(57)【要約】【課題】  水素ステーション用の水素製造装置はその建設費が高いことが課題でありそのコストダウン対策の一つとして旧来の外部加熱式反応管を使用した改質反応器に対してラジアントチューブバーナを使用した内部加熱式の水素製造法が提案されている。このＲＴＢ付き改質反応器には多数の高価なＲＴＢが必要であり改質反応器製造コストの大幅なコストダウンの障害となっている。【解決手段】  改質反応器に別置きのオフガス燃焼炉を設置することで、高価なＲＴＢの数を減らすと共に燃料となるオフガスの発熱量や伝熱管のサイズ、長さの選定に際しての制約なくし伝熱管の最適設計を行い反応器のコストダウンを図る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
側壁とパンチメタルあるいは金網で出来た二つの相対する触媒保持材１０２、１０３に囲まれた空間に改質触媒１０７を充填し、その充填層内に複数の伝熱管１０１を配備した改質反応器１００と改質後の反応ガスから水素を分離回収した残りのオフガスを主燃料として１２００℃乃至１４００℃の燃焼ガスを発生させるオフガス燃焼炉２００を当該改質反応器の片側（あるいは両側）に隣接して配備し、発生した高温燃焼ガスをその充填層内の伝熱管群に燃焼ガス導入ダクト３００を介して導入することにより炭化水素ガスに水蒸気を加えた混合ガス（以下原料ガスという）を改質反応温度（６５０℃乃至７５０℃）まで加熱し改質触媒の存在のもと原料ガスを改質することを特徴とする改質反応器。
【請求項２】
高温燃焼ガスが直接伝熱管取付け部に接触しないようにセラミックなどの耐熱材でできたガス入口挿入短管１０４を取り付けることを特徴とする改質反応器。
【請求項３】
改質反応器の表面に電熱ヒータ１０６を配備することにより、反応器が一時的に停止した場合においても反応器外壁温度を露点以上に保持できるようにすることを特徴とする改質反応器。
【請求項４】
触媒保持材として原料ガス入口側保持材１０２はＳＵＳ３０１Ｓなどのステンレス製パンチメタルあるいは金網を、反応ガス出口ガス側保持材１０３にはＳＣＨ２２などの耐熱合金製のパンチメタルあるいは金網を使用することを特徴とする改質反応器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、炭化水素ガスに水蒸気を加えたガス（以下原料ガスという）を加熱して改質  を行い生成した水素を分離回収する水素製造装置に使用される改質反応器に関する。
【背景技術】
【０００２】  水素ステーション用の小型水素製造装置の開発が世界的な規模で行われている。【０００３】  小型水素製造装置の主要機器である改質反応器には伝熱管内に改質触媒を充填し、当該充填層に原料ガスを通し、伝熱管の外側から高温燃焼ガスにより改質反応熱を伝える旧来の外部加熱方式と新しく提案されている触媒充填層にラジアントチューブバーナを挿入し、ラジアントチューブ（伝熱管）を使用して原料ガスに改質反応熱を伝える内部加熱方式とがある。【０００４】  ラジアントチューブバーナ方式の場合、運転圧力が常圧に近く付帯機器のコストダウンが期待されている。
【特許文献１】特開２０１２−２１８９６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  水素ステーション用水素製造装置で製造される水素は車の燃料としての利便性は兎も角、価格がガソリンと比較されるために、水素製造に要するコストが特に重要であり、加熱方式の違いによる性能やランニングコストに大差がないとすれば装置建設費の差が大きく水素製造コストに影響を与えるので如何に建設費を抑えられるかが課題である。【０００７】  旧来の外部加熱方式の改質反応器は伝熱管（反応管）内を通過するガス流速を抑えるために原料ガスを１．０ＭＰａ前後まで昇圧する必要がありそのために付帯機器は高圧対応が必要となりコストが嵩むという課題がある。【０００８】  新しく提案されている内部加熱方式の改質反応器は、ラジアントチューブバーナ（以下ＲＴＢという）を使用して運転圧力を低下させることにより付帯機器のコストダウンを図ることができるけれども、バーナの処理能力、必要伝熱面積、反応器形状等の制約により水素ステーション用水素製造装置の規模を対象にした場合６乃至８セットのＲＴＢが必要となり夫々のバーナ周りの配管や燃焼量制御が複雑になるという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  本願の改質反応器は充填層内に複数のＷ型の伝熱管を配備し、別置きのオフガス（水素を回収した後のガス）を主燃料とした燃焼炉で発生した高温燃焼ガスを夫々の伝熱管に導入することによりバーナの数を減らしコストダウン図る。【００１０】  ＲＴＢは燃料がラジアントチューブ（伝熱管）内で放熱しつつ燃焼するため伝熱管表面温度は１０００℃以上の高温にはならないけれどもオフガス燃焼炉で発生する燃焼ガス温度は燃焼炉内で燃焼を完了させるために反応熱を確保する必要上１３００℃以上の高温にする必要があり接ガス部は耐熱内張りが必要となる。【００１１】  燃焼ガス導入部の伝熱管の取付け部はこの１３００℃以上のガスが接触し伝熱管が高温に晒されるのでこれを防止するために燃焼ガス入口部にセラミックなどの耐熱材で出来たガス入口挿入短管を取付ける。【００１２】  水素ステーションはＤＳＳ運転されるためにその都度反応器は冷却され反応器内の残留水分が凝縮して触媒に付着する恐れがある。それを防止するための電熱ヒータを反応器外殻に配備し反応器内が露点以下にならないようにする。【００１３】  触媒の充填圧は充填層に配備された伝熱管により大幅に軽減されるために触媒保持材としてルーバを使用する必要はなくパンチメタルあるいは金網を使用し、入口側ガス温度は最大で５００℃、出口側で７５０℃と運転温度が異なるためそれぞれの材質をＳＵＳ３０１ＳなどのステンレスおよびＳＣＨ２２などの耐熱合金に分けて使用することでコストダウンを図る。
