JP4603251B2

JP4603251B2 - 水蒸気改質炉

Info

Publication number: JP4603251B2
Application number: JP2003288800A
Authority: JP
Inventors: 伸二兵藤; 真紀三栗谷; 和則宇野
Original assignee: Chiyoda Corp
Current assignee: Chiyoda Corp
Priority date: 2003-08-07
Filing date: 2003-08-07
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2023-08-07
Also published as: JP2005053762A

Description

本発明は、蓄熱式燃焼バーナを用いた水蒸気改質炉に関するものである。

従来、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において蓄熱式熱交換器から排出された燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉が提案されている。

水蒸気改質炉の燃焼用空気の予熱に吸排気切換型蓄熱体を用いると、例えば水素プラントやメタノールプラント、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）プラント、ガスツーリキッド（ＧＴＬ）プラント等のように燃料の単位当たりの発熱量（低位発熱量：ＬｏｗＨｅａｔｉｎｇＶａｌｕｅ，単位ｋＪ／ｋｇ）の低いガスを利用する場合、燃焼排ガス（以下、燃焼ガスと言う）と空気との水当量比（熱交換する排ガスと空気のそれぞれの蓄熱体入出の温度比と同じとなる）が大きいことから、蓄熱体から出る排ガスの温度がそのまま大気に排出できないほど高いものとなっていた。

天然ガス(都市ガス)燃料の場合で水当量比は１．３程度であり、１５℃→１０００℃に空気を予熱する場合、排ガスの温度は１１００℃→３５０℃となる。そして水当量比は（１０００−１５）／（１１００−３５０）＝１．３１である。ところが、水素プラントではＰＳＡガス精製オフガス（ここでＰＳＡとは、ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎの略）の全量を燃料として改質炉で利用するので燃料の発熱量は低くなり、水当量比は１．５５程度となる。そして排ガスの温度は４６５℃程度となる。すなわち（１０００−１５）／（１１００−４６５）＝１．５５である。４６５℃の排ガスをそのまま大気に放出することはエネルギーの損失となるので熱回収を行うが、４６５℃では被加熱源であるプロセス流体の対象が限られる。特に改質炉の反応側へ導入する原料＋スチームの温度が通常は改質炉の対流部によって５００℃程度まで昇温できていた。ＷＯ９８／１４５３６号公報には、対流部を用いて炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて、炉本体内の反応管を所定温度に加熱する従来の他の改質炉の一例が示されている。この従来技術では、炉本体に対して設けた蓄熱式熱交換器から炉本体内に供給する燃焼用空気の温度を１０００℃以上にするとともに、炉本体内の燃焼ガスの一部を対流部に流して熱回収装置で排熱回収することにより、燃焼ガスの排熱を有効利用する。
ＷＯ９８／１４５３６号公報（図１）

しかしながら、前述の従来技術では、高温材料の加熱コイルが必要となり、建設コストが上昇する問題がある。そこで蓄熱体を空気予熱に用いる改質炉では、実際上は、対流部を用いていない。そのため高温加熱源がないために原料＋スチーム（プロセス流体）の温度が低くなり、結果として改質炉の反応側必要吸熱量を増加させている問題がある。

本発明の目的は、対流部を用いることなく、反応管に供給されるプロセス流体の温度を高めることができる水蒸気改質炉を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記目的に加えて、交番式の蓄熱式熱交換器を用いる場合において、耐熱性の高い切換弁装置を用いる必要のない水蒸気改質炉を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、蓄熱式熱交換器の切換弁装置の寿命を延ばすことができる水蒸気改質炉を提供することにある。

本発明が改良の対象とする水蒸気改質炉は、炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱する。そして蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において蓄熱式熱交換器から排出された燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する。

