JP2003040603A - 水素発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 補給水の昇温エネルギーの低減と、補給水と
循環水との合流点の温度差に伴う熱応力の発生の抑制を
図った水素発生装置を提供する。 【解決手段】 天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノール
などの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気（ス
チーム）により水素リッチなガスに改質する改質器１
と、この改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング
吸着装置（ＰＳＡ）５と、水蒸気分離器２と、水蒸気分
離器内の水を加熱して前記スチームを発生させる水加熱
器とを備え、この水加熱器は、前記改質器の燃焼排ガス
により水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質
器排熱回収用熱交換器４０と補助電気ヒータ５０とから
なる水素発生装置において、前記改質器排熱回収用熱交
換器４０から排出する改質器の燃焼排ガスにより、水蒸
気分離器２への補給水を予熱する給水予熱器６４を備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】この発明は、天然ガス，ＬＮ
Ｇ，ＬＰＧ，メタノールなどの炭化水素を主成分とする
原燃料ガスと水蒸気（スチーム）とから、水素を製造す
る水素発生装置に関する。

【従来の技術】雰囲気ガスとして水素を用いる工業用装
置や燃料電池発電プラントなどにおいては、水素発生装
置が必要である。従来、水素発生装置の一つとして、天
然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの原料ガスを
水蒸気とともに触媒層を通過させることにより水素リッ
チな改質ガスを生成する改質器と、改質ガスから水素を
分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）とで構成
した水素発生装置が採用されている。この種の水素発生
装置に関して、本件出願人は、水素負荷の変動に伴うス
チーム供給制御の制御性の向上と、全体としてエネルギ
ー効率の向上を図ることを目的とした装置を提案してい
る（特願２０００−２４２２８１参照）。図３は、上記
特願２０００−２４２２８１に記載された水素発生装置
の概略システム系統図を示す。図３に示す水素発生装置
は、まず触媒層を有する改質管１ａとバーナ１ｂとを備
えた改質器１と、改質ガスから水素を分離精製するＰＳ
Ａ５と、ＰＳＡ５において水素を分離除去処理した後の
まだ水素を含む残ガスを前記改質器のバーナ１ｂに供給
するための残ガス供給配管６を備える。改質原料ガスは
水蒸気とともに、改質原料ガス導入配管９から改質器１
の触媒層に導入され、触媒による改質反応によって水素
リッチなガスに改質され、ＣＯ変成器１０を経て、必要
に応じて図示しない圧縮機により圧縮された後、ＰＳＡ
５により精製され、水素濃度が高められる。前記改質反
応は吸熱反応のため、外部から熱を供給する必要があ
り、そのために、バーナの燃焼排ガスが加熱媒体として
利用される。このバーナの燃焼燃料としては、主に、前
記したＰＳＡ５において水素を分離除去処理した後のま
だ水素を含む残ガスが用いられ、流量制御弁８を介して
残ガスが、ＰＳＡ５からバーナ１ｂに供給される。残ガ
スのみでは、熱量が不十分の場合には、補助燃料をバー
ナ用補助燃料配管７から供給して燃焼させる。また、必
要に応じ、改質ガスの一部を燃焼ガスとして用いる場合
もある。バーナ１ｂには、空気供給配管１１から燃焼用
空気が供給される。次に、水蒸気および原燃料供給系統
について述べる。水蒸気分離器２で気液分離された蒸気
は、スチーム供給ライン１２に設けたスチーム流量制御
弁１３およびスチーム流量計（または圧力計）２３を経
て、エゼクタ４に導入され、原燃料ガス供給ライン１４
から天然ガスなどの原燃料（ガス）を前記水蒸気流のエ
ゼクタ吸引力により吸引して、原燃料ガスと水蒸気の混
合物を改質器１に導入する。原燃料は改質器における改
質反応により水素リッチなガスに改質される。改質器１
の燃焼排ガスラインには、改質器排熱回収用熱交換器４
