JP2001010806A - 水素精製用３塔式ｐｓａ装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法 - Google Patents

水素精製用３塔式ｐｓａ装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】水素精製用３塔式ＰＳＡ装置に付設したオフガ
スタンクからのオフガスの圧力変動を抑えてオフガスを
用いる改質器バーナの燃焼状態を安定化させる。 【解決手段】水素精製用３塔式ＰＳＡ装置に付設された
オフガスタンクのオフガスを水素製造用改質器のバーナ
に供給するに際して、オフガスタンクの圧力が最小とな
るときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンク下
流側のオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻み
で増減させることによりオフガスタンクからのオフガス
圧力を制御することを特徴とする水素精製用３塔式ＰＳ
Ａ装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制
御方法。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、水素精製用３塔式
ＰＳＡ装置（圧力スイング吸着装置）に付設したオフガ
スタンクのオフガスを炭化水素ガスの水蒸気改質による
水素製造用改質器のバーナに供給するに際して、オフガ
スタンクからのオフガスを該バーナへ安定して供給する
ようにしてなる水素精製用３塔式ＰＳＡ装置におけるオ
フガスタンクからのオフガス圧力の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】水素は不飽和結合への水素添加用、酸水
素炎用その他各種用途に供される基礎原料であり、燃料
電池用の燃料としても利用される。水素の工業的製造方
法の一つであるガス体燃料の変成法は通常炭化水素ガス
の水蒸気改質により行われる。水蒸気改質法では改質器
が用いられ、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスがＮ
ｉ系、Ｒｕ系その他の触媒を用いる接触反応により改質
ガスへ変えられる。改質器は概略加熱部と改質部とから
なり、加熱部（バーナ）からの熱（ΔＨ）が改質部に供
給され、改質部で炭化水素ガスが接触反応により改質ガ
スへ変えられる。
【０００３】ここで得られる改質ガスには主成分である
水素のほか、ＣＯ、ＣＯ2 等の副生成分や余剰Ｈ2Ｏ、ま
た未改質の炭化水素が含まれている。このため改質ガス
を例えば燃料電池にそのまま使用したのでは電池性能を
阻害してしまう。例えばリン酸型燃料電池で用いる水素
ガス中のＣＯは１ｖｏｌ％程度、固体高分子型燃料電池
では１００ｐｐｍ程度が限度であり、これらの値を越え
ると電池性能が著しく劣化する。また不飽和結合への水
素添加用或いは酸水素炎用の水素は通常ボンベに詰めた
ものが使用されており、その純度は９９．９９９ｖｏｌ
％以上が要求されている。
【０００４】したがって改質ガスは精製しそれら副生成
分を除去しておく必要がある。ところで、水素精製法の
一つであるＰＳＡ法では、不純物を吸着剤相に加圧下で
吸着させて分離し、常圧付近まで減圧して吸着不純物を
脱着させるが、３塔式ＰＳＡ法においては吸着、減圧、
均圧、ブローダウン、パージ、均圧、昇圧等の工程が繰
り返され、ブローダウン工程及びパージ工程ではオフガ
スが発生する。
【０００５】図１は、水素精製用３塔式ＰＳＡ装置にお
ける各吸着塔の工程フロー及び運転シーケンスの概略を
示す図である。図１中、上部の図は下部の表におけるス
テップ１から３までの工程を示し、下部の表には各工程
の進行に伴う各吸着塔における圧力変化を示している。
炭化水素の水蒸気改質器からＣＯ変成器を経た改質ガス
はＡ塔に供給され、ここでＨ2Ｏ、ＣＯ2、ＣＯ、ＣＨ4
等の不純物の吸着が行われ、吸着されない水素が精製水
素となる。
【０００６】その間、Ｂ塔では減圧、均圧、ブローダウ
ン工程が行われ、Ｃ塔ではパージ、均圧、昇圧工程が行
