(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側筒状本体の一端が閉じられた構造を有する外側筒状構造体と、
前記外側筒状本体の他端の開口部から前記外側筒状本体の内部に挿入され一端側に通気構造を有する内側筒状本体及び前記内側筒状本体の他端を閉じるように前記内側筒状本体の前記他端に固定され且つ前記外側筒状本体の前記他端の開口部を塞ぐ内側筒状本体閉塞体を備え、前記外側筒状本体の内周面と前記内側筒状本体の外周面との間に触媒が充填される触媒充填空間を形成するように構成された内側筒状構造体とを具備し、
前記外側筒状本体の前記他端側に流体入口が形成され、
前記内側筒状構造体の前記内側筒状本体閉塞体に流体出口が形成されているバイオネット型反応管であって、
前記外側筒状構造体の前記外側筒状本体は両端に開口部を有する筒状をなしており、前記外側筒状本体の前記一端が着脱可能な外側筒状本体閉塞体により閉塞されており、
前記外側筒状本体閉塞体には、前記外側筒状本体の内部に挿入される筒体の一端が固定され、前記筒体の内部は該筒体の他端側に前記内側筒状本体の前記一端が挿入される空間を形成するように仕切り板によって二つに仕切られており、前記外側筒状本体閉塞体と前記仕切り板との間の空間には断熱材が充填されている
ことを特徴とするバイオネット型反応管。
【請求項２】
前記外側筒状本体の前記一端にはフランジ部が設けられ、前記外側筒状本体閉塞体は前記フランジ部にボルトを用いて着脱可能に取付けられていることを特徴とする請求項１に記載のバイオネット型反応管。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に触媒が充填されたバイオネット型反応管に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
触媒改質型反応炉等で用いられている従来の反応管は、内部に触媒が充填され、一端側から改質の対象となる流体を流入させ、他端から改質された流体を流出させる構造を有している。通常１つの触媒改質型反応炉の内部には、複数組の反応管列が設けられており、これら複数組の反応管列のそれぞれに対して加熱用の複数の燃焼用バーナが配置される。そして触媒改質型反応炉で用いる従来の反応管は、長さが長い（例えば１２ｍある）ため、反応管を縦に並べた場合には、反応炉の高さが高くなる問題があった。そこで反応管の長さを短くする目的で、バイオネット反応管と呼ばれる二重構造の反応管が提案された。このバイオネット反応管は、外側筒状本体の一端が閉じられた構造を有する外側筒状構造体と、この外側筒状構造体の外側筒状本体の内部に挿入されて外側筒状本体との間に触媒収納空間を形成する内側筒状本体を備えた内側筒状構造体とを有している。そして外側筒状本体に設けた流体入口が設けられ、内側筒状構造体の端部に流体出口が設けられている。従来のバイオネット反応管の外側筒状構造体の一端は、溶接によって完全に閉じられた構造を有している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そのため公知のバイオネット型反応管では、内部に充填した触媒を交換する際には、内側筒状構造体を上に数十センチ持ち上げて形成した隙間から、吸引装置の吸引パイプを内部に挿入して内部の触媒を吸い上げる面倒な作業が必要になる。何十本または数百本のバイオネット型反応管を用いる場合に、このような吸引作業をしていたのでは、触媒の交換に多大の時間を要することになる。
【０００４】