別置き熱交換器としては、蓄熱タイプを含むあらゆるタイプの熱交換器を用いることができ、熱交換器の種類は特定のものに限定されるものではない。

また蓄熱式燃焼バーナとしては、例えば特開平１１−２２３３３５号公報及び特開２０００−３９１３８号公報等に示されている周知の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナを用いることができる。この種の連続燃焼式蓄熱式燃焼バーナでは、１台のバーナ内部に分割した蓄熱体を有し、一部の蓄熱体に燃焼用空気を供給し、同時に他の部分の蓄熱体は燃焼ガスを吸引して蓄熱を行う。空気供給及び燃焼ガス排出の流路は一定周期で切り換えられ、１台のバーナシステム内部で蓄熱／放熱が繰り返される。高温空気の吐出口は切換と共に周方向に移動するが、燃料は１本のバーナから連続的に供給できる。また蓄熱式燃焼バーナとしては、いわゆる交番式蓄熱式燃焼バーナを用いることもできる。交番式蓄熱式燃焼バーナは、１つの蓄熱体全体に燃焼用空気と燃焼ガスとを交互に流して、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号公報に示されている。また断続燃焼タイプの一例は、特開平１−２２２１０２号公報に示されている。なお改質炉には、１台以上の蓄熱式燃焼バーナが用いられる。複数台の蓄熱式燃焼バーナを用いる場合に、各蓄熱式燃焼バーナに対応して別置きの交換器をそれぞれ設けてもよい。しかしながら複数台の蓄熱式燃焼バーナに対して１台または複数台の別置きの交換器を用いるように複数台の蓄熱式熱交換器と複数台の別置きの熱交換器とを接続してもよいのは勿論である。

本発明においては、別置き熱交換器を燃焼用空気を予熱するように構成する。すなわち燃焼用空気を別置き熱交換器で積極的に予熱し、予熱した燃焼用空気を更に蓄熱式熱交換器で加熱する。その結果、例えば、燃焼用空気を８００℃以上まで加熱することが可能になり、燃焼形態としては、高温空気燃焼を実現できる。蓄熱式熱交換器の前段階で、燃焼用空気を予熱しておけば、その分だけ蓄熱式熱交換器から排出される燃焼ガスの温度は高くなる。その結果、別置き熱交換器に供給される燃焼ガスの温度を従来よりも高くすることができるので、対流部を用いなくても、別置き熱交換器における原料及び／またはプロセス流体の予熱温度を高くすることができる。

また本発明は、交番式の蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナ用いる場合にも適用できる。交番式の蓄熱式熱交換器は、複数の対となる蓄熱体を備え、炉本体内から排出される燃焼ガスを対となる蓄熱体に交互に流して燃焼ガスの熱を蓄熱体に蓄熱し、対となる蓄熱体に交互に燃焼用空気を流して蓄熱体に蓄熱した熱を利用して燃焼用空気を加熱するものである。そして交番式の蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において、交番式の蓄熱式熱交換器から排出された燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する。この場合に、別置き熱交換器は、対となる蓄熱体に対応して設けられた２つの熱交換部と、対となる蓄熱体のうち一方の蓄熱体から燃焼ガスが排出されているときに２つの熱交換部の一方の熱交換部を通して燃焼ガスを排出し、対となる蓄熱体のうち他方の蓄熱体から燃焼ガスが排出されているときに２つの熱交換部の他方の熱交換部を通して燃焼ガスを排出するように２つの熱交換部の使用を切り換える切換弁装置とを備えた構造とする。そして切換弁装置を２つの熱交換部の低温側に配置する。このようにすれば、２つの熱交換部の低温側に切換弁装置を配置して、２つの熱交換部を切り換えて使用するため、切換弁装置の耐熱温度を下げることができる。その結果、安価な耐熱性の低い切換弁を用いて切換弁装置を構成できるだけでなく、切換弁装置の寿命を延ばすことができ、別置き熱交換器の寿命を延ばすことができる。

