JP2004075485A - 水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】定常運転時に製品水素の純度低下を起こしたとき、その運転を停止することなく、製品水素の純度低下を起こした初期の段階で純度低下を修正できる水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を得る。
【解決手段】水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を備えてなる水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置。
【選択図】図3
【解決手段】水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を備えてなる水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置。
【選択図】図3
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素の工業的製造方法の一つである炭化水素の水蒸気改質法においては水蒸気改質器が用いられ、炭化水素すなわち都市ガス等の原料ガスが触媒反応により水素を主成分とする改質ガスへ変えられる。該改質器は、概略、燃料ガスを空気で燃焼させるバーナーを備える燃焼部と改質部からなり、燃焼部からの熱(ΔH)が改質部に供給され、改質部において、原料ガスが水蒸気による改質反応により改質ガスへ変えられる。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、さらに未改質の炭化水素が含まれている。このため、改質ガスを例えば光ファイバー製造用に使用したのでは製品品質に影響する。
【0003】
特に、水素中のCO濃度は、例えば金属表面処理、ガラス加工、光ファイバー製造用ではCO濃度1ppm(容量ppm、以下ppmについて同じ)が限度であり、これを超えると製品品質に著しく影響する。このため、改質ガスは、それらの用途に供する前に精製してCOを除去し、その濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下というように低下させておく必要がある。
【0004】
圧力スイング吸着法(PSA法:Pressure Swing Adsorption Method)はそのような高純度の水素を得るための水素精製法の一つであるが、PSA法では、改質器で生成しCO変成器を経た変成済み改質ガス中の不純物を吸着剤層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。図1は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置(以下、適宜4塔式PSA装置またはPSA装置という)の態様例を示す図で、吸着剤を充填した各吸着塔A〜D、配管、各弁等の配置関係を示している。
【0005】
図1に示すような4塔式PSA装置においては、吸着、均圧減圧、均圧保持、減圧、ブローダウン、パージ、均圧昇圧、水素昇圧の各工程が繰り返され、ブローダウン及びパージの工程で発生するオフガスは4塔式PSA装置の系外に排出される。図2は、図1に示す水素精製用4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。
【0006】
都市ガス等の原料ガスを改質する水蒸気改質器(燃焼部+改質部)からCO変成器を経て得られる改質ガスはA塔に供給され、ここで水分(H2O)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)等の不純物の吸着が行われ、吸着されない水素が製品水素となる。この間、B塔ではブローダウン、これに続くパージの工程が行われ、C塔では均圧減圧、これに続く均圧保持、これに続く減圧の工程が行われ、D塔では均圧昇圧、これに続く水素昇圧の工程が行われる。
【0007】
改質ガスの供給は、A塔において不純物、特にCOが飽和して破過する前に、自動的にD塔に切換えられる。この時点で、A塔は均圧減圧から減圧保持、これに続く減圧の工程へ切り換えられ、またB塔は均圧昇圧から水素昇圧の工程へ切り換えられ、C塔はブローダウンからパージの工程へ切り換えられる。以降、これら工程を図2に示すように順次自動的に切り換え、繰り返して連続的に操作され、図2で言えばステップ1からステップ12までで一サイクルとなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、4塔式PSA装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと精製目的を達成し得ず、例えば金属表面処理、ガラス加工、光ファイバー製造等の所要用途に供することはできない。純度低下の原因としては、▲1▼吸着時間の不適切、例えば制御弁のヒステリシス(位置ずれ)、摩耗等による時間ずれ、▲2▼原料ガス(被処理ガス)、すなわち改質ガス中の不純物の増加、▲3▼改質ガスの温度上昇に伴う吸着能力の低下、▲4▼吸着剤の再生不良、例えば再生圧の高過ぎ、その他多数の要因が考えられ、これらが単独ないし相乗して作用するものと考えられる。
【0009】
このため、従来においては、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと製品水素の送出(製品水素導出管から水素を得ること)を直ちに停止し、PSA装置を手動操作によりサイクル時間を早める再生運転を行っていた。この再生運転中は、製品水素の供給量が要求量に合わなかった場合、カードル水素(トレーラー水素)等により不足量を補う必要が生じていた。
【0010】