本発明の目的は、触媒の交換が容易なバイオネット型反応管を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明が改良の対象とするバイオネット型反応管は、外側筒状本体の一端が閉じられた構造を有する外側筒状構造体と、この外側筒状本体の他端の開口部から外側筒状本体の内部に挿入され一端側に通気構造を有する内側筒状本体を備えた内側筒状構造体を有している。また内側筒状構造体は、内側筒状本体の他端を閉じるように内側筒状本体の他端に外側筒状本体の他端の開口部を塞ぐ内側筒状本体閉塞体を備えている。更に内側筒状構造体は、外側筒状本体の内周面と内側筒状本体の外周面との間に触媒が充填される触媒充填空間を形成するように構成されている。そして外側筒状本体の他端側には流体入口が形成され、内側筒状構造体の内側筒状本体閉塞体に流体出口が形成されている。
【０００６】
このようなバイオネット型反応管において、本発明では、外側筒状構造体の外側筒状本体として両端に開口部を有する筒状をなしたものを用いる。そして外側筒状本体の一端を着脱可能な外側筒状本体閉塞体により閉塞する。
【０００７】
このような構造のバイオネット型反応管であれば、触媒を交換する際に、外側筒状本体閉塞体を取り外すことにより、簡単に触媒を抜き取ることができる利点がある。なお本発明のバイオネット型反応管は、触媒改質型反応炉を含む各種の反応炉において適用が可能であり、その用途は限定されない。また本発明のバイオネット型反応管では一方の端部側に流体入口と流体出口とが配置されることになるため、複数のバイオネット型反応管を接続する入口マニホールド及び出口マニホールドを集中的配置することができて、触媒改質型反応炉等の反応炉を全体的にコンパクトに構成することができる。
【０００８】
特に、外側筒状本体の一端にフランジ部を設け、外側筒状本体閉塞体をこのフランジ部にボルトを用いて着脱可能に取付ければ、外側筒状本体閉塞体の取り外し、取り付けの作業が容易になる。
【０００９】
また外側筒状本体閉塞体に、外側筒状本体の内部に挿入される筒体の一端を固定し、この筒体の内部を該筒体の他端側に内側筒状本体の一端が挿入される空間を形成するように仕切り板によって二つに仕切り、外側筒状本体閉塞体と仕切り板との間の空間に断熱材を充填する構造を付加すると、外側筒状本体の一端のフランジ部及び外側筒状本体閉塞体の温度が高くなり過ぎるのを阻止することができる。その結果両者間を結合するボルトの延びを抑えて両者間のシール性が低下するのを確実に防止できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明のバイオネット型反応管をハイドロカーボンを改質して水素を生成する場合等に用いる触媒改質型反応炉に適用した例の一部の概略断面図であり、図２は図１のＡ−Ａ線断面図である。これらの図において、１は内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１は、図１で見た状態で右側に更に延びた形状を有する横長形状を有している。炉本体１は、底壁１ａと、上壁１ｂと、幅方向（図１の紙面で見た前後方向：図２の紙面で見た上下方向）に位置する側壁１ｃ及び１ｄと、横方向（図１の紙面で見た左右方向：図２の紙面で見た左右方向）の側壁１ｅ（図１及び図２では一方の側壁だけが示されている。）を備えている。
【００１１】
炉本体１の底壁１ａは、支持構造部３…によって支持されており、炉本体１の上には、蓄熱式燃焼装置４を構成する複数の回転式蓄熱バーナ４ａ…や入口マニホールド５および出口マニホールド６を収納する収納スペース７を内部に備えた屋根構造体８が配置されている。そして炉本体１の底壁１ａと上壁１ｂとを貫通するように、バイオネット型反応管からなる複数の反応管９…が配置されている。
【００１２】
