(57)【要約】【課題】複雑な構造が必要である蓄熱式燃焼装置を用いることなく、反応管の加熱温度を均一化することができるコンパクトな改質装置を提供する。【解決手段】原料ガス１を改質して改質ガス３を生成するための改質触媒１２と、該改質触媒１２を充填した反応管１１と、該反応管１１の少なくとも一部の外周を覆うように設けたシース管１７と、該反応管１１を加熱するためのバーナ１５とを含み、該反応管１１と該シース管１７との間に空間２０を設け、該バーナ１５の燃焼ガスが該空間２０を流れて改質装置１０内から排出されるようにした。【選択図】　　　図１
2004137116.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料ガスを改質して改質ガスを生成するための改質触媒と、該改質触媒を充填した反応管と、該反応管の少なくとも一部の外周を覆うように設けたシース管と、該反応管を加熱するためのバーナとを含み、
該反応管と該シース管との間に空間を設け、該バーナの燃焼ガスが該空間を流れて装置内から排出されるようにした改質装置。
【請求項２】
上記反応管の外面にフィンを設けた請求項１に記載の改質装置。
【請求項３】
上記シース管に覆われた反応管が少なくとも３列に設置された一組の反応管列を構成しており、該反応管列に沿って複数の上記バーナを配置した請求項１又は２に記載の改質装置。
【請求項４】
上記バーナの燃焼用空気の一部又は全部に燃料を添加して燃焼させて高温ガスを得る直接式加熱器と、該高温ガスを上記バーナに供給するための配管とを更に含んでなる請求項１〜３のいずれかに記載の改質装置。
【請求項５】
上記バーナに供給する燃焼用空気の一部又は全部を上記燃焼排ガスにより予熱する熱交換器と、該熱交換器で予熱された燃焼用空気に燃料を添加して燃焼させて高温ガスを得る直接式加熱器と、該高温ガスを上記バーナに供給するための配管とを更に含んでなる請求項１〜３のいずれかに記載の改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガスなどの炭化水素を原料として、反応管内に充填した改質触媒により改質反応を行い、Ｈ２やＣＯ等を含有する改質ガスを製造する改質装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の改質装置の概略的な平面図を図５に示す。また、図５のＶＩ−ＶＩ線における側断面図を図６に示す。図５及び図６に示すように、従来の改質装置５０には、改質触媒５２を充填した複数の反応管５１を１列に配置した反応管列５３が複数設けられている。反応管列５３同士の間には、複数の燃焼用バーナ５５が設けられている。このような構成によれば、先ず、燃焼用バーナ５５を燃焼させて、バーナ５５の燃焼ガスの輻射伝熱を利用して反応管５１を外側より加熱する。そして、反応管５１の上端から炭化水素とスチームを含む原料ガス１を供給することにより、反応管５１内で吸熱反応である改質反応が起こり、反応管５１の下端から改質された改質ガス３を得ることができる。燃焼用バーナ５５は、図５及び図６に示すように改質装置内の上壁に設置してもよいし、底壁又は側壁に設置してもよい。
【０００３】
また、燃焼用バーナに供給する燃焼用の空気を予熱してから燃料と燃焼させる高温空気燃焼法を採用することで、反応管を３列又は４列に配置して一組の反応管列とし、この反応管列の両側に沿って複数の燃焼用バーナを設ける構成の改質装置も開発されている（例えば、特許文献１等を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１１−１７９１９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５及び図６に示した従来の改質装置５０は、バーナ５５の燃焼ガスの輻射伝熱を主体として反応管５１を加熱する構造となっているので、バーナ５５からの燃焼排ガスの火炎５６と反応管５１との幾何学的な配置に制限がある。そのため、各反応管列５３を１列から複数列に反応管５１を増やすとともに、反応管５１同士のピッチを狭くして、装置のコンパクト化を図る場合、バーナ５５から離れた位置の反応管５１には輻射伝熱が作用しにくいため、十分な改質反応が進行しないという問題がある。よって、従来の改質装置５０のような構造では、反応管５１を最大でも２列に配置して１組の反応管列５３を構成するのが限界であり、装置のコンパクト化は困難である。
【０００６】
