(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
天然ガスを水素と二酸化炭素に変換させる改質装置において、
円筒状の本体と、
前記本体の内部中央に設けられ、水蒸気と天然ガスを混合する領域と触媒領域とに区画され前記本体の長手方向に長く形成された円筒状の改質反応器と、
前記改質反応器を所定の間隔を置いて取り囲むように円筒状に設けられて、前記改質反応器を全体的に均一に加熱するインワード方式のメタルファイバーバーナーと
からなり、
前記水蒸気は、外部から供給される水がメタルファイバーバーナーで発生した排気ガスにより相変化して改質反応器に流入されることを特徴とするコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項２】
前記メタルファイバーバーナーの外側に断熱及び予熱のための空間が設けられ、この空間に水と天然ガスが移送されることを特徴とする請求項１記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項３】
前記メタルファイバーバーナーの外側に前記改質反応器に連通するように設けられて、改質反応器から発生する合成ガスの中の一酸化炭素を１次に除去する高温転換反応器と、
前記高温転換反応器に連通するように設けられて、高温転換反応器からのガスを２次に反応させて水素濃度を高める低温転換反応器と、
前記高温転換反応器と低温転換反応器との間に設けられて、高温転換反応器から発生する生成ガスの温度を低温転換反応器に適した反応温度に低める熱交換器と
を更に含むことを特徴とする請求項１記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項４】
上面に排気ガス排気口が設けられ、一側に水素排出口が設けられた本体と、
前記本体内に設けられるもので、上部には、供給される天然ガスと水蒸気を混合するための混合部が設けられ、下部には、前記混合ガスを反応させる触媒が充填された改質反応器と、
前記改質反応器より上方に設けられ、前記排気口から排出される排気ガスにより加熱され、一端には天然ガスが流入される入口が設けられ、他端には出口が設けられたコイル状を有し、出口が前記改質反応器の混合部に連通するように構成された天然ガス予熱供給管と、
前記改質反応器より上方に設けられ、前記天然ガス予熱供給管と同様に排気ガスにより加熱され、一端には純水が流入される入口が設けられ、他端には出口が設けられたコイル状を有し、出口が前記改質反応器の混合部に連通するように構成され、入口に供給された水を排気ガスにより水蒸気に転換させて改質反応器に供給する水蒸気発生管と、
前記改質反応器を所定の間隔を置いて取り囲むように設けられて、改質反応器を加熱するメタルファイバーバーナーと、
前記メタルファイバーバーナーの外側に、前記改質反応器に連通するように設けられ、改質反応器から発生する合成ガスの中の一酸化炭素を１次に除去する高温転換反応器と、
前記高温転換反応器に連通するように設けられ、高温転換反応器での未反応ガスを２次に反応させて水素濃度を高める低温転換反応器と、
前記高温転換反応器と低温転換反応器との間に設けられ、高温転換反応器から発生する生成ガスの温度を低温転換反応器に適した反応温度に低める熱交換器とから構成されることを特徴とするコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項５】
前記メタルファイバーバーナーの外周を取り囲んでおり、下端には純水注入口が設けられ、上部一側は前記水蒸気発生管の入口に連通するように構成され、注入口を通して供給された純水をメタルファイバーバーナーの熱で１次に加熱して水蒸気発生管に移送させる純水予熱空間部と、
純水予熱空間部の外周を取り囲んでおり、下端には天然ガス注入口が設けられ、上部一側は前記天然ガス予熱供給管の入口に連通するように構成され、注入口を通して供給された天然ガスをメタルファイバーバーナーの熱で１次に加熱して天然ガス予熱供給管に移送させる天然ガス予熱空間部と
を更に含むことを特徴とする請求項４記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項６】
