱、触媒間空間からの気流搬送等の作用によって、上記の触媒層昇降単独でのコーク除去効果をさらに促進させることができる。
【０１１１】
保持器上昇時に、触媒保持器４４の一部が触媒層４３に食い込む場合があるので、触媒保持器４４は上昇時だけでなく下降時も駆動することが好ましい。
【０１１２】
（保持器の昇降ストローク）
触媒間の相対運動を十分行うためには、触媒保持器４４の昇降ストロークは大きいことが好ましい。例えば、触媒外面の代表寸法（例：直径）の０．１倍程度の昇降ストロークであっても加振の効果は存在するので、触媒表面の固体カーボンなどの堆積物の除去効果は一定程度は得られる。とは言え、十分な堆積物除去効果を挙げるためには、触媒保持器４４の昇降ストロークは触媒粒子の３層以上であることが好ましく、１倍以上であることがより好ましい。
【０１１３】
一方、昇降ストロークが極端に大きい場合には、反応容器４０および駆動装置４９が大型化するので効率的ではない。また、小さいストローク（但し、１倍以上）の昇降を繰り返し行うことで、より大きな昇降ストロークと同様の効果が得られる。よって、昇降ストロークは、触媒外面の代表寸法の１０倍以下であることが好ましい。
【０１１４】
（昇降速度）
触媒保持器４４とともに触媒層４３を上昇させるのに要する所要上昇力は、上昇速度が小さいほど小さい。１０ｍｍ／ｓで保持器とともに触媒層を上昇させるときの所要上昇力は、１ｍｍ／ｓで上昇させる場合の２倍が必要であることがわかった。また、大きな上昇速度では、触媒が破壊しやすくなる。従って、上昇速度は小さいことが好ましい。但し、１ｍｍ／ｓで上昇させる場合と０．５ｍｍ／ｓで上昇させる場合の所要上昇力の差は小さいので、１ｍｍ／ｓよりも遅くする必要は必ずしもない。また、１０ｍｍ／ｓの上昇速度であっても、触媒が破壊しないのであれば、適用してよい。
【０１１５】
前述のように、保持器の下降速度は大きいことが好ましい。特に、最下端での触媒の自由落下速度よりも大きい速度（例：１００ｍｍ／ｓ）で保持器を下降すれば、触媒は保持器から離脱して触媒間の拘束が小さくなり、触媒間の相対運動を大きくとれるので好ましい。但し、触媒の自由落下速度よりも極端に大きな速度で保持器を下降させても得られる効果に差はない。また、保持器の下降速度は、自由落下速度よりも十分小さくても充分な効果が得られる。これは、保持器上昇後の触媒層は反応容器内壁からの拘束によって、下端が開放されても直ちに自由落下することはなく、触媒層の下方から徐々に落下するため、落下速度がかなり遅くなることによるものである。従って、１０ｍｍ／ｓ程度の下降速度であっても、触媒層充填率の回復効果およびコークの除去効果は得られる。
【０１１６】
（流入路、流出路）
流入路４１は、ガス遮断部３を介して流入分岐管１０１ｂに連結されている。したがって、流入路４１には原料ガスが導入される。図４中の矢印Ｐ１は原料ガスの流れを示す（触媒層中で下降流の場合）。流出路４２は、流出分岐管１０２ｂが連結されている。流出路４２には、改質ガスが導入される。その後、改質ガスは、流出分岐管１０２ｂを通って粉塵回収器６に導入される。
【０１１７】
（触媒層）
触媒層４３は、後述する第２の実施形態と同様の触媒粒子で構成されればよい。ただし、後述する第２の実施形態と異なり、心棒４８は触媒層４３を貫通しない。このため、触媒層４３のアスペクト比の定義及び好ましい範囲は第２の実施形態と異なる。具体的には、触媒層４３のアスペクト比は、以下の数式（１）で定義される。
アスペクト比＝触媒層４３の高さ／触媒層４３の厚さ（または、直径）      （１）
ここで、数式（１）における触媒層４３の厚さは、図４における水平方向の代表寸法（触媒層（触媒反応容器）の水平断面内において、この水平断面の図心を通り、かつ両端が水平断面の外縁上に存在する直線の長さ）の最小の長さを意味する。例えば、水平断面が矩形の場合、厚みは短辺の長さである。特に、この水平断面が円形の場合、厚さは、直径を意味する。
【０１１８】
また、アスペクト比は、３．０以下であることが好ましい。アスペクト比の下限値は特に制限は無いが、触媒層４３の高さは、触媒粒子の粒径の３倍以上であることが好ましい。また、触媒層４３の昇降速度、昇降ストロークは、後述する第２の実施形態と同様であればよい。
【０１１９】
（４．運転方法）
次に、上記触媒反応装置１を用いた運転方法を説明する。
【０１２０】
（原料ガス改質時の運転方法）
原料ガスを改質する際には、各装置を以下の条件に設定して運転する。
全てのガス遮断部３を開放状態とする。心棒の駆動装置を上昇位置（心棒の駆動範囲の上端）、または、下降位置（心棒の駆動範囲の下端）に固定し、触媒層を常に静止させる。
流入管１０１ａ内での所要原料ガス流量は、各触媒反応器２内での原料ガスの空間速度が原料ガスの改質に適した空間速度となるように設定される。原料ガス流量の調整は流量調整部８によって行われる。
触媒反応器２内での原料ガスの空間速度は、以下の数式（２）で示される。
ＳＶ＝［触媒反応器２内での原料ガス流量］／［触媒層体積］      （２）
数式（２）において、触媒反応器２内での原料ガス流量は体積流量（ｍ３／ｓ）であり、触媒層体積は、触媒層４３の体積（ｍ３）を意味する。空間速度の具体的な数値は、ガスの標準状態に換算した値となっている。原料ガスの改質に適した空間速度は、原料ガスの種類によって異なるので、原料ガスの種類によって適宜設定すればよい。例えば原料ガス改質中の空間速度は、１００（１／ｈ）以上１００００（１／ｈ）以下程度が好ましい。
【０１２１】
（夾雑物除去時の運転方法）
夾雑物除去時には各装置を以下の手順で運転する。なお、
（１）流入管１０１ａ内での原料ガス流量を、所定の夾雑物除去時用の所要原料ガス流量（例えば、改質時と同じ所要原料ガス流量）に設定する。
（２）１番目の増速を意図する触媒反応器２−１の駆動装置を操作してこの反応器の心棒（触媒層）の昇降を開始する。
（３）１番目の増速を意図する触媒反応器２−１に対応するガス遮断部３−１を開放状態のままとし、他の全てのガス遮断部３を閉塞状態とする。なお、ガス遮断部３の開閉はガス遮断制御部５１によって行われる。これにより、触媒反応器２−１内での原料ガス流量が原料ガス改質時のＮ倍となる。他の触媒反応器２内での原料ガス流量は０となる。ここで、流量調整部８では、より多くの質量のコークを触媒層から除去する観点からは、触媒反応器２−１内での原料ガスの線速度を０．２ｍ／ｓ以上の目標値に設定されることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上とすることがより好ましい（触媒層中の原料ガス流れが下降流の場合）。また、前記の臨界的なＬＶ値０．２ｍ／ｓ以下の値であっても、改質時よりもＬＶを増大させることによって、特に細かいコーク（例えば、直径５０μｍ未満）を飛散させる効果がある。特に細かいコークは、触媒層中に堆積するコーク全体に占める質量割合は数％程度以下と小さく、これを除去してもコーク除去の質量的な効果としてはさほど大きくない。しかし、触媒層中に特に小さいコークが一定量以上堆積すると、触媒保持器と反応容器の間の隙間に特に小さいコークが多量に挟まって触媒保持器の昇降操作の妨げになることがある。従って、前記臨界値以下のＬＶ条件であっても、改質時よりも増速させることによって特に細かいコークの堆積量を減らすことによって作業性上のメリットが生じる。触媒反応器２−１内での原料ガスの線速度ＬＶは、以下の数式（４）で示される。他の触媒反応器２内での線速度も同様に求められる。線速度の具体的な数値は、ガスの標準状態に換算した値となっている。
ＬＶ＝［触媒反応器２−１内での原料ガス流量］／［反応容器４０の水平断面積］
（４）
【０１２２】
このとき、例えば、原料ガス改質時に各触媒反応器２内に流れる原料ガスの線速度が０．０５ｍ／ｓ、夾雑物除去時の原料ガス流量が改質時と同一、触媒反応器の台数Ｎ＝１０であった場合、夾雑物除去時に触媒反応器２−１内に流れる原料ガスの線速度は０．０５＊１０＝０．５ｍ／ｓとなる。この線速度は、昇降中の触媒層中コークを除去するのに好適なＬＶの条件（ＬＶ≧０．２ｍ／ｓ）を満たす（改質時のＬＶは、この条件を満たしていない）。したがって、夾雑物除去時に夾雑物をより効率よく除去することができる。第１の実施形態では、ガス遮断制御部５１が一部のガス遮断部３だけを開放状態とし、かつ、ガス流量調整部８がガスの線速度を調整することによって、触媒反応器２内に高い（０．２ｍ／ｓ以上の）線速度の原料ガス（高速気流）を流通させることができる。すなわち、心棒の駆動装置、ガス遮断部３、駆動装置制御装置、ガス遮断制御部５１、流量調整部８、および増速装置等による協働によって、触媒反応器２内に高い（０．２ｍ／ｓ以上の）線速度の原料ガスを流通させることができる。
（４）  （３）での触媒反応器２−１における触媒層昇降中の高速気流を通気する操作は、触媒反応器２−１においてコークの大半が除去される（すなわち、上述した差圧が所定値以下となる）か、あるいは、この操作を所定時間実施した後、終了する。この終了にあたっては、まず、２番目の増速を意図する触媒反応器２−２に対応するガス遮断部３−２を開放状態とし、次に、触媒反応器２−２で触媒層の昇降を開始する。この昇降が開始された後、触媒反応器２−１の昇降を停止するとともに、ガス遮断部３−１を閉塞状態にする。
（５）触媒反応器２−２において、（３）における触媒反応器２−１でと同様の夾雑物除去作業が行われる。触媒反応器２−２でのコーク除去が完了した後、触媒反応器２−２での夾雑物除去作業を終了する。
（６）以下、同様の作業を触媒反応器２−３以降、全ての触媒反応器に対して実施する。
（７）全ての触媒層で（６）が完了した後、全てのガス遮断部を開放して改質時に戻す。
【０１２３】
また、原料ガスの発生速度に対して触媒反応器台数Ｎが少ないために１台の触媒反応器に原料ガスを集中してもその触媒反応器内で臨界値以上のＬＶを得られない場合等には、以下のように流量調整部８及びガス遮断部を操作することで原料ガスの流量を一時的に大きくして臨界値以上のＬＶを触媒反応器内で確保してもよい。
【０１２４】
