JP5433892B2 - Startup method for stationary hydrogen generator reformer - Google Patents
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Description
本発明は、炭化水素系燃料、アルコール系燃料、合成燃料のいずれか1種と水蒸気とを含む原料ガスを改質して水素を製造する改質器を備えた定置型水素製造装置の改質器の起動方法に関する。 The present invention provides a reforming of a stationary hydrogen production apparatus including a reformer that produces hydrogen by reforming a raw material gas containing any one of a hydrocarbon fuel, an alcohol fuel, and a synthetic fuel and steam. It is related with the starting method.
近年、電気を使用する場所で需要にあわせて発電を行う分散型発電の普及に対する取り組みがなされている。分散型発電では、大規模な発電所で発電して家庭や工場等に送電する従来の集中型発電に比べて、送電ロスの低減、排熱の利用効率の向上等、エネルギーの有効利用が可能となる。そして、分散型発電において、小型であっても効率が落ちず、低コスト化が見込まれる燃料電池が注目されている。 In recent years, efforts have been made to disseminate distributed generation that generates electricity in accordance with demand in places where electricity is used. Distributed power generation enables effective use of energy, such as reducing transmission loss and improving waste heat utilization efficiency, compared to conventional centralized power generation that is generated at a large-scale power plant and transmitted to homes and factories. It becomes. In distributed power generation, fuel cells are attracting attention because they do not decrease efficiency even if they are small in size and are expected to reduce costs.
家庭、オフィスビル、工場等に設置される定置型燃料電池システムには、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池などが提案されている。なかでも固体酸化物型燃料電池は比較的高い発電効率が期待されるが、運転温度が高く、耐久性の確保が課題となる。定置型燃料電池システムには耐久性が要求され、例えば、家庭用の燃料電池システムでは4万〜9万時間の累積運転時間に耐え得ることが要求されている。そこで、従来、耐久性を向上させるための提案がなされている(例えば、特許文献1、2参照)。
For stationary fuel cell systems installed in homes, office buildings, factories, etc., polymer electrolyte fuel cells, phosphoric acid fuel cells, molten carbonate fuel cells, solid oxide fuel cells, etc. have been proposed. Yes. Among them, the solid oxide fuel cell is expected to have a relatively high power generation efficiency, but the operation temperature is high, and ensuring durability is a problem. The stationary fuel cell system is required to have durability. For example, a household fuel cell system is required to be able to withstand a cumulative operation time of 40,000 to 90,000 hours. Thus, conventionally, proposals for improving durability have been made (for example, see
特許文献1に開示された改質器では、炭化水素と水蒸気とを混合した原料ガスが流通する反応管は、鉛直に配置された直管の外管に同じく直管の内管を挿入し、外管と内管との間に改質触媒を充填して構成されている。そして、内管の内側で高温の燃焼ガスを上方から下方に向けて流通させ、内管に熱を供給している。原料ガスは、まず内管に流入し、改質触媒床を経て改質され、反応管の底部で折り返されて外管に導かれ、外管から取り出される。そして、内管と外管との間には両者を接続する多数の伝熱板が設けられており、これらの伝熱板により内管から外管への伝熱効率を高め、内管と外管との熱膨張差を少なくしている。それにより、内管と外管との間に充填された改質触媒に作用する応力を軽減して、改質触媒の圧壊を防止するようにしている。
In the reformer disclosed in
また、特許文献2に開示された改質器の起動方法では、起動時に改質触媒を昇温させるに際し、改質触媒の酸化を防止するため、空気、燃焼排ガス等の酸素含有ガス、水蒸気、原料ガス及び窒素によりなる群より選ばれた1種以上の流通ガス種を、改質触媒の温度如何により変更しながら、改質触媒に流通させて昇温させている。具体的には、改質触媒の温度が300℃までは空気、燃焼排ガス等の酸素含有ガス又は水蒸気を流通させ、300〜400℃では水蒸気を流通させ、400℃以上では水蒸気と原料ガスの混合ガスを流通させる。
炭化水素と水蒸気とを含む原料ガスを改質して水素を製造する改質器において、改質触媒を昇温させる際に水蒸気以外の流通ガス種を流通させるには別途設備が必要となるが、水蒸気であれば既存の設備を用いることができ、水素製造装置の小型化を図ることができる。しかしながら、露点以下の温度で水蒸気を流通させると、改質触媒の表面あるいは内部で水蒸気が凝縮し、その後の加熱で凝縮した水分が気化し、その際の体積膨張により改質触媒に割れ等の不具合が生じる可能性がある。そのため、改質触媒が露点以上の温度に達してから水蒸気を流通させる必要がある。 In a reformer that reforms a raw material gas containing hydrocarbons and steam to produce hydrogen, a separate facility is required to circulate a circulating gas species other than steam when raising the temperature of the reforming catalyst. In the case of steam, existing equipment can be used, and the hydrogen production apparatus can be downsized. However, if water vapor is circulated at a temperature below the dew point, the water vapor is condensed on the surface or inside of the reforming catalyst, and the condensed water is vaporized by the subsequent heating. A malfunction may occur. Therefore, it is necessary to circulate water vapor after the reforming catalyst reaches a temperature higher than the dew point.