前記メタルファイバーバーナーの外周に第２分配膜と第１分配膜が順次取り囲むように設けられ、第１分配膜と第２分配膜には長手方向と円周方向に所定の等間隔を置いて多数の燃料供給孔が形成されたことを特徴とする請求項４記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項７】
前記第１分配膜に形成された燃料供給孔の直径は第２分配膜に形成された燃料供給孔の直径より大きく形成されたことを特徴とする請求項６記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【請求項８】
前記コイル状の水蒸気発生管は、排気ガスの熱により加熱されて水を水蒸気に転換させるに充分な長さを有することを特徴とする請求項４記載のコンパクト型水蒸気改質装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコンパクト型水蒸気改質装置に関するもので、より詳しくは改質反応器、高温及び低温転換反応器、及び熱交換器とスチーム発生器を統合させて一つのモジュールにコンパクトに構成し、この工程条件を調節して水素を低費用で安定的に生成することができるコンパクト型水蒸気改質装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、合成ガスは、主に天然ガス又はナフサを用いて触媒上で水蒸気改質反応により得られている。典型的な改質工程は、天然ガスが、反応式１のように、１次にＮｉ／Ａｌ2Ｏ3触媒上で過剰の水蒸気と反応し、２次に反応式２のような転換反応（水性ガス化反応、水性ガス転換反応）の連続的な反応により合成ガスが生成され、生成された合成ガスは最終用途によって２段階の高温及び低温転換反応により組成が決定される。
【０００３】
［反応式１］
ＣＨ4＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ2        ΔＨ0298＝２０６．１ｋＪ／mol
【０００４】
前記反応式１のような水蒸気改質反応は高吸熱反応であり、通常、つぎの段階の工程によって常圧で〜３０気圧の圧力と７００〜９００℃の温度範囲で運転される。このような反応において、触媒上でのコーク沈積を抑制するために過剰の水蒸気が使用され、典型的にＨ2Ｏ／ＣＨ4のモル比は２〜６程度で適用されてきた。このような水蒸気とメタンのモル比は合成ガスの用途によって決定され、触媒としてはＮｉ触媒を主に使用し、コーク沈積を抑制するため、Ｋ化合物又はＫ2Ｏ、Ｃａ、ＭｇＯなどのような化合物が助触媒として使用される。通常、１次改質反応でのメタン転換率は９０〜９２％程度となり、生成物としては一酸化炭素と水素のほかに二酸化炭素と水蒸気が含まれ、理想的な反応に近いほどに生成される水素と一酸化炭素のモル比は３：１に近く得られる。
【０００５】
１次改質反応のつぎには、通常、未反応メタンを除去するため、酸素と反応させるための２次反応段階が適用されることもでき、このほかにもメタンと二酸化炭素と酸素が組合された反応物を使用する合成ガス製造工程が提案されている。前記改質反応で得られた合成ガスは、下記の反応式２のような高温及び低温の２段階水素ガス転換反応により一酸化炭素が二酸化炭素に変わることにより、反応ガスの中の一酸化炭素濃度が低減される。
【０００６】
［反応式２］
ＣＯ＋Ｈ2Ｏ⇔ＣＯ2＋Ｈ2          ΔＨ0298＝ -４１．１６ｋＪ／mol
【０００７】
水性ガス転換反応は通常２段階でなり、その第１段階は通常約３３０〜５３０℃の温度範囲でＦｅ触媒上で反応が行われ、第２段階は約２００〜２６０℃の温度範囲でＣｕ触媒上で一酸化炭素と水が反応して二酸化炭素と水素に転換される。転換反応器により一酸化炭素が除去された水素混合ガスには二酸化炭素と少量の未反応メタンと一酸化炭素が含まれ、大部分の二酸化炭素はＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）工程を経ながら除去され、ＰＳＡの性能によって９９．９vol％以上の高純度水素に精製される。
【０００８】
