JP2002274811A - 水素製造方法およびそれに用いる装置 - Google Patents
水素製造方法およびそれに用いる装置Info
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Abstract
しかも、貴重な寒冷エネルギーの損失をなくし、さら
に、設備価格やランニングコストを削減することのでき
る水素製造方法を提供する。 【解決手段】炭化水素を原料として製造した水素を低温
吸着部16に導入しこの低温吸着部16を通過する際に
水素中の不純物を低温状態で吸着除去して精製する方法
であって、上記低温状態に保持するための寒冷源とし
て、液化天然ガスの冷熱を利用し、上記寒冷源としての
作用を終えて気化した天然ガスを上記水素の組成原料と
して用いるようにしている。
Description
の高純度水素を製造する水素製造方法およびそれに用い
る装置に関するものである。
生・精製装置は、水蒸気改質法あるいは部分酸化法を用
いて低純度水素ガスを発生する水素発生部と、上記低純
度水素ガス中の不純物を常温吸着法および低温吸着法を
用いて除去する精製部とを備えている。また、上記低温
吸着法を用いた精製部の寒冷源として、外部から供給さ
れる液体窒素が用いられている。
ー図を、図2に示す。図において、11は水蒸気改質炉
であり、これに導入した天然ガス(NG)とスチームを
Ni系触媒の作用により水蒸気改質させ、低純度水素ガ
ス,CO等を含むプロセスガスを生成させる。12はC
O変成器であり、上記水蒸気改質炉11で生成させたプ
ロセスガスを導入し、このプロセスガス中のCOを酸化
鉄系触媒の作用によりシフト転化させる。これら水蒸気
改質炉11とCO変成器12で水素発生部が構成されて
いる。13は熱交換器であり、上記CO変成器12を経
たプロセスガスを、後述する低温吸着部16から導出さ
れる気液混合状態の液体窒素(LN2 )で冷却して降温
させる。14は上記熱交換器13を経たプロセスガス中
のドレン水(凝縮水分)を外部に放出するドレン器であ
る。15はモレキュラーシーブ,活性アルミナ,活性炭
等の吸着剤を収容する常温吸着部(常温吸着法を用いた
精製部)であり、上記ドレン器14を経たプロセスガス
を導入し、上記吸着剤により、プロセスガス中の不純物
のうちH2 O,CO2 を常温で吸着除去する。16は上
記常温吸着部15を経たプロセスガスを導入する低温吸
着部(低温吸着法を用いた精製部)であり、活性炭等の
吸着剤を収容する収容部(図示せず)と、外部から供給
されたLN2 を通す熱交換器16aとを備えている。そ
して、この熱交換器16aを通過するLN2 の寒冷エネ
ルギーで収容部を低温に保持した状態で、収容部の吸着
剤により、プロセスガス中の不純物のうちCH4 ,C
O,N2,Ar等を吸着除去する。17は上記低温吸着
部16を経たプロセスガス(すなわち、高純度水素)を
製品水素として取り出す製品水素取出管である。
着部16を設けることで製品水素の高純度化を可能にし
ている。また、上記低温吸着部16の熱交換器16aに
外部から供給されたLN2 は、両熱交換器13,16a
を通過する際に熱交換されて窒素ガス(GN2 )となっ
たのちに熱交換器13から導出されるが、導出後にGN
2 の有効な利用方法がない場合には、大気に放出され
る。また、原料として液化天然ガス(LNG)を用いる
場合には、このLNGを気化させる蒸発器18が必要に
なる。
水素発生・精製装置では、低温吸着部16において、吸
着剤およびプロセスガスの冷却にLN2 を使用した場合
に必要となるLN2 流量は低純度水素ガス流量の約10
%であり、水素製造コストを大幅に増加させている。し
かも、熱交換器16aに外部から供給したLN2 は、両
熱交換器13,16a通過後に有効な利用方法がない場
合には、そのまま大気に放出されるため、水素製造コス
トの増加になっている。さらに、原料としてLNGを用
いる場合には、蒸発器18が必要になることに加えて、
LNGの貴重な寒冷エネルギーを損失するため、設備価
格やランニングコストの増加原因となっている。
もので、水素製造コストを大幅に削減することができ、
しかも、貴重な寒冷エネルギーの損失をなくし、さら
に、設備価格やランニングコストを削減することのでき
る水素製造方法およびそれに用いる装置の提供をその目
的とする。
