JP2004231459A - Method and apparatus for generating hydrogen - Google Patents

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Kazuo Tsutsumi
香津雄 堤
Eiji Inoue
英二 井上
Kenichi Yajima
健一 矢島
Tadashi Nishimura
忠史 西村
Chikanori Kumagai
親徳 熊谷
Yasushi Sakakida
康史 榊田
Keiichi Komai
啓一 駒井
Shin Kojima
伸 小島
Atsushi Tsutsumi
敦司 堤
Tomohiro Akiyama
友宏 秋山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and an apparatus for generating only hydrogen through a low-temperature reaction. <P>SOLUTION: In a hydrogen-generating reactor 10, iron carbide 18 is brought into contact with steam or a steam-containing gas (reactant gas) to oxidize and/or hydroxylate the iron carbide and reduce the steam to generate a hydrogen gas, and the hydrogen gas is taken out of an exhaust-gas outlet conduit 22. Here, the thermochemical regeneration effect of iron carbide is enhanced by lowering the reaction temperature to ≤600°C, preferably to 200-500°C, more preferably to 200-400°C, by reducing the steam pressure to the atmospheric pressure or lower, preferably to ≤0.3 atm, more preferably to ≤0.1 atm. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アイアンカーバイド(炭化鉄、FeC)に水蒸気を接触させて水素を発生させる反応を利用した水素製造方法及び装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
水素は、従来のように石油の軽質化(クラッキング)のための原料や製鉄分野での還元用ガス等、各種化学反応用原料として用いられるだけでなく、近年は無公害の優れた原料として注目され、特に最近、安価で容易に水素を貯蔵できる水素貯蔵合金が商業化されたことにより、また、燃料電池の実用化により、水素の市場は急激に拡大しつつある。このような状況下にあって、チューブ内に天然ガスと水蒸気を導入して加熱し水素を製造する従来方式に代わり、もっと熱効率が良く、安価で、かつ簡単な方法の商業化が待たれており、各社が開発に凌ぎを削っている。
【0003】
従来の水素製造方法としては、水の電気分解と上述した天然ガス(炭化水素)の改質とがある。炭化水素の改質による水素製造方法は、炭化水素(ガス又は液体)に水蒸気を混合して反応させて水素及び一酸化炭素と二酸化炭素を得て、そのガスから水素を分離する方法である。
また、本出願人は、アイアンカーバイドを製造するプロセスを研究している過程で、アイアンカーバイドに水蒸気が触れると、アイアンカーバイドが鉄に変わるのと同時に水素と一酸化炭素等が発生することを発見している。すなわち、水とアイアンカーバイドを原料にして簡単に水素を発生させることを見出した。そこで、さらに検討した結果、この反応で得られる鉄は同反応により発生した一酸化炭素ガス等によって容易に再びアイアンカーバイドに転換させることができ、殆ど外部よりアイアンカーバイドを補給する必要なく連続的に水素を発生させるプロセスが実現できることを見出した(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
このプロセスは殆どアイアンカーバイド製造プロセスと同じような構成機器、すなわち、流動層炉、ガス加熱炉、湿式集塵機、ガス循環圧縮機等に加えて、ガス中から水素ガスを分離する装置からなる。また、このプロセスは、水素を貯蔵する代わりにアイアンカーバイドを貯蔵することにより、あたかも水素を貯蔵するのと同等になることを意味し、応用範囲が飛躍的に拡大する可能性がある。さらに、反応媒体として、鉄鉱石から製造されたアイアンカーバイドだけでなく、微細粒の鉄粉を固めたペレットから製造されたアイアンカーバイドや、あるいは鉄だけでなく他の種類の物質の炭化物を適用できる可能性もある。
また、上記の水素製造プロセスの応用技術として、アイアンカーバイドを原料として水素製造、発電、製鉄を行う方法及び装置が開発されている(例えば、特許文献2参照)。
【0005】
【特許文献1】
特許第2954585号公報
【特許文献2】
特開2002−194411号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
従来、水素製造は主に、先に述べた2つの方法(水の電気分解、炭化水素の改質)によっているが、いずれの方法も下記の欠点がある。
すなわち、水の電気分解では、高価な電力を必要とするため、経済的に使用可能な水素が得られない。また、電力を作る際の効率が低いので、エネルギー変換効率が悪いという問題がある。
炭化水素の改質では、ガス改質器の加熱ガス温度が1000℃以上であるため多量の熱(燃料)が必要である。同上の理由で、高温に耐える材料が必要であること、高温の排ガスの熱回収を行うための各種付帯設備が必要であること等により、設備費が多大となる。そして、水素製造の主原料が水と高価な天然ガスであるという問題がある。
【0007】
また、アイアンカーバイドに水蒸気を接触させて、水素及び一酸化炭素と純鉄を生成させる上記の技術では、経済的な反応速度を得るために、温度が400〜800℃の範囲、好ましくは、590〜680℃の範囲で行わしめることが望ましく、圧力が10kg/cm・G以下、好ましくは、大気圧以上で6kg/cm・G以下の範囲で行わしめることが望ましい。しかし、反応温度が比較的低温で、水蒸気圧力が比較的低い圧力であるとはいえ、さらに低い反応温度、低い水蒸気圧力で水素が製造できれば、エネルギー、コスト及び操作の面でさらに優れた水素製造プロセスとなる。また、上記の技術では、生成したガス(水素及び一酸化炭素)から水素を分離するために、膜分離装置、圧力スイング方式(PSA)分離装置等を用いる必要があるが、水素のみが発生する反応であれば、これらの設備は不要となる。
最近の研究では、アイアンカーバイドと水の反応機構がさらに詳細にわかっており、上記の水素生成反応に比べて、低い温度で別の水素生成反応が確認されている。
【0008】
本発明は上記の諸点に鑑みなされたもので、本発明の目的は、アイアンカーバイドと水を原料にして、さらに低い反応温度で、かつ低い圧力で簡単に水素を発生させることができ、低温の廃熱等の利用も可能となり、しかも、水素のみが発生するため、特別なガス分離装置が不要となり、設備、原料及び燃料等が安価になることから得られる水素の価格が安くなる、エネルギー、コスト、環境及び操作の面でさらに優れた水素製造方法及び装置を提供することにある。
また、本発明の目的は、アイアンカーバイドと水蒸気を反応させて水素を発生させ、酸化又は水酸化されたアイアンカーバイドは化石燃料等によって還元して再生し、再生したアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させることにより、全体のプロセスとして化石燃料等を水素に転換したことになる、エネルギー、コスト、環境及び操作の面でさらに優れた水素製造方法及び装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の水素製造方法は、アイアンカーバイド(炭化鉄、FeC)に水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させるように構成されている(図1〜図7参照)。上記の方法において、水蒸気圧力を大気圧以下、望ましくは0.3気圧以下、さらに望ましくは0.1気圧以下に下げることによって、反応温度を600℃以下、望ましくは200〜500℃、さらに望ましくは200〜400℃に下げて、熱化学再生効果を向上させることができる。反応温度が上記の下限値未満の場合は、経済的な反応速度が得られず、一方、反応温度が上記の上限値を超える場合は、本発明の方法における低温での水素発生反応があまり起こらず、しかも、多量の燃料が必要であったり、廃熱を利用するのにも制約が出てくる。さらに、反応容器を高温に耐える材料にしたり、高温の排ガスの熱回収を行うための各種付帯設備等が必要になり、コストが高くなる。水蒸気圧力が上記の上限値を超える場合は、本発明の方法における低温での水素発生反応があまり起こらない。
【0010】
また、上記の方法において、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを、水蒸気又は他の気体を反応温度以上にして直接接触させることで供給することができる。また、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを、反応温度以上の固体、液体又は気体を間接的に接触させることで供給してもよい。
【0011】
また、上記の方法において、発生した水素を水蒸気と分離して外部に取り出した後、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを600℃以上、望ましくは700℃以上に加熱して純鉄と水素及び一酸化炭素を含むガスを生成させることができる(図3参照)。なお、この場合、生成した純鉄の少なくとも一部を一酸化炭素及びメタンガスによって炭化してアイアンカーバイドに再生し、再生されたアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させる構成とすることも可能である。
【0012】
