特許 5963848 非触媒性の復熱式改質装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5963848

(24)【登録日】2016年7月8日

(45)【発行日】2016年8月3日

(54)【発明の名称】非触媒性の復熱式改質装置

(51)【国際特許分類】

   C01B 3/34 20060101AFI20160721BHJP

【ＦＩ】

   C01B3/34

【請求項の数】17

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-505265(P2014-505265)

(86)(22)【出願日】2012年4月12日

(65)【公表番号】特表2014-517799(P2014-517799A)

(43)【公表日】2014年7月24日

(86)【国際出願番号】US2012033212

(87)【国際公開番号】WO2012142216

(87)【国際公開日】20121018

【審査請求日】2015年4月9日

(31)【優先権主張番号】13/086,433

(32)【優先日】2011年4月14日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】513257731

【氏名又は名称】ガス テクノロジー インスティテュート

(74)【代理人】

【識別番号】100082072

【弁理士】

【氏名又は名称】清原 義博

(72)【発明者】

【氏名】ヒンキス，マーク ジェイ．

(72)【発明者】

【氏名】コズロフ，アレクサンドル ピー．

(72)【発明者】

【氏名】クレク，エイチ． スタンリー

【審査官】 森坂 英昭

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００１１２９０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５３６２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０５７８６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１００８７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１６９２１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１５０４０４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｃ０１Ｂ ３／００ − ３／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

（ｉ）燃焼排ガス流路の第１の部分、および、（ｉｉ）燃焼排ガス流路の第１の部分内に少なくとも部分的に埋め込まれた改質用混合物流路の第１の部分であって、燃焼排ガス流路内の燃焼排ガスと、改質用混合物流路内の改質用混合物との間の伝熱を可能にする第１の部分、を含む予熱器部分、および、
（ｉ）燃焼排ガス流路の第２の部分、および、（ｉｉ）燃焼排ガス流路の第２の部分内に少なくとも部分的に埋め込まれた改質用混合物流路の第２の部分であって、燃焼排ガス流路内の燃焼排ガスと、改質用混合物流路内の改質用混合物との間の伝熱を可能にする第２の部分、を含む反応器部分、
を含む復熱式改質装置であって、
燃焼排ガス流路は熱プロセスから熱い燃焼排ガスを受け取るように構成され、
改質用混合物流路の第１の部分は、体積流量を有するガス状の改質用混合物を受け取るように構成され、および、改質用混合物流路の第２の部分は、改質用混合物流路の第１の部分から改質用混合物を受け取るように構成され、
改質用混合物流路は触媒を含まず、
改質用混合物流路の第２の部分の少なくとも一部は、金属材料の拡大面を包含しており、および、
改質用混合物流路の第２の部分は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きな、または、該閾値と等しい滞留時間を提供するように構成される、ことを特徴とする復熱式改質装置。

【請求項2】

あらかじめ決められた閾値は、１秒乃至２分の範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載の復熱式改質装置。

【請求項3】

改質用混合物流路の第２の部分の体積は、改質用混合物流路の第１の部分の体積よりも大きい、ことを特徴とする請求項２に記載の復熱式改質装置。

【請求項4】

改質用混合物流路の第２の部分における拡大した金属表面の表面積は、燃焼排ガスと改質用混合物の効率的な伝熱に必要とされる表面積よりも大きい、ことを特徴とする請求項２に記載の復熱式改質装置。

【請求項5】

改質用混合物流路は、パラジウム、レニウム、または、酸化ニッケルをまったく含まない、ことを特徴とする請求項２に記載の復熱式改質装置。

【請求項6】

改質用混合物流路の第１の部分は、（ｉ）燃焼排ガス流路の第１の部分の一方の側に第１の部分を、燃焼排ガス流路の第１の部分の反対側に第２の部分を有する予熱器のプレナム、（ｉｉ）予熱器のプレナムの第１の部分と予熱器のプレナムの第２の部分とを接続する複数の導管、および、（ｉｉｉ）改質用混合物流路の第１の部分の導管へと改質用混合物をガイドするための、予熱器のプレナムの第１の部分と第２の部分内の１以上のバッフルを含み、
改質用混合物流路の第２の部分は、（ｉ）燃焼排ガス流路の第２の部分の一方の側に第１の部分と、燃焼排ガス流路の第２の部分の反対側に第２の部分を有する反応器のプレナム、（ｉｉ）反応器のプレナムの第１の部分と反応器のプレナムの第２の部分とを接続する複数の導管、および、（ｉｉｉ）改質用混合物流路の第２の部分の導管へと改質用混合物をガイドするための、反応器のプレナムの第１の部分と第２の部分内の１以上のバッフルを含む、ことを特徴とする請求項５に記載の復熱式改質装置。

