JP2005289731A - 水素製造方法とその装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 吸着剤を収容する水素精製装置内を加圧状態に維持して吸着剤に水素リッチガス中の不純物を吸着させて高純度の製品水素を取り出す水素取り出し工程と、水素精製装置内を減圧状態に維持して吸着剤から不純物を脱着させてオフガスを取り出すオフガス取り出し工程を繰り返しながら、水素リッチガスから高純度の製品水素を製造する水素製造方法で、水素取り出し工程完了後、水素精製装置内の減圧に伴って水素精製装置内に残存する高純度の製品水素を回収する水素回収工程を実行し、その後にオフガス取り出し工程へ移行する水素製造方法とその方法を実施する水素製造装置。
【選択図】 図3
Description
しかし、製造後の水素中に多量の不純物が含まれていると、用途によっては使用不能になる可能性があるため、水素中に含まれる不純物を除去して高純度の水素に精製する必要がある。
また、不飽和結合への添加用として水素を使用する場合にも、5規定(N)以上の純度が要求され、したがって、上述した水素精製方法によって水素リッチガスを高純度の水素に精製する必要がある。
具体的には、一般に吸着工程と称される水素取り出し工程において、吸着剤を収容する水素精製装置内を加圧状態に維持してその吸着剤に水素リッチガス中の不純物を吸着させて高純度の製品水素を取り出し、その後、均圧工程を経た後、減圧工程および洗浄工程と称されるオフガス取り出し工程において、水素精製装置内を減圧状態に維持して吸着剤から不純物を脱着させてオフガスを取り出し、その後、昇圧工程を経て再び吸着工程を実行しながら製品水素を製造していた(実際に実施してはいるが、この点について詳しく言及した特許文献などは見当たらない)。
すなわち、本発明者らが各種の実験などを繰り返して追求したところ、水素精製装置から高純度の製品水素を取り出した後、次に水素精製装置内の圧力を減圧する段階においても、その水素精製装置内に製品水素として回収可能な高純度の水素が残存していることが判明した。
しかし、従来の水素精製方法では、そのような残存水素を製品水素として回収していなかったので、製品水素の回収率が低くて製造効率が悪いという欠点があった。
すなわち、水素回収工程を完了するには、例えば、水素取り出し工程完了後、所定時間経過後に完了することもできるが、時間が短すぎると、水素精製装置内の圧力が高くて未だ高純度の製品水素を回収できるにもかかわらず、未回収に終わる可能性があり、逆に時間が長すぎると、水素精製装置内の圧力が低くなって吸着剤から不純物が脱着して、回収する水素の純度が低下する可能性がある。
その点、水素精製装置内の圧力に基づいて水素回収工程を完了すれば、所望どおりの高純度水素を効率良く回収することができる。
そして、水素取り出し用調圧機構により水素精製装置内を所望の加圧状態に維持して、確実に水素取り出し工程を実行し、かつ、水素回収用調圧機構により水素精製装置内を所望どおりに減圧しながら水素回収工程を実行することができ、その結果、製品水素回収率をより一層向上させることができる。
この水素製造方法は、例えば、原料である炭化水素として13Aなどの都市ガスを使用して高純度の水素を製造するもので、そのための装置は、図1に示すように、コンプレッサ1、第1熱交換器2a、脱硫器3、第2熱交換器2b、バーナ4aを有する改質器4、変成器5、第3熱交換器2c、気液分離器6、水素精製装置7、水素貯蔵タンク8、オフガス用タンク9などを備えて構成されている。
コンプレッサ1は、第1配管ラインL1から供給される原料としての炭化水素ガスを圧縮して昇圧するもので、例えば、都市ガスにおける中圧ラインからのガスを原料とする場合であれば、0.1MPaあるいはそれ以上の圧力を有する炭化水素ガスを0.98MPa程度にまで昇圧し、昇圧後の炭化水素ガスは、第1熱交換器2aを有する第2配管ラインL2を通って脱硫器3に送られる。
改質器4は、バーナ4aの燃焼により750℃程度の高温に維持され、0.85MPa程度の圧力下で水蒸気改質用の触媒により炭化水素ガスに水蒸気を反応させて水素リッチなガスに改質し、改質後の水素リッチガスは、第5配管ラインL5を通って第1と第2熱交換器2a,2bにより炭化水素ガスを予熱して変成器5に送られる。