ここで、上記特許文献1および特許文献2では、いずれも反応管(触媒)の昇温を直線的に1段階で行っている。上記特許文献1のように燃焼ガスを反応管に沿って流通させて昇温させる場合に、燃焼ガスの下流側では燃焼ガスの温度が低下しており、下流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分は、上流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分に比べて昇温が遅れる。
Here, in both
上流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分が露点に達した段階で水蒸気を流通させると、下流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分では未だ露点に達しておらず、上述のとおり改質触媒に割れ等の不具合が生じる可能性がある。また、下流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分が露点に達した段階で水蒸気を流通させると、上流側で燃焼ガスに接触する反応管の部分は遥かに高温となっており、改質触媒が過剰に加熱されて劣化する可能性がある。 If water vapor is circulated at the stage where the portion of the reaction tube that contacts the combustion gas on the upstream side reaches the dew point, the portion of the reaction tube that contacts the combustion gas on the downstream side has not yet reached the dew point. There is a possibility that defects such as cracks may occur in the quality catalyst. In addition, if water vapor is circulated at the stage where the dew point has reached the part of the reaction tube that contacts the combustion gas on the downstream side, the part of the reaction tube that contacts the combustion gas on the upstream side is much hotter, The catalyst may be overheated and deteriorate.
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質触媒の劣化を防止することができる定置型水素製造装置改質器の起動方法を提供することにある。 This invention is made | formed in view of the situation mentioned above, The objective is to provide the starting method of the stationary hydrogen production apparatus reformer which can prevent deterioration of a reforming catalyst.
上記の目的は、下記(1)〜(2)に記載の定置型水素製造装置改質器の起動方法により達成される。
(1)炭化水素系燃料、アルコール系燃料、合成燃料のいずれか1種と水蒸気とを含む原料ガスを改質して水素を製造する改質器を備えた定置型水素製造装置の改質器の起動方法であって、前記改質器は、原料ガスを流通させる略U字型に成形された反応管を有し、該反応管には、その出口側に第1の改質触媒が充填され、その入口側に該第1の改質触媒よりも低温で活性を有する第2の改質触媒が充填されており、かつ出口側のストレート部と入口側のストレート部との間のベント部に改質触媒としての機能を有さない不活性な充填物が充填され、そして、前記改質器は、前記反応管に沿って該反応管の出口側から入口側に向けて燃焼ガスを流通させて該反応管を前記改質触媒の活性温度に昇温させており、
前記反応管の出口温度を前記第2の改質触媒の耐熱温度以下に維持して該反応管の入口温度を350〜380℃まで昇温させるスタートアップ工程と、前記スタートアップ工程の後、前記反応管に水蒸気を流通させながら、該反応管の出口温度を700〜750℃まで昇温させるとともに維持し、該反応管の入口温度を400〜450℃まで昇温させる改質反応準備工程と、を備えることを特徴とする定置型水素製造装置改質器の起動方法。
(2)前記スタートアップ工程においては前記反応管の出口温度を5℃/minで昇温させ、前記改質反応準備工程においては前記反応管の出口温度を10℃/minで昇温させることを特徴とする(1)に記載の定置型水素製造装置改質器の起動方法。
The above object is achieved by the start-up method of the stationary hydrogen production apparatus reformer described in (1) to (2) below.
(1) A reformer of a stationary hydrogen production apparatus provided with a reformer that reforms a raw material gas containing any one of a hydrocarbon fuel, an alcohol fuel, and a synthetic fuel and steam to produce hydrogen The reformer has a substantially U-shaped reaction tube through which the raw material gas is circulated, and the reaction tube is filled with a first reforming catalyst on the outlet side thereof. And a vent portion between the straight portion on the outlet side and the straight portion on the inlet side, the inlet side of which is filled with a second reforming catalyst having an activity lower than that of the first reforming catalyst. An inert packing that does not function as a reforming catalyst is filled, and the reformer circulates the combustion gas along the reaction tube from the outlet side to the inlet side of the reaction tube. The reaction tube is heated to the activation temperature of the reforming catalyst,
A startup step of maintaining the outlet temperature of the reaction tube below the heat resistance temperature of the second reforming catalyst and raising the inlet temperature of the reaction tube to 350 to 380 ° C. , and after the startup step, the reaction tube And a reforming reaction preparation step of raising and maintaining the outlet temperature of the reaction tube to 700 to 750 ° C. and raising the inlet temperature of the reaction tube to 400 to 450 ° C. A start-up method for a stationary hydrogen generator reformer characterized by the above.
