(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
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な駆動装置と、を備えることを特徴とする、触媒反応装置。
【請求項２】
前記心棒が、昇降中かつ前記閉塞位置以外の位置にあるときに、所定の流量で原料ガスを前記反応容器に供給するための、流量調整部を備えることを特徴とする、請求項１に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１又は２に記載の触媒反応装置。
【請求項４】
前記駆動装置は、前記心棒を前記中間位置と前記開放位置との間を昇降させることが可能であ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】
前記流入路に流入する原料ガスは、一定流量のガスを連続して生成する原料ガス発生装置で生成され、前記駆動装置は、前記心棒を昇降させる前に、前記心棒を前記閉塞位置に移動させ、前記流入路内のガス圧が所定値以上となった際に、前記心棒を前記閉塞位置から移動させて、前記原料ガスを流入させることができ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】
前記心棒の昇降中に、前記原料ガスの前記触媒層内での線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上とすることができることを特徴とする、請求項１〜５の何れか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項７】
前記弁座と前記触媒層との間から、前記触媒層と反応しない、非反応性ガスを前記反応容器内に供給する非反応性ガス供給路を備えることを特徴とする、請求項１に記載の触媒反応装置。
【請求項８】
前記心棒の昇降中に、前記非反応性ガスの前記触媒層内での線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上とすることができることを特徴とする、請求項７記載の触媒反応装置。
【請求項９】
前記心棒は、前記触媒層を貫通することを特徴とする、請求項１〜８の何れか１項に記載の触媒反応装置。
【請求項１０】
前記反応容器は円筒形状であり、前記心棒は前記反応容器の軸心に配置される丸棒であることを特徴とする、請求項９記載の触媒反応装置。
【請求項１１】
（前記触媒層の高さ／（前記反応容器の半径−前記心棒の半径））で表される前記触媒層のアスペクト比が、０．４〜２．５であることを特徴とする、請求項１０記載の触媒反応装置。
【請求項１２】
請求項１〜６、９〜１１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、
前記心棒を前記開放位置で保持するとともに、前記流入路から前記原料ガスを前記反応容器内に流入させて触媒反応させる触媒反応工程と、
前記心棒を昇降させるとともに、前記原料ガスを前記反応容器内に供給して前記触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去工程と、を含むことを特徴とする、触媒反応方法。
【請求項１３】
請求項７または８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、
前記心棒を前記開放位置で保持するとともに、前記流入路から前記原料ガスを前記反応容器内に流入させて触媒反応させる触媒反応工程と、
前記心棒を昇降させるとともに、前記非反応性ガスを前記反応容器内に供給して前記触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去工程と、を含むことを特徴とする、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、前記触媒層中の夾雑物がコークであることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の触媒反応方法。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の触媒反応装置であって、
前記弁座と前記弁体の間の接触を検出し、検出した接触信号を外部へ送信する接触検出装置と、
前記反応容器の表面温度および前記心棒の表面温度をそれぞれ経時的に計測し、各計測時点における前記心棒の表面温度と前記反応容器の表面温度との温度差を算出し、且つ、第１の計測時点での前記温度差と第２の計測時点での前記温度差との差である乖離温度差を算出できると共に、当該算出した乖離温度差のデータを外部へ送信する温度測定装置と、
を更に有し、
前記駆動装置は、
前記弁体が前記弁座に接近する方向に心棒を移動させるための閉止用エア弁と、前記弁体が前記弁座から離脱する方向に心棒を移動させるための開通用エア弁とを備え、且つ、それぞれのエア弁が高圧エア源と前記高圧エア源よりも圧力が低い低圧エア源とに切り替えることができ、且つ、前記閉止用エア弁と前記開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として前記心棒の位置を固定できるエアシリンダと、
前記接触検出装置から送信される接触信号を受信して、前記閉止用エア弁と前記開通用エア弁の操作を制御できる制御装置とを有し、
前記制御装置は、前記心棒を、前記弁体が前記弁座に接近する方向に移動させて、前記弁体が前記弁座に接触した際に前記接触検出装置から送信される接触信号を受信し、当該接触信号をトリガーとして、前記閉止用エア弁と前記開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として前記心棒の位置を固定して、前記弁体の移動を停止する制御を行うことができ、
且つ、前記エアシリンダを封止状態とした後、
（ｉ）前記接触検出装置から送信されていた接触信号が受信されなくなって、前記弁体が前記弁座から離れようとする時に、前記封止状態を解除して、前記閉止用エア弁を高圧エア側に開放するとともに開通用エア弁を前記低圧エア源に開放して、前記弁体を前記弁座により接近する側に移動し、前記接触検出装置からの接触信号を再度受信した際に、当該接触信号をトリガーとして、前記閉止用エア弁と前記開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として前記心棒の位置を固定して、前記弁体の移動を停止する制御を行うことができ、
（ｉｉ）前記接触検出装置が前記弁座と前記弁体の間の接触を検出した時点を、前記温度測定装置における前記第１の計測時点とし、前記第１の計測時点以降の各計測時刻を前記第２の計測時点として算出した前記乖離温度差が、所定の上限値以上または所定の下限値以下となって、前記弁体と前記弁座との間の圧縮応力が増加した時に、前記封止状態を解除して、前記閉止用エア弁を前記低圧エア源に開放するとともに前記開通用エア弁を前記高圧エア源に開放し、前記弁体を前記弁座から離れる側に移動し、前記接触検出装置から送信されていた接触信号が受信されなくなった時に、前記閉止用エア弁を前記高圧エア源に開放するとともに前記開通用エア弁を前記低圧エア源に開放して、前記弁体を前記弁座により接近する側に移動し、前記接触検出装置からの接触信号を再度受信した際に、当該接触信号をトリガーとして、前記閉止用エア弁と前記開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として前記心棒の位置を固定して、前記弁体の移動を停止する制御を行うことができる、
ことを特徴とする触媒反応装置。
【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】
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。
【０００７】
ところで、特許文献３には、上記のようなタール含有ガスを触媒反応器で改質する技術が開示されている。具体的には、特許文献３には、コークス炉等から発生した高温のタール含有ガス（ここではコークス炉ガス）を７００〜１２００℃で改質する技術が開示されている。また、特許文献３では、触媒反応器と原料ガス発生装置（ここではコークス炉）とを連結する原料ガス供給管毎に（例えば、コークス炉の窯毎に）遮断弁が設けられている。このように、タール含有ガスを改質するためには、原料ガス供給管毎に（例えば、コークス炉の窯毎に）遮断弁を設ける必要がある。その理由は以下のとおりである。
【０００８】
すなわち、コークス炉におけるコークス窯では通常、バッチ式生産を行っており、石炭装入、石炭乾留、コークス排出の順で繰り返し作業が行われる。多数のコークス窯が隣り合って配置されるコークス炉では、石炭装入作業およびコークス排出作業は、各コークス窯間でタイミングを意図的にずらして行われる。これにより、常に一定数以上のコークス窯で継続的に乾留作業が行われる。すなわち、石炭乾留時の操業安定化が図られる。
【０００９】
ここで、石炭装入作業時およびコークス排出作業時には、コークス窯を大気に対して開放する必要がある。このとき、コークス窯から触媒反応器にコークス炉ガスを供給する供給管の入口は、コークス窯経由で大気に開放される。触媒反応器に大気が流入すると、触媒が酸化により失活する問題を生じる。
【００１０】
したがって、コークス窯の大気開放時には、原料ガス供給管を閉鎖し、触媒反応器への大気流入を防止する必要がある。このため、原料ガス供給管に遮断弁を設ける必要がある。なお、複数のコークス窯から伸びる原料ガス供給管を集合管に統合して触媒反応器に接続する設備形態では、集合管のみに遮断弁を設けることも想定される。しかし、集合管のみに遮断弁を設けるだけでは、生産性を著しく低下させる。なぜならば、前述のように、各コークス窯の大気開放タイミングは、コークス窯毎に意図的にずらされる。このため、コークス炉の操業中には、いずれかのコークス窯が大気に開放されている時間割合が大きい。このため、集合管のみに遮断弁を設けた場合、いずれかのコークス窯が大気に開放されているだけで全てのコークス炉からの原料ガス供給を遮断せざるを得ない。一方、原料ガス供給管毎に遮断弁を設けた場合、大気に開放中のコークス窯に連結されている原料ガス供給管の遮断弁のみを閉止すればよい。したがって、これ以外のコークス窯から触媒反応器に原料ガスを供給することができる。したがって、原料ガスの供給管毎に遮断弁を設ける必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【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】
【００１２】
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。
【００１３】
また、特許文献３の装置では、遮断弁でタールが凝縮しないように、遮断弁を高温（例えば８００℃）に維持する必要があった。このため、遮断弁として高温に耐えられる高温弁を使用する必要があり、かつ、遮断弁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った。
【００１４】
ところで、タール等の炭化水素を含有するガスを触媒反応器で改質する技術においては、反応温度を維持するために反応容器の内部も高温に維持する必要があり、反応熱を、反応容器外壁を通じて供給する。このための技術として、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、反応容器内部を少ない熱量で高温に維持することができるため、触媒反応器を高温に維持するための加熱装置として安価な装置（すなわち、発生熱量の小さい装置）を使用することができる。
【００１５】
ただし、円筒形状に限らず、細長い反応容器を用いる場合には、原料ガスの空間速度（ＳＶ）を同一とした条件下で触媒反応器内の原料ガスの線速度（ＬＶ）を比較した場合、反応器容器形状を細長くするほど、本技術の原料ガスの線速度が大きくなる。したがって、触媒層内で夾雑物がわずかでも堆積した場合、原料ガスが触媒層を通過した際の圧力損失がより大きくなり、触媒層が閉塞し易くなってしまう。
【００１６】
このため、本技術（即ち、細長い反応容器）を用いてタール含有ガスを改質する場合、夾雑物として触媒層内に堆積する副生コークを効率よく除去する必要がある。例えば、特許文献２に開示された技術は、このような問題に対処するためのものである。しかし、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。
【００１７】
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、安価かつ簡易に実現可能な、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】
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、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、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、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な駆動装置と、を備えることを特徴とする、触媒反応装置が提供される。
【００１９】
ここで、心棒が、昇降中かつ閉塞位置以外の位置にあるときに、所定の流量で原料ガスを反応容器に供給するための、流量調整部を備えていてもよい。
【００２０】
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。中間位置とは、閉塞位置と開放位置との真中に限定されず、両者間の途中の位置であればよい。
【００２１】
また、駆動装置は、心棒を中間位置と開放位置との間を昇降させることが可能であってもよい。
【００２２】
また、流入路に流入する原料ガスは、一定流量のガスを連続して生成する原料ガス発生装置で生成され、駆動装置は、心棒を昇降させる前に、心棒を閉塞位置に移動させ、流入路内のガス圧が所定値以上となった際に、心棒を閉塞位置から移動させて、原料ガスを流入させることができるものであってもよい。
【００２３】
また、心棒の昇降中に、原料ガスの触媒層内での線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上とすることができるものであってもよい。
【００２４】
また、弁座と触媒層との間から、触媒層と反応しない、非反応性ガスを反応容器内に供給する非反応性ガス供給路を備えてもよい。
【００２５】