また、上記の方法において、発生した水素を水蒸気と分離して外部に取り出し、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを化石燃料又は/及びバイオマスによって還元してアイアンカーバイドに再生し、再生されたアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させる構成とすることが好ましい(図4〜図7参照)。この場合、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを天然ガスによって還元してアイアンカーバイドに再生することができる(図4参照)。また、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを石炭によって還元してアイアンカーバイドに再生することができる(図5〜図7参照)。具体的には、例えば、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドに、石炭と石炭燃焼に必要な量以下の空気又は酸素を供給して、石炭を部分燃焼させ、一酸化炭素及びメタンガスを発生させてアイアンカーバイドを再生する。また、石炭の燃焼で生成した石炭灰と再生されたアイアンカーバイドの分離、又は石炭灰と酸化もしくは/及び水酸化されたアイアンカーバイドの分離は、磁選によって行うことができる(図6、図7参照)。これらの方法においては、アイアンカーバイドの再生を600〜700℃で行い、再生されたアイアンカーバイド等の有する顕熱によって、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給することが好ましい。
【0013】
本発明の水素製造装置は、内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段とを備えたことを特徴としている(図2参照)。
【0014】
また、本発明の装置は、内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段と、水素発生反応器からの酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを加熱して純鉄と水素及び一酸化炭素を含むガスを生成させる加熱手段とを備えたことを特徴としている。加熱手段としては、一例として、流動層式加熱炉が用いられる(図3参照)。
【0015】
また、本発明の装置は、内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段と、水素発生反応器からの酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを化石燃料又は/及びバイオマスによって還元してアイアンカーバイドに再生する再生反応器とを備え、再生反応器で再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給するようにしたことを特徴としている(図4〜図7参照)。水素発生反応器としては、アイアンカーバイドと水蒸気を接触させる手段として流動層、固定層、移動層、輸送層等を用いた装置が使用できる。
【0016】
上記の装置においては、再生反応器に天然ガスを供給してアイアンカーバイドの再生を行うことができる(図4参照)。また、再生反応器に石炭を供給してアイアンカーバイドの再生を行うことができる(図5〜図7参照)。
また、上記の装置においては、再生反応器として流動層を用いた装置が使用でき、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドに流動用ガスとして天然ガスを吹き込んで高温(例えば、600〜700℃に設定)の流動層を形成させ、再生された高温のアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給し、その顕熱によってアイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給することができる(図4参照)。
【0017】
また、上記の装置においては、再生反応器として流動層を用いた装置が使用でき、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドとともに石炭を投入して、流動用ガスとして石炭燃焼に必要な量以下の空気又は酸素を吹き込んで石炭を部分燃焼させ、一酸化炭素及びメタンガスを発生させてアイアンカーバイドの再生を行うことができる(図5〜図7参照)。この場合、再生反応器から水素発生反応器に再生されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機を設けて、再生されたアイアンカーバイドから石炭の燃焼で生成した石炭灰を分離することができる(図6参照)。また、水素発生反応器から再生反応器に酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機を設けて、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドから石炭灰を分離するようにしてもよい(図7参照)。これらの装置においては、再生されたアイアンカーバイドと石炭灰、又は再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給して、その顕熱によってアイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明するが、本発明は下記の実施の形態に何ら限定されるものではなく、適宜変更して実施することが可能なものである。
図1は、本発明の実施の第1形態による水素製造方法を実施する装置を示している。図1において、水素発生反応器10は、一例として、流動層からなる反応器であり、約300℃の反応ガス(HOが主成分で、他にCOと窒素等を含む)が、水素発生反応器10下側の反応ガス入口導管12から風箱14内に導入され、ガス分散器16、例えばガス分散板に設けられた孔を経て水素発生反応器10の中に送り込まれる。なお、ガス分散器16として、多孔板以外にキャップ型のものや散気管タイプのもの等を用いることも可能である。また、水素発生反応器10として移動層、固定層、輸送層等の反応器を使用することも可能である。
【0019】
水素発生反応器10の中には、FeCを主成分とするアイアンカーバイド18が流動層20をなしており、FeCがその層を通過するガス中のHO(水蒸気)と反応してHガスを発生し、排ガス出口導管22から燃料ガス等として利用される水素ガスが取り出される。なお、水素製造の反応媒体としては、鉄鉱石等から製造されたアイアンカーバイドの他に、微細粒の鉄粉を固めた微小ペレット等から製造されたアイアンカーバイドなどを用いることが可能である。
上記のような水素発生反応は、一例として、下記の反応式で示される。反応としては、(1)に示す反応式の方が主に起こっている。
FeC+2HO→FeCO+2H (1)
FeC+2HO→FeC(OH)+H (2)
【0020】
すなわち、アイアンカーバイドは水蒸気と接触して、水素ガスと酸化炭化鉄、水酸化炭化鉄に変化する。理論的には、上記の反応式から、FeC1トンから250Nmの水素ガス、又は125Nmの水素ガスを生じる。また、この反応は、経済的な反応速度を得るために、反応温度が600℃以下、望ましくは200〜500℃、さらに望ましくは200〜400℃、水蒸気圧力(混合ガスの場合は、水蒸気分圧)が大気圧以下、望ましくは0.3気圧以下、さらに望ましくは0.1気圧以下で行わしめることが好ましい。
この場合、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーは、水蒸気又は他の気体を反応温度以上にして直接接触させることによって供給することが可能である。また、反応温度以上の固体、液体又は気体を間接的に接触させることによって、反応に必要な熱エネルギーを供給してもよい。
【0021】
図2は、本発明の実施の第2形態による水素製造方法を実施する装置を示している。水素発生反応器10から排出される生成ガス中には、水素ガスの他に未反応の水蒸気等が含まれているので、生成ガスを分離手段24に導入して水蒸気等を分離し、水素ガスを外部へ取り出す。分離手段24としては、例えば、生成ガスに水を噴霧して、ガスを清浄にするとともにガス中に含まれる水蒸気を減少させる湿式集塵機などが使用できる。なお、低い気圧下では100%水蒸気の反応ガス供給が可能であり、この場合、水素と一酸化炭素を分離するときのような、膜分離装置、圧力スイング方式(PSA)のガス分離器等は不要である。また、生成ガス中にCOが含まれていないので、改質(リフォーミング)が不要である。他の構成及び作用は、実施の第1形態の場合と同様である。
【0022】
図3は、本発明の実施の第3形態による水素製造方法を実施する装置を示している。本実施の形態は、水素発生反応器10で発生した水素を外部へ取り出した後(水蒸気等との分離手段は図示略)、酸化されたアイアンカーバイド(酸化炭化鉄)又は/及び水酸化されたアイアンカーバイド(水酸化炭化鉄)を600℃以上、望ましくは700℃以上に加熱して純鉄を生成させるものである。図3に示すように、水素発生反応器10内の水素発生反応で生成した酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)を、例えば、流動層式の加熱炉26に投入して加熱し、純鉄を生成させる。この場合、水素を外部へ取り出した後、水素発生反応器10内に反応性を有しない高温のガス(窒素など)を送り込んで、酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)から純鉄と水素及び一酸化炭素を含むガスを生成させること等も可能である。他の構成及び作用は、実施の第1、第2形態の場合と同様である。
上記のような純鉄の生成反応は、一例として、下記の反応式で示される。
FeCO→3Fe+CO
FeC(OH)→3Fe+CO+H
なお、図示していないが、生成した純鉄の少なくとも一部を一酸化炭素及びメタンガス等の炭化水素ガスによって炭化してアイアンカーバイドに再生し、再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器10内に投入して、再び水蒸気と反応させる構成とすることも可能である。炭化反応式の一例は下記の通りである。
3Fe+CO+CH→FeC+CO+2H
【0023】
図4は、本発明の実施の第4形態による水素製造方法を実施する装置を示している。図4において、水素発生反応器10は、一例として、流動層からなる反応器であり、約300℃の反応ガス(HOが主成分で、他にCOと窒素等を含む)が、水素発生反応器10下側の反応ガス入口導管12から風箱14内に導入され、ガス分散器16、例えばガス分散板に設けられた孔を経て水素発生発応器10の中に送り込まれる。なお、ガス分散器16として、多孔板以外にキャップ型のものや散気管タイプのもの等を用いることも可能である。また、水素発生反応器10として移動層、固定層、輸送層等の反応器を使用することも可能である。
【0024】
水素発生反応器10の中には、FeCを主成分とするアイアンカーバイド18が流動層20をなしており、FeCがその層を通過するガス中のHO(水蒸気)と反応してHガスを発生し、排ガス出口導管22から燃料ガス等として利用される水素ガスが取り出される(水蒸気等との分離手段は図示略)。なお、水素製造の反応媒体としては、鉄鉱石等から製造されたアイアンカーバイドの他に、微細粒の鉄粉を固めた微小ペレット等から製造されたアイアンカーバイドなどを用いることが可能である。