め、本発明は、炭化水素を原料として製造した水素を低
温吸着部に導入しこの低温吸着部を通過する際に水素中
の不純物を低温状態で吸着除去して精製する方法であっ
て、上記低温状態に保持するための寒冷源として、液化
炭化水素の冷熱を利用し、上記寒冷源としての作用を終
えて気化した炭化水素を上記水素の組成原料として用い
るようにした水素製造方法を第1の要旨とし、炭化水素
を原料として水素を製造する水素発生部と、この水素発
生部で製造した水素を導入して水素中の不純物を低温状
態で吸着除去して精製する低温吸着部とを備え、上記低
温状態に保持するための寒冷源として、低温吸着部に液
化炭化水素を導入し、上記寒冷源としての作用を終えて
気化したのち低温吸着部から導出した炭化水素を上記水
素の組成原料として水素発生部に供給するように構成し
た水素製造装置を第2の要旨とする。
水素を原料として製造した水素を低温吸着部に導入しこ
の低温吸着部を通過する際に水素中の不純物を低温状態
で吸着除去して精製する方法であり、上記低温状態に保
持するための寒冷源として、液化炭化水素の冷熱を利用
し、上記寒冷源としての作用を終えて気化した炭化水素
を上記水素の組成原料として用いるようにしている。こ
のように、本発明の水素製造方法は、低温吸着部におい
て、ここを通過する水素や低温吸着部の吸着除去手段を
液化炭化水素の冷熱(すなわち、寒冷エネルギー)によ
り冷却して低温状態に保持するとともに、上記水素や吸
着除去手段との熱交換により気化した炭化水素を上記水
素の組成原料として用いるようにしている。したがっ
て、液化炭化水素の形態で炭化水素をタンク等の貯蔵手
段に貯蔵し、この貯蔵手段から供給される液化炭化水素
の冷熱を、上記低温状態に保持するための寒冷源として
利用したのち、上記寒冷源としての作用を終えて気化し
た炭化水素を上記水素の組成原料として利用することが
できる。このため、従来例のように、LN2 を外部から
供給して低温吸着部を冷却する必要がなく、水素製造コ
ストを大幅に削減することができる。しかも、原料とな
る液化炭化水素が持つ貴重な寒冷エネルギーを損失する
ことがない。さらに、液化炭化水素を気化させて炭化水
素を生成するための特別な手段、例えば、従来例のよう
な蒸発器18が必要でなく、設備価格やランニングコス
トを削減することができる。
素製造方法と同様に、液化炭化水素の形態で炭化水素を
タンク等の貯蔵手段に貯蔵し、この貯蔵手段から供給さ
れる液化炭化水素を低温吸着部に導入し、この低温吸着
部で液化炭化水素の冷熱を、上記低温状態に保持するた
めの寒冷源として利用し、さらに、上記寒冷源としての
作用を終えて気化したのち低温吸着部から導出した炭化
水素を上記水素の組成原料として利用することができ
る。したがって、上記水素製造方法と同様に、上記優れ
た効果を奏する。なお、本発明において、「液化炭化水
素」としては、LNG,液化プロパンガス(LPG)等
が用いられ、LNGが好適に用いられる。また、「炭化
水素」としては、NG,プロパンガス(PG)等が用い
られ、NGが好適に用いられる。また、本発明におい
て、「寒冷源としての作用を終えて気化した炭化水素」
とは、低温吸着部を通過する水素や低温吸着部の吸着除
去手段との熱交換により、液化炭化水素が完全に気化し
て液化炭化水素の全部が炭化水素となった場合における
炭化水素だけでなく、上記熱交換により液化炭化水素が
部分的に気化して液化炭化水素の一部だけが炭化水素と
なった(気液混合状態の液化炭化水素となった)場合に
おける炭化水素をも含んでいる。この場合には、気液混
合状態の液化炭化水素を低温吸着部から導出したのち、
加温器等で完全に気化してから、水素の組成原料として
利用してもよいし、一部気化した炭化水素だけを水素の
組成原料として利用してもよい。
水素を原料として製造した水素を低温吸着部に導入する
に先立って、上記水素を、寒冷源としての作用を終えて
気化した炭化水素と熱交換させることにより、炭化水素
の冷熱で降温させるようにした場合、および、本発明の
水素製造装置において、上記水素発生部と低温吸着部と
の間に、水素発生部で製造した水素および寒冷源として
の作用を終えて気化したのち低温吸着部から導出した炭
化水素の双方を導入する熱交換器を設け、この熱交換器
で炭化水素の冷熱により降温させた水素を低温吸着部に
導入するように構成した場合には、炭化水素を原料とし