また、心棒の昇降中に、非反応性ガスの触媒層内での線速度を、鉛直上向きに０．４ｍ／ｓ以上、または、鉛直下向きに０．２ｍ／ｓ以上とすることができるものであってもよい。
【００２６】
また、心棒は、触媒層を貫通してもよい。
【００２７】
また、反応容器は円筒形状であり、心棒は反応容器の軸心に配置される丸棒であってもよい。
【００２８】
また、（触媒層の高さ／（反応容器の半径−心棒の半径））で表される触媒層のアスペクト比が、０．４〜２．５であってもよい。
【００２９】
本発明の他の観点によれば、上記の触媒反応装置を用いた触媒反応方法であって、心棒を開放位置で保持するとともに、流入路から原料ガスを反応容器内に流入させて触媒反応させる触媒反応工程と、心棒を昇降させるとともに、原料ガスを反応容器内に供給して触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去工程と、を含むことを特徴とする、触媒反応方法が提供される。
【００３０】
本発明の他の観点によれば、上記の触媒反応装置を用いた触媒反応方法であって、心棒を開放位置で保持するとともに、流入路から原料ガスを反応容器内に流入させて触媒反応させる触媒反応工程と、心棒を昇降させるとともに、非反応性ガスを反応容器内に供給して触媒層中の夾雑物を除去する夾雑物除去工程と、を含むことを特徴とする、触媒反応方法が提供される。
【００３１】
ここで、原料ガスが、タールを含有するとともに、触媒層中の夾雑物がコークであってもよい。
【００３２】
本発明の他の観点によれば、上記の触媒反応装置であって、弁座と弁体の間の接触を検出し、検出した接触信号を外部へ送信する接触検出装置と、反応容器の表面温度および心棒の表面温度をそれぞれ経時的に計測し、各計測時点における心棒の表面温度と反応容器の表面温度との温度差を算出し、且つ、第１の計測時点での温度差と第２の計測時点での温度差との差である乖離温度差を算出できると共に、当該算出した乖離温度差のデータを外部へ送信する温度測定装置と、を更に有し、駆動装置は、弁体が弁座に接近する方向に心棒を移動させるための閉止用エア弁と、弁体が弁座から離脱する方向に心棒を移動させるための開通用エア弁とを備え、且つ、それぞれのエア弁が高圧エア源と高圧エア源よりも圧力が低い低圧エア源とに切り替えることができ、且つ、閉止用エア弁と開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として心棒の位置を固定できるエアシリンダと、接触検出装置から送信される接触信号を受信して、閉止用エア弁と開通用エア弁の操作を制御できる制御装置とを有し、制御装置は、心棒を、弁体が弁座に接近する方向に移動させて、弁体が弁座に接触した際に接触検出装置から送信される接触信号を受信し、当該接触信号をトリガーとして、閉止用エア弁と開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として心棒の位置を固定して、弁体の移動を停止する制御を行うことができ、且つ、エアシリンダを封止状態とした後、
（ｉ）接触検出装置から送信されていた接触信号が受信されなくなって、弁体が弁座から離れようとする時に、封止状態を解除して、閉止用エア弁を高圧エア側に開放するとともに開通用エア弁を低圧エア源に開放して、弁体を弁座により接近する側に移動し、接触検出装置からの接触信号を再度受信した際に、当該接触信号をトリガーとして、閉止用エア弁と開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として心棒の位置を固定して、弁体の移動を停止する制御を行うことができ、
（ｉｉ）接触検出装置が弁座と弁体の間の接触を検出した時点を、温度測定装置における第１の計測時点とし、第１の計測時点以降の各計測時刻を第２の計測時点として算出した乖離温度差が、所定の上限値以上または所定の下限値以下となって、弁体と弁座との間の圧縮応力が増加した時に、封止状態を解除して、閉止用エア弁を低圧エア源に開放するとともに開通用エア弁を高圧エア源に開放し、弁体を弁座から離れる側に移動し、接触検出装置から送信されていた接触信号が受信されなくなった時に、閉止用エア弁を高圧エア源に開放するとともに開通用エア弁を低圧エア源に開放して、弁体を弁座により接近する側に移動し、接触検出装置からの接触信号を再度受信した際に、当該接触信号をトリガーとして、閉止用エア弁と開通用エア弁とを共に閉じて封止状態として心棒の位置を固定して、弁体の移動を停止する制御を行うことができる、ことを特徴とする触媒反応装置が提供される。
【００３３】
以下、本発明の代表的な特徴を説明する。
【００３４】
（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、触媒保持器の直上は、昇降操作後に夾雑物が残留し易い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こと、並びに、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。
【００３５】
（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。
【００３６】
あるいは、非反応性ガスを極めて高速（例えば数十ｍ／ｓ以上）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とも考えられる。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ってしまう。したがって、このような技術は、高温の反応装置である本発明の装置には、設備的に適用することができない。また、後述するように、夾雑物のみならず、触媒の一部も飛散させてしまう虞が生じる。
【００３７】
（本発明の技術）
触媒層の昇降中に原料ガスまたは非反応性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臨界的な線速度（ＬＶ）である０．２〜０．４ｍ／ｓ以上の気流を意味する。より詳細には、高速気流とは、下向きに０．２ｍ／ｓ以上、または上向きに０．４ｍ／ｓ以上の線速度の気流を意味する。なお、タールを含有する原料ガスを改質する際の原料ガスは、通常、ＬＶが０.１ｍ／ｓ未満であって高速気流ではない。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。
【００３８】
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。
【００３９】
特に、触媒層下降時には、触媒層が内壁面に接触していることによる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。
【００４０】
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、ここへの原料ガスまたは非反応性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。
【００４１】
（従来技術１＋２の組み合わせの困難さについて）
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。
【００４２】
また、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、一部の夾雑物の飛散によっ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。
【００４３】
（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。
【００４４】
（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。
【００４５】
（４）そもそも、触媒層の昇降中に触媒層に原料ガスまたは非反応性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。
【００４６】
実際、改質時に好適なＳＶに対応する低い線速度（ＬＶ）の原料ガスまたは非反応性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原料ガスまたは非反応性ガスのＬＶが臨界値以上になれば、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（原料ガスの改質によって生じた改質ガスの流量は含まれない）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。
【００４７】
一方、前述のように、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。
【００４８】
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、ここに原料ガスまたは非反応性ガスを供給する。これにより、夾雑物を除去するために高速気流を触媒層に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。
【００４９】
（昇降中の気流の影響に関する今回知見について）
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）の原料ガスまたは非反応性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１０）。さらに、原料ガスまたは非反応性ガスの線速度は従来技術２で述べた極めて高速な気流ほど高くなくてもよいこともわかった。また、触媒層の昇降によって昇降中の通気抵抗係数を充分に低減できるので、従来技術２で述べた極めて高速な気流を本発明に適用しても従来技術２のように触媒層での圧力損失が過大になることもない。
【００５０】
これに対し、静止した触媒層に図１０の臨界値程度の流速で気流を与えても、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。また、数十ｍ／ｓ以上といった極めて高速な気流を閉塞した静止触媒層に通気すると圧力損失が過大となって設備的に実現困難である。
【００５１】
（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。
【００５２】
（本発明の特徴２）
本発明では、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。これにより、例えば、コークス窯ごとに本発明の触媒反応装置を接続すれば、触媒反応装置によってガスの遮断が可能となり、原料ガス供給管に高価な高温弁を設置する必要がなくなるので、触媒反応装置を安価・簡易な装置にすることができる。特に、コークス炉に触媒反応器を接続する際には、前述のように、従来技術ではコークス窯ごとに独立した高温弁を設ける必要があるので、高温弁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、気流の遮断機能（弁機能）として、触媒反応容器が弁箱を、触媒昇降用の心棒およびその駆動装置が弁体の駆動機構を兼ねているため、部品点数を削減できるので、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、市販の高温弁の耐熱温度は高々、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。
【００５３】
（弁と触媒反応器を一体化することの困難さ）
前述のように、従来のコーク含有ガス改質用の触媒反応装置で処理ガス流量を確保するためには、触媒層内でのコーク堆積の観点から反応器単体の断面積を増大させる必要があり、かつ、触媒層中心部の反応容器側面からの距離は、熱供給性の観点から大きさが制約されていた。このため、従来の触媒反応容器では特許文献２にみられるような長辺の長い矩形断面が採用されてきた。矩形断面の反応容器の上端に遮断弁用の弁体・弁座を設ける場合には、シール性に問題を生じやすい、矩形断面の弁体・弁座とするか、あるいは、円形断面の弁体・弁座の採用を前提に、反応器の断面が細長い矩形断面から途中で大きな円形断面に変化するような複雑な構造の反応容器を製作する必要があり、また、昇降中の弁体の中心軸が常に鉛直となるように特別な設計上の配慮が必要となる。このため、設備費が高価となる問題があった。一方、本発明では小さな断面の反応容器であっても効果的にコークの除去が可能なので、比較的小さな断面の反応容器を複数、並列に用いて処理ガス流量を確保することができる。このため、個々の反応容器に円形断面を採用することができ、円形断面の弁体・弁座を簡易に取り付けることができる。
【００５４】
（本発明の特徴３）
原料ガスを触媒反応器から遮断する操作と、触媒層から夾雑物を除去する操作とは必ずしも連動される必要はない。そこで、本発明では、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。中間位置とは、閉塞位置と開放位置との真中に限定されず、両者間の途中の位置であればよい。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、原料ガスを遮断でき、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、触媒層から夾雑物を除去する際にも原料ガスを継続して触媒反応器内を流通させることができる。これにより、触媒層から夾雑物を除去する際に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。なお、流入路内圧が反応容器内圧と異なる場合、原料ガス供給配管系統が不安定になる可能性がある。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。
【００５５】
（本発明の特徴４）
夾雑物の除去に原料ガスを用いる場合には、原料ガスの流量を触媒層昇降中にいかに高速気流の域まで上昇させるかが問題となる。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。そこで、本発明では、ガス発生炉のように常に一定質量のガスを生成し続ける（一定流量のガスを連続して生成する）原料ガス発生装置を前提として、心棒を昇降させる前に、心棒を一旦閉塞位置に移動させる。すなわち、一旦原料ガスを触媒反応器から遮断する。これにより、流入路内圧を高める。その後、心棒を開放位置に移動させる（好ましくは急速に移動させる）ことで、弁座の通気孔を急速に開放させる。これにより、流入路と反応容器及び流出路との間で高められた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、この時間内に心棒（触媒層）を昇降させることができる。本発明では、複雑な制御装置を用いることなく、心棒の位置の変更のみで上記の操作を実現できる。