本発明は、水素精製用の4塔式圧力スイング吸着装置において生じる以上の問題を解決するためになされたものであり、4塔式PSA装置の定常運転時に製品水素の純度低下を起こしたとき、その運転を停止することなく、製品水素の純度低下を起こした初期の段階で純度低下を修正する制御機構を備えてなる水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置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、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を備えてなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を提供する。
【0012】
また、本発明は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正するゲインパラメータを備えた制御機構を配置してなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の水素精製用4塔式PSA装置は、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、改質系、CO変成系を含む水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら製品水素の純度を回復するため、4塔式PSA装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機能を備えてなることを特徴とする。ここで改質系とは関連する配管等を含む水蒸気改質器を意味し、CO変成系とは関連する配管等を含むCO変成器を意味する。
【0014】
4塔式PSA装置における機械的故障以外の運転状況に起因する純度不良の回復は4塔式PSA装置のサイクル時間の修正により可能であり、回復時間はサイクル時間の時間短縮に比例する。一方、4塔式PSA装置での回収率低下により、改質系、CO変成系からの改質ガス供給量はサイクル時間の時間短縮に反比例する。本発明においては、これを利用して製品水素の製造継続と製品水素品質の回復を両立させることができる。
【0015】
本発明においては、4塔式PSA装置からの製品水素導出管にCO分析計を配置し、4塔式PSA装置の運転中、製品水素の純度を連続して計測する。そして、CO分析計による計測の結果、製品水素の純度が低下したとき、4塔式PSA装置のサイクル時間を早める。すなわち、4塔式PSA装置をクリーニングモード(クリーニング運転)にする。サイクル時間は制御機構に備えたゲインパラメータにより調整する。サイクル時間を早めると各吸着塔のクリーニングが早目に行われるので製品水素の純度が早めに回復する。
【0016】
ところで、上記のようにサイクル時間を早めると製品水素の純度が早めに回復するが、しかし、その一方で、4塔式PSA装置での水素回収率が悪化し、得られる製品水素の量が減少する。すなわち、サイクル時間を早めるとき、4塔式PSA装置への供給ガス量〔4塔式PSA装置に供給する原料ガス(被処理ガス)、すなわちCO変成器を経た変成済み改質ガスの量〕を一定とするとPSA装置により得られる製品水素量が減少し、製品水素の送出圧力、例えば製品水素ホルダー圧力が低下する。
【0017】
これを回避して、製品水素量をクリーニング運転前と同一にするには、4塔式PSA装置への供給改質ガス量を増やす必要がある。この増量は、改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を増やすことにより生成改質ガス量を増やし、CO変成器を経て得られる改質ガス量を増やすが、この増量を自動操作で行う。当該自動操作は製品水素ホルダーの圧力の低下に応じて行われる。
【0018】
このように、製品水素の純度低下を起こした初期の段階において、自動負荷変動を継続して製品水素を供給しながら、製品水素の純度を回復する。このため、本発明においては、4塔式PSA装置の負荷に対してサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を配置し、且つ、製品水素量の増量を自動操作で行う制御機構を配置する。図3は、改質系、CO変成系を含む水素製造装置に水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を連結した高純度水素製造装置に対し、本発明の制御機構を配置した態様を示す図である。
【0019】
図3のとおり、改質系、CO変成系、PSA装置、製品水素ホルダーを備える系に、▲1▼CO分析計、▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構、▲3▼PSA自動負荷設定機構、▲4▼圧力計(製品水素ホルダー圧力計)、▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構、▲6▼改質系自動負荷設定機構を配置する。このうち▲1▼〜▲3▼はクリーニングモードが関連する機構であり、▲4▼〜▲6▼は製品水素量の増量運転、改質器の負荷及び負荷変動速度を安全側に制御する機構である。
【0020】
〈クリーニング運転〉
▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構においてクリーニングモードの要否を判定する。このためPSA装置からの製品水素出口導管に配置された▲1▼CO分析計により製品水素中のCO濃度を連続して計測する。その計測値によりクリーニングモードへの変更の有無、これが有の場合すなわち変更を要する場合におけるその程度を判定する。すなわち、予め設定したCO濃度を基準値とし、計測されたCO濃度が基準値を超えたとき、クリーニングモードが要の判定をする。クリーニングモードが要の場合、その時点のPSA負荷に対して0〜20%の予め設定したゲインパラメータを基にPSA装置のサイクル時間を短縮する。