また交番式の蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いる場合に、別置き熱交換器を、燃焼用空気を予熱するように構成した上で、更に対となる蓄熱体に対応して２つの追加熱交換器と切換弁装置とを設けてもよい。切換弁装置は、対となる蓄熱体のうち一方の蓄熱体から燃焼ガスが排出されているときには２つの追加熱交換器の一方の追加熱交換器を通して燃焼ガスの一部を排出し且つこの一方の追加熱交換器を通して別置き熱交換器により予熱された燃焼用空気を更に加熱し、他方の蓄熱体から燃焼ガスが排出されているときには２つの追加熱交換器の他方の追加熱交換器を通して燃焼ガスの一部を排出し且つこの他方の追加熱交換器を通して別置き熱交換器により予熱された燃焼用空気を更に加熱するように、前記２つの追加熱交換器の使用を切り換えるように構成する。その上で、切換弁装置を２つの追加熱交換器の低温側に配置する。このような構成を採用すると、蓄熱体から排出された燃焼ガスを別置き熱交換器と追加熱交換器の双方に分流することができるので、別置き熱交換器側に燃焼ガスを供給する流路に使用される切換弁に加えられる総熱量を低減することができる。さらに、２つの蓄熱体に対応して２つの熱交換部を有する別置きの熱交換器を設け、切換弁を２つの熱交換部の低温側に配置してもよい。また２つの追加熱交換器の低温側に配置した切換弁装置の耐熱性は低いものでよいため、切換弁装置の寿命を延ばすことができる。なおこの場合に、切換弁装置と誘引送風機との間に、追加熱交換器を通る燃焼ガスの量を調節するダンパーを配置すれば、ダンパーの開度の調整により、分流量を適宜に調整することができるので、燃焼用空気、原料、プロセス流体の予熱温度を簡単に調節することが可能になる。また追加熱交換器として、プレート型熱交換器を用いれば、改質炉全体の価格を大幅に上げることがなく、目的を達成できる。

別置き熱交換器で予熱した原料を炉本体の下流側に設置された高温シフトコンバータの下流に設けた熱交換器で回収した熱で更に加熱すれば、別置き熱交換器での熱交換量が少ない場合でも、原料を必要な温度まで予熱することができる。

また別置き熱交換器は、第１及び第２の加熱コイルにより原料を二段階で予熱するように構成することができる。この場合には、第１及び第２の加熱コイルの中間に、スチームを発生するスチーム発生装置の補助熱源として用いる廃熱ボイラーの加熱コイルを配置してもよい。このような構成を採用すると、スチームの温度を別置き熱交換器で上昇させることができ、結果として、対流部を用いなくても、プロセス流体の温度を上げることができる。

本発明によれば、別置き熱交換器に供給される燃焼ガスの温度を従来よりも高くすることができるので、対流部を用いなくても、別置き熱交換器における原料及び／またはプロセス流体の予熱温度を高くすることができる利点がある。

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、高温空気燃焼技術を用いた水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。符号１で示したものは、内部に燃焼室２を有する炉本体である。炉本体１の炉壁１ａには１台以上の蓄熱式燃焼バーナが固定されている。図１においては、この蓄熱式燃焼バーナを備えている１つの蓄熱式熱交換器３とバーナ４とを図示してある。また炉本体１の底壁１ｂと上壁１ｃとを貫通するように、複数本の反応管５が配置されている。

ここで用いる蓄熱式燃焼バーナの蓄熱式熱交換器３は、図２に示すように、交番式の蓄熱式熱交換器である。蓄熱式熱交換器３は、通気性を有する対となる２つの蓄熱体６及び７と、燃焼室２内の燃焼ガスを蓄熱体６または７に交互に流し、２つの蓄熱体６及び７の顕熱で燃焼用空気を加熱して燃焼室２内に供給する切換弁装置８とを備えている。なお実際の装置では、対となる蓄熱体が複数対設けられることになるが、以下の説明では説明の便宜上２つの蓄熱体６及び７のみを有しているものとして説明する。

切換弁装置８は、蓄熱体６に対して設けられた２つの切換弁９及び１０と蓄熱体７に対して設けられた２つの切換弁１１及び１２とから構成されている。これらの切換弁９〜１２は，図示しない駆動手段によって駆動制御される。なお図２においては、黒丸印は切換弁が開状態であることを示し、黒丸に横線を引いた印は切換弁が閉状態であることを示している。また図２において、矢印は流体が流れる方向を示している。