０を設け、水蒸気分離器２内の水をポンプ３２によりこ
の熱交換器４０に送って、加熱により発生したスチーム
を水蒸気分離器２に還流するようにし、また、補助電気
ヒータ５０を上記水循環回路上に設け、水蒸気分離器２
内の圧力を略一定に制御するための電力調整装置５１を
設けて、電気ヒータ５０の出力を制御するようにしてい
る。水蒸気分離器２内の圧力は、例えば、ゲージ圧で、
略６．１kg/cm²（温度約１６０℃）に調整される。な
お、水蒸気分離器２の下方もしくは、例えば水蒸気分離
器２とポンプ３２との間の循環水系配管に対して、水供
給源３５から、改質器１で消費された水蒸気に相当する
量の補給水が供給される。原燃料ガス供給ライン１４
は、原燃料供給源１５とエゼクタ４との間に、原燃料ガ
ス流量計２６、原燃料ガス流量制御弁１６および脱硫器
１７を有し、原燃料ガス流量制御弁１６により水素負荷
に応じて燃料ガス供給量が調節される。都市ガスなどの
原燃料は腐臭剤としてイオウ成分を含んでいるので、こ
れを除去するために、脱硫器１７が設けられている。原
燃料ガスの一部は、原燃料ガス供給ライン１４から分岐
して、前述のようにバーナ用補助燃料配管７から改質器
用バーナ１ｂに供給される。ところで、前述のように、
原燃料ガス流量制御弁１６により水素負荷に応じて燃料
ガス供給量が調節されるが、原燃料ガスを増減するとき
は、スチーム流量も増減する必要がある。スチ−ム流量
は、原燃料ガス組成によって予め設定したＳ／Ｃ（原燃
料ガス中の炭素原子に対するスチームのモル数比）とな
るように決められる。図３における調節器２０は、予め
設定したＳ／Ｃとなるように、要求水素負荷に応じて、
前記原燃料ガス流量制御弁１６およびスチーム流量制御
弁１３の開度を調節する機能を有する。なお、上記Ｓ／
Ｃは通常、都市ガスやＬＰＧの場合には２．５〜４．
０、メタノールの場合には１．３〜２．０程度の範囲に
設定される。即ち、図３に示す水素発生装置は、要する
に、改質器１と、圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）５
と、水蒸気分離器２と水加熱器とを有する水蒸気発生装
置と、改質器に原燃料ガスおよび水蒸気を供給する各ラ
インに設けられた原燃料ガス流量制御弁１６およびスチ
ーム流量制御弁１３と、予め設定したＳ／Ｃとなるよう
に、水素負荷に応じて前記各流量制御弁の開度を調節す
る調節器２０とを備え、さらに、前記水加熱器は、改質
器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するた
めに設けた改質器排熱回収用熱交換器４０と補助電気ヒ
ータ５０とからなるものとし、また、補助電気ヒータ５
０は、水蒸気分離器内の圧力を略一定に制御するための
電力調整装置５１を備えるものである。上記構成によれ
ば、従来水加熱用の熱源として供給されていた加熱用蒸
気が不要となり、その分、省エネルギとなる。また、水
素負荷の増減に応じて原燃料ガス流量を増減し、これに
伴い改質ガス量も増減するために、必然的に改質に必要
な熱量が増減し、改質器排熱量も増減する。従って、水
加熱器としての改質器排熱回収用熱交換器４０における
水蒸気発生量も追随して増減するので、水素負荷の増減
と水蒸気発生量の増減とのマッチングにより、変動水蒸
気分離器内の圧力変動が、従来装置より小となる。さら
に、改質器排熱量では不足する加熱エネルギを、補助電
気ヒータ５０で補い圧力変動の微調整を行うことによ
り、制御性の向上を図ることができるとともに、全体と
して、エネルギー効率が向上する。

【発明が解決しようとする課題】上記のような水素発生
装置においても、エネルギー効率の観点から下記のよう
な問題があった。前記水素発生装置においては、前述の
ように、水蒸気分離器下方もしくは水蒸気分離器の循環
水系配管に対して、改質器で消費された改質用水蒸気に
相当する量の補給水が供給される。この場合、常温の補
給水が供給されるので、高温の水蒸気分離器の循環水温
度まで昇温させる必要があり、そのためのエネルギーが
必要である。さらに、補給水と循環水との合流点の温度
差に伴う熱応力の発生も、設備の信頼性の観点から好ま
しくない。この発明は、これらの上記に鑑みてなされた
もので、この発明の課題は、補給水の昇温エネルギーの
低減と、補給水と循環水との合流点の温度差に伴う熱応
力の発生の抑制を図った水素発生装置を提供することに
ある。

