(57)【要約】高温燃焼排気ガスおよび熱流束制御要素を備える、バーナゾーンと、蒸気改質反応物およびリフォーメートガスのガス流を含む、改質ゾーンと、バーナゾーンおよび改質ゾーンを分離する、熱交換境界とを備える、蒸気改質器を提供する。
2012521960.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気改質器であって、
高温燃焼排気ガスおよび熱流束制御要素を備える、バーナゾーンと、
蒸気改質反応物およびリフォーメートガスのガス流を含む、改質ゾーンと、
前記バーナゾーンおよび前記改質ゾーンを分離する、熱交換境界と、
を備える、蒸気改質器。
【請求項２】
燃焼は、前記バーナゾーン外で生じる、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項３】
前記改質ゾーンはさらに、１つ以上の改質管を備え、そのうちの少なくとも１つは、改質触媒を含有する、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項４】
前記バーナゾーンの中の排気ガス流、および前記熱交換境界に隣接する前記改質ゾーンの中のガス流は、並流である、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項５】
前記バーナゾーンの中の排気ガス流、および前記熱交換境界に隣接する前記改質ゾーンの中のガス流は、対向流である、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項６】
前記バーナゾーンの中の排気ガス流、および前記熱交換境界に隣接する前記改質ゾーンの中のガス流は、互いにある角度をなす、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項７】
前記熱交換境界を通しての熱流束の局所速度は、前記熱流束制御要素の幾何学形状を変化させることによって制御される、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項８】
前記バーナゾーンは、下流領域と、上流領域とを備え、前記上流領域は、前記下流領域よりも高い前記バーナゾーンから前記熱交換境界までの熱伝達速度を有する、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項９】
前記バーナゾーンは、下流領域と、上流領域とを備え、前記上流側を占有する前記熱流束制御要素の一部分は、前記下流領域を占有する前記熱流束制御要素の一部分よりも大きい断面積を有する、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項１０】
前記熱流束制御要素は、２つ以上のゾーンを備える、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項１１】
前記ゾーンは、断熱材によって分離される、請求項１０に記載の蒸気改質器。
【請求項１２】
前記ゾーンは、表面処理される、請求項１０に記載の蒸気改質器。
【請求項１３】
各ゾーンの前記表面処理は異なる、請求項１２に記載の蒸気改質器。
【請求項１４】
各ゾーンは、異なる表面テクスチャを有する、請求項１３に記載の蒸気改質器。
【請求項１５】
各ゾーンは、異なる材料である、請求項１０に記載の蒸気改質器。
【請求項１６】
各ゾーンは、異なる伝導性を有する、請求項１０に記載の蒸気改質器。
【請求項１７】
前記熱流束制御要素は、主要構造体によって囲繞される伝導性コアを備える、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項１８】
前記伝導性コアは、前記主要構造体とは異なる材料である、請求項１７に記載の蒸気改質器。
【請求項１９】
前記熱流束制御要素は、多数の個別のインサートを備える、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項２０】
前記熱流束制御要素は、統合構造体である、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項２１】
前記熱流束制御要素は、前記熱交換境界の幾何学形状に合致する、請求項２０に記載の蒸気改質器。
【請求項２２】