交番式の蓄熱式熱交換器３の前段（炉本体１とは反対側）には、別置き熱交換器１３が配置されている。この別置き熱交換器１３は、交番式の蓄熱式熱交換器３から排出された燃焼ガスの熱を利用して原料と、炉本体１内の反応管５に供給されるプロセス流体（原料＋スチーム）と、蓄熱体６及び７に供給される燃焼用空気とを予熱する。別置き熱交換器１３の構造は任意であり、誘引送風機１４の誘引送風力により、燃焼室２から蓄熱体６または７を通して燃焼ガスを内部に吸い込む。別置き熱交換器１３内には、プロセス流体（原料＋スチーム）を加熱する第１の加熱コイル１５と、原料を加熱する第２の加熱コイル１６（図２には図示せず）と、燃焼用空気を加熱する第３の加熱コイル１７とを備えている。第１乃至第３の加熱コイル１５乃至１７は、第１の加熱コイル１５から第３の加熱コイル１７に向かって順番に上流側から下流側に並ぶように配置されている。なお図１において、各加熱コイルの側に表示した温度が、各加熱コイルが配置された場所を通る燃焼ガスの温度を示している。この例では、交番式の蓄熱式熱交換器３から出た燃焼ガスの温度が６５５℃で、第１の加熱コイル１５の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が４０８℃で、第２の加熱コイル１６の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が３４８℃で、第３の加熱コイル１７の配置場所を通過した燃焼ガスの温度が１５５℃であることが示されている。

燃焼用空気は、第３の加熱コイル１７で約３００℃まで加熱されて熱交換加熱されて、蓄熱式熱交換器３の蓄熱体６または７に供給される。燃焼用空気は、蓄熱体６または７で更に約１０００℃まで加熱されて、燃焼室２内に供給される。蓄熱体６または７に供給される燃焼用空気の温度が高いため、各蓄熱体６または７を燃焼ガスが通過する際の温度低下が少なく、この例では１１００℃の燃焼ガスが６５５℃までしか低下しない。したがって別置き熱交換器１３において必要な熱量を供給することができる。

燃焼用空気は、押し込み送風機１８から加熱コイル１７を介して蓄熱体６または７に押し込まれる。加熱コイル１６で加熱された原料は、水素化反応器１９及び脱硫反応器２０へと供給される。脱硫反応器２０の出口にはスチームが加えられてプロセス流体が作られ、プロセス流体は第１の加熱コイル１５へと供給されて加熱され、反応管５へと供給される。この例では、２４４℃のプロセス流体が第１の加熱コイル１５で４８５℃まで加熱されている。

反応管５で加熱されて改質されて８５０℃になったプロセス流体は、熱交換器２１を通って３５０℃まで温度が低下し、高温シフトコンバータ２２で再度加熱されて４１５℃となり、熱交換器２３で温度が低下して、圧力揺動式吸着（ＰＳＡ）ガス精製装置へと供給される。熱交換器２１及び２３は、スチーム発生装置２４の熱源を得るために設けられているものであり、これらの熱交換器２１及び２３とスチーム発生装置２４との間では、熱伝達媒体が循環している。スチーム発生装置２４は、熱交換器２１及び２３から得た熱量を熱源として水蒸気化するための水ＢＦＷを加熱し、２２１℃の水蒸気として出力する。余剰スチームは、他の熱交換器で使用される。

図１の例では、ＰＳＡガス精製オフガスが、通常の燃料と一緒にバーナ４へと供給している。

図２に示すように、この例では、切換弁９及び１２が開状態のときに切換弁１０及び１１が閉状態にあり、切換弁９及び１２が閉状態のときに切換弁１０及び１１が開状態となることにより、蓄熱体６及び７には交互に燃焼ガスが流れ、蓄熱体７及び６には交互に加熱された燃焼用空気が供給される。本実施の形態によれば、蓄熱体６及び７へ導入する空気を別置き熱交換器１３を用いて予熱することにより、積極的に蓄熱体６及び７から出る排ガスの温度を上げることができ、原料＋スチームを対流部を設ける場合と同程度に予熱することができる。またその後の別置き熱交換器１３の回収部でも、効率よく各流体を加熱して熱回収をバランス良く実行することができる。燃焼用空気は、別置き熱交換器１３の熱回収部の最後の部分でバランス上適度な温度（ここでは３００℃）まで予熱された後に、蓄熱体６または７に導入される。蓄熱体では３００℃→１０００℃となるように、燃焼用空気を加熱する。この場合には、燃焼ガス（排ガス）は１１００℃→６４９℃に低下する。したがって水当量比は（１０００−３００）／（１１００−６４９）＝１．５５となるが、物質収支・熱収支をとると６５５℃程度となる。