【請求項7】

反応器のプレナムの第１の部分と第２の部分を接続する導管はパイプである、ことを特徴とする請求項６に記載の復熱式改質装置。

【請求項8】

反応器のプレナムの第１の部分と第２の部分を接続する導管は、プレート形状の流路である、ことを特徴とする請求項６に記載の復熱式改質装置。

【請求項9】

燃焼排ガス流路は、熱い燃焼排ガスが燃焼排ガス流路の第２の部分を通り、その後、燃焼排ガス流路の第１の部分を通るように、構成される、ことを特徴とする請求項６に記載の復熱式改質装置。

【請求項10】

改質用混合物流路の第１の部分の体積は、改質用混合物流路の第２の部分の体積よりも小さい、ことを特徴とする請求項２に記載の復熱式改質装置。

【請求項11】

改質用混合物流路の第２の部分の少なくとも一部に含まれる金属材料の拡大面は、８０重量％よりも大きなニッケル含量を有するステンレススチールまたは合金からできている、ことを特徴とする請求項２に記載の復熱式改質装置。

【請求項12】

改質用混合物流路の第２の部分の体積は、３６００ｈｒ^−１の最大空間速度を提供する、ことを特徴とする請求項１に記載の復熱式改質装置。

【請求項13】

炭化水素燃料を高発熱燃料へと改質する方法であって、
前記方法は、
熱プロセスからの熱い燃焼排ガスを改質装置の燃焼排ガス流路に導入する工程、
体積流量を有する改質用混合物を改質装置の改質用混合物流路に導入する工程であって、改質用混合物流路の少なくとも一部は、燃焼排ガス流路の燃焼排ガスから、改質用混合物流路の改質用混合物への伝熱を可能にするために、燃焼排ガス流路内に埋め込まれ、および、改質用混合物流路は実質的に触媒を含まず、改質用混合物流路は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きなまたは該閾値と等しい滞留時間を提供するように構成される、工程、および、
改質用混合物流路の出口から、改質された燃料を出力する工程を含む、ことを特徴とする方法。

【請求項14】

改質用混合物は、少なくともその一部の中に金属材料の拡大面を含む改質用混合物流路へと導入される、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

あらかじめ定められた閾値は、１秒乃至２分の範囲である、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【請求項16】

改質用混合物は、少なくともその一部の中に金属パイプを含む改質用混合物流路へと導入される、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【請求項17】

改質用混合物は、少なくともその一部のためのプレート形状の金属流路を含む改質用混合物流路へと導入される、ことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（政府の関心の通知）
本発明は、米国エネルギー省によって与えられた許可番号ＤＥ−ＦＧ３６−０８ＧＯ１８１３０の下で生み出され、米国政府は、その許可に準ずる本発明中の特定の権利を有してもよい。

【背景技術】

【0002】

本発明は、炭化水素燃料をより高発熱燃料へと改質する方法と装置に関し、とりわけ、炭化水素燃料を改質する際に一般に使用される触媒を要求しない、燃料を改質する方法と装置に関する。

【0003】

（関連技術の詳細）
とりわけ工業用途における多くのプロセスは、大量の余剰な熱−すなわち、プロセスで効率的に使用することができる以上の熱−を発生させる。廃熱回収方法は、さもなければ浪費される余分な熱からある程度のエネルギーの抽出し利用することを試みている。工業用途における熱を回収する典型的な方法は、プロセスそれ自体、復熱装置、熱交換器、および廃熱ボイラーへの直接的な熱回収を含んでいる。

【0004】

廃熱回収の特定の１つの方法は、燃料の熱化学的回復（ｔｈｅｒｍｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｏｎ）（ＴＣＲ）に基づく。ＴＣＲシステムは、１つ以上の復熱式改質装置（ｒｅｃｕｐｅｒａｔｉｖｅ ｒｅｆｏｒｍｅｒｓ）、１つ以上の空気復熱装置、蒸気発生器、および、他の必要な要素を含むことができる。ＴＣＲは、熱処理（例えば、炉、エンジンなどにおける燃焼）からの燃焼排ガス（すなわち、排気ガス）中の顕熱を回収し、その熱を用いて、炭化水素燃料源（例えば、石油、天然ガス、または埋立地ガスなどの化石燃料）を、高発熱熱容量を含む改質された燃料へと吸熱的に転換する。特に、改質プロセスは、熱い燃焼排ガス成分（Ｈ_２ＯおよびＣＯ_２など）、蒸気、および／またはＣＯ_２（埋立地ガス）を用いて、燃料を、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、および、改質されていない炭化水素（ＣｎＨｍ）の可燃混合気へと変換する。