変成器5は、変成用の触媒により水素リッチガス中の一酸化炭素(CO)を二酸化炭素(CO2)に変成し、変成後の水素リッチガスは、第3熱交換器2cを有する第6配管ラインL6を通って気液分離器6に送られ、気液分離器6が、水素リッチガスを常温程度にまで冷却して余分な水分を凝縮除去し、その後、水素リッチガスは、第1電磁バルブV1を有する第7配管ラインL7を通って水素精製装置7に送られる。
その水素精製装置7は、図2に詳しく示すように、例えば、3塔の水素精製装置7、つまり、第1水素精製装置7a、第2水素精製装置7b、および、第3水素精製装置7cにより構成されて、それら第1〜第3の水素精製装置7a〜7cが並列に接続され、後に詳しく説明するように、各水素精製装置7a〜7cにおいて、吸着(水素取り出し工程)、均圧(水素回収工程)、均圧(1)、減圧(1)と(2)、洗浄、均圧(2)、昇圧の各工程を順番に繰り返すことにより水素リッチガスから高純度の製品水素を連続的に製造するように構成されている。
そのため、各水素精製装置7a〜7cは、水素取り出し用開閉機構としての第2電磁バルブV2a〜V2cを備えた第8補助配管ラインL8a〜L8cを介してそれぞれ第8配管ラインL8に並列に接続されている。
さらに、各水素精製装置7a〜7cは、水素回収用開閉機構としての第3電磁バルブV3a〜V3cを備えた第10補助配管ラインL10a〜L10cを介してそれぞれ水素回収ラインとしての第10配管ラインL10に並列に接続されている。
第10配管ラインL10の途中には、均圧用調圧機構PV3を備えた第11補助配管ラインL11aが分岐接続され、その第11補助配管ラインL11aが水素取り出し用調圧機構PV1よりも上手側において第8配管ラインL8に接続され、その第11補助配管ラインL11a、第10配管ラインL10の一部、ならびに、第10補助配管ラインL10a〜L10cが、各水素精製装置7a〜7c内の圧力を均圧化する均圧ラインとしての第11配管ラインL11を構成している。言い換えると、水素回収ラインとしての第10配管ラインL10の一部が、均圧ラインL11に兼用されている。
各水素精製装置7a〜7cからのオフガスは、バーナ4aに供給され、燃焼後の排ガスは、第14配管ラインL14を通って装置外へ排出される。
その第12配管ラインL12において、オフガス用タンク9を含んで前後の第6電磁バルブV6と第4圧力調整バルブPV4をバイパスする第15配管ラインL15が設けられ、その第15配管ラインL15には、第7電磁バルブV7と第5圧力調整バルブPV5が配設され、かつ、第15配管ラインL15より下手側の第12配管ラインL12には流量計Fが配設されている。
そして、第7配管ラインL7における第1電磁バルブV1の上手側には、第8電磁バルブV8を備えたパージ用の第16配管ラインL16と、気液分離器6からの水素リッチガスの一部を第1配管ラインL1に戻す第17配管ラインL17が接続されている。
まず、装置の循環系全体を所定の温度にまで昇温する起動運転を実行した後、水素精製運転を行って製品水素を製造するのであり、水素精製運転では、原料である炭化水素ガスが、第1配管ラインL1から導入されてコンプレッサ1により所定の圧力にまで昇圧され、第1熱交換器2aを通過した後、脱硫器3において硫黄分が除去され、その後、第2熱交換器2bを通過し、改質器4において、バーナ4aの燃焼による高温下で、水蒸気改質用の触媒により水蒸気と反応して水素リッチガスに改質される。
改質後の水素リッチガスは、第1と第2熱交換器2a,2bを通過して原料である炭化水素ガスを予熱し、変成器5において含有一酸化炭素が二酸化炭素に変成され、気液分離器6で余分な水分が除去された後、3塔ある水素精製装置7a〜7cのいずれかにおいて不純物が吸着除去されて高純度の水素に精製される。
この水素取り出し工程の間、第1水素精製装置7a内は、例えば、圧力調整バルブからなる水素取り出し用調圧機構PV1によって0.85MPa程度の所定圧に維持され、高純度の製品水素は、水素取り出しラインとしての第8配管ラインL8を介して水素貯蔵タンク8へ搬送されて貯蔵される。