すなわち、ガス供給部としてガス発生炉等の常に一定の質量のガスを発生させるガス発生装置（例えばコークス炉）を前提として、全てのガス遮断部３を一旦閉塞状態とする。この場合、全ての触媒反応器２への原料ガスの流量が遮断される。したがって、流入管１０１ａ内にガス遮断弁が閉止している期間に発生した原料ガスが滞留するのでこの部分での内圧が高まる。一方、ガス遮断部３より下流では、ブロワ９が締め切り運転を行うことになるので、内圧が低下する。この状態を所定時間維持すれば、ガス遮断部３の上流と下流との間に大きな圧力差を生じさせることができる。そして、この状態でガス遮断部３−１を再度開放状態とすると、この大きな圧力差によって単に１台の触媒反応器に原料ガスを集中しただけの場合よりも大きな流量の原料ガスが一時的に触媒反応器２−１に導入される。すなわち、原料ガスの線速度を増速することができる。なお、開放状態とするガス遮断部３の数が少ないほど、増速の効果が大きくなるが、全てのガス遮断部３を一斉に開放状態とした場合であっても、一定の増速効果が得られる。この処理によれば、簡単な設備であっても（例えば、冷却装置７及びブロワ９が小容量の設備であっても）、大流量の原料ガスを触媒反応器２に導入することができる。
【０１２５】
また、触媒層の閉塞が特に激しい場合には、上記の特定の触媒反応器に原料ガスを集中して供給する方法を、閉塞反応器に対して直ちに始めるのには圧力損失が過大になることが予想される場合がある。そのような場合には、まず、全ての反応器の遮断装置を開状態として全ての触媒反応器で保持器昇降操作を所定回数（例えば、３回）行った後、上記の特定の触媒反応器に原料ガスを集中して供給すればよい。こうすることで、最初の保持器昇降によって、過大な圧力損失のもととなりうる堆積コークの一部は既に除去できているので、その後に流量を集中させる触媒反応器に原料ガスを供給しても、圧力損失が過大になることを避けられる。
【０１２６】
なお、上記の方法では、ガス遮断部３を１つずつ開放状態としたが、複数（ただしＮ未満）のガス遮断部３を同時に開放状態としてもよい。この場合、各触媒反応器２に導入される原料ガスの流量は減少するが、各触媒反応器において臨界値以上のＬＶを満足できれば、複数の触媒反応器２で同時に夾雑物を除去することができる。また、ガス遮断部３−１から開放状態としたが、他のガス遮断部３から開放状態としてもよい。
【０１２７】
さらに、第１の実施形態では、原料ガスを触媒層４３の上方から触媒層４３に導入する。すなわち、除去ガスとなる原料ガスを鉛直下向きに触媒層４３に導入する。このため、触媒粒子に働く力は全て下方向の力となる。したがって、夾雑物をより効率よくかつ確実に除去することができる。
【０１２８】
＜２．第２の実施形態＞
（１．全体構成）
まず、図５に基づいて、第２の実施形態に係る触媒反応装置１の全体構成について説明する。触媒反応装置１は、流入集合管１０１と、複数（図３の例ではＮ個）の触媒反応器２ａ（２ａ−１、２ａ−２、・・・、２ａ−ｉ、・・・２ａ−Ｎ）と、流出集合管１０２と、反応器群制御装置５ａと、増速装置（増速部）５３ａと、粉塵回収器６と、冷却装置７と、流量調整部８とを備える。このように、第２の実施形態に係る触媒反応装置１は、第１の実施形態に係る触媒反応装置１からガス遮断部３を除き、触媒反応器２、反応器群制御装置５を触媒反応器２ａ、反応器群制御装置５ａとしたものである。
【０１２９】
（触媒反応器）
触媒反応器２ａは、触媒改質に関して触媒反応器２と同様の機能を有する。さらに、触媒反応器２ａは、内部に弁座１５、通気孔１６、弁体１７、及び心棒１８を備えており（図６参照）、これらがガス遮断部３ａとして機能する。以下の説明において、触媒反応器２ａ−１内のガス遮断部３ａをガス遮断部３ａ−１、触媒反応器２ａ−２内のガス遮断部３ａをガス遮断部３ａ−２、触媒反応器２ａ−ｉ内のガス遮断部３ａをガス遮断部３ａ−ｉ、触媒反応器２ａ−Ｎ内のガス遮断部３ａをガス遮断部３ａ−Ｎと定義する。したがって、第２の実施形態に係る触媒反応装置１は、高温弁となるガス遮断部３が不要となるので、より低コストで実現可能となる。触媒反応器２ａの詳細構成及び動作については後述する。
【０１３０】
（反応器群制御装置）
反応器群制御装置５ａは、増速装置５３ａからの指令に基づいて、以下の処理を行う。すなわち、反応器群制御装置５ａは、各ガス遮断部３ａの開閉をガス遮断部３ａ毎に独立して行う。これにより、反応器群制御装置５ａは、各触媒反応器２ａに導入される原料ガスを触媒反応器２ａ毎に独立して遮断することができる。
【０１３１】
例えば、反応器群制御装置５ａは、原料ガスの改質時には、全てのガス遮断部３ａを開放状態とする。これにより、全ての触媒反応器２ａ内に、原料ガスの改質に適した流量の原料ガスを導入することができる。一方、反応器群制御装置５ａは、夾雑物除去時には、一部のガス遮断部３ａを開放状態とし、他のガス遮断部３ａを閉塞状態とすることで、原料ガスが集中する触媒反応器２ａを意図的に生じさせる。
【０１３２】
その後、反応器群制御装置５ａは、全てのガス遮断部３ａを開放状態とする。これにより、原料ガスの改質を行う。原料ガスの改質時には、全ての触媒反応器２ａの原料ガス流量を同一の流量とすることができる。
【０１３３】
ここで、詳細は後述するが、反応器群制御装置５ａは、触媒反応器２ａ内の駆動装置２１（図６参照）を駆動することで、心棒１８を開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの間で昇降させる。これにより、反応器群制御装置５ａは、ガス遮断部３ａを開放状態または閉塞状態とする。さらに、反応器群制御装置５ａは、心棒１８を開放位置１８ａと中間位置１８ｃとの間で昇降させることで、触媒保持器１４（図６参照）を昇降させ、夾雑物を除去する。このように、第２の実施形態では、心棒１８を昇降させることで、ガス遮断部３ａの開閉と、触媒保持器１４の昇降（すなわち、触媒層１３内の夾雑物の除去）とを行う。
【０１３４】
なお、反応器群制御装置５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等のハードウェア構成を備え、これらのハードウェア構成によって上述した機能が実現される。すなわち、ＲＯＭには、上述した機能を実現するためのプログラム等が記録される。ＣＰＵは、ＲＯＭに記録されたプログラムを読みだして実行する。ＲＡＭはＣＰＵによる作業領域となるものである。
【０１３５】
（増速装置）
増速装置５３ａは、夾雑物除去時に、増速を意図する特定の触媒反応器においてＬＶ値が臨界値以上である高速気流を発生させるために関連するハードおよびソフトを協調動作させるための制御装置である。増速装置５３ａによる具体的な構成及び処理は第１の実施形態と同様である。概略的には、増速装置５３ａは、反応器群制御装置５ａを用いて、心棒１８を開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの間で昇降させることで、ガス遮断部３ａを開放状態または閉塞状態とする。また、増速装置５３ａは、反応器群制御装置５ａを用いて、心棒１８を開放位置１８ａと中間位置１８ｃとの間で昇降させることで、夾雑物を除去する。
【０１３６】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、触媒反応器２ａの詳細構成を図６〜図９に基づいて説明する。図６に示すように、触媒反応器２ａは、反応容器１０と、流入路１１と、流出路１２と、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８と、断熱材１９と、連結管２０と、駆動装置２１とを備える。
【０１３７】
（反応容器）
反応容器１０は、触媒層１３と、触媒保持器１４と、弁座１５と、通気孔１６と、弁体１７と、心棒１８とを収容する円筒形状の部材である。反応容器１０の形状を円筒形状とすることで、高温下でも半径方向（長さ方向に垂直な方向）の歪みが生じにくい。もちろん、設計上の便宜等の理由により、反応容器１０の形状を他の形状としてもよい。例えば、反応容器１０は、水平断面が正多角形となる角筒形状、水平断面が楕円となる楕円筒形状であってもよい。
【０１３８】
反応容器１０の半径の下限値は、例えば、触媒層１３を構成する触媒粒子の代表寸法（例：触媒直径）である（例えば、１０ｍｍ）。一方、反応容器１０の半径の上限値は、以下の観点で設定される。即ち、原料ガスは、触媒層１３を通過することで改質される。そして、原料ガスを改質するためには、反応容器１０内の温度を上述した改質温度以上に維持する必要がある。その一方、原料ガスの改質の際に起こる化学反応、すなわち触媒反応は、発熱または吸熱を伴うことが多い。したがって、反応容器１０内の温度を改質温度以上に維持するためには、原料ガスの改質によって生じた熱を反応容器１０外に放出し、あるいは原料ガスの改質に必要な熱を反応容器１０内に供給する必要がある。そして、反応容器１０の半径が大きすぎると、このような熱の授受が十分に行われない可能性がある。したがって、反応容器１０の半径には、触媒反応に伴う熱の授受を十分に（すなわち、反応容器１０内の温度を改質温度以上に維持することができる程度に）行うという観点と、壁面近傍の触媒を、触媒の失活をもたらす極端な高温に曝さないという観点から、上限値が存在する。具体的な上限値は、化学反応の反応熱・原料ガスの流量・反応容器１０の伝熱特性等によってエンジニアリング的に設定されれば良い。上限値は、例えば２００ｍｍ程度であってもよい。
【０１３９】
なお、触媒反応が吸熱反応となる場合、反応に必要な温度と熱は、上述した加熱装置から反応容器１０に与えられてもよい。また、触媒反応が発熱反応となる場合、反応熱は、反応容器１０の外部に設けられた冷媒流路（図示せず）に冷媒を流すことによって除去されてもよい。
【０１４０】
なお、反応容器１０の半径が小さいほど、反応容器１０の伝熱性が向上し、より低い触媒層平均温度で反応容器１０内を改質温度以上に維持することができ（吸熱反応の場合）、設備をより安価にできる。この観点からは、反応容器１０の半径は小さい方が好ましい。ただし、同一の空間速度ＳＶを前提にすると、反応容器１０の半径が小さいほど、反応容器１０内の原料ガスの線速度が上昇する。したがって、原料ガスが触媒層１３を通過する際の圧力損失が非常に大きくなってしまう。このため、反応容器半径を小さくするためには、夾雑物を効率よく除去して通気抵抗を低い値に維持する必要がある。本実施形態では、夾雑物を効率よく除去することができるので、反応容器１０の半径を小さく（例えば、上述した下限値またはそれに近い値）とすることができる。この結果、例えば反応容器１０を加熱する加熱装置として安価な装置（すなわち、小型で安価な構造材料を用いた装置）を使用することができる。
【０１４１】
反応容器１０の高さは、触媒層１３の高さ（触媒層１３が複数層からなる場合、各触媒層１３の高さの合計値）よりも大きければよい。一方、反応容器１０の高さの上限値に関して、少なくとも機能上の制約はない。したがって、反応容器１０の上限値は、構造上・強度上の制約を考慮してエンジニアリング的に設定されれば良い。上限値は、例えば、５０００ｍｍとなる。
【０１４２】