(2) The outlet temperature of the reaction tube is increased at 5 ° C./min in the start-up step, and the outlet temperature of the reaction tube is increased at 10 ° C./min in the reforming reaction preparation step. The start-up method of the stationary hydrogen production apparatus reformer according to (1).
上記構成の改質器では、反応管の入口側から出口側に向けて次第に温度が高くなる。そこで、反応管には活性温度の異なる2種の改質触媒が、反応管の入口側から出口側に向けて活性温度が順次高くなるように充填されている。このように、反応管の各部に適した触媒を充填することで改質効率が高められている。そして、本発明に係る定置型水素製造装置改質器の起動方法によれば、反応管の出口温度を第2の改質触媒の耐熱温度以下に維持して反応管の入口温度を350〜380℃まで昇温させ、その後に、反応管に水蒸気を流通させながら、反応管をさらに昇温させている。改質器における露点は、流通させる水蒸気の圧力にもよるが、典型的な圧力では略350℃である。そして、第1の改質触媒よりも低温で活性を有する第2の改質触媒は、一般に、第1の改質触媒よりも耐熱温度が低い。昇温が遅れる反応管の入口温度が350〜380℃に達するまで反応管の出口温度を第2の改質触媒の耐熱温度以下に維持することにより、反応管の出口寄りの第2の改質触媒が過剰に加熱されることを防止することができる。そして、反応管の入口温度が350〜380℃に達した後に、水蒸気を流通させながら反応管を昇温させることで、水蒸気の凝縮・気化による体積膨張に起因した改質触媒の割れ等の不具合を回避して、改質触媒の酸化を防止しつつ反応管を改質触媒の活性温度もしくはその近傍までさらに昇温させることができる。このように、反応管の昇温を2段階でおこなうことにより、改質触媒の劣化を防止することができる。 In the reformer having the above configuration, the temperature gradually increases from the inlet side to the outlet side of the reaction tube. Therefore, the reaction tube is filled with two types of reforming catalysts having different activation temperatures so that the activation temperature sequentially increases from the inlet side to the outlet side of the reaction tube. Thus, the reforming efficiency is enhanced by filling each part of the reaction tube with a suitable catalyst. According to the start-up method of the stationary hydrogen generator reformer according to the present invention, the reaction tube inlet temperature is maintained at 350 to 380 by maintaining the reaction tube outlet temperature below the heat resistance temperature of the second reforming catalyst. The temperature is raised to 0 ° C., and then the temperature of the reaction tube is further increased while water vapor is circulated through the reaction tube. The dew point in the reformer is approximately 350 ° C. at a typical pressure, although it depends on the pressure of water vapor to be circulated. The second reforming catalyst having activity at a lower temperature than the first reforming catalyst generally has a heat resistant temperature lower than that of the first reforming catalyst. By maintaining the outlet temperature of the reaction tube below the heat resistance temperature of the second reforming catalyst until the inlet temperature of the reaction tube whose temperature rise is delayed reaches 350 to 380 ° C., the second reforming near the outlet of the reaction tube It is possible to prevent the catalyst from being heated excessively. Then, after the reaction tube inlet temperature reaches 350 to 380 ° C., by raising the temperature of the reaction tube while circulating the steam, defects such as cracking of the reforming catalyst due to the volume expansion due to the condensation and vaporization of the steam Thus, the reaction tube can be further heated to the activation temperature of the reforming catalyst or in the vicinity thereof while preventing oxidation of the reforming catalyst. In this manner, the reforming catalyst can be prevented from deteriorating by raising the temperature of the reaction tube in two stages.
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明に係る起動方法が適用される定置型水素製造装置の概略構成を示す模式図、図2は図1の改質器の縦断面図、図3は図1の改質器の横断面図、図4は本発明に係る定置型水素製造装置改質器の起動方法のフロー図である。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a stationary hydrogen production apparatus to which a start-up method according to the present invention is applied, FIG. 2 is a longitudinal sectional view of the reformer of FIG. 1, and FIG. 3 is a diagram of the reformer of FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view, and FIG. 4 is a flow chart of a start-up method for a stationary hydrogen production apparatus reformer according to the present invention. Note that the present invention is not limited to the embodiments described below.
(水素製造装置の概要)
図1に示すように、水素製造装置1は、原料タンク2、脱硫器3、改質器4、シフト反応器5、PSA(Pressure Swing Adsorption)6を主な構成要素としている。
(Overview of hydrogen production equipment)
As shown in FIG. 1, the
原料としては、たとえば、ナフサ,ガソリン,灯油,軽油などの液体の炭化水素系燃料の他、メタノール,エタノールなどのアルコール系燃料、又はLPG(液化石油ガス),DME(ジメチルエーテル),GTL(ガス・トゥ・リキッド)から得られる合成燃料、等が使用可能である。尚、以下の説明では上記の炭化水素系燃料を原料として説明する。 Examples of raw materials include liquid hydrocarbon fuels such as naphtha, gasoline, kerosene, and light oil, alcohol fuels such as methanol and ethanol, or LPG (liquefied petroleum gas), DME (dimethyl ether), and GTL (gas / gas). Synthetic fuels obtained from To Liquid, etc. can be used. In the following description, the above hydrocarbon fuel is used as a raw material.