【0021】
例えば、製品水素中のCO濃度の上限値を1.0ppmとし、これを制限値(Max値)とする場合、運転中に計測されたCO濃度が、通常は殆ど0ppm(上限値1.0ppmに対するCO濃度増加分)であるのに対して、例えば0.2ppmまで増加したとすると、該▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構によりクリーニングモードが要と判定され、PSA装置を自動的にクリーニングモードに切り換える。すなわち、サイクル時間を早めることによりパージ量を増やす。ここで、サイクル時間をどの程度早めるかはCO濃度設定値に対応して▲3▼PSA自動負荷設定機構により行う。
【0022】
〈製品水素量の増量運転〉
サイクル時間を早めるとき、PSA装置へ供給する改質ガス量を一定とすると、PSA装置により得られる製品水素量が減少し、製品水素圧力、すなわち製品水素ホルダー内の圧力が低下する。これを補い、製品水素量を低下前と同一とするには、PSA装置への供給改質ガス量を増やす必要がある。この増量は、改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を増やすことにより改質ガス量を増やし、CO変成器を経て得られる改質ガス量を増やすが、この増量を自動操作で行う。
【0023】
製品水素ホルダー内の圧力は▲4▼圧力計(製品水素ホルダー圧力計)により計測される。ここで連続して計測された圧力は、逐次▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構に伝えられる。▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構では、製品水素ホルダー内圧力に対応する必要負荷が自動的に決定され、計測された圧力に応じて負荷が自動設定される。この信号が▲6▼改質系自動負荷設定機構に伝えられる。
【0024】
また、▲6▼改質系自動負荷設定機構により、圧力低下の程度に対応して改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を自動的に増やすように、それら各流体導管に配置された制御弁(FC)の開度を調整し、合わせて改質器が過負荷とならないように制御し、また負荷変動速度を制御する。
本発明においては、以上のようにして、製品水素の製造継続と製品水素品質の回復を両立させることができる。
【0025】
【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、本発明が本実施例に限定されないことはもちろんである。図1に示す水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置(PSA装置)を使用し、これに図3に示す制御機構を配置して実施した。各吸着塔A、B、C、Dに混合床として活性炭、ゼオライトを充填した。本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は図2のとおりである。また、PSA装置からのパージガス(オフガス)を改質器で必要なバーナー用燃料ガスとして用いた。
【0026】
都市ガス(脱硫済み)を水蒸気改質器で改質し、CO変成器を経て得られる改質ガスをPSA装置に供給した。定常運転で500Nm3/hの水素ガスを製造する本装置を起動し、CO濃度及び製品水素ホルダー内圧力を計測しながら連続的に運転した。製品水素の純度低下は自動的に回復し、また、製品水素ホルダー内圧力が低下しても自動的に回復した。こうして、本水素製造装置の運転開始以降長期間にわたり停止することなく必要製品水素を供給し順調に運転を続けることができた。
【0027】
一方、比較例(従来技術)として、本発明の制御機構を配置しない点以外は、実施例と同様にして実施した。すなわち、上記と同様の水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を用い、図3に示す制御機構を配置せずに実施した。CO濃度計、製品水素ホルダー圧力計は配置している。その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすとPSA装置を直ちに停止した。PSA装置の純度回復操作には1〜2時間というように時間を要した。このため、改質器からCO変成器、CO変成器からPSA装置に至る水素製造装置を停止せざるを得ず、これらの再起動にも少なくとも3時間を要した。
【0028】
【発明の効果】
従来においては、定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと製品水素の送出を直ちに停止し、PSA装置を手動操作にてサイクル時間を早め再生運転を行っていた。この再生運転中は、製品水素の供給量が要求量に合わなかった場合、カードル水素(トレーラー水素)等により不足量を補う必要が生じていた。これに対して、本発明によれば、4塔式PSA装置の定常運転時に製品水素の純度低下を起こしたとき、その運転を停止することなく、製品水素の純度低下を起こした初期の段階で純度低下を修正することができ、これにより長期間にわたり停止することなく必要製品水素を供給し順調に運転を続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置の態様例を示す図
【図2】図1に示す水素精製用4塔式圧力スイング吸着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3】改質系、CO変成系を含む水素製造装置に水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を連結した高純度水素製造装置に対し、本発明の制御機能を配置した態様を示す図