反応容器１０の材質は、常温及び触媒反応の温度まで加熱された時のいずれにおいても、触媒層１３を保持する強度、触媒反応に関与する流体（例えば原料ガス等）に対する耐熱・耐食性、反応生成物（例えば改質ガス、夾雑物）に対する耐汚染性を有するものであればどのような材質であってもよい。反応容器１０の材質としては、例えば、炭素鋼、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等のニッケル合金、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金等の金属材料、シリカ、アルミナ、窒化ケイ素、炭化ケイ素等のセラミックス材料（煉瓦に加工されたものを含む）、ソーダガラス、溶融石英等のガラス材料等が挙げられる。
【０１４３】
また、後述するように、触媒層１３は、反応容器１０の内壁面に接触した状態で昇降（上下動）される。したがって、反応容器１０の内壁面は、触媒層１３の昇降時に触媒層１３の移動の妨げにならないよう、なるべく平滑であることが好ましい。
【０１４４】
（流入路）
流入路１１は、反応容器１０の上端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の上端には通気孔１１ａが形成されており、この通気孔１１ａを介して流入路１１と反応容器１０とが連結されている。流入路１１は、流入分岐管１０１ｂに連結されており、原料ガス供給部１００から発生した原料ガスを反応容器１０内に導入する。矢印Ｐ１は、原料ガスの流動方向を示す。
【０１４５】
（流出路）
流出路１２は、反応容器１０の下端で反応容器１０に連結されている。すなわち、反応容器１０の下端には通気孔１２ａが形成されており、この通気孔１２ａを介して流出路１２と反応容器１０とが連結されている。流出路１２は、流出分岐管１０２ｂに連結されており、反応容器１０内で生成した改質ガスを粉塵回収器６に導入する。矢印Ｐ２は、改質ガスの流動方向を示す。
【０１４６】
流入路１１及び流出路１２は、触媒反応器２ａの側方に配置されているので、触媒反応器２ａを上下に貫通する心棒１８との干渉を回避できる。ここで、各触媒反応器２ａの流入路１１及び流出路１２を触媒反応器２ａ間で共有することで、触媒反応器２ａ同士を並列接続してもよい。その例を図７に示す。なお、この例では、流入路１１が流入管１０１ａの役割を果たし、流入路１１と通気孔１１ａとの連結部分が流入分岐管１０１ｂの役割を果たす。また、流出路１２が流出管１０２ａの役割を果たし、流出路１２と通気孔１２ａとの連結部分が流出分岐管１０２ｂの役割を果たす。
【０１４７】
（触媒層）
触媒層１３は、反応容器１０内に設けられる。触媒層１３は、触媒粒子が反応容器１０内で触媒保持器１４上に充填して積層されることで形成される。触媒粒子は、原料ガスの改質の触媒となるものであり、原料ガスは、触媒粒子に接触した際に改質される。例えば、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、原料ガス中の水蒸気とタールガスが改質されて一酸化炭素ガスと水素ガスとコークが生じる。
【０１４８】
また、触媒層１３は、反応容器１０の内壁面に接触している。このため、触媒層１３の昇降時には、壁面摩擦の効果によって触媒層１３の上部は下部に遅れて下降する。したがって、触媒層１３の充填率が一時的に低下する。この際、触媒粒子間の平均的な間隙が拡大するため、触媒層の静止時には除去ガスが通過しにくい部位（例：触媒保持器直上の触媒粒子等）にも除去ガスが到達し、そこでの夾雑物を除去できる。本発明では、触媒層１３を昇降させる際に除去ガスを反応容器１０内に導入するので、触媒層１３内の夾雑物をより効率よく除去することができる。
【０１４９】
また、触媒層１３は、反応容器１０内で３層形成されている。そして、各層の触媒層１３が触媒保持器１４によって保持される。このように触媒層１３を多層構造とすることで、各触媒保持器１４に掛かる荷重を低減することができる。もちろん、触媒層１３の層数は３層に限られず、２層であっても、４層以上であってもよい。また、触媒層１３は単層であってもよい。ただし、この場合、触媒層１３の荷重に耐えられる触媒保持器１４を用意する必要がある。
【０１５０】
触媒層１３を構成する触媒粒子は、原料ガスを改質（例えば、水蒸気改質やクラッキング）できる触媒であれば、どのようなものであってもよい。例えば、原料ガスがタール含有ガスとなる場合、触媒粒子としては、Ｎｉ−アルミナ系触媒、Ｎｉ−マグネシア−アルミナ系触媒等を用いることができる。また、触媒粒子の大きさは、後述する触媒保持器１４の通気孔１４ｃを通過しない程度の大きさであればよい。
【０１５１】
ここで、夾雑物がコークとなる場合、コークの直径は通常数十〜数百μｍ程度となる。したがって、触媒粒子を触媒保持器１４上に残し、コークだけを触媒保持器１４の通気孔１４ｃから落下させるためには、触媒粒子は、例えば代表寸法（例えば直径、より詳細には球相当直径）が１〜１００ｍｍ程度となる塊状触媒であることが好ましい。この場合、触媒層１３を昇降させた際に、触媒粒子を触媒保持器１４上により確実に残しつつ、夾雑物であるコークを触媒保持器１４から落下させることができる。
【０１５２】
また、触媒層１３の容積が一定となる条件の下では、触媒粒子の数が多いほど、触媒層１３の総表面積は増大する。したがって、触媒反応の反応速度が増大する。そして、触媒粒子の形状が球または球に近い形状となる場合、一定の容積内に占める触媒粒子の数が増大しやすい。したがって、触媒粒子の形状はなるべく球に近いことが好ましい。あるいは、触媒粒子の形状は、触媒粒子の占有体積（触媒粒子の材料が占める体積と触媒粒子内の中空部分が占める体積との総和）に対する触媒粒子の表面積が大きくなる形状、例えば円筒形状、リング形状であってもよい。
【０１５３】
触媒層１３のアスペクト比は、０．４〜２．５であることが好ましい。後述する実施例に示されるように、アスペクト比がこの範囲内の値となる場合に、コークをより効率よく除去することができるからである。なお、アスペクト比が０．４未満であり、かつ、触媒層１３の昇降速度が小さい場合には、反応容器１０の内壁面と触媒層１３との摩擦による粒子撹拌効果（粒子間の相対運動）が観察されない。このため、本発明の原理によるコーク除去が困難になる（特に、粗大コーク粒子の破壊が困難になる）ことがわかった。また、各触媒層１３の高さは、触媒粒子の代表寸法（直径等）の３倍以上であることが好ましい。
【０１５４】
ここで、第２の実施形態では、円筒形状の反応容器１０の中心に心棒１８が存在し、触媒層１３の拘束（触媒層１３との摩擦による拘束）は、反応容器１０の内壁面および心棒１８の側面の両方で発生する。このため、第２の実施形態におけるアスペクト比は、以下の数式（４）で定義される。
アスペクト比＝触媒層１３の高さ／（反応容器半径−心棒半径）      （４）
ここで、触媒層１３が複数層で形成される場合、数式（４）中の「触媒層１３の高さ」は、各触媒層１３の高さを意味する。したがって、触媒層１３が複数層で形成される場合、触媒層１３毎にアスペクト比が定義される。
【０１５５】
なお、後述するように、心棒１８は反応容器１０内に複数本設けられていてもよい。この場合、これらの心棒１８の水平断面積を合計した面積に相当する等価円の半径を上式での心棒半径として用いればよい。
【０１５６】
（触媒保持器）
触媒保持器１４は、触媒層１３を保持する部材であり、触媒層１３毎に設けられる。触媒保持器１４は、後述する心棒１８に固定され、心棒１８と一体となって昇降する。
【０１５７】
触媒保持器１４は、反応容器１０内で触媒層１３を触媒層１３の下面全体で保持するとともに、通気性を有する。具体的には、触媒保持器１４は、触媒粒子の落下を防ぎつつ、各種ガス（原料ガス及び改質ガス）を流通させる構造を有する必要がある。具体的には、触媒保持器１４は、図８に示すように、複数のリング状部材１４ａと、リング状部材１４ａ同士を連結する連結部材１４ｂとを備える。各リング状部材１４ａは、互いに直径が異なっており、連結部材１４ｂ上に同心円状に配置される。ここで、各リング状部材１４ａの中心点は、心棒１８の中心軸上に配置される。また、リング状部材１４ａの断面（周方向に垂直な断面）形状は特に制限されないが、強度の観点から矩形であることが好ましい。また、リング状部材１４ａ間には、通気孔１４ｃが形成される。各種ガス及び夾雑物は、この通気孔１４ｃを通過する。
【０１５８】
連結部材１４ｂは、リング状部材１４ａ同士を連結するとともに、これらを心棒１８に固定させる。すなわち、連結部材１４ｂは、心棒１８から放射状に伸びる部材となっている。連結部材１４ｂの断面（長さ方向に垂直な断面）形状も矩形であることが好ましい。リング状部材１４ａ及び連結部材１４ｂの断面積を大きくすることで、触媒保持器１４の強度を大きくすることができる。
【０１５９】
触媒保持器１４をこのような構成とすることで、触媒保持器１４の強度を大幅に向上させることができる。すなわち、触媒層１３の昇降時には、触媒保持器１４に触媒層１３から大きな反力を受けることがある。したがって、触媒保持器１４は、強度の高い構造であることが好ましい。触媒保持器１４は、例えば、反応容器１０の水平断面形状と同じ形状に加工された網、パンチングメタル等であってもよい。
【０１６０】
なお、触媒保持器１４の開口率が小さすぎると、通気性や夾雑物の通過性が悪化する。触媒保持器１４の開口率が大きすぎると、触媒保持器１４の強度が不足する。したがって、触媒保持器１４の開口率には適切な範囲が存在する。上記の各構造例の場合、触媒保持器１４の開口率は３０〜７０％程度であることが好ましい。ここで、触媒保持器１４の開口率は、以下の数式（５）で求められる。
ｃ＝ａ／（ａ＋ｂ）      （５）
ここで、ａは通気孔１４ｃの水平断面積の総和であり、ｂはリング状部材１４ａの水平断面積の総和であり、ｃは開口率である。
【０１６１】
触媒保持器１４は、常温及び触媒反応の温度まで加熱された時のいずれにおいても、耐熱・耐腐食性・曲げやせん断に対する強度および靭性を備えた金属材料で構成されることが好ましい。このような金属材料の例として、ステンレス鋼、ハステロイ（登録商標）やインコネル（登録商標）等のニッケル合金、チタン、チタン合金等を挙げることができる。
【０１６２】
（弁座、通気孔）
次に、弁座１５は、図６に示すように、反応容器１０の内壁面に設けられている。弁座１５は、反応容器１０内の空間を水平方向に仕切る部材である。また、弁座１５の中心部分には、弁座１５を上下に貫通する通気孔１６が形成されている。心棒１８は通気孔１６を貫通しており、原料ガスは、この通気孔１６を通過することができる。すなわち、通気孔１６の直径は、心棒１８の直径よりも大きい。また、弁座１５の下端面には、略円錐形状の切り欠きが形成されている。したがって、弁座１５の下端面には凹形状が形成されている。弁座１５の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。