一方、特開平１１−１７９１９１号公報も、バーナの燃焼ガスの輻射伝熱を主体として反応管を加熱する構成となっているが、高温空気燃焼法により燃焼ガスの温度を均一化することができるので、反応管を３列又は４列に配置して１組の反応管列にしても改質反応を促進することができることが開示されている。しかしながら、特開平１１−１７９１９１号公報に記載の高温空気燃焼法は、蓄熱式燃焼装置を用いて行なわれており、燃焼ガスを蓄熱式燃焼装置の蓄熱体を通して炉外に排出し、蓄熱体の顕熱で加熱した燃焼用空気を用いて燃焼を行なうという方式である。この方式では、蓄熱式燃焼装置に燃焼ガスと燃焼用空気を交互に供給するように制御する必要があり、配管構造等が複雑になってしまうという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は、上記の問題点を鑑み、複雑な構造が必要である蓄熱式燃焼装置を用いなくとも、反応管の加熱温度を均一化することができるコンパクトな改質装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る改質装置は、原料ガスを改質して改質ガスを生成するための改質触媒と、該改質触媒を充填した反応管と、該反応管の少なくとも一部の外周を覆うように設けたシース管と、該反応管を加熱するためのバーナとを含み、該反応管と該シース管との間に空間を設け、該バーナの燃焼ガスが該空間を流れて装置内から排出されるようにしたものである。
【０００９】
このように反応管の外周をシース管で覆い、この反応管とシース管の間の空間を通って、バーナの燃焼ガスを改質装置から排出する構成にすることで、反応管の外周を流れる燃焼ガスの流速を大きくすることができる。したがって、燃焼ガスの対流伝熱による反応管の加熱が促進されるので、燃焼ガスの輻射伝熱が十分に作用されない位置に設けられた反応管においても、対流伝熱により改質反応に十分な温度まで加熱することができ、改質装置内の反応管の加熱温度を均一化することができる。
【００１０】
上記反応管の外面には、フィンを設けることができる。これにより、反応管とシース管との間の空間を流れる燃焼ガスの流速をより大きくすることができるので、燃焼ガスの対流伝熱をより促進することができる。
【００１１】
また、複数の上記シース管に覆われた反応管は、少なくとも３列に設置された一組の反応管列を構成することができ、この反応管列に沿って複数の上記バーナを配置することができる。
【００１２】
上述したように、本発明によれば、燃焼ガスの対流伝熱により反応管の加熱を促進することができるので、バーナから離れた位置の反応管においても、加熱温度を均一化することができる。したがって、反応管を３列以上に配置して一組の反応管列にしても、十分な改質反応を進行させることができるので、改質装置をコンパクト化することができる。また、対流伝熱を促進し壁面からの熱流束を大きくすることで、反応管そのものの長さも低減することができる。
【００１３】
本発明に係る改質装置は、上記バーナの燃焼用空気の一部に上記バーナ用の燃料の一部を添加して燃焼させて高温ガスを得る直接式加熱器と、該高温ガスを上記バーナに供給するための配管とを更に含むことができる。
【００１４】
このように直接式加熱器によりバーナの燃焼用空気を予熱することで、高温空気燃焼を行うことができる。高温空気燃焼とは、燃焼用空気を、例えば、８００〜１０００℃以上の高温まで予熱するとともに酸素濃度を約１５〜１０％以下に低減し、これを燃料とともに燃焼することで、バーナの燃焼ガスの温度を均一にすることができる技術である。したがって、高温空気燃焼により改質装置内の燃焼ガスの温度分布が均一化されるので、各反応管の加熱温度をより均一にすることができる。
【００１５】
さらに、本発明に係る改質装置は、上記バーナに供給する燃焼用空気の一部又は全部を上記燃焼排ガスにより予熱する熱交換器と、該熱交換器で予熱された燃焼用空気に燃料を添加して燃焼させて高温ガスを得る直接式加熱器と、該高温ガスを上記バーナに供給するための配管とを更に含むことができる。
【００１６】
このように、バーナの燃焼用空気を、改質装置から排出された燃焼排ガスにより予熱してから、直接式加熱器で燃焼することによって、燃焼排ガスが有する熱エネルギーを回収し、有効活用することができ、改質装置の省エネルギー化を促進することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明に係る改質装置の一実施の形態を示す概略的な側断面図である。また、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ線における平面図である。図１及び図２に示すように、改質装置１０内には反応管１１が垂直に設置されており、反応管１１の上端と下端は、改質装置１０内の上壁と底壁にそれぞれ固定されている。反応管１１には、天然ガスなどの炭化水素をＨ２及びＣＯを含む改質ガスに改質する改質触媒１２が充填されている。このような反応管１１が改質装置１０内に複数設けられており、各反応管１１は並列に設置されている。