【００５６】
（本発明の特徴５）
夾雑物の除去に非反応性ガスを用いることによって、原料ガスの発生速度によらずに自由に夾雑物除去用のガス流量を設定することができる。例えば、原料ガスがコークス炉ガスの場合、原料ガス発生速度は、石炭の分解速度に依存するので発生速度を急変させることは容易ではない。
【発明の効果】
【００５７】
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、安価かつ簡易に実現可能な、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。また、反応容器内部を少ない熱量で高温に維持し易い、比較的細長い形状の反応容器を用いた場合であっても、夾雑物を効率よく除去することができ、安価かつ簡易に実現可能な、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】
【００５８】
【図１】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２】（ａ）は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３】（ａ）は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４】（ａ）は弁体、弁座およびその周辺構造を下方から見たときの形状を示す平面図である。（ｂ）は弁体、弁座およびその周辺構造を示す側断面図である。
【図５】（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６】（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）〜（ｄ）は（ａ）のＡＡ側断面図である。
【図７】本発明の第４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８】（ａ）は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９】（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）は触媒反応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１０】原料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。
【発明を実施するための形態】
【００５９】
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。
【００６０】
＜１．第１の実施形態＞
（１．全体構成）
まず、図１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、触媒反応器２と、粉塵回収器３と、冷却装置４と、ブロワ５と、バイパス弁６と、バイパス管７とを備える。触媒反応器２は原料ガス発生装置１００に連結されており、ブロワ５はガスホルダ２００に連結されている。
【００６１】
（原料ガス供給部）
原料ガス供給部は、原料ガスを触媒反応器に供給するための装置である。原料ガス供給部は、原料ガス発生装置１００であってもよい。原料ガス発生装置１００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１００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。
【００６２】
（原料ガス）
原料ガスは、後述する触媒層１３を通過する際に触媒層１３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１３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、加熱装置（図示せず）等によって反応温度（改質温度）近傍（例８００℃）まで加熱された後、触媒反応器２に供給される。
【００６３】
（触媒反応器）
触媒反応器２は、原料ガス発生装置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、改質ガスとして粉塵回収器３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。
【００６４】
（粉塵回収器）
粉塵回収器３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４に導入される。回収された粉塵（例えばコーク）は、化学原料等に再使用されうる。冷却装置４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３を省略してもよい。粉塵回収器３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。
【００６５】
（加熱装置）
なお、上述した加熱装置は、加熱区間Ａ内の触媒反応器２及び粉塵回収器３を加熱する。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、加熱区間Ａ内の触媒反応器２及び粉塵回収器３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℃）まで加熱する。また、触媒反応が吸熱反応の場合、加熱装置によって触媒反応器に熱供給を行うことによって反応温度（例えば８００℃）を維持する。加熱装置には、電気加熱炉、熱風炉等を用いることができる。
【００６６】
（冷却装置）
冷却装置４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、改質ガスを後段のブロワ５、バイパス弁６、バイパス管７、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４の具体例としては、熱交換器やスクラバが挙げられる。
【００６７】
（ブロワ）
ブロワ５は、冷却装置４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５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。
【００６８】
（バイパス弁、バイパス管）
バイパス弁６及びバイパス管７は、ブロワ５に併設される。バイパス弁６及びバイパス管７は、触媒反応器２を通過する原料ガスの流量を調整するための装置である。バイパス弁には市販の流量調整弁を用いることができる。
（流量調整部）
原料ガスの流量は、流量計（図示せず）による原料ガス流量の計測値に基づいて、ブロワ回転数、バイパス弁開度、及び後述する心棒１８の位置等を操作することによって所定の目標値に制御される。この操作は、ＰＬＣ等の制御装置(図示せず）によって自動的に行われてもよい。これら一連のハードおよびソフトの集合体が流量調整部（流量調整装置）１５０である。流量計には、市販のオリフィス型流量計等を用いることができる。あるいは、改質ガスの流量を計測し、ガス成分差を補正して原料ガス流量に換算してもよい。ガス成分は、ガス配管から抽気したサンプルガスをガスクロマトグラフィ等を用いて計測すればよい。なお、流量調整部が行う処理は手動で行われてもよい。
【００６９】
（ガスホルダ）
ガスホルダ２００は、ブロワ５から供給された改質ガスを貯留する。
【００７０】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、触媒反応器２の詳細構成を図２〜図４に基づいて説明する。図２に示すように、触媒反応器２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。
【００７１】
（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（軸方向に垂直な方向）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。
【００７２】
反応容器１０の半径（内壁）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（内壁）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。
【００７３】
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。
【００７４】
なお、反応容器１０の半径が小さいほど、反応容器１０の中心部への伝熱性が向上し、より低い反応容器外壁温度で反応容器１０中心部を改質温度以上に維持することができる（触媒反応が吸熱の場合）。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、反応容器１０の半径が小さいほど、同一の原料ガス流量に対する反応容器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１０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、夾雑物を効率よく除去する必要があるが、第１の実施形態では、夾雑物を効率よく除去することができる。したがって、第１の実施形態では、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の材料として、より耐熱性の低い安価なものを使用することができる。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
（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、原料ガス発生装置１００に連結されており、原料ガス発生装置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。
【００７９】
（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、粉塵回収器３に連結されており、反応容器２内で生成した改質ガスを粉塵回収器３に導入する。矢印Ｐ２は、改質ガスの流動方向を示す。
【００８０】
（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、触媒粒子が触媒保持器１４上に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、水蒸気とタールを含む原料ガスは、触媒粒子上で触媒反応が起こることで、水素と一酸化炭素ガスの増大した改質ガスに改質される。
【００８１】
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、原料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）にも原料ガスが到達し、そこでの夾雑物を除去できる。本発明では、触媒層１３を昇降させる際に原料ガスを反応容器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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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の隙間から落下させることができる。
【００８５】
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。また、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都の総和）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。
【００８６】
ここで、第１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１の実施形態におけるアスペクト比は、以下の数式（１）で定義される。
アスペクト比＝触媒層１３の高さ／（反応容器半径（内壁）−心棒半径）      （１）
ここで、触媒層１３が複数層で形成される場合、数式（１）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。
【００８７】
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。
【００８８】
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の昇降速度が本発明で想定されるレベルの比較的小さい値である場合には、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）は壁近傍に限定される（中心部では保持器とともに粒子間の位置関係を保ったまま昇降する）。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。
【００８９】
（触媒保持器）
触媒保持器１４は、触媒粒が落下しないように触媒層下面全体で触媒層１３を保持する通気性のある部材であり、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。
【００９０】
触媒保持器１４は、触媒層の下端全面において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３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の中心軸状に配置される。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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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（２）で求められる。
ｃ＝ａ／（ａ＋ｂ）      （２）
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。
【００９４】
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。
【００９５】
（弁座、通気孔）
次に、弁座１５は、図４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。
【００９６】
（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４（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４（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。