蓄熱式燃焼装置４は、高温空気燃焼型蓄熱式燃焼装置であり、高温空気燃焼技術を用いて燃焼を行う燃焼装置である。この高温空気燃焼技術は、日本燃焼学会、日本工業炉協会、財団法人宇宙環境利用推進センターが協力して、通産省の援助のものと、ＮＥＤＯの事業の一つとして開発された燃焼技術である。例えば、１９９６年に発行された月刊「省エネルギー」９月号、ｖｏｌ．４８Ｎｏ．１０にその内容が詳しく説明されている。高温空気燃焼では、例えば燃焼用空気を８００℃〜１０００℃以上の高温まで予熱し、かつ高速で燃焼室に燃焼用空気を吹き込み、しかもその燃焼用空気中に燃料を吹き込んで燃焼を行う。
【００１３】
この例で具体的に用いることができる複数の回転式蓄熱バーナ４ａの種々の構造に関しては、例えば特開平１−２２２１０２号公報等、米国特許第５，２７５，５５６号、１９９２年に発行された月刊「省エネルギー」Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．６、本出願の出願人である千代田化工建設株式会社が１９９４年９月に発行して頒布した千代田技報第１３号等の多くの公知文献に詳しく説明されている。またこの種の回転式蓄熱バーナを用いた工業炉に関しては、特開平６−３３７１１０号公報、特開平６−２４１４３６号公報等に詳しく説明されている。一般的な回転式蓄熱バーナ４ａは、燃料を吹き出すバーナの後方に通気性を有する蓄熱体が配置され、この蓄熱体の後方に燃焼用空気と排気ガスとを同時に蓄熱体に流すための回転機構が配置されている。回転機構の回転により、蓄熱体の内部には排気ガスが部分的に回転しながら連続的に流れてその部分に排気ガスの熱が蓄熱され、排気ガスが流れた部分に燃焼用空気が流されてその部分に蓄熱された熱で燃焼用空気が所定の温度まで加熱される。燃焼用空気の加熱温度は、回転機構の回転速度、蓄熱体の通気性、蓄熱体の長さ等の要素によって決まる。この例では燃焼用空気の温度が８００℃以上になるようにこれらの要素が決定されている。勿論このような高温に耐えるように各部の材料も選択されている。そしてこの回転機構の後方には、燃焼用空気を供給する空気ダクトと排気ガスを排出する排気ガスダクトを有するダクト構造体が設けられ、更にこのダクト構造体の後方には、燃焼用空気を空気ダクトに送り込む押し込み送風機と排気ガスを排気ガスダクトから引き出す誘引送風機が配置されている。本実施の形態のように、複数の回転式蓄熱バーナ４ａを用いる場合には、各回転式蓄熱バーナのダクト構造体は、例えば１台の押し込み送風機と誘引送風機によって燃焼用空気の供給と排気ガスの排気とを行えるように、複数台のダクト構造体を集合させて構成した集合構造を有している。なおこの実施の形態で、複数の回転式蓄熱バーナを用いて高温燃焼を行う場合には、前述の通り、燃焼用空気の温度は８００℃以上とする。
【００１４】
この例では、蓄熱式燃焼装置を複数の回転式蓄熱バーナを用いて構成したが、いわゆる交番式蓄熱バーナを用いて蓄熱式燃焼装置を構成してもよい。交番式蓄熱バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と排気ガスを交互に流して、燃焼用空気を蓄熱体の顕熱で加熱するものであり、大別してバーナの燃焼を連続する連続燃焼タイプと、バーナの燃焼を断続する断続燃焼タイプとがある。連続燃焼タイプのものとしては、例えば特開平５−２５６４２３号公報や特開平６−１１１２１号公報に示された交番式蓄熱バーナがある。この交番式蓄熱バーナでは、１つのバーナに対して２つの蓄熱体を設ける。そして一方の蓄熱体を通して排気ガスを排気し、他方の蓄熱体を通して燃焼用空気を供給し、この排気ガスの排気と燃焼用空気の供給をそれぞれの２つの蓄熱体で交互に行う。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報の第１０図に示されている。この交番式蓄熱バーナでは、１つのバーナと１つの蓄熱体とがセットになった蓄熱バーナを２組用意する。