われる。このうちＣ塔におけるパージから昇圧までの工
程は、この段階でのＢ塔におけるように減圧からブロー
ダウンまでの工程を経た後の工程である。改質ガスの供
給は、Ａ塔において不純物が飽和して破過する前に、自
動的にＣ塔に切り替えられる。この時点で、Ａ塔は減
圧、均圧、ブローダウン工程へ切り替えられ、またＢ塔
はパージ、均圧、昇圧工程へ切り替えられる。以降これ
ら工程を順次自動的に繰り返して連続的に操作される。
そしてブローダウン工程、パージ工程で発生するオフガ
スはオフガスタンクへ送られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】オフガスタンクの圧力
変動は、改質器やＣＯ変成器等の水素製造装置系内圧力
と直結しているために改質、変成、ＰＳＡすべての運転
に悪影響を及ぼすために極力抑える必要がある。また、
オフガスタンクに貯えられたオフガスは改質器のバーナ
燃料として再利用されるため、バーナ燃焼状態を良好に
保つためには、安定したオフガス流量（タンク出口の）
が必要とされる。この点、３塔式ＰＳＡ装置では４塔式
に比べてオフガスの流量変動が大きいため、特にその制
御方法には注意する必要がある。従来のオフガス制御方
法としては、オフガスタンクの圧力が一定となるように
制御する方法、オフガス流量が一定となるように制御す
る方法がある。
【０００８】オフガスタンクの圧力が一定になるように
バルブ開度を制御する方法では、系内圧力の変動を抑
え、装置全体の運転時の安定性を向上させるというメリ
ットがあるが、改質器バーナ用燃料として供給されるオ
フガス流量の変動は大きく、このためバーナの燃焼状態
は悪化する。オフガス流量を一定に制御すると、バーナ
の燃焼状態は良好となるが、装置系内圧力の変動は大き
くなり、装置の性能上悪影響を及ぼす。
【０００９】このような問題を回避するためには、オフ
ガスタンク内の圧力変化を可及的に抑制する必要があ
り、このためにはタンク容量を大きくせざるを得ない。
本発明者等は、この問題点を解決すべく鋭意研究、検討
した結果、各吸着塔の工程が切り替わるときの当該最小
圧力を基準として、オフガスタンクの出口側流量調整バ
ルブの開度を増減させることでオフガスの圧力変動幅を
小さくでき、これによりオフガスを改質器バーナへ安定
して供給し得ることを見い出した。
【００１０】すなわち、本発明は、水素精製用３塔式Ｐ
ＳＡ装置に付設されたオフガスタンクのオフガスを改質
器バーナに供給するに際して、各吸着塔の工程が切り替
わるときの、すなわちオフガスタンクの圧力が最小とな
るときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンク出
口側のオフガス流量調整バルブの開度を増減させること
により、オフガスタンクからのオフガスの圧力変動を抑
え、これによりオフガスを改質器バーナへ安定して供給
するようにしてなるオフガスタンクからのオフガス圧力
の制御方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、水素精製用３
塔式ＰＳＡ装置に付設されたオフガスタンクのオフガス
を水素製造用改質器のバーナに供給するに際して、オフ
ガスタンクの圧力が最小となるときの当該最小圧力を基
準として、オフガスタンク下流側のオフガス流量調整バ
ルブの開度を所定の微小刻みで増減させることによりオ
フガスタンクからのオフガス圧力を制御することを特徴
とする水素精製用３塔式ＰＳＡ装置におけるオフガスタ
ンクからのオフガス圧力の制御方法を提供する。
【００１２】
【発明の実施の形態】本発明においては、オフガスタン
クを付設した３塔式ＰＳＡ装置において、各吸着塔の工
程が切り替わるときのオフガスタンク内の圧力、すなわ
ちオフガスタンクの最小圧力を基準として、オフガスタ
ンクの出口側すなわち下流側のオフガス流量調整バルブ
の開度を所定の微小刻みで増減させる。
【００１３】図１で云えば、水素精製用３塔式ＰＳＡ装
置操作時の各ステップにおけるオフガスタンク内の圧力
は、ステップ１〜９における３、６、９の各工程終了時
に最小となる。本発明においては、オフガスタンク内の