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
め、この発明においては、天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，
メタノールなどの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを
水蒸気（スチーム）により水素リッチなガスに改質する
改質器と、この改質ガスから水素を分離精製する圧力ス
イング吸着装置（ＰＳＡ）と、水蒸気分離器と、水蒸気
分離器内の水を加熱して前記スチームを発生させる水加
熱器とを備え、さらに、前記水加熱器は、前記改質器の
燃焼排ガスにより水蒸気分離器内の水を加熱するために
設けた改質器排熱回収用熱交換器と補助電気ヒータとか
らなる水素発生装置において、前記改質器排熱回収用熱
交換器から排出する前記改質器の燃焼排ガスにより、前
記水蒸気分離器への補給水を予熱する給水予熱器を備え
るものとする（請求項１の発明）。前記請求項１の発明
の実施態様としては、下記が好適である。即ち、請求項
１記載の水素発生装置において、補助電気ヒータは、前
記水蒸気分離器内の圧力を略一定に制御するための電力
調整装置を備えるものとする（請求項２の発明）。さら
に、請求項１または２のいずれかに記載の水素発生装置
において、ＰＳＡにおいて水素を分離精製処理した後の
残ガスを、前記改質器に設けたバーナに供給して燃焼さ
せるように構成したものとする（請求項３の発明）。前
記請求項１の発明によれば、改質器排熱を、水蒸気分離
器の水加熱および補給水予熱に有効に利用するので、ラ
ンニングコストが低減できる。また、請求項２および３
の発明によれば、制御性の向上およびエネルギー効率の
さらなる向上が図れる。さらに、前記請求項３に記載の
水素発生装置において、前記改質器の燃焼排ガスを前記
改質器排熱回収用熱交換器に供給するライン上に、前記
バーナに供給する燃焼用空気を前記改質器の燃焼排ガス
によって予熱するための空気予熱器と、前記ＰＳＡ残ガ
スの一部を燃焼させる触媒燃焼器とを設け、この触媒燃
焼器において前記空気予熱器から排出された燃焼排ガス
に含まれる残留酸素によって前記ＰＳＡ残ガスの一部を
燃焼させ、この燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱交
換器に供給してなるものとする（請求項４の発明）。上
記請求項４の発明によれば、改質器用バーナの燃焼排ガ
スと、触媒燃焼器における燃焼排ガスの双方が改質器排
熱回収用熱交換器に導入され、エネルギー回収できるの
で、エネルギー効率がさらに向上する。なお、改質器用
のバーナに供給される空気量は、通常、理論空燃比の
１．２〜１．５倍の空気量が供給されるので、バーナの
燃焼排ガス中には、余剰の酸素が残存し、これが触媒燃
焼器における燃焼用に利用できる。

【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下にのべる。図１は、この発明に関わる実
施例を示す水素発生装置の概略システム系統図で、図３
に示す系統図と同一構成部材には同一番号を付して説明
を省略する。図１と図３の主な相違点は、図１において
は、改質器排熱回収用熱交換器４０から排出する改質器
の燃焼排ガスにより、水蒸気分離器２への補給水を予熱
する給水予熱器６４を備える点である。図１において、
補給水は、補給水ライン６０から給水予熱器６４を経
て、水蒸気分離器２とポンプ３２との間の循環水系配管
に対して、給水ポンプ６２によって供給される。補給水
ライン６０は、水を純化するための水処理装置６１と逆
止弁６３とを備える。上記構成によれば、補給水を予熱
する分、エネルギー効率が向上する。図２は、図１とは
異なる実施例に関わる水素発生装置の概略システム系統
図を示す。図１と図２の主な相違点は、図２において
は、触媒燃焼器７０と空気予熱器７２とを備える点であ
る。前述のように、改質器の燃焼排ガスを改質器排熱回
収用熱交換器４０に供給するライン上に、改質器のバー
ナ１ｂに供給する燃焼用空気を前記改質器の燃焼排ガス
によって予熱するための空気予熱器７２を設け、この空
気予熱器７２から排出した改質器の燃焼排ガスと、ＰＳ
Ａ残ガスの一部を分岐ライン７４から触媒燃焼器７０に
通流して燃焼させた燃焼排ガスとを、改質器排熱回収用
熱交換器４０に供給することにより、エネルギー効率が
さらに向上する。なお、必要に応じて、触媒燃焼器７０
への空気供給ライン７６を設ける。