【００９７】
なお、図４（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４（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。
【００９８】
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。
【００９９】
なお、図４（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。
【０１００】
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。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。
【０１０１】
（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２（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２（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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
ここで、第１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。
【０１０５】
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の内壁面都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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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、心棒の下降速度が自由落下速度よりもかなり小さな値（例えば、１０ｍｍ/s）であっても、触媒粒子間の相対運動の効果は一定程度得られる。これは、壁の拘束によって触媒層中の粒子落下は下方の触媒から順に徐々に生じ、触媒の平均落下速度は自由落下速度よりも遥かに小さいものになるからである。
【０１１２】
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。
【０１１３】
（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と閉塞位置１８ｂ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。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。
【０１１４】
駆動装置２１は、図２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。
【０１１５】
（駆動機構の停止位置と停止手段）
以下、図２を用い、駆動機構として、最も簡易な手法である複動式エアシリンダとした場合を例として駆動装置２１（心棒１８）の停止位置と停止手段について述べる。垂直に配置された複動式エアシリンダでは一般的な構造では、シリンダ２２内のピストン２３を押し下げる方向に荷重を与えるためにシリンダ２２内のピストン２３の上方に高圧エアを導入するためのエア弁（図示せず）と、ピストン２３を押し上げる方向に荷重を与えるためにシリンダ２２内のピストン２３の下方に高圧エアを導入するためのエア弁（図示せず）が設けられる。これらのエア弁をそれぞれ開通用エア弁および閉止用エア弁とよぶことにする。これらのエア弁は、高圧エア源（例えば、コンプレサ等、図示せず）と、それよりも圧力が低い低圧エア源（例えば、大気開放等、図示せず）との間で接続先を切り替えることができる。また、開通用エア弁および閉止用エア弁における高圧エア源と低圧エア源の圧力は、エア源を共有する等して、両者それぞれ同レベルに揃えておく方が使い易く好ましい。
【０１１６】
エアシリンダのシリンダ昇降軸に沿った方向上の各位置のうち、駆動装置２１を停止させたい位置にリミットスイッチ（図示せず）を配置する。そして、このリミットスイッチの検出および不検出を用いてシリンダの現状位置を検出し、その現状位置情報をもとにエアシリンダへの各エア弁の開閉を行うことによって駆動装置２１を所望の停止位置に停止させることができる。例えば、心棒１８を移動させる際、所望の停止位置に対応するリミットスイッチを検出するまで心棒１８の移動を継続し、当該リミットスイッチを検出した際、心棒１８の移動を停止すればよい。心棒１８の移動手段としては、例えば、心棒１８を上昇させる場合には、閉止用のエア弁を高圧エア源に開放するとともに開通用のエア弁を低圧エア源（例えば大気）に開放する。心棒１８を下降させる場合には、前記各エア弁の接続先を逆にすればよい。心棒１８の停止手段としては、例えば、閉止用のエア弁および開通用のエア弁をともに閉止してエアシリンダを封止状態にすればよい。あるいは、エアシリンダまたは心棒１８に摩擦式のブレーキ（図示せず）を設け、このブレーキを心棒等に接触させることによって心棒１８およびエアシリンダの移動を外部から強制的に阻害してもよい。これら一連の動作は、例えば、市販のシーケンサを用いて設定および制御することができる。
【０１１７】
心棒１８の停止する位置が絶対座標上で常に固定される場合には上記の方法のみでよい。例えば、心棒１８および反応容器１０が常に一定温度である場合には、上記の方法で問題ない。しかし、本発明が対象とする高温での改質反応容器では心棒１８と反応容器１０の間の温度差が変動するので上記の方法では正確に心棒の停止を設定できない場合や停止状態を継続できない場合がある。例えば、最初に心棒１８を反応容器１０の閉塞状態（例えば、図２における心棒１８の上端位置）に設定し、この状態で心棒１８の停止手段を作動させ続けた場合、その後の温度変化によって心棒１８と反応容器１０の間の温度差が変動して、両者に熱膨張差が生じ、心棒１８に接続する弁体１７と反応容器１０に接続する弁座１６間に隙間を生じるか、あるいは、この両者の間に過大な荷重が生じうるので問題である。
【０１１８】
本発明で心棒１８と反応容器１０の間で、温度差の時系列的変化の生じる理由は次の通りである。反応容器１０の温度は、外部加熱によって通常、一定に保たれる様に制御することができる。一方、心棒１８の温度は、心棒１８に接触する触媒層１３の温度によってその温度が大きく影響を受ける。触媒層１３の温度は、触媒層１３内で化学反応のない場合には触媒層１３内を通気するガスおよび隣接する反応容器１０の温度によって規定される。しかし、一旦、触媒上で化学反応（本発明では原料ガス中の炭化水素の改質反応または接触分解反応）が生じると、当該化学反応での反応熱によって化学反応のない状態の触媒温度から大きく温度が変化する。本発明では、触媒上での改質による吸熱反応によって触媒温度は低下する。しかもこの反応熱は触媒上での反応速度によって大きく変化し、本発明が対象とする反応では触媒の活性が刻々と変化するため触媒温度の時間変動は大きい（例えば１００℃レベル）。このため、触媒に接する心棒１８の温度も数十℃の単位で時間変化するので、反応容器１０と心棒１８の間の温度も数十℃の単位で変動する。例えば、鉄鋼材料で製造された心棒１８および反応容器１０の場合、数十℃の温度変化による熱膨張差は数ｍｍ程度に達するため、最初の上記心棒１８の停位置のまま心棒の停止位置を保持した場合には心棒の停止位置が数ｍｍの単位で変化しうる。
【０１１９】
その結果、心棒１８がより高温に経時変化した場合には、心棒１８が膨張（具体的には、長さ方向に延伸）する。そして、心棒１８のピストン２３側が拘束されているため、心棒に固定されている弁体１７は弁座１５から離れる方向に移動して、弁体１７と弁座１５の間で隙間を生じる。逆に心棒１８がより低温側に経時変化した場合には、心棒１８が長さ方向に収縮し、弁体１７は弁座１５を押しつける方向に移動しようとするため、弁体１７と弁座１５の間に初期時点よりも大きな荷重（応力）を生じる問題がある。
【０１２０】
このような熱膨張差による応力が生じる場所で使用する弁体１７と弁座１５を取り扱う場合には、常温域または低温域であれば、弁体１７（心棒１８に相当する）を固定せず、弁座１５に常に一定の荷重で押し付けるように制御（設定）する。このためには、エアシリンダにおける弁体１７の閉止用のエア弁（エアシリンダの下降端で弁が閉止する場合には開通用のエア弁）を高圧エア源に開放するとともに、開通用のエア弁（エアシリンダの下降端で弁が閉止する場合には閉止用のエア弁）を低圧エア源に開放するように制御すればよい。
【０１２１】
しかし、本発明が想定する高温での反応容器１０にこのような手法を適用した場合には、熱膨張差が大きく生じることに加えて、弁体１７と弁座１０の機械強度も低下する。このため、各エア弁の閉止中に常にエアシリンダの圧力に相当する荷重が弁体１７と弁座１５の間に付与されることになり、反応容器１０周辺または心棒１８周辺の部材にクリープ変形を生じうるので問題である。この対策として心棒１８に付与される荷重を検出して、荷重がクリープ限界内になるようにエア圧力を連続的に可変させてフィードバック制御する方法もありうるものの、エアシリンダといった単純な構造の駆動機構においてこのような荷重制御を実現することは極めて高価な装置になるので現実的でない。
【０１２２】
そこで、以下に本発明の一実施形態として、上記のような心棒１８の荷重の直接測定と、エア圧力のフィードバック制御により心棒１８の停止位置を調整するのではなく、より容易に、心棒１８の停止位置を調整する手段を説明する。すなわち、本実施形態では、反応容器１０と心棒１８の間の温度差の変化を計測して、心棒１８の位置の設定および制御を行う。
【０１２３】
具体的には、まず、心棒を固定した時点（初期とよぶことにする）での心棒１８と反応容器１０との間の温度差（＝心棒温度−反応容器温度）を原点の心棒−容器温度差として記録装置に記録する。温度の測定は、後述する温度測定装置により行われれば良い。また、記録装置は、後述する制御装置に内蔵されたものであればよい。これ以降も心棒−容器温度差を測定する。ここで、ある時刻の心棒−容器温度差と原点の心棒−容器温度差との差を、原点との乖離温度差と定義する（原点との乖離温度差＝「ある時刻の心棒−容器温度差」−「原点の心棒−容器温度差」）。図２の装置において、初期から時間が経過していく中で、あるタイミングで原点との乖離温度差が、正となり（例えば、心棒表面温度のみが初期よりも上昇した場合）、且つ所定の上限値以上となった場合には、心棒１８と反応容器１０との熱膨張差（心棒の熱膨張量−反応容器の熱膨張量）の初期からの変化量の絶対値が弁体１７と弁座１８が離れる方向に許容値以上に増大したと判断できる。この場合、弁体１７と弁座１５の間に隙間が生じうるので、一旦、心棒１８の停止を解除した後、弁体１７を閉止側の設定として（例えば、図２の装置の場合、上昇側のエア弁、すなわち閉止用のエア弁を高圧エア源に開放し、かつ、下降側のエア弁、すなわち開通用のエア弁を低圧エア源に開放して）、再度、弁体１７が弁座１５に接触するようにする。上記所定の上限値は、事前に実験または計算により、隙間を生じうる時の値を求め、その値を基準に、適宜安全係数を乗じる等して設定すればよい。
【０１２４】
この際、接触スイッチ（例えば、上述したリミットスイッチ）等の接触検出装置（図示せず）を駆動装置２１下端と断熱材１９の上端間に設けるなど簡易的な手段で、弁体１７と弁座１６との接触を検出できる。具体的には、この接触スイッチが通電した時点で、弁体１７が弁座１６に接触したものと判定して、心棒１８の停止手段を作動させて（例えば、閉止用のエア弁および開通用のエア弁をともに閉止してエアシリンダを封止状態にして）、心棒１８を停止させる。これにより、クリープ変形するような過度な過重が、反応容器１０周辺または心棒１８周辺の部材にかかることを、簡単な機構で防止することができる（対応Ａ）。
【０１２５】
このときの心棒１８に加わる荷重は、一般に、エアシリンダの閉止用のエア弁が高圧エア源に開放される場合の最大荷重よりも小さい。
【０１２６】
また、初期から時間が経過していく中で、あるタイミングで原点との乖離温度差が、負正となり（例えば、心棒表面温度のみが初期よりも下降した場合）、且つ所定の下限値以下となった場合には、反応容器１０と心棒１８との熱膨張差の初期からの変化量の絶対値が弁体１７と弁座１８が近付く方向に許容値以上に増大したと判断できる。この場合、弁体１７と弁座１５の間の圧縮応力が増大してクリープ変形を生じる危険性が高まるので、一旦、心棒１８の停止を解除して、弁体１７を弁座１５から一度開放した後、弁体１７を閉止側の設定として、再度、弁体１７が弁座１５に接触するようにする。上記所定の下限値は、事前に実験または計算により、クリープ変形が生じうる時の値を求め、その値を基準に、適宜安全係数を乗じる等して設定すればよい。
【０１２７】
この際、上のケースと同様に、接触スイッチ等の接触検出装置（図示せず）を駆動装置２１下端と断熱材１９の上端間に設けるなど簡易的な装置で、弁体１７と弁座１６との接触を検出できる。具体的には、この接触スイッチが通電した時点で、弁体１７が弁座１５に接触したものと判定して、心棒１８の停止手段を作動させて、心棒１８を停止させる。これにより、クリープ変形するような過度な過重が、反応容器１０周辺または心棒１８周辺の部材にかかることを、簡単な機構で防止することができる（対応Ｂ）。
【０１２８】
このように、原点との乖離温度差を管理し、原点との乖離温度差の上限と下限を設定し、原点との乖離温度差が上限値以上となった際には対応Ａを行い、下限値以下となった際には対応Ｂを行うことで、弁体１７と弁座１５の間に隙間を生じることを防止でき、且つ、心棒１８や弁体１７や弁座１５のクリープ変形も防止することができる。
【０１２９】
なお、接触スイッチは一般的な市販品を使用することができる。また、反応容器１０と心棒１８の間の温度差の上限値および下限値は、予め、試験や計算で求めておくことができ、適宜安全係数を乗じて設定することができる。また、対応Ａにおける弁体１７と弁座１５の間に隙間が生じたかどうかの判定は、上記温度差に替えて、接触スイッチ等の接触判定手段で代替することもできる。
【０１３０】
また、本実施形態では、上記対応Ａや対応Ｂを行って、心棒１８が停止した後も、心棒１８および反応容器１０の温度は、それぞれ上記の反応容器および心棒の温度測定装置によって常に計測される。
【０１３１】
また、対応Ａまたは対応Ｂの実施後には、弁体１７が弁座１５に接触して、心棒１８を固定した時点の反応容器１０と心棒１８の間の温度差を新たな原点の温度差として記録しておき、これ以降の原点との乖離温度差は、この新たな原点の温度差に基づいて算出することができる。
