(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素及び水蒸気の混合ガスの水蒸気改質反応により、改質反応ガスを製造する炭化水素の水蒸気改質方法において、
外部燃焼型改質炉及び内部燃焼反応器型改質器によって炭化水素及び水蒸気の混合ガスを改質する改質工程を有し、
前記外部燃焼型改質炉は、触媒を充填した複数の触媒管及び該触媒管を加熱する加熱手段を備え、該加熱手段は、前記触媒管を加熱する複数のバーナーと、該バーナーに供給される燃焼用給気流を予熱する複数の蓄熱体とを備え、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスは、第１バーナーが燃焼作動する間、第２蓄熱体を含む第２流路を通り、第２バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第２蓄熱体を加熱し、他方、前記第２バーナーが燃焼作動する間、第１蓄熱体を含む第１流路を通り、第１バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第１蓄熱体を加熱し、前記燃焼排ガスの流路は、所定の時間間隔にて第１流路又は第２流路のいずれか一方に選択的に切換制御され、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分を該改質炉の炉内領域から熱交換装置に供給し、該熱交換装置における前記流体部分との熱交換作用により、原料炭化水素、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガス、空気及び／又は酸素、および前記外部燃焼型改質炉の燃料ガスの少なくとも１つの流体を加熱することを特徴とする水蒸気改質方法。
【請求項２】
炭化水素及び水蒸気の混合ガスの水蒸気改質反応により、改質反応ガスを製造する炭化水素の水蒸気改質方法において、
外部燃焼型改質炉及び熱交換器型改質器によって炭化水素及び水蒸気の混合ガスを改質する改質工程を有し、
前記外部燃焼型改質炉は、触媒を充填した複数の触媒管及び該触媒管を加熱する加熱手段を備え、該加熱手段は、前記触媒管を加熱する複数のバーナーと、該バーナーに供給される燃焼用給気流を予熱する複数の蓄熱体とを備え、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスは、第１バーナーが燃焼作動する間、第２蓄熱体を含む第２流路を通り、第２バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第２蓄熱体を加熱し、他方、前記第２バーナーが燃焼作動する間、第１蓄熱体を含む第１流路を通り、第１バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第１蓄熱体を加熱し、前記燃焼排ガスの流路は、所定の時間間隔にて第１流路又は第２流路のいずれか一方に選択的に切換制御され、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分を該改質炉の炉内領域から熱交換装置に供給し、該熱交換装置における前記流体部分との熱交換作用により、原料炭化水素、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガス、空気及び／又は酸素、および前記外部燃焼型改質炉の燃料ガスの少なくとも１つの流体を加熱することを特徴とする水蒸気改質方法。
【請求項３】
前記改質工程は、熱交換器型改質器によって前記混合ガスを改質する工程を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項４】
前記燃焼排ガスの流路を切換えるべき前記時間間隔は、６０秒以下の所定時間に設定され、前記燃焼排ガスの流路は、該時間間隔毎に交互に第１流路又は第２流路に切換えられることを特徴とする請求の範囲第１乃至３項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項５】
前記蓄熱体は、前記燃焼排ガスと前記燃焼用給気流とが交互に通過する多数の流路を備えたハニカム型蓄熱体からなることを特徴とする請求の範囲第１乃至４項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項６】
前記燃焼排ガスの所定割合は、重量比１０乃至３０％に設定されることを特徴とする請求の範囲第１乃至５項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項７】
前記熱交換器型改質器及び前記外部燃焼型改質炉を並列に配列するとともに、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスの原料ガス流を分流し、分流した該原料ガス流を前記熱交換器型改質器及び前記外部燃焼型改質炉に夫々供給し、前記熱交換器型改質器及び前記外部燃焼型改質炉から夫々導出される改質反応ガスを前記内部燃焼反応器型改質器に供給することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項８】
前記熱交換器型改質器及び前記外部燃焼型改質炉を直列に配列し、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスを前記熱交換器型改質器に供給して、改質反応を部分的に進行せしめた後、該熱交換器型改質器にて得られた改質反応ガスを前記外部燃焼型改質炉に供給し、該外部燃焼型改質炉を通過した前記改質反応ガスを前記内部燃焼反応器型改質器に供給することを特徴とする請求の範囲第３項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項９】
前記内部燃焼反応器型改質器より得られる改質反応ガスを前記熱交換器型改質器に供給し、該改質反応ガスが保有する顕熱により、前記熱交換器型改質器における改質反応の必要熱量を供給することを特徴とする請求の範囲第３、７又は８項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項１０】
前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスを前記外部燃焼型改質炉に供給して、改質反応を部分的に進行せしめた後、該外部燃焼型改質炉にて得られた改質反応ガスを前記内部燃焼反応器型改質器に供給することを特徴とする請求の範囲第１項又は第３項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項１１】
前記内部燃焼反応器型改質器から導出された改質ガスを熱交換装置に供給し、該熱交換装置を介して前記改質ガスを改質ガス送出ラインに送出するとともに、原料炭化水素、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガス、前記空気及び／又は酸素、水蒸気、および水蒸気生成用ボイラー給水の少なくとも１つの流体を、前記熱交換装置における改質反応ガスとの熱交換作用により加熱することを特徴とする請求の範囲第１、３、９又は１０項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項１２】
前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスを前記熱交換器型改質器に供給して、改質反応を部分的に進行せしめた後、該熱交換器型改質器にて得られた改質反応ガスを前記外部燃焼型改質炉に供給し、
該外部燃焼型改質炉における改質反応によって得られた改質反応ガスを前記熱交換器型改質器に供給し、該改質反応ガスが保有する顕熱により、前記熱交換器型改質器において必要とされる熱量を供給することを特徴とする請求の範囲第２項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項１３】
前記内部燃焼反応器型改質器の改質ガスを高温熱媒体として熱交換装置に導入し、該熱交換装置における前記高温熱媒体との熱交換作用により前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスを所定温度域に加熱し、
竪型円筒形の圧力容器内部に触媒を充填してなる断熱反応型反応器に対して前記混合ガスを導入し、該混合ガスが保有する顕熱により水蒸気改質反応の所要熱量を部分的に供給することによって、前記炭化水素の水蒸気改質反応を部分的に進行せしめた後に、該混合ガスを前記外部燃焼型改質炉に導入することを特徴とする請求の範囲第１項又は第３項に記載の水蒸気改質方法。
【請求項１４】
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分を高温熱媒体として熱交換装置に導入し、該熱交換装置における前記高温熱媒体との熱交換作用により前記炭化水素及び水蒸気の混合ガスを所定温度域に加熱し、
竪型円筒形の圧力容器内部に触媒を充填してなる断熱反応型反応器に対して前記混合ガスを導入し、該混合ガスが保有する顕熱により水蒸気改質反応の所要熱量を部分的に供給することによって、前記炭化水素の水蒸気改質反応を部分的に進行せしめた後に、該混合ガスを前記外部燃焼型改質炉に導入することを特徴とする請求の範囲第１、２、３又は１３項のいずれか１項に記載の水蒸気改質方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、炭化水素の水蒸気改質方法に関するものであり、より詳細には、炭化水素を水蒸気と反応させて水素及び炭素酸化物を含む改質反応ガスを製造する水蒸気改質方法（スチームリホーミング法）に関するものである。