(脱硫器)
炭化水素系燃料を用いて水素を製造する場合、一般に改質触媒の存在下で水蒸気改質する方法が用いられる。改質触媒としては、例えば、Al2O3,SiO2,TiO2及びZrO2から選ばれる少なくとも1種以上の担体成分に、Ru,Rh,Pd,Pt及びNiから選ばれる少なくとも1種以上の活性金属が、担持もしくは共沈などの手法により調製された触媒を使用することができる。また、原料や反応条件によってはアルカリ金属であるLi,Na,K,Rb,Csの酸化物や、アルカリ土類金属であるBe,Mg,Ca,Sr,Baの酸化物が添加されていてもよい。
(Desulfurizer)
When hydrogen is produced using a hydrocarbon fuel, a method of steam reforming in the presence of a reforming catalyst is generally used. As the reforming catalyst, for example, at least one carrier component selected from Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 and ZrO 2, at least one selected from Ru, Rh, Pd, Pt and Ni is used. A catalyst in which the active metal is prepared by a method such as loading or coprecipitation can be used. Depending on the raw materials and reaction conditions, oxides of Li, Na, K, Rb, and Cs that are alkali metals and oxides of Be, Mg, Ca, Sr, and Ba that are alkaline earth metals may be added. Good.
ところで、炭化水素系燃料には一般に硫黄分が含有されており、炭化水素系燃料中の硫黄分により改質触媒が被毒する。これは、改質触媒に用いられるNiやRuといった活性金属の硫黄に対する耐性が低いためである。 By the way, the hydrocarbon fuel generally contains a sulfur content, and the reforming catalyst is poisoned by the sulfur content in the hydrocarbon fuel. This is because the resistance of active metals such as Ni and Ru used for the reforming catalyst to sulfur is low.
そこで、炭化水素系燃料に硫黄分が含有されている場合、あらかじめ炭化水素系燃料に脱硫処理を施し、硫黄分含有量を100質量ppb以下、好ましくは50質量ppb以下とする。脱硫器3は、炭化水素系燃料、とりわけ灯油などの重質炭化水素を、脱硫器入口圧力が0.3〜0.95MPa、脱硫床温度が190〜225℃の反応条件でNi‐Cu系脱硫剤や、Ni−Zn系脱硫剤を用いて脱硫するものである。反応温度を確保する方法としては、炭化水素系燃料を脱硫器3に入れる前に加熱する方法や、脱硫床を電気トレースなどで外部から加熱する方法や、それらの併用などが有効である。 Therefore, if the hydrocarbon fuel contains a sulfur content, the hydrocarbon fuel is pre-desulfurized so that the sulfur content is 100 mass ppb or less, preferably 50 mass ppb or less. The desulfurizer 3 is a hydrocarbon-based fuel, particularly heavy hydrocarbons such as kerosene, Ni-Cu-based desulfurization under reaction conditions of a desulfurizer inlet pressure of 0.3 to 0.95 MPa and a desulfurization bed temperature of 190 to 225 ° C. And desulfurization using a Ni—Zn-based desulfurization agent. As a method for ensuring the reaction temperature, a method of heating the hydrocarbon-based fuel before entering the desulfurizer 3, a method of heating the desulfurization bed from the outside with an electric trace or the like, and a combination thereof are effective.
(改質器)
本発明に係る定置型水素製造用改質器の一実施形態である改質器4は、炭化水素系燃料と水蒸気とを混合した原料ガスを改質触媒の存在下で改質する反応器である。炭化水素系燃料と水蒸気との混合は、水蒸気/炭素比(以下、S/C比と記す)で2.0〜6.0mol/molである。炭化水素の水蒸気改質反応において、改質触媒への炭素析出を抑制する有効な方法としては、水蒸気改質反応時のS/C比を高くする方法があるが、運転操作が煩雑になるほか、水蒸気原単位(製品単位量当たりの水蒸気使用量)が増加するため、好ましくは2.5〜4.0mol/molである。尚、原料ガスには、さらに酸素を添加してもよい。
(Reformer)
A reformer 4, which is an embodiment of a stationary hydrogen production reformer according to the present invention, is a reactor that reforms a raw material gas in which a hydrocarbon-based fuel and steam are mixed in the presence of a reforming catalyst. is there. Mixing of the hydrocarbon fuel and water vapor is 2.0 to 6.0 mol / mol in terms of water vapor / carbon ratio (hereinafter referred to as S / C ratio). In the steam reforming reaction of hydrocarbons, an effective method for suppressing carbon deposition on the reforming catalyst is to increase the S / C ratio during the steam reforming reaction. Since the water vapor basic unit (the amount of water vapor used per unit amount of product) increases, it is preferably 2.5 to 4.0 mol / mol. Note that oxygen may be further added to the source gas.