前記熱流束制御要素は、少なくとも１つの整合要素によって位置整合させられる、請求項１に記載の蒸気改質器。
【請求項２３】
前記少なくとも１つの整合要素は、スポークおよび棚から選択される、請求項２２に記載の蒸気改質器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願は、２００９年３月３０日に出願された米国暫定出願第６１／１６４，７１１号に対する優先権の利益を請求するものであり、参照することにより本明細書に組み込まれる。
【０００２】
蒸気改質は、メタン等の炭化水素から水素を生成するための方法である。蒸気改質の基本的な化学作用は、より一般的には「リフォーメート」と称される場合もある「合成ガス」（主として水素、水、一酸化炭素、および二酸化炭素の混合物）を生成する、炭化水素と水との温度駆動反応である。この反応は、概して、触媒（例えば、ニッケル、貴金属、または他の材料）を使用して加速される。触媒は、その触媒活性および寿命を高めるように、特別な成分、すなわち促進剤を含有する。
【０００３】
「蒸気改質器」または「バーナ／改質器アセンブリ」は、次の２つの相異なる流れ領域から成る。（１）一方の領域は、しばしば「バーナゾーン」と呼ばれ、概して燃料および酸素の燃焼によって生成される、熱エネルギー源を提供する、高温ガスを含有する。（２）他方の領域は、しばしば「改質ゾーン」と呼ばれ、燃料と蒸気との間の吸熱蒸気改質反応が行われる。これらの２つの領域は、例えば金属表面といった、熱交換境界によって物理的に区切られ、そこを横断して、熱エネルギーがバーナゾーンから改質ゾーンに伝達される。
【０００４】
蒸気改質の課題のうちの１つは、適切な反応温度で反応を維持するように、熱交換境界を通して、バーナゾーンから改質ゾーンまで大量のエネルギーを伝達しなければならないことである。反応温度は、炭化水素転化の平衡および反応速度論に影響を及ぼす。改質ゾーンの中の高い反応温度は、高い反応速度、高い炭化水素転化、リフォーメートの中の少ない量の残留炭化水素に対応する。しかしながら、高い反応温度は、蒸気改質器の中の金属成分（具体的には、熱交換境界を含む）における極度の熱応力、腐食、クリープ、および疲労、ならびに触媒劣化を引き起こす場合がある。その逆に、改質ゾーンの低い反応温度は、金属応力、腐食、クリープ、および疲労を低減し得るが、低い炭化水素転化、およびリフォーメートの中の高い量の未反応炭化水素をもたらす場合がある。リフォーメートの中の未反応なままの炭化水素が増えるにつれて、蒸気改質器システムの効率が低下し、高い水素コスト、および生成される水素の単位あたりの高レベルの二酸化炭素（温室効果ガス）の放出をもたらす。
【０００５】
大規模な工業用蒸気改質器は、しばしば、「衝突」式バーナモジュールによって囲繞される熱交換境界として、多数の改質管を有する。衝突式バーナでは、混合気は、改質管に向かって直接的に、それらに沿って、またはその何らかの組み合わせのいずれかで、管の周囲の空間の中で燃やされる。バーナゾーンから熱交換境界の中への熱流束は、放射および対流の両方の熱伝達を介して生じる。このような蒸気改質器の改質ゾーンは、高温（例えば、＞８５０℃）および約３０ｂａｒもの高圧力で動作し、起動〜停止サイクル、ならびに熱応力および疲労をほとんど伴わずに連続的に動作する。反応管の長さに沿って温度プロファイルを制御するために、大型の工業用改質器は、時に段階燃焼を使用し、単一のバーナが全ての熱エネルギーを提供する時にホットスポットが生じることを回避するように、改質管に沿って複数のバーナヘッドを配置する。
【０００６】
消費地点の近くに小規模な蒸気改質器を展開することは、集中型改質プラントを建築する多額の設備投資を回避する。一方で、例えば小集団の燃料電池車に供給する水素燃料供給所といった、多数の用途に対して、水素の需要は、間欠的になり得る。結果的に、蒸気改質器は、頻繁な起動〜停止サイクルを維持できなければならず、しばしば、改質器の寿命を短くする、温度エクスカーションを引き起こす。しかしながら、小規模な蒸気改質器は、概して、段階燃焼の費用および複雑さに対する余裕がなく、しばしば、例えば改質管といった改質反応が生じる所の中または近くで、１段式の原位置燃焼を使用する。しかしながら、この配設は、改質管に局部的な高温をもたらす可能性がある。加えて、熱流束、特に放射熱伝達からの部分（他の部分は対流熱伝達である）は、燃焼排気の方向に沿って減少し、その温度は低下する。すなわち、熱伝達理論は、熱流束の放射成分が温度の４乗に比例することを示す。