背景技術
合成ガス又は水素の工業的製造プロセスとして、所謂トプソー法又はＩＣＩ法等の管式水蒸気改質法（管式スチームリフォーミング法）が知られている。この種の製造プロセスは、例えば、ニッケル担持型触媒等の触媒を使用した水蒸気改質反応により、メタン（CH4）等の炭化水素を水蒸気と反応せしめ、所望のＨ2／CO2比又はＨ2／CO比の水素（Ｈ）及び炭素酸化物（CO2又はCO）を含む改質反応ガスないし合成ガスを製造する水蒸気改質法（スチームリフォーミング法）として、工業的に実用化されている。
従来、この種の水蒸気改質法においては、一般に多数のバーナーを備えた燃焼炉又は加熱炉を水蒸気改質炉（リフォーマー）として使用しており、水蒸気改質炉を構成する縦形ボックス型輻射部等の輻射部の内部領域には、上記の如くニッケル担持型触媒等の触媒を充填してなる多数の高合金製遠心鋳造管等の触媒管（リフォーマーチューブ）が、実質的に垂直に配設される。炭化水素及び水蒸気からなる原料ガス流又は混合ガス流は、予熱後に水蒸気改質炉の輻射部に給送ないし供給され、上記触媒管内を通過する。輻射部に配設された多数のバーナーは、触媒管の外壁又は管壁部分を加熱し、触媒管内を流下する混合ガス又は原料ガスの水蒸気改質反応に要する熱量を供給する。このような形式の水蒸気改質装置は、例えば、所謂トプソー型リフォーマー等の外部燃焼型改質炉として知られている。
かかる方式の水蒸気改質法は一般に、適当な他の形式の改質装置を上記外部燃焼型改質炉に対して組合せてなる工業装置として具現化され、アンモニア合成用ガスの製造、メタノール合成用ガスの製造、或いは、水素の製造等を目的とした工業プラント又は化学プラントとして実用に供されている。
例えば、アンモニア合成用ガスを製造する化学プロセスにおいては、一般に、内部燃焼反応器型の改質器（二次改質器）が、上記構成の外部燃焼型改質炉（一次改質炉）に対して組合せられる。一次改質炉にて生成された一次改質反応ガスは、加圧空気とともに二次改質器に供給され、一次改質反応ガスは、二次改質器において加圧空気と混合する。該空気中の酸素は、一次改質反応ガス中の可燃成分と反応し、かくして、二次改質器における改質反応にて要求される反応熱量が補給されるとともに、後段のアンモニア合成工程に供給すべき窒素ガスが二次改質反応ガスとして製造される。
また、メタノール合成用ガスを製造する場合、上記アンモニア合成用ガスの製造プロセスと同様に、適当な内部燃焼反応器型の二次改質器を一次改質炉に対して組合せ、一次改質炉において得られた一次改質反応ガスを酸素とともに二次改質器に供給し、該酸素と反応ガス中の可燃性成分とを二次改質器にて混合反応せしめ、二次改質器における化学反応に要する熱量を補給している。なお、この種の工業装置では、後続のメタノール合成工程において過量となり得る反応ガス中の水素の一部を二次改質器にて酸素と反応させ、COとCO2との比（CO／CO2比）をメタノール合成に望ましい所望の比率に調整ないし調節している。
ここに、上記の如く一次改質炉と二次改質器とを組合せてなる工業装置においては、二次改質器にて生成され且つ系外に送出される二次改質反応ガスの温度は、比較的高い温度に設定され、二次改質反応ガスは、水蒸気改質系内で更に有効利用可能な多大な顕熱を依然として保有している。従って、かかる二次改質反応ガスを後続の合成工程に送出することは、装置系全体としてのエネルギー効率を悪化させることから、二次改質器を出る反応ガスに保有された顕熱の有効利用を図り且つ装置系全体のエネルギー効率を向上させるべく、堅型反応容器内に多数の触媒管を立設してなる熱交換器型の改質器を一次改質器として使用した構成のものが、例えば、特公平７−４８１号公報等に開示される如く、近年の工業装置として提案されている。
しかるに、上記形式の熱交換器型一次改質器に対して上記二次改質器を組合せた構成を有する装置系を使用した水蒸気改質法においてもなお、依然として十分なエネルギー効率を達成し得たとは評価し得ない。即ち、かかる形式又は方式の装置系では、一次改質器において必要とされる反応熱は、二次改質器を出た二次改質反応ガスが保有する顕熱のみによっては完全に補給し難く、実際には、過剰の空気及び／又は酸素を二次改質器に付加的に供給し、一次改質器にて得られた一次改質反応ガス中の可燃成分と酸素とを反応させ、該反応の際に生じる発熱量により二次改質器における反応熱を補償せざるを得ない。このような過剰の空気及び／又は酸素を反応熱の補給目的下に供給することは、或る特定の不都合ないし不利を生じさせる。例えば、アンモニア合成用ガスの製造を目的とした水蒸気改質法において、上記の如く過剰の空気を二次改質器に供給したとき、二次改質器にて発生した過剰の窒素が後続のアンモニア合成工程に供給されてしまう。従って、かかる過剰な窒素を除去する窒素除去手段を付加的に設けざるを得ず、しかも、改質ガス中に存在する有用な水素が、過剰に供給された酸素と反応し、二次改質器において大幅に消費されてしまう等の更なる問題が新たに発生する。他方、アルコール合成用ガス又は水素ガス等の製造を目的とした水蒸気改質法において、同様に過剰の酸素を二次改質器に供給した場合、改質反応ガス中の有用な水素が過剰の酸素と反応し、大幅に消費されてしまうという問題が生じる。しかも、上記の如く過剰の空気又は酸素を付加的に供給すること自体、改質反応圧を得るための圧縮手段又は圧送手段として、余分又は付加的な動力の消費を余儀なく強いられるという問題を更に生じさせるので、装置系全体のエネルギー効率を改善し、或いは、これを向上させる上で望ましくない。
米国特許第４，１６２，２９０号に開示された水蒸気改質方法は、外部燃焼型改質炉と熱交換器型改質器とを並設し、該改質炉及び改質器を一次改質工程に使用するとともに、内部燃焼反応器型改質器を二次改質工程において使用した構成のものであり、同特許は、水蒸気改質装置系全体の熱効率の改善を提唱している。上記米国特許第４，１６２，２９０号公報によれば、外部燃焼型改質炉の対流部において予熱された原料炭化水素及び水蒸気の混合ガスを２分し、外部燃焼型改質炉と熱交換器型改質器とに夫々供給し、改質反応を部分的に進行せしめる。しかる後、外部燃焼型改質炉及び熱交換器型改質器の改質反応ガスを合流させ、内部燃焼反応器型改質器に給送するとともに、空気及び水蒸気の混合ガスを内部燃焼反応器型改質器に供給し、一次改質工程で得られた改質反応ガス中の可燃物と空気／水蒸気混合ガス中の酸素とを反応させ、該反応の際に生起する発熱により、二次改質工程を進行せしめた後、二次改質反応ガスを上記熱交換器型改質器に供給し、原料炭化水素／水蒸気混合ガスとの熱交換作用により、熱交換器型改質器にて必要とされる反応熱を供給する。
かかる水蒸気改質方法においては、外部燃焼型改質炉と熱交換器型改質器とを並設することにより、熱交換器型改質器において必要とされる反応熱を減少させることが可能となり、内部燃焼反応器型改質器に過剰の空気を付加的に供給すべき必要性を軽減し得るばかりでなく、二次改質反応ガスが保有する顕熱の有効利用をも企図し得るので、一次及び二次改質工程全体として、熱効率を可成り改善することが可能となる。
しかし、この方式の水蒸気改質方法においては、外部燃焼型改質炉から排気される燃焼排ガスは、燃焼排ガスの廃熱回収を目的として外部燃焼型改質炉に直結又は別途設置される熱交換器（対流部）に送出されており、燃焼排ガスが保有する顕熱は、該熱交換器により部分的に廃熱回収し得るにすぎない。即ち、熱交換器に送入される燃焼排ガスは、９００℃乃至１１００℃の温度を有する高温排ガスであり、これは、燃料ガスの全発熱量（低位）に対して４５％〜５５％程度の低割合の熱量を水蒸気改質反応に有効利用し得たにすぎず、燃料ガスの燃焼反応による発熱量を効果的に水蒸気改質反応に有効利用し得なかったことを意味する。
また、アンモニア製造プラント又はメタノール製造プラントにおいては、合成工程において、多大な反応熱が更に発生する。従って、全プラント内で発生する顕熱及び反応熱の総量は、プラント全体で必要とされる総熱量を大幅に上廻ることから、この種の製造プラントでは、多くの場合、余剰熱を熱源とする水蒸気ボイラーにより高圧高温（８０〜１２０kg/cmＧ、４８０〜５２０℃）の水蒸気を発生させ、該水蒸気を水蒸気改質反応系に供給するとともに、圧縮機等の駆動用水蒸気タービンに供給し、かかる余剰熱のエネルギー媒体変換により、プラント全体のエネルギー効率を向上させる対策が採用されている。
しかしながら、このような間接的な余剰熱の廃熱回収によっては、プラント全体の高度且つ経済的なエネルギー効率又は製造効率を事実上達成し難く、水蒸気改質反応系内における直接的な熱エネルギーの有効利用を実現し得る更なる改良策ないし改善策の開発が要望される。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、炭化水素及び水蒸気の混合ガスの水蒸気改質方法により改質反応ガスを製造する炭化水素の水蒸気改質方法において、プラント全体の高度且つ経済的なエネルギー効率又は製造効率を達成し得る水蒸気改質方法を提供することにある。
本発明は又、上記水蒸気改質方法において、水蒸気改質反応系の熱効率又は廃熱回収効率を改善し、プラント全体のエネルギー効率又は製造効率を更に向上し得る水蒸気改質方法を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明者は、上記目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、改質装置として外部燃焼型改質炉を使用するとともに、熱交換器型改質器及び内部燃焼反応器型改質器のいずれか一方又は双方を使用し、しかも、高周期切換式又は高速切換式蓄熱燃焼システムを外部燃焼型改質炉に配設し且つ改質反応ガスの顕熱を効率的に有効利用することにより、上記目的を達成し得ることを認識し、かかる知見に基づいて、本発明を達成するに至ったものである。