て製造した水素を低温吸着部に導入するに先立って、上
記水素を降温させるための寒冷源として、寒冷源として
の作用を終えて気化した炭化水素の冷熱を有効利用する
ことができる。
面にもとづいて詳しく説明する。
態を示す概略フロー図である。この実施の形態では、図
2に示す水素発生・精製装置において、LNGをLNG
貯蔵タンク(図示せず)等の貯蔵手段に貯蔵している。
そして、使用時には、LNGを貯蔵手段から導出し、低
温吸着部16内の吸着剤およびプロセスガスの寒冷源と
して低温吸着部16の熱交換器16aに導入する。この
熱交換器16aで寒冷源としての作用を終えて一部が気
化したLNG(すなわち、気液混合状態のLNG)を熱
交換器16aから導出し、その一部を加温器4に導入す
るとともに、その残部をCO変成器12,ドレン器14
間の熱交換器13に導入する。これら加温器4および熱
交換器13で気液混合状態のLNGを完全に気化させて
NGとしたのち、水蒸気改質炉11に導入することを行
う。したがって、この実施の形態では、図2に示す水素
発生・精製装置のように、低温吸着部16の熱交換器1
6aにLN2 を外部から供給していない。
はLNG貯蔵タンク等の貯蔵手段から延びる第1導出管
であり、低温吸着部16の熱交換器16aに接続してい
る。2は上記熱交換器16aから延びる第2導出管であ
り、第1分岐管3を介して加温器4に接続し、第2分岐
管5を介してCO変成器12,ドレン器14間の熱交換
器13に接続している。上記加温器4には、熱交換器1
6aから第2導出管2に導出された気液混合状態のLN
Gの一部が第1分岐管3を介して導入されており、上記
LNGの一部が加温器4で加温されて完全に気化され、
常温のNGとなっている。また、上記熱交換器13に
は、熱交換器16aから第2導出管2に導出された気液
混合状態のLNGの残部が第2分岐管5を介して導入さ
れているとともに、CO変成器12を経たプロセスガス
も導入されている。そして、上記熱交換器13におい
て、LNGの残部の寒冷エネルギーでプロセスガスが冷
却されて降温されており、プロセスガスの温熱エネルギ
ーでLNGの残部が昇温されて完全に気化され、常温の
NGとなっている。6は上記熱交換器13から延びる連
結管であり、加温器4と水蒸気改質炉11とを接続する
NG供給管7に接続している。それ以外の部分は図2に
示す水素発生・精製装置と同様であり、同様の部分には
同じ符号を付している。なお、上述したように、この実
施の形態では、低温吸着部16の熱交換器16aにLN
2 を外部から供給していない。
して高純度水素を製造することができる。すなわち、ま
ず、LNGを貯蔵手段から第1導出管1に導出し、低温
吸着部16の熱交換器16aに導入する。この低温吸着
部16では、熱交換器16aを通過するLNGを、低温
吸着部16の収容部の活性炭等の吸着剤および低温吸着
部16内を通過するプロセスガスと熱交換させ、LNG
の一部を気化させる。つぎに、この一部を気化させたL
NG(すなわち、気液混合状態のLNG)を熱交換器1
6aから第2導出管2に導出し、そのLNGの一部を第
1分岐管3を介して加温器4に導入し、その残部を第2
分岐管5を介して熱交換器13に導入する。そして、加
温器4で上記LNGの一部を完全に気化させて常温のN
Gとし、熱交換器13で上記LNGの残部を完全に気化
させて常温のNGとする。
られた常温のNGをNG供給管7に通し、その一部を、
NG供給管7から分岐する第1分岐供給管7aを介し
て、水蒸気改質炉11に熱を与えるための燃料として水
蒸気改質炉11に導入する。また、上記常温のNGの残
部を、NG供給管7から分岐する第2分岐供給管7bを
介して、原料NGとしてスチームとともに水蒸気改質炉
11内に導入し、Ni系触媒の作用により水蒸気改質さ
せて、低純度水素ガス,CO等を含むプロセスガスを生
成させる。つぎに、上記水蒸気改質炉11で生成させた
プロセスガスをCO変成器12に導入し、このCO変成
器12内で酸化鉄系触媒の作用によりCOをシフト転化
させる。つぎに、上記CO変成器12で生成させたプロ
セスガスを熱交換器13に導入し、第2分岐管5を介し
て導入されるLNGの寒冷エネルギーで冷却して降温さ
せたのちに、ドレン器14に導入してドレン水を除去す
る。つぎに、上記ドレン器14を経たプロセスガスを常