図１は従来のナフサの水蒸気改質法についての概略工程図を示すものである。同図に示すように、従来の水蒸気改質反応器は、スチーム発生器、改質反応器、高温転換反応器、熱交換器、低温改質反応器など、それぞれ独立的に構成された反応器又は装置で一つの水蒸気改質装置を構成しているため、全体的に改質装置が複雑で、コンパクトな構成が難しい欠点があった。また、既存の改質装置において、改質反応に必要な反応熱の供給方法として火炎バーナータイプの燃焼器を使用するため、燃焼空間を大きく占め、火炎バーナーの特性上改質反応器の温度分布を均等に維持することができない欠点があった。
【０００９】
図１に基づき、従来のＩＣＩ法によるナフサによるアンモニア用水素製造法をより具体的に説明すると、水蒸気改質装置の全体的な構成は脱硫器１、スチーム発生器２、１次２次改質反応器３、高温及び低温転換反応器４、５などが別々に設けられて相互連結されている。
【００１０】
脱硫器１で硫黄成分が除去されたナフサに、ガスタービンの配列又は別のスチームボイラーを用いるスチーム発生器２から生成した水蒸気を混合し、ニッケル系の触媒が充填された１次改質反応器を通過させることで、水素、二酸化炭素、メタンなどからなる分解ガスを得る。ここで、反応が吸熱反応であるので、火炎バーナー又はタービンの配列を用いて反応器の温度を８００〜８５０℃に制御する。この際に、反応圧力は連続する工程の圧力によって調節されるが、アンモニア製造用水素の製造に際し、通常３０気圧前後の圧力で運転される。
【００１１】
つぎに、２次改質反応器３でメタン成分をなくすため、前記分解ガスに純粋酸素を注入して、メタンの部分酸化反応により未反応メタンを一酸化炭素と水素に転換させ、一酸化炭素を除去するため、高温及び低温転換反応器４、５で水蒸気と反応させて水素と二酸化炭素に転換させる。そして、転換反応器４、５から排出されたガスは、二酸化炭素を炭酸カリウム液を用いる吸収塔又はＰＳＡ工程により９９．９vol％以上に精製することにより、高純度の水素を生産する。つぎの段階で、超高純度の水素ガスを得るため、微量含まれている一酸化炭素をメタン化反応器で水素と反応させてメタンと水に転換させた後、生成される高純度の水素ガスを２５０〜３００ｋｇ／ｃｍ2に圧縮してアンモニア合成装置に送り込む。
【００１２】
しかし、前記ＩＣＩ法と同様、従来の水蒸気改質反応を用いる水素製造方法は別の外部のスチーム発生器２で水蒸気を製造して反応器に供給するようになっているため、付帯設備により装置が大きくなり、そのほかにそれぞれ改質反応器３及び転換反応器４、５などが別々に設置されるため、各反応器に連結される配管は断熱などの処理が必要であり、全体的に装置が複雑に構成される欠点があった。また、従来の大部分の改質反応器３は、改質反応器の下部又は上部に設置された火炎バーナータイプのバーナーを用いて反応熱を供給する構造となっているが、火炎バーナーの特性上反応器に熱を均一に加えることができない問題点があった。
【００１３】
一方、米国特許第５，７３３，３４７号には板状のセル構造を有する改質反応器が開示されているが、前記改質反応器は板状のセル構造であるため、改質反応器自体はコンパクトな構造を有し得るが、前述したほかの反応器を必要とするため、全体的な構造をコンパクトに維持することができない欠点がある。また、改質反応器の両側面に付着されたバーナーが両側から同時に改質反応器を加熱するため、全体として改質反応器を加熱する時間が短縮され、改質反応効率をある程度増大させることができるが、改質反応器を取り囲むように構成されたバーナーに比べて改質反応効率が低下することになる。米国特許第５，９３８，８００号にもコンパクトなマルチ−燃料スチーム反応改質器を開示しているが、火炎バーナータイプを使用し、これも前記米国特許第５，７３３，３４７号と類似した問題点を有する。
【００１４】