【0005】

最も研究され広く普及したプロセスは、蒸気メタン改質（ＳＭＲ）として知られている、蒸気を用いる天然ガス（メタン）改質である。ＳＭＲプロセスは、水素製造の最も一般的な方法である。このプロセスは２つの主要な反応：ＣＨ_４＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２、および、ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２によって実現される。最初の反応は強く吸熱性で、ニッケル触媒よりも高い温度（１３８０°Ｆ−１４７０°Ｆ）で通常は実現される。水性ガスシフト反応として知られている第２の反応は、穏やかな発熱を伴い、ニッケル触媒よりも低い温度（３７０°Ｆ−６６０°Ｆ）で通常は実現される。

【0006】

燃焼排ガスを用いる天然ガス改質は、同じ２つの反応と、二酸化炭素とメタンの１つのさらなる吸熱反応：ＣＨ_４＋ＣＯ_２→２ＣＯ＋２Ｈ_２によって実現される。したがって、ＴＣＲプロセスでは、蒸気（Ｈ_２Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が燃料と反応することで、高い発熱量を伴う改質された燃料が生成される。ＳＭＲプロセスとは対照的に、水素製造はＴＣＲプロセスの唯一の目的ではない。ＴＣＲプロセスでは、水素を製造するよりも、燃料の発熱量を増やすことのほうが通常は重要である。そのために、発熱を伴う水性ガスシフト反応はＴＣＲプロセスには随意であり、取り除くことができる。

【0007】

ＴＣＲとＳＭＲのプロセスの別の可能な反応は、炭化水素燃料の直接的な分解である。分解により、水素と固体炭素がもたらされる。改質プロセスが触媒にわたって行なわれると、繊維状炭素は最終的に触媒を非活性化する。触媒が水素製造のためのＳＭＲ工程で使用され、分解が望ましくない一方で、固体炭素を可燃物として改質された燃料とともに利用することができる場合、非触媒性の改質は、ＴＣＲプロセスでの使用に非常に魅力のあるものである。

【0008】

燃料の熱含有量は著しく増加することがある。例えば、元々の燃料源が天然ガス（メタンが主成分である）である場合、熱含有量はおよそ２８％まで増加することがある。この改質された燃料が炉で燃焼すると、燃料経済性は改善され、システム効率は上がり、排出量は減る。改質プロセスでＨ_２ＯとＣＯ_２の両方を利用することができるので、それは天然ガス燃焼システムでは有利である。というのも、これらのガスは両方とも燃焼の主産物で、したがって、事前に熱せられた状態で容易に利用可能だからである。該プロセスに蒸気を利用可能な場合、あるいは、改質装置とともに熱回収ボイラーを設置することができる場合、燃料を改質するために蒸気を使用することができる。

【0009】

プロセスとしてのＴＣＲは、多くの用途（例えば、非特許文献１、非特許文献２、および、特許文献１を参照）のために調査されてきた。これらの調査の結果は、燃料を改質するために触媒が要求されることを示した。したがって、ＴＣＲシステムのための既存の復熱式改質装置は触媒性である。

【0010】

触媒改質装置で使用されるほとんどの触媒は、シリカ、アルミナ、またはシリカアルミナ担体ベース上の酸化ニッケル、プラチナ、またはレニウムを包含しており、なかにはプラチナとレニウムの両方を包含するものもある。他の白金族元素が使用されてもよい。触媒改質装置における触媒の活性（すなわち、有効性）は、炭素析出による操作中に徐々に低下していく。炭素のインサイツの高温酸化によって、触媒の活性を周期的に再生成するか回復させることができる。典型的には、触媒改質装置は６乃至２４カ月毎に約一度再生成され、貴重な白金および／またはレニウム含量の再利用のためにメーカーに返却されなければならなくなる前に、触媒をおよそ３度または４度、再生させることができる。

【0011】

改質装置における高価な触媒の使用は、改質装置の資本コストを増加させる。さらに、触媒の必要とされる周期的な再生−および、それが数回再生された後に、触媒を交換する最終的な必要性−も、システムの費用を跳ねあがらせる。その結果、多くの用途−とりわけ、自動車用途などの低温廃熱流を含む用途−では、廃熱回収の経済的な利点は、回収システムのコストを正当化するものではない。

【0012】

［ＳＭＲ？］

【0013】

効率が非常によく、腐食性の廃棄物または「汚染」廃棄物と共に使用するのに適した、革新的で手頃な方法は、既存の用途の性能を改善するだけでなく、廃熱回収の実行可能な用途の数を増やすことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国特許第７，２０７，３２３号

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】Ｍａｒｕｏｋａ Ｎ． ｅｔ ａｌ．， ”Ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ Ｗａｓｔｅ Ｈｅａｔ ｉｎ ｔｈｅ Ｓｔｅｅｌｍａｋｉｎｇ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｒｅｃｕｐｅｒａｔｏｒ，” ＩｓＩＪ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， Ｖｏｌ．４４， ２００４， Ｎｏ．２， ｐｐ． ２５７−２６２