温吸着部15に導入し、この常温吸着部15内のモレキ
ュラーシーブ,活性アルミナおよび活性炭等の吸着剤に
より、プロセスガス中の不純物のうちH2 O,CO2 を
常温で吸着除去する。つぎに、常温吸着部15から導出
したプロセスガスを低温吸着部16に導入し、熱交換器
16aを通過するLNGの寒冷エネルギーで、低温吸着
部16内の吸着剤およびプロセスガスを所定の低温状態
に保持し、上記吸着剤により、プロセスガス中の不純物
のうちCH4 ,CO,N2 ,Ar等を吸着除する。この
ようにして得られたプロセスガス(すなわち、高純度水
素)を製品水素取出管17により製品水素として取り出
す。
着部16の寒冷源として、水素発生部の原料および燃料
となるNGの貯蔵形態であるLNGの寒冷エネルギーを
損失することなく利用しているため、水素製造コストが
大幅に削減できる。さらに、LNGを気化するための蒸
発器18が必要でなく、設備価格やランニングコストが
削減できる。
は、まず、原料および燃料となるLNGはLNG貯蔵タ
ンクから第1導出管1に導出され、−150℃で低温吸
着部16の熱交換器16aに導入される。この導入時の
LNGの構成は、CH4 :88.91mol−%、その
他の炭化水素:8.71mol−%、CO2 :0.15
mol−%、N2 :2.23mol−%であり、圧力は
1.04MPaである。
低温吸着部16内の吸着剤およびプロセスガスとの熱交
換により、LNGの寒冷エネルギーが上記吸着剤および
プロセスガスに伝えられ、LNG自身は−120℃程度
まで温度上昇し、約50mol−%が気化される。この
約50mol−%が気化されたLNGは熱交換器16a
から導出されたのち、その一部が加温器4に導入され、
その残部が、CO変成器12から出るプロセスガスを冷
却するための熱交換器13に導入され、それぞれが加温
器4,熱交換器13で完全に気化され、常温のNGとな
る。
部のNG(30〜45mol−%)は水蒸気改質炉11
に熱を与えるための燃料として用いられ、残りのNG
は、原料NGとしてスチームとともに水蒸気改質炉11
内に導入される。この水蒸気改質炉11では、750〜
850℃でNi系触媒により、主に下記の式(1)で示
される改質反応を行う。
4倍である。また、水蒸気改質炉11出口のプロセスガ
スの組成は、H2 :45.5mol−%、CO:6.8
mol−%、CH4 :3.0mol−%、H2 O:3
7.6mol−%、N2 :0.3mol−%であり、圧
力は0.89MPaである。
プロセスガスはCO変成器12に導入される。このCO
変成器12では、230〜270℃で酸化鉄系触媒によ
り、主に下記の式(2)で示されるCOシフト反応を起
こす。
の組成は、H2 :74.5mol−%、CO2 :17.
9mol−%、CO:2.0mol−%、CH4 :4.
3mol−%、H2 O:0.9mol−%、N2 :0.
4mol−%であり、圧力は0.79MPaである。以
上が水素発生部の工程である。
熱交換器13を通って冷却され、ドレン器14を通って
ドレン水を除去されたのち、常温吸着部15に導入され
る。この常温吸着部15では、モレキュラーシーブ,活
性アルミナおよび活性炭等が吸着剤として用いられ、圧
力差による吸着容量の差を利用したPSA法が行われて
おり、主にH2 O,CO2 が除去される。また、この常
温吸着部15出口のプロセスガスの組成は、H2 :9
1.7mol−%、CO:2.5mol−%、CH4 :
5.3mol−%、N2 :0.5mol−%であり、圧
力は0.74MPaである。
プロセスガスは低温吸着部16に導入され、低温吸着部
16の熱交換器16aに導入されたLNGの寒冷エネル
ギーで−120℃まで冷却されながら、残りのCH4 ,
CO,N2 ,Ar等の微量成分が吸着除去される。その
結果、H2 純度99.99999mol−%にまで精製
され、製品水素となる。この低温吸着部16では、活性
炭が吸着剤として用いられ、温度差による吸着容量の差
を利用したTSA法が行われており、主にCH 4 ,C
O,N2 ,Ar等が吸着除去される。また、低温吸着部
16の精製処理中の吸着剤およびプロセスガスには常に
LNGから寒冷エネルギーが補給されており、−120
℃に保たれている。また、製品水素回収率については、
常温吸着部15で70〜80%で、低温吸着部16で9
5%である。
を用いているが、これに限定するものではなく、部分酸