【０００７】
本出願は、熱交換境界に対する対流および／または放射熱流束を調節するように、バーナゾーンが受動熱流束制御要素（幾何学特徴または相異なる機能的インサート）を含有する、蒸気改質器を開示する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本開示のバーナ〜改質器プロセス構成の実施形態の概略図である。
【図２ａ】図２ａは、蒸気改質器の一実施形態を示す。
【図２ｂ】図２ｂは、蒸気改質器の一実施形態を示す。
【図３】図３は、インサート（１１７）を伴う、および伴わない、蒸気改質器の中の改質管の長さに沿った温度プロファイルを比較する。
【図４ａ】図４ａは、インサート（１１７）を設けた、および設けていない、高温場所での予測断面温度分布を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、インサート（１１７）を設けた、および設けていない、高温場所での予測断面温度分布を示す。
【図５】図５は、蒸気改質器の別の実施形態を示す。
【図６ａ】図６ａは、別の実施形態を示す。
【図６ｂ】図６ｂは、別の実施形態を示す。
【図６ｃ】図６ｃは、別の実施形態を示す。
【図６ｄ】図６ｄは、別の実施形態を示す。
【図６ｅ】図６ｅは、別の実施形態を示す。
【図６ｆ】図６ｆは、別の実施形態を示す。
【図７ａ】図７ａは、この開示の蒸気改質器の別の実施形態を示す。
【図７ｂ】図７ｂは、この開示の蒸気改質器の別の実施形態を示す。
【図７ｃ】図７ｃは、この開示の蒸気改質器の別の実施形態を示す。
【図８ａ】図８ａは、インサートが、フィン型要素を有する、またはそれによって囲繞される、実施形態を示す。
【図８ｂ】図８ｂは、インサートが、フィン型要素を有する、またはそれによって囲繞される、実施形態を示す。
【図８ｃ】図８ｃは、インサートが、フィン型要素を有する、またはそれによって囲繞される、実施形態を示す。
【図８ｄ】図８ｄは、インサートが、フィン型要素を有する、またはそれによって囲繞される、実施形態を示す。
【図９ａ】図９ａは、インサート（１１７）を、多数の個別のインサートに代わり得る、統合構造体に作製した、実施形態を示す。
【図９ｂ】図９ｂは、インサート（１１７）を、多数の個別のインサートに代わり得る、統合構造体に作製した、実施形態を示す。
【図９ｃ】図９ｃは、インサート（１１７）を、多数の個別のインサートに代わり得る、統合構造体に作製した、実施形態を示す。
【図１０】図１０は、この開示の蒸気改質器の特定の実施形態における熱伝達のモードを表す。
【図１１ａ】図１１ａは、インサートの表面テクスチャおよび全体的な形状／形態を示す。
【図１１ｂ】図１１ｂは、インサートの表面テクスチャおよび全体的な形状／形態を示す。
【図１２ａ】図１２ａは、一様な材料を示す。
【図１２ｂ】図１２ｂは、様々な材料を示す。
【図１２ｃ】図１２ｃは、断熱材等のセパレータ（１３４）および／または表面処理もしくは被覆（１３６）を伴う複合物を示す。
【図１３ａ】図１３ａは、インサートを通しての伝導を介して均一な熱分布を促進するさらなる実施形態を示す。
【図１３ｂ】図１３ｂは、インサートを通しての伝導を介して均一な熱分布を促進するさらなる実施形態を示す。
【図１３ｃ】図１３ｃは、インサートを通しての伝導を介して均一な熱分布を促進するさらなる実施形態を示す。
【図１３ｄ】図１３ｄは、インサートを通しての伝導を介して均一な熱分布を促進するさらなる実施形態を示す。
【０００９】
図１は、本開示のバーナ〜改質器プロセス構成の実施形態の概略図である。このシステムは、次の２つの主要構成要素を備える。（１）バーナ（１００）。規定の火炎前面を伴う直火バーナ、または自立型拡張燃焼ゾーンを伴う熱反応器、および（２）バーナからの高温排気ガス（１５０）によって加熱される蒸気改質器（２００）。排気ガス（１５０）を生成するように、燃料（１０１）および空気（１０２）をバーナ／反応器に加える。
【００１０】