【非特許文献2】Ｙａｐ Ｄ． ｅｔ ａｌ．， ”Ｎａｔｕｒａｌ ｇａｓ ＨＣＣＩ ｅｎｇｉｎｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｅｘｈａｕｓｔ ｇａｓ ｆｕｅｌ ｒｅｆｏｒｍｉｎｇ，” Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｇｅｎ Ｅｎｅｒｇｙ， ２００６， Ｖｏｌ．３１ ， ｐｐ．５８７−５９５

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

本発明は、炭化水素燃料が空気、酸素濃縮空気、または酸素による燃焼とともに使用される、例えば、熱処理炉、溶解装置、燃焼装置、エンジン、タービンなどの加熱用途で使用するための、廃熱回収システムおよび方法に適用可能である。

【課題を解決するための手段】

【0017】

１つの好ましい実施形態によれば、本発明は、（１）（ｉ）燃焼排ガス流路の第１の部分、および、（ｉｉ）燃焼排ガス流路の第１の部分内に少なくとも部分的に埋め込まれた改質用混合物流路の第１の部分であって、燃焼排ガス流路内の燃焼排ガスと、改質用混合物流路内の改質用混合物との間の伝熱を可能にする第１の部分、を含む予熱器部分、および（２）（ｉ）燃焼排ガス流路の第２の部分、および、（ｉｉ）燃焼排ガス流路の第２の部分内に少なくとも部分的に埋め込まれた改質用混合物流路の第２の部分であって、燃焼排ガス流路内の燃焼排ガスと、改質用混合物流路内の改質用混合物との間の伝熱を可能にする第２の部分、を含む反応器部分、を有する復熱式改質装置を提供する。

【0018】

燃焼排ガス流路は熱プロセスから熱い燃焼排ガスを受け取るように構成され、改質用混合物流路の第１の部分は、体積流量を有するガス状の改質用混合物を受け取るように構成され、および、改質用混合物流路の第２の部分は、改質用混合物流路の第１の部分から改質用混合物を受け取るように構成され、および、改質用混合物流路は実質的に触媒を含まない。さらに、改質用混合物流路の第２の部分の少なくとも一部は、金属材料の拡大面を包含しており、改質用混合物流路の第２の部分は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きな、または、該閾値と等しい滞留時間を提供するように構成される。

【0019】

第２の好ましい実施形態によれば、本発明は、非触媒性の復熱式改質装置を含む熱廃棄物回収システムを提供し、該改質装置は、（ｉ）反応室の出口から燃焼排ガスを受け取るように構成された燃焼排ガス流路、および、（ｉｉ）体積流量を有する改質用混合物を受け取り、かつ、改質された燃料を産出するように構成された改質用混合物流路を有する。改質用混合物流路の少なくとも一部は、燃焼排ガス流路の燃焼排ガスと、改質用混合物流路の改質用混合物との間の伝熱を可能にするために燃焼排ガス流路内に埋め込まれ、改質用混合物流路は実質的に触媒を含まない。さらに、改質用混合物流路の少なくとも一部は、金属材料の拡大面を包含しており、改質用混合物流路は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きなまたは該閾値と等しい滞留時間を提供するように構成される。さらに別の好ましい実施形態によれば、本発明は、炭化水素燃料を高発熱燃料へと改質する方法を提供する。該方法は、（ｉ）熱プロセスから熱い燃焼排ガスを改質装置の燃焼排ガス流路に導入する工程、（ｉｉ）体積流量を有する改質用混合物を改質装置の改質用混合物流路に導入する工程であって、改質用混合物流路の少なくとも一部は、燃焼排ガス流路の燃焼排ガスから、改質用混合物流路の改質用混合物への伝熱を可能にするために、燃焼排ガス流路内に埋め込まれ、および、改質用混合物流路は実質的に触媒を含まず、改質用混合物流路は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きなまたは該閾値と等しい滞留時間を提供するように構成される、工程、および、（ｉｉｉ）改質用混合物流路の出口から、改質された燃料を出力する工程を含む。

【0020】

炭化水素燃料を改質する触媒として一般に使用される、一般的に非常に高価で、コークス沈殿による経時的な性能低下に悩まされている材料を実質的に用いることなく燃料の改質を行うことによって、改質装置の初期コストは削減され、媒を周期的に再生、最終的には交換する必要性がなくなることで、メンテナンス費用は削減される。

【0021】

本発明のさらなる態様は、添付の図と共に取り入れられる、以下の好ましい実施形態の詳細な記載から理解されよう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】管状の設計を使用する、本発明に従った非触媒性の復熱式改質装置の１つの好ましい実施形態のフローチャートを描く。