【０１６３】
（弁体）
弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降する部材であり、円錐台形形状となっている。弁体１７は、心棒１８と一体となって昇降することで、通気孔１６を開放、または閉塞することができる。例えば、弁体１７は、図９（ｂ）の実線で示される位置（この位置は後述する開放位置１８ａに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を開放する。この場合、原料ガスは、通気孔１６を通って触媒層１３に到達することができる。一方、弁体１７は、図９（ｂ）の二点鎖線で示される位置（この位置は後述する閉塞位置１８ｂに相当する）に存在する場合に、通気孔１６を閉塞する。この場合、弁座１５及び弁体１７によって流入路１１と反応容器１０内の触媒層１３とが遮断されるので、原料ガスは触媒層１３に到達することができない。すなわち、原料ガスの反応容器１０への流通が遮断される。弁体１７の材質は触媒保持器１４の材質と同様であればよい。
【０１６４】
なお、図９（ａ）の破線１７ｄは、通気孔１６を閉塞した弁体１７の上端部を示し、破線１７ｅ及び図９（ｂ）中の直線１７ｂは、通気孔１６を閉塞した弁体１７と弁座１５との接触線を示す。この接触線は円形となる。
【０１６５】
このように、弁座１５及び弁体１７のいずれも軸対称形状（接触線１７ｂが円形）となっている。このため、原料ガスの遮断性をより高めることができる。尚、設計上の便宜の理由等から、接触線１７ｂが楕円形等のなめらかで角を持たない形状であってもよい。この場合、弁座１５の水平断面形状及び弁体１７の切り欠きの水平断面形状を楕円形等にすればよい。
【０１６６】
なお、図９（ｂ）から明らかな通り、弁体１７が弁座１５に接近するにつれて原料ガスの通気断面積が減少して通気抵抗が上昇する。このため、弁体１７の上昇中であっても、原料ガス流量を徐々に減少させることができる。弁体１７の側面傾斜を大きくすれば、原料ガスの流量の減少は弁体１７の上昇が開始された後、早いタイミングで始まる。その後、原料ガスの流量は、弁体１７が弁座１５に接触する（すなわち通気孔１６を閉塞する）まで続く。したがって、原料ガスの流量減少は、比較的長時間に渡って続く。一方、弁体１７が弁座１５に接触する直前まで原料ガスの流量を減少させたくない場合、弁体１７の側面傾斜を小さく（すなわち水平面に近いように）設定すればよい。
【０１６７】
また、弁体１７及び弁座１５は、必ずしも原料ガスを完全に遮断しなくても良い場合がある。例えば、弁体１７及び弁座１５の接触時に、原料ガス流量が非接触時よりも単に十分小さくなればよい場合がある。即ち、例えば、特定の反応器で弁体−弁座の接触時に弁開放時の流量の１％相当のリークが生じたとする。このリーク流量は、ガスの遮蔽という観点からは問題視されうるものの、例えば、他の反応器にガス流量を集中させることが目的であれば、許容されうる（少なくとも、９９％の遮蔽と１００％の遮蔽との間の効果の差は、小さい）。この場合、弁体１７及び弁座１５の接触時に弁体１７及び弁座１５の間に隙間が生じてもよい。
【０１６８】
（心棒）
心棒１８は、反応容器１０内を上下に伸びる円柱または円筒形状の部材（すなわち、丸棒または円管）である。心棒１８には、触媒保持器１４及び弁体１７が固定されており、触媒保持器１４及び弁体１７とともに昇降する。また、心棒１８の上端部は、断熱材１９を介して駆動装置２１に連結されている。心棒１８は、駆動装置２１によって昇降する。具体的には、心棒１８は、図６（ｂ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を開放する開放位置１８ａと、図６（ｃ）に示すように、弁体１７が通気孔１６を閉塞する閉塞位置１８ｂとの間を昇降する。
【０１６９】
さらに、心棒１８は、夾雑物の除去時には、図６（ｄ）に示す中間位置１８ｃと図６（ｂ）に示す開放位置１８ａとの間で昇降することが可能となっている。中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの間に設定される。図６に示す例では、中間位置１８ｃは、開放位置１８ａと閉塞位置１８ｂとの中点に中間位置１８ｃが設定されるが、他の位置に中間位置１８ｃが設定されても良いことはもちろんである。
【０１７０】
中間位置の設定方法は特に制限されないが、例えば上述したエアシリンダ中の中間位置に相当する位置にリミットスイッチを設ける方法等が挙げられる。より具体的には、このようなリミットスイッチを有する３ポジション式のエアシリンダを駆動装置２１として用いれば良い。また、複数の２ポジション型エアシリンダを直列に結合することで、３ポジション式のエアシリンダを実現してもよい。なお、中間位置の数は複数であってもよい。この場合、駆動装置２１のポジション数は中間位置の数に応じて増大する。
【０１７１】
駆動装置２１は、増速装置５３ａによる制御により、原料ガスの遮断時には心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止させ、原料ガスの改質時には、心棒１８を開放位置１８ａで停止させる。さらに、駆動装置２１は、夾雑物の除去時には、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間を昇降させる。駆動装置２１の制御は、反応器群制御装置５ａによって行われる。これにより、本実施形態では、原料ガスの流通を遮断させることなく触媒層１３を昇降させることができる。すなわち、本実施形態では、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間で昇降させる。
【０１７２】
心棒１８の直径は、反応容器１０の直径よりも十分小さいことが好ましい。例えば、心棒１８の直径は、反応容器１０の直径（内径）の０.７倍以下であることが好ましい。心棒１８の直径の下限値は、例えば心棒１８に要求される強度・剛性等によって設計的に設定されればよい。例えば、心棒１８の直径の下限値は、１０ｍｍ以上であってもよい。また、心棒１８の水平断面は円形となるが、設計上の便宜等の理由から、心棒１８の水平断面は、正多角形断面または楕円形断面等であってもよい。
【０１７３】
心棒１８は、反応容器１０の中心軸に設置されるか、なるべく反応容器１０の中心軸に近い位置に設置されることが好ましい。この場合、触媒粒子の撹拌効果（粒子間の相対運動）が促進される。この理由は以下の通りである。すなわち、第１の実施形態では、心棒１８が触媒層１３を貫通するので、触媒層１３と反応容器１０の内壁面との摩擦による触媒粒子の拘束効果に加えて、触媒層１３と心棒１８の表面との摩擦による触媒粒子の拘束効果も期待できる。そして、心棒１８の昇降時には、反応容器１０の内壁面と心棒１８の表面とが相対運動を行うため、反応容器１０の内壁面と心棒１８との間に挟まれた触媒層１３全体により強いせん断力が与えられる。このため、触媒層１３内での粒子間相対変位が増大する。
【０１７４】
ここで、第２の実施形態では、反応容器１０と心棒１８の水平断面はがともに円形であり、かつ、両者が同軸に配置される。このため、この粒子相対変位の促進効果は、触媒層１３内の周方向に均一に与えられ、触媒層１３全域でコーク除去効果を大きく増進することができる。
【０１７５】
一方、心棒１８が触媒層１３を貫通していても、心棒１８の位置が反応容器１０の中心軸から大きく離れている場合には、心棒１８と反応容器１０の内壁面との距離にバラ付きが生じる。すなわち、当該距離が過小となる部分が生じる。そして、この部分では、心棒１８と反応容器１０の内壁面との間の相対運動によって生じるせん断力が過大となる。したがって、この部分の触媒粒子が破損する可能性がある。従って、心棒１８は、反応容器１０の中心軸か、なるべくその近傍に配置されることが好ましい。なお、心棒１８を反応容器１０の内壁面近傍に配置する場合には、心棒１８と内壁面との隙間が過小となる部分に触媒粒子を充填しないようにすることが好ましい。
【０１７６】
なお、心棒１８は複数本存在してもよい。この場合、複数の心棒１８は、反応容器１０の中心軸から同一距離（半径）だけ離れた位置に配置されてもよい。また、心棒１８の材質は、触媒保持器１４と同様の材質であればよい。
【０１７７】
ここで、触媒粒子同士が十分に相対運動を行うためには、心棒１８の昇降ストロークは大きいことが好ましい。もちろん、心棒１８の昇降ストロークが触媒粒子の代表寸法の０．１倍程度であっても加振の効果は存在するので、夾雑物の除去効果はある程度得られる。しかし、夾雑物をより効率よく除去するためには、心棒１８の昇降ストロークは、触媒粒子の代表寸法の０．５倍以上であることが好ましく、１倍以上であることがより好ましい。
【０１７８】
一方、心棒１８の昇降ストロークが極端に大きい場合には、反応容器１０および駆動装置２１が大型化するので効率的ではない。また、小さいストローク（但し、１倍以上）の昇降を繰り返し行うことで、より大きな昇降ストロークと同様の効果が得られる。よって、昇降ストロークは、触媒粒子の代表寸法の１０倍以下であることが好ましい。
【０１７９】
心棒１８の上昇速度は、なるべく小さいことが好ましい。その理由は以下の通りである。すなわち、触媒保持器１４とともに触媒層１３を上昇させるのに要する上昇力は、心棒１８の上昇速度が小さいほど小さい。本発明者らの調査の結果、心棒１８の上昇速度が１０ｍｍ／ｓとなる時の所要上昇力は、心棒１８を１ｍｍ／ｓで上昇させる場合の所要上昇力の２倍程度となることがわかった。また、心棒１８の上昇速度が大きくなるほど、触媒粒子が破壊されやすくなる。
【０１８０】
したがって、心棒１８の上昇速度は小さいことが好ましい。但し、心棒１８を１ｍｍ／ｓで上昇させるのに要する所要上昇力と、心棒１８を０．５ｍｍ／ｓで上昇させるのに要する所要上昇力との差は小さいので、心棒１８の上昇速度を１ｍｍ／ｓよりも遅くする必要は必ずしもない。また、心棒１８の上昇速度が１０ｍｍ／ｓとなる場合であっても、触媒粒子が破壊されないのであれば、心棒１８を１０ｍｍ／ｓ程度の上昇速度で上昇させてもよい。
【０１８１】