即ち、本発明によれば、炭化水素及び水蒸気の混合ガスの水蒸気改質反応により、改質反応ガスを製造する炭化水素の水蒸気改質方法において、
外部燃焼型改質炉と、内部燃焼反応器型改質器及び／又は熱交換器型改質器とによって炭化水素及び水蒸気の混合ガスを改質する改質工程を有し、
前記外部燃焼型改質炉は、触媒を充填した複数の触媒管及び該触媒管を加熱する加熱手段を備え、該加熱手段は、前記触媒管を加熱する複数のバーナーと、該バーナーに供給される燃焼用給気流を予熱する複数の蓄熱体とを備え、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスは、第１バーナーが燃焼作動する間、第２蓄熱体を含む第２流路を通り、第２バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第２蓄熱体を加熱し、他方、前記第２バーナーが燃焼作動する間、第１蓄熱体を含む第１流路を通り、第１バーナーの燃焼用給気流を予熱するための第１蓄熱体を加熱し、前記燃焼排ガスの流路は、所定の時間間隔にて第１流路又は第２流路のいずれか一方に選択的に切換制御され、
前記外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分を該改質炉の炉内領域から熱交換装置に供給し、該熱交換装置における前記流体部分との熱交換作用により、原料炭化水素、前記炭化水素及び水蒸気の混合ガス、空気及び／又は酸素、および前記外部燃焼型改質炉の燃料ガスの少なくとも１つの流体を加熱することを特徴とする水蒸気改質方法が提供される。
上記構成の水蒸気改質方法によれば、上記外部燃焼型改質炉の加熱手段は、廃熱回収機能を備えた所謂切換式蓄熱型燃焼システムを構成する。かかる蓄熱式の燃焼空気又は燃焼ガス予熱機構を使用した構成の外部燃焼型改質炉により、装置系全体の廃熱回収効率及び熱効率を大幅に改善し、改質炉の伝熱部における燃料ガス等の燃料消費量を大幅に軽減することができる。例えば、上記構成の改質炉及び改質器の適当な組合せにより、燃料ガス消費量を装置系全体として約３５乃至７５％節約することが可能となる。しかも、このような蓄熱式の燃焼用給気流予熱機構の採用により、外部加熱型改質炉自体を小型化するとともに、従来構造の改質炉廃熱回収設備（対流部）を極めて小型化し、或いは、少なくとも部分的に構造を省略することが可能となり、これにより水蒸気改質炉の設置費用又は建設費用を大幅に低減し得るばかりでなく、改質炉の小型化に伴って、大容量の水蒸気改質炉を設計上導入又は採用することが可能となる。
更に、本発明の上記構成によれば、熱交換器型改質器及び外部燃焼型改質炉の熱負荷バランスを所望の如く設定し、これにより、熱交換器型改質器に必要な熱量の補給のために過剰な空気及び／又は酸素を付加的に内部燃焼反応器型改質器に供給する事態を回避し得るとともに、上記燃料ガス消費量の大幅な軽減効果と相まって、十分且つ経済的な装置系全体のエネルギー効率又は製造効率を達成することができる。
なお、本明細書において、燃焼用給気流は、炭化水素系燃料と混合し且つ炉内燃焼反応を生起する外気又は常態空気、或いは、酸素濃度等の成分比を適当に調整された燃焼用空気（燃焼用ガス）等のバーナー供給流を意味する。
本発明の好ましい実施形態によれば、外部燃焼型改質炉及び内部燃焼反応器型改質器を使用した水蒸気改質方法は、炭化水素及び水蒸気の混合ガスを外部燃焼型改質炉に供給して改質反応を部分的に進行せしめた後、外部燃焼型改質炉にて得られた改質ガスを内部燃焼反応器型改質器に供給する工程を含む。かかる構成によれば、装置の構成が単純であるにもかかわらず、熱回収機能を備えた外部燃焼型改質炉の所謂切換式蓄熱型燃焼システムの効果により、従来の方法に比して燃料ガスの使用量を装置系全体として３５〜４５％程度、低減することが可能となる。
本発明の好適な実施形態において、上記燃焼排ガスの流路を切換えるべき時間間隔は、６０秒以下の所定時間に設定され、燃焼排ガスの流路は、該時間間隔毎に交互に第１流路又は第２流路に切換えられる。好ましくは、上記蓄熱体は、燃焼排ガスと燃焼用給気流とが交互に通過する多数の流路を備えたハニカム型蓄熱体からなる。更に好適には、ハニカム型蓄熱体は、所望の流路寸法及び壁厚に設定されたセラミック基材の固定式又は回転式ハニカム形蓄熱体からなる。
本発明の更に好適な実施形態によれば、上記高周期切換式蓄熱燃焼システムにおいて要求される所要顕熱量を超える顕熱を保有する燃焼排ガス部分は、燃焼排ガス導出手段を介して炉内領域から炉外に直に導出される。好ましくは、炉内領域より導出すべき燃焼排ガス部分の流量比は、改質炉の全循環流量又は全給排流量の１０％〜３０％（重量比）に設定される。燃焼用給気流及び燃焼排ガスに関し、比熱及び流量等を対比すると、外部燃焼型改質炉において燃焼排ガスが保有し且つ燃焼用給気流の予熱に利用し得る顕熱は、燃焼用給気流の予熱に要求される所要の熱量に比して常に過剰であり、従って、燃焼排ガスの所定割合の流量部分を炉内領域から上記熱交換装置に直に供給し、水蒸気改質反応系に供給される各種流体を燃焼排ガスの顕熱により加熱し、これにより、水蒸気改質装置系全体の熱効率を効果的に向上することができる。
本発明の或る好適な実施形態において、内部燃焼反応器型改質器を通過した二次改質反応ガスは、熱交換装置を介して改質ガス送出ラインに送出され、上記炭化水素及び水蒸気の混合ガス、上記空気及び／又は酸素、水蒸気、或いは、水蒸気生成ボイラーの給水が、熱交換装置において二次改質反応ガスと熱交換し、加熱される。これにより、余剰熱を系内において有効利用し、水蒸気改質装置系の熱収支バランスを効率化することができる。即ち、上記の如く、外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの１０〜３０％を熱交換装置に供給し、外部燃焼型改質炉の熱効率を可成り改善し得たとしても、内部燃焼反応器型改質器から系外に送出される改質ガスは、かなりの顕熱を依然として保有する。他方、原料炭化水素、炭化水素と水蒸気、空気及び／又は酸素、或いは、水蒸気生成用ボイラー給水等の系内の全流体を所定温度に予熱するのに要する所要熱量は、上記燃焼排ガスの所定割合の流体部分が保有する顕熱量よりも遙に大きい。従って、改質ガスの顕熱を水蒸気改質反応系内において上記各流体の予熱に有効利用することにより、水蒸気改質装置系の系内熱収支を効果的に改善することができる。
本発明の或る好適な実施形態によれば、上記熱交換器型改質器及び上記外部燃焼型改質炉は並列に配置される。上記炭化水素及び水蒸気の混合ガス流は分流され、分流した各混合ガス流は熱交換器型改質器及び外部燃焼型改質炉に夫々供給される。熱交換器型改質器及び外部燃焼型改質炉から夫々導出された一次改質反応ガスは、上記内部燃焼反応器型改質器に導入される。好ましくは、外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分が、第１熱交換器に供給される。上記混合ガス分流は、第１熱交換器を通り、外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスにて予熱され、しかる後、外部燃焼型改質炉に供給される。また、第１熱交換器を通過した燃焼排ガスは、第２熱交換器に供給され、上記空気及び／又は酸素は、第２熱交換器において燃焼排ガスにより予熱された後に、内部燃焼反応器型改質器に給送される。更に好ましくは、内部燃焼反応器型改質器より得られる二次改質反応ガスは、熱交換器型改質器に供給され、該二次改質反応ガスが保有する顕熱により、熱交換器型改質器における一次改質反応の必要熱量が供給される。好適には、熱交換器型改質器を通過した二次改質反応ガスは、第３熱交換器に供給され、上記混合ガス流は、二次改質反応ガスが保有する顕熱により予熱された後に分岐し、熱交換器型改質器及び外部燃焼型改質炉に供給される。かかる構成によれば、燃料ガスの使用量を装置系全体として５５〜７５％程度、低減することができる。
本発明の他の好適な実施形態によれば、上記熱交換器型改質器及び上記外部燃焼型改質炉は直列に配置される。上記炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、熱交換器型改質器に供給され、混合ガスの改質反応は、熱交換器型改質器において部分的に進行する。熱交換器型改質器にて得られた改質反応ガスは、外部燃焼型改質炉に供給される。外部燃焼型改質炉を通過した改質反応ガスは更に、上記内部燃焼反応器型改質器に供給される。好ましくは、外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分は、第２熱交換器に供給され、第２熱交換器を通過した燃焼排ガスの流体部分は、第１熱交換器に供給される。上記空気及び／又は酸素は、第２熱交換器により予熱され、炭化水素及び水蒸気の混合ガス、或いは、原料炭化水素は、第１熱交換器により予熱される。更に好ましくは、熱交換器型改質器を通過した二次改質反応ガスが、第３熱交換器に供給され、第１熱交換器を通過した上記混合ガスは、二次改質反応ガスが保有する顕熱により第３熱交換器で更に予熱される。かかる構成によれば、燃料ガス使用量を装置系全体として約55〜75％、節約することが可能となる。