上記のような水素発生反応は、一例として、下記の反応式で示される。反応としては、(1)に示す反応式の方が主に起こっている。
FeC+2HO→FeCO+2H (1)
FeC+2HO→FeC(OH)+H (2)
【0025】
すなわち、アイアンカーバイドは水蒸気と接触して、水素ガスと酸化炭化鉄、水酸化炭化鉄に変化する。理論的には、上記の反応式から、FeC1トンから250Nmの水素ガス、又は125Nmの水素ガスを生じる。また、この反応は、経済的な反応速度を得るために、反応温度が600℃以下、望ましくは200〜500℃、さらに望ましくは200〜400℃、水蒸気圧力(混合ガスの場合は、水蒸気分圧)が大気圧以下、望ましくは0.3気圧以下、さらに望ましくは0.1気圧以下で行わしめることが好ましい。
この場合、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーは、水蒸気又は他の気体を反応温度以上にして直接接触させることによって供給することが可能である。また、反応温度以上の固体、液体又は気体を間接的に接触させることによって、反応に必要な熱エネルギーを供給してもよい。
【0026】
水素発生反応器10内の水素発生反応で生成した酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)は、再生反応器28の中に送り込まれて、例えば、流動層30をなしており、酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)がその層を通過する天然ガス(メタンガス)等の炭化水素ガスと反応して、アイアンカーバイド(炭化鉄、FeC)に変化し、再生が行われる。再生されたアイアンカーバイドは水素発生反応器10に戻される。なお、添加するガスとして、メタンガス以外の炭化水素ガスを使用することも可能である。
FeC+2HO→FeCO+2H (水素発生反応式)
FeCO+CH→FeC+CO+2H (再生反応式)
【0027】
再生反応器28として流動層の反応器を用いる場合、すなわち、アイアンカーバイドの再生を流動層で行う場合、流動層温度を、例えば、600〜700℃に設定し、再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器10に供給することによって、水素発生反応に必要な熱エネルギーをアイアンカーバイドの顕熱によって供給することができる。なお、再生反応器28についても、水素発生反応器10の場合と同様、種々の構成が適用可能である。
本実施の形態では、水素発生反応器10にて発生した水素を外部へ取り出し、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを再生反応器28にて天然ガス等の化石燃料で再びアイアンカーバイドに再生することによって、全体のプロセスとして化石燃料を水素に転換したことになる。
なお、図示していないが、上述した再生反応により発生した水素を含むガスは、ガス分離器にて純粋Hと他のガス(CO、未反応ガス等)とに分けて水素は外部へ送り出される。
【0028】
図5は、本発明の実施の第5形態による水素製造方法を実施する装置を示している。水素発生反応器10の構成及び作用・機能、水素発生反応器10での水素発生反応などは、実施の第4形態の場合と同様である。
図5に示すように、水素発生反応器10内の水素発生反応で生成した酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)は、石炭等の化石燃料又は/及びバイオマスとともに、再生反応器28の中に送り込まれて、例えば、流動層30をなしており、再生反応器28には流動用ガスとして石炭燃焼に必要な量以下の空気又は酸素が吹き込まれる。供給された石炭は空気又は酸素によって部分燃焼し、一酸化炭素及びメタンガスが発生する。酸化炭化鉄(又は/及び水酸化炭化鉄)はその層を通過する一酸化炭素、メタンガス等と反応して、アイアンカーバイド(炭化鉄、FeC)に変化する。再生されたアイアンカーバイドは水素発生反応器10に戻される。
FeC+2HO→FeCO+2H (水素発生反応式)
FeCO+3C+2O→FeC+3CO (再生反応式)
【0029】
再生反応器28として流動層の反応器を用いる場合、すなわち、アイアンカーバイドの再生を流動層で行う場合、流動層温度を、例えば、600〜700℃に設定し、再生されたアイアンカーバイド(及び石炭灰)を水素発生反応器10に供給することによって、水素発生反応に必要な熱エネルギーをアイアンカーバイド(及び石炭灰)の顕熱によって供給することができる。
本実施の形態では、水素発生反応器10にて発生した水素を外部へ取り出し、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを再生反応器28にて石炭等の化石燃料又は/及びバイオマスで再びアイアンカーバイドに再生することによって、全体のプロセスとして化石燃料やバイオマスを水素に転換したことになる。
他の構成及び作用は、実施の第4形態の場合と同様である。
【0030】
図6は、本発明の実施の第6形態による水素製造方法を実施する装置を示している。本実施の形態は、図6に示すように、再生反応器28から水素発生反応器10に再生されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機32を設けて、再生されたアイアンカーバイドから石炭の燃焼で生成した石炭灰を分離するものである。本実施の形態では、アイアンカーバイドの再生を流動層で行う場合、流動層温度を、例えば、600〜700℃に設定し、再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器10に供給することによって、水素発生反応に必要な熱エネルギーをアイアンカーバイドの顕熱によって供給することができる。他の構成及び作用は、実施の第5形態の場合と同様である。
【0031】
図7は、本発明の実施の第7形態による水素製造方法を実施する装置を示している。本実施の形態は、図7に示すように、水素発生反応器10から再生反応器28に酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機32を設けて、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドから石炭灰を分離するものである。本実施の形態では、アイアンカーバイドの再生を流動層で行う場合、流動層温度を、例えば、600〜700℃に設定し、再生されたアイアンカーバイドと石炭灰を水素発生反応器10に供給することによって、水素発生反応に必要な熱エネルギーをアイアンカーバイドと石炭灰の顕熱によって供給することができる。他の構成及び作用は、実施の第5形態の場合と同様である。
【0032】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されているので、つぎのような効果を奏する。
(1) アイアンカーバイドと水を原料にして、さらに低い反応温度で、かつ低い圧力で簡単に水素を発生させることができ、低温の廃熱等の利用も可能となり、しかも、水素のみが発生するため、特別なガス分離装置が不要となり、設備、原料及び燃料等が安価になることから得られる水素の価格が安くなる。また、生成ガス中にCOが含まれていないので、改質(リフォーミング)が不要である。
(2) アイアンカーバイドと水蒸気を反応させて水素を発生させ、酸化又は水酸化されたアイアンカーバイドは化石燃料等によって還元して再生し、再生したアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させることにより、全体のプロセスとして化石燃料等を水素に転換したことになる。
(3) 全ての原料がクリーン、かつリッチで非枯渇な物質であり、コスト及び環境の両面でさらに優れた水素製造プロセスを実現することができる。
(4) 水素発生反応で生成した酸化炭化鉄、水酸化炭化鉄を流動層式加熱炉等に投入して加熱することで、水素を製造するだけでなく、純鉄も得られる。
(5) 設備が安価であること、原料が水とアイアンカーバイドであり高価な天然ガス等の化石原料の使用量が少ないこと等の理由により、得られる水素の価格が安くなる。
(6) 水素製造の反応温度が低いことに加えて、システム内圧力が大気圧以下の低い圧力であるため、設備費が安くなること等に加えて、運転が容易になる。
(7) 反応に使用されるガスの温度が他の従来方式よりも低い。このため、燃料の消費量を少なくできる、各種の化石燃料はもちろん化石燃料以外のいろいろな種類の燃料が使用できる、加える水蒸気も現在一般に使われている温度の高さで対応できる、高温に耐える材料や高温の排ガスの熱回収を行うための各種付帯設備等が不要であり設備費が安くなる、等の長所をもたらす。
(8) 水性ガス反応(水蒸気を炭素で還元して水素を製造する反応)や、スチームアイアン法(水蒸気を鉄で還元して水素を製造する反応)といった反応は、800℃以上の反応温度が必要であり、燃料の燃焼が不可欠であるが、本発明の水素発生反応は300℃程度で充分に反応するため、エンジンなどの廃熱を利用することが可能であり、エネルギー効率の向上と二酸化炭素の排出削減効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の第1形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図2】本発明の実施の第2形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図3】本発明の実施の第3形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図4】本発明の実施の第4形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図5】本発明の実施の第5形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図6】本発明の実施の第6形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【図7】本発明の実施の第7形態による水素製造方法を実施する装置を示す概略説明図である。
【符号の説明】
10 水素発生反応器
12 反応ガス入口導管
14 風箱
16 ガス分散器
18 アイアンカーバイド
20、30 流動層
22 排ガス出口導管
24 分離手段
26 加熱炉
28 再生反応器
32 磁選機
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an iron carbide (iron carbide, Fe3The present invention relates to a method and an apparatus for producing hydrogen using a reaction of generating hydrogen by bringing steam into contact with C).