図１のシステムにおける蒸気改質器の１つの特徴は、熱交換境界（２０１）、すなわち次の２つの流れ領域を分離する材料境界である。（１）高温燃焼生成物（１５０）がそこを通って流れている、高温バーナゾーン（２０２）、および（２）改質反応物および生成物が流れている、低温改質ゾーン（２０３）。熱交換境界および流れ領域の様々な幾何学形状を着想することができる。熱交換境界は、単一の連続した表面である必要はなく、例えば複数の管といった、多数の個別の表面を備える集合的な境界であってもよいことを理解されたい。
【００１１】
図１の装置では、燃焼反応は、高温度前線を有する火炎が熱交換境界に接触しないように、蒸気改質器の上流側で生じる。その代わりに、実質的に一様な温度を有する火炎の下流側の高温排気ガスは、蒸気改質器に進入して、熱交換境界に接触する。その過程で、高温排気ガスは、熱交換境界の過熱を伴わずに熱交換境界を通しての熱伝達を介して、熱を触媒および改質器の反応混合物に提供する。蒸気改質器はまた、少なくとも１つの排気口（２０４）を含有することができる。リフォーメート（２０５）、すなわち合成ガスは、蒸気改質器から収集される。
【００１２】
蒸気改質器の一実施形態を、図２ａおよび２ｂに示す。蒸気改質器は、シェル（１１８）と、シェル内部の改質管束とを備える。管は、円形、長方形、楕円形、または他の幾何学形状であることができる。各改質管は、同心円状に配設される、内管（１１１）と、外管（１１０）とを有する。内管（１１１）および外管（１１０）は、どちらも第１および第２の端部を有する。１列の内管（１１１）の第１の端部は、接続管（１１３）に接続される一方で、１列の外管（１１０）の第１の端部は、接続管（１１６）に接続される。外管（１１０）の第２の端部（図示せず）は、例えば金属板またはキャップで密閉される。内管（１１１）の第２の端部（図示せず）は、その密閉された第２の端部に向かって外管（１１０）の中に開口する。
【００１３】
この実施形態によれば、接続管（１１６）は、その壁の中に、大きい穴の１つの配列と、小さい穴の１つの配列とを有する。外管（１１０）は、大きい穴で接続管（１１６）に接続される。一方では、内管（１１１）は、大きい穴および小さい穴の両方を通過することができ、接続管（１１３）の壁の中の穴に接続される。
【００１４】
図２ｂに示されるように、接続管（１１６）は、管（１１５）に接続される一方で、接続管（１１３）は、管（１１４）に接続される。管同士の接続は、管の間で永続的な気密接続を形成するように、あらゆる公知の手段によって形成することができる。金属管の場合、このような接続は、例えば、溶接、ろう付け等によって形成することができる。この構成では、内管と外管との間隙は、蒸気改質触媒で充填される一方で、内管は、空のままにされる。
【００１５】
ロッド等のインサート（１１７）は、プレート（１１２）から吊り下がり、排気ガスが流れている改質管の間の空間に配置され、流路を部分的に遮断する。インサートのサイズおよび形状は、流路、ならびに放射熱伝達に露出する熱交換境界の幾何学形状（例えば、流れ断面積）を変化させるように、その長さに沿って変動してもよい。
【００１６】
ある動作モードでは、管（１１４）は、反応物流入口として機能し、管（１１５）はリフォーメート流出口として機能する。したがって、反応物は、管（１１４）を通って流れて接続管（１１３）に分配し、その結果、内管（１１１）を介して反応物ガスを改質管に分配する。反応物ガスは、内管（１１１）の第２の端部を出て外管（１１０）の中に入り、蒸気改質触媒の存在下で反応して、リフォーメートを形成する。次いで、生成物ガスは、接続管（１１６）および管（１１５）を連続的に介して外管（１１０）を出る。
【００１７】
別の動作モードでは、管（１１４）は、リフォーメート流出口として機能し、管（１１５）は、反応物ガス流入口として機能する。結果的に、ガスは、内管に進入する前に、最初に外管を通って進行する。
【００１８】
高温排気ガスは、改質管の外側を流れる。ガス流の方向は、外管の第１の端部から外管の第２の端部、その逆、およびそれらの間で他の方向であることができる。結果的に、バーナゾーン（２０２）の中の排気ガス流、および、例えば外管壁といった熱交換境界（２０１）に沿った改質ゾーン（２０３）の中のガス流は、並流もしくは対向流、またはそれらの間で任意の角度であることができる。
【００１９】