その一方で、心棒１８の下降速度は大きいことが好ましい。特に、触媒層１３の最下端での触媒粒子の自由落下速度よりも大きい速度（例：１００ｍｍ／ｓ）で心棒１８を下降させた場合、触媒粒子は触媒保持器１４から離脱する。この場合、触媒粒子間の拘束が小さくなり、触媒粒子間の相対運動を大きくとれる。したがって、触媒層１３の最下端での触媒粒子の自由落下速度よりも大きい速度（例：１００ｍｍ／ｓ）で心棒１８を下降させることが好ましい。但し、心棒１８の下降速度を触媒粒子の自由落下速度よりも極端に大きくしても、得られる効果に差はない。また、保持器の下降速度は、自由落下速度よりも十分小さくても充分な効果が得られる。これは、保持器上昇後の触媒層は反応容器内壁からの拘束によって、下端が開放されても直ちに自由落下することはなく、触媒層の下方から徐々に落下するため、落下速度がかなり遅くなることによるものである。従って、１０ｍｍ／ｓ程度の下降速度であっても、触媒層充填率の回復効果およびコークの除去効果は得られる。
【０１８２】
上記のように、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある場合に、弁体１７は弁座１５と非接触であり、通気孔１６が開放される。この場合、原料ガスが触媒反応器２ａ内に導入される。また、心棒１８が閉塞位置１８ｂにある場合に、弁体１７は弁座１５と接触し、通気孔１６が閉塞する。この場合、原料ガスは触媒反応器２ａから遮断される。したがって、弁座１５、通気孔１６、弁体１７、及び心棒１８によってガス遮断部３ａが構成される。そして、心棒１８が開放位置１８ａ（または中間位置１８ｃ）にある際に、ガス遮断部３ａは開放状態となり、心棒１８が閉塞位置１８ｂにある際に、ガス遮断部３ａは閉塞状態となる。
【０１８３】
断熱材１９は、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくするために設けられる部材である。断熱材１９は、反応容器１０の上端面１０ａを貫通し、連結管２０内に伸びている。そして、断熱材１９は、連結管２０内で駆動装置２１の駆動棒２１ａと連結されている。なお、断熱材１９の下端部は、心棒１８の昇降時に反応容器１０内に配置される。これにより、心棒１８の昇降中であっても、心棒１８の熱が駆動装置２１に伝わりにくくなる。断熱材１９は、例えばセラミックス等で構成される。なお、断熱材１９の構造としては、フランジ間に断熱材を挟む構造や、単に複数の金属板を軸方向に多数重ねる構造としてもよい。後者の場合、金属板間の接触熱抵抗を利用して軸方向の熱流束を抑制することができる。断熱材１９は、高温用パッキンであってもよい。
【０１８４】
（連結管及び駆動装置）
連結管２０は、反応容器１０と駆動装置２１とを連結する管状部材である。駆動装置２１は、心棒１８を開放位置１８ａ、閉塞位置１８ｂ、中間位置１８ｃとの間で昇降させる部材であり、駆動棒２１ａと、シリンダ２２と、ピストン２３とを備える。したがって、駆動装置２１はいわゆる３ポジション型のエアシリンダを利用した昇降装置となっている。駆動棒２１ａは、断熱材１９を介して心棒１８に連結されている。シリンダ２２は、ピストン２３が収納される部材であり、ピストン２３は、シリンダ２２内に供給されるガスによってシリンダ２２内を昇降する。ピストン２３には、駆動棒２１ａが連結される。駆動棒２１ａは、ピストン２３と連動して昇降する。これにより、駆動装置２１は、心棒１８を昇降させる。なお、ピストン２３がシリンダ２２の下端に到達した際に、心棒１８は開放位置１８ａに到達し、ピストン２３がシリンダ２２の上端に達した際に、心棒１８は閉塞位置１８ｂに到達する。中間位置では１８ｃでは、シリンダ上下の圧力をバランスさせて開放位置と閉塞位置間での所定の停止位置にシリンダを維持する。もちろん、駆動装置２１は心棒１８を上述した態様で昇降させることができればよいので、駆動機構はエアシリンダに限定されない。例えば、駆動装置２１の駆動機構は、ラックピニオン等であってもよい。
【０１８５】
駆動装置２１は、図６に示されるように、反応容器１０の外部に設けられる。さらに、駆動装置２１は、加熱装置（反応容器１０等を加熱する装置）内に配置されてもよい。この場合、駆動装置２１を高温や腐食性物質から保護するために、駆動装置２１を耐熱・耐食性が高い材質で構成することが好ましい。例えば、駆動装置２１のエアシリンダ全体をハステロイ（登録商標）等の耐熱合金で構成してもよい。この場合、エアシリンダにガスを供給する配管（図示せず）は反応容器１０を貫通するが、この部分は非可動部なので、配管を全周溶接するなどして封止を図ればよい。なお、心棒１８の上昇時に、触媒保持器１４の一部が触媒層１３に食い込んで自由落下しえなくなる場合があるので、駆動装置２１は心棒１８の上昇時だけでなく下降時も駆動されることが好ましい。なお、駆動装置２１は、反応器群制御装置５ａによる制御によって駆動する。
【０１８６】
（３．運転方法）
次に、上記触媒反応装置１を用いた触媒反応方法、すなわち触媒反応装置１の運転方法を説明する。
【０１８７】
（原料ガス改質時の運転方法）
原料ガスを改質する際には、各装置を以下の条件に設定して運転する。
全てのガス遮断部３を開放状態とする。心棒の駆動装置を開放位置に固定し、触媒層を常に静止させる。
流入管１０１ａ内での所要原料ガス流量は、各触媒反応器２内での原料ガスの空間速度が原料ガスの改質に適した空間速度となるように設定される。原料ガス流量の調整は流量調整部８によって行われる。
【０１８８】
（夾雑物除去時の運転方法）
夾雑物除去時には各装置を以下の手順で運転する。なお、
（１）流入管１０１ａ内での原料ガス流量を、所定の夾雑物除去時用の所要原料ガス流量（例えば、改質時と同じ所要原料ガス流量）に設定する。
（２）１番目の増速を意図する触媒反応器２ａ−１の駆動装置を操作してこの反応器の心棒（触媒層）の昇降を開始する。ここで、心棒１８は、開放位置１８ａと中間位置１８ｃとの間で昇降する。したがって、１番目の増速を意図する触媒反応器２ａ−１は常に開放状態とされる。
（３）１番目の増速を意図する触媒反応器２ａ−１に対応するガス遮断部３ａ−１を開放状態のままとし、他の全ての他のガス遮断部３ａを閉塞状態とする。これにより、触媒反応器２ａ−１内での原料ガス流量が原料ガス改質時のＮ倍となる。他の触媒反応器２内での原料ガス流量は０となる。ここで、流量調整部８では、より多くの質量のコークを触媒層から除去する観点からは、触媒反応器２−１内での原料ガスの線速度が０．２ｍ／ｓ以上の目標値に設定されることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上とすることがより好ましい（触媒層中の原料ガス流れが下降流の場合）。また、前記の臨界的なＬＶ値０．２ｍ／ｓ以下の値であっても、改質時よりもＬＶを増大させることによって、特に細かいコーク（例えば、直径５０μｍ未満）を飛散させる効果がある。特に細かいコークは、触媒層中に堆積するコーク全体に占める質量割合は数％程度以下と小さく、これを除去してもコーク除去の質量的な効果としてはさほど大きくない。しかし、触媒層中に特に小さいコークが一定量以上堆積すると、触媒保持器と反応容器の間の隙間に特に小さいコークが多量に挟まって触媒保持器の昇降操作の妨げになることがある。従って、前記臨界値以下のＬＶ条件であっても、改質時よりも増速させることによって特に細かいコークの堆積量を減らすことによって作業性上のメリットが生じる。
【０１８９】
（４）（３）での触媒反応器２ａ−１における触媒層昇降中の高速気流を通気する操作は、触媒反応器２ａ−１においてコークの大半が除去される（上述した差圧が所定値以下になる）か、あるいは、この操作を所定時間実施した後、終了する。この終了にあたっては、まず、２番目の増速を意図する触媒反応器２ａ−２に対応するガス遮断部３ａ−２を開放状態とし、次に、触媒反応器２ａ−２で触媒層の昇降を開始する。この昇降が開始された後、触媒反応器２ａ−１の昇降を停止するとともに、ガス遮断部３ａ−１を閉塞状態にする。
（５）触媒反応器２ａ−２において、（３）における触媒反応器２ａ−１でと同様の夾雑物除去作業が行われる。触媒反応器２ａ−２でのコーク除去が完了した後、触媒反応器２ａ−２での夾雑物除去作業を終了する。
（６）以下、同様の作業を触媒反応器２ａ−３以降、全ての触媒反応器に対して実施する。
（７）全ての触媒層で（６）が完了した後、全てのガス遮断部を開放して改質時に戻す。
【０１９０】
以上により、第２の実施形態に係る触媒反応装置１では、心棒１８に触媒保持器１４及び弁体１７が固定されているので、これらは心棒１８と一体となって昇降する。したがって、心棒１８を昇降させることで、触媒層１３を昇降させることができる。触媒層１３は、反応容器１０の内壁面及び心棒１８の外周面との摩擦によって拘束されながら昇降するので、触媒粒子が撹拌される。すなわち、触媒粒子同士の相対位置が変動する。この結果、触媒粒子間に存在する夾雑物が除去される。
【０１９１】
さらに、心棒１８は、弁体１７が弁座１５の通気孔１６を閉塞する閉塞位置と、弁体１７が通気孔１６を開放する開放位置との間を昇降する。したがって、心棒１８を昇降させることで、ガス遮断部３ａを開放状態または閉塞状態とすることができる。さらに、心棒１８は、夾雑物の除去時には、中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間を昇降する。このため、心棒１８の昇降中であっても、常に通気孔１６が開放される。さらに、触媒層１３の昇降中には、触媒反応器２ａ内に大流量の原料ガスが導入される。このため、原料ガスは、触媒層１３内の夾雑物を効率よく除去することができる。特に、第２の実施形態では、触媒粒子間の相対位置の変動によってガス流路が変動するので、原料ガスは、新たなガス流路沿いに存在する夾雑物を除去することができる。
【０１９２】
特に、触媒層１３の下降時には、上記摩擦の効果によって触媒層１３の上部は下部に遅れて下降する。したがって、触媒層１３の充填率が一時的に低下する。この際、触媒粒子間の平均的な間隙が拡大するため、原料ガスの通過しにくい部位（例：触媒保持器１４直上の触媒粒子等）にも原料ガスが到達し、そこでの夾雑物を除去できる。尚、原料ガスの到達しにくい部位ではそもそも夾雑物の発生速度が小さいので、この部位で夾雑物除去を図る必要はないとの考えもありうる。しかし、実際には、原料ガスの到達しにくい部位でも原料ガスの拡散等を通じて夾雑物は徐々に発生する。そして、ここで発生した夾雑物は、この部位からあふれて隣接する部位、すなわち原料ガスの通気し易い部位に及び、この部位での通気抵抗を上昇させる。したがって、原料ガスの到達しにくい部位でも夾雑物を除去する必要性が存在する。
【０１９３】
触媒保持器１４の直上部分は本来（静止時には）、通気のしにくい領域でもある。触媒層１３の昇降中であれば、ここへの原料ガスの通気も容易なため、触媒保持器１４の直上の触媒粒子間に堆積した夾雑物も原料ガスの通気によって除去できる。