一方、国際公開特許ＷＯ ９８／０８７７１号には円筒状の改質装置が開示されている。この改質装置は、メタンの部分酸化反応と水蒸気改質反応を組合した反応により天然ガスを改質して水素と二酸化炭素を得るためのもので、改質触媒部と螺旋状管及び転換反応器などが一体的に構成されている。前記反応器の場合、反応物である天然ガスと純粋酸素との部分酸化反応時に発生する熱を用いて水蒸気改質反応を同時に起こす方法を使用するため、前記のような改質方法において一体型に構成した場合、ある程度コンパクトな構造を有するが、改質反応に必要な水蒸気を外部で発生させて改質反応器内に供給させるため、改質装置とは別途に水蒸気を生成するための装置を設けなければならなく、また純粋酸素を用いるべきであるため、別個の酸素発生器が必要であり、これにより、設置作業が複雑になり、設置時間及び設置費用が高くかかり、改質装置の全体積が大きくなる欠点があった。前記のような複合反応を用いる改質装置においては、純粋酸素の代わりに空気を提示しているが、純粋酸素の代わりに空気を使用する場合、空気中に含まれた窒素の影響で水蒸気改質反応のように７０vol％以上の純度を有する合成ガスを生産し得ない欠点がある。
【００１５】
一方、韓国特許登録第２４６０７９号には、前述した改質反応により発生する二酸化炭素と水蒸気を再活用するための方法が開示されている。この方法は、大気中に発生された廃熱を再使用してエネルギー効率を高めたため、水素と一酸化炭素を得る工程で水蒸気供給設備と反応熱を供給するためのバーナー装置を省略し得る利点があるが、この方法も改質反応器とは別途に設置されるものであるため、改質装置の全体構成を縮小させることができなく、前述したような問題点を解消することができない。韓国特許登録第１５６０８８号には、メタノール−水蒸気燃料改質装置の触媒反応管を環状の単一反応管で構成し、これを改質器の中央に位置させ、火炎燃焼バーナーから発生した熱を改質管の内部及び外部の２方向に伝達して、触媒層の温度勾配の減少、熱効率の向上、ＣＯの含量１％未満の課題を充足させた燃料改質装置が開示されている。前記装置は、改質反応器を環状に構成して熱効率を向上させることができるが、上向式火炎バーナータイプを用いるだけでなく、全体装置はコンパクトな形態でない。
【００１６】
また、韓国実用新案登録第１８５２９９号にはメタルファイバーバーナーの一例が開示されている。このバーナーは、炎孔が形成されたバーナー板と均一な流量を提供するダンパー板との間に火炎の安定化機能を果たすため、多孔性金属繊維をなすメタルファイバー又はセラミックファイバー層を設けて、バーナーから発生する燃焼騒音と火炎の異常現象及び逆火を防止することができるガスボイラー用バーナーであり、平板形メタルファイバーバーナーを上向式にして外側に熱を発散させるアウトワード（Outward）方式のバーナー構造を採択する場合、内側に熱を集める方式のインワード（Inward）バーナー構造に比べ、改質反応器に熱を供給するにあって十分な熱の供給が難しいだけでなく、バーナーが装置のどの一側に設置され、設置部から加熱を開始するため、直接的に加熱される部分と間接的に加熱される部分の温度勾配が大きくなる欠点がある。
【００１７】
韓国公開実用新案第２０００−８５２０号にもメタルファイバー材質を有するバーナーの一例が開示されているが、このバーナーも外側に熱を発散させるアウトワード方式のバーナー構造を下向式で使用するボイラーに適用したばかりでなく、先に説明したものと同じ問題点があった。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前述したような諸般問題点を解決するためになされたもので、その目的は、水蒸気改質反応に必要ないろいろの反応器などを一体形に統合構成し、別個のスチームボイラーを設置する必要がなく、排気ガスを用いて水蒸気を発生させるように構成することにより、エネルギー効率に優れるだけでなく全体的にコンパクトな構造を有する水蒸気改質装置を提供することにある。
【００１９】
本発明のほかの目的は、改質反応器の熱供給源として内側に熱を集めるインワード方式のメタルファイバータイプのバーナーを採択して、改質反応器に効果的に熱を供給することにより、反応器の温度勾配を減らして改質反応効率を高め、コンパクトな形態の水蒸気改質装置を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