図2および図3に示すように、本実施形態の改質器4は、原料ガスを流通させる複数の反応管11と、これらの反応管11を収容し、これらの反応管11を加熱する燃焼ガスを流通させるシェル12と、を備えている。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the reformer 4 of the present embodiment houses a plurality of
シェル12は、円筒状に成形されており、その内部空間は、隔壁13により燃焼ガスを流通させる燃焼室14と、原料ガスの導入・導出部であるチャンネル部15とに軸方向に2分されている。さらに、チャンネル部15は、隔壁16により入口側チャンネル部15aと、出口側チャンネル部15bとに径方向に2分されている。
The
各反応管11は、略U字型に成形されており、その両端部を隔壁13により保持されてシェル12の内部空間に収容されている。各反応管11は、一方の端部開口を入口側チャンネル部15aに、他方の端部開口を出口側チャンネル部15bにそれぞれ位置させ、そして、両端部開口に連なるストレート部11a,11bおよび両ストレート部11a,11bを繋ぐベント部11cを燃焼室14に位置させている。U字型で上記のように保持された反応管11は、熱膨張に対して自由であり、また、これを保持する部材(隔壁13)も1つで足りるためコストが安いという利点がある。
Each
原料ガスは、原料ガス入口(以後、単に改質器入口と言う場合もある)17から入口側チャンネル部15aに導入され、各反応管11に分散して流入する。詳細は後述するが、各反応管11のストレート部11a,11bには改質触媒が充填されており、原料ガスは、各反応管11で改質され、改質ガスは出口側チャンネル部15bで合流して該出口側チャンネル部15bに設けられた改質ガス出口(以後、単に改質器出口と言う場合もある)18から導出され、次の工程に送られる。
The raw material gas is introduced from the raw material gas inlet (hereinafter also referred to simply as the reformer inlet) 17 to the inlet
燃焼ガスは、隔壁13の近傍で出口側チャンネル部15bと同一側に設けられている燃焼ガス入口19から燃焼室14に導入され、隔壁13の近傍で入口側チャンネル部15aと同一側に設けられている燃焼ガス出口20から排出される。燃焼室14には、隔壁13から軸方向に伸び、内部に収容されている反応管11のベント部11cの近傍に達する仕切り板21が設けられており、燃焼ガスは、この仕切り板21により、反応管11に沿って該反応管11の出口側から入口側に向けて燃焼室14を流通する。
Combustion gas is introduced into the combustion chamber 14 from a
燃焼ガスは、反応管11の出口側から入口側に向けて燃焼室14を流通する過程で反応管11およびその内部の改質触媒や原料ガスに熱を供給し、反応管11の入口側に向けて次第に温度が低くなる。典型的には、燃焼ガス入口19で略950℃であり、燃焼ガス出口20で略600℃である。他方、反応管11およびその内部の改質触媒や原料ガスの温度分布は、反応管11の出口側に向けて次第に高くなる。典型的には、反応管11の入口で400〜500℃であり、出口で750〜820℃である。反応管11には、活性温度の異なる複数種の改質触媒が、反応管11の入口側から出口側に向けて活性温度が順次高くなるように充填されている。このように、反応管11の各部に適した触媒を充填することで改質効率を高めることが可能となる。
The combustion gas supplies heat to the
本発明では、高温活性触媒(第1の改質触媒)と、この高温活性触媒よりも低温で活性を有する低温活性触媒(第2の改質触媒)との2種の改質触媒を用い、反応管11の入口側に低温活性触媒を、出口側に高温活性触媒を充填している。高温活性触媒としては、例えば、アルミナ担体に活性金属としてRuを担持し、表面積が5〜10m2/gである改質触媒が好ましい。かかる高温活性触媒は、650℃以上での改質活性に優れる。また、低温活性触媒としては、例えば、アルミナ担体に活性金属としてRuを担持し、表面積が30〜90m2/gである改質触媒が好ましい。かかる低温活性触媒は、650℃以下での改質活性に優れる。なお、上記の表面積の値は窒素吸着によるBET法により測定される値とする。
In the present invention, two types of reforming catalysts, ie, a high temperature active catalyst (first reforming catalyst) and a low temperature active catalyst (second reforming catalyst) having activity at a lower temperature than the high temperature active catalyst are used. The
高温活性触媒と低温活性触媒との充填比率は1/1〜3/1であり、好ましくは1/1〜2/1である。低温活性触媒の改質活性は高温活性触媒よりも高いが、充填比率を1/1より小さくすると、低温活性触媒の充填量が多くなり、その一部は高温域で使用されることになって劣化する。尚、この対応として、低温活性触媒を充填している範囲の温度を低温活性触媒の活性温度に合わせように触媒床温度を全体的に下げると、平衡反応のため改質ガス中のメタン濃度が増加し水素製造量が低下する。他方、充填比率を3/1より高くすると、高温活性触媒よりも改質活性の高い低温活性触媒の充填量が少なくなり、系全体での改質活性が低下して十分な改質反応ができなくなる。 The filling ratio of the high temperature active catalyst and the low temperature active catalyst is 1/1 to 3/1, preferably 1/1 to 2/1. The reforming activity of the low temperature active catalyst is higher than that of the high temperature active catalyst. However, if the filling ratio is made smaller than 1/1, the amount of low temperature active catalyst is increased, and a part of it is used in the high temperature range. to degrade. As a countermeasure, if the catalyst bed temperature is lowered as a whole so that the temperature in the range where the low-temperature active catalyst is filled is matched with the active temperature of the low-temperature active catalyst, the methane concentration in the reformed gas will be reduced due to the equilibrium reaction. Increase and decrease hydrogen production. On the other hand, when the filling ratio is higher than 3/1, the amount of low-temperature active catalyst having a higher reforming activity than that of the high-temperature active catalyst is reduced, and the reforming activity in the entire system is lowered, so that a sufficient reforming reaction can be performed. Disappear.