高温排気ガスは、改質管にエネルギーを伝達するにつれて、その温度が低下する。結果的に、排気ガスの流入口近くの排気ガスの温度は、その下流側の温度よりも高い。同様に、高温排気ガスに露出する改質管の局所温度は、低温排気ガスに露出する局所温度よりも高い。改質管の長さに沿ったより一様な温度プロファイル（熱勾配およびそれらの関連する機械的応力の低減）を達成するために、排気温度が低い場合に、およびその逆の場合も同様に、高い熱伝達係数を有することが望ましい。
【００２０】
本開示の蒸気改質器の一態様は、局所ガス流の特性を変化させ、それに応じて、例えば外改質管の壁といった熱交換境界（２０１）を通して対流熱伝達係数を変化させるように、排気ガス通路の幾何学形状が、インサート（１１７）を使用して変更させられることである。
【００２１】
本開示の蒸気改質器の別の態様は、その長さに沿って所望の放射熱流束プロファイルを達成するように、インサート（１１７）を設計できることである。例えば、（１）構築材料は、インサートの中の熱勾配に影響を与える（表面温度分布および関連する放射放出に影響を及ぼす）ように（例えば、熱伝導率に基づいて）選択することができ、および／または（２）インサートの形状および表面特性（例えば、粗さ、テクスチャ、輪郭、または放出率の増大もしくは被覆の低減）は、局所放射熱流束の強度および／または方向性を増大または減少させるように変更することができる。
【００２２】
対流熱伝達および放射熱伝達の両方を介して、バーナゾーン（２０２）からの高温排気ガスによって加熱されることで、インサート（１１７）は、改質吸熱により冷却され、熱交換境界（２０１）の局所温度よりも局所ガス温度に近い局所温度を達成する。インサート（１１７）は、局所熱流束を熱交換境界（２０１）に提供する際の、バーナゾーンのガスからの熱伝達を選択的に増補するための手段を提供する。放射および対流熱流束に影響を及ぼすインサートの設計上の特徴には、ａ）熱交換境界（２０１）が露出するインサート（１１７）からの放射に影響を及ぼす、マクロ的形状、ｂ）表面積および放射に対するミクロレベルの露出を変更する、インサート表面のテクスチャ、ｃ）熱伝導率、放出率、熱容量、および／または熱膨張を含む、構築材料の特性、ｄ）選択領域の中の放射熱流束を変更するように、インサートの表面に選択的に印加される被覆、が挙げられる。
【００２３】
図３は、インサート（１１７）を伴う、および伴わない、蒸気改質器の中の改質管の長さに沿った温度プロファイルを比較する。インサート（１１７）を有する蒸気改質器の温度プロファイルは、インサートを伴わないものよりも、一様であり、また、より低いピーク金属温度、より小さい管に沿った温度勾配、およびより高いリフォーメート出口温度を有する。
【００２４】
図４ａおよび４ｂは、それぞれ、インサート（１１７）を設けた、および設けていない、高温場所での予測断面温度分布を示す。インサートが設けられていない時には、外管（１１０）の最高温度は、１０１６℃に到達する場合がある。相対的に、インサートが存在する時には、外管（１１０）の最高温度は、８２６℃にしか到達し得ない。
【００２５】
排気流路を制限する他の手段には、改質管束の周辺に要素（小粒、メッシュ、網目／泡沫、ワイヤ、またはスポークを含む、金属またはセラミック）を設けることが挙げられる。このような要素の数を増大させることで、排気ガス流の中の混合が増大し（より高い対流熱伝達をもたらす）、放出物質の量が増大する（より高い放射熱伝達をもたらす）。
【００２６】
図５は、蒸気改質器の別の実施形態を示す。改質器は、エンドプレート（１０ａ、１０ｂ）と、（ガスケット（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）と、仕切り壁（１２ａ、１２ｂ）と、波状の金属フィンまたはシート等のインサート（１１７）とを備える。組み立て時に、エンドプレート（１０ａ）、ガスケット（１１ａ）、および仕切り壁（１２ａ）は、蒸気改質触媒がある蒸気改質器チャネルを形成する一方で、仕切り壁（１２ａ）、ガスケット（１１ｂ）、および仕切り壁（１２ｂ）は、インサート（１１７）がある排気ガスチャネルを形成する。この構成では、蒸気改質器チャネルおよび排気チャネルは、相互に隣接して積重ねられ、反応器を拡大するように、チャネルの数を増大することができる。
【００２７】