【０１９４】
さらに、第２の実施形態では、原料ガスを触媒層１３の上方から触媒層１３に導入する。すなわち、除去ガスとなる原料ガスを鉛直下向きに触媒層１３に導入する。このため、触媒粒子に働く力は全て下方向の力となる。したがって、夾雑物をより効率よくかつ確実に除去することができる。
【０１９５】
さらに、第２の実施形態では、弁座１５及び弁体１７によって原料ガスの反応容器１０への導入及び遮断を切り替えることができる。したがって、原料ガスの反応容器１０への導入及び遮断を切り替えるために別途の高温弁（第１の実施形態のガス遮断部３）を必要としない。さらに、弁座１５及び弁体１７は単純な構造となっているので、より高温に耐えることができる。例えば、高温弁の耐熱温度は８００℃程度であるが、弁座、弁体の耐熱温度は９００℃程度となりうる。
【０１９６】
また、第２の実施形態では、弁座１５及び弁体１７が触媒層１３よりも原料ガス流通方向の上流側に存在するので、触媒層１３から除去されて下流に流出する夾雑物が弁座１５及び弁体１７に堆積することがない。したがって、夾雑物によって弁座１５及び弁体１７の機能が阻害される（例えば通気孔１６が夾雑物によって閉塞される等）ことがない。
【０１９７】
＜３．第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。
（１．全体構成）
第３の実施形態に係る触媒反応装置１は、第２の実施形態に係る触媒反応装置１の触媒反応器２ａを図１０に示す触媒反応器２ｂに変更したものである。第３の実施形態に係る触媒反応器２ｂは、心棒１８の停止位置から中間位置を除いた他は、第２の実施形態と同様の構成を有する。図１０（ｂ）は心棒１８の開放位置１８ａを示し、図１０（ｃ）は心棒１８の閉塞位置１８ｂを示す。
【０１９８】
（３．触媒反応方法）
次に、上記触媒反応装置１を用いた触媒反応方法、すなわち触媒反応装置１の運転方法を説明する。
【０１９９】
（原料ガス改質時）
第２の実施形態と同様である。
【０２００】
（夾雑物除去時）
原料ガスが集中している触媒反応器２ｂにおいて、心棒１８を閉塞位置１８ｂと開放位置１８ａとの間で昇降させる他は、第２の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態においては、夾雑物除去時に、心棒１８を昇降させて増速を図る触媒反応器２ｂにおいて、一時的に閉塞状態を生じる開放状態が生じることとなる。３ポジション式の駆動装置を用いる実施形態２の装置に比べて、より汎用性の高い、２ポジション式の駆動装置を用いることができる点が本実施形態の利点である。
【０２０１】
第３の実施形態では、第２の実施形態と同様の効果が得られる。ただし、第３の実施形態では、夾雑物除去時に心棒１８が断続的に閉塞位置１８ｂに達する。この時に全ての触媒反応器２ａにおいて原料ガス流れが一時的に遮断される。
【０２０２】
（夾雑物除去時の処理）
実施形態２に記載した夾雑物除去時の処理において、往復の心棒昇降運動を行う昇降位置における中間位置１８ｃを閉塞位置１８ｂに置き換えた処理とすることができる。このとき、原料ガスを集中させようとする触媒反応器の往復の昇降運動の上端状態では原料ガス供給は遮断されるので、流量調整部は、このタイミングでの原料ガス流量目標値を０に設定する。あるいは、原料ガス流量目標値を変更せず、ブロワ回転数や流量調整弁開度をこのタイミングの直前の値に保持してもよい。流量調整部がこのような処置を行わない場合、特に、心棒昇降の上端位置の保持時間が長い場合には、原料ガスの供給がない（即ち、原料ガス流量測定値が０）ので、流量制御装置から、原料ガス流量目標に流量を近づけようと、ブロワの回転数を上限まで上昇させるとともに流量調整弁を開放する指令がなされるので、心棒が上端位置から下降した瞬間に原料ガス流量目標値を大幅に上回る過大なガス流量を生じて操業が不安定化する可能性がある。
【０２０３】
あるいは、ガス発生炉等をガス供給部とする前提で、心棒昇降の上端位置をあえて長時間保持することによって、上昇端からの下降直後に触媒反応器内に臨界ＬＶ以上の高速気流を得て、夾雑物除去を促進することもできる。これは、心棒昇降の上端位置の保持期間中には、原料ガスが排出されないため原料発生炉内の圧力が高まり、触媒反応器出側との差圧が上昇する。この高い差圧を駆動力として、心棒昇降の上端位置から下降を始めた直後に、定常運転状態で得られる以上の原料ガス流量が生じ、触媒反応器内で高速気流を一時的に生じることができる。この方法は、流量調整部の設備能力が不足して、通常の方法では臨界ＬＶ以上の拘束気流を得られないようなプラントで有効である。
【０２０４】
なお、原料ガスの流量が大きすぎる場合、弁体１７が通気孔１６を閉塞する時間（心棒１８が閉塞位置にとどまる時間）を十分に短くすることで、原料ガスの流量を小さくしてもよい。
【０２０５】
上記の方法によって原料ガスの流量が小さくなる理由は以下の通りである。すなわち、上述したように、弁体１７が弁座１５に近い位置に存在する場合、原料ガスの通気断面積が減少して通気抵抗が上昇する。このため、原料ガスの流量が小さくなる。ただし、弁体１７が通気孔１６を閉塞すると、流入路１１の内圧が上昇する。そして、弁体１７が通気孔１６を閉塞する時間が長くなるほど、流入路１１の内圧が上昇する。この場合、弁体１７が通気孔１６を開放すると、大量の原料ガスが反応容器１０内に流れこむ。すなわち、原料ガスの流量が増大する。一方、弁体１７が通気孔１６を閉塞する時間を短くすれば、流入路１１の内圧の上昇を抑えることができる。すなわち、弁体１７が通気孔１６を開放した際の原料ガスの流量増大を抑えることができる。この方法では、弁体１７が通気孔１６を閉塞する時間を十分に短くすることで、弁体１７が通気孔１６を開放した際の原料ガスの流量増大を抑える。そして、弁体１７が弁座１５の近傍に存在する際には、原料ガスの流量が減少する。したがって、この方法では、弁体１７が弁座１５の近傍に存在する際に、原料ガスの流量を小さくすることができる。もちろん、この方法だけでは原料ガスの流量が十分に小さくならない場合がある。この場合には、流量調整部８あるいはブロワ９の調整を上記の処理とともに行ってもよい。また、原料ガスの流量を小さくする場合であっても、原料ガスの線速度は０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【０２０６】
（夾雑物除去時の処理の他の方法）
夾雑物除去時には、以下の処理を行ってもよい。
（１）ｊ（ｊは１〜Ｎの整数）番目のガス遮断部３ａ−ｊを開放状態とし、他のガス遮断部３を閉塞状態とする。
（２）ガス遮断部３ａ−ｊを閉塞状態とするとともに、ｊ’（ｊ’は１〜Ｎの整数。ｊ’≠ｊ）番目のガス遮断部３ａ−ｊ’を開放状態とする。これにより、触媒反応器２ａ−ｊ、２ａ−ｊ’内での原料ガス流量が原料ガス改質時の流量（＝Ｑ０／Ｎ）よりも十分に大きくなる。
（３）上記（１）、（２）の処理を繰り返す。ここで、上記（１）、（２）の処理を繰り返すことで、触媒層１３が昇降することになるので、夾雑物が除去される。
（４）触媒反応器２ａ−ｊ、２ａ−ｊ’の圧力損失が所定値以下に低下したら、触媒反応器２ａ−ｊ、２ａ−ｊ’の組み合わせを変更し、上記（１）〜（３）の処理を行う。
（５）（１）〜（４）の処理を全ての触媒反応器２ａから夾雑物が除去されるまで行う。
（６）原料ガス改質時の処理に戻る。
この変形例によれば、心棒昇降の閉塞位置は、２つの触媒反応器の間で交互に現れるため、常に少なくともいずれか一方の触媒反応器では心棒が閉塞位置にないので、原料ガスの流通が完全に遮断されることなく、夾雑物の除去を行うことができる。その結果、原料ガスが全て遮断される期間が生じる上記の方法に比べて操業は不安点化しにくい利点がある。
【０２０７】
＜４．第４の実施形態＞
（１．全体構成）
第４の実施形態に係る触媒反応装置１は、第２の実施形態に係る触媒反応装置１の触媒反応器２ａを図１１に示す触媒反応器２ｃに変更したものである。
【０２０８】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、図１１に基づいて、第４の実施形態に係る触媒反応器２ｃの詳細構成について説明する。第４の実施形態に係る触媒反応器２ｃは、弁座１５及び弁体１７の設置位置が異なる他は、第２の実施形態と同様の構成を有する。図１１（ｂ）は心棒１８の開放位置１８ａを示し、図１１（ｃ）は心棒１８の閉塞位置１８ｂを示し、図１１（ｄ）は心棒１８の中間位置１８ｃを示す。
【０２０９】
第４の実施形態の弁体１７は、心棒１８の下端に設けられる。弁体１７の形状は円錐形状となっている。一方、弁座１５は、弁体１７の下方に配置される。第４の実施形態では、ピストン２３がシリンダ２２の上端に到達した際に心棒１８が開放位置１８ａに到達し、ピストン２３がシリンダ２２の下端に到達した際に、心棒１８は閉塞位置１８ｂに到達する。なお、図１１に示す駆動装置２１は３ポジション型のエアシリンダであるが、第２の実施形態に示されるような２ポジション型のエアシリンダであってもよいことはもちろんである。
【０２１０】
（３．触媒反応方法）
第２の実施形態と同様である。
【０２１１】
第４の実施形態によれば、第２及び第３の実施形態と同様の効果が得られる他、以下の効果が得られる。駆動装置２１が反応容器１０の上方に設置される場合、全ての可動部（駆動装置２１、触媒層１３、触媒保持器１４、弁体１７、および心棒１８等）を加熱装置の上方（すなわち反応容器１０の上方）から抜き出せることが好ましい。この場合、触媒反応器２ａの構造を単純化でき、かつ、メンテナンスが容易となるからである。
【０２１２】
すなわち、第２及び第３の実施形態では、弁座１５が弁体１７の上方で反応容器１０に固定されているので、弁座１５を反応容器１０から取り外さないと、触媒層１３、触媒保持器１４、弁体１７、及び心棒１８を反応容器１０から抜き出せない。このため、弁座１５を反応容器１０に着脱可能な構造とする必要がある。したがって、触媒反応器２ａの構成が複雑化する。さらに、メンテナンスのたびに弁座１５の取り外し及び組付けを行う必要があるので、メンテナンスの手間が増大する。
【０２１３】
これに対し、第４の実施形態では、弁座１５が弁体１７の下方に存在するので、弁座１５を反応容器１０内に固定したままで全ての可動部を反応容器１０の上方から抜き出すことができる。したがって、弁座１５を反応容器１０に着脱可能な構造とする必要がない。このため、触媒反応器２ａの構造が単純化される。さらに、メンテナンス時には弁座１５を反応容器１０から抜き出すことなく全ての可動部を反応容器１０の上方から抜き出すことができる。したがって、メンテナンスの手間が低減される。