本実施形態の改質器4では、反応管11のベント部11cに、不活性な(改質触媒としての機能がない)充填物、具体的にはセラミックボール、ラシヒリング、メタルスポンジ、メタルワイヤエレメントなどが充填している。装置の起動/停止に伴う温度変動によりU字型の反応管11は膨張/収縮を繰り返すが、膨張/収縮の影響を強く受けるベント部11cに改質触媒を充填した場合、その部分で改質触媒が圧壊して紛化し、差圧の発生、ひいては閉塞を招く恐れがあるためである。充填物として特に好ましいのは、金属性のワイヤーをループ状に結ったメタルワイヤエレメントである。改質触媒よりも硬いものを充填した場合、反応管11の変形につながる可能性があるが、このメタルワイヤエレメントは、空隙率が大きいため、柔軟性に富み、さらに圧力損失が小さく取り扱いも容易である。
In the reformer 4 of the present embodiment, the
(シフト反応器)
シフト反応器5は、改質器4から導出された改質ガス中に含まれる一酸化炭素をシフト反応触媒の存在下で水蒸気と反応させ、二酸化炭素と水素に変換する。反応温度は反応器入口が330〜350℃、反応器出口が380〜400℃、反応圧力は880kPa程度であり、シフト反応触媒には、一般にFe,Crの酸化物が使用される。このシフト反応により、改質ガス中の一酸化炭素濃度は2.5mol%程度まで低下する。
(Shift reactor)
The
(PSA)
PSA装置6は、改質ガス中の不純物を吸着除去し、水素ガスを高純度に精製するものであって、吸着塔には通常、活性アルミナ、活性炭又はモリキュラーシーブなどの吸着剤が充填されている。PSA法は公知の方法であり、例えば4つの塔が交互に吸着(運転)/再生を繰り返し、すなわち、吸着→均圧→パージ→ブローダウン→パージ→均圧→昇圧→吸着を繰り返し、連続的にガスを分離精製する。
(PSA)
The PSA device 6 adsorbs and removes impurities in the reformed gas and purifies the hydrogen gas with high purity. The adsorption tower is usually filled with an adsorbent such as activated alumina, activated carbon or molecular sieve. ing. The PSA method is a known method, and for example, four towers alternately repeat adsorption (operation) / regeneration, that is, adsorption → pressure equalization → purge → blowdown → purge → equal pressure → pressure increase → adsorption continuously. The gas is separated and purified.
次に、図1および図4を参照して、上記のとおり構成された水素製造装置1の起動方法を説明する。尚、図中の破線は伝熱経路を示す。
Next, with reference to FIG. 1 and FIG. 4, the starting method of the
(水素製造装置起動準備)
水素製造装置1の起動にあたり、脱硫器3で脱硫された炭化水素系燃料を原料タンク2に戻すバイパス配管のバルブAを開けるとともに、脱硫器3から改質器4へ向かう配管のバルブBを閉じ、脱硫器3と改質器4とを切り離した状態にしておく(ステップS1)。そして、脱硫器3に供給する炭化水素系燃料を予熱する予熱器7から脱硫器3に向う配管のバルブCも開け、炭化水素系燃料のルートを原料タンク2→予熱器7→脱硫器3→原料タンク2のルートに設定する。脱硫器3よりも下流の系では、PSA6の入口のバルブDを閉めるとともに、フレアーに向う配管のバルブEを開け、起動用に送り込まれる水素のルートを、改質器4→シフト反応器5→フレアーのルートに設定する。
(Preparation for starting hydrogen production equipment)
When the
(脱硫器起動)
電気トレースにより脱硫器3の入口温度を200〜250℃まで略10℃/minで昇温させる(ステップS2)。脱硫器3の入口温度が200℃になるまでは、バルブAおよびバルブCを閉め、予熱器7で予熱された炭化水素系燃料を、脱硫器3を経ずに原料タンク2に戻す(ステップS3)。尚、予熱器7の熱源としては改質器4の燃焼排ガスの熱を使用する。脱硫器3の入口温度が200〜250℃に達したら、バルブAおよびバルブCを開け、脱硫器3へ炭化水素系燃料を供給する(ステップS4)。脱硫器3と改質器4とを接続するまでは、脱硫器3で脱硫された炭化水素系燃料は原料タンク2へ戻す(ステップS5)。
(Desulfurizer start-up)
The inlet temperature of the desulfurizer 3 is increased from 200 to 250 ° C. at about 10 ° C./min by electric tracing (step S2). Until the inlet temperature of the desulfurizer 3
(改質器起動)