前記目的及びほかの目的を達成するための本発明の改質装置は、天然ガスを水素と二酸化炭素に変換させる改質装置において、本体と、前記本体内に設けられ、水蒸気と天然ガスを混合する領域と触媒領域とに区画された改質反応器と、前記改質反応器を取り囲むように設けられ、全体的に均一に加熱するインワード方式のメタルファイバーバーナーとを含み、外部から供給される水（純水）をメタルファイバーバーナーで発生した排気ガスにより水蒸気に変化させるための熱交換器と、バーナーの外部に設けられた高温及び低温転換反応器と、前記メタルファイバーバーナーと高温及び低温転換反応器との間に設けられる、反応物の予熱及び過熱防止のための空間とを含むことを特徴とする。
【００２１】
また、本発明の改質装置は、上面に排気ガス排気口が設けられ、一側に水素排出口が設けられた本体と、前記本体内に設けられるもので、上部には、供給される天然ガスと水蒸気を混合するための混合部が設けられ、下部には、前記混合ガスを反応させる触媒が充填された改質反応器と、前記改質反応器より上方に設けられ、前記排気口から排出される排気ガスにより加熱され、本体の下端の天然ガス及び純水流入口から流入されるそれぞれの反応物はメタルファイバーバーナーと転換反応器との間に設けられた通路に沿って上方に移動され、上部の出口にそれぞれ設けられたコイル状を有し、出口は改質反応器の混合部に連通するように構成された天然ガス予熱供給管と、前記改質反応器より上方に設けられ、前記天然ガス予熱供給管と同様に、排気ガスにより加熱され、出口は改質反応器の混合部に連通するように構成されて、入口に供給された予熱水を排気ガスにより水蒸気に転換させて改質反応器に供給する水蒸気発生管と、前記改質反応器を所定の間隔を置いて取り囲むように設けられて、改質反応器を加熱するメタルファイバーバーナーと、前記メタルファイバーバーナーの外側に、前記改質反応器に連通するように設けられ、改質反応器から発生する合成ガスの中の一酸化炭素を１次に除去する高温転換反応器と、前記高温転換反応器に連通するように設けられ、高温転換反応器での未反応ガスを２次に反応させて水素濃度を高める低温転換反応器と、前記高温転換反応器と低温転換反応器との間に設けられ、高温転換反応器から発生する生成ガスの温度を低温転換反応器に適した反応温度に低める熱交換器とから構成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づいて本発明をより詳細に説明する。
【００２３】
図２は本発明によるコンパクト形水蒸気改質装置の構成を示す切開斜視図であり、図３は本発明の断面図であり、図４は本発明によるメタルファイバーバーナーの部分拡大断面図である。
【００２４】
図２及び図３に示すように、本発明による円筒状の本体１０の上面にはメタルファイバーバーナーの燃焼排気ガス排気口１２が設けられ、一側面の上部には、生成された水素を排出するための排出口１４が設けられる。そして、本体１０の内部中央には、混合された天然ガス（又はメタンガスなどのような炭化水素類）と水蒸気を混合させるための混合部２２と改質反応させて水素と一酸化炭素を生成させるための改質触媒層２０とからなる改質反応器２１が設けられる。改質反応器２１は本体１０の長手方向に長く形成された円筒状に設置され、前記改質反応器２１に熱を供給するためのメタルファイバーバーナー４０が改質反応器の外側に所定の間隔を置き設置される。改質反応器２１の上面は天然ガス予熱供給管３０及び水蒸気発生管３２に連通するように構成され、天然ガス予熱供給管３０及び水蒸気発生管３２はそれぞれメタルファイバー４０の外側に設けられた天然ガス予熱空間部３３と純水予熱空間部３４に連通され、天然ガスと純水は改質反応器本体１０の下端に設けられた反応用天然ガス注入口３６と純水注入口３７から注入される。すなわち、下端の天然ガス注入口３６と純水注入口３７からそれぞれ天然ガスと純水が供給されると、天然ガス予熱空間部３３と純水予熱空間部３４を通過しながらメタルファイバーバーナーの電熱により１次に予熱されてから上端の出口に移動される。天然ガス予熱空間部３３と純水予熱空間部３４はメタルファイバーバーナー４０から発生して外部に伝達される熱を効果的に用いることのほかにも、過熱防止の効果を有することになる。そして、前記それぞれの出口は天然予熱供給管３０と水蒸気発生管３２に連通され、これにより、天然ガスと水蒸気が改質反応器混合部２２に供給される。この際に、水蒸気発生管３２の長さは、水が水蒸気に十分に変化できるように、十分な長さを有するべきである。好ましくは、水蒸気発生管３２から出る水蒸気の温度を６００℃以上維持させるためには、水蒸気発生管の長さはＳＵＳ材質の１／４インチの配管を基準として３．５ｍ以上でなければならない。また、流入される天然ガスの温度を６００℃以上に維持させるため、天然ガス予熱管３０の長さはＳＵＳ材質の１／４インチの配管を基準として０．２２ｍ以上でなければならない。