【図2】図１に描かれた改質装置の上部の断面図を描く。

【図3】プレート設計を使用する、本発明に応じた非触媒性の復熱式改質装置の別の好ましい実施形態用のフローチャートを描く。

【図4】図３に描かれた改質装置の上部の断面図を描く。

【図5】本発明の１つの好ましい実施形態に従う改質プロセスのためのフローチャートを描く。

【図6】本発明の好ましい実施形態に従って燃焼室および非触媒性の復熱式改質装置を含む熱廃棄物回収システムを描く。

【発明を実施するための形態】

【0023】

本発明の好ましい実施形態が、図１〜６に関して記載される。

【0024】

図１は、本発明の第１の好ましい実施形態による復熱式改質装置（１００）のフローチャートを示す。図１に示されるように、この実施形態における改質装置（１００）は、２つの部分：予熱器部分（１１０）と反応器部分（１２０）を有している。燃焼排ガス流路（１３０）は、反応器部分（１２０）と予熱器部分（１１０）の両方を通る。同様に、改質用混合物流路（１４０）は、予熱器部分（１１０）と反応器部分（１２０）の両方を通る。

【0025】

改質用混合物流路（１４０）は、１つ以上のプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）、燃焼排ガス流路を通る複数の導管部分、および、１つ以上のバッフルによって形成されるのが好ましい。とりわけ、図１に示された好ましい実施形態では、改質装置の予熱器部分（１１０）に包含される改質用混合物流路（１４０）の第１の部分は、（１）燃焼排ガス流路の一方の側に第１の部分（１５０ａ）と、燃焼排ガス流路の反対側に第２の部分（１５０ｂ）を有するプレナム（１５０）、（２）導管部分（１７０）、（１７１）、（１７２）、および、（１７３）、および、（３）バッフル（またはパーティション）（１８０ａ）と（１８０ｂ）を含む。同様に、改質装置の反応器部分（１２０）に包含されるとともに、改質用混合物流路の第１の部分から改質用混合物を受け取る改質用混合物流路（１４０）の第２の部分は、（１）燃焼排ガス流路の一方の側に第１の部分（１６０ａ）と、燃焼排ガス流路の反対側に第２の部分（１６０ｂ）を有するプレナム（１６０）、（２）導管部分（１７４）、（１７５）、（１７６）、（１７６）、（１７７）、または、（１７８）、あるいは、（３）バッフル（またはパーティション）（１８０ｃ）、（１８０ｄ）、（１８０ｅ）、および、（１８０ｆ）と金属材料の拡張表面を含む（図１に示されるように、導管部分（１７３）は、予熱器部分（１１０）から反応器部分（１２０）まで転移点をマークするが、この転移は他の点でも起こり得る）。

【0026】

改質用混合物は、第１のプレナム部分（１５０ａ）でプレナム（１５０）に入り、バッフル（１８０ａ）によって、導管部分（１７０）を通って第２のプレナム部分（１５０ｂ）に流れなければならない。バッフル（１８０ｂ）は、改質用混合物を、導管部分（１７１）を通って第１のプレナム部分（１５０ａ）へと流れさせ、改質用混合物はその後、導管部分（１７２）と（１７３）を通って流れる。同様に、バッフル（１８０ｃ）、（１８０ｄ）、（１８０ｅ）、および、（１８０ｆ）は、プレナム部分（１６０ａ）、導管部分（１７４）、プレナム第２の部分（１６０ｂ）、導管部分（１７５）、および 残りの導管部分（１７６）、（１７７）、および、（１７８）を通って、改質用混合物流路の出口へと至るように、改質用混合物をガイドする。

【0027】

改質用混合物流路の少なくとも一部、とりわけ改質用混合物流路の第２の部分の少なくとも一部は、（導管が金属で作られているとき、導管部分の壁に加えて）金属材料（１９０）の拡大面を包含している。図１に示される好ましい実施形態では、金属の拡大面（１９０）は、導管部分（１７３乃至１７８）とプレナム（１６０）に少なくとも位置する。金属の拡大面（１９０）は、改質用混合物流路の第１の部分にも含まれてもよい。金属材料の拡大面（１９０）は、高い伝熱率と改質反応率を提供する。

【0028】

図１に描かれるように、この好ましい実施形態は、燃焼排ガスと改質用混合物の間の向流を用いる。すなわち、燃焼排ガスは、改質用混合物が改質装置を通って流れる方向とは実質的に逆の方向に、改質装置を通って流れる。より具体的には、熱い燃焼排ガスは、反応器部分（１２０）で改質装置に入り、予熱器部分（１１０）から冷却された燃焼排ガスとして出る一方で、改質用混合物は、反対側の端部で、すなわち、予熱器部分（１１０）から改質装置に入り、反応器部分（１２０）で、改質された燃料として改質装置から出る。しかしながら、改質装置における燃焼排ガスと改質用混合物の間の異なる流れの配置、例えば、並流、直交流、または、直交平行流などが可能である。