この実施形態では、反応混合物は、蒸気改質器チャネルを通って流れ、蒸気改質触媒の存在下で反応する。一方では、高温排気ガスは、隣接する排気ガスチャネルを通過し、蒸気改質器チャネルに熱を伝達する。局所熱伝達率は、異なる幾何学形状のインサートを排気チャネルの中に設けることによって増大される。加えて、インサートは、熱交換境界に対する放射熱流束を増大するように機能する。
【００２８】
図６ａ〜６ｆに別の実施形態を示す。図６ａは、バーナ排気／改質器アセンブリの断面図を提供する。この実施形態では、排気ガスは、単一の管路または多数の管路（１２０）（例えば、円形、楕円形、または他の形状であってもよく、その断面形状が、それらの長さに沿って変動し得る、管）を通って流れる一方で、触媒を含有する改質領域（２０３）は、これらの管路を囲繞する。インサートは、図６ａには示されない。熱交換境界を通しての排気ガスからの熱伝達を調節する手段の限定的でない実施例には、以下が挙げられる。
・（１）管路（１２０）の中の単一のインサート（１１７）。インサートの断面形状は、その長さに沿って変動し、インサートは、中実、中空（例えば、貫流を回避するように上流側をキャップで覆う）、または多孔のいずれかであることができ、インサートは、金属またはセラミックで構築することができ、棚型支持体（１２３）および／または位置決めリング保定器（１２５）を提供することができる（図６ｂ）。
・（２）インサートなし。むしろ、管路（１２０）自体が、流れ方向に沿って変動する形状／形態を有する（図６ｃ）。
・（３）積重ねインサート要素（１１７ａ、ｂ、およびｃ）から成る「インサートアセンブリ」。該要素は、中実、中空（例えば、オープントップの「缶」）、または多孔のいずれかであることができる（図６ｄ）。
【００２９】
排気流の方向における熱交換境界に対する熱流束を増大するインサートの特徴の１つは、その排気流入口に向かう小さいプロファイル（断面積）、および排気流出口側に向かう大きいプロファイルである。このアプローチは、対流熱伝達係数、および排気流出口に向かう放射熱伝達を提供する領域の両方を増大する。
【００３０】
インサート（１１７）は、ワイヤまたはロッドを介して懸架され、棚型支持体（１２３）に静置または固定されてもよく、貫流を可能にする穴を含有する（図６ｅ）。インサート（１１７）はまた、スポーク（１２４）または他の類似した手段を介して適所に保持されてもよい（図６ｆ）。インサートを軸方向に位置決めする機能に加えて、棚、スポーク、または他の補助的な構成要素も、熱交換境界に対して側方にインサートを位置付ける。
【００３１】
図７ａ〜７ｃは、この開示の蒸気改質器の別の実施形態を示す。この実施形態では、排気ガス通路および改質通路は、例えばハニカムモノリスのような矩形チャネル等の一体型の繰り返し配列管路形態で配置される。図７ａは、２つの相異なる領域が「チェッカーボード」型のパターンに従って配置される、１つのレイアウトを示し、図中、Ｒは、改質領域を表し、Ｘは、排気領域を表す。図７ｂは、このような配列での複数の管路の詳細を示す。この実施形態では、改質管路（１３０ａおよびｂ）は、例えば、触媒（１３０ａ）でウォッシュコートするか、または粒状もしくはペレット化された触媒媒体（１３０ｂ）で全体的にまたは部分的に充填することができる。排気管路（１３０ｃおよびｄ）は、インサートを有するが、簡潔にするため、図７ｂには示されていない。図７ｃは、その中に位置するインサート（１１７）を有する、排気管路（１２０）の断面の斜視図を示す。排気は、管路の中の通路（１２８）で流れることが可能である。
【００３２】
図８ａ〜８ｄは、インサートが、フィン型要素を有する、またはそれによって囲繞される、実施形態を示す。図８ａは、可変ピッチの螺旋タービュレータ型フィン（１３２ａ）を示し、螺旋状の流れ断面積は、流れの方向で減少し、それによって、流体を加速し、対流熱伝達係数を増大し、加えて、フィンの放射熱伝達領域の密度を増大する。この実施形態では、フィン（１３２ａ）は、インサートに取り付けられる場合もあり、またはそうでない場合もあり、フィン（１３２ａ）は、管路の壁に取り付けられる場合もあり、またはそうでない場合もある。図８ｂは、ブロック型フィン（１３２ｂ）を示し、フィンの円周幅および／または半径方向寸法は、流れ方向で増大する。ブロック型フィンが、流れ管路の中に挿入される場合、流路の面積は、流れの方向で減少し、したがって、排気ガスの流れ面積を減少させ、その速度を増大し、また、単位長さあたりの挿入面積を流れ方向に増加させ、したがって、対流および放射熱伝達を高める。