【０２１４】
なお、図１１に示される例では、弁体１７及び弁座１５が触媒層１３の下方に配置され、流入路１１が触媒層１３の上方に配置される。したがって、仮に弁体１７が通気孔１６を閉塞したとしても、流入路１１は反応容器１０と連通している。したがって、流入路１１に大気が流入した場合、仮に弁体１７が通気孔１６を閉塞したとしても、大気が流入路１１から反応容器１０内に流入する可能性がある。もちろん、原料ガス供給部１００が大気に開放された後すぐに（すなわち、流入路１１に原料ガスが残っている間に）、通気孔１６を弁体１７で閉塞することで、大気の反応容器１０内への侵入はかなり高い確率で抑制できる。ただし、大気が反応容器１０内に流入する可能性を完全には排除できない。
【０２１５】
そこで、流入路１１を反応容器１０の下方に設置し、流出路１２を反応容器１０の上方に設置してもよい。この場合、流入路１１と触媒層１３との間に弁体１７及び弁座１５が配置される。したがって、弁体１７で通気孔１６を閉塞することで、第２及び第３の実施形態と同様に、大気と触媒層１３との接触をより確実に抑制することができる。
【０２１６】
なお、この場合、原料ガス改質時及び夾雑物除去時には、原料ガスは反応容器１０内を鉛直上向きに向かって移動する。原料ガス改質時の原料ガスの好ましい空間速度は第２及び第３の実施形態と同様である。一方、夾雑物除去時の原料ガスの好ましい線速度は、０．４ｍ／ｓ以上となる。
【０２１７】
ここで、本発明者らの調査の結果、鉛直上向きに除去ガス（ここでは原料ガス）を供給すると、除去ガスによる上昇力と夾雑物自身の重力の釣り合う特定の寸法の夾雑物は、触媒層１３中に残留することが判明した。
【０２１８】
これを避けるために、触媒層１３昇降中に２種類以上の流量条件（例えば線速度）で除去ガスを供給することによって、この特定の寸法を変化させる。つまり、ある流量条件で上昇力と重力の釣り合う夾雑物が触媒層１３中に残留したとしても、その夾雑物には、触媒層１３の昇降中に変更された他の流量条件では、上昇力か重力のいずれかが優越して働く。この結果、夾雑物は、触媒層１３中を移動し、触媒層１３から排出される。
【０２１９】
すなわち、上昇力が重力より優越となる場合、夾雑物は触媒層１３の上方へ飛散するが、重力が上昇力より優越となる場合、夾雑物は触媒層１３の下方へ落下する。したがって、夾雑物の除去中には、ブロワ９の回転数を調整すること等により、２種以上の流量条件の原料ガスを反応容器１０内に導入することが好ましい。
【０２２０】
なお、他の実施形態（第１、第２、第３、第５）の実施形態においても、流入路１１を反応容器１０の下方に設置し、流出路１２を反応容器１０の上方に設置した上で、上記の処理を行ってもよい。この場合、除去ガスの線速度は０．４ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【０２２１】
＜５．第５の実施形態＞
（１．全体構成）
第５の実施形態に係る触媒反応装置１は、第３の実施形態に係る触媒反応装置１の触媒反応器２ｂを図１２に示す触媒反応器２ｄに変更したものである。
【０２２２】
（２．触媒反応器の詳細構成）
つぎに、図１２に基づいて、第５の実施形態に係る触媒反応器２ｄの詳細構成を説明する。図１２に示すように、触媒反応器２ｄは、第１の実施形態に係る触媒反応器２に、弁座４５、通気孔４６、及び弁体４７を追加したものである。また、心棒４８及び駆動装置４９の構成が第１の実施形態と異なっている。
【０２２３】
（弁座、通気孔）
弁座４５は、触媒保持器４４と弁体４７との間に設けられる。弁座４５は、第２の実施形態の弁座１５と同様の機能を有する。すなわち、弁座４５は、反応容器４０の内壁面に設けられている。弁座４５は、反応容器４０内の空間を水平方向に仕切る部材である。また、弁座４５の中心部分には、弁座４５を上下に貫通する通気孔４６が形成されている。心棒４８は通気孔４６を貫通しており、原料ガスは、この通気孔４６を通過することができる。すなわち、通気孔４６の直径は、心棒４８の直径よりも大きい。なお、弁座４５の下端面には、弁座１５と同様の略円錐形状の切り欠きが形成されていてもよい。上記以外の構成要件は弁座１５と同様であればよい。
【０２２４】
（弁体）
弁体４７は、第３の実施形態の弁体１７と同様の部材である。すなわち、弁体４７は、心棒４８と一体となって昇降する部材であり、円錐台形形状となっている。弁体４７は、心棒４８と一体となって昇降することで、通気孔４６を開放、または閉塞することができる。他の構成要件は弁体１７と同様であればよい。
【０２２５】
（心棒）
心棒４８は、反応容器４０内を上下に伸びる円柱または円筒形状の部材（すなわち、丸棒または円管）である。心棒４８には、触媒保持器４４及び弁体４７が固定されており、触媒保持器４４及び弁体４７とともに昇降する。具体的に、触媒保持器４４は心棒４８の上端に固定されており、弁体４７は心棒４８の側面に固定されている。心棒４８は、駆動装置４９によって昇降する。これにより、心棒１８は、弁体４７が通気孔４６を開放する開放位置（図１２（ａ）、（ｃ）は開放位置を示す）と、弁体４７が通気孔４６を閉塞する閉塞位置との間を昇降する。他の構成要件は心棒１８と同様であればよい。すなわち、本実施形態においては、第３の実施形態と同様に、夾雑物除去時に、心棒１８を昇降させて増速を図る触媒反応器２ｄにおいて、一時的に閉塞状態を生じる開放状態が生じることとなる。
【０２２６】
（駆動装置）
駆動装置４９は第２〜第４の実施形態と同様の構成を有していればよい。すなわち、駆動装置４９は、２ポジション型であっても、３ポジション型であってもよい。
【０２２７】
（３．触媒反応方法）
上記触媒反応装置１を用いた触媒反応方法は、第３の実施形態と同様である。
【実施例】
【０２２８】
（実施例１）
触媒層中の夾雑物に対する本発明の効果を検証するため、夾雑物を含有した触媒反応器中に原料ガスを模擬した模擬ガスを冷間で供給する冷間試験を実施した。
【０２２９】
（冷間試験条件）
（模擬ガス）
常温常圧の空気を使用した。この模擬ガスは、夾雑物を除去する除去ガス、すなわち、夾雑物除去時の原料ガスと同様の役割を有する。
【０２３０】
（触媒反応器）
図４に示す触媒反応器２を用いた。反応容器４０の断面形状は、１２０ｍｍ厚×３００ｍｍ幅の矩形断断面とした。また、触媒反応器２の流出路１２に流量計及びブロワを接続した。流量計はブロワ出口に設置した。そして、流量計の計測値を用いてブロワの回転数を制御することで、模擬ガスの流量（線速度）を調整した。なお、ブロワの回転数制御は、いわゆるＶＶＶＦ制御により行った。
【０２３１】
（触媒層）
実機用の触媒（φ１５ｍｍ、Ｎｉ−アルミナ系触媒）を使用した。
アスペクト比：１．２
触媒層４３の段数：垂直方向に１段
触媒量：３ｋｇ
触媒層の高さ：１４０ｍｍ
【０２３２】
（夾雑物）
コークス炉ガスの改質試験において発生したコーク（固体炭化水素）粉を回収し、夾雑物として使用した。触媒層４３中に計１５０ｇ／段の量（充填コーク質量）で予め触媒と均一に混合して供給した。
【０２３３】
（駆動装置）
１５ｍｍストローク、各試験で１００往復
昇降速度：５ｍｍ／ｓ（上昇時）、１５ｍｍ／ｓ（下降時）、往復操作周期：３０ｓ
【０２３４】
（夾雑物飛散量測定方法）
最下段の触媒層４３の下方に電子天秤を配置して落下する夾雑物質量をリアルタイムで計測した。
【０２３５】
更に、流出管出側にサイクロンを設け、冷間試験中に定期的にこれを分解して貯留された夾雑物を回収し、この夾雑物質量を秤量して時系列的な夾雑物飛散量を算出した。試験終了後に反応容器１０を分解して触媒を触媒中に残留した夾雑物とともに回収した。そして、これらを篩分けして夾雑物を触媒から分離した。その後、夾雑物を秤量することで、残留夾雑物質量を測定した。
【０２３６】
（模擬ガス流速）
ＬＶ：  −０．４，−０．２，−０．１，０．１，０．２  ，０．４  ｍ／ｓの条件でそれぞれ冷間試験を実施した。負符号は下向き流れ、正符号は上向き流れを示す。比較のため、流速０（特許文献２相当）の条件でも冷間試験を実施した。尚、石炭乾留ガス改質時の原料ガスのＬＶの絶対値は、触媒層中で約０．１ｍ／ｓ以下である。
【０２３７】
（試験結果）
試験結果を図１３に示す。夾雑物除去率（コーク除去率）は、下の数式（６）で定義する。
夾雑物除去率＝１−（残留夾雑物質量／充填夾雑物質量）      （６）
【０２３８】
上向き流れではＬＶの絶対値が０．４ｍ／ｓ以上の条件で、下向き流れではＬＶの絶対値が０．２ｍ／ｓ以上の条件で、従来技術（ＬＶ＝０）よりも夾雑物の除去率が向上した。特に、下向き０．４ｍ／ｓの条件で最大の除去率が得られた。
【０２３９】
ＬＶ＝０の条件が従来技術（比較例）に、また、ＬＶが０．４ｍ／ｓ以上または−０．２ｍ／ｓ以下が、本発明における好ましいＬＶ条件（実施例）に該当する。石炭乾留ガス改質時等に好ましいＳＶ条件から定まるＬＶは、一般に−０．１ｍ／ｓ以上０．１ｍ／ｓ以下の範囲に存在するので、原料ガスを特に増速せずに触媒層４３の昇降を行っても、ＬＶ＝０条件に比べて夾雑物除去性能が特に向上するわけではない。一方、原料ガスの改質時にはなしえない、ＬＶが０．４ｍ／ｓ以上または−０．２ｍ／ｓ以下の条件を触媒層４３の昇降時に発生させれば、夾雑物除去性能が大幅に向上することがわかった。
【０２４０】
なお、ＬＶ＝０．２ｍ／ｓとなる場合、夾雑物除去率は、ＬＶ＝−０．１ｍ／ｓ〜０．１ｍ／ｓとなる場合の夾雑物除去率よりも低くなっていた。しかしながら、サイクロンによって充填夾雑物質量の２質量％程度の夾雑物を回収できた。さらに、これらの夾雑物の直径を測定したところ、大半の夾雑物は、直径５０μｍ未満の粒子であった。なお、夾雑物の直径に関して、篩分けによって分級した。したがって、ＬＶ＝０．２ｍ／ｓの条件では充填夾雑物のうち、直径５０μｍ未満の微粒子を主体に約２質量％を上方に飛散させて触媒層から除去することができた。このような微粒子は、触媒保持器４４と反応容器１０内壁間の狭い隙間に侵入しやすく、触媒層４３昇降の妨げになる場合があるので、触媒層４３から除去することが好ましい。すなわち、ＬＶ＝０．２ｍ／ｓとなる場合、触媒層昇降の妨げになる場合がある微粒子を効率的に除去することができるといえる。ＬＶ＝０．２ｍ／ｓの条件は、改質時に好ましいＳＶ条件にはならないことから、本発明を用いる必要があるといえる。
【０２４１】