当該最小圧力を基準としてタンク出口側導管に配置され
たオフガス流量調整バルブの開度をその全開に対して所
定の微小刻みで増減させることでオフガスタンクからの
オフガスの圧力変動を抑え、これにより該オフガスを改
質器のバーナへ安定して供給する。
【００１４】図２は本発明におけるオフガス圧力の制御
態様を示す図であり、オフガスタンクの出口導管に圧力
計（ＰＩＣＡ）が配置される。図２中ＦＩは流量計であ
る。本発明では上記最小圧力を例えば０．２ｋｇ/ｃｍ2
Ｇにしたいとき、設定値を０．２ｋｇ/ｃｍ2Ｇとする。
そして圧力が最小になるステップ、図１で云えば３、
６、９のステップの工程終了時にその設定値との比較を
行い、ＰＩＣＡで計測される実圧力が該設定値よりも大
きければオフガス流量調整バルブＺの開度をその全開に
対して（該バルブの全開を１００とした時に対する割合
として）例えば０．１％刻みで開ける方向に制御し、Ｐ
ＩＣＡで計測される実圧力が該設定値よりも小さければ
オフガス流量調整バルブＺの開度をバルブＺの全開度に
対して例えば０．１％刻みで閉じる方向に制御する。
【００１５】この場合、バルブＺの開度は全工程におい
て基本的には一定開度であるが、３、６、９のステップ
の工程終了時の実圧力すなわちＰＩＣＡで計測される圧
力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、小さく開けた
り、小さく閉じたりする。バルブアクションが起こるの
は、ステップ３、６、９の終了時の一瞬であり、しかも
その制御は例えば０．１％という微小で微妙なコントロ
ールを行う。これによってオフガスタンクから改質器バ
ーナまでの全体の圧力バランスを崩すことなく制御する
ことができる。以上の制御は別途設けたマイクロコンピ
ュータ等により行ってもよく、圧力計にそのための制御
機構を併置してもよい。
【００１６】図３は上記のような本発明による制御を行
った場合におけるオフガス圧力の経時的変動を示した図
である。図３中最下部に“圧力”として示す部分がオフ
ガスタンクからのオフガスの圧力変動の経過である。図
３のとおり、オフガス圧力に上下の変動はあるが、大き
な変動はなく抑えられる。これによりオフガスタンクか
らのオフガスを圧力変動を少なくして改質器の燃料とし
て使用することができるため、改質器におけるバーナの
燃焼状態を悪化させることがない。
【００１７】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明が実施例に限定されないことはもち
ろんである。図４は実施例において使用した装置の概略
を示す図である。比較例として従来のように調整バルブ
（弁）Ｙ、Ｚの開度を一定とした場合を併せて記載して
いる。
【００１８】吸着塔Ａ、Ｂ、Ｃのそれぞれに混合床とし
て活性炭、ゼオライトを充填した。原料ガスとして都市
ガスを水蒸気改質する改質器からＣＯ変成器を経た改質
ガスを用いた。図５中、Ｔはオフガスタンク、Ｆはバー
ナ燃料ガス導管、Ｋはバーナ燃焼用空気導管である。な
お、図中ＣＯ変成器の記載は省略している。
【００１９】水素製造用改質器からの改質ガスは、水素
を主成分とし、ＣＯ、ＣＨ4、ＣＯ2、Ｎ2 などが含まれ
ており、温度は２０〜４０℃の範囲である。各吸着塔Ａ
〜Ｃにおける吸着時間は２００〜３００ｓｅｃ、減圧及
びパージ時間は８０〜１２０ｓｅｃ、ブローダウン時間
は６０〜１１０ｓｅｃ、均圧時間は１５〜４０ｓｅｃの
範囲とした。吸着時の圧力は４〜９．９ｋｇ/ｃｍ2Ｇ、
減圧時の圧力は２〜６ｋｇ/ｃｍ2Ｇ、均圧時の圧力は１
〜５ｋｇ/ｃｍ2Ｇ、ブローダウン時の圧力は０〜２ｋｇ
/ｃｍ2Ｇ、昇圧時の圧力は４〜９．９ｋｇ/ｃｍ2Ｇの範
囲で実施した。
【００２０】（１）Ａ塔＝吸着、Ｂ塔＝減圧、Ｃ塔＝パ
ージ 弁Ａ１、Ａ２を開とし、改質ガスをＡ塔に供給して吸着
操作を実施した。その間、Ｂ塔では順次減圧、均圧、ブ
ローダウン工程を行い、Ｃ塔では順次パージ、均圧、昇
圧工程を行った。その間弁Ｂ４、Ｘ、Ｃ３、Ｃ５を開と
し、バルブＹ、バルブＺの開度を一定とした。この操作
中、これら以外の弁は閉状態である。この間タンクＴの
オフガスを改質器の燃料として供給したが、改質器にお