[0002]
[Prior art]
Hydrogen is not only used as a raw material for lightening (cracking) petroleum and as a raw material for various chemical reactions, such as a reducing gas in the field of steelmaking, but has recently attracted attention as a non-polluting and excellent raw material. In particular, the market for hydrogen has been rapidly expanding due to the commercialization of hydrogen storage alloys that can easily store hydrogen at low cost and the practical use of fuel cells. Under these circumstances, commercialization of a more efficient, less expensive, and simpler method has been awaited instead of the conventional method of producing hydrogen by introducing natural gas and steam into a tube and heating it. And each company is reducing their development.
[0003]
Conventional hydrogen production methods include the electrolysis of water and the reforming of natural gas (hydrocarbon) described above. The method for producing hydrogen by reforming hydrocarbons is a method of mixing and reacting hydrocarbons (gas or liquid) with water vapor to obtain hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide, and separating hydrogen from the gas.
In addition, while studying the process of manufacturing the eye anchor hydride, the present applicant discovered that if water vapor comes into contact with the eye anchor hydride, the eye anchor hydride is converted into iron, and at the same time, hydrogen and carbon monoxide are generated. are doing. That is, they have found that hydrogen is easily generated using water and eye anchor carbide as raw materials. Therefore, as a result of further study, the iron obtained by this reaction can be easily converted back into eye anchor by gas such as carbon monoxide gas generated by the reaction, and almost continuously without the need to replenish eye anchor from outside. It has been found that a process for generating hydrogen can be realized (for example, see Patent Document 1).
[0004]
This process includes components similar to those of the eye anchor hydride manufacturing process, that is, a fluidized bed furnace, a gas heating furnace, a wet dust collector, a gas circulating compressor, and the like, and a device for separating hydrogen gas from gas. This process also means that by storing eye anchor carbide instead of storing hydrogen, it is equivalent to storing hydrogen, and the range of application may be greatly expanded. Further, as the reaction medium, not only the iron anchor hydride manufactured from iron ore, but also the eye anchor hydride manufactured from the pellets obtained by hardening the fine iron powder, or the carbide of other types of substances besides iron can be applied. There is a possibility.
Further, as an application technique of the above-described hydrogen production process, a method and an apparatus for producing hydrogen, generating power, and making iron using iron anchor carbide as a raw material have been developed (for example, see Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 2954585
[Patent Document 2]
JP-A-2002-194411
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, hydrogen production is mainly based on the above-described two methods (water electrolysis and hydrocarbon reforming), but both methods have the following disadvantages.
That is, in the electrolysis of water, expensive electric power is required, so that economically usable hydrogen cannot be obtained. In addition, there is a problem in that energy conversion efficiency is poor because the efficiency in producing electric power is low.
In the reforming of hydrocarbons, a large amount of heat (fuel) is required because the temperature of the heated gas in the gas reformer is 1000 ° C. or higher. For the same reason, the cost of equipment is enormous due to the need for materials that can withstand high temperatures, and the need for various auxiliary facilities for heat recovery of high-temperature exhaust gas. And there is a problem that the main raw materials for hydrogen production are water and expensive natural gas.
[0007]
Further, in the above-described technique of producing hydrogen and carbon monoxide and pure iron by bringing steam into contact with the eye anchor carbide, in order to obtain an economical reaction rate, the temperature is in the range of 400 to 800 ° C., preferably 590. ~ 680 ° C, preferably at a pressure of 10 kg / cm2G or less, preferably 6 kg / cm at atmospheric pressure or more2・ It is desirable to carry out in the range of G or less. However, even though the reaction temperature is relatively low and the steam pressure is relatively low, if hydrogen can be produced at a lower reaction temperature and a lower steam pressure, hydrogen production that is more excellent in energy, cost and operation can be achieved. Become a process. Further, in the above technique, in order to separate hydrogen from generated gas (hydrogen and carbon monoxide), it is necessary to use a membrane separation device, a pressure swing type (PSA) separation device, or the like, but only hydrogen is generated. If it is a reaction, these facilities are not required.
Recent studies have elucidated the reaction mechanism of eye anchor hydride and water in more detail, and have confirmed another hydrogen production reaction at a lower temperature than the above-mentioned hydrogen production reaction.
[0008]
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to produce hydrogen at a lower reaction temperature and at a lower pressure easily by using iron anchor hydride and water as raw materials. It is possible to use waste heat, etc., and since only hydrogen is generated, a special gas separator is not required, and equipment, raw materials and fuels are inexpensive, so that the price of hydrogen obtained is reduced, energy, An object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing hydrogen which are more excellent in cost, environment and operation.
Further, an object of the present invention is to generate hydrogen by reacting eye anchor hydride with water vapor, oxidized or hydroxylated eye anchor hydride is reduced and regenerated by fossil fuel or the like, and the regenerated eye anchor hydride is again reacted with water vapor. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a method and apparatus for producing hydrogen that is superior in energy, cost, environment and operation in terms of converting fossil fuels and the like into hydrogen as a whole process.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a method for producing hydrogen of the present invention uses an iron carbide (iron carbide, Fe3C) is configured to contact water vapor or a gas containing water vapor to oxidize and / or hydroxylate eye anchor hydride and to reduce water vapor to generate hydrogen (see FIGS. 1 to 7). In the above method, the reaction temperature is reduced to 600 ° C. or lower, preferably 200 to 500 ° C., and more preferably to lowering the steam pressure to atmospheric pressure or lower, preferably 0.3 atm or lower, more preferably 0.1 atm or lower. By lowering the temperature to 200 to 400 ° C., the thermochemical regeneration effect can be improved. When the reaction temperature is lower than the above lower limit, an economical reaction rate cannot be obtained, while when the reaction temperature is higher than the above upper limit, the hydrogen generation reaction at a low temperature in the method of the present invention is less likely to occur. In addition, a large amount of fuel is required, and there are restrictions on using waste heat. Further, the reaction container is made of a material that can withstand high temperatures, and various additional facilities for heat recovery of high-temperature exhaust gas are required, which increases costs. When the steam pressure exceeds the above upper limit, the hydrogen generation reaction at a low temperature in the method of the present invention does not occur much.