【００３３】
図８ｃは、排気ガス流入口により近い（すなわち上流側の）ブロック型フィン（１３２ｂ）の断面を示す一方で、図８ｄは、排気ガス流出口により近い（すなわち下流側の）ブロック型フィン（１３２ｂ）の断面を示す。これらの図のそれぞれには、インサート（１１７）のコアおよびフィン（１３２ｂ）が示される。フィンの数、サイズ、および形状は、例えば圧力降下、高さ、動作圧力等の蒸気改質器の設計仕様に従って調整することができる。
【００３４】
図９ａ〜９ｃは、インサート（１１７）を、多数の個別のインサートに代わり得る、統合構造体に作製した、実施形態を示す。図９ａは、小さい２×２の管列の間に位置する統合インサートを示す。例えば長さに沿って可変流れ断面積を有する、インサート（１１７）の詳細を図９ｂに示す。図９ｃは、蒸気改質器の熱交換境界の幾何学形状に合致する、インサート（１１７）を示す。
【００３５】
図１０は、この開示の蒸気改質器の特定の実施形態における熱伝達のモードを表す。図１０において、Ｃは、対流熱伝達を表し、Ｒは、放射熱伝達を示し、Ｔは、伝導性熱伝達を表す。インサートを伴わない蒸気改質器と比較して、インサート（１１７）は、バーナゾーン（２０２）の中の高温ガス（２０７）から熱交換境界（２０１）への対流熱伝達を増大し（図１０の例示的な対流熱伝達は、「Ｃ３２」で表記する）、バーナゾーン（２０２）から熱交換境界（２０１）に放射伝達を導入し（図１０の例示的な放射伝達は、「Ｒ４２」で表記する）、どちらも蒸気改質器の熱伝達特性を高める。よって、熱伝達は、交換境界（２０１）から改質ゾーン（２０３）まで継続する。このアプローチには、複数の利益があり、例えば、熱交換境界（２０１）をより効果的に使用できること（例えば、より多くの単位面積あたりの熱により、所与の生産容量について、材料およびコストをあまり必要としない）、熱交換境界の寿命が延びること（例えば、ピーク温度の低減および／または熱勾配および対応する応力の低減のため）、またはその両方が挙げられる。
【００３６】
インサート（１１７）は、熱交換境界（２０１）よりも耐久性があることに留意されたい。インサート（１１７）は、懸架されるか、積重ねられるか、あるいは構造的に無拘束である。該インサートは、中空または中実のいずれかであり、圧力差に影響されない。該インサートは、バーナ排気だけと相互作用し、よって、あまり極端でない温度勾配と、それに応じたより低い応力とを有する。結果的に、インサートは、蒸気改質器の耐久性または寿命に不都合に影響を与えない。インサート（１１７）から熱交換境界（２０１）への放射熱伝達の方向および強度は、インサートの形状、サイズ、表面テクスチャ、構築材料、および随意に被覆の適切な設計によって影響を受ける可能性がある。
【００３７】
図１１ａおよび１１ｂは、インサートの表面テクスチャおよび全体的な形状／形態を示す。表面特性は、放射面積および放出放射熱エネルギーの方向性の両方に影響を及ぼす。インサートの表面は、設計目的、すなわち熱交換境界上の特定の熱流束プロファイルを達成するように、完全にまたは部分的に調整されてもよく、表面は、図１１ａに示されるように、（１）粗くしたもの、（２）くぼみ付き、（３）直線波形、（４）螺旋波形、（５）ブロックノッチ付き、または（６）鋸歯状ノッチ付きであってもよい。熱交換境界は、類似的にテクスチャリングされ、局所ガス流特性に良好な影響を及ぼし、対流熱伝達を高め得ることに留意されたい。マクロレベルでは、多数の異なる形状の移行（インサートの断面プロファイルが変化する）を利用することができる。図１１ｂは、例えば、（１）直線テーパ（傾斜または面取り）、（２）直角、（３）凸状、（４）凹状、および（５）複合型の形態を含む、形状移行の描写を示す。形状移行の種類は、放射熱伝達特性および全体的な蒸気改質器の設計に従って選択することができる。
【００３８】
インサートの表面およびその中の温度プロファイルは、その間の熱交換、排気ガス、および熱交換境界、ならびにその熱的特性によって影響を受ける。所与のマクロ的インサート形状／形態について、インサート（１１７）の温度プロファイルは、図１２ａ〜１２ｃに示されるように、（インサート全体の、またはインサートの特定の構成要素の）構築材料の選択、および／または表面被覆の適用によって影響を受ける可能性がある。例えば、図１２ａは、一様な材料を示し、図１２ｂは、（異なる熱伝導率に対して選択することができる）様々な材料を示し、図１２ｃは、断熱材等のセパレータ（１３４）および／または表面処理もしくは被覆（１３６）を伴う複合物を示す。