【００２５】
改質反応器２１の外周に設けられる円筒状のメタルファイバーバーナー４０と改質反応器２１との間隔は、好ましくは２〜５ｃｍ程度の間隔を置いて取り囲むように設置され、前記メタルファイバーバーナー４０の材質は種々の混合金属を繊維化して布形態に織成したもので、市販の製品を用いることができる。前記メタルファイバーバーナー４０は、改質反応器本体１０の下端に設けられた点火プラグ４９により、メタルファイバーバーナーに供給される混合ガスが燃焼され、赤外線の含まれた熱が内側に集まりながら改質反応器２１の全体に均一に熱を加えるように構成される。すなわち、図４に示すように、メタルファイバーバーナー４０の外周には第２分配膜４４と第１分配膜４２が順次取り囲むように設けられ、第１分配膜４２と第２分配膜４４には長手方向と円周方向に所定間隔で、かつ互いに相違した直径を有する多数の燃料供給孔４２ａ、４４ａが形成される。また、第１分配膜４２の外側には所定の間隔を置いて密閉膜４６が設けられ、この密閉膜４６と第１分配膜４２との間の下側には燃料供給管４８が設けられ、この燃料供給管４８を通して燃料である天然ガス（ＬＮＧ又はプロパン、ブタン）と空気の混合ガスが流入され、燃料供給孔４２ａ、４４ａを通してメタルファイバーバーナー４０に供給される。そして、本体１０の一側には、点火を確認する火炎検出器５３が設けられる。ここで、燃料供給孔４２ａ、４４ａは、混合ガスがメタルファイバーバーナー４０に均一に供給されるようにするため、第２分配膜４４の燃料供給孔４４ａが第１分配膜４２の燃料供給孔４２ａより小さい直径を有するようにすることが好ましく、また、各分配膜の下部に形成された燃料供給孔４２ａ、４４ａは上部に形成された燃料供給孔４２ａ、４４ａより大きい直径を持たせるようにすることにより、メタルファイバーバーナー４０の表面が全体的に均一な温度勾配を持たせるようにすることが好ましい。
【００２６】
改質反応器２１の改質触媒層２０を通過して出る合成ガスは、改質ガス移動管５１を通して、メタルファイバーバーナー４０の外側と本体１０の内面との間に設けられた高温転換反応器５０に連通するように構成され、改質ガス移動管５１は大気ガスと熱交換されて、高温改質反応に適した温度に調節され、必要な場合、改質ガス移動管５１の形状又は長さを変化させるか又は熱交換器を更に設けることができ、したがって、高温転換反応器５０では、改質反応器２１から出る過剰の水蒸気を含む合成ガスの中の一酸化炭素と水蒸気は３３０〜５３０℃の温度で水性ガス転換反応により水素と二酸化炭素に転換される。
【００２７】
前記高温転換反応器５０から出る混合ガスの中の一酸化炭素の濃度を数ｐｐｍ以下に減らすため、本体１０の上部に低温転換反応器６０が設けられ、高温転換反応器５０と低温転換反応器６０との間には、低温転換反応温度を２００〜２６０℃の範囲に調節するため、下端に入口７１が設けられ、上端に出口７２が設けられたコイルで構成された熱交換７０が設けられる。熱交換器７０は冷却水を循環させて、混合ガスとの熱交換により混合ガスの温度を調節することになる。この際に、熱交換器７０の内部を流れる流体は冷却水或いは混合ガスを変更して構成することができ、熱交換器の形態は目的に合うように変形できる。前記低温転換反応器６０から出る水素混合ガスは改質反応器本体１０の上部に設けられる水素出口を通して排出される。
【００２８】