本発明の他の好適な実施形態によれば、外部燃焼型改質炉の燃焼排ガスの所定割合の流体部分及び／又は内部燃焼反応器型改質器の二次改質反応ガスは、高温熱媒体として熱交換装置に導入され、上記炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、該熱交換装置における高温熱媒体との熱交換作用により所定温度域に加熱される。加熱された混合ガスは、竪型円筒形の圧力容器内部に触媒を充填してなる断熱反応型反応器に対して導入される。該混合ガスが保有する顕熱により水蒸気改質反応の所要熱量を部分的に供給することによって、炭化水素の水蒸気改質反応を断熱反応型反応器において部分的に進行せしめた後に、該混合ガスを外部燃焼型改質炉に導入し、これにより、外部燃焼型改質炉の燃料ガスの使用量の更なる減少を計ることが可能となる。かかる水蒸気改質方法は、最適には、比較的小型の水蒸気改質装置における水蒸気改質プロセスとして採用することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例に係る水蒸気改質法を適用したアンモニア合成又はメタノール合成用改質反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図であり、外部燃焼型改質炉及び熱交換器型改質器は、原料供給ラインに対して並列に配置されている。
第２図は、本発明の他の実施例に係る水蒸気改質法を適用したアンモニア合成又はメタノール合成用改質反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図であり、外部燃焼型改質炉及び熱交換器型改質器は、原料供給ラインに対して直列に配置されている。
第３図は、本発明の更に他の実施例に係る水蒸気改質法を適用したアンモニア合成又はメタノール合成用改質反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図であり、改質反応ガス製造プラントは、直列に配置された外部燃焼型改質炉及び内部燃焼反応器型改質器を備える。
第４図は、本発明の水蒸気改質法を適用した他の実施例に係る水素ガス製造用改質反応ガスの製造装置系の構成を全体的に示す概略フロー図であり、改質反応ガス製造プラントは、外部燃焼型改質炉及び熱交換器型改質器を備える。
第５図は、第１図乃至第４図に示す外部燃焼型改質炉の全体構成を概略的に示す概略縦断面図である。
第６図は、第５図に示すバーナー組立体の構成を概略的に示す概略フロー図であり、一対のバーナー組立体の交互切換態様が例示されている。
第７図は、第１図乃至第４図に示す外部燃焼型改質炉の全体構造を示す概略縦断面図である。
第８図は、第７図に示す加熱炉の全体構造を示す概略横断面図および排気ガスダクトの構造を示す縦断面図である。
第９図は、第１図乃至第３図に示す熱交換器型改質器の全体構造を例示する概略縦断面図である。
第１０図は、第１図、第２図及び第４図に示す内部燃焼反応器型改質器の全体構造を例示する概略縦断面図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。
第１図は、本発明の第１実施例に係る水蒸気改質法を適用可能なアンモニア合成又はメタノール合成用反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図である。
第１図に示す如く、改質反応ガス製造プラントは、外部燃焼型改質炉１、熱交換器型改質器２および内部燃焼反応器型改質器３を備える。原料供給ラインL0、L1は、メタン（ＣＨ4）を主成分とする原料炭化水素を改質反応ガス製造装置系に供給する。一次改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２は、炭化水素／水蒸気混合ガスの第１及び第２分流ラインL2、L3を介して並列に原料供給ラインL0、L1に接続される。第１分流ラインL2は、第１熱交換器４を介して混合ガス給送ラインL4と連通し、給送ラインL4は、外部燃焼型改質炉１の触媒管１０と連通する。他方、第２分流ラインL3は、熱交換器型改質器２の上部域に接続される。
改質反応ガス製造装置系に対して供給すべき原料炭化水素は、一般に、硫化水素を微量に含有する。従って、該製造装置系が硫化水素を除去する前処理工程を備えていない場合、望ましくは、脱硫器９が炭化水素供給系に配設される。脱硫器９は、酸化亜鉛を主体とした充填物を内部充填してなる直立円筒形の圧力容器として構成され、原料供給ラインL0の下流端が、脱硫器９の流入ポートに連結される。原料炭化水素に含有される微量の硫化水素は、脱硫器９内に充填された酸化亜鉛と脱硫反応し、脱硫器９の脱硫作用により系外に除去される。なお、原料炭化水素が、硫化水素以外の硫黄化合物を含有する場合、脱硫器９に供給すべき原料炭化水素に対して少量の水素を添加し、触媒を利用した水添反応により硫黄化合物を硫化水素に変換する水素付加・水素化分解工程を要するが、同工程を実施する装置構成については、図を簡略化するために、第１図における図示を省略してある。
原料供給ラインL1の上流端が、脱硫器９の炭化水素送出ポートに連結される。第３熱交換器６が、原料供給ラインL1の下流端に接続されるとともに、所定流量の水蒸気を供給する水蒸気供給ラインLSが、原料供給ラインL1に接続される。脱硫器９で脱硫された炭化水素は、水蒸気供給ラインLSの水蒸気と混合し、炭化水素／水蒸気混合ガスとして第３熱交換器６に供給される。内部燃焼反応器型改質器３から送出された改質ガスが、熱交換器型改質器２及び第３熱交換器６を介して後続の装置系、例えば、アンモニア合成プラント又はメタノール合成プラントに給送される一方、原料供給ラインL1の炭化水素／水蒸気混合ガスは、改質ガスとの熱交換作用により第３熱交換器６において加熱される。
外部燃焼型改質炉１は、触媒管１０及びバーナー組立体１２、１３を備えた伝熱部１１を有する。伝熱部１１の両側部に複数段に配列されたバーナー組立体12、１３は、所定の時間間隔を隔てて間欠的又は周期的に燃焼作動するバーナー（図示せず）を備える。各バーナー組立体１２、１３のバーナーは、燃料ガス供給ラインLFを介して燃料ガス供給源（図示せず）に連結されるとともに、燃焼空気供給ラインLAを介して、給気押込み形式の燃焼空気送風機FAに接続される。各バーナー組立体１２、１３には、所定構造を有する蓄熱体（図示せず）が配設され、伝熱部１１の排気ガスは、該蓄熱体を介して大気放出ラインE4に送出される。
伝熱部１１の燃焼排ガスは、排気ガスラインE1、E2、E3により構成される第１排気ガス系統と、大気放出ラインE4からなる第２排気ガス系統とを介して、改質反応ガス製造プラントの系外に排気される。伝熱部１１に接続された排気ガスラインE1は、上記第１熱交換器４を介して、排気ガスラインE2に連通し、排気ガスラインE2は、第２熱交換器５を介して、排気ガスラインE3に連通する。第１分流ラインL2を介して第１熱交換器４に給送された炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、第１熱交換器４にて伝熱部１１の燃焼排ガスと熱交換し、また、供給ラインS1、S2を介して製造装置系に供給される空気及び／又は酸素が、第２熱交換器５にて伝熱部１１の燃焼排ガスと熱交換する。燃焼反応ガス供給ラインS1、S2は、内部燃焼反応器型改質器３の燃焼反応部３１に接続され、内部燃焼反応器型改質器３の燃焼反応に要する空気及び／又は酸素は、供給ラインS1、S2を介して燃焼反応部３１に給送される。
二次改質装置を構成する内部燃焼反応器型改質器３は、上部燃焼反応部３１及び下部触媒反応部３２を備える。燃焼反応部３１は、一次改質反応ガスの第１及び第２給送ラインL5、L7を介して、外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２に夫々接続される。触媒反応部３２は、二次改質反応ガスの給送ラインL8を介して熱交換器型改質器２に接続され、熱交換器型改質器２の触媒管収容領域２０と連通する。給送ラインL8は、改質器２の触媒管収容領域２０を介して、改質ガス送出ラインL9、L10と連通する。熱交換器型改質器２から導出された改質ガスは、改質ガス送出ラインL9、L10に介装された上記第３熱交換器６において原料供給ラインL1の炭化水素／水蒸気混合ガスと熱交換した後、改質ガス送出ラインL10に導出される。改質ガス送出ラインL10は、後続工程を実施するアンモニア合成プラント又はメタノール合成プラント（図示せず）に接続され、改質ガスを所定の次工程に供給する。
次に、第５図乃至第１０図を参照して、上記外部燃焼型改質炉１、熱交換器型改質器２および内部燃焼反応器型改質器３の各部構成について説明する。
第５図は、第１図に示す外部燃焼型改質炉１の全体構造を示す概略縦断面図であり、第６図は、第５図に示すバーナー組立体１２、１３の構成を概略的に示す概略フロー図である。
第５図に示す如く、一次改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１は、上記触媒管１０が上下方向に貫通する伝熱部１１と、混合ガス給送ラインL4と連通する分配管（ディストリビュータ）１６とを備える。複数の触媒管１０が、上位連通管１４を介して分配管１６に接続される。触媒管１０は、実質的に垂直に伝熱部11の炉内領域に配列される。触媒管１０の下端部は、下位連通管１５を介して集合管（コレクター）１７に接続され、集合管１７は、一次改質ガス給送ラインL5を介して内部燃焼反応器型改質器３に連結される。なお、第５図には、炉内中央領域に一列に配列された触媒管１０が図示されているが、触媒管１０は、炉内領域に複数列に配設し得る。