【発明の効果】
【００１４】  別置きのオフガス燃焼炉を設置することで、バーナの数を減らし付帯する制御機器や配管を減らすと共に触媒保持材を見直すことによりコストの低減を図ることができる。【００１５】  ＲＴＢには燃料の発熱量、伝熱管サイズ、伝熱管長さ、燃焼量などに制約があるけれども１台（あるいは２台）のオフガス燃焼炉を改質反応器に隣接して設置することにより改質触媒の形状や粒径や充填量に合わせて伝熱管サイズと触媒充填層厚さを自由に選定できるようになる。【００１６】  水素ステーションに適した規模に限らず改質触媒の活性、形状、粒径および伝熱管のサイズを選定することにより大規模な水素製造装置にも適応が可能となる。【００１７】  また改質反応器外殻に電熱ヒータを配備し外殻温度を露点以上に保つことにより水素ステーション特有のＤＳＳ運転による停止時の残留したガス中の水分の凝縮、再稼働時の凝縮水を再蒸発させるための熱量と時間を低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】  以下はメタンを原料とした水素製造装置において、本発明の改質反応器を使用し水素回収量を３００Ｎｍ３／ｈを目標にした場合の改質反応器の例を示す。
【実施例１】
【００１６】  原料となるメタンガス量を１２８Ｎｍ３／ｈとした場合、Ｓ／Ｃ（水蒸気・カーボン比）を３．０、反応温度を７００℃、充填改質触媒量を１．２ｍ３として反応器出入口の反応ガス成分、顕熱、圧力および温度を表１に示す。【００１７】  改質反応後の反応ガスをさらにＣＯ変成器を通した後のガスおよびオフガスおよびオフガスを燃焼した燃焼ガスの成分、顕熱、圧力および温度も合わせて表１に示す。【００１８】  本願の改質反応器の場合、伝熱管サイズの選択により伝熱管の長さは改質反応器の形状に合わせて自由に決定できるが、例えば５インチの伝熱管を選択した場合は燃焼ガスの伝熱管内ガス流速より７本の伝熱管と１台のオフガス燃焼炉で必要伝熱量を賄うことができる。【００１９】  さらにオフガス燃焼炉を改質反応器の両側に設置すれば、原料ガスをより均一に加熱することが可能となり水素転化率を向上させることができる。【００２０】
【表１】
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【００２１】  なお、水素転化率は（１−２６／１２８）ｘ１００＝８０％である。【００２２】  変成器におけるＣＯ変成率は（１−１６／５５）ｘ１００＝７１％である。【００２３】  ＰＳＡの水素回収率は（１−９１／３９４）ｘ１００＝７７％である。【００２４】  図１は本発明の改質反応器１００とオフガス燃焼炉２００と燃焼ガス入口ダクト３００の関係を示す平面図である。【００２５】  図２は改質反応器の側面図であり、伝熱管の配置を示すと共に原料ガスと燃焼ガスはほぼ直交流であることを示している。【００２６】  図３は改質反応器の平断面図であり、伝熱管１０１、改質触媒１０７、改質触媒のガス入口出口保持材１０２、１０３、耐熱キャスタ１０５、燃焼ガス入口のガス入口挿入短管１０４などを示す。【００２７】  実施例において触媒充填層厚さを１２００ｍｍとすると原料ガスの通過面積は触媒容積より１．１／１．２＝０．９２ｍ２となり原料ガス入口スクリーン部のガス流速（ＬＶ）は５１２ｘ（２７３＋５００）／２７３ｘ１／（０．９２ｘ３６００）＝０．４４ｍ／ｓとなり触媒粒径を６ｍｍ以上にすると充填層の圧損は２００ｍｍＡｑ以下となる。
【産業上の利用可能性】
【００２８】  本願発明は、水素ステーションを対象にした小型の水素製造装置を念頭に発明された改質反応器ではあるけれども生産量が１０００Ｎｍ３／ｈ以上の水素製造設備においてもその特徴は十分発揮できる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】改質反応器とオフガス燃焼炉と燃焼ガス入口ダクトを示す平面図である。
【図２】改質反応器の平面断面図である。
【図３】改質反応器の側面断面図である。
【符号の説明】
【００３０】１００  改質反応器                  １０１  伝熱管
１０２  原料ガス入口保持材          １０３  反応ガス出口保持材
１０４  ガス入口挿入短管            １０５  耐熱キャスタ
１０６  電熱ヒータ                  １０７  改質触媒
２００  オフガス燃焼炉              ３００  燃焼ガス導入ダクト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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