【0029】

改質装置（１００）は、好ましくは金属で作られている。しかしながら、本発明は金属の使用には限定されず、改質装置（１００）（とりわけ、燃焼排ガス流路（１３０）および改質用混合物流路（１４０））は適切な材料で作ることができ、該材料は、燃焼排ガスと改質用混合物の温度および圧力に耐えるのに最適なふさわしい材料から作ることができ、ガスの流れに望ましくないやり方では反応せず、および、所望の化学反応を促進すべく燃焼排ガスから改質用混合物へ十分な熱を伝えるために適切な伝熱特徴を提供する。しかしながら、改質装置は、レニウム、白金、または白金族他のメンバー（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、イリジウム、および、オスミウム）などの炭化水素燃料を改質する際に一般に使用される触媒の材料を含まないことが著しく好ましい。金属材料の拡大面（１９０）は、ステンレススチールまたは合金などの一般に使用された金属板または金属箔で作ることができる。

【0030】

図２は、図１に描かれた改質装置（１００）の長手方向の中心線に沿って得られた断面図を描いている。この好ましい実施形態では、１つのプレナム部分から別のプレナム部分まで燃焼排ガス流路を通る導管部分は管状である。具体的には、それらは金属パイプである。図２に示されるように、金属パイプは、燃焼排ガス流路（１３０）を通る燃焼排ガスの流れにほぼ垂直であるように配され、燃焼排ガスは、金属パイプを流れ過ぎ去る際、金属パイプを実質的に囲んでいる。図２にさらに示されるように、導管部分は、複数の並行なパイプを含むことができ、例えば、導管部分（１７０）は、パイプ（１７０ａ）、（１７０ｂ）、および、（１７０ｃ）を含む。

【0031】

さらに、この好ましい実施形態では、ステンレススチールまたは合金で作られる金属材料の拡大面（１９０）（例えば、挿入物）は、伝熱を強化するために、かつ、化学反応を促進するために、金属パイプの内部で使用される。金属材料の拡大面はプレナム（１６０）の内部に位置付けられてもよく、随意に、導管部分内に位置付けられることに加えて、プレナム（１５０）の内部に位置付けられてもよい。上に言及されるように、図２は、すべての導管部分に位置付けられたものとして金属材料の拡大面を描いているが、拡大面は、改質用混合物流路の第２の部分の導管部分にのみあってもよく、あるいは、改質用混合物流路の第２の部分の一部にのみあってもよい。同様に、図２の金属の拡大面の断面図は、垂直および水平な方向の両方に伸びるものとして拡大面を描いているが、拡大面はこの特定の断面を有するものに限定されない。

【0032】

図１および２に示される改質装置（１００）は、以下の方法で作動する。熱プロセスからの熱い燃焼排ガスは、最初に反応器部分（１２０）を通って、その後予熱器部分（１１０）を通る。熱い燃焼排ガスは、改質装置内の化学反応を促進するために、かつ、改質用混合物を予熱するためにも、熱源として使用される。燃焼排ガスは主として、例えば、窒素（Ｎ_２の約７１体積％）、水蒸気（Ｈ_２Ｏの約１９体積％）、および、二酸化炭素（ＣＯ_２の約１０体積％）からなる。改質用混合物は、例えば、炭化水素燃料と燃焼排ガスの混合物、燃料および蒸気の混合物、燃料と二酸化炭素の混合物、または、燃料と燃焼排ガスおよび蒸気の混合物であり得る。改質された燃料は、メタン（燃料が天然ガスである場合）を含む、水素（Ｈ_２）、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、窒素（Ｎ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）、および、改質されていない炭化水素（ＣｎＨｍ）の可燃混合気を包含している。

【0033】

熱い燃焼排ガスの温度はほぼ３５００°Ｆまであってもよく、したがって、改質装置（１００）は、そのような温度に適応するように設計されなければならない。反応器部分（１２０）中の改質用混合物の温度は、化学反応を促進するために３５０°Ｆよりも高くなければならない。好ましくは、反応器部分（１２０）内の改質用混合物の温度は、燃料組成、用途、および経済学に依存して、８００°Ｆ−２４００°Ｆの範囲でなければならない。反応器部分（１２０）は、例えば、改質用混合物流路と燃焼排ガス流路との間の十分な表面積接触と、反応器部分（１２０）内での十分な滞留時間を保証することによって、所望の範囲の温度で改質用混合物を維持するように設計されなければならない。

【0034】

予熱器部分（１１０）は、改質用混合物の温度を、化学反応を開始することができる強烈な値にまで上げるために使用される。改質用混合物が反応器部分（１２０）に入る際の予熱器部分の出口の改質用混合物の温度は、好ましくは（必ずしもそうである必要はないが）反応器部分の出口の改質用混合物温度と同じである。この場合、燃焼排ガスから反応器部分内の改質用混合物までの熱の流れは、吸熱化学反応による熱吸収を補うように消費されるだろう。