伝熱部１１の側壁に配置されたバーナー組立体１２、１３は、上下方向に複数段の配列をなして改質炉１の幅員方向に隔設される（第５図には、上下４段に配列されたバーナー組立体が例示されている）。第６図に示す如く、各バーナー組立体１２、１３は夫々、燃料ガス供給ラインLFおよび燃焼空気供給ラインLAに接続されたバーナー１８と、燃焼用空気を予熱する切換蓄熱型熱交換器１９とを備える。切換蓄熱型熱交換器１９は、伝熱部１１の燃焼排ガスとの熱交換作用（蓄熱作用）により廃熱回収するとともに、ラインLAの燃焼用空気との熱交換作用（放熱作用）により燃焼用空気を予熱する。一群のバーナー組立体１２および一群のバーナー組立体１３は、廃熱回収運転及び燃焼運転を所定の時間間隔、例えば、２０乃至１２０秒間隔、好ましくは、６０秒以下に設定された所定の時間間隔にて交互に反復する高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システムを構成する。
第６図に示す如く、バーナー１８及び切換蓄熱型熱交換器１９を直列に介装した第１流路H1および第２流路H2は、所定時間毎に切換制御される４方弁Ｖを介して燃焼空気供給ラインLA又は大気放出ラインE4と選択的に連通する。４方弁Ｖは、第６図（Ａ）に示す第１位置において、バーナー組立体１２の第１流路H1を燃焼空気供給ラインLAに連通させ、バーナー組立体１３の第２流路H2を大気放出ラインE4に連通させる。他方、４方弁Ｖは、第６図（Ｂ）に示す第２位置において、第１流路H1を大気放出ラインE4に連通させ、第２流路H2を燃焼空気供給ラインLAに連通させる。バーナー１８は、例えば、３方弁形式の燃料供給弁（図示せず）を介して燃料ガス供給ラインLFに接続されており、各燃料供給弁は、制御装置（図示せず）の同期切替制御下に４方弁Ｖの切換と同期作動し、第１及び第２バーナー組立体１２、１３の一方に交互に燃料ガスを供給する。従って、バーナー組立体１２のバーナー１８ａは、４方弁Ｖの第１位置（第６図（Ａ））において燃焼作動し、４方弁Ｖの第２位置（第６図（Ｂ））において燃焼作動を停止し、他方、バーナー組立体１３のバーナー１８ｂは、４方弁Ｖの第２位置（第６図（Ｂ））において燃焼作動し、４方弁Ｖの第１位置（第６図（Ａ））において燃焼作動を停止する。
第１バーナー組立体１２が燃焼作動する間、伝熱部１１の給排気口５０から導出された燃焼排ガスは、第２バーナー組立体１３の切換蓄熱型熱交換器１９ｂ及び大気放出ラインE4を介して排気され、燃焼排ガスが保有する顕熱（排熱）は、第２バーナー組立体１３の蓄熱型熱交換器１９ｂに蓄熱される（第６図（Ａ））。第２バーナー組立体１３の蓄熱型熱交換器１９ｂは、引き続く第２バーナー組立体１３の燃焼作動の間に、燃焼空気供給ラインLA及び第２流路H2を介して導入される燃焼用空気を予熱する（第６図（Ｂ））。第２バーナー組立体１３が燃焼作動する間、伝熱部１１の給排気口５０から導出された燃焼排ガスの排熱は、第１バーナー組立体１２の切換蓄熱型熱交換器１９ａに蓄熱され（第６図（Ｂ））、該熱交換器１９ａは、引き続く第１バーナー組立体１２の燃焼作動の間に、燃焼空気供給ラインLA及び第１流路H1を介して導入される燃焼用空気を予熱する（第６図（Ａ））。上記蓄熱型熱交換器１９として、多数の流路を備えたハニカム構造のセラミック製又は金属製蓄熱体を好ましく使用し得る。かかる蓄熱体として、一般に触媒担体として使用され且つ多数の狭小流路を備えるセラミック製蓄熱体を好適に使用し得る。更に好適には、ハニカム型蓄熱体は、所望の容積効率を有し、ハニカム構造の蓄熱体を構成する各ハニカム壁の壁厚は、１．６mm以下に設定され、ハニカム壁の相互間隔（ハニカムピッチ）は、５mm以下に設定される。この種のハニカム型蓄熱体の構造については、特開平６−２１３５８５（特願平５−６９１１号）に詳細に開示されているので、該公開公報を引用することにより、更なる詳細な説明を省略する。
このように、上記第１及び第２バーナー組立体１２、１３の各蓄熱型熱交換器１８には、高温流体（燃焼排ガス）と低温流体（燃焼用空気）とが交互に供給され、伝熱接触により高温流体から奪った熱量を低温流体との伝熱接触により低温流体に与え、これにより、高温流体と低温流体との熱交換を実行する。従って、従来の熱交換器にて限界とされていた６０乃至７０％程度の温度効率を、流体の通過経路（流路）の切換時間を短時間、好ましくは、６０秒以下の所定時間に設定することにより、７０乃至１００％に向上させることが可能である。
第７図は、外部燃焼型改質炉１の全体構造を示す概略縦断面図である。また、第８図（Ａ）は、改質炉１の全体構造を示す概略横断面図であり、第８図（Ｂ）は、第８図（Ａ）のＩ−Ｉ線における排気ガスダクトの縦断面図である。
第７図に示す如く、加熱炉として構成された外部燃焼型改質炉１は、上記触媒管１０が上下方向に貫通する加熱炉本体、即ち、伝熱部１１と、伝熱部１１の炉内領域６０を上下方向に貫通する複数の触媒管１０とを備える。炉内領域６０に実質的に垂直に立設された各触媒管１０は、高合金製遠心鋳造管等のリフォーマーチューブからなり、触媒管１０内には、炭化水素・水蒸気混合ガスの改質反応を活性化するニッケル結晶触媒等の所定の触媒が充填される。各触媒管１０の上端部は、伝熱部１１の頂壁１１ｃを貫通し、触媒管１０の熱伸縮を吸収可能なヘアピンチューブを介して上位連通管１４に連結され、連通管１４は、原料供給ヘッダーを構成する分配管１６（第５図）に連結される。各触媒管１０は、伝熱部１１の炉内領域６０に複数列に整列配置され、各触媒管列は、炉内領域６０に実質的に垂直に配置された複数の触媒管１０により構成される。本実施例において、各触媒管列は、第８図に示す如く、炉内領域６０に直線的に整列配置された１０乃至２５本程度の触媒管１０を含み、触媒管列は、伝熱部１１の幅員方向に所定の相互間隔Ｗを隔てて炉内領域６０に５列に配列される。
第７図に示す如く、各触媒管１０の下端部は、伝熱部１１の底壁１１ｄを貫通し、ヘアピンチューブを介して下位連通管１５に連結され、連通管１５は、集合管１７（第５図）を介して第１給送ラインL5に接続される。伝熱部１１は、耐火断熱煉瓦又はキャスタブル耐火材料等の耐火断熱材料によりライニングされた第１側壁１１ａ及び第２側壁１１ｂを備える。一対の第２側壁１１ｂは、触媒管列の幅員方向に延び、対向する左右の第１側壁１１ａは、触媒管列に平行に延在する。第１及び第２側壁１１ａ、１１ｂは、互いに直交する方向に配向され、炉内領域６０の各隅部域において相互連接する。
バーナー組立体１２、１３は、上下方向に複数段の配列をなして両側の第２側壁１１ｂに配設される。バーナー組立体１２、１３は夫々、第２側壁１１ｂにおいて上下方向に交互に整列配置されるとともに、第２側壁１１ｂの幅員方向に所定間隔を隔てて交互に整列配置される。本実施例において、バーナー組立体１２、１３は、上下４段且つ左右４列に各第２側壁１１ｂに配設され、バーナー組立体１２、１３の給排気口５０は、各触媒管列の間に位置する炉内中間領域において各第２側壁１１ｂの壁面に開口し、所定間隔を隔てて整列配置される。
第１熱交換器４において４００℃〜７００℃程度の所定温度域に加熱された炭化水素及び水蒸気の混合物は、上位連通管１４を介して触媒管１０内に導入される。炭化水素・水蒸気混合物は、触媒管１０内を流下する間に、触媒管１０の外界雰囲気又は管外雰囲気を形成する高温の燃焼ガスの放射及び対流伝熱作用により加熱され、触媒の活性化作用の下に進行する炭化水素及び水蒸気の吸熱リフォーミング反応により改質反応を受けるとともに、触媒管１０の管壁を介して入熱した顕熱により６００℃〜９００℃程度の所定温度域に昇温する。触媒管１０内の吸熱改質反応により生成した高温の反応生成物は、下位連通管１５を介して集合管１７（第５図）に集められ、内部燃焼反応器型改質器３に供給される。
炉内領域６０の熱負荷は、水蒸気・炭化水素混合ガスの改質反応に要する所要の反応熱量及び該混合ガスを所定温度に昇温せしめる所要顕熱量の総熱量に実質的に相応する。第８図に示す如く、触媒管列の間隔Ｗ及び炉内領域６０の奥行Ｄは、改質炉１に配設される各バーナー１８（第６図）の容量及び触媒管１０の設計表面温度に基づいて一般に設定される。しかしながら、高温に予熱された燃焼用空気又は燃焼排ガスが直接に触媒管１０に接触する結果として触媒管１０の一部分が局所的に過熱してしまう加熱態様、即ち、不均一な触媒管１０の加熱形態を確実に回避するとともに、高温の燃焼ガスの熱放射作用に要する所望の燃焼ガス厚み又は燃焼ガス容積を確保すべく、上記触媒管列の間隔Ｗは、好適には、奥行Ｄ／間隔Ｗの値が実質的に２乃至８の値を指示するように設定される。更に好適には、触媒管１０の単位面積当りの熱貫流値が必要且つ十分な値を指示し、触媒管１０の管壁が適当な熱伝導作用を発揮し得るように、各触媒管１０の相互間隔ｐは、触媒管１０の外径ｄに対する間隔ｐの比率（間隔ｐ／外径ｄ）が実質的に１．５乃至２．５の値を指示するように設定される。なお、炉内における触媒管１０の全長は、管内流体の圧力損失の許容範囲内において、適当な温度勾配及び加熱容量を発揮する適切な炉内管長に任意に設定し得る。