[0010]
Further, in the above method, the thermal energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the water vapor can be supplied by bringing the water vapor or another gas into direct contact with the reaction temperature or higher. Further, heat energy necessary for the reaction between the eye anchor hydride and water vapor may be supplied by indirectly contacting a solid, liquid or gas at a temperature higher than the reaction temperature.
[0011]
Further, in the above method, after the generated hydrogen is separated from water vapor and taken out to the outside, the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride is heated to 600 ° C. or more, preferably 700 ° C. or more, and pure iron and hydrogen are heated. And a gas containing carbon monoxide (see FIG. 3). In this case, it is also possible to adopt a configuration in which at least a part of the generated pure iron is carbonized by carbon monoxide and methane gas to be regenerated into eye anchor hydride, and the regenerated eye anchor hydride is reacted with steam again.
[0012]
In the above method, the generated hydrogen is separated from water vapor and taken out to the outside, and the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride is reduced by fossil fuel and / or biomass to regenerate the eye anchor hydride and regenerated. It is preferable that the eye anchor hydride be reacted with steam again (see FIGS. 4 to 7). In this case, the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride can be reduced by natural gas and regenerated into eye anchor hydride (see FIG. 4). In addition, the oxidized and / or hydroxylated eye anchor hydride can be reduced by coal and regenerated into eye anchor hydride (see FIGS. 5 to 7). Specifically, for example, coal and air or oxygen less than the amount required for coal combustion are supplied to the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride to partially burn the coal to generate carbon monoxide and methane gas. Let's play the eye anchor. Separation of the coal ash generated by the combustion of the coal and the regenerated eye anchor binder, or separation of the coal ash from the oxidized and / or hydroxylated eye anchor binder can be performed by magnetic separation (see FIGS. 6 and 7). ). In these methods, it is preferable that the regeneration of the eye anchor carbide is performed at 600 to 700 ° C., and the sensible heat of the regenerated eye anchor carbide or the like supplies the thermal energy necessary for the reaction between the eye anchor carbide and the water vapor.
[0013]
The hydrogen production apparatus of the present invention holds an eye anchor hydride therein, makes the eye anchor hydride come into contact with water vapor or a gas containing water vapor, oxidizes and / or hydroxylates the eye anchor hydride and reduces water vapor to generate hydrogen. It is characterized by comprising a hydrogen generation reactor to be used and a separating means for separating water vapor contained in gas discharged from the hydrogen generation reactor and extracting hydrogen (see FIG. 2).
[0014]
In addition, the apparatus of the present invention holds an eye anchor hydride therein, and causes steam or a gas containing water vapor to come into contact with the eye anchor hydride to oxidize and / or hydroxylate the eye anchor hydride and reduce water vapor to generate hydrogen. A hydrogen generation reactor to be separated, a separation means for separating water vapor contained in gas discharged from the hydrogen generation reactor to obtain hydrogen, and an oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor. A heating means for heating to generate a gas containing pure iron, hydrogen and carbon monoxide is provided. As an example of the heating means, a fluidized bed heating furnace is used (see FIG. 3).
[0015]
In addition, the apparatus of the present invention holds the eye anchor carbide therein, and makes the eye anchor carbide come into contact with water vapor or a gas containing water vapor to oxidize and / or hydroxylate the eye anchor carbide and reduce the water vapor to generate hydrogen. A hydrogen generation reactor to be separated, a separation means for separating water vapor contained in gas discharged from the hydrogen generation reactor to obtain hydrogen, and an oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor. A regeneration reactor that regenerates the iron anchor by reduction with fossil fuel and / or biomass, and supplies the eye anchor by the regeneration reactor to the hydrogen generation reactor (FIG. 4). To FIG. 7). As the hydrogen generation reactor, an apparatus using a fluidized bed, a fixed bed, a moving bed, a transporting bed, or the like can be used as a means for bringing eye anchor hydride into contact with steam.
[0016]
In the above apparatus, natural gas can be supplied to the regeneration reactor to regenerate the eye anchor hydride (see FIG. 4). Further, coal can be supplied to the regeneration reactor to regenerate the eye anchor hydride (see FIGS. 5 to 7).
Further, in the above-mentioned apparatus, an apparatus using a fluidized bed can be used as a regeneration reactor, and natural gas is blown into the oxidized or / and hydroxylated eye anchor carbide as a flowing gas to reach a high temperature (for example, 600 to 700 ° C.). ), A regenerated high-temperature eye anchor hydride is supplied to the hydrogen generation reactor, and the sensible heat can supply heat energy required for the reaction between the eye anchor hydride and water vapor (FIG. 4). reference).
[0017]
Further, in the above-mentioned apparatus, an apparatus using a fluidized bed can be used as a regeneration reactor, and coal is charged together with the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride, and the amount required for the combustion of coal as a flowing gas is equal to or less than the amount required. The air or oxygen is blown to partially combust the coal to generate carbon monoxide and methane gas to regenerate the eye anchor hydride (see FIGS. 5 to 7). In this case, a magnetic separator can be provided in a line for supplying the regenerated eye anchor carbide from the regeneration reactor to the hydrogen generation reactor, and the coal ash generated by burning the coal can be separated from the regenerated eye anchor carbide (see FIG. 6). Further, a magnetic separator is provided in a line for supplying the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor to the regeneration reactor so that coal ash is separated from the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride. (See FIG. 7). In these devices, the regenerated eye anchor and coal ash or the regenerated eye anchor are supplied to the hydrogen generation reactor, and the heat energy required for the reaction between the eye anchor and steam is supplied by the sensible heat. Can be.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail, but the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications.
FIG. 1 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the first embodiment of the present invention. In FIG. 1, a hydrogen generation reactor 10 is, for example, a reactor composed of a fluidized bed and has a reaction gas (H2O is a main component, and also contains CO, nitrogen, etc.) is introduced into a wind box 14 from a reaction gas inlet conduit 12 below the hydrogen generation reactor 10 and provided in a gas distributor 16, for example, a gas dispersion plate. It is fed into the hydrogen generation reactor 10 through the holes provided. In addition, as the gas disperser 16, a cap-type one or a diffuser-type one other than the perforated plate can be used. It is also possible to use a reactor such as a moving bed, a fixed bed, or a transport bed as the hydrogen generation reactor 10.
[0019]
In the hydrogen generation reactor 10, Fe3An anchor carbide 18 mainly composed of C forms a fluidized bed 20, and Fe3C in the gas passing through the layer2O (steam) reacts with H2Gas is generated, and hydrogen gas used as fuel gas or the like is extracted from the exhaust gas outlet conduit 22. In addition, as the reaction medium for hydrogen production, besides the eye anchor hydride manufactured from iron ore or the like, an eye anchor hydride manufactured from fine pellets or the like obtained by solidifying fine iron powder or the like can be used.
The hydrogen generation reaction as described above is represented by the following reaction formula as an example. The reaction mainly occurs according to the reaction formula shown in (1).
Fe3C + 2H2O → Fe3CO2+ 2H2          (1)
Fe3C + 2H2O → Fe3C (OH)2+ H2      (2)
[0020]
That is, the eye anchor carbide comes into contact with water vapor and changes into hydrogen gas, iron oxide carbide, and iron hydroxide carbide. Theoretically, from the above reaction formula, Fe3250 Nm from C1 ton3Hydrogen gas, or 125 Nm3Of hydrogen gas. In order to obtain an economical reaction rate, the reaction temperature is 600 ° C. or lower, preferably 200 to 500 ° C., more preferably 200 to 400 ° C., and steam pressure (in the case of a mixed gas, the steam partial pressure ) Is preferably performed at atmospheric pressure or less, preferably at most 0.3 atm, more preferably at most 0.1 atm.