本発明により水素が生成される原理を説明すると、まず点火プラグ４９を通電させてスパークを発生させた状態で、燃料供給管４８を通して天然ガスと空気の混合ガスを投入させると、メタルファイバーバーナー４０が点火されてバーナーの表面が加熱される。前記メタルファイバーバーナー４０の点火が火炎検出器５３により確認されると、純水注入口３７を通して純水を供給するとともに反応用天然ガス注入口３６を通して窒素ガスを注入して、天然ガス予熱空間部３３と純水予熱空間部３４を通過させながら予熱を行い、改質反応器本体１０の過熱を防止し、前記水蒸気発生管３２と天然ガス予熱供給管３０に供給する。水蒸気発生管３２から発生する水蒸気と天然ガス予熱供給管３０で予熱された窒素ガスは改質反応器２１の混合部２２に供給されながら改質触媒層２０を予熱するとともに、改質触媒層２０が過熱されて触媒が劣化することを防止する。すなわち、燃料ガスが燃焼されると、発生される高温の排気ガスは本体１０の上面に設けられた排気口１２に移動しながら天然ガス予熱供給管３０と水蒸気発生管３２を加熱させ、これにより、水蒸気発生管３２から供給された水を水蒸気に変換させるものである。
【００２９】
また、改質触媒層２０がメタルファイバーバーナー４０及び前記窒素混合ガスにより加熱されて、水蒸気改質反応に適した温度である７００〜９００℃の設定温度に到達すると、天然ガス供給管３０を通して窒素ガスから原料ガスである天然ガス（又は炭化水素）に転換されて投入される。この際に、天然ガスと水蒸気のモル比は量論比より高い１〜３又は１〜６となるようにする。
【００３０】
前述したように投入された天然ガスは２段階の予熱過程を経た後、混合部２２で、既に供給されている水蒸気と混合されてから改質触媒層２０に流入され、水素と一酸化炭素の混合ガスである合成ガスが変換される。
【００３１】
前記水蒸気過剰の合成ガスは改質ガス移動管５１を経て高温転換反応器５０に移送され、１次に、高温転換反応器５０で３３０〜５３０℃の温度範囲で、例えばＦｅ触媒により一酸化炭素と水蒸気との反応で一酸化炭素が低減され、連続して熱交換器７０で低温転換反応温度に適した２００〜２６０℃の温度に調節された合成ガスは低温転換反応器６０に供給され、例えばＣｕ触媒により反応され未反応一酸化炭素が水蒸気との水性ガス転換反応により二酸化炭素と水素に転換されることにより、一酸化炭素の濃度が数十ｐｐｍ以下に低減される。こうして一酸化炭素の除去された高濃度の水素ガスが生成されると、水素排出口１４を通して排出される。前記水素混合ガスは水素の最終用途に適合するように構成されたＰＳＡ装置を経ながら二酸化炭素が除去されることにより、高純度の水素に転換される。
【００３２】
このように作動する本発明は、円筒状の本体１０内に、改質反応器２１、高温及び低温転換反応器６０、熱交換器７０及び水蒸気発生管３２などが設けられて一体的に構成されているため、水蒸気改質装置を小型にコンパクトに製作することができ、これにより、水蒸気改質装置の現場設置が容易で単価が低下するので、経済性に優れる。
【００３３】
また、改質反応器２１を加熱するに際して、既存の火炎燃焼方法の代わりに円筒状メタルファイバーバーナー４０を採択することで、燃焼器部の空間を減らし、円筒状のメタルファイバーバーナー４０が熱を外部に放出しながら改質反応器２１を加熱するアウトワード方式でなく、内部に集めながら加熱するインワード方式であるため、改質反応に必要な熱を充分に加えることができ、しかも熱出力量が１００〜８００ｋＷ／ｍ2の範囲で調節しやすいという利点ががある。更に、メタルファイバーバーナー４０は改質反応器２１を全体的に取り囲んで均一に加熱させるため、改質反応器２１内の触媒層の温度を均一に維持させることで改質反応効率を増大させることになる。
【００３４】
また、本発明は、燃料ガスが燃焼されると、発生する高温の排気ガスを用いて水蒸気発生管３２に供給される水を水蒸気に変換させて改質反応器２１に供給するため、従来のように水蒸気を発生させるための別個のボイラーを設置する必要がないので、これにより、全体構造が簡単になり、よって単価が低下され省エネルギーができる。
【００３５】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、下記例に本発明の範疇が限定されるものではない。
【００３６】
［実施例］