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
水素の工業的製造方法の一つである炭化水素の水蒸気改質法においては水蒸気改質器が用いられ、炭化水素すなわち都市ガス等の原料ガスが触媒反応により水素を主成分とする改質ガスへ変えられる。該改質器は、概略、燃料ガスを空気で燃焼させるバーナーを備える燃焼部と改質部からなり、燃焼部からの熱(ΔH)が改質部に供給され、改質部において、原料ガスが水蒸気による改質反応により改質ガスへ変えられる。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、さらに未改質の炭化水素が含まれている。このため、改質ガスを例えば光ファイバー製造用に使用したのでは製品品質に影響する。
【0003】
特に、水素中のCO濃度は、例えば金属表面処理、ガラス加工、光ファイバー製造用ではCO濃度1ppm(容量ppm、以下ppmについて同じ)が限度であり、これを超えると製品品質に著しく影響する。このため、改質ガスは、それらの用途に供する前に精製してCOを除去し、その濃度を1ppm以下、好ましくは0.1ppm以下というように低下させておく必要がある。
【0004】
圧力スイング吸着法(PSA法:Pressure Swing Adsorption Method)はそのような高純度の水素を得るための水素精製法の一つであるが、PSA法では、改質器で生成しCO変成器を経た変成済み改質ガス中の不純物を吸着剤層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。図1は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置(以下、適宜4塔式PSA装置またはPSA装置という)の態様例を示す図で、吸着剤を充填した各吸着塔A〜D、配管、各弁等の配置関係を示している。
【0005】
図1に示すような4塔式PSA装置においては、吸着、均圧減圧、均圧保持、減圧、ブローダウン、パージ、均圧昇圧、水素昇圧の各工程が繰り返され、ブローダウン及びパージの工程で発生するオフガスは4塔式PSA装置の系外に排出される。図2は、図1に示す水素精製用4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。
【0006】
都市ガス等の原料ガスを改質する水蒸気改質器(燃焼部+改質部)からCO変成器を経て得られる改質ガスはA塔に供給され、ここで水分(H2O)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO2)、メタン(CH4)等の不純物の吸着が行われ、吸着されない水素が製品水素となる。この間、B塔ではブローダウン、これに続くパージの工程が行われ、C塔では均圧減圧、これに続く均圧保持、これに続く減圧の工程が行われ、D塔では均圧昇圧、これに続く水素昇圧の工程が行われる。
【0007】
改質ガスの供給は、A塔において不純物、特にCOが飽和して破過する前に、自動的にD塔に切換えられる。この時点で、A塔は均圧減圧から減圧保持、これに続く減圧の工程へ切り換えられ、またB塔は均圧昇圧から水素昇圧の工程へ切り換えられ、C塔はブローダウンからパージの工程へ切り換えられる。以降、これら工程を図2に示すように順次自動的に切り換え、繰り返して連続的に操作され、図2で言えばステップ1からステップ12までで一サイクルとなる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、4塔式PSA装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと精製目的を達成し得ず、例えば金属表面処理、ガラス加工、光ファイバー製造等の所要用途に供することはできない。純度低下の原因としては、▲1▼吸着時間の不適切、例えば制御弁のヒステリシス(位置ずれ)、摩耗等による時間ずれ、▲2▼原料ガス(被処理ガス)、すなわち改質ガス中の不純物の増加、▲3▼改質ガスの温度上昇に伴う吸着能力の低下、▲4▼吸着剤の再生不良、例えば再生圧の高過ぎ、その他多数の要因が考えられ、これらが単独ないし相乗して作用するものと考えられる。
【0009】
このため、従来においては、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと製品水素の送出(製品水素導出管から水素を得ること)を直ちに停止し、PSA装置を手動操作によりサイクル時間を早める再生運転を行っていた。この再生運転中は、製品水素の供給量が要求量に合わなかった場合、カードル水素(トレーラー水素)等により不足量を補う必要が生じていた。
【0010】
本発明は、水素精製用の4塔式圧力スイング吸着装置において生じる以上の問題を解決するためになされたものであり、4塔式PSA装置の定常運転時に製品水素の純度低下を起こしたとき、その運転を停止することなく、製品水素の純度低下を起こした初期の段階で純度低下を修正する制御機構を備えてなる水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置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、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を備えてなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を提供する。
【0012】