また、図１４の本発明での夾雑物除去率（コーク除去率）の時間推移にみられるように、本発明では除去操作の初期（往復開始後５往復目までの期間）に最大の除去効果が得られ、また、末期（９１回目〜１００回目往復の期間）においても除去効果の持続することがわかった。なお、図１４中の夾雑物除去率は、夾雑物飛散量測定方法によって測定された飛散夾雑物質量（電子天秤によって測定された夾雑物の質量＋サイクロンで回収された夾雑物の質量）の充填夾雑物質量に対する比率として算出した。
【０２４２】
上述した第１の実施形態では、一部のガス遮断部３だけを開放状態とすることで、触媒反応器２内の原料ガスの線速度を上述した好ましい値とすることができる。さらに、流量調整部８によって、原料ガスの線速度をさらに調整することができる。
【０２４３】
（実施例２）
実施例２では、ガス遮断部３ａを内蔵する触媒反応器２ａでも同様の結果が得られることを確認するために、以下の冷間試験を行った。
【０２４４】
（模擬ガス）
実施例１と同様のものを用いた。模擬ガス流量の制御も実施例１と同様に行った。
【０２４５】
（触媒反応器）
第２の実施形態に係る触媒反応器２ａ（図６）を用いた。反応容器１０の内径を２００ｍｍとした。また、触媒層１３を５層（５段）構造とした。触媒粒子として、直径１５ｍｍのＮｉ−アルミナ系触媒粒子を使用し、各層の触媒層１３の質量を３ｋｇとした。このとき、各触媒層１３のアスペクト比は１．２であった。
【０２４６】
（夾雑物）
コークス炉ガスの改質試験において発生したコーク（固体炭化水素）粉を回収し、夾雑物として使用した。この夾雑物を、各触媒層１３に１５０ｇ／層（触媒層１３の１層当りの質量）の割合で添加した。具体的には、この質量の夾雑物を触媒粒子と均一に混合し、混合物を用いて上述した触媒層１３を形成した。
【０２４７】
（駆動装置）
駆動装置２１として、３ポジション型エアシリンダを使用した。また駆動装置２１を用いて、心棒１８を中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間で昇降させた。昇降ストローク（中間位置１８ｃと開放位置１８ａとの間隔）を３０ｍｍとし、心棒１８を１００往復させた。心棒１８の上昇時の速度は５ｍｍ／ｓ、下降時の速度は１５ｍｍ／ｓとした。
【０２４８】
（夾雑物飛散量測定方法）
流出路出側にサイクロンを設けた。そして、冷間試験中に定期的にサイクロンを分解し、サイクロン内に貯留された夾雑物を回収した。そして、夾雑物質量を秤量して時系列的な夾雑物飛散量を算出した。さらに、冷間試験終了後に触媒反応器２ａを分解し、触媒層１３を触媒層１３内に残留した夾雑物とともに回収した。そして、触媒層１３を篩分けして夾雑物を分離、回収した。そして、回収した夾雑物を秤量して残留夾雑物質量を測定した。そして、上述した数式（６）に基づいて、夾雑物除去率（コーク除去率）を算出した。
【０２４９】
（圧損測定方法）
触媒反応器２ａの流入路１１と流出路１２にそれぞれ圧力計を設け、差圧を測定した。また、ブロワ出口に設けた流量計の計測値を調整して、反応容器１０内の模擬ガスの線速度が所定値となるように設定した。具体的には、模擬ガスの線速度を下向きに０．２ｍ／ｓとした。上記の夾雑物飛散量の試験を通じての積算値は、［充填夾雑物質量］−［残留夾雑物質量］の値とほぼ一致した。従って、特定の往復期間内に触媒層から飛散した夾雑物の大半を、当該往復期間に対応する上記の夾雑物飛散量として測定できた。特定往復期間における夾雑物飛散量を当該往復数（昇降サイクル数）で除したものを、第１の夾雑物飛散速度と定義する。
【０２５０】
（試験結果）
上記冷間試験の結果、１００往復後の夾雑物除去率は、約９５％以上であり、高い除去性能が得られた。また、夾雑物飛散量の時系列的な推移を見ると、試験末期（１００往復直前）における第１の夾雑物飛散速度は、充填夾雑物質量の２質量％／昇降サイクル程度であった。これに対して、試験初期（６から１０往復目）での夾雑物飛散量は、残留夾雑物質量の約３質量％／昇降サイクルであった。したがって、夾雑物除去効率（＝第１の夾雑物飛散速度／夾雑物除去質量）は、試験末期であっても高い値に維持されることがわかった。すなわち、除去効果が長期に持続することがわかった。
【０２５１】
さらに、触媒層１３の通気抵抗は、試験開始時に８００Ｐａ、試験終了時に１０Ｐａ未満となった。したがって、夾雑物が除去されたことによって通気抵抗（圧力損失）も大きく低下したこともわかった。
【０２５２】
さらに、冷間試験中に心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止させる試験も行った。これにより、流入路１１及び流出路１２間で２０００Ｐａの圧力差が計測された。この結果、触媒反応器２ａの閉止性を充分確保できることがわかった。また、この状態で心棒１８を開放位置１８ａに移動させることで、大きな流量の原料ガスを反応容器１０内に導入できることもわかった。
【０２５３】
上述した第２の実施形態では、一部のガス遮断部３ａだけを開放状態とすることで、触媒反応器２内の原料ガスの線速度を上述した好ましい値とすることができる。さらに、流量調整部８によって、原料ガスの線速度をさらに調整することができる。
【０２５４】
（実施例３）
第５の実施形態に係る触媒反応器２ｄを用い、触媒層４３のアスペクト比を実施例２の１／２に設定し、これ以外を実施例２と同様の条件で試験を行った。ここで、実施例３では、触媒層４３の高さを反応容器４０の内壁面間の距離（直径または厚さ）で除算することでアスペクト比を算出する。一方、実施例２では、触媒層１３の高さを反応容器半径−心棒半径で除算することでアスペクト比を算出する。したがって、心棒直径が反応容器１０の内径に比べて十分に小さいと仮定すると、実施例２でのアスペクト比の１／２倍のアスペクト比を実施例３で用いたときに、触媒層の寸法比（反応器内壁面間距離と触媒層高さの比）が概略一致することになる。
【０２５５】
その結果、本実施例３での夾雑物除去率は、約９０％であった。実施例２での夾雑物除去率は、９５％以上であり、本実施例３よりも高い夾雑物除去能力であった。このように、触媒層の寸法比が概略同じ場合であっても、筒状の触媒反応器２ａの中心に心棒１８を設け、この心棒１８が触媒層１３を貫通するように配置することによって、触媒昇降時の夾雑物除去性能を向上できることがわかった。
【０２５６】
（実施例４）
実施例４では、実施例２と同様の触媒反応器２ａを用いて、以下の手順で冷間試験を行った。
（１）心棒１８を開放位置１８ａで停止し、この状態で線速度が下向きに０．１ｍ／ｓとなる模擬ガスを触媒層１３に供給した。模擬ガスの線速度は、ブロワ９によって調整し、上記の線速度を維持した。
（２）次に、心棒１８を閉塞位置１８ｂに移動させた。
（３）心棒１８を閉塞位置１８ｂで３０ｓ保持した。
（４）心棒１８を開放位置１８ａに戻した。
【０２５７】
（試験結果）
（２）の実施後、反応容器１０内の模擬ガスの線速度はほぼ０となった。（３）の間、反応容器１０内の圧力が１００００Ｐａまで上昇した。ブロワの能力限界のため、この値に保持された。（４）の後、反応容器１０内の模擬ガスの線速度が急増して臨界値以上の値であるＬＶ＝０．５ｍ／ｓ（下向き）以上の流量を記録した後、当初のＬＶ＝０．１ｍ／ｓ（下向き）に復帰して流量は安定した。
【０２５８】
（比較例１）
比較例１では、実施例２と同様の触媒反応器２ａを用いて冷間試験を行った。ただし、触媒層１３の昇降は行わなかった。また、常時、模擬ガスが触媒層１３を通過するように心棒１８の位置を調整した。また、触媒層１３の下に電子天秤を配置して夾雑物落下量の時間推移を測定した。併せて、流出路１２にサイクロンを設け、飛散した夾雑物を回収・秤量した。
【０２５９】
（模擬ガス流速）
下向きに０．２ｍ／ｓとした。
【０２６０】
（試験手順）
（１）反応容器１０内を１０分間通気し、通気完了後にサイクロンを分解して下流に流出した夾雑物を回収・秤量して、夾雑物飛散量および第２の夾雑物飛散速度（＝飛散夾雑物質量／処理（通気）時間）を算出した。
（２）実施例１と同様の触媒層昇降を伴う冷間試験を実施（ＬＶ＝０条件、１００往復）し、サイクロンを用いた飛散夾雑物の回収、秤量を行い、合わせて電子天秤を用いた秤量を行った。
（３）（２）の試験完了後に再び（１）と同様の試験を実施し、飛散夾雑物質量の（２）からの増分（サイクロンからの回収量＋（２）の試験後からの電子天秤計測値の増分）を算出した。
（１）（＝「初期」）、（３）（＝「初期後」）の操作が本比較例の主要部である。
【０２６１】
（試験結果）
試験初期での夾雑物除去率（上記（１）での累積夾雑物飛散量を上記の充填夾雑物質量除算した値）は、１５％であり、実施例１に劣る。また、初期後（上記（３））には夾雑物飛散量は検出下限以下であって夾雑物の除去はほとんど認められず（夾雑物除去効率＝０相当）、夾雑物除去効果は持続しない。従って、高速気流を単独で触媒層１３に供給しても、高い夾雑物除去性能の得られないことがわかった。したがって、特定の触媒反応器２ａに原料ガスを集中させたとしても、触媒層１３を昇降させなければ本発明の効果は得られないことがわかった。また、上記試験手順（１）での通気を前半５分と後半５分とに分けて前半終了後および後半終了後に夾雑物飛散量と第２の夾雑物飛散速度の測定をそれぞれ実施する試験を別途、行った。このとき、後半での第２の夾雑物飛散速度は前半でのものの１０％未満の値であった。従って、本比較例における初期での夾雑物飛散は、通気の最初期に集中しているので、通気時間をこれ以上増大しても夾雑物飛散量を大きく上昇させることは困難であることがわかった。
【０２６２】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【符号の説明】
【０２６３】
１      触媒反応装置
２、２ａ、２ｂ、２ｃ      触媒反応器
３、３ａ    ガス遮断部
５、５ａ      反応器群制御装置
１０、４０      反応容器
１１、４１      流入路
１２、４２      流出路
１３、４３      触媒層
１４、４４      触媒保持器
１５      弁座
１６      通気孔
１７      弁体
１８、４８      心棒
２１、４９      駆動装置
５１    ガス遮断制御部
５２    駆動制御部
６      粉塵回収器
７      冷却装置
８      流量調整部
９      ブロワ
１００    原料ガス供給部
１０１    流入集合管
１０２    流出集合管
２００    ガスホルダ
【図１】
0006559025.tif 000002
【図２】
0006559025.tif 000003
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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