In this case, the heat energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the water vapor can be supplied by bringing the water vapor or other gas into direct contact at a temperature higher than the reaction temperature. In addition, heat energy required for the reaction may be supplied by indirectly contacting a solid, liquid, or gas at a reaction temperature or higher.
[0021]
FIG. 2 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the second embodiment of the present invention. Since the product gas discharged from the hydrogen generation reactor 10 contains unreacted water vapor and the like in addition to the hydrogen gas, the product gas is introduced into the separation means 24 to separate the water vapor and the like, To the outside. As the separating means 24, for example, a wet dust collector that sprays water on the generated gas to clean the gas and reduce water vapor contained in the gas can be used. It should be noted that a reaction gas of 100% steam can be supplied under a low atmospheric pressure. In this case, a membrane separator, a pressure swing type (PSA) gas separator, and the like, such as when hydrogen and carbon monoxide are separated, are used. Not required. Further, since CO is not contained in the generated gas, reforming is not required. Other configurations and operations are the same as those of the first embodiment.
[0022]
FIG. 3 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the third embodiment of the present invention. In the present embodiment, after hydrogen generated in the hydrogen generation reactor 10 is taken out to the outside (separation means for separating from water vapor and the like is not shown), oxidized eye anchor carbide (iron oxycarbide) or / and hydroxylated carbon is used. The iron anchor (iron hydroxide carbide) is heated to 600 ° C. or higher, preferably 700 ° C. or higher to generate pure iron. As shown in FIG. 3, iron oxycarbide (or / and iron hydroxide carbide) generated by the hydrogen generation reaction in the hydrogen generation reactor 10 is charged into, for example, a fluidized bed heating furnace 26 and heated. Generate pure iron. In this case, after extracting hydrogen to the outside, a non-reactive high-temperature gas (such as nitrogen) is fed into the hydrogen generation reactor 10 to convert iron oxide carbide (or / and iron hydroxide carbide) to pure iron. It is also possible to generate a gas containing hydrogen and carbon monoxide. Other configurations and operations are the same as those in the first and second embodiments.
The reaction for producing pure iron as described above is represented by the following reaction formula as an example.
Fe3CO2→ 3Fe + CO2
Fe3C (OH)2→ 3Fe + CO2+ H2
Although not shown, at least a part of the generated pure iron is carbonized by a hydrocarbon gas such as carbon monoxide and methane gas to be regenerated into eye anchor hydride. It is also possible to adopt a configuration in which it is supplied and reacted with steam again. An example of the carbonization reaction formula is as follows.
3Fe + CO + CH4→ Fe3C + CO + 2H2
[0023]
FIG. 4 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the fourth embodiment of the present invention. In FIG. 4, the hydrogen generation reactor 10 is, for example, a reactor composed of a fluidized bed and has a reaction gas (H2O is a main component, and also contains CO, nitrogen, etc.) is introduced into a wind box 14 from a reaction gas inlet conduit 12 below the hydrogen generation reactor 10 and provided in a gas distributor 16, for example, a gas dispersion plate. It is fed into the hydrogen generating and emitting device 10 through the holes provided. In addition, as the gas disperser 16, a cap-type one or a diffuser-type one other than the perforated plate can be used. It is also possible to use a reactor such as a moving bed, a fixed bed, or a transport bed as the hydrogen generation reactor 10.
[0024]
In the hydrogen generation reactor 10, Fe3An anchor carbide 18 mainly composed of C forms a fluidized bed 20, and Fe3C in the gas passing through the layer2O (steam) reacts with H2A gas is generated, and hydrogen gas used as a fuel gas or the like is extracted from the exhaust gas outlet conduit 22 (a means for separating the gas from the steam and the like is not shown). In addition, as the reaction medium for hydrogen production, besides the eye anchor hydride manufactured from iron ore or the like, an eye anchor hydride manufactured from fine pellets or the like obtained by solidifying fine iron powder or the like can be used.
The hydrogen generation reaction as described above is represented by the following reaction formula as an example. The reaction mainly occurs according to the reaction formula shown in (1).
Fe3C + 2H2O → Fe3CO2+ 2H2          (1)
Fe3C + 2H2O → Fe3C (OH)2+ H2      (2)
[0025]
That is, the eye anchor carbide comes into contact with water vapor and changes into hydrogen gas, iron oxide carbide, and iron hydroxide carbide. Theoretically, from the above reaction formula, Fe3250 Nm from C1 ton3Hydrogen gas, or 125 Nm3Of hydrogen gas. In order to obtain an economical reaction rate, the reaction temperature is 600 ° C. or lower, preferably 200 to 500 ° C., more preferably 200 to 400 ° C., and steam pressure (in the case of a mixed gas, the steam partial pressure ) Is preferably performed at atmospheric pressure or less, preferably at most 0.3 atm, more preferably at most 0.1 atm.
In this case, the thermal energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the water vapor can be supplied by bringing the water vapor or another gas into direct contact with the reaction temperature or higher. Further, thermal energy required for the reaction may be supplied by indirectly contacting a solid, liquid or gas at a temperature higher than the reaction temperature.
[0026]
The iron oxycarbide (or / and iron oxycarbide) generated by the hydrogen generation reaction in the hydrogen generation reactor 10 is sent into the regeneration reactor 28 and, for example, forms a fluidized bed 30 and is oxidized and carbonized. Iron (or / and iron hydroxide carbide) reacts with a hydrocarbon gas such as natural gas (methane gas) passing through the layer to form an anchor carbide (iron carbide, Fe3The state changes to C), and reproduction is performed. The regenerated eye anchor hydride is returned to the hydrogen generation reactor 10. In addition, it is also possible to use hydrocarbon gas other than methane gas as a gas to be added.
Fe3C + 2H2O → Fe3CO2+ 2H2        (Hydrogen generation reaction formula)
Fe3CO2+ CH4→ Fe3C + CO2+ 2H2  (Regeneration reaction formula)
[0027]
When a fluidized bed reactor is used as the regeneration reactor 28, that is, when the regeneration of the eye anchor hydride is performed in the fluidized bed, the temperature of the fluidized bed is set to, for example, 600 to 700 ° C., and the regenerated eye anchor hydride is generated by hydrogen generation. By supplying the hydrogen to the reactor 10, the heat energy required for the hydrogen generation reaction can be supplied by the sensible heat of the eye anchor hydride. Various configurations can be applied to the regeneration reactor 28, as in the case of the hydrogen generation reactor 10.
In the present embodiment, hydrogen generated in the hydrogen generation reactor 10 is taken out to the outside, and the oxidized and / or hydroxylated eye anchor hydride is regenerated in the regeneration reactor 28 with the fossil fuel such as natural gas to the eye anchor hydride again. By doing so, it turned fossil fuels into hydrogen as a whole process.
Although not shown, a gas containing hydrogen generated by the above-described regeneration reaction is converted into pure H by a gas separator.2And other gases (CO2, Unreacted gas, etc.).
[0028]
FIG. 5 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the fifth embodiment of the present invention. The configuration, operation, and function of the hydrogen generation reactor 10, the hydrogen generation reaction in the hydrogen generation reactor 10, and the like are the same as those in the fourth embodiment.
As shown in FIG. 5, iron oxycarbide (or / and iron oxycarbide) generated by the hydrogen generation reaction in the hydrogen generation reactor 10 is supplied to the regeneration reactor 28 together with a fossil fuel such as coal or / and biomass. For example, a fluidized bed 30 is formed, and air or oxygen less than an amount required for coal combustion is blown into the regeneration reactor 28 as a fluidizing gas. The supplied coal is partially burned by air or oxygen to generate carbon monoxide and methane gas. Iron oxycarbide (or / and iron oxycarbide) reacts with carbon monoxide, methane gas, etc. passing through the layer to form an anchor carbide (iron carbide, Fe3C). The regenerated eye anchor hydride is returned to the hydrogen generation reactor 10.