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、天然
ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノールなどの炭化水素を主
成分とする原燃料ガスを水蒸気（スチーム）により水素
リッチなガスに改質する改質器と、この改質ガスから水
素を分離精製する圧力スイング吸着装置（ＰＳＡ）と、
水蒸気分離器と、水蒸気分離器内の水を加熱して前記ス
チームを発生させる水加熱器とを備え、さらに、前記水
加熱器は、前記改質器の燃焼排ガスにより水蒸気分離器
内の水を加熱するために設けた改質器排熱回収用熱交換
器と補助電気ヒータとからなる水素発生装置において、
前記改質器排熱回収用熱交換器から排出する前記改質器
の燃焼排ガスにより、前記水蒸気分離器への補給水を予
熱する給水予熱器を備えるものとしたので、補給水の昇
温エネルギーの低減により、改良された従来の水素発生
装置に比較して、エネルギー効率のさらなる向上を図る
ことができる。また、補給水と循環水との合流点の温度
差に伴う熱応力の発生の抑制を図ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わる水素発生装置の概略
システム系統図

【図２】図１とは異なる実施例に関わる水素発生装置の
概略システム系統図

【図３】改良された従来の水素発生装置の概略システム
系統図

【符号の説明】

１：改質器、２：水蒸気分離器、４：エゼクタ、５：圧
力スイング吸着装置（ＰＳＡ）、６：残ガス供給配管、
１２：スチーム供給ライン、１３：スチーム流量制御
弁、１４：原燃料ガス供給ライン、１６：原燃料ガス流
量制御弁、３２：ポンプ、４０：改質器排熱回収用熱交
換器、５０：補助電気ヒータ、５１：電力調整装置、６
０：補給水ライン、６４：給水予熱器、７０：触媒燃焼
器、７２：空気予熱器。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 天然ガス，ＬＮＧ，ＬＰＧ，メタノール
   などの炭化水素を主成分とする原燃料ガスを水蒸気（ス
   チーム）により水素リッチなガスに改質する改質器と、
   この改質ガスから水素を分離精製する圧力スイング吸着
   装置（ＰＳＡ）と、水蒸気分離器と、水蒸気分離器内の
   水を加熱して前記スチームを発生させる水加熱器とを備
   え、さらに、前記水加熱器は、前記改質器の燃焼排ガス
   により水蒸気分離器内の水を加熱するために設けた改質
   器排熱回収用熱交換器と補助電気ヒータとからなる水素
   発生装置において、 前記改質器排熱回収用熱交換器から排出する前記改質器
   の燃焼排ガスにより、前記水蒸気分離器への補給水を予
   熱する給水予熱器を備えることを特徴とする水素発生装
   置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の水素発生装置におい
   て、補助電気ヒータは、前記水蒸気分離器内の圧力を略
   一定に制御するための電力調整装置を備えることを特徴
   とする水素発生装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれかに記載の水
   素発生装置において、ＰＳＡにおいて水素を分離精製処
   理した後の残ガスを、前記改質器に設けたバーナに供給
   して燃焼させるように構成したことを特徴とする水素発
   生装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の水素発生装置におい
   て、前記改質器の燃焼排ガスを前記改質器排熱回収用熱
   交換器に供給するライン上に、前記バーナに供給する燃
   焼用空気を前記改質器の燃焼排ガスによって予熱するた
   めの空気予熱器と、前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させ
   る触媒燃焼器とを設け、この触媒燃焼器において前記空
   気予熱器から排出された燃焼排ガスに含まれる残留酸素
   によって前記ＰＳＡ残ガスの一部を燃焼させ、この燃焼
   排ガスを前記改質器排熱回収用熱交換器に供給してなる
   ことを特徴とする水素発生装置。