【０１３２】
また、図６のように、弁座１５が下方に設置されている場合、弁閉止状態で、心棒１８が温度上昇により熱膨張すると、弁体１７が弁座１５に押しつけられて圧縮応力が増大し、逆に心棒１８が温度低下により熱収縮すると、弁体１７が弁座１５から離れようとすることなり、図２とは逆の状況となるため、原点との乖離温度差が正となった場合には対応Ｂを行い、原点との乖離温度差が負となった場合には対応Ａを行うようにすればよい。
【０１３３】
（温度測定装置）
上記の反応容器１０と心棒１８の間の温度差を把握する温度測定装置は、例えば、反応容器１０の表面および心棒１８の表面にシース熱電対（図示せず）を設けることで実現できる。すなわち、シース熱電対の表面を反応容器１０の外表面および心棒１８の表面に接触させた状態で固定すればよい。反応容器１０内に設けられる心棒１８表面の熱電対の導線を反応容器外（反応炉外）まで引き出す方法として、例えば、心棒１８として管を用いて、この管内に上記導線を通すことが挙げられる。熱電対は、この心棒１８を構成する管の内面の所定位置（好ましくは、触媒層の近傍）に接触させればよい。あるいは、上記心棒１８を構成する管に貫通孔を設け、管の内側からこの貫通孔を通して熱電対を心棒外表面に露出させてもよい。心棒１８の少なくとも片側端は、駆動装置２１に接続させるように炉外に接続しているので、この心棒１８の端部を通して上記熱電対の導線を炉外に取り出して熱電対による温度計測値を測定すればよい。
【０１３４】
また、温度測定装置は、心棒１８の表面温度と、反応容器１０の表面温度とを、それぞれ経時的（連続的または断続的）に計測することができる。また、上述の対応Ａ、対応Ｂを行えるようにするため、各計測時点における心棒１８の表面温度と反応容器１０の表面温度との温度差を算出し、第１の計測時点での前記温度差（心棒−容器温度差）と第２の計測時点での前記温度差（心棒−容器温度差）との差である乖離温度差（＝「第２の計測時点での心棒−容器温度差」−「第１の計測時点での心棒−容器温度差」）も算出できることが好ましく、更に、算出した乖離温度差データを外部へ送信できることがより好ましい。この際、第１の計測時点での心棒−容器温度差が、原点での心棒−容器温度差の場合には、乖離温度差は、原点での乖離温度差となる。
【０１３５】
更にまた、温度測定装置は、触媒の温度を適切な範囲に維持するための操業上の管理計器として活用することもできる。もし、心棒１８の表面温度測定値が低下して、乖離温度差が所定の下限値よりも低くなった場合には、炉温設定をより高めることによって、触媒および心棒表面温度を上昇させることができる。
【０１３６】
（接触検出装置）
接触検出装置には、例えば、市販の接触スイッチを用いることができる。接触スイッチは、無負荷状態ではバネ等によって離れた位置に保持される２つの端子に対して、端子が接近する方向に所定量以上の荷重が与えられたとき、前記２つの端子が互いに接触して通電状態となることによって、接触（所定値以上の接触荷重の発生）の判定を行う検出器である。また、各種制御を行うため、検出された接触信号を、外部へ送信できるようにすることが好ましい。
【０１３７】
（心棒の軸方向の位置調整手段）
上記の心棒１８の軸方向の位置調整手段として、例えば、心棒１８とエアシリンダ間（より具体的には、例えば、駆動装置２１下端と断熱材１９の上端間）に市販の接触検出装置（図示せず）を設け、この検出値（心棒の軸方向の所定値以上の荷重の発生）を監視しながら、エアシリンダの各エア弁の開閉等を操作する装置を用いることができる。
【０１３８】
＜弁体１７と弁座１５の間に隙間が生じるのを防止する場合＞
具体的には、エアシリンダを封止状態とした後、心棒１８の前記接触検出装置が接触を不検出となった場合（接触信号が外部へ送信されなくなった場合）には、弁体１７が弁座１５から離れつつあるので、心棒１８の停止手段を解除した後、エアシリンダの閉止側のエア弁を高圧エア源に開放するとともにエアシリンダの開通用のエア弁を低圧エア源（例えば大気）に開放する。その結果、弁体１７（心棒１８）は、弁座１５により接近する側に移動して互いの接触力が上昇してやがて前記接触検出装置が接触を検出する。この時点で心棒１８の停止手段を作動させて心棒の位置を固定する（エアシリンダの封止状態）。このようにして弁体１７（心棒１８）と弁座１５間の非接触状態を回避できる。
【０１３９】
＜弁体１７と弁座１７の間に過度な圧縮応力が生じて心棒１８等がクリープ変形することを防止する場合＞
図２の装置の場合、このように接触検出装置が接触を検知した瞬間の心棒１８と反応容器１０との間の心棒−容器温度差（温度測定値差）を原点の温度差として算出して記録しておく。そして、その後の心棒−容器温度差と前記原点の心棒−容器温度差（乖離温度差）が、所定の下限値以下の負値になった場合（例えば、接触検知時の心棒−容器温度差：−２０℃を原点の心棒−容器温度差とし、心棒−容器温度の下限値の設定を−２１℃として（乖離温度差の下限値を−１℃と設定）、その後の温度測定において、心棒−容器温度差が−２１℃に達した場合、即ち、心棒１８の温度が反応容器１０の温度よりも２１℃低くなった場合）弁体１７と弁座１５間の接触荷重が過大と判定して、心棒１８の停止手段を解除する。その後、エアシリンダの閉止側のエア弁を低圧エア源に開放するとともにエアシリンダの開通用のエア弁を高圧エア源に開放する。その結果、弁体１７は、弁座１５から離れてやがて前記接触検出装置では接触を不検出となる。この時点で、心棒１８の移動方向を反転させて再度、前記接触検出装置が接触を検出した時点（検出した接触信号を外部へ送信した時点）で心棒１８の動きを停止して心棒１８の停止手段を作動させて心棒の位置を固定する（エアシリンダの封止状態）。このようにすることで、弁体１７と弁座１５間での過度な荷重の発生を回避することができる。なお、図６の装置の場合は、乖離温度差の下限値ではなく、乖離温度差の上限値で制御すればよい。
【０１４０】
このように、心棒１８の位置調整手段は、（ｉ）エアシリンダを封止状態とするために、弁体１７を移動して弁座１５に接触させる際は、接触検出装置から送信される検出信号を利用し、接触後に心棒１８を固定することで、位置制御できる。
【０１４１】
また、心棒１８の位置調整手段は、（ｉｉ）エアシリンダが封止状態となるように心棒１８を固定した後は、（ｉｉ−Ａ）接触検出装置により、接触不検出（接触信号を受信しなくなる）を判定して、弁体１７と弁座１５の間に隙間を生じるのを防止し、（ｉｉ−Ｂ）且つ、乖離温度差データの受信により、弁体１７と弁座１７の間に過度な圧縮応力が生じて心棒１８等がクリープ変形することを防止するという、位置制御を行うことができる。
【０１４２】
具体的な制御の方法としては、例えば、駆動装置２１に制御装置（図示せず）を組み込むことで行うことができる。この制御装置は、接触検出装置から送信される接触信号を受信して、閉止用エア弁と開通用エア弁とを操作できる。
【０１４３】
制御装置が組み込まれた駆動装置２１は、上記（ｉ）を行う際には、心棒１８を、弁体１７が弁座１５に接近する方向に移動させて、弁体１７が弁座１５に接触した際に接触検出装置から送信される接触信号を受信し、当該信号をトリガーとして、閉止用エア弁と開通用エア弁とを共に閉じてエアシリンダを封止状態として前記心棒の位置を固定して、弁体１７の移動を停止することができる。
【０１４４】
また、制御装置が組み込まれた駆動装置２１が上記（ｉｉ−Ａ）を行う際には、エアシリンダを封止状態とした後、前記接触検出装置から送信されていた接触信号が受信されなくなった時（弁体１７が弁座１５から離れつつある時）、心棒１８の停止手段を解除した後、エアシリンダの閉止側のエア弁を高圧エア源に開放するとともにエアシリンダの開通用のエア弁を低圧エア源に開放する。弁体１７は、弁座１５により接近する側に移動して互いの接触力が上昇し、やがて接触検出装置からの接触信号を受信する。この時点で心棒１８の停止手段を作動させて心棒の位置を固定する（エアシリンダの封止状態）。
【０１４５】
また、制御装置が組み込まれた駆動装置２１が上記（ｉｉ−Ｂ）を行う際には、エアシリンダを封止状態とした後、温度測定装置からの乖離温度差データを受信し、乖離温度差が所定の上限値以上となった際（図２のように心棒１８が収縮した際に弁閉塞方向となる場合）または所定の下限値以下となった際（図６のように心棒１８が膨張した際に弁閉塞方向となる場合）に、弁体１７と弁座１５の間に過度な圧縮応力が生じないように、心棒の停止状態を解除（エアシリンダの封止状態を解除）する。その後、エアシリンダの閉止側のエア弁を低圧エア源に開放するとともにエアシリンダの開通用のエア弁を高圧エア源に開放する。その結果、弁体１７は、弁座１５から離れてやがて前記接触検出装置では接触を不検出（駆動装置２１が接触信号を受信しなくなる）となる。この時点で、心棒１８の移動方向を反転させて再度、前記接触検出装置が接触を検出した時点（駆動装置２１が接触信号を受信した時点）で心棒１８の動きを停止して心棒１８の停止手段を作動させて心棒の位置を固定する（エアシリンダの封止状態）。
【０１４６】
また、上記の方法による心棒１８の軸方向の位置調整手段の場合、反応容器表面および心棒表面の温度測定装置だけでなく、接触スイッチ等の接触検出装置を追加する必要があるが、この温度測定装置での計測値を用いるだけで、上記の接触検出装置を省略することもできる。以下にその実施形態を説明する。
【０１４７】
まず、反応容器１０の表面と心棒１８の表面との間に温度差のない状態、例えば、常温において、弁体１７が弁座１５に好適な荷重で接触する位置で停止するように、エアシリンダの接触スイッチの設置位置等を調整する。次に、操業中の心棒１８と反応容器１０との温度差を計測し、弁体１７を弁座１５に接触させて保持する（閉止用の弁および開通用の弁をともに閉止した封止状態にする）。その後、この温度差が所定範囲を超える場合には、封止状態を一旦解除して心棒１８を弁体１７が弁座１５から離れる方向に移動させた後に再び封止状態とする（具体的形態は下述）。こうすることによって、弁体１７と弁座１５間の接触荷重を好適な範囲に維持することができる。本発明が前提とする反応器における心棒１８の軸方向の荷重の変動原因は、主として反応速度の変動による反応容器１０と心棒１８の間の温度差の変化によるものである。従って、この反応容器１０と心棒１８の間の温度差が所定範囲内であるかを観測すれば弁体１７と弁座１５の間の荷重（心棒の軸方向の荷重）変化を予測することができる。
【０１４８】
即ち、心棒１８を含む弁体１７の熱膨張量と反応容器１０を含む弁座１５の熱膨張量の差が弁体１７を弁座１５に接近する方向に変動した場合、熱膨張差に基づく弁体１７と弁座１５間の接触荷重は増加する。逆に、心棒１８を含む弁体１７の熱膨張量と反応容器１０を含む弁座１５の熱膨張量の差が弁体１７を弁座１５から離脱する方向に変動した場合、熱膨張差に基づく弁体１７と弁座１５間の接触荷重は低下する。このような荷重変化量は、心棒１８の温度と反応容器１０との温度差にほぼ比例することがわかった。この温度差と荷重の対応関係を用いて、許容される弁体１７と弁座１５間の荷重範囲を、許容される心棒１８と反応容器１０間の温度差の範囲に換算することができる。
【０１４９】
また、温度差が許容範囲外となった場合に心棒１８を移動させる量および方向は、上記の熱膨張量差による荷重変化を緩和するように設定する。即ち、弁体１７が弁座１５に接近する方向に熱膨張量差が変動した場合には、弁体１７が弁座１５から離脱する方向に心棒１８を移動させる。その移動量は、軸方向の熱膨張量差を目標にすることが好ましい。
【０１５０】
この心棒の移動量を調整する方法として、シリンダの停止位置を無段階に設定可能なシリンダである場合には上記熱膨張量差の長さ分の移動を直接、シリンダに指令すればよい。あるいは、心棒１８の移動開始後の所定時間後に移動を停止させてもよい。これは、心棒１８を移動させるときの熱膨張量差が一定ならば、好適な駆動装置２１の操作時間も一定値が見込まれるからである。
【０１５１】
当該実施形態の場合には、軸方向の位置調整手段は、上記の温度測定装置に、エアシリンダのエア弁開閉手段と、エアシリンダのエア弁の開閉タイミングを指示する制御装置とを組み合わせて構成することができる。上記制御装置には、例えば、センサやアクチュエータとの通信機能を備えた市販のハーソナルコンピュータ等を用いることができる。また、許容される弁体１７と弁座１５間の荷重範囲から、許容される心棒１８と反応容器１０間の温度差の範囲への換算は、予め、試験や計算で求めておくことができ、適宜安全係数を乗じて設定することができる。
【０１５２】
以上により、第１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全体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。
【０１５３】
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、触媒層１３の昇降中の多くの時間帯で（すなわち、心棒１８が閉塞位置に存在する時点を除き）、通気孔１６が開放される。このため、触媒層１３の昇降中には原料ガスが反応容器１０内に導入される。すなわち、原料ガスは、昇降中の触媒層１３に導入される。この場合、原料ガスは、触媒層１３内の夾雑物を除去することができる。特に、第１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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
さらに、第１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、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。
【０１５７】
さらに、第１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。
【０１５８】
また、第１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。
【０１５９】
（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。
【０１６０】
（原料ガス改質時）
原料ガスを改質する際には、触媒反応装置１を以下の内容で運転する。
心棒１８の運動状態：開放位置で停止
原料ガス流れ：原料ガスは、原料ガスの改質に適した空間速度（ＳＶ）で流れることが好ましい。
ここで、原料ガスの流速はブロワ５によって調整することが可能である。また、原料ガスの空間速度は、以下の数式（３）で示される。
ＳＶ＝［原料ガス流量］／［触媒総体積］      （３）