Fe3C + 2H2O → Fe3CO2+ 2H2        (Hydrogen generation reaction formula)
Fe3CO2+ 3C + 2O2→ Fe3C + 3CO2  (Regeneration reaction formula)
[0029]
When a fluidized bed reactor is used as the regeneration reactor 28, that is, when the regeneration of the eye anchor hydride is performed in the fluidized bed, the temperature of the fluidized bed is set to, for example, 600 to 700 ° C., and the regenerated iron anchor hydride (and coal) By supplying the ash to the hydrogen generation reactor 10, the heat energy required for the hydrogen generation reaction can be supplied by the sensible heat of the eye anchor hydride (and coal ash).
In the present embodiment, hydrogen generated in the hydrogen generation reactor 10 is taken out to the outside, and the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride is regenerated in the regeneration reactor 28 with iron or fossil fuel such as coal or / and biomass. By regenerating into carbide, fossil fuels and biomass were converted to hydrogen as a whole process.
Other configurations and operations are the same as those in the fourth embodiment.
[0030]
FIG. 6 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the sixth embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 6, a magnetic separator 32 is provided in a line for supplying the regenerated eye anchor hydride from the regeneration reactor 28 to the hydrogen generation reactor 10, and the coal combustion from the regenerated eye anchor hydride is performed. It separates the coal ash generated in the above. In the present embodiment, when the regeneration of the eye anchor is performed in a fluidized bed, the temperature of the fluidized bed is set to, for example, 600 to 700 ° C., and the regenerated eye anchor is supplied to the hydrogen generation reactor 10, whereby hydrogen is generated. The heat energy required for the generated reaction can be supplied by the sensible heat of the eye anchor hydride. Other configurations and operations are the same as those in the fifth embodiment.
[0031]
FIG. 7 shows an apparatus for performing the hydrogen production method according to the seventh embodiment of the present invention. In the present embodiment, as shown in FIG. 7, a magnetic separator 32 is provided in a line for supplying the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor 10 to the regeneration reactor 28, and the oxidization and / or It separates coal ash from the hydroxylated eye anchor carbide. In this embodiment, when the regeneration of the eye anchor is performed in a fluidized bed, the temperature of the fluidized bed is set to, for example, 600 to 700 ° C., and the regenerated eye anchor and coal ash are supplied to the hydrogen generation reactor 10. Thus, the heat energy required for the hydrogen generation reaction can be supplied by the sensible heat of the eye anchor hydride and the coal ash. Other configurations and operations are the same as those in the fifth embodiment.
[0032]
【The invention's effect】
The present invention is configured as described above, and has the following effects.
(1) Hydrogen can be easily generated at a lower reaction temperature and a lower pressure using eye anchor carbide and water as raw materials, and low-temperature waste heat can be used, and only hydrogen is generated. For this reason, a special gas separator is not required, and the cost of hydrogen obtained from equipment, raw materials, fuel, and the like is reduced. Further, since CO is not contained in the generated gas, reforming is not required.
(2) Reacting eye anchor hydride with steam to generate hydrogen, oxidized or hydroxylated eye anchor hydride is reduced and regenerated with fossil fuel or the like, and the regenerated eye anchor hydride is reacted again with steam to produce the entirety. This means that fossil fuels and the like were converted to hydrogen as a process.
(3) All the raw materials are clean, rich and non-depleted substances, and it is possible to realize a hydrogen production process that is more excellent in both cost and environment.
(4) By feeding iron oxycarbide and iron hydroxide carbide generated by the hydrogen generation reaction into a fluidized bed heating furnace or the like and heating, not only hydrogen can be produced, but also pure iron can be obtained.
(5) The price of hydrogen obtained is low due to the fact that the equipment is inexpensive, the raw materials are water and eye anchor hydride, and the amount of fossil raw materials such as expensive natural gas used is small.
(6) In addition to the low reaction temperature of hydrogen production, the pressure in the system is lower than the atmospheric pressure, so that the facility costs are reduced and the operation is facilitated.
(7) The temperature of the gas used for the reaction is lower than in other conventional systems. For this reason, fuel consumption can be reduced, various types of fuels other than fossil fuels can be used as well as various fossil fuels, and steam to be added can be handled at the high temperature generally used today, and it can withstand high temperatures There is no need for ancillary equipment for heat recovery of materials and high-temperature exhaust gas, which leads to advantages such as reduced equipment costs.
(8) Reactions such as the water gas reaction (reaction of reducing water vapor with carbon to produce hydrogen) and the steam iron method (reaction of reducing water vapor with iron to produce hydrogen) require a reaction temperature of 800 ° C. or higher. Although it is necessary and combustion of fuel is indispensable, the hydrogen generation reaction of the present invention sufficiently reacts at about 300 ° C., so that it is possible to use waste heat of an engine or the like, thereby improving energy efficiency and reducing CO 2. It has the effect of reducing carbon emissions.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic explanatory view showing an apparatus for performing a hydrogen production method according to a seventh embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Hydrogen generation reactor
12 Reaction gas inlet conduit
14 wind box
16 Gas disperser
18 Eye Anchor Bide
20, 30 fluidized bed
22 Exhaust gas outlet conduit
24 Separation means
26 Heating furnace
28 Regeneration reactor
32 magnetic separator

Claims (25)

アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させることを特徴とする水素製造方法。A method for producing hydrogen, comprising: contacting water vapor or a gas containing water vapor with an eye anchor hydride to oxidize and / or hydroxylate the eye anchor hydride and reducing the water vapor to generate hydrogen. 水蒸気圧力を大気圧以下とし、反応温度を600℃以下として反応を行う請求項1記載の水素製造方法。The hydrogen production method according to claim 1, wherein the reaction is carried out at a steam pressure of not more than atmospheric pressure and a reaction temperature of not more than 600 ° C. 水蒸気圧力を0.3気圧以下とし、反応温度を200〜500℃として反応を行う請求項1記載の水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein the reaction is carried out at a steam pressure of 0.3 atm or less and a reaction temperature of 200 to 500 ° C. アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを、水蒸気又は他の気体を反応温度以上にして直接接触させることで供給する請求項1、2又は3記載の水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 1, 2 or 3, wherein the heat energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the steam is supplied by bringing the steam or another gas into direct contact with the reaction temperature or higher. アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを、反応温度以上の固体、液体又は気体を間接的に接触させることで供給する請求項1、2又は3記載の水素製造方法。4. The hydrogen production method according to claim 1, wherein the heat energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the steam is supplied by indirectly contacting a solid, liquid or gas having a reaction temperature or higher. 発生した水素を水蒸気と分離して外部に取り出した後、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを600℃以上に加熱して純鉄と水素及び一酸化炭素を含むガスを生成させる請求項1〜5のいずれかに記載の水素製造方法。The method according to claim 1, wherein the generated hydrogen is separated from water vapor and taken out to the outside, and then the oxidized and / or hydroxylated eye anchor hydride is heated to 600 ° C. or more to generate a gas containing pure iron, hydrogen and carbon monoxide. A method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 5. 発生した水素を水蒸気と分離して外部に取り出し、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを化石燃料又は/及びバイオマスによって還元してアイアンカーバイドに再生し、再生されたアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させる請求項1〜5のいずれかに記載の水素製造方法。The generated hydrogen is separated from water vapor and taken out, and the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride is reduced by fossil fuel and / or biomass to regenerate the eye anchor hydride, and the regenerated eye anchor hydride reacts with the steam again. The method for producing hydrogen according to any one of claims 1 to 5, 酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを天然ガスによって還元してアイアンカーバイドに再生する請求項7記載の水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 7, wherein the oxidized and / or hydroxylated eye anchor hydride is reduced by natural gas to regenerate the eye anchor hydride. 酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを石炭によって還元してアイアンカーバイドに再生する請求項7記載の水素製造方法。The method for producing hydrogen according to claim 7, wherein the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride is reduced by coal to regenerate the eye anchor hydride. 酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドに、石炭と石炭燃焼に必要な量以下の空気又は酸素を供給して、石炭を部分燃焼させ、一酸化炭素及びメタンガスを発生させてアイアンカーバイドを再生する請求項9記載の水素製造方法。By supplying coal and air or oxygen in an amount less than that required for coal combustion to the oxidized and / or hydroxylated eye anchor hydride, the coal is partially burned, and carbon monoxide and methane gas are generated to regenerate the eye anchor hydride. The method for producing hydrogen according to claim 9. 石炭の燃焼で生成した石炭灰と再生されたアイアンカーバイドの分離、又は石炭灰と酸化もしくは/及び水酸化されたアイアンカーバイドの分離を磁選によって行う請求項10記載の水素製造方法。The hydrogen production method according to claim 10, wherein the separation of the coal ash generated by burning the coal and the regenerated eye anchor binder or the separation of the coal ash from the oxidized and / or hydroxylated eye anchor binder is performed by magnetic separation. アイアンカーバイドの再生を600〜700℃で行い、少なくとも再生されたアイアンカーバイドの有する顕熱によって、アイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給する請求項7〜11のいずれかに記載の水素製造方法。The hydrogen according to any one of claims 7 to 11, wherein regeneration of the eye anchor carbide is performed at 600 to 700 ° C, and heat energy required for a reaction between the eye anchor carbide and water vapor is supplied by at least sensible heat of the regenerated eye anchor carbide. Production method. 生成した純鉄の少なくとも一部を一酸化炭素及びメタンガスによって炭化してアイアンカーバイドに再生し、再生されたアイアンカーバイドを再び水蒸気と反応させる請求項6記載の水素製造方法。7. The hydrogen production method according to claim 6, wherein at least a part of the generated pure iron is carbonized by carbon monoxide and methane gas to be regenerated into eye anchor hydride, and the regenerated eye anchor hydride is reacted with steam again. 内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、
水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段とを包含してなることを特徴とする水素製造装置。
A hydrogen generating reactor that holds an eye anchor hydride therein, contacts the gas containing steam or water vapor with the eye anchor hydride, oxidizes or / and hydroxylates the eye anchor hydride and reduces the water vapor to generate hydrogen,
A hydrogen production apparatus comprising: a separation means for separating water vapor contained in a gas discharged from a hydrogen generation reactor and extracting hydrogen.