第７図及び第８図に示す如く、排気ガスダクト４０が、伝熱部１１の底壁11ｄに配置される。排気ガスダクト４０は、触媒管列の間の炉内中間領域に配置され、底壁１１ｄ上に隆起し、触媒管列及び第１側壁１１ａと平行に炉内領域６０に延在する。第８図（Ｂ）に示す如く、各排気ガスダクト４０は、底壁１１ｄの上面から上方に延びる左右の側壁４２と、側壁４２の頂端縁を相互連結する頂壁４１とを備える。所定の開口面積を有する複数の燃焼排ガス導出孔４３が、所定間隔を隔てて側壁４２に穿設される。頂壁４１及び側壁４２によって画成されたダクト内帯域は、燃焼排ガス導出孔４３を介して炉内雰囲気と相互連通するとともに、第１側壁１１ａ及び触媒管列と平行に底壁１１ｄ上に延びる燃焼排ガス導出路を構成する。排気ガスダクト４０は、連通管４４を介して排気ガスラインE1に連結され、改質炉１の炉内領域６０において生成した所定流量割合の燃焼排ガスは、排気ガスダクト４０、連通管４４及び排気ガスラインE1を介して、上記第１熱交換器４（第１図）に送出される。本例において、連通管４４は、第８図に破線で示す如く、排気ガスダクト４０の一端部に連結され、排気ガスダクト４０のダクト内領域に開口する。
第９図は、第１図に示す熱交換器型改質器２の全体構造を示す概略縦断面図であり、第１０図は、第１図に示す内部燃焼反応器型改質器３の全体構造を示す概略縦断面図である。
第９図に示す如く、本実施例における熱交換器型改質器２は、二次改質反応ガス給送ラインL8及び改質ガス送出ラインL9と連通する触媒管収容領域２０と、炭化水素／水蒸気混合ガスの第２分流ラインL3及び一次改質反応ガスの第２給送ラインL7と連通する上位ヘッド部２２とを備える。触媒管収容領域２０内には、触媒管２１が配設され、触媒管２１は、ニッケル系触媒等の触媒を充填した触媒充填部２１ａと、中空の流体上昇管２１ｂとを備える。第２分流ラインL3を介して上位ヘッド部２２に流入した炭化水素及び水蒸気の混合ガスは、触媒充填部21ａ内を流下し、流体上昇管２１ｂ内を上昇した後、上位ヘッド部２２の上部域を介して第２給送ラインL7に送出される。
二次改質反応ガスの給送ラインL8は、触媒管収容領域２０の下端部に接続される。内部燃焼反応器型改質器３から導出された二次改質反応ガスは、給送ラインL8を介して触媒管収容領域２０の下部領域に導入される。二次改質反応ガスは、触媒管収容領域２０の雰囲気温度を昇温させるとともに、触媒管収容領域２０内を上昇し、改質ガス送出ラインL9を介して、第３熱交換器６（第１図）に送出される。
第１０図に示す如く、本例の内部燃焼反応器型改質器３（以下、「二次改質器３」という）は、上位領域に配置された燃焼反応部３１と、下位領域に配置された触媒反応部３２とを備えた従来構造の改質装置により構成される。
第１０図に示すように、燃焼反応ガス供給管３４が、二次改質器３の中心軸線上に配置される。燃焼反応ガス供給管３４は、上方に突出する燃焼反応部３１の縮径部分を貫通する。燃焼反応ガス供給ラインS2が、供給管３４の上端部に連結され、バーナー又は混合器３４ａが、供給管３４の下端部に配設される。
一次改質反応ガス流入管３３ａ、３３ｂが、燃焼反応部３１の縮径部分の周壁に連結され、一次改質反応ガスの第１及び第２給送ラインL5、L7が、一次改質反応ガス流入管３３ａ、３３ｂに夫々連結される。かくして、燃焼反応部３１は、第１及び第２給送ラインL5、L7を介して、外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２と連通する。
二次改質器３の拡径部分に配置された触媒反応部３２は、上位アルミナボール層３５、ニッケル系触媒層３６及び下位アルミナボール層３７を備えており、下位アルミナボール層３７を支持する耐火・断熱材層３８を介して、二次改質反応ガス送出管３９と連通する。送出管３９は、二次改質反応ガスの給送ラインL8に接続される。
次に、上記製造装置系を使用した本発明の水蒸気改質法の第１実施例について、説明する。
メタン（CH4）等を主成分とする炭化水素原料は、原料供給ラインL0を介して介して脱硫器９に供給される。炭化水素中の微量の硫化水素は、脱硫器充填物中の酸化亜鉛と反応し、除去される。所望により、原料炭化水素中の硫黄化合物を硫化水素に変換する水添反応工程が、原料供給ラインL0において実行される。
脱硫器９で脱硫された炭化水素は、原料給送ラインL1において水蒸気供給ラインLSの水蒸気と混合した後、第３熱交換器６に供給され、第３熱交換器６において、改質ガス送出ラインL9の二次改質反応ガスとの熱交換作用により加熱され、昇温する。第３熱交換器６を通過した混合ガスは、第１及び第２分流ラインL2、L3に分流する。第１分流ラインL2の混合ガスは、第１熱交換器４に供給され、第２分流ラインL3の混合ガスは、熱交換器型改質器２に供給される。上記水蒸気及び炭化水素の混合ガス中の炭化水素濃度又は混合比は、一般には、1.5〜6.0の割合のモル比“Ｈ2Ｏ／炭素”に相当するように設定される。
第１熱交換器４に給送された混合ガスは、第１熱交換器４において排気ガスラインE1の燃焼排ガスと熱交換し、４００乃至７００℃に予熱され、原料給送ラインL4を介して、一次改質炉１の触媒管１０に導入される。混合ガスは、第１及び第２バーナー組立体１２、１３の高周期又は高速切換式燃焼作動により触媒管10の管壁を通じてなされる入熱と、吸熱リフォーミング反応により消費される熱との熱収支バランスに従って昇温し、また、混合ガスの組成は、反応推進力として機能する触媒管１０の軸線方向の温度勾配に実質的に比例して、触媒管１０内に充填されたニッケル系触媒層を流下するにつれて平衡状態に近づく。かくして、一次改質炉１において加熱され且つ一次改質反応を受ける混合ガスは、一般に６００〜９００℃の範囲の温度に加熱されるとともに、水素及び炭素を含み且つ未反応の炭化水素をも含む一次改質反応ガスとして生成され、第１給送ラインL5を介して一次改質炉１から導出され、二次改質器３の燃焼反応部３１に導入される。なお、本例において、一次改質炉１における炭化水素の転化率は、一般に、２０〜６０モル％に設定される。
上記第１及び第２バーナー組立体１２、１３の各バーナー１８は、制御装置（図示せず）の高速切換制御下に４方弁Ｖ（第６図）とともに同期切換制御される。バーナー１８（１８ａ：１８ｂ）には、燃焼空気送風機ＦＡの給気圧力下に燃焼用空気が交互に供給されるとともに、燃料ガスが、燃料ガス供給ラインLFを介して交互に供給される。この結果、バーナー１８ａ、１８ｂは、交互に火炎を形成する。第１図に実線で示す燃焼空気供給ラインLA及び大気放出ラインE4の第１運転形態は、第１バーナー組立体１２がバーナー１８ａの燃焼作動運転を実行し且つ第２バーナー組立体１３が蓄熱型熱交換器１９ｂの蓄熱運転を実行している状態を示しており、第１図に破断線で示す燃焼空気供給ラインLA及び大気放出ラインE4の第２運転形態は、第１バーナー組立体１３のバーナー１８ｂが燃焼作動運転を実行し且つ第１バーナー組立体１２の蓄熱型熱交換器１９ａが蓄熱運転を実行している状態を示している。上記の如く、第１及び第２運転形態は、好ましくは、６０秒以下に設定された所定の切換時間毎に交互に切換えられる。
燃焼空気供給ラインLAの燃焼用空気は、バーナー組立体１２又は１３の蓄熱型熱交換器１９と伝熱接触し、熱交換器１９の放熱作用により受熱し、例えば、８００乃至１５００℃に昇温する。かくして高温に予熱された燃焼用空気は、バーナー１８の燃料ガスにて燃焼し、触媒管１０を加熱する。伝熱部１１にて発生した燃焼排ガスの大部分は、バーナー組立体１２又は１３の蓄熱型熱交換器１９と熱交換し、例えば５０乃至２００℃に冷却し、大気放出ラインE4及び集合煙突等を介して大気に放出される。
燃焼排ガスの一部、好適には、重量比１０〜３０％の流体部分は、排気ガスダクト４０及び排気ガスラインE1、E2を介して一次改質炉１の伝熱部１１から導出され、第１熱交換器４において第１分流ラインL2の混合ガスと熱交換するとともに、第２熱交換器５において燃焼反応ガス供給ラインS1の空気及び／又は酸素と熱交換する。かくして、１００〜２５０℃に冷却した排気ガスラインE3の燃焼排ガスは、集合煙突等を介して大気に放出される。
他方、第２分流ラインL3を介して一次改質器２に供給される混合ガスは、第３熱交換器６において改質ガス送出ラインL9の二次改質反応ガスと熱交換し、４００乃至６５０℃に予熱される。一次改質器２に導入された炭化水素／水蒸気の混合ガスは、一次改質器２の多数の触媒管２１の触媒充填部２１ａ内において各触媒の境界域を下方に流下し、該触媒管２１の上昇管路（流体上昇管２１ｂ）内を上昇した後、第２給送ラインL7を介して、二次改質器３の燃焼反応部３１に導入される。
一次改質工程にて生成された一次改質炉１及び一次改質器２の一次改質反応ガスは、燃焼反応部３１に導入され、第２熱交換器５により４００〜６５０℃に予熱された空気及び／又は酸素は、燃焼反応ガス供給ラインS2を介して燃焼反応部３１の供給管３４（第１０図）に導入され、一次改質反応ガスと反応する。一次改質反応ガス中に含まれる可燃成分（水素、一酸化炭素、炭化水素）と空気及び／又は酸素との発熱反応が燃焼反応部３１において生起し、改質反応に必要な所要熱量が確保されるとともに、水蒸気と炭化水素との間の改質反応が同時に生起し、進行する。なお、燃焼反応ガス供給ラインS2の空気及び／又は酸素は、所望により、水蒸気との混合流体の形態にて燃焼反応部３１に導入される。一般には、二次改質器３の燃焼反応部３１にて生成される反応ガスの温度は、９００〜１２００℃に設定し得る。この反応ガスは、二次改質器３の下部領域に位置する触媒反応部３２の触媒層３６を通過した後、送出管３９を介して二次改質反応ガス給送ラインL8に導出される。
このように、上記燃焼反応部３１においては、一次改質反応ガス中の未反応炭化水素の大部分が水蒸気と反応し、触媒反応部３２においては、改質反応の平衡状態が得られるように反応が生起し、かくて、二次改質器３の反応ガス出口領域（送出管３９）においては、改質反応は実質的に平衡状態に達する。かくして生成された二次改質反応ガスは、給送ラインL8を介して加熱媒体として一次改質器２に給送される。