図２及び図３に示すような構造を有する改質装置を用いて水素を得た。ＳＵＳ３０４材質の本体１０は、直径が２３５ｍｍ、長さが６００ｍｍであった。Ｉｎｃｏｎｅｌ材質の改質反応器２１は、直径が２５．４ｍｍ、長さが４５０ｍｍであり、改質反応器２１の下端にＮｉ触媒（韓国特許出願第２０００−５４４４３、２０００．９．１６、“合成ガス製造用ニッケル系改質触媒及びこれを用いる水蒸気改質による天然ガスからの合成ガスの製造方法”）を約４００〜７００ｍｌ充填し、前記改質反応器２１の上部に、反応器全体積の１／３ほどとなるように、メタンガスと水蒸気を混合するための混合部を設けた。Ｉｎｃｏｎｅｌ材質の天然ガス供給管３０は、直径を６．３５ｍｍとし、長さを６００ｍｍとし、Ｉｎｃｏｎｅｌ材質の水蒸気発生管３２は、直径を６．３５ｍｍとし、長さを３，８００ｍｍとした。前記改質反応器２０を約３０ｍｍの間隔を置いて取り囲むようにメタルファイバーバーナー４０を設置し、前記メタルファイバーバーナー４０の外側を取り囲むようにした高温改質反応器５０は、高さを１５０ｍｍ、厚さを１０５ｍｍとして約５００ｃｍ3のＦｅ触媒を充填し、前記高温改質反応器５０と低温改質反応器６０との間に、直径１９ｍｍ、長さ３，５００ｍｍのフィン−チューブタイプ熱交換器７０を設置し、高さ１５０ｍｍ、厚さ１０５ｍｍの低温転換反応器６０を設置し、これにＣｕ触媒約５００ｃｍ3を充填した。
【００３７】
前記改質反応器１０の反応用天然ガス注入口３６と純水注入口３７を通してそれぞれ天然ガス０．４８ｍ3／ｈｒ、純水４．２８＊１０-3ｍ3／ｈｒの量で供給し、燃料供給管４８を通してメタルファイバーバーナーに天然ガス０．９３ｍ3／ｈｒ、空気２４．０４ｍ3／ｈｒを供給して、商業条件で前記水素出口１４から未反応メタン０．１％、水蒸気０．９％、水素７７．２％、一酸化炭素（ＣＯ）０．１％、二酸化炭素（ＣＯ2）１９．２％の組成を有する６．５８ｍ3／ｈｒの混合ガスを得た。この際に、改質反応器の触媒層２０の平均温度は７８９℃、高温改質反応器の温度は４６３℃、低温転換反応器の温度は２２８℃であった。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、個々の反応器、熱交換器、スチーム発生器などを一体的に構成することにより、水蒸気改質装置のコンパクト化及び小型化で設置を容易にし、装置の単価を低め、円筒状のメタルファイバーバーナーの適用で改質反応器に全体的に均一な熱を供給し得るようにして、改質反応の効率を極大化することができる効果がある。メタルファイバーバーナーとメタルファイバーバーナーの外部に設けられた水性ガス転換反応器との間に空間を置いて反応物を予熱し得るようにして、エネルギー効率を高め、かつメタルファイバーバーナーから発生する熱を効果的に遮断して過熱を防止する効果がある。また、排気ガスを用いて水蒸気を発生させるので、エネルギー利用効率を高め、別途のスチーム発生器を設置する必要がなくて装置の単価を低める効果がある。
【００３９】
前記のようなコンパクトな水素発生装置は、ＰＳＡ装置を経て低費用で９９．９vol％以上の高純度水素を生産することができるので、小規模で連続的な水素供給を必要とする場所に活用できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の水蒸気改質装置を用いて水蒸気を改質する工程を示す概略工程図である。
【図２】本発明によるコンパクト型水蒸気改質装置の構成を示す切開斜視図である。
【図３】本発明によるコンパクト型水蒸気改質装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明によるコンパクト型水蒸気改質装置のメタルファイバー部を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
１０  本体
１２  排気ガス排気口
１４  水素排出口
２０  改質触媒層
２１  改質反応器
２２  混合部
３０  天然ガス予熱供給管
３２  水蒸気発生管
３３  天然ガス注入口
３７  純水注入口
４０  メタルファイバーバーナー
４２  第１分配膜
４２ａ  燃料供給孔
４４  第２分配膜
４４ａ  燃料供給孔
４６  密閉膜
４８  燃料供給管
４９  点火プラグ
５０  低温転換反応器
５３  火炎検出器
６０  低温転換反応器
７０  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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