数式（３）において、原料ガス流量は体積流量（ｍ３／ｓ）であり、触媒総体積は、各触媒層１３の体積の総和（ｍ３）を意味する。分母の原料ガス流量には、原料ガスの改質によって生じた改質ガスの流量は含まれない。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。
【０１６１】
（夾雑物除去時）
夾雑物を除去する際には、触媒反応装置１を以下の内容で駆動する。
心棒１８の運動状態：開放位置１８ａ及び閉塞位置１８ｂの間を昇降（往復）する。
原料ガス流れ：原料ガスの流量は特に制限されない。例えば、原料ガスの流量は、原料ガス改質時の流速よりも大きくても小さくても良い。原料ガスの線速度ＬＶは、以下の数式（４）で示される。分母の原料ガス流量には、原料ガスの改質によって生じた改質ガスの流量は含まれない。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＝［原料ガス流量］／［反応容器の水平断面積］      （４）
【０１６２】
（原料ガスの流量を大きくする場合）
触媒層の昇降中のＬＶを大きく設定するほど、夾雑物の除去が促進される。特に、原料ガスの線速度（ＬＶ）は、下降流なので、０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上であることがより好ましい。これらの臨界値以上のＬＶにおいて、夾雑物の除去は、特に効果的に行われる。また、前記の臨界的なＬＶ値０．２ｍ／ｓ未満の値であっても、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、前記臨界値未満の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。
【０１６３】
原料ガスの流量を大きくする第１の方法は、ブロワ５の回転数及びバイパス弁６の開度を調整することである。たとえば、ブロワ５の回転数を大きくすることで、原料ガスの流量を増大させる。また、ブロワ５の回転数を一定としたままでバイパス弁６の開度を原料ガス改質時の開度よりも小さくすることで、原料ガスの流量を増大させる。後者の場合、原料ガス改質時にもバイパス弁６の開度を０より大きくしておく必要がある。なお、触媒層１３の昇降操作によって、反応容器１０内の通気抵抗が低下するので、ブロワ５の回転数及びバイパス弁６の開度を特に変更しなくても、触媒層１３の昇降中に通気を続ければ、次第に原料ガス流量が増大する。
【０１６４】
第２の方法は、原料ガス供給部がガス発生炉のように常に一定質量の原料ガスを発生させるものであることを前提として、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）を十分に長くすることである。第１の方法と第２の方法とを組み合わせてもよい。第２の方法によって原料ガスの流量が増大する理由は上述したとおりである。より詳細には、弁体１７が通気孔１６を閉塞している場合、反応容器１０内の原料ガス流量は０になる。ただし、原料ガス発生装置１００からの原料ガス供給は継続されるので、流入路１１の内圧は上昇する。一方、流出路１２の内圧は、ブロワ５の運転を続ければ徐々に低下し、ブロワ５の運転を止めた場合、その時点での内圧が維持される。いずれにしても、流出路１２の内圧（すなわち反応容器１０の内圧）が上昇することはない。
【０１６５】
したがって、弁体１７が通気孔１６を開放した際に、流入路１１と流出路１２との間の大きな内圧差によって大量の原料ガスが反応容器１０内に流入する。すなわち、反応容器１０内の原料ガス流量が増大する。ここで、流入路１１内に圧力計を設けておき、圧力計の値が所望の値になった際に心棒１８を速やかに開放位置まで移動させてもよい。このとき、流量調整部での流量目標値を、実際に見込まれる流量よりも充分に大きな値に設定しておけば、ブロワや流量調整弁が大きな流量用の設定になるのでよい。これによって、定常運転では得ることのできない大きさの所望の原料ガス流量を容易に実現することができる。
【０１６６】
ここで、上述したように、触媒層１３の下降中に触媒粒子間の間隙が大きくなり、触媒層１３内のガス流路が変動するので、夾雑物は触媒層１３から除去されやすい状態となっている。第２の方法では、夾雑物が触媒層１３から除去されやすい状態となっている際に大きな流量の原料ガスを触媒層１３に供給するので、触媒層１３からより効率よく夾雑物を除去することができる。
【０１６７】
尚、大きな原料ガス流量を触媒層に通気する場合、上述のように触媒層を昇降（往復）すると効果的ではあるものの、触媒の破損を最小化したい等の理由があれば、触媒層昇降（往復）を必ずしも行う必要はない。閉塞状態から弁を開放する際の心棒移動に伴う一方向のみの触媒層の移動であっても、例えば、約３０％の触媒層中堆積コークを除去することができ、圧力損失の低減を一定程度、期待できる。
【０１６８】
（原料ガスの流量を小さくする場合）
原料ガスの供給を完全に停止した後に供給を再開する際にはしばしば操業が不安定化することがある。この問題を回避するために、触媒層の昇降中にも原料ガスを供給し続けることがある。しかし、触媒層の昇降中に触媒層を通過した原料ガスの改質は、品質がばらつきがちなので、改質ガスの品質安定化の観点からは、操業を不安定化させない範囲で昇降中の原料ガスの流量をできるだける低減したい場合があり（改質中の改質ガスと昇降中の改質ガスは混合されて成品になるので、昇降中の改質ガスの割合を低下させる）、このためには、昇降時の原料ガスの流量を改質時よりも小さくすることが有効であり、このように操業してもよい。改質時の原料ガス流量では上記の夾雑物除去に好適なＬＶを満足することはできないので、より流量の小さい本操業条件の場合、夾雑物の除去能力は、原料ガス流量を大きくした場合に比べて劣る。但し、特許文献２と同程度の夾雑物除去効果を発揮することはできる。さらに、特許文献２の技術では必ずしも容易ではない、原料ガス流量の低減を、特に、下記の第２の方法では、心棒の昇降のみを用いた簡単な操作で実現することができる。
【０１６９】
原料ガスの流量を小さくする第１の方法は、ブロワ５の回転数及びバイパス弁６の開度を調整することである。たとえば、ブロワ５の回転数を小さくすることで、原料ガスの流量を減少させる。また、ブロワ５の回転数を一定としたままでバイパス弁６の開度を上げることで、原料ガスの流量を減少させる。第２の方法は、原料ガス供給部がガス発生炉等のガス発生装置のように常に一定質量の原料ガスを発生させるものであることを前提として、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ある。第１の方法と第２の方法とを組み合わせてもよい。
【０１７０】
第２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。このように、第２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、第２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、第１の方法を併用してもよい。
【０１７１】
（大気流入の遮断時）
何らかの原因で流入路１１に大気が流入した場合、大気を反応容器１０から遮断する必要がある。ここで、例えば原料ガス発生装置１００がコークス炉となる場合、石炭装入作業時およびコークス排出作業時には、コークス窯を大気に対して開放する必要がある。したがって、コークス窯が大気に開放された際に、流入路１１に大気が流入する。そこで、流入路１１に大気が流入した際には、心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止させることで、大気を反応容器１０から遮断する。
【０１７２】
なお、弁体１７が通気孔１６を閉塞している間、ブロワ５を停止してもよく、継続して駆動させてもよい。ただし、ブロワ５を停止すると操業が不安定化する可能性があるので、ブロワ５は継続して駆動されることが好ましい。ブロワ５を継続して駆動する場合、バイパス弁６を開放すればよい。この場合、バイパス弁６、バイパス管７、及びブロワ５からなる循環系をガスが循環するようになるので、ブロワ５を継続して駆動させることができる。
【０１７３】
また、本発明の反応器は、触媒活性を低下させる成分（例えば硫黄化合物）を含有するが夾雑物を副生しない炭化水素（例えば、天然ガス）の改質プロセスを対しても効果がある。触媒層内では触媒間の空間を均一に原料ガスが流れるわけではなく、原料ガスの通気しやすい流路とそれ以外の空間の差が生じる。この通気し易い流路に面した触媒表面では常に新鮮な原料ガスと接触するために触媒被毒が進行しやすい。コーキングを生じる反応の場合には、前述のように通気しやすい流路では次第にコーキングによって通気抵抗が増大して他の空間に流路が移動する効果が存在する。しかし、コークを副生しない反応では、いかに触媒被毒が進行しようともそこでの通気抵抗が上昇することはなく、失活した触媒表面を大半の原料ガスが通過する。このため、触媒層内で、通気の少ない触媒表面での活性は未だ十分残っていたとしても触媒層全体としての活性は大きく低下してしまう。ここで、触媒層の昇降を行うと、触媒層内の流路分布が変更されて、それまで通気の少なかった触媒表面（活性のより残っている表面）が通気しやすい流路に露出する確率が高まり、触媒層全体の活性を部分的に回復させることができる。この効果を狙って、触媒層を昇降させるためには、特許文献２でのような触媒層昇降機構を設ける必要があり、単純な固定床反応器に対して設備費が増大する問題がある。一方、本発明では、固定床反応器であっても求められる遮断弁の開閉機構を、触媒昇降を行うことに併用できるので、比較的簡易な設備で触媒層内の流路を変更することができる。尚、このように触媒層を撹拌する目的で触媒昇降を行う際には、触媒層への通気は、必ずしも必要ない。
【０１７４】
＜２．第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。
（１．全体構成）
全体構成は第１の実施形態と同様である。
【０１７５】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、図５に基づいて、第２の実施形態に係る触媒反応器２の詳細構成について説明する。第２の実施形態に係る触媒反応器２は、心棒１８の停止位置に中間位置が加わった他は、第１の実施形態と同様の構成を有する。図５（ｂ）は心棒１８の開放位置１８ａを示し、図５（ｃ）は心棒１８の閉塞位置１８ｂを示し、図５（ｄ）は心棒１８の中間位置１８ｃを示す。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５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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
駆動装置２１は、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。これにより、第２の実施形態では、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、第１の実施形態では、心棒１８を閉塞位置１８ｂと開放位置１８ａとの間で昇降させる。したがって、触媒層１３を昇降させている間のいずれかの時点で、原料ガスの流通が遮断される。したがって、原料ガスの流通が不安定になる場合がある。第２の実施形態では、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。これにより、夾雑物の除去中も触媒反応を安定して行うことができ、夾雑物をより効率よく除去することができる。
【０１７８】
（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。
【０１７９】
（原料ガス改質時）
原料ガスを改質する際には、触媒反応装置１を以下の内容で運転する。
心棒１８の運動状態：開放位置１８ａ（又は、中間位置１８ｃ）で停止
原料ガス流れ：原料ガスは、原料ガスの改質に適した空間速度（ＳＶ）で流れることが好ましい。
具体的な処理内容は第１の実施形態と同様である。
【０１８０】
（夾雑物除去時）
夾雑物を除去する際には、触媒反応装置１を以下の内容で駆動する。
心棒１８の運動状態：中間位置１８ｃ及び開放位置１８ｂの間を昇降（往復）する。
原料ガス流れ：原料ガスの流量は、特に制限されないが、原料ガス改質時の流量よりも大きくてもよい。ただし、原料ガスの線速度（ＬＶ）は０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上であることがより好ましい。原料ガスの流量を大きくする方法としては、例えば、上述した第１の実施形態で述べた方法が挙げられる。すなわち、第２の実施形態においても、例えば原料ガスの流量を増大させるために、心棒１８を一時的に閉塞位置１８ｂまで移動させても良い。
【０１８１】
（大気流入の遮断時）
第１の実施形態と同様に、心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止すればよい。
【０１８２】
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様の効果が得られる他、夾雑物除去時の原料ガス流れをより安定化させることができる。
【０１８３】
＜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）
全体構成は第２の実施形態と同様である。
【０１８４】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、図６に基づいて、第３の実施形態に係る触媒反応器２の詳細構成について説明する。第３の実施形態に係る触媒反応器２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６（ｂ）は心棒１８の開放位置１８ａを示し、図６（ｃ）は心棒１８の閉塞位置１８ｂを示し、図６（ｄ）は心棒１８の中間位置１８ｃを示す。
【０１８５】
第３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３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６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１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。
【０１８６】
第３の実施形態によれば、第１及び第２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２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。