一次改質器２の下部領域（触媒管収容領域２０）に導入された二次改質反応ガスは、一次改質器２の触媒管収容領域２０内に配置された触媒管２１の外壁面又は管壁面と接触しつつ上方に流れ、二次改質反応ガスが保有する顕熱により触媒管２１の外壁又は管壁を加熱する。これにより、触媒管２１の触媒充填部２１ａ内を流下する炭化水素／水蒸気混合ガス（原料ガス）は、例えば、６００〜９００℃の範囲の温度に加熱され、上記の如く改質反応が進行し、一次改質反応ガスが一次改質器２にて生成される。なお、一次改質器２における炭化水素の転化率は、一般に、２０〜６０モル％に設定し得る。
一次改質器２における熱交換により冷却した二次改質反応ガスは、改質ガス送出ラインL9を介して、第３熱交換器６に供給され、第３熱交換器６において原料供給ラインL1の炭化水素／水蒸気混合ガスとの熱交換により更に冷却した後、改質ガス送出ラインL10を介して、後段のアンモニア合成プラント又はメタノール合成プラント（図示せず）等の製造（精製）設備に送出される。本例において、改質ガス送出ラインL9の改質ガスの温度条件は、好適には、５００乃至７００℃の範囲内の所望の温度に設定され、また、改質ガス送出ラインL10における改質ガスの温度条件は、３００乃至５００℃の範囲内の所望の温度に設定される。
第２図は、本発明の第２実施例に係る水蒸気改質法を適用可能なアンモニア合成又はメタノール合成用改質反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図である。第２図において、上記実施例の各構成要素又は構成手段と実質的に同じ構成要素又は構成手段については、同一の参照符号が付されている。
第２図に示す改質反応ガス製造プラントは、上述の実施例と実質的に同一の各部構成を有する外部燃焼型改質炉１、熱交換器型改質器２および内部燃焼反応器型改質器３を備える。しかしながら、本例の改質反応ガス製造プラントにおいては、一次改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２は、炭化水素／水蒸気の混合ガス給送ラインL3及び改質反応ガスの給送ラインL4を介して、直列に連結される。
また、第１熱交換器４は、原料供給ラインL0、L1に介装される。第１熱交換器４は、炭化水素原料の過剰な温度上昇を抑制すべく、外部燃焼型改質炉１の排気ガスラインE1及びE2に関して、第２熱交換器５の下流側に配置される。かくして、原料供給ラインL0、L1を介して供給される炭化水素原料は、第１及び第３熱交換器４、６にて適当な温度域に昇温した後、給送ラインL3、L4を介して、一次改質器２及び一次改質炉１に段階的に供給され、しかる後、一次改質反応ガスとして、改質反応ガス給送ラインL5により二次改質器３に供給される。二次改質器３にて生成された二次改質反応ガスは、改質反応ガス給送ラインL8を介して一次改質器２の下部領域に導入され、二次改質反応ガスが保有する顕熱により、一次改質器２の炭化水素／水蒸気混合ガスの昇温及び改質反応に必要とされる熱量を供給するとともに、第３熱交換器６において原料ガスを加熱した後、改質ガス送出ラインL10を介して、後段のアンモニア合成プラント又はメタノール合成プラント（図示せず）等の製造設備ないし精製設備に送出される。改質反応ガス製造プラントの他の全体構成及び各部構成は、上述の実施例と実質的に同じ構成のものであるので、更なる詳細な説明を省略する。
第３図は、本発明の第３実施例に係る水蒸気改質法を適用可能なアンモニア合成又はメタノール合成用反応ガスの製造装置系の全体構成を示す概略フロー図である。第３図において、上記各実施例の各構成要素又は構成手段と実質的に同じ構成要素又は構成手段については、同一の参照符号が付されている。
第３図に示す如く、改質反応ガス製造装置系は、外部燃焼型改質炉１及び内部燃焼反応器型改質器３を備える。メタン（ＣＨ4）を主成分とする原料炭化水素を改質反応ガス製造装置系に供給する原料供給ラインL0が、第１熱交換器４を介して原料供給ラインL1の上流端に連結される。第１熱交換器４は、比較的低温の原料炭化水素と外部燃焼型改質炉１の燃料排ガスとの熱交換作用により、原料炭化水素を３００℃〜４００℃に昇温せしめる。
上記第１及び第２実施例と同様に、原料供給ラインL1の下流端が、脱硫器３に連結され、原料給送ラインL2の上流端が、脱硫器３の炭化水素送出ポートに連結される。第３熱交換器６が、原料給送ラインL3の下流端に連結され、所定流量の水蒸気を供給する水蒸気供給ラインLSが、原料給送ラインL2に接続される。
第３熱交換器６の混合ガス送出ポートは、混合ガス給送ラインL3の上流端に接続される。給送ラインL3の下流端は、混合ガス給送ラインL4に接続されるとともに、分流ラインL11の上流端に接続される。給送ラインL4は、一次改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１の分配管（ディストリビュータ）１６に連結される。
第３図において仮想線（点線）の包囲線にて指示する領域に図示された断熱反応型反応器８は、アンモニア合成又はメタノール合成プラントを含む製造プラント全体の熱収支バランス上、更に好適且つ経済的な装置系を提供し得る場合、炭化水素及び水蒸気の混合ガス供給系に好適に配設される。断熱反応型反応器８は、竪型円筒形の圧力容器内部にニッケル系触媒を充填してなる反応容器により構成され、分流ラインL11の下流端が、反応器８の混合ガス導入ポートに連結される。炭化水素／水蒸気混合ガスが、断熱反応型反応器８を流通する水蒸気改質プロセスにおいて、混合ガスは、第３熱交換器６にて６００℃〜７５０℃に加熱され、この結果、断熱反応型反応器８における改質反応に必要とされる熱量は、炭化水素／水蒸気混合ガスが保有する顕熱により供給され、これにより、混合ガスの水蒸気改質反応が反応器８で生起し且つ進行するとともに、混合ガスの温度は、４５０℃〜６００℃に降温する。
一次改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１と、二次改質装置を構成する内部燃焼反応器型改質器３とは、混合ガス給送ラインL4及び一次改質ガス給送ラインL5を介して直列に配置される。外部燃焼型改質炉１及び内部燃焼反応器型改質器３は、第５図乃至第８図および第１０図に示す改質炉及び改質器の各部構成と実質的に同一の各部構成を備えたものであるので、改質炉１及び改質器３の各部構成に関する詳細な説明は、省略する。
次に、上記製造装置系を使用した本発明の水蒸気改質法の第３実施例について、説明する。
メタン（ＣＨ4）を主成分とする炭化水素は、原料供給ラインL0、L1、L2を介して、第１図に示す製造装置系に供給され、第１熱交換器４にて外部燃焼型改質炉１の燃料排ガスと熱交換し、３００℃〜４００℃に昇温した後、原料供給ラインL2を介して脱硫器９に供給される。炭化水素中の微量の硫化水素は、脱硫器充填物中の酸化亜鉛と反応し、除去される。所要により、原料炭化水素中の硫黄化合物を硫化水素に変換する水添反応工程が、原料供給ラインL0又はL1において実行される。
脱硫器９で脱硫された炭化水素は、原料給送ラインL3において水蒸気供給ラインLSの水蒸気と混合した後、第３熱交換器６を流通し、内部燃焼反応器型改質器３から送出された改質ガスとの熱交換作用により４００℃〜７００℃に加熱され、しかる後、混合ガス給送ラインL4及び分配管１６を介して外部燃焼型改質炉１に供給される。
原料給送ラインL2の水蒸気／炭化水素混合ガスは、所望により、第３熱交換器７にて６００℃〜７５０℃に加熱され、分流ラインL11を介して断熱反応型反応器８に供給される。断熱反応型反応器８に給送された水蒸気／炭化水素混合ガスは、断熱反応型反応器８の容器内領域において、炭化水素／水蒸気混合ガスが保有する顕熱により、水蒸気改質反応に必要な熱量の供給を受け、炭化水素の水蒸気改質反応を部分的に進行させるとともに、４５０℃〜６００℃のガス温度に降温する。断熱反応型反応器８において少なくとも部分的に改質反応した炭化水素／水蒸気混合ガスは、分流ラインL12及び混合ガス給送ラインL4を介して外部燃焼型改質炉１の分配管１６に供給される。
外部燃焼型改質炉１に供給された炭化水素／水蒸気混合ガスは、高周期又は高速切換方式の第１及び第２バーナー組立体１２、１３の燃焼作動によって、一般に６００〜９００℃の温度域に加熱される。混合ガスの一次改質反応が触媒管10において進行し、水素及び炭素を含み且つ未反応の炭化水素をも含む一次改質反応ガスが生成される。触媒管１０の一次改質反応ガスは、集合管（コレクター）１７及び給送ラインL5を介して外部燃焼型改質炉１から導出され、内部燃焼反応器型改質器３の燃焼反応部３１に導入される。
燃焼排ガスの一部、好適には、重量比１０〜３０％の流体部分は、第２熱交換器５において燃焼反応ガス供給ラインS1の空気及び／又は酸素と熱交換するとともに、第１熱交換器４において原料供給ラインL0の原料炭化水素と熱交換する。かかる熱交換作用により１００〜２５０℃に冷却した排気ガスラインE3の燃焼排ガスは、集合煙突等を介して大気に放出される。
外部燃焼型改質炉１の一次改質工程にて生成した給送ラインL5の一次改質反応ガスは、燃焼反応部３１に導入され、第２熱交換器５により４００〜６５０℃に予熱された燃焼反応ガス供給ラインS2の空気及び／又は酸素と混合する。一次改質反応ガス中に含まれる可燃成分（水素、一酸化炭素、炭化水素）と空気及び／又は酸素との発熱反応により、改質反応に要する燃焼反応部３１の所要熱量が確保される。燃焼反応部３１の改質反応ガスは、二次改質器３の下部領域に位置する触媒反応部３２の触媒層３６（第１０図）を通過した後、送出ポート３９を介して二次改質反応ガス給送ラインL8に導出される。