改質器4に設置されているバーナーを点火し、高温の燃焼ガスで反応管11の触媒床を昇温させる。本実施形態では、反応管11の触媒床の昇温を、スタートアップ工程と、改質反応準備工程との2段階で行う。
(Reformer startup)
The burner installed in the reformer 4 is ignited, and the temperature of the catalyst bed of the
(スタートアップ工程)
さらに図5を参照して、バーナー点火後、反応管11の出口温度が低温活性触媒の耐熱温度以下の所定温度になるまで略5℃/minの速度で昇温させ、反応管11の出口温度が上記所定温度に達した後は、反応管11の入口温度が350〜380℃になるまで、バーナーを調節して出口温度を上記所定温度に維持する(ステップS6)。本実施形態の改質器4は、上述のとおり燃焼ガスを反応管11の出口側から入口側に向けて流通させており、入口側では燃焼ガスの温度が低下している。そのため、反応管11の入口側の昇温は出口側の昇温に比べて遅れる傾向にある。反応管11の入口側の昇温を早めるため、バーナー温度を上げて加熱した場合、低温活性触媒の耐熱温度を超える可能性がある。本発明では、反応管11の出口寄りの低温活性触媒が、その耐熱温度を超えた高温に晒されることを防止するため、出口温度で温度制御を行っている。反応管11の出口の上記所定温度としては、低温活性触媒の耐熱温度(略660℃)を考慮して、600〜650℃である。
(Start-up process)
Further, referring to FIG. 5, after the burner is ignited, the temperature of the outlet of the
(改質反応準備工程)
反応管11の入口温度が350〜380℃に達した後、改質器4への水蒸気の供給を開始し(ステップS7)、さらなる昇温を行う(ステップS8)。水蒸気は、純水を蒸発器8で蒸発させて製造する。蒸発器8の熱源としては改質器4の燃焼排ガスの熱を使用する。改質器4への水蒸気の供給を開始したら、改質器4の圧力を0.4〜0.6MPaまで昇圧させる。この時点では脱硫器3の圧力と同等であっても良い。そして、反応管11の出口温度を700〜750℃になるまで10℃/minの速度で昇温させ、出口側の高温活性触媒の温度をその活性温度もしくはその近傍まで上げる。反応管11の出口温度が700〜750℃に達した後は、出口温度を700〜750℃に維持し、入口側の低温活性触媒の温度をその活性温度もしくはその近傍まで上げるように反応管11の入口温度を400〜450℃に昇温させる。尚、改質器4に炭化水素系燃料が供給されていない状態では改質反応による吸熱がないため、入口温度を450℃以上とすると低温活性触媒が耐熱温度を越えた高温に晒されることとなり、シンタリング等の問題が発生する可能性がある。
(Reforming reaction preparation process)
After the inlet temperature of the
(脱硫器と改質器との接続)
反応管11の入口温度が400〜450℃、出口温度が700〜750℃に達したら、脱硫器3と改質器4とを接続する(ステップS10)。このとき、改質器4の入口圧力は、脱硫器3の出口圧力よりも0.01〜0.05MPa高くしておく(ステップS9)。尚、0.05MPaを超えて高くすると、改質器4の脱圧に比較的長時間を要するので好ましくない。このように改質器4の圧力を脱硫器3よりも高く設定することで、過大な量の炭化水素系燃料が改質器4に流れ込むことを確実に防止し、改質触媒のコーキングを防止することが可能となる。
(Connection between desulfurizer and reformer)
When the inlet temperature of the
(改質器への原料供給開始)
バルブEの開度を調整し、改質器4の圧力を徐々に下げ、脱硫器3から改質器4に炭化水素系燃料が流れるように圧力調整を行い(ステップS11)、改質器4に原料ガスを供給する(ステップS12)。脱硫された炭化水素系燃料が改質器4に供給されると、吸熱反応により触媒床の温度が低下するため、バーナーの燃焼量を調整して反応温度を保持する。
(Start of raw material supply to reformer)
The opening degree of the valve E is adjusted, the pressure of the reformer 4 is gradually decreased, and the pressure is adjusted so that hydrocarbon fuel flows from the desulfurizer 3 to the reformer 4 (step S11). The raw material gas is supplied to (step S12). When the desulfurized hydrocarbon fuel is supplied to the reformer 4, the temperature of the catalyst bed is lowered due to the endothermic reaction, so the combustion amount of the burner is adjusted to maintain the reaction temperature.