しかしながら、この実施の形態では、蓄熱体６及び７の切換に６５５℃程度の高温に耐える切換弁９及び１１が必要となる。実績上、６５０℃程度まで耐える弁はあるものの、価格が高く、また信頼性が低いという問題を有している。そのためできれば、切換弁装置に使用する切換弁としては、低温使用のものを用いるのが望ましい。図３は、このような要望に応えることができる他の実施の形態の要部の構成を示している。この実施の形態では、別置き熱交換器１３を、２つの蓄熱体６及び７に対応して設けられた２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂと、前述の切換弁１０及び１２と熱交換部の切換弁装置２５とから構成している。熱交換部の切換弁装置２５は、２つの蓄熱体６及び７のうち一方の蓄熱体（例えば蓄熱体６）から燃焼ガスが排出されているときに２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂの一方の熱交換部（例えば熱交換部１３Ａ）を通して燃焼ガスを排出し、２つの蓄熱体６及び７のうち他方の蓄熱体（例えば蓄熱体７）から燃焼ガスが排出されているときに２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂの他方の熱交換部（例えば熱交換部１３Ｂ）を通して燃焼ガスを排出するように２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂの使用を切り換えるように構成されいる。具体的には、切換弁２６及び２７によって切換弁装置２５が構成されている。この実施の形態では、この切換弁装置２５を２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂの低温側に配置している。このように低温側に配置した切換弁装置を用いて２つの熱交換部１３Ａ及び１３Ｂを切り換えて使用すれば、切換弁装置２５の耐熱温度を下げることができる。その結果、切換弁２６及び２７として安価な耐熱性の低い切換弁を用いることができる上、切換弁装置の寿命を延ばすことができ、別置き熱交換器の寿命を延ばすことができる。さらに、切換弁１０と切換弁２６、切換弁１２と切換弁２７が、常に逆の開閉をすることから、それぞれ二方弁を用いることによって、切換弁の数を４つから２つ（切換弁１０と２６を一つの二方弁、切換弁１２と２７を一つの二方弁）に減じることができる。

また図４は、耐熱性の高い切換弁９及び１２を使用するものの、その寿命を延ばすことができる他の実施の形態の要部の構成を示す図である。この実施の形態では、交番式の蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナ用いる場合に、図１及び図２の実施の形態と同様に、別置き熱交換器１３を、燃焼用空気を予熱するように構成した上で、更に２つの蓄熱体に対応して２つの追加熱交換器２８及び２９と４つの切換弁（３０〜３３）からなる切換弁装置３４とを設ける。この例では、追加熱交換器２８及び２９として量産型のマイクロガスタービンに使用されるレキュペレーター（安価なプレート型熱交換器）を用いている。切換弁装置３４は、２つの蓄熱体６及び７のうち一方の蓄熱体（例えば蓄熱体６）から燃焼ガスが排出されているときには２つの追加熱交換器２８及び２９の一方の追加熱交換器（例えば追加熱交換器２８）を通して燃焼ガスの一部を排出し且つこの一方の追加熱交換器（例えば追加熱交換器２８）を通して別置き熱交換器１３により予熱された燃焼用空気を更に加熱するように切換弁３０〜３３の切換動作を行う。また切換弁装置３４は、他方の蓄熱体７から燃焼ガスが排出されているときには２つの追加熱交換器の他方の追加熱交換器２９を通して燃焼ガスの一部を排出し且つこの他方の追加熱交換器２９を通して別置き熱交換器１３により予熱された燃焼用空気を更に加熱するように、切換弁３０〜３３の切換動作を行って２つの追加熱交換器の使用を切り換える。この例では、切換弁装置３４を２つの追加熱交換器２８及び２９の低温側に配置している。またこの実施の形態では、切換弁装置３４と誘引送風機１４との間に、追加熱交換器２８及び２９を通る燃焼ガスの量を調節するダンパー３５を配置している。このダンパー３５の開度の調整により、分流量を適宜に調整することができるので、燃焼用空気、原料、プロセス流体の予熱温度を簡単に調節することが可能になる。