化法を用いてもよい。
よれば、低温吸着部において、ここを通過する水素や低
温吸着部の吸着除去手段を液化炭化水素の冷熱(すなわ
ち、寒冷エネルギー)により冷却して低温状態に保持す
るとともに、上記水素や吸着除去手段との熱交換により
気化した炭化水素を上記水素の組成原料として用いるよ
うにしている。したがって、液化炭化水素の形態で炭化
水素をタンク等の貯蔵手段に貯蔵し、この貯蔵手段から
供給される液化炭化水素の冷熱を、上記低温状態に保持
するための寒冷源として利用したのち、上記寒冷源とし
ての作用を終えて気化した炭化水素を上記水素の組成原
料として利用することができる。このため、従来例のよ
うにLN2 を外部から供給して低温吸着部を冷却する必
要がなく、水素製造コストを大幅に削減することができ
る。しかも、原料となる液化炭化水素が持つ貴重な寒冷
エネルギーを損失することがない。さらに、液化炭化水
素を気化させて炭化水素を生成するための特別な手段、
例えば、従来例のような蒸発器18が必要でなく、設備
価格やランニングコストを削減することができる。
素製造方法と同様に、液化炭化水素の形態で炭化水素を
タンク等の貯蔵手段に貯蔵し、この貯蔵手段から供給さ
れる液化炭化水素を低温吸着部に導入し、この低温吸着
部で液化炭化水素の冷熱を、上記低温状態に保持するた
めの寒冷源として利用し、つぎに、上記寒冷源としての
作用を終えて気化したのち低温吸着部から導出した炭化
水素を上記水素の組成原料として利用することができ
る。したがって、上記水素製造方法と同様に、上記優れ
た効果を奏する。
水素を原料として製造した水素を低温吸着部に導入する
に先立って、上記水素を、寒冷源としての作用を終えて
気化した炭化水素と熱交換させることにより、炭化水素
の冷熱で降温させるようにした場合、および、本発明の
水素製造装置において、上記水素発生部と低温吸着部と
の間に、水素発生部で製造した水素および寒冷源として
の作用を終えて気化したのち低温吸着部から導出した炭
化水素の双方を導入する熱交換器を設け、この熱交換器
で炭化水素の冷熱により降温させた水素を低温吸着部に
導入するように構成した場合には、炭化水素を原料とし
て製造した水素を低温吸着部に導入するに先立って、上
記水素を降温させるための寒冷源として、寒冷源として
の作用を終えて気化した炭化水素の冷熱を有効利用する
ことができる。
略フロー図である。
図である。
Claims (6)
- 【請求項1】 炭化水素を原料として製造した水素を低
温吸着部に導入しこの低温吸着部を通過する際に水素中
の不純物を低温状態で吸着除去して精製する方法であっ
て、上記低温状態に保持するための寒冷源として、液化
炭化水素の冷熱を利用し、上記寒冷源としての作用を終
えて気化した炭化水素を上記水素の組成原料として用い
るようにしたことを特徴とする水素製造方法。 - 【請求項2】 上記炭化水素が天然ガスで、上記液化炭
化水素が液化天然ガスである請求項1記載の水素製造方
法。 - 【請求項3】 上記炭化水素を原料として製造した水素
を低温吸着部に導入するに先立って、上記水素を、寒冷
源としての作用を終えて気化した炭化水素と熱交換させ
ることにより、炭化水素の冷熱で降温させるようにした
請求項1または2記載の水素製造方法。 - 【請求項4】 炭化水素を原料として水素を製造する水
素発生部と、この水素発生部で製造した水素を導入して
水素中の不純物を低温状態で吸着除去して精製する低温
吸着部とを備え、上記低温状態に保持するための寒冷源
として、低温吸着部に液化炭化水素を導入し、上記寒冷
源としての作用を終えて気化したのち低温吸着部から導
出した炭化水素を上記水素の組成原料として水素発生部
に供給するように構成したことを特徴とする水素製造装
置。 - 【請求項5】 上記炭化水素が天然ガスで、上記液化炭
化水素が液化天然ガスである請求項4記載の水素製造装
置。 - 【請求項6】 上記水素発生部と低温吸着部との間に、
水素発生部で製造した水素および寒冷源としての作用を
終えて気化した炭化水素の双方を導入する熱交換器を設
け、この熱交換器で炭化水素の冷熱により降温させた水
素を低温吸着部に導入するように構成した請求項4また
は5記載の水素製造装置。
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