【0035】

滞留時間は、体積流量で割った改質用混合物流路の体積として計算され、それは空間速度あたり１に等しい（改質用混合物流路が、反応器部分や予熱器部分などの多くの部分を有している場合、計算は、反応器部分内での滞留時間に重点を置くために、改質用混合物流路（例えば、反応器部分）の適切な部分の体積を使用することができる）。プレナム（１６０）の体積は、化学反応に必要な滞留時間を与えなければならない。反応器部分（１２０）内のプレナム（１６０）と導管部分の所望の全体積（すなわち、改質用混合物流路の第２の部分の体積）は、金属材料の拡大面（１９０）の面積、材料の種類、および、改質燃料組成に依存し、反応器部分（１２０）内の改質燃料の滞留時間または空間速度に基づいて、それを推測することができる。

【0036】

好ましくは、空間速度の最大値は、標準条件（例えば、６０°Ｆ、および、１４．７ｐｓｉの絶対圧）に基づいて、約３６００ｈｒ^−１であると推定され、より好ましくは、空間速度の最大値は、約３０ｈｒ^−１から３６００ｈｒ^−１までの範囲である。言いかえれば、滞留時間は、あらかじめ定義された閾値よりも大きいか、それと等しくなければならず、その閾値は好ましくは１秒−２分である。金属表面の表面積が極端に拡大され、金属が高いニッケル含有率を有し、および、改質用混合物の温度が高い（＞１８００°Ｆ）とき、最低の滞留時間（１秒）は適用可能となる。金属表面の表面積が拡大されず、または、わずかにしか拡大されず、および、改質用混合物の温度が低い（＜１８００°Ｆ）とき、最も高い滞留時間（２分）は適用可能となる。用語「拡大面領域」は、改質用混合物に接している表面積が効率的な伝熱に必要とされる伝熱面領域よりも高いことを意味する。伝熱面積とは、改質用混合物を暖めて、かつ、吸熱反応の間に改質用混合物の必要とされる温度を維持するために必要な表面積である。ニッケルは化学反応を促進するので、金属により多くのニッケル含有量が含まれていれば、必要とされる滞留時間は減少することになる。改質用混合物中により多くの窒素（より高い燃焼排ガス／天然ガス比で）が含まれていれば、必要とされる滞留時間および改質装置の大きさは増えることになる。

【0037】

例えば、仮説に基づく例として、改質用混合物は主として、３モルの燃焼排ガスと１モルの天然ガスを含むとともに１００ＳＣＦＨの流速を有し、プレナム（１６０）とともにパイプ（１７３〜１７８）が約０．３ｆｔ３の全容積を有する場合、空間速度は約３３３ｈｒ^−１になり、および、高ニッケル合金材料（例えば、重量で約８０重量％のニッケルよりも重い）が用いられる場合、金属材料の拡大面の全面積は約１０ｆｔ^２になるのが好ましい。

【0038】

本発明に応じた復熱式改質装置の第２の好ましい実施形態が、図３および４に関して記載される。図３は第２の好ましい実施形態のフローチャートを描く。第１の好ましい実施形態中の対応する部分とほぼ同じままの部品は、同じ参照番号で標識化されている。

【0039】

第２の好ましい実施形態では、プレナム（１５０）とプレナム（１６０）の異なる部分間の燃焼排ガス流路を通る改質装置（２００）の導管部分は、第１の好ましい実施形態のように管状のパイプよりもむしろ水平のプレート形状の流路である。したがって、この実施形態では、改質用混合物は、流路（２７０〜２７８）を通って流れ、プレナム（１５０）とプレナム（１６０）の異なる部分間を通過し、その結果、改質用混合物流路（１４０）は燃焼排ガス流路（１３０）を幾度も通る。

【0040】

図４は、図３に描かれた改質装置（２００）の長手方向の中心線に沿って得られた断面図を描く。図４に示されるように、導管部分はそれぞれ複数の平行なプレート形状の流路を含んでいる。例えば、導管部分（２７０）は、流路（２７０ａ）、（２７０ｂ）、（２７０ｃ）、（２７０ｄ）、および、（２７０ｅ）を含む。燃焼排ガス流路は複数のプレート形状の流路（１３０ａ）、（１３０ｂ）、（１３０ｃ）、および、（１３０ｄ）も含み、これらを通って、燃焼排ガスは、改質用混合物が導管部分（２７０〜２７８）を通って流れる方向にほぼ垂直な方向に流れる。この実施形態では、導管部分とプレナム（１５０）およびプレナム（１６０）は、ステンレススチールまたは合金などの金属材料の拡大面（１９０）も有してもよい。