この実施の形態では、プロセス流体を加熱する排ガス用の切換弁９及び１２は残している。そして、この切換弁９及び１２を通る燃焼ガス（排ガス）量を減らすべく、流路を分けて各蓄熱体６及び７に対して追加熱交換器２８及び２９を設置している。追加熱交換器２８及び２９から出る燃焼ガス（排ガス）を１５０℃程度まで熱回収するとし、追加熱交換器２８及び２９に導入する燃焼用空気は１００℃程度とする。レキュペレータにおける１００℃と１５０℃のアプローチ温度５０℃はすでに実績があり、充分到達可能な温度差である。燃焼用空気は所定の温度（ここでは３００℃）まで予熱するとして、これに必要な燃焼ガス（排ガス量）は蓄熱体６及び７から分流する。

この実施の形態によれば、蓄熱体６及び７から排出された燃焼ガスを別置き熱交換器１３と追加熱交換器２８または２９の双方に分流させることができるので、別置き熱交換器１３側に燃焼ガスを供給する流路に使用される切換弁に加えられる総熱量を低減することができる。また２つの追加熱交換器２８及び２９の低温側に配置した切換弁装置３４の耐熱性は低いものでよいため、切換弁装置３４の寿命を延ばすことができる。

図５は、本発明の更に他の実施の形態の構成を示す図である。この実施の形態が、図１の実施の形態と異なる点は、切換弁装置３７を用いて蓄熱体６及び７から排出される燃焼ガスの一部だけを別置き熱交換器１３に流している点と、第２の加熱コイル１６で加熱した原料を直ちに水素化反応器１９に供給せずに、高温シフトコンバータ２２の後段に新たに追加した熱交換器３６で再度加熱した後に、原料を水素化反応器１９に供給している点であり、その他は図１及び図２の実施の形態と変わるところがない。このような実施の形態では、別置き熱交換器１３に導入する（燃焼ガス）排ガス量が少なくなった分、別置き熱交換器１３で必要な熱量が不足する。そこでこの例では、水素プラントの場合で言えば現状スチームを発生させている高温シフトコンバータ２２の下流に熱交換器３６を設け熱回収を行い不足分をカバーしている。この実施の形態のように、別置き熱交換器１３で予熱した原料を炉本体の下流側で高温シフトコンバータ２２の下流に設けた熱交換器３６から回収した熱で更に加熱すれば、別置き熱交換器での熱交換量が少ない場合でも、原料を必要な温度まで予熱することができる。

また図６の例では、別置き熱交換器１３内で、２つの加熱コイル１６Ａ及び１６Ｂ（第１及び第２の加熱コイル）により原料を二段階で予熱している。また２つの加熱コイル１６Ａ及び１６Ｂの中間に、スチームを発生するスチーム発生装置２４の補助熱源として用いる廃熱ボイラーの加熱コイル３７を別置き熱交換器１３内に配置している。またスチーム発生装置２４の出力を、高温シフトコンバータ２２の下流に設けた熱交換器３６で更に加熱している。このような構成を採用すると、スチームの温度を熱交換器３６で上昇させることができ、結果として、対流部を用いなくても、プロセス流体の温度を上げることができる。この実施の形態では、原料ガスに添加するスチームの温度を上げることで原料＋スチームの加熱に必要な熱量を下げ、原料ガスを所定の温度まで排ガスによって上げることを可能にしている。なお図５及び図６においても、図１と同様に、参考のために、各部の温度を図上に表示してある。

上記実施の形態は、いずれも高温空気燃焼技術を用いた改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明の一般の改質炉にも当然にして適用できるのは勿論である。

また上記実施の形態は、水素プラントに用いる水蒸気改質炉に本発明を適用したものであるが、本発明はメタノールプラント、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）プラント、ガスツーリキッド（ＧＴＬ）プラント等で用いる他の水蒸気改質炉にも当然にして適用できる。

高温空気燃焼技術を用いた水素プラントの水蒸気改質炉に本発明を適用した実施の形態の一例の概略の構成図である。図１の実施の形態の要部の構成と動作を説明するために用いる図である。本発明の他の実施の形態の要部の構成と動作を説明するために用いる図である。本発明の更に他の実施の形態の要部の構成と動作を説明するために用いる図である。本発明の更に他の実施の形態の構成を示す図である。本発明の更に他の実施の形態の構成を示す図である。