また、本発明は、水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正するゲインパラメータを備えた制御機構を配置してなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の水素精製用4塔式PSA装置は、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、改質系、CO変成系を含む水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら製品水素の純度を回復するため、4塔式PSA装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機能を備えてなることを特徴とする。ここで改質系とは関連する配管等を含む水蒸気改質器を意味し、CO変成系とは関連する配管等を含むCO変成器を意味する。
【0014】
4塔式PSA装置における機械的故障以外の運転状況に起因する純度不良の回復は4塔式PSA装置のサイクル時間の修正により可能であり、回復時間はサイクル時間の時間短縮に比例する。一方、4塔式PSA装置での回収率低下により、改質系、CO変成系からの改質ガス供給量はサイクル時間の時間短縮に反比例する。本発明においては、これを利用して製品水素の製造継続と製品水素品質の回復を両立させることができる。
【0015】
本発明においては、4塔式PSA装置からの製品水素導出管にCO分析計を配置し、4塔式PSA装置の運転中、製品水素の純度を連続して計測する。そして、CO分析計による計測の結果、製品水素の純度が低下したとき、4塔式PSA装置のサイクル時間を早める。すなわち、4塔式PSA装置をクリーニングモード(クリーニング運転)にする。サイクル時間は制御機構に備えたゲインパラメータにより調整する。サイクル時間を早めると各吸着塔のクリーニングが早目に行われるので製品水素の純度が早めに回復する。
【0016】
ところで、上記のようにサイクル時間を早めると製品水素の純度が早めに回復するが、しかし、その一方で、4塔式PSA装置での水素回収率が悪化し、得られる製品水素の量が減少する。すなわち、サイクル時間を早めるとき、4塔式PSA装置への供給ガス量〔4塔式PSA装置に供給する原料ガス(被処理ガス)、すなわちCO変成器を経た変成済み改質ガスの量〕を一定とするとPSA装置により得られる製品水素量が減少し、製品水素の送出圧力、例えば製品水素ホルダー圧力が低下する。
【0017】
これを回避して、製品水素量をクリーニング運転前と同一にするには、4塔式PSA装置への供給改質ガス量を増やす必要がある。この増量は、改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を増やすことにより生成改質ガス量を増やし、CO変成器を経て得られる改質ガス量を増やすが、この増量を自動操作で行う。当該自動操作は製品水素ホルダーの圧力の低下に応じて行われる。
【0018】
このように、製品水素の純度低下を起こした初期の段階において、自動負荷変動を継続して製品水素を供給しながら、製品水素の純度を回復する。このため、本発明においては、4塔式PSA装置の負荷に対してサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を配置し、且つ、製品水素量の増量を自動操作で行う制御機構を配置する。図3は、改質系、CO変成系を含む水素製造装置に水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を連結した高純度水素製造装置に対し、本発明の制御機構を配置した態様を示す図である。
【0019】
図3のとおり、改質系、CO変成系、PSA装置、製品水素ホルダーを備える系に、▲1▼CO分析計、▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構、▲3▼PSA自動負荷設定機構、▲4▼圧力計(製品水素ホルダー圧力計)、▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構、▲6▼改質系自動負荷設定機構を配置する。このうち▲1▼〜▲3▼はクリーニングモードが関連する機構であり、▲4▼〜▲6▼は製品水素量の増量運転、改質器の負荷及び負荷変動速度を安全側に制御する機構である。
【0020】
〈クリーニング運転〉
▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構においてクリーニングモードの要否を判定する。このためPSA装置からの製品水素出口導管に配置された▲1▼CO分析計により製品水素中のCO濃度を連続して計測する。その計測値によりクリーニングモードへの変更の有無、これが有の場合すなわち変更を要する場合におけるその程度を判定する。すなわち、予め設定したCO濃度を基準値とし、計測されたCO濃度が基準値を超えたとき、クリーニングモードが要の判定をする。クリーニングモードが要の場合、その時点のPSA負荷に対して0〜20%の予め設定したゲインパラメータを基にPSA装置のサイクル時間を短縮する。
【0021】
例えば、製品水素中のCO濃度の上限値を1.0ppmとし、これを制限値(Max値)とする場合、運転中に計測されたCO濃度が、通常は殆ど0ppm(上限値1.0ppmに対するCO濃度増加分)であるのに対して、例えば0.2ppmまで増加したとすると、該▲2▼PSA自動クリーニングモード設定機構によりクリーニングモードが要と判定され、PSA装置を自動的にクリーニングモードに切り換える。すなわち、サイクル時間を早めることによりパージ量を増やす。ここで、サイクル時間をどの程度早めるかはCO濃度設定値に対応して▲3▼PSA自動負荷設定機構により行う。
【0022】
〈製品水素量の増量運転〉