(改質器運転調整)
運転が安定した状態で、反応管11の入口温度を500℃、出口温度が750℃となるよう昇温を行う。その後、バルブEを閉めるとともに、PSA6へ向うバルブDを開け、PSA6へ改質ガスを供給する。
(Reformer operation adjustment)
While the operation is stable, the temperature is raised so that the inlet temperature of the
以上、説明したように、本実施形態の定置型水素製造装置改質器の起動方法によれば、昇温が遅れる反応管11の入口温度が350〜380℃に達するまで反応管11の出口温度を低温活性触媒の耐熱温度以下に維持しており、出口寄りの低温活性触媒が過剰に加熱されることを防止することができる。そして、反応管11の入口温度が350〜380℃に達した後に、水蒸気を流通させながら反応管11を昇温させることで、水蒸気の凝縮・気化による体積膨張に起因した改質触媒の割れ等の不具合を回避して、改質触媒の酸化を防止しつつ改質触媒を活性温度もしくはその近傍まで昇温させることができる。
As described above, according to the start-up method of the stationary hydrogen production apparatus reformer of the present embodiment, the outlet temperature of the
尚、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数値、形態、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。 In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A deformation | transformation, improvement, etc. are possible suitably. In addition, the material, shape, dimension, numerical value, form, number, arrangement location, and the like of each component in the above-described embodiment are arbitrary and are not limited as long as the present invention can be achieved.
1 水素製造装置
2 原料タンク
3 脱硫器
4 改質器
5 シフト反応装置
6 PSA装置
7 予熱器
8 蒸発器
11 反応管
12 シェル
13 隔壁
14 燃焼室
15 チャンネル部
15a 入口側チャンネル部
15b 出口側チャンネル部
16 隔壁
17 原料ガス導入口
18 改質ガス導出口
19 燃焼ガス導入口
20 燃焼ガス排出口
21 仕切り板
A バルブ
B バルブ
C バルブ
D バルブ
E バルブ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記改質器は、原料ガスを流通させる略U字型に成形された反応管を有し、該反応管には、その出口側に第1の改質触媒が充填され、その入口側に該第1の改質触媒よりも低温で活性を有する第2の改質触媒が充填されており、かつ出口側のストレート部と入口側のストレート部との間のベント部に改質触媒としての機能を有さない不活性な充填物が充填され、そして、
前記改質器は、前記反応管に沿って該反応管の出口側から入口側に向けて燃焼ガスを流通させて該反応管を前記改質触媒の活性温度に昇温させており、
前記反応管の出口温度を前記第2の改質触媒の耐熱温度以下に維持して該反応管の入口温度を350〜380℃まで昇温させるスタートアップ工程と、
前記スタートアップ工程の後、前記反応管に水蒸気を流通させながら、該反応管の出口温度を700〜750℃まで昇温させるとともに維持し、該反応管の入口温度を400〜450℃まで昇温させる改質反応準備工程と、
を備えることを特徴とする定置型水素製造装置改質器の起動方法。 Method for starting a reformer of a stationary hydrogen production apparatus including a reformer that reforms a raw material gas containing any one of hydrocarbon fuel, alcohol fuel, and synthetic fuel and water vapor to produce hydrogen Because
The reformer has a substantially U-shaped reaction tube through which a raw material gas is circulated . The reaction tube is filled with a first reforming catalyst on the outlet side, and the reaction tube is filled with the first reforming catalyst. The second reforming catalyst that is active at a lower temperature than the first reforming catalyst is filled, and the vent portion between the straight portion on the outlet side and the straight portion on the inlet side functions as a reforming catalyst. Is filled with an inert filling without
The reformer circulates combustion gas from the outlet side of the reaction tube toward the inlet side along the reaction tube to raise the temperature of the reaction tube to the activation temperature of the reforming catalyst,
A startup step of maintaining the outlet temperature of the reaction tube below the heat resistance temperature of the second reforming catalyst and raising the inlet temperature of the reaction tube to 350 to 380 ° C .;
After the start-up step, while allowing water vapor to flow through the reaction tube, the outlet temperature of the reaction tube is raised to 700 to 750 ° C. and maintained, and the inlet temperature of the reaction tube is raised to 400 to 450 ° C. A reforming reaction preparation step;
A start-up method for a stationary hydrogen production apparatus reformer, comprising:
前記改質反応準備工程においては前記反応管の出口温度を10℃/minで昇温させる
ことを特徴とする請求項1に記載の定置型水素製造装置改質器の起動方法。 In the start-up process, the outlet temperature of the reaction tube is increased at 5 ° C./min,
2. The start-up method for a stationary hydrogen production apparatus reformer according to claim 1, wherein in the reforming reaction preparation step, the outlet temperature of the reaction tube is raised at 10 [deg.] C./min.
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