そして１組の蓄熱バーナで燃焼を行っているときには他の組の蓄熱バーナは燃焼を停止し、交互に燃焼と停止を繰り返す。このとき燃焼を行っている蓄熱バーナの蓄熱体を通して燃焼用空気を燃焼室に供給し、燃焼を停止している蓄熱バーナの蓄熱体を通して排気ガスを排気している。高温空気燃焼を行う場合には、高温の空気に晒される部分に可動部がない交番式蓄熱バーナは適している。したがって本実施の形態においても、上記の２つのタイプのいずれの交番式蓄熱バーナを用いて蓄熱式燃焼装置４を構成してもよいのは勿論である。
【００１５】
この例で用いる本発明の実施の形態の一例のバイオネット反応管９は、図３に示す構造を有している。このバイオネット型反応管９は、両端部に溶接により固定された環状のフランジ部９ａ及び９ｂを有する外側筒状本体９ｃの一端（下端）の開口部が円板状の外側筒状本体閉塞体９ｄによって塞がれた構造を有する外側筒状構造体９ｅを備えている。外側筒状構造体９ｅの長さは、約６ｍであり、外側筒状本体９ｃの本体部分（フランジ部９ａ及び９ｂの間に位置する部分）の外径寸法は１１４．３〜１６５．２ｍｍである。そして更に、外側筒状本体９ｃの他端（上端）の開口部から外側筒状本体９ｃの内部に挿入され一端（下端）側に通気構造を構成する複数の貫通孔９ｆが形成された内側筒状本体９ｇと、内側筒状本体９ｇの他端（上端）を閉じるように内側筒状本体９ｇの他端（上端）に固定され且つ外側筒状本体９ｃの他端（上端）の開口部を塞ぐ内側筒状本体閉塞体９ｈを備え、外側筒状本体９ｃの内周面と内側筒状本体９ｇの外周面との間に触媒１０が充填される触媒充填空間９ｉを形成するように構成された内側筒状構造体９ｊを備えている。内側筒状本体９ｇの外径寸法は５０．３〜１０１．２ｍｍである。また触媒１０のサイズは直径５ｍｍ球または１／４インチ×１／４インチのタブレット形状のものが望ましい。
【００１６】
更にこの例では、外側筒状本体閉塞体９ｄに、円筒状の筒体９ｋが固定されている。この円筒状の筒体９ｋは長手方向の途中の部分に仕切り板９ｍによって仕切られている。そして外側筒状本体閉塞体９ｄと筒体９ｋと仕切り板９ｍとによって囲まれた空間９ｎには、外側筒状本体閉塞体９ｄ及びフランジ部９ｂの温度低下のためにセラミックファイバ等の断熱材９ｓが充填されている。仕切り板９ｍよりも上の空間には、内側筒状本体９ｇの一端が嵌合されている。また外側筒状本体９ｃの上端部で、炉本体１の上壁１ｂから外に露出する部分には改質の対象となる流体が流入する流体入口９ｏが形成され、外側筒状本体９ｃの外壁部には流体入口９ｏと連通するように管状の管接続部９ｐが固定されている。更に内側筒状構造体９ｊの内側筒状本体閉塞体９ｈの中央部には改質した流体が流出する流体出口９ｑが形成されている。そして内側筒状本体閉塞体９ｈの外壁部には、一端にフランジ部を有するエルボー管９ｒの他端が流体出口９ｑと連通するように固定されている。
【００１７】
外側筒状本体閉塞体９ｄとフランジ部９ｂには図示していないがそれぞれ整合する複数の貫通孔が周方向に所定の間隔あけて形成され、これら整合した複数の貫通孔にそれぞれボルトが挿入され、これらボルトにナットが締め付けられて、外側筒状本体閉塞体９ｄはフランジ部９ｂに取り外し可能にまたは着脱可能に取付けられている。内側筒状本体閉塞体９ｈとフランジ部９ａにも図示していないがぞれぞれ整合する複数の貫通孔が周方向に所定の間隔あけて形成され、これら整合した複数の貫通孔にそれぞれボルトが挿入され、これらボルトにナットが締め付けられて、内側筒状本体閉塞体９ｈはフランジ部９ａに取り外し可能にまたは着脱可能に取付けられている。
【００１８】