【００１８】
なお、図１及び図２には、複数の反応管１１を３列に配置して１組の反応管列１３を構成するものを示したが、本発明はこの実施の形態に限定されず、反応管１１を１列、２列又は４列以上に配置して１組の反応管列１３を構成してもよいし、また、反応管列１３を改質装置１０内に２組以上設けてもよい。
【００１９】
反応管１１の外側には、反応管１１の外径よりも大きい径を有するシース管１７が、反応管１１の長さ方向の中央部分の外周を覆うように設置されている。反応管１１の外径は、例えば、１００〜１５０ｍｍが好ましく、シース管の内径は、例えば、１１０〜２００ｍｍが好ましい。反応管１１とシース管１７との間には、燃焼ガスの流路となる環状の空間２０が形成されており、環状部における燃焼ガスの圧力損失を考慮してシース管の径を決定する必要がある。
【００２０】
また、改質装置１０内には、改質装置１０内を上下の２つの空間に仕切る仕切板１８が水平に設けられている。この仕切板１８には、シース管１７の上端が固定されている。この仕切板１８とシース管１７と改質装置１０内の底壁と側壁とによって、燃焼室１９が構成されている。仕切板１８にはシース管１７の径と同じ径の穴が設けられており、この穴を介して反応管１１が仕切板１８を貫通している。シース管１７の下端は、改質装置１０内の底壁と接しておらず、これにより、環状の空間２０を燃焼室１９に連通させて、環状の空間２０を燃焼室１９からの燃焼ガスの出口流路とする。
【００２１】
反応管列１３の両側には、反応管１１を加熱するため、複数のバーナ１５が設けられている。バーナ１５は仕切板１８に設けられており、バーナ１５の火炎１６が仕切板１８の下の燃焼室１９に形成される。
【００２２】
反応管１１の上端には、原料ガス１を各反応管１１内に導入するための入口マニホールド２１が設けられており、入口マニホールド２１は、原料ガス源（図示省略）と繋がっている。また、各反応管１１の下端には、改質ガス３を各反応管１１から回収するための出口マニホールド２３が設けられており、出口マニホールド２３は、メタノールなどを合成する合成系など（図示省略）に繋がっている。なお、反応管１１の下端から原料ガス１を導入し、上端から改質ガス３を回収してもよい。
【００２３】
このような構成によれば、先ず、バーナ１５を起動することにより、バーナ１５から燃焼ガスが燃焼室１９内に生成される。この燃焼ガスの輻射伝熱により反応管１１が加熱される。また、燃焼室１９内の燃焼ガスは、出口流路である環状の空間２０内を下から上に速い流速で流れるので、燃焼ガスの対流伝熱によっても反応管１１が加熱される。燃焼ガスは環状の空間２０を通った後、改質装置１０から排出される。このように、輻射伝熱の他、対流伝熱を促進することで、バーナ１５から離れた位置の反応管、例えば、３列ある反応管列１３のうち、中央の列の反応管に対しても、バーナ１５と隣接した反応管と同様な温度まで加熱することができる。すなわち、反応管列１３を３列以上にした場合であっても、全ての反応管１１の加熱温度を均一化することができる。
【００２４】
反応管１１を十分な温度まで加熱した後（例えば、５００〜７００℃）、入口マニホールド２１を介して、各反応管１１内に炭化水素とスチームを含む原料ガス１を供給する。反応管１１は燃焼ガスの対流伝熱により均一に加熱されているので、全ての反応管１１内で、吸熱反応である改質反応（例えば、ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ）が進行し、Ｈ２及びＣＯを含む改質ガス３が生成する。生成した改質ガス３は、出口マニホールド２３を介して回収され、次の工程（図示省略）へ送られる。
【００２５】
このように、反応管１１をシース管１７で覆い、反応管１１とシース管１７との間の環状の空間２０を、燃焼室１９内の燃焼ガスの出口流路とすることで、反応管１１の外周を流れる燃焼ガスの流速が大きくなり、燃焼ガスの対流伝熱を促進することができる。したがって、反応管列１３を３列以上にしても、バーナ１５から離れた位置の反応管１１を対流伝熱により十分に加熱でき、改質反応を進行させることができる。すなわち、反応管列１３を３列以上にすることが可能となるので、反応効率の向上及び改質装置１０のコンパクト化を達成することができる。また、反応管壁面への熱流束の増大により、反応管１１自体の長さも低減することができる。なお、反応管１１の外面にフィンを取り付けて伝熱を促進することもできる。
【００２６】