１炉本体
２燃焼室
３蓄熱式熱交換器
４バーナ
５反応管
６，７蓄熱体
８切換弁装置
９〜１２切換弁
１３別置き熱交換器
１５〜１７加熱コイル

Claims

炉本体内から排出される燃焼ガスの熱を利用して燃焼用空気を加熱する蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、
前記蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において前記蓄熱式熱交換器から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
前記別置き熱交換器が、前記燃焼用空気を予熱するように構成されていることを特徴とする水蒸気改質炉。
複数の対となる蓄熱体を備え、炉本体内から排出される燃焼ガスを前記対となる蓄熱体に交互に流して前記燃焼ガスの熱を前記蓄熱体に蓄熱し、前記対となる蓄熱体に交互に燃焼用空気を流して前記蓄熱体に蓄熱した熱を利用して前記燃焼用空気を加熱する交番式の蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、
前記交番式の蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において前記交番式の蓄熱式熱交換器から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
前記別置き熱交換器は、前記対となる蓄熱体に対応して設けられた２つの熱交換部と、前記対となる蓄熱体のうち一方の前記蓄熱体から前記燃焼ガスが排出されているときに前記２つの熱交換部の一方の前記熱交換部を通して前記燃焼ガスを排出し、前記対となる蓄熱体のうち他方の前記蓄熱体から前記燃焼ガスが排出されているときに前記２つの熱交換部の他方の前記熱交換部を通して前記燃焼ガスを排出するように前記２つの熱交換部の使用を切り換える切換弁装置とを備え、前記切換弁装置が前記２つの熱交換部の低温側に配置されていることを特徴とする水蒸気改質炉。
複数の対となる蓄熱体を備え、炉本体内から排出される燃焼ガスを前記対となる蓄熱体に交互に流して前記燃焼ガスの熱を前記蓄熱体に蓄熱し、前記対となる蓄熱体に交互に燃焼用空気を流して前記蓄熱体に蓄熱した熱を利用して前記燃焼用空気を加熱する交番式の蓄熱式熱交換器を備えた蓄熱式燃焼バーナを用いて炉本体内を所定温度に加熱し、
前記交番式の蓄熱式熱交換器の前段に配置された別置き熱交換器において前記交番式の蓄熱式熱交換器から排出された前記燃焼ガスの熱を利用して原料及び／または前記炉本体内の反応管に供給されるプロセス流体を予熱する水蒸気改質炉であって、
前記別置き熱交換器は、前記燃焼用空気を予熱するように構成されており、
更に前記対となる蓄熱体に対応して設けられた２つの追加熱交換器と、前記対となる蓄熱体のうち一方の前記蓄熱体から前記燃焼ガスが排出されているときには前記２つの追加熱交換器の一方の前記追加熱交換器を通して前記燃焼ガスの一部を排出し且つ該一方の前記追加熱交換器を通して前記別置き熱交換器により予熱された前記燃焼用空気を更に加熱し、前記他方の蓄熱体から前記燃焼ガスが排出されているときには前記２つの追加熱交換器の前記他方の追加熱交換器を通して前記燃焼ガスの一部を排出し且つ該他方の追加熱交換器を通して前記別置き熱交換器により予熱された前記燃焼用空気を更に加熱するように、前記２つの追加熱交換器の使用を切り換える切換弁装置とを備え、前記切換弁装置が前記２つの追加熱交換器の低温側に配置されていることを特徴とする水蒸気改質炉。
前記切換弁装置と誘引送風機との間に、前記追加熱交換器を通る前記燃焼ガスの量を調節するダンパーが配置されている請求項３に記載の水蒸気改質炉。
前記追加熱交換器がプレート型熱交換器である請求項３に記載の水蒸気改質炉。
前記別置き熱交換器で予熱した前記原料を前記炉本体の下流側に設置された高温シフトコンバータの下流に設けた熱交換器で回収した熱で更に加熱することを特徴とする請求項１，２または３に記載の水蒸気改質炉。
前記別置き熱交換器は、第１及び第２の加熱コイルにより前記原料を二段階で予熱するように構成されていることを特徴とする請求項１，２，３または６に記載の水蒸気改質炉。
前記第１及び第２の加熱コイルの中間に、スチームを発生するスチーム発生装置の補助熱源として用いる廃熱ボイラーの加熱コイルが配置されている請求項７に記載の水蒸気改質炉。