けるバーナの燃焼状態を悪化させてしまった。
【００２１】そこで、各吸着塔の工程が切り替わるとき
のタンクＴからの出口側導管中の圧力、すなわちタンク
下流側の圧力を圧力計ＰＩＣＡにより計測したところ約
０．２ｋｇ/ｃｍ2Ｇであった。この最小圧力を基準設定
圧力として、ＰＩＣＡで計測される圧力値だけを瞬時に
設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よりも大きけ
ればオフガス流量調整バルブＺの開度を、該バルブの全
開を１００とした時に対して、０．１％刻みで開ける方
向に制御し、実圧力が該設定値よりも小さければオフガ
ス流量調整バルブＺの開度を、該バルブの全開を１００
とした時に対して、０．１％刻みで閉じる方向に制御し
た。これにより改質器バーナへ供給するオフガスの圧力
変動が抑えられ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【００２２】（２）Ａ塔＝吸着、Ｂ塔＝均圧、Ｃ塔＝均
圧 Ａ塔での吸着操作を続けながら、弁Ｂ４、Ｘ、Ｃ３は開
のままとし、弁Ｃ５を開から閉へ切り替えて、Ｂ塔での
減圧工程とＣ塔でのパージ工程を均圧工程に切り替え、
この工程を所定時間保持した。
【００２３】（３）Ａ塔＝吸着、Ｂ塔＝ブローダウン、
Ｃ塔＝昇圧 均圧工程後、同じくＡ塔での吸着操作を続けながら、弁
Ｂ４を開から閉に切り替え、弁Ｂ５を開へ切り替えてＢ
塔での均圧工程をブローダウン工程へ切り替えるととも
に、弁Ｗ、Ｃ４を閉に切り替え、弁Ｗ、Ｃ３を開として
Ｃ塔での均圧工程を精製水素による昇圧工程へ切り替え
た。Ｂ塔でのブローダウン工程からのオフガスは弁Ｙの
開度を一定としてタンクＴへ供給した。この間タンクＴ
のオフガスを流量調整バルブＺを一定として改質器の燃
料として供給したが、改質器におけるバーナの燃焼状態
を不安定にし悪化させてしまった。
【００２４】そこで、最小圧力約０．２ｋｇ/ｃｍ2Ｇを
基準設定圧力として、ＰＩＣＡで計測される圧力値だけ
を瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力より
も大きければオフガス流量調整バルブＺの開度を０．１
％刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値よりも
小さければオフガス流量調整バルブＺの開度を０．１％
刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バーナ
へ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの燃
焼状態に変化はなかった。
【００２５】Ａ塔での吸着操作をＣ塔での吸着操作に切
り替え、上記（１）〜（３）と同様にして操作し、Ａ塔
でのブローダウン時、Ｂ塔でのパージ（Ａ塔で減圧しな
がらこれに連なるＢ塔でパージ）に、最小圧力約０．２
ｋｇ/ｃｍ2Ｇを基準設定圧力として、ＰＩＣＡで計測さ
れる圧力値だけを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が
該設定圧力よりも大きければオフガス流量調整バルブＺ
の開度を０．１％刻みで開ける方向に制御し、実圧力が
該設定値よりも小さければオフガス流量調整バルブＺの
開度を０．１％刻みで閉じる方向に制御した。これによ
り改質器バーナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えら
れ、バーナの燃焼状態に変化はなかった。
【００２６】さらに、Ｃ塔での吸着操作をＢ塔での吸着
操作に切り替え、上記と同様にしてＣ塔でのブローダウ
ン時、Ａ塔でのパージ（Ｃ塔で減圧しながら、これに連
なるＢ塔でパージ）に、最小圧力約０．２ｋｇ/ｃｍ2Ｇ
を基準設定圧力として、ＰＩＣＡで計測される圧力値だ
けを瞬時に設定圧力と比較して、実圧力が該設定圧力よ
りも大きければオフガス流量調整バルブＺの開度を０．
１％刻みで開ける方向に制御し、実圧力が該設定値より
も小さければオフガス流量調整バルブＺの開度を０．１
％刻みで閉じる方向に制御した。これにより改質器バー
ナへ供給するオフガスの圧力変動が抑えられ、バーナの