内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、
水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段と、
水素発生反応器からの酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを加熱して純鉄と水素及び一酸化炭素を含むガスを生成させる加熱手段とを包含してなることを特徴とする水素製造装置。
A hydrogen generating reactor that holds an eye anchor hydride therein, contacts the gas containing steam or water vapor with the eye anchor hydride, oxidizes or / and hydroxylates the eye anchor hydride and reduces the water vapor to generate hydrogen,
Separation means for separating water vapor contained in the gas discharged from the hydrogen generation reactor and taking out hydrogen;
A hydrogen producing apparatus comprising: heating means for heating the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor to generate a gas containing pure iron, hydrogen and carbon monoxide. .
加熱手段が流動層式加熱炉である請求項15記載の水素製造装置。The hydrogen production apparatus according to claim 15, wherein the heating means is a fluidized bed heating furnace. 内部にアイアンカーバイドを保持し、該アイアンカーバイドに水蒸気又は水蒸気を含むガスを接触させて、アイアンカーバイドを酸化又は/及び水酸化するとともに水蒸気を還元し、水素を発生させる水素発生反応器と、
水素発生反応器から排出されたガス中に含まれる水蒸気を分離して、水素を取り出す分離手段と、
水素発生反応器からの酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを化石燃料又は/及びバイオマスによって還元してアイアンカーバイドに再生する再生反応器とを備え、再生反応器で再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給するようにしたことを特徴とする水素製造装置。
A hydrogen generating reactor that holds an eye anchor hydride therein, contacts the gas containing steam or water vapor with the eye anchor hydride, oxidizes or / and hydroxylates the eye anchor hydride and reduces the water vapor to generate hydrogen,
Separation means for separating water vapor contained in the gas discharged from the hydrogen generation reactor and taking out hydrogen;
A regeneration reactor for reducing the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor with fossil fuel and / or biomass to regenerate the eye anchor hydride, and converting the eye anchor hydride regenerated in the regeneration reactor into hydrogen A hydrogen production apparatus characterized in that it is supplied to a generation reactor.
水素発生反応器が、アイアンカーバイドと水蒸気を接触させる手段として流動層、固定層、移動層及び輸送層のいずれかを用いた装置である請求項14〜17のいずれかに記載の水素製造装置。The hydrogen production apparatus according to any one of claims 14 to 17, wherein the hydrogen generation reactor is an apparatus using any one of a fluidized bed, a fixed bed, a moving bed, and a transporting bed as a means for bringing the eye anchor hydride into contact with steam. 再生反応器に天然ガスを供給してアイアンカーバイドの再生を行うようにした請求項17又は18記載の水素製造装置。19. The hydrogen production apparatus according to claim 17, wherein natural gas is supplied to the regeneration reactor to regenerate the eye anchor hydride. 再生反応器に石炭を供給してアイアンカーバイドの再生を行うようにした請求項17又は18記載の水素製造装置。19. The hydrogen production apparatus according to claim 17, wherein coal is supplied to the regeneration reactor to regenerate eye anchor hydride. 再生反応器が流動層を用いた装置であり、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドに流動用ガスとして天然ガスを吹き込んで高温の流動層を形成させ、再生された高温のアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給し、その顕熱によってアイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給するようにした請求項17又は18記載の水素製造装置。The regeneration reactor is a device using a fluidized bed, in which natural gas is blown into the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride as a fluidizing gas to form a high temperature fluidized bed, and the regenerated high temperature anchor hydride is converted into hydrogen. 19. The hydrogen production apparatus according to claim 17, wherein the hydrogen is supplied to the generation reactor, and the sensible heat supplies thermal energy required for the reaction between the eye anchor hydride and the steam. 再生反応器が流動層を用いた装置であり、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドとともに石炭を投入し、流動用ガスとして石炭燃焼に必要な量以下の空気又は酸素を吹き込んで石炭を部分燃焼させ、一酸化炭素及びメタンガスを発生させてアイアンカーバイドの再生を行うようにした請求項17又は18記載の水素製造装置。The regeneration reactor is a device using a fluidized bed, in which coal is charged together with oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride, and air or oxygen less than the amount required for coal combustion is blown in as a fluidizing gas to partially separate the coal. 19. The hydrogen production apparatus according to claim 17, wherein the combustion is performed to generate carbon monoxide and methane gas to regenerate the eye anchor hydride. 再生反応器から水素発生反応器に再生されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機を設け、再生されたアイアンカーバイドから石炭の燃焼で生成した石炭灰を分離するようにした請求項22記載の水素製造装置。23. The hydrogen according to claim 22, wherein a magnetic separator is provided in a line for supplying the regenerated eye anchor carbide from the regeneration reactor to the hydrogen generation reactor, and coal ash generated by coal combustion is separated from the regenerated eye anchor carbide. manufacturing device. 水素発生反応器から再生反応器に酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドを供給するラインに磁選機を設け、酸化又は/及び水酸化されたアイアンカーバイドから石炭灰を分離するようにした請求項22記載の水素製造装置。A magnetic separator is provided in a line for supplying the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride from the hydrogen generation reactor to the regeneration reactor, and coal ash is separated from the oxidized or / and hydroxylated eye anchor hydride. 23. The hydrogen production apparatus according to 22. 再生されたアイアンカーバイドと石炭灰、又は再生されたアイアンカーバイドを水素発生反応器に供給し、その顕熱によってアイアンカーバイドと水蒸気の反応に必要な熱エネルギーを供給するようにした請求項22、23又は24記載の水素製造装置。Claims 22 and 23, wherein the regenerated eye anchor and coal ash or the regenerated eye anchor are supplied to a hydrogen generation reactor, and the sensible heat supplies heat energy required for the reaction between the eye anchor and steam. Or the hydrogen production apparatus according to 24.
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