なお、図１では、バーナ１５を仕切板１８に設けたが、本発明はこのような実施の形態に限定されず、図３に示すように、バーナ１５を改質装置１０内の底壁に設けてもよい。この場合でも、燃焼室１９と環状の空間２０とは、シース管１７の下端で連通させることが好ましい。これにより、燃焼ガスは、上昇気流により環状の空間２０内を下から上に速い流速で流すことができる。なお、シース管１７の上端で連通させても、また、シース管１７の外周面に貫通穴を設けて連通させてもよい。
【００２７】
図４は、本発明に係る改質装置の一実施の形態であって、高温空気燃焼法を用いる場合を示す概略図である。なお、図１及び図２と同様の構成については同一の符号を付し、これらの詳細な説明は省略する。なお、図４では１列の反応管列を示したが、図１及び図２と同様に３列の反応管列にしてもよいし、それ以上の列の反応管列にしてもよい。
【００２８】
図４に示すように、改質装置１０は、燃焼室１９から反応管１１とシース管１７との間の環状の空間２０を通って排出された燃焼排ガス９により燃焼用空気７を加熱する熱交換器３０と、熱交換器３０により加熱された燃焼用空気７に燃料６を添加して燃焼し高温ガス８を得る直接式加熱器４０とを備えている。そして、直接式加熱器４０で得られた高温ガス８とバーナ用燃料５とが、バーナ１５に供給されるように構成されている。
【００２９】
このような構成によれば、先ず、熱交換器３０では、燃焼室１９から環状の空間２０を通って排出された燃焼排ガス９により、燃焼用空気７が加熱される。この熱交換器３０で加熱された燃焼用空気７は、直接式加熱器４０に供給される。直接式加熱器４０では、この燃焼用空気７に直接式加熱器用の燃料６を添加して燃焼することで、約１０００℃の温度で低酸素濃度の高温ガス８が生成される。この高温ガス８は、バーナ用燃料５とともにバーナ１５に供給される。
【００３０】
バーナ１５では、約１０００℃と高温でかつ低酸素濃度の空気が供給されることで、高温空気燃焼が起こる。高温空気燃焼により、バーナ１５の燃焼ガスの局所的な温度上昇などが抑えられるので、燃焼室における温度分布が均一化される。このため、全ての環状の空間２０に、均一な温度の燃焼ガスが流れ、反応管１１の加熱温度がより均一化される。したがって、反応管１１とバーナ１５の幾何学的な位置の制約を受けず、改質装置１０内の全ての反応管１１の改質反応をより均一に進行させることができる。すなわち、一組の反応管列の列数をより増加させることができるので、反応効率及び改質装置のコンパクト化をより向上させることができる。
【００３１】
なお、図４では、直接式加熱器４０で得た高温ガス８をそのままバーナ１５に供給しているが、高温ガス８の酸素濃度を調節するため、燃焼用空気を適宜混合してからバーナ１５に供給してもよい。このとき混合する燃焼用空気は、熱交換器３０で加熱した燃焼用空気７の一部を用いることで、高温ガス８の温度低下を防ぐことができる。また、熱交換器３０を用いずに、直接式加熱器４０のみでも所定の温度の高温ガス８を得ることもできるが、熱交換器３０で燃焼用空気７を予熱することで、燃焼排ガス９の熱エネルギーを有効利用することができ、省エネルギー化を図ることができる。
【００３２】
【発明の効果】
上記したところから明らかなように、本発明によれば、複雑な構造が必要である蓄熱式燃焼装置を用いなくとも、反応管の加熱温度を均一化することができる改質装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る改質装置の一実施の形態の概略を示す側断面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における平面図である。
【図３】本発明に係る改質装置の他の実施の形態の概略を示す側断面図である。
【図４】本発明に係る改質装置の一実施の形態であって、高温空気燃焼法を用いた場合を示す概要図である。
【図５】従来の改質装置の概略を示す平面図である。
【図６】図５のＶＩ−ＶＩ線における側断面図である。
【符号の説明】
１　　原料ガス
３　　改質ガス
５　　バーナ用燃料
６　　燃料
７　　燃焼用空気
８　　高温ガス
９　　燃焼排ガス
１０　改質装置
１１　反応管
１２　改質触媒
１３　反応管列
１５　バーナ
１６　火炎
１７　シース管
１８　仕切板
１９　燃焼室
２０　環状の空間
２１　入口マニホールド
２３　出口マニホールド
５０　改質装置
５１　反応管
５３　反応管列
５５　バーナ
５６　火炎
【図１】
2004137116.tif 000003
【図２】
2004137116.tif 000004
【図３】
2004137116.tif 000005
【図４】
2004137116.tif 000006
【図５】
2004137116.tif 000007
【図６】
2004137116.tif 000008