サイクル時間を早めるとき、PSA装置へ供給する改質ガス量を一定とすると、PSA装置により得られる製品水素量が減少し、製品水素圧力、すなわち製品水素ホルダー内の圧力が低下する。これを補い、製品水素量を低下前と同一とするには、PSA装置への供給改質ガス量を増やす必要がある。この増量は、改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を増やすことにより改質ガス量を増やし、CO変成器を経て得られる改質ガス量を増やすが、この増量を自動操作で行う。
【0023】
製品水素ホルダー内の圧力は▲4▼圧力計(製品水素ホルダー圧力計)により計測される。ここで連続して計測された圧力は、逐次▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構に伝えられる。▲5▼水素製造装置自動負荷設定機構では、製品水素ホルダー内圧力に対応する必要負荷が自動的に決定され、計測された圧力に応じて負荷が自動設定される。この信号が▲6▼改質系自動負荷設定機構に伝えられる。
【0024】
また、▲6▼改質系自動負荷設定機構により、圧力低下の程度に対応して改質系への原料ガス、水、燃料ガス及び空気の量を自動的に増やすように、それら各流体導管に配置された制御弁(FC)の開度を調整し、合わせて改質器が過負荷とならないように制御し、また負荷変動速度を制御する。
本発明においては、以上のようにして、製品水素の製造継続と製品水素品質の回復を両立させることができる。
【0025】
【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、本発明が本実施例に限定されないことはもちろんである。図1に示す水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置(PSA装置)を使用し、これに図3に示す制御機構を配置して実施した。各吸着塔A、B、C、Dに混合床として活性炭、ゼオライトを充填した。本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は図2のとおりである。また、PSA装置からのパージガス(オフガス)を改質器で必要なバーナー用燃料ガスとして用いた。
【0026】
都市ガス(脱硫済み)を水蒸気改質器で改質し、CO変成器を経て得られる改質ガスをPSA装置に供給した。定常運転で500Nm3/hの水素ガスを製造する本装置を起動し、CO濃度及び製品水素ホルダー内圧力を計測しながら連続的に運転した。製品水素の純度低下は自動的に回復し、また、製品水素ホルダー内圧力が低下しても自動的に回復した。こうして、本水素製造装置の運転開始以降長期間にわたり停止することなく必要製品水素を供給し順調に運転を続けることができた。
【0027】
一方、比較例(従来技術)として、本発明の制御機構を配置しない点以外は、実施例と同様にして実施した。すなわち、上記と同様の水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を用い、図3に示す制御機構を配置せずに実施した。CO濃度計、製品水素ホルダー圧力計は配置している。その定常運転時に製品水素の純度低下を起こすとPSA装置を直ちに停止した。PSA装置の純度回復操作には1〜2時間というように時間を要した。このため、改質器からCO変成器、CO変成器からPSA装置に至る水素製造装置を停止せざるを得ず、これらの再起動にも少なくとも3時間を要した。
【0028】
【発明の効果】
従来においては、定常運転時に製品水素の純度低下を起こすと製品水素の送出を直ちに停止し、PSA装置を手動操作にてサイクル時間を早め再生運転を行っていた。この再生運転中は、製品水素の供給量が要求量に合わなかった場合、カードル水素(トレーラー水素)等により不足量を補う必要が生じていた。これに対して、本発明によれば、4塔式PSA装置の定常運転時に製品水素の純度低下を起こしたとき、その運転を停止することなく、製品水素の純度低下を起こした初期の段階で純度低下を修正することができ、これにより長期間にわたり停止することなく必要製品水素を供給し順調に運転を続けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置の態様例を示す図
【図2】図1に示す水素精製用4塔式圧力スイング吸着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3】改質系、CO変成系を含む水素製造装置に水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置を連結した高純度水素製造装置に対し、本発明の制御機能を配置した態様を示す図
Claims (3)
- 水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正する制御機構を備えてなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置。
- 水蒸気改質器及びCO変成器を含む水素製造装置に連結した水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置において、その定常運転時に製品水素の純度低下を起こした初期の段階で、水素製造装置の自動負荷変動を継続して製品水素を製造しながら水素純度を回復するため、該圧力スイング吸着装置のサイクル時間を早めるよう修正するゲインパラメータを備えた制御機構を配置してなることを特徴とする水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置。
- 前記製品水素の純度低下の有無を水素精製用4塔式圧力スイング吸着装置の製品水素出口導管に配置したCO分析計で測定される製品水素中のCO濃度により判断するようにしてな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4塔式圧力スイング吸着装置。
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