燃焼状態に変化はなかった。
【００２７】
【発明の効果】本発明によれば、水素精製用３塔式ＰＳ
Ａ装置におけるオフガスタンクからのオフガスの圧力変
動を抑えることができ、これにより、該オフガスを改質
器の燃料として供給するに際してバーナの燃焼状態を安
定化させることができる。この効果はオフガスタンク下
流側のオフガス流量調整バルブの開度を微小刻みで増減
させるだけで得られるため、装置構成上も非常に有利で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図１】３塔式ＰＳＡ装置における各吸着塔の工程フロ
ー及び運転シーケンスの概略を示す図。
【図２】本発明によるオフガスタンクからのオフガス圧
力制御の態様を示す図。
【図３】本発明による制御を行った場合のオフガスの圧
力変動の経時的経過を示した図。
【図４】実施例において使用した装置の概略を示す図。
【符号の説明】
ＰＩＣＡ 圧力計 ＦＩ 流量計 Ａ〜Ｃ 吸着塔 Ｔ オフガスタンク Ｆ バーナ燃料ガス導管 Ｋ バーナ燃焼用空気導管
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１１年６月２２日（１９９９．６．２
２）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】発明の名称
【補正方法】変更
【補正内容】
【発明の名称】水素精製用３塔式ＰＳＡ装置におけるオ
フガスタンクからのオフガス圧力の制御方法
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三浦 俊泰 神奈川県横浜市都筑区茅ヶ崎東１ー１ (72)発明者 淵 昌彦 神奈川県横浜市港北区日吉５ー15ー10 (72)発明者 藤木 広志 千葉県市川市市川２ー15ー５ー205 (72)発明者 日下 亮平 神奈川県横浜市青葉区奈良町1670ー25 (72)発明者 鎌倉 幸弘 東京都八王子市小宮町1064ー15 (72)発明者 中村 晴彦 神奈川県横浜市旭区白根４ー28ー１ (72)発明者 宮島 秀樹 神奈川県横浜市鶴見区東寺尾５ー２ー10 Ｆターム(参考） 3E072 AA03 DB03 EA02 EA10 GA30 4D012 CA07 CB16 CD07 CE01 CF03 CG01 CH05 CJ01 4G040 EA03 EA06 EB03 EB33 EB42 EB43 FA02 FB02 FB04 FB05 FC03 FE01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】水素精製用３塔式ＰＳＡ装置に付設された
    オフガスタンクのオフガスを水素製造用改質器のバーナ
    に供給するに際して、オフガスタンクの圧力が最小とな
    るときの当該最小圧力を基準として、オフガスタンク下
    流側のオフガス流量調整バルブの開度を所定の微小刻み
    で増減させることによりオフガスタンクからのオフガス
    圧力を制御することを特徴とする水素精製用３塔式ＰＳ
    Ａ装置におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制
    御方法。
  2. 【請求項２】上記最小圧力を基準とするオフガス流量調
    整バルブの開度の増減を、オフガスタンクの圧力の上昇
    時にその開度を所定の微小刻みで増加させ、オフガスタ
    ンクの圧力の下降時にはその開度を所定の微小刻みで減
    少させることにより行うことを特徴とする請求項１に記
    載の水素精製用３塔式ＰＳＡ装置におけるオフガスタン
    クからのオフガス圧力の制御方法。
  3. 【請求項３】上記最小圧力を基準とするオフガス流量調
    整バルブの開度の所定の微小刻みの増減が該バルブの全
    開に対して約０．１％刻みの増減であることを特徴とす
    る請求項１又は２に記載の水素精製用３塔式ＰＳＡ装置
    におけるオフガスタンクからのオフガス圧力の制御方
    法。
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