かくして生成した改質ガスは、加熱媒体として第３熱交換器６に給送され、第３熱交換器６において、原料給送ラインL2の炭化水素／水蒸気混合ガスと熱交換し、冷却した後、改質ガス送出ラインL10を介して、後段のアンモニア合成プラント又はメタノール合成プラント（図示せず）等の精製設備に送出される。本例の水蒸気改質方法は、殊に、比較的小型の水蒸気改質装置に好適に適用される。また、本例の水蒸気改質方法により、装置系全体の燃料ガス使用量は、３５乃至４５％程度の節約することが可能となる。
以上説明した如く、上記第１乃至第３実施例の水蒸気改質方法によれば、一次改質工程において、外部燃焼型改質炉１を一次改質装置として使用し、炭化水素及び水蒸気の混合ガスの一次改質反応ガスを生成し、二次改質工程において、内部燃焼反応器型改質器３を二次改質装置として使用し、一次改質工程にて得られた一次改質反応ガスの二次改質反応を空気及び／又は酸素の存在下に進行させる。外部燃焼型改質炉１のバーナー組立体１２、１３は、触媒管１０を加熱する複数のバーナー１８と、バーナー１８に供給される燃焼用給気流を予熱する複数の蓄熱体１９とを備え、外部燃焼型改質炉１の燃焼排ガスは、第１バーナー１８ａが燃焼作動する間、第２蓄熱体１９ｂを含む第２流路H2を通り、第２バーナー１８ｂの燃焼用給気流を予熱するための第２蓄熱体１９ｂを加熱し、他方、第２バーナー18ｂが燃焼作動する間、第１蓄熱体１９ａを含む第１流路H1を通り、第１バーナー１８ａの燃焼用給気流を予熱するための第１蓄熱体１９ａを加熱する。燃焼排ガスの流路H1:H2は、所定の時間間隔にて第１流路H1又は第２流路H2のいずれか一方に選択的に切換制御される。外部燃焼型改質炉１の燃焼排ガスの所定割合、好適には、１０乃至３０％（重量比）の流体部分は、外部燃焼型改質炉１の炉内領域から第１及び第２熱交換装置４、５に供給され、熱交換装置４、５における熱交換作用により、原料炭化水素又は炭化水素／水蒸気混合ガスと、空気及び／又は酸素とを夫々加熱する。
内部燃焼反応器型改質器３から導出された改質ガスは、第３熱交換器６に供給され、熱交換器６における熱交換作用により、炭化水素及び水蒸気の混合ガスを加熱した後に、改質ガス送出ラインL10に送出される。上記各実施例において、改質ガス送出ラインL10の二次改質反応ガスの温度条件は、第３熱交換器６において炭化水素／水蒸気混合ガスを予熱するために必要とされる熱により支配され、該混合ガスの予熱量を考慮した最適な熱収支バランスを達成し得る温度に決定される。
所望により、第３実施例において、炭化水素／水蒸気混合ガスは、第３熱交換器６により比較的高温に加熱され、部分的な水蒸気改質反応に要する所要熱量を与えられる。昇温した炭化水素／水蒸気の混合ガスは、断熱反応型反応器４に導入され、混合ガスが保有する顕熱により炭化水素の水蒸気改質反応が部分的に進行する。
なお、上記各実施例に係る上記水蒸気改質法は、アンモニア合成又はメタノール合成用の改質反応ガスの製造方法として、好適に使用し得る。即ち、アンモニア合成用の改質反応ガスを生成する場合には、内部燃焼反応器型改質器３の燃焼反応部３１に空気を導入し、これにより、水素及び炭素酸化物とともに窒素を含む二次改質反応ガスを得ることができる。また、メタノール合成用の改質反応ガスを生成する場合には、内部燃焼反応器型改質器３の燃焼反応部３１に酸素を導入し、これにより、水素及び炭素酸化物を含み且つ窒素を含まない二次改質反応ガスを得ることができる。
第４図は、本発明の第４実施例に係る水蒸気改質法を適用可能な改質反応ガス製造装置系の全体構成を示す概略フロー図である。第４図において、上記各実施例の各構成要素又は構成手段と実質的に同じ構成要素又は構成手段については、同一の参照符号が付されている。
第４図に示す改質反応ガス製造プラントは、殊に、水素製造工程に好適に使用し得る全体構成を備えており、上記各実施例と実質的に同一の構成を備えた外部燃焼型改質炉１（第５図乃至第８図）及び熱交換器型改質器２（第９図）を備えている。しかしながら、水素製造に係る改質工程においては、酸素等の燃焼反応ガスを装置系内に供給せずに改質反応を完了する方式が一般に採用されることから、本実施例の装置系は、上述の内部燃焼反応器型改質器を備えていない。
改質装置を構成する外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２は、原料供給ラインL0、L1、L2、混合ガス給送ラインL3及び改質反応ガス給送ラインL4を介して直列に連結される。原料供給ラインL0は、第１熱交換器４を介して原料供給ラインL1と連通し、原料供給ラインL1は、脱硫器９、原料供給ラインL2及び第３熱交換器６を介して、給送ラインL3と連通する。給送ラインL3は、熱交換器型改質器２の上位ヘッド部２２に接続され、触媒管収容領域２０の触媒管２１を介して、改質反応ガス給送ラインL4と連通する。給送ラインL4は、外部燃焼型改質炉１の触媒管１０と連通し、触媒管１０は、改質反応ガス給送ラインL5を介して、熱交換器型改質器２の触媒管収容領域２０と連通する。
触媒管収容領域２０は、改質ガス送出ラインL9、L10及び第３熱交換器６を介して、後続工程を実施する水素ガス製造プラント（図示せず）に接続され、上記外部燃焼型改質炉１及び熱交換器型改質器２にて生成された改質ガスを所定の次工程に供給する。
前述の各実施例と同様に、外部燃焼型改質炉１から導出される伝熱部１１の燃焼排ガスは、排気ガスラインE1、E2、E3より構成される第１排気ガス系統と、大気放出ラインE4からなる第２排気ガス系統とを介して排気される。
伝熱部１１に接続された排気ガスラインE1は、上記第１熱交換器４を介して排気ガスラインE2に連通し、排気ガスラインE2は、第２熱交換器５を介して排気ガスラインE3に連通する。原料供給ラインL1を介して供給された炭化水素原料は、第１熱交換器４にて伝熱部１１の燃焼排ガスと熱交換し、脱硫器９において脱硫作用を受ける。原料供給ラインL2において混合した炭化水素及び水蒸気は、第３熱交換器６において改質ガス送出ラインL9の改質ガスと熱交換し、第３熱交換器６により予熱された後、熱交換器型改質器２に導入される。熱交換器型改質器２において部分的に改質反応した混合ガスは、改質反応ガス給送ラインL4を介して外部燃焼型改質炉１の触媒管１０に導入される。混合ガスは、外部燃焼型改質炉１にて更に改質反応を受け、改質反応ガスとして改質反応ガス給送ラインL5に導出される。改質反応ガスは、熱交換器型改質器２の触媒管収容領域２０に導入され、改質反応ガスの保有顕熱により熱交換器型改質器２の必要熱量を供給した後、改質ガス送出ラインL9、L10及び第３熱交換器６を介して、次工程に供給される。
伝熱部１１のバーナー組立体１２、１３に接続された燃料ガス供給ラインLFは、第２熱交換器５を介して燃料ガス供給源（図示せず）に連結される。燃料ガス供給源から供給される燃料ガスは、第２熱交換器５において排気ガスラインE2の燃焼排ガスと熱交換し、所定の温度域に昇温され、しかる後、バーナー組立体１２、１３の各バーナーに供給される。
本実施例によれば、燃焼反応ガスとしての酸素を装置系に供給しない方式の水素製造工程に好ましく適応した水蒸気改質方法が提供される。本実施例に係る水蒸気改質方法によれば、装置系全体の燃料ガス使用量を約４０乃至６０％、低減することが可能となる。なお、本実施例における改質反応ガス製造プラントの他の全体構成及び各部構成は、上述の実施例と実質的に同一の構成に設定されているので、装置系の各部構成等に関する更なる詳細な説明は、省略する。
以上、本発明の好適な実施例について詳細に説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において種々の変更又は変形が可能であり、かかる変更又は変形例も又、本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
例えば、上記各実施例の製造装置系において、複数（例えば、２乃至４個）の上記熱交換器型改質器２を製造プロセス内に配設することが可能である。
また、上記製造装置系において、上記外部燃焼型改質炉１のバーナー組立体１２、１３として、他の構造形式の高周期又は高速切換式蓄熱燃焼システム、例えば、複数のセラミックボール等のボール型蓄熱体又は球形蓄熱体、或いは、ペレット形式の蓄熱体を備えた切換蓄熱式燃焼空気高温予熱機構を備えたバーナー組立体を採用することが可能である。
更に、上記実施例の製造装置系において、第３熱交換器６と直列又は並列に単数又は複数の熱交換器を配設し、該熱交換器により水蒸気を発生させ、或いは、水蒸気を加熱し、これにより、装置系の全熱収支をバランスさせることも可能である。
また、２以上の断熱反応型反応器８を直列に配置し、第１反応器８を通過した混合ガスを外部燃焼型改質炉１の燃焼排ガス、或いは、一次又は二次改質反応ガスとの熱交換により再熱し、第２反応器８に供給し、第２反応器８にて水蒸気改質反応を更に進行させることも可能である。
産業上の利用可能性
以上説明した如く、本発明によれば、炭化水素及び水蒸気の混合ガスの水蒸気改質方法により改質反応ガスを製造する炭化水素の水蒸気改質方法において、水蒸気改質反応系の熱効率又は廃熱回収効率を改善し、プラント全体の高度且つ経済的なエネルギー効率又は製造効率を達成し得る水蒸気改質方法を提供することが可能となる。
【図１】
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【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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