このバイオネット型反応管９から、触媒１０を交換する際に、触媒１０を抜き取る場合には、外側筒状本体閉塞体９ｄをフランジ部９ｂから外し、重力で触媒を下に落下させればよい。その際に内側筒状本体閉塞体９ｈはフランジ部９ａから取り外し、内側筒状本体９ｇを上下左右に振動させると、触媒１０の抜き取りが容易になる。そして触媒を抜き取った後には、外側筒状本体閉塞体９ｄをフランジ部９ｂに取り付け、内側筒状本体閉塞体９ｈを上方に２００ｍｍほど引き上げて、外側筒状本体９ｃの内周面と内側筒状本体９ｇの外周面との間に形成された触媒充填空間９ｉに触媒を１０を充填する。この例では、外側筒状本体閉塞体９ｄに固定した円筒状の筒体９ｋの長さが、内側筒状本体９ｇを上方に２００ｍｍほど引き上げた場合でも、内側筒状本体９ｇと円筒状の筒体９ｋとの嵌合状態が解除されない寸法に定めてあるので、触媒１０を充填したあとに内側筒状本体９ｇを下方に下げる際に、触媒１０が内側筒状本体９ｇの挿入の障害になるのを防止できる。
【００１９】
図１の例では、図２に示すように６台の回転式蓄熱バーナ４ａ1 〜４ａ6 が一列に並べられて第１のバーナ列４Ａが構成され、また更に６台の回転式蓄熱バーナ４ｂ1 〜４ｂ6 が一列に並べられて第２のバーナ列４Ｂが構成されている。そして複数の反応管９…は、これら第１及び第２のバーナ列４Ａ及び４Ｂの間に、これらのバーナ列４Ａ及び４Ｂに沿って４列の反応管列９Ａ〜９Ｄを形成するように配置されている。図１に示すように、各反応管９…は、管接続部９ｐ及びエルボー管９ｒが炉本体１の上壁１ｂの外側に露出し、外側筒状本体閉塞体９ｄが炉本体１の底壁１ａの外側に露出し、且つ熱膨張及び熱収縮による伸縮を許容する支持構造を介して底壁１ａ及び上壁１ｂに対して取付けられている。この支持構造は、従来の触媒改質型反応炉で用いられている支持構造と同じであるので説明を省略する。
【００２０】
そして４列の反応管列９Ａ〜９Ｄを構成する各反応管９…の管接続部９ｐと改質の対象となる流体が流れる入口マニホールド５との間は、反応管９…及び入口マニホールド５の熱膨脹及び熱収縮を吸収する構造のピッグテールまたはヘアピンと呼ばれる複数の入口側連結管１１…によってそれぞれ連結されている。また各反応管９…のエルボー管９ｒと改質された流体が流れる出口側マニホールド６との間も、反応管９…及び出口マニホールド６の熱膨脹及び熱収縮を吸収する構造の複数の出口側連結管１２…によりそれぞれ連結されている。なお入口マニホールド５及び出口マニホールド６に付随して示した矢印は、流体の流れる方向を示している。
【００２１】
この例では、４列の反応管列９Ａ〜９Ｄにより、２列に配置されたバーナ列４Ａ及び４Ｂのバーナから出る高温燃焼ガスＦの輻射熱で加熱される１組の反応管列が構成されている。１つの反応管列は、１４本の反応管９により構成されている。そして隣接する２つの反応管列９Ａと９Ｂ，９Ｂと９Ｃまたは９Ｃと９Ｄのうち一方の反応管列（例えば９Ａ）を構成する複数の反応管９…と他方の反応管列（例えば９Ｂ）…を構成する複数の反応管９…とは、４列の反応管列９Ａ〜９Ｄが横に並ぶ方向に（図１および図２の紙面で見て左右の方向または第１および第２のバーナ列が延びる方向と直交する方向に）向かって整列しないように（直線状に並ばないように）、千鳥状または互い違いに配置されている。このような配置にすると、特別の工夫をしなくても前述の入口連結管１１…及び出口連結管１２…を相互に干渉させることなく簡単に配置することができる。
【００２２】
４列の反応管列９Ａ〜９Ｄは、１つの反応管列を構成する複数の反応管９…のうち隣接する２つの反応管９、９の中心間の寸法Ｌ1 が、反応管９の外径寸法の１．８〜３倍になるようにそれぞれ構成されている。また隣接する２つの反応管列（例えば反応管列９Ａと９Ｂ）の間には、一方の反応管列（９Ａ）を構成する１つの反応管９の中心と他方の反応管列（９Ｂ）を構成し且つ一方の反応管列（９Ａ）を構成する１つの反応管９と隣接する１つの反応管９の中心との間の寸法Ｌ2 も、反応管９の外径寸法の１．８〜３倍になるように４列の反応管列９Ａ〜９Ｄは構成されている。これらの寸法Ｌ1 およびＬ2 が反応管９の外径寸法の１．８倍より小さくなると、各反応管列の間の空間に温度差が生じ易く、３倍以上にした場合には、４列の反応管列９Ａ〜９Ｄの設置スペースが大きくなって設置面積に対する反応効率が低下する。