【０１８７】
すなわち、第１及び第２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２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。
【０１８８】
これに対し、第３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２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。
【０１８９】
なお、図６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、大気が拡散等を通じて流入路１１から反応容器１０内に流入する可能性がある。もちろん、原料ガス発生装置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。
【０１９０】
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１及び第２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。
【０１９１】
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図６の例と同様である。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。
【０１９２】
ここで、本発明者らの調査の結果、鉛直上向きに原料ガスを供給すると、原料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。
【０１９３】
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）で原料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。
【０１９４】
すなわち、上昇力が重力より優越となる場合（例えば、より小さな粒子であるか、または、上昇風速のより大きい場合）、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（例えば、より大きな粒子、または、上昇風速のより小さい場合）、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５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。
【０１９５】
なお、他の実施形態（第１、第２、第４、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、原料ガスの線速度は０．４ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【０１９６】
（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２の実施形態と同様である。
【０１９７】
＜４．第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。
（１．全体構成）
図７に基づいて、第４の実施形態に係る触媒反応装置１ａの全体構成を説明する。触媒反応装置１ａは、第１の実施形態に係る触媒反応装置１に非反応性ガス供給装置３０、非反応性ガス遮断弁３１、及び非反応性ガス供給路３２を追加したものである。
【０１９８】
（非反応性ガス供給装置）
非反応性ガス供給装置３０は、非反応性ガスを触媒反応器２に供給する装置である。非反応性ガス供給装置３０は、例えばガスホルダやガスボンベ等で構成される。ここで、非反応性ガスは、触媒層１３と反応せず、触媒反応の反応温度・圧力条件において相変化を生じないガスであることが好ましい。このようなガスとしては、例えば、窒素ガス、アルゴンガス、精製コークス炉ガス（タールや水分を除去したコークス炉ガス）等が挙げられる。非反応性ガスは常温で触媒反応器２に供給されてもよい。非反応性ガスの供給は短時間で行われるので、常温の非反応性ガスによる触媒反応器２の温度低下は限定的となるからである。
【０１９９】
（非反応性ガス遮断弁）
非反応性ガス遮断弁は、非反応性ガスの供給、遮断を切り替えるための弁である。非反応性ガス遮断弁は、市販の電動弁・エアシリンダ弁等であればよい。また、非反応性ガス遮断弁は必ずしも高温に耐えられるものでなくてもよい。非反応性ガスは常温で供給されうるからである。
【０２００】
（非反応性ガス供給路）
非反応性ガス供給路３２は、触媒反応器２内に非反応性ガスを供給する。詳細は後述する。
【０２０１】
（２．触媒反応器の詳細構成）
次に、図８に基づいて、第４の実施形態に係る触媒反応器２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２は、非反応性ガス供給路３２が反応容器１０に連結されている他は、第１の実施形態と同様の構成を有する。図８（ｂ）は心棒１８の開放位置１８ａを示し、図８（ｃ）は心棒１８の閉塞位置１８ｂを示す。
【０２０２】
図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、弁座１５と触媒層１３との間から供給ガスを反応容器１０内に供給する。触媒層１３が複数層で構成される場合、非反応性ガス供給路３２は、流出路１２から最も離れた触媒層１３と弁座１５との間から非反応性ガスを反応容器１０内に供給する。
【０２０３】
第４の実施形態によれば、夾雑物除去に特化した非反応性ガスを夾雑物除去時（すなわち、触媒層１３の昇降中、又は、心棒１８の閉塞位置１８ｂ）に反応容器１０内に供給することができるので、より確実かつ効率的に夾雑物を除去することができる。
【０２０４】
（３．触媒反応方法）
次に、上記触媒反応装置１ａを用いた触媒反応方法、すなわち触媒反応装置１ａの運転方法を説明する。
【０２０５】
（原料ガス改質時）
原料ガスを改質する際には、触媒反応装置１を以下の内容で運転する。
心棒１８の運動状態：開放位置１８ｂで停止
原料ガス流れ：原料ガスは、原料ガスの改質に適した空間速度（ＳＶ）で流れることが好ましい。原料ガスに関する具体的な処理内容は第１の実施形態と同様である。
非反応性ガス流れ：０（非反応性ガス遮断弁３１は完全閉止状態となっている。）
【０２０６】
（夾雑物除去時）
夾雑物を除去する際には、触媒反応装置１を以下の内容で駆動する。
心棒１８の運動状態：閉塞位置１８ｂ及び開放位置１８ａの間を昇降（往復）する。
原料ガス流れ：非反応性ガスが反応容器１０内に供給されるので、原料ガスの流量は、原料ガス改質時の流量よりも大きく減少する。反応容器１０内の非反応性ガスの流量を大きくすることで、反応容器１０内への原料ガスの流入を完全に防ぐこともできる。この場合、非反応性ガスが通気孔１６を通って流入路１１側に逆流する可能性があるが、非反応性ガスの逆流量は流出路１２に流れる非反応性ガスの流量よりも十分小さい。したがって、逆流量は問題とならない。また、流入路１１近傍では、原料ガスの圧力と非反応性ガスの圧力とをほぼ一致させることができるので、非反応性ガスの流入路１１からの逆流を抑制することができる。特に、弁体１７が非反応性ガス供給路３２の触媒反応容器への非反応性ガス供給口よりも上に位置するときには弁体１７が非反応性ガスの通気抵抗として働くため、逆流はより強く抑制される。
非反応性ガス流れ：逆流抑制の観点から、非反応性ガスの供給は、弁体１７が上記非反応性ガス供給口よりも上に位置する間に供給することが好ましい。このような非反応性ガス供給流量制御は、駆動装置（心棒）の位置測定と非反応性ガス供給弁操作を組み合わせることで実現可能である。しかし、このような制御を省略したい場合には、非反応性ガスを駆動装置（心棒）の昇降中に常時供給してもよい。非反応性ガスの線速度（ＬＶ）は、０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上であることがより好ましい。ここで、非反応性ガスの線速度は、以下の数式（５）で示される。分母の非反応性ガス流量には、原料ガスの流量は含まれない。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＝[非反応性ガス流量]／[反応容器の水平断面積]      （５）
【０２０７】
ここで、非反応性ガス流量を大きくする方法としては、非反応性ガス遮断弁３１の開度を上げる、非反応性ガス供給装置３０の内圧を上げる等の方法が挙げられる。図８（ｃ）中の矢印Ｐ３は、非反応性ガスの非反応性ガス供給路３２内の流動方向を示し、矢印Ｐ４は、非反応性ガスの流出路１２内の流動方向を示す。
【０２０８】
また、本実施形態の夾雑物除去時のガスの線速度（ＬＶ）は、上述のように、非反応性ガスのみで０．２ｍ／ｓ以上であることが好ましく、０．４ｍ／ｓ以上であることがより好ましいが、原料ガスと非反応性ガスのトータルとして、０．２ｍ／ｓ以上であっても構わない。
【０２０９】
（大気流入の遮断時）
第１の実施形態と同様に、心棒１８を閉塞位置１８ｂで停止すればよい。
【０２１０】
なお、上述したように、第４の実施形態においても、流入路１１及び流出路１２の配置を逆転させてもよい。この場合、非反応性ガスの線速度は０．４ｍ／ｓ以上であることが好ましい。
【０２１１】
＜５．第５の実施形態＞
（１．全体構成）
全体構成は第１の実施形態と同様である。
【０２１２】
（２．触媒反応器の詳細構成）
つぎに、図９に基づいて、第５の実施形態に係る触媒反応器２ａの詳細構成を説明する。図９に示すように、触媒反応器２ａ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、弁座４５と、通気孔４６と、弁体４７と、心棒４８と、駆動装置４９とを備える。
【０２１３】
（反応容器等）
反応容器４０、流入路４１、流出路４２、触媒層４３、及び触媒保持器４４は特許文献２と同様の構成である。なお、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。
【０２１４】
（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。下方の開口は、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。上方の開口は、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。
【０２１５】
触媒反応器２ａ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。
【０２１６】
（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。
【０２１７】
（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）。
【０２１８】
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）。
【０２１９】
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）。
【０２２０】
（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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【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１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１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９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。
【０２２６】
（触媒層のアスペクト比）
上述した第１〜第４の実施形態と異なり、第５の実施形態では、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上述した第１〜第４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（６）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）      （６）
ここで、数式（６）における触媒層４３の厚さは、図２における水平方向の代表長さ（例えば、矩形断面の場合、長辺の長さと短辺の長さ）のうち最小のものを意味し、矩形断面の場合、例えば、触媒層４３の厚みは図９（ｃ）に記載のとおりである。また、反応容器１０の水平方向断面形状が円形の場合には、触媒層の直径を用いてアスペクト比を算出すればよい。
【０２２７】
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３層分以上であることが好ましい。触媒層４３は、上述した各実施形態と同様の触媒粒子で構成されればよい。
【０２２８】
（駆動装置）
駆動装置４９は第１〜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。すなわち、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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
駆動装置４９全体を、図９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。
【０２３１】
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（特に、次に説明する第２の実施形態のピン式保持器を用いる場合）、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。なお、昇降ストローク、昇降速度は第１〜第４の実施形態と同様であればよい。
（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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
（４．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１の実施形態と同様である。
【実施例】
【０２３５】
（実施例１）
つぎに、本発明の実施例１を説明する。実施例１では、触媒反応器２による効果を検証するため、夾雑物を含有した触媒層１３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。