【００３９】
インサート本体は、バーナゾーンの高温の上流領域から、低温の下流領域に熱を伝達し、その程度は、材料の選択によって影響を受け、高い熱伝導率を伴う材料（例えば、タングステン、ニッケル、クロム、および鉄）は、低い熱伝導率を伴う材料（例えば、アルミナ、ステンレス鋼、チタニア、およびコンクリート）よりも大きい程度まで、高い熱伝達を促進する。インサート（１１７）は、図１２ｂに示されるように、異なるゾーンで様々な材料で構成されてもよい。図１２ｃに示されるように、断熱材（１３４）は、とりわけ、ゾーンを分離するために使用することができる。インサート表面（１３６）の放射特性はまた、同じく図１２ｃに示されるように、表面処理（エッチング、サンドブラスト、または電気めっき）、または被覆（不動態化層等の化学的なもの、または固定されたストラップ／帯等の機械的なもの）のいずれかによって調節することができる。これらの特徴は、インサートの放出率値を達成するように採用することができ、その結果、局所放射熱流束に影響を与える。
【００４０】
インサートを通しての伝導を介して均一な熱分布を促進するさらなる実施形態を、図１３ａ〜１３ｄに示す。これらの実施態様では、インサート（１１７）は、例えば主要構造体（１１８）と１つ以上の伝導性コア要素（１１９）とを含む、２つ以上の構成要素を備えることができる。伝導性コア（１１９）は、主要構造体（１１８）の中に埋め込むか、または挿入することができる。該コアは、主要構造体と同じまたは異なる材料であることができる。図１３ａは、単純な伝導性コアを示し、図１３ｂは、合致コアを示し、図１３ｃは、インサートの中の伝導性チャネルの配列を示す。コアはさらに、図１３ｄに示されるように、伝導性要素が支持体としての役割を果たす取付具（１２７）による、バーナゾーン内側の他の構成要素への取り付けのための手段として適合させることができる。
【図１】
2012521960.tif 000003
【図２ａ】
2012521960.tif 000004
【図２ｂ】
2012521960.tif 000005
【図３】
2012521960.tif 000006
【図４ａ】
2012521960.tif 000007
【図４ｂ】
2012521960.tif 000008
【図５】
2012521960.tif 000009
【図６ａ】
2012521960.tif 000010
【図６ｂ】
2012521960.tif 000011
【図６ｃ】
2012521960.tif 000012
【図６ｄ】
2012521960.tif 000013
【図６ｅ】
2012521960.tif 000014
【図６ｆ】
2012521960.tif 000015
【図７ａ】
2012521960.tif 000016
【図７ｂ】
2012521960.tif 000017
【図７ｃ】
2012521960.tif 000018
【図８ａ】
2012521960.tif 000019
【図８ｂ】
2012521960.tif 000020
【図８ｃ】
2012521960.tif 000021
【図８ｄ】
2012521960.tif 000022
【図９ａ】
2012521960.tif 000023
【図９ｂ】
2012521960.tif 000024
【図９ｃ】
2012521960.tif 000025
【図１０】
2012521960.tif 000026
【図１１ａ】
2012521960.tif 000027
【図１１ｂ】
2012521960.tif 000028
【図１２ａ】
2012521960.tif 000029
【図１２ｂ】
2012521960.tif 000030
【図１２ｃ】
2012521960.tif 000031
【図１３ａ】
2012521960.tif 000032
【図１３ｂ】
2012521960.tif 000033
【図１３ｃ】
2012521960.tif 000034
【図１３ｄ】
2012521960.tif 000035
【国際調査報告】
2012521960.tif 000036
2012521960.tif 000037
2012521960.tif 000038