【００２３】
燃焼室２内部の温度が８００℃以上になるように、蓄熱式燃焼装置４を用いて高温空気燃焼を行うと、燃焼室２内の温度は高い温度でありながら、しかも燃焼室内の温度場の温度差が大幅に改善される。そのため１組の反応管列を４列の反応管列９Ａ〜９Ｄにより構成しても十分に各反応管列９…で改質反応を行わせることができて、反応効率を大幅に向上させることができる。
【００２４】
この例のように、バイオネット型反応管９を用いると、反応管の長さ寸法は半減する。またバイオネット型反応管９では一方の端部側に流体入口と流体出口とが配置されることになるため、入口マニホールド５及び出口マニホールド６を集中的に配置することができて、触媒改質型反応炉を全体的にコンパクトに構成することができる。更にバイオネット型反応管を用いると、内部においても自己熱交換があるために、流体出口９ｑから出る流体の温度が低くなる。例えば従来の反応管を用いた場合の流体の出口温度が８００℃台であるとすると、バイオネット型反応管を用いた場合の流体の出口温度は６００℃台となる。そのため、温度設計が容易になり、従来のように反応管の出口に熱交換器を設ける必要もなくなる。
【００２５】
なお上記の例では、第１及び第２のバーナ列４Ａ及び４Ｂと４列の反応管列９Ａ〜９Ｄとの組み合わせにより構成されるユニットが複数１つの炉本体１の内部に配置されている。なおこの場合、各ユニットの間に隔壁が設けられていてもよい。
【００２６】
上記実施の形態においては、炉本体１の上壁１ｂにのみ蓄熱式燃焼装置４を構成するバーナ４ａを配置したが、バーナ４ａは炉本体１の底壁１ａにのみ設けてもよいし、また炉本体１の上壁１ｂと底壁１ａの両方に設けてもよい。更に、炉本体の側壁１ｃ，１ｄ及び１ｅにバーナ４ａを設けるようにしてもよい。
【００２７】
また上記の実施の形態では、４列の反応管列で１組の反応管列を構成したが、３列の反応管列で１組の反応管列を構成するようにしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のバイオネット型反応管によれば、触媒を交換する際に、外側筒状本体閉塞体を取り外すことにより、簡単に触媒を抜き取ることができて、触媒の交換作業が非常に簡単になる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のバイオネット型反応管を反応管に用いた触媒改質型反応炉の一例の一部の概略断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図１の例で用いる本発明のバイオネット型反応管の実施の形態の一例の構造を示す一部省略概略断面図である。
【符号の説明】
１  炉本体
２  燃焼室
４  蓄熱式燃焼装置
５  入口マニホールド
６  出口マニホールド
９  バイオネット型反応管
９ａ，９ｂ  フランジ部
９ｃ  外側筒状本体
９ｄ  外側筒状本体閉塞体
９ｅ  外側筒状構造体
９ｇ  内側筒状本体
９ｈ  内側筒状本体閉塞体
９ｉ  触媒充填空間
９ｊ  内側筒状構造体
９ｋ  筒体
９ｍ  仕切り板
９ｏ  流体入口
９ｑ  流体出口
９ｓ  断熱材
１０  触媒
【図１】
0004041568.tif 000002
【図２】
0004041568.tif 000003
【図３】
0004041568.tif 000004