【0041】

改質用混合物中での必要な反応を可能にするために燃焼排ガスと改質用混合物の間で十分な伝熱が生じる限り、燃焼排ガス流路と改質用混合物流路の他の構造は可能であることが当業者によって認識されよう。同様に、図１および３に描かれるように、第１と第２の好ましい実施形態では、予熱器部分（１１０）での改質用混合物流路の体積は、反応器部分（１２０）内の改質用混合物流路の体積よりも小さい。しかしながら、本発明はそのような構造には限定されず、当業者は、特定の状況下では、異なる流路体積比を有する他の実施形態が可能であり、さらに予熱器部分を取り除きさえしてもよいことを認識するだろう。

【0042】

復熱式改質装置の設計は、改質装置内での化学反応を考慮に入れて、空気復熱装置の設計と同様の方法で達成可能である。

【0043】

図５は、本発明の好ましい実施形態によって燃料を改質するプロセスを描いている。工程（５００）では、熱い燃焼排ガスは改質装置の燃焼排ガス流路に導入される。工程（５１０）では、体積流量を有する改質用混合物が改質装置の改質用混合物流路に導入され、ここで、改質用混合物流路内の少なくとも一部は、燃焼排ガス流路内の燃焼排ガスから改質用混合物流路内の改質用混合物への伝熱を可能にするために、燃焼排ガス流路に埋め込まれており、ここで、改質用混合物流路は、酸化ニッケル、白金族元素、または、レニウムなどの炭化水素燃料を改質するための触媒として一般に使用される材料を実質的に包含しておらず、ここで、改質用混合物流路の少なくとも一部は、体積流量を有する改質用混合物のあらかじめ定義された閾値よりも大きな滞留時間を提供する金属材料の拡大面を包含している。工程（５２０）では、改質された燃料は、改質用混合物流路の出口から出力される。もちろん、所望の反応が起こるのに十分な温度まで改質用混合物が加熱される限り、工程（５００）および（５１０）の相対的なタイミングと順序は重要ではない。

【0044】

図６は本発明の好ましい実施形態による熱廃棄物回収システムを描いている。熱廃棄物回収システムは、炉での燃焼などの熱プロセスが生じる少なくとも１つの反応室（６００）を含んでいる。反応室（６００）は、燃焼排ガス（すなわち、排気ガス）が、図１および２に描かれた改質装置（１００）のような非触媒性の復熱式改質装置の反応室から出て、燃焼排ガス流路に入る際に通る出口（６１０）を備えている。

【0045】

上に記載された好ましい実施形態と、以下の請求項によって定義される本発明の範囲に含まれると当業者が理解するであろう他の実施形態は、燃料効率と補放出物の減少に関する利点を備えているが、特定の従来の改質技術よりもコストを削減しておよび／または温度を下げるという利点も備えている。とりわけ、再利用された排気ガスまたは蒸気で天然ガスを改質することで、燃料の消費、ＣＯ_２およびＮＯ_ｘの排出量、およびコストを著しく削減することができ、同様に、プロセスの熱効率を増加させることができる。上に記載された改質装置および方法は、炭化水素燃料を改質するために一般に使用される高価な触媒を利用しない、非触媒性の復熱式改質装置に関連する。これにより、改質装置の資本コストが削減され、触媒を維持および交換する必要がなくなり、さらにコストが削減される。さらに、非触媒性の復熱式改質装置の効率は、触媒活性の減少によって時間が経っても下がらない。改質装置のコストおよび／または運転温度を下げることによって、そのような装置および／または方法は、現在の工業用途における燃料改質の効率を改善して、さらに多種多様な文脈（例えば、低温プロセス）で実用的な燃料の改質を行ってもよい。

【0046】

上に詳細に記載された好ましい実施形態でのように、本発明の最大の利点は、改質装置中でなんの触媒も用いないことによって得られる。しかしながら、ほとんど触媒材料を含んでいないが、少量の触媒（ニッケル、ロジウム、白金、または、レニウムなど）を包含する改質装置を作ることによって得られる利益もある。そのような改質装置は、依然として触媒の周期的な再生および交換を必要とするであろうが、比較的少量の触媒は資本コストを下げ、維持費用を減少させることもある。したがって、最も好ましい実施形態は、酸化ニッケル、レニウム、および、白金族元素の中からの触媒を包含していないが、本発明の利点のなかには、そのような触媒を実質的に包含しない（例えば、約１０質量％未満のそのような触媒）を実施形態から得られるものがあってもよい。

【0047】

本発明は、特定の好ましい実施形態に関して上に記載されてきた。しかしながら、特定の典型的な実施形態の詳細は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されてはならない。むしろ、本発明の範囲は以下の請求項によって定められなければならない。

【図2】

【図4】

【図1】

【図3】

【図5】

【図6】