なお、その水素回収工程の前に、第3水素精製装置7c内は、例えば、水素貯蔵タンク8の圧力を調整する圧力調整バルブPV9の設定圧力が0.65MPaであるとき、圧力調整バルブからなる水素回収用調圧機構PV2によって0.65MPa以上の所定圧に維持され、所定の設定圧である0.65MPaにまで減圧した時点で、その水素回収工程を完了する。
第3水素精製装置7cの減圧工程において、その初期の段階では、図4(a)に示すように、第6電磁バルブV6の開弁によって、比較的多量の一酸化炭素を含むオフガスがオフガス用タンク9に貯蔵され、後期の段階では、図4(b)に示すように、第6電磁バルブV6が閉弁され、第7電磁バルブV7が開弁されて、比較的多量の水素を含むオフガスがバイパス路L15を通り、オフガス用タンク9からのオフガスと混合されて改質器4のバーナ4aに供給されて燃焼される。
そして、第1〜第3の水素精製装置7a〜7cにおいて、このような工程を順次繰り返すことによって高純度の水素を連続的に精製して製品水素を製造するのである。
(1)先の実施形態では、燃料ガスの変成法により水素リッチガスを製造し、その水素リッチガスから高純度水素を精製して製品水素を製造する例を示したが、水素リッチガスの製造に関しては、燃料ガスの変成法以外にも、液体燃料のガス化法、水の電解法、石炭やコークスのガス化法、コークス炉ガスの液化分離法、メタノールやアンモニアの分解法などの各種方法により製造することができる。
8 水素貯蔵タンク
L8 水素取り出しライン
L10 水素回収ライン
L11 均圧ライン
PV1 水素取り出し用調圧機構
PV2 水素回収用調圧機構
V2a〜V2c 水素取り出し用開閉機構
V3a〜V3c 水素回収用開閉機構
Claims (7)
- 吸着剤を収容する水素精製装置内を加圧状態に維持して前記吸着剤に水素リッチガス中の不純物を吸着させて高純度の製品水素を取り出す水素取り出し工程と、前記水素精製装置内を減圧状態に維持して前記吸着剤から不純物を脱着させてオフガスを取り出すオフガス取り出し工程を繰り返しながら、水素リッチガスから高純度の製品水素を製造する水素製造方法であって、
前記水素取り出し工程完了後、前記水素精製装置内の減圧に伴って水素精製装置内に残存する高純度の製品水素を回収する水素回収工程を実行し、その水素回収工程完了後に前記オフガス取り出し工程へ移行する水素製造方法。 - 前記水素精製装置内の圧力が所定の設定圧にまで減圧した時点で、前記水素回収工程を完了する請求項1に記載の水素製造方法。
- 吸着剤を収容する水素精製装置と、高純度の製品水素を貯蔵する水素貯蔵タンクと、前記水素精製装置から製品水素を取り出して前記水素貯蔵タンクへ搬送する水素取り出しラインを備え、前記水素精製装置内を加圧状態に維持して前記吸着剤に水素リッチガス中の不純物を吸着させて高純度の製品水素に精製し、その製品水素を前記水素取り出しラインを介して前記水素貯蔵タンクへ搬送し、前記水素精製装置内を減圧状態に維持して前記吸着剤から不純物を脱着させてオフガスを取り出すように構成してある水素製造装置であって、
前記水素精製装置内の減圧に伴って水素精製装置内に残存する高純度の製品水素を回収して前記水素貯蔵タンクへ搬送する水素回収ラインを設けてある水素製造装置。 - 前記水素取り出しラインが、前記水素精製装置内を所定の加圧状態に維持する水素取り出し用調圧機構と水素取り出し用開閉機構を備え、前記水素回収ラインが、前記水素精製装置内を減圧させる水素回収用調圧機構と水素回収用開閉機構を備えている請求項3に記載の水素製造装置。
- 前記水素精製装置が複数設けられ、その複数の水素精製装置のそれぞれが、前記水素取り出し用開閉機構を備えて前記水素取り出しラインに並列に接続され、かつ、前記水素回収用開閉機構を備えて前記水素回収ラインに並列に接続されている請求項3または4に記載の水素製造装置。
- 前記水素回収ラインが、前記水素取り出し用調圧機構をバイパスして前記水素取り出しラインに接続されている請求項5に記載の水素製造装置。
- 前記水素回収ラインの一部が、各水素精製装置内の圧力を均圧化する均圧ラインに兼用されている請求項6に記載の水素製造装置。
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