【０２３６】
（模擬ガス）
常温常圧の空気を用いた。また、流量（流速）計の指示値を用いたＶＶＶＦブロワ回転数制御により模擬ガスの流量を調製した。これにより、触媒層１３の昇降中の模擬ガス線速度を所定値に維持した。
【０２３７】
（触媒反応器）
第３の実施形態に係る触媒反応器２（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。
【０２３８】
（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。
【０２３９】
（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。
【０２４０】
（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２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、以下の数式（７）に基づいて、夾雑物除去率（コーク除去率）を算出した。
夾雑物除去率＝１−（残留夾雑物質量／充填夾雑物質量）      （７）
【０２４１】
（圧損測定方法）
触媒反応器２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、夾雑物飛散速度と定義する。
【０２４２】
（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）における夾雑物飛散速度は、残留夾雑物質量の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（＝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。
【０２４３】
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。
【０２４４】
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２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。
【０２４５】
（実施例２）
（模擬ガス）
常温常圧の空気を用いた。また、流量（流速）計の指示値を用いたＶＶＶＦブロワ回転数制御により模擬ガスの流量を調製した。これにより、触媒層１３の昇降中の模擬ガス線速度を所定値（−０．４，−０．２，−０．１，０．１，０．２，０．４ｍ／ｓのいずれか）に維持した。なお、線速度の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、通常、触媒層１３中で約０．１ｍ／ｓ以下である。
【０２４６】
（触媒反応器）
第５の実施形態に係る触媒反応器２（図９）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、触媒層４３を１層（１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の高さは、１４０ｍｍであった。
【０２４７】
（夾雑物）
実施例１と同様の夾雑物を使用した。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。
【０２４８】
（駆動装置）
駆動装置４９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４９を用いて、心棒４８を中間位置と開放位置との間で昇降させた。昇降ストローク（中間位置と開放位置との間隔）を１５ｍｍとし、心棒４８を１００往復させた。心棒４８の上昇時の速度は５ｍｍ／ｓ、加工時の速度は１５ｍｍ／ｓとした。
【０２４９】
（夾雑物飛散量測定方法）
触媒層１３の下方に電子天秤を配置し、落下する夾雑物質量をリアルタイムで計測した。更に、流出路１２の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、サイクロンに貯留された夾雑物を回収した。そして、回収した夾雑物の質量を秤量し、時系列的な夾雑物飛散量および夾雑物飛散速度を算出した。さらに、冷間試験終了後に反応容器１０を分解し、触媒層１３を触媒層１３中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。その後、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（７）に基づいて、夾雑物除去率（コーク除去率）を算出した。
【０２５０】
（試験結果）
試験結果を図１０に示す。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。
【０２５１】
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の好ましい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。したがって、原料ガスを特に増速せずに触媒保持器１４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、改質時にはなしえない、ＬＶが０．４ｍ／ｓ以上または−０．２ｍ／ｓ以下となる模擬ガス（原料ガス）を触媒保持器１４の昇降時に触媒層１３に供給させれば、夾雑物除去性能が大幅に向上することがわかった。
【０２５２】
模擬ガスの線速度が０ｍ／ｓとなる場合、夾雑物除去率は６５％であった。したがって、一定の夾雑物除去性能を発揮したものの、実施例１には劣る結果であった。一方、模擬ガスの線速度が下向きで臨界速度（０．２ｍ／ｓ）以上となる場合、実施例１に近い夾雑物除去率が得られた。従って、実施例１において高い夾雑物除去性能が得られた主な理由は、臨界速度以上の模擬ガスを触媒層１３に供給したことであることがわかった。また、本発明において、臨界速度未満の気流を付与して触媒層昇降を行っても、本比較例でのＬＶ＝０ｍ／ｓ条件と同程度の、一定の夾雑物除去性能の得られることがわかった。また、試験末期（１００回目の昇降サイクル直前）での夾雑物飛散速度はいずれの試験においても残留夾雑物質量の約１％／昇降サイクル以上の高い値を示し、本発明では長期間の昇降サイクル後においても効率的に夾雑物を除去可能なことがわかった。
【０２５３】
なお、図１０において、模擬ガスの線速度が上向き０．２ｍ／ｓとなる場合、夾雑物除去率は、線速度が上向きで０．１ｍ／ｓとなる場合（石炭乾留ガス改質時の線速度）よりも劣る。しかし、この場合、直径数十μｍ程度の夾雑物を主体に約２質量％を上方に飛散させて触媒層１３から除去することができた。なお、夾雑物の直径は、例えば回収した夾雑物を顕微鏡観察することで測定可能である。このような夾雑物は、触媒保持器１４と反応容器１０の内壁面との間の狭い隙間に侵入しやすく、触媒層１３の昇降の妨げになる場合がある。したがって、これらの夾雑物は、特に触媒層１３から除去することが好ましい。すなわち、模擬ガス（原料ガス）の線速度が上向き０．２ｍ／ｓとなる場合、触媒層１３の昇降の妨げになる場合がある夾雑物を効率的に除去することができるといえる。したがって、そして、従来の石炭乾留ガス改質時には、原料ガスの線速度が上向き０．２ｍ／ｓとなることはないから、本発明を用いる必要がある。
【０２５４】
（実施例３）
第５の実施形態に係る触媒反応器２ａを用い、触媒層１３のアスペクト比を実施例１の１／２に設定し、これ以外を実施例１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（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１では、触媒層１３の高さを反応容器半径（内壁）−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１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１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２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１と同様の触媒反応器２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５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、触媒反応器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１と同様の触媒反応器２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）冷間試験完了後に再び（１）と同様の試験を実施し、飛散夾雑物質量（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。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】
（比較例２）
実施例３と同様の触媒反応器２を使用した。但し、触媒層４３の昇降は、行わない。通気も行わない。触媒層４３の下に電子天秤を配置して夾雑物落下量（即ち夾雑物飛散量）の時間推移を測定した。反応器外部をハンマによって打撃した（計３００打撃）。
【０２６３】
（試験手順）
打撃中の夾雑物落下量を実施例１でと同様に測定した。触媒層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。
【０２６４】
（試験結果）
夾雑物除去率（上記で回収された夾雑物の総質量を上記の充填夾雑物質量除算した値）は、３０％であり、実施例３には劣る。末期（２７１回目から３００回目までの打撃の期間）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、触媒層１３に単に振動を与えただけでは高い夾雑物除去性能はえられず、少なくとも触媒層を昇降させることが夾雑物除去性能確保のためには必要であることがわかった。以上の結果から、本発明による触媒層からの夾雑物除去能力の高いことがわかった。
【０２６５】
（実施例５）
実施例１と基本的に同じ構造の反応器を用い、粗ＣＯＧを原料ガスとして改質試験を行った。粗ＣＯＧには、コークス炉から発生したタールを含有するコークス炉ガスを用い、改質ガスの処理にはスクラバを用いてタールおよび水蒸気の大半を除去した後、改質ガスをガスホルダに回収した。反応器は、ガス加熱炉内に設置し、反応容器外面の温度が８００℃となるようにガス加熱炉内温度を制御した。反応器構造に関する実施例１との違いは次の通りである。
【０２６６】
反応器は、直径２００ｍｍの反応筒を７本並列に配置した。改質反応の初期に、前記反応器のうち１本の反応器を閉止するために、当該反応器の心棒１８を下端まで下降した。この際、心棒１８の下端位置において心棒１８に接続する弁体１７が反応容器１０に接続する弁座１５に接触する位置で心棒１８を停止した。心棒１８の停止手段では、まず、エアシリンダのエア弁を全て封止状態にした後、エア弁のブレーキを作動させて心棒１８の位置を固定した。また、心棒１８の下端での停止には、下端相当の接触スイッチとは無関係に、エアシリンダの下降側エア弁、すなわち閉止用のエア弁を高エア源に開放し、かつ、上昇側エア弁、すなわち開通用のエア弁を低圧エア源（ここでは大気）に開放し、エアシリンダ内の圧力が所定値以上になった時点で心棒１８の停止手段を作動させた。この際の所定値は、心棒１８の自重（心棒本体の重量および心棒に接続する触媒保持器の保持する触媒重量）よりも大きく、かつ、エアシリンダの閉止用のエア弁を高圧エア源に開放するとともに開通用のエア弁を低圧エア源に開放した状態で長時間保持した場合に到達最終的にする心棒１８の軸方向荷重（エアシリンダの有効断面積×高圧エアの圧力）よりも小さい荷重に設定した。
【０２６７】
この状態で心棒１８をエアシリンダのブレーキを用いて停止したことにより、弁体１７は弁座１５に十分接触して当該反応容器１０におけるガスの通気を妨げる（即ち、当該反応容器１０を閉止する）とともに、心棒１８の軸方向の荷重をクリ−プを生じない程度に設定できた。また、改質反応中に心棒１８と反応容器１０間の温度差が所定値である３０℃以上拡大（心棒温度が３０℃低下した）したので、エアシリンダのブレーキを解除して弁体１７が再び弁体１５に十分接触するように心棒１８を下降させた後、再びエアシリンダのブレーキを作動させて心棒１８を停止した。この際、心棒１８の移動には、エアシリンダの開通用のエア弁を高圧エア源に開放するとともに閉止用のエア弁を低圧エア源に開放することによって行った。こうしたことで、当該反応容器１０は、試験中に閉止状態を維持できた。たま、試験終了後の解体調査の結果、当該反応容器１０のクリープ変形は認められず、反応容器１０の熱変形をも防止することができた。
【０２６８】
閉止した以外の上記の反応器を用いて改質試験を行った結果、反応器の流入管１１と流出管１２の間の差圧が１ｋＰａになる圧力損失を生じたが、当該差圧を検知した後、上記の閉止した反応器以外のすべての反応器での心棒１８の位置を上端位置と中間停止位置の間で３往復の昇降を実施した。その結果、この差圧をほぼ０Ｐａまで削減することができ、夾雑物除去との両立も図ることができた。
【０２６９】
このように本発明では、原料ガスの流量を大きく調整できた。本実施例における初期の駆動機構上端位置は改質操業に相当し、その期間の流速は、臨界値未満であった。その後の昇降操作（夾雑物除去操業に相当）によって、高い夾雑物除去性能の得られる、臨界値以上の流速での触媒層昇降を一時的に得ることができた。
【０２７０】
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】
【０２７１】
１      触媒反応装置
２      触媒反応器
３      粉塵回収器
４      冷却装置
５      ブロワ
６      バイパス弁
７      バイパス管
１０      反応容器
１１      流入路
１２      流出路
１３      触媒層
１４      触媒保持器
１５      弁座
１６      通気孔
１７      弁体
１８      心棒
２１      駆動装置
【図１】
0006789462.tif 000002
【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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【図１０】
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