JP2005342562A - 水素精製方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低純度の水素含有原料ガスから純度の異なる２種の高純度水素を得るに際して、高純度水素ガスの収率が高く、精製に際して排出される排ガスのエネルギーを有効に利用できてランニングコストを抑えることができ、設備費用も低く抑えられる水素精製方法を得る。
【解決手段】水素含有原料ガスを水素ＰＳＡ装置２２に送り込んで、水素を濃縮したＰＳＡ製品ガスとＰＳＡ排ガスとし、ＰＳＡ製品ガスの一部を膜分離装置２６に送り込んでさらに水素を濃縮した膜分離製品ガスと膜分離排ガスとし、膜分離製品ガスを圧縮機３１で加圧し、第１の水素製品ガスとし、ＰＳＡ製品ガスの残部を膜分離排ガスと混合して、第２の水素製品ガスとし、ＰＳＡ製品ガスの水素純度が、第１の水素製品ガスの水素純度と第２の水素製品ガスの水素純度との中間の純度となるようにＰＳＡ装置２２の運転条件を設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、水素含有原料ガスから水素を精製する方法およびその精製装置に関し、例えば水素純度９０〜９５％（容量％、以下同様とする）の水素含有原料ガスから、水素純度９９．９％の低高純度の水素製品ガスと、水素純度９９．９９９％の高高純度の水素製品ガスとを効率よく取り出すことができるようにしたものである。

このような水素純度の異なる２種の水素製品ガスを得ようとする場合には、以下のような方法が考えられる。
図３は、その第１の方法を示すもので、水素純度９０〜９５％の水素含有原料ガスを水素ＰＳＡ装置１に送り込む。水素ＰＳＡ装置１は、周知の圧力変動吸着法によって水素を分離、濃縮する装置であって、この装置１においては、この原料ガスから水素が濃縮された水素純度９９．９９９％の高高純度のＰＳＡ製品ガスと、水素が希釈されたＰＳＡ排ガスとが分離され、ＰＳＡ製品ガスの一部は、高高純度の第１の水素製品ガスとして第１の供給先に供給される。

また、水素含有原料ガスの一部が高高純度のＰＳＡ製品ガスに混合され、その水素純度が９９．９％の低高純度の第２の水素製品ガスとして第２の供給先に供給されるものである。
しかし、この方法では、水素ＰＳＡ装置１における運転条件を水素純度９９．９９９％の高高純度水素が得られるように設定する必要があり、低収率となる欠点がある。

図４は、第２の方法を示すもので、この方法では、第１段水素ＰＳＡ装置２と第２段水素ＰＳＡ装置３とを直列に配置し、水素含有原料ガスを第１段水素ＰＳＡ装置２に送り、ここで得られるＰＳＡ製品ガスの一部を水素純度９９．９％の低高純度水素の第２の水素製品ガスとして第２の供給先に供給する。

また、第１段水素ＰＳＡ装置２からのＰＳＡ製品ガスの残部を第２段水素ＰＳＡ装置３に原料ガスとして送り込み、第２段水素ＰＳＡ装置３からのＰＳＡ製品ガスを水素純度９９．９９９％の高高純度水素の第１の水素製品ガスとして第１の供給先に供給するものである。
しかしながら、この方法では二基の水素ＰＳＡ装置が必要となり、設備費用が嵩むことにある。また、二基の水素ＰＳＡ装置からの排ガスが無駄になることにもなる。

図５は、第３の方法を示すもので、この方法では、第１段膜分離装置４と第２段膜分離装置５とを直列に配置し、水素含有原料ガスを第１段膜分離装置４に送り込み、ここで得られる水素純度９９．９％の膜分離製品ガスの一部を第１圧縮機６で加圧し、低高純度水素の第２の水素製品ガスとして第２の供給先に供給する。

第１段膜分離装置４から得られる膜分離製品ガスの残部を第２段膜分離装置５に原料ガスとして送り込み、第２段膜分離装置５で得られる膜分離製品ガスを第２圧縮機７で加圧し、水素純度９９．９９９％の高高純度水素の第１の水素製品ガスとして第１の供給先に供給するものである。

この方法では、膜分離装置が水素ＰＳＡ装置に比較して設備費用が安くなるが、膜分離装置の特性上、製品ガスの圧力が低圧となるため、二基の圧縮機が必要になり、これの設備費用、運転費用が新たな負担となる。また、二基の膜分離装置からの排ガスが無駄になることにもなる。

図６は、第４の方法を示すものであり、水素ＰＳＡ装置８の後段に膜分離装置９を配置し、水素含有原料ガスを水素ＰＳＡ装置８に送り込み、ここから得られる純度９９．９％のＰＳＡ製品ガスの一部を低高純度水素の第２の水素製品ガスとして第２の供給先に供給する。

水素ＰＳＡ装置８からのＰＳＡ製品ガスの残部を膜分離装置９に原料ガスとして送り込み、膜分離装置８からの純度９９．９９９％の膜分離製品ガスを圧縮機１０で加圧し、高高純度水素の第１の水素製品ガスとして第１の供給先に供給するものである。
この方法では、水素ＰＳＡ装置８および膜分離装置９からの排ガスが無駄になることにもなる。
特開平９−２３５１０１号公報 特開平８−３８８４６号公報

よって、本発明における課題は、低純度の水素含有原料ガスから純度の異なる２種の高純度水素（低高純度水素と高高純度水素）を得るに際して、高純度水素ガスの収率が高く、精製に際して排出される排ガスのエネルギーを有効に利用できてランニングコストを抑えることができ、設備費用も低く抑えられる水素精製方法およびその装置を得ることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、水素含有原料ガスを水素ＰＳＡ装置に送り込んで、水素を濃縮したＰＳＡ製品ガスとＰＳＡ排ガスとを得たのち、ＰＳＡ製品ガスの一部を膜分離装置に送り込んでさらに水素を濃縮した膜分離製品ガスと膜分離排ガスとにし、膜分離製品ガスを圧縮機で加圧して、第１の水素製品ガスとし、
ＰＳＡ製品ガスの残部を膜分離排ガスと混合して、第２の水素製品ガスとし、
ＰＳＡ製品ガスの水素純度が、第１の水素製品ガスの水素純度と第２の水素製品ガスの水素純度との中間の純度となるように、ＰＳＡ装置の運転条件を設定することを特徴とする水素精製方法である。

請求項２にかかる発明は、ＰＳＡ排ガスを水素ガス発電装置に供給して、これを燃料として発電を行い、発電された電力を水素ＰＳＡ装置および圧縮機のいずれか一方もしくは両方の稼働電力として使用することを特徴とする請求項１記載の水素精製方法である。
請求項３にかかる発明は、水素含有原料ガスの一部をＰＳＡ製品ガスの残部に混合して第２の水素製品ガスの水素純度を調整することを特徴とする請求項１または２記載の水素精製方法である。

請求項４にかかる発明は、水素含有原料ガスを導入し、水素が濃縮されたＰＳＡ製品ガスとＰＳＡ排ガスとを導出する水素ＰＳＡ装置と、
この水素ＰＳＡ装置からのＰＳＡ製品ガスの一部を導入し、水素がさらに濃縮された膜分離製品ガスと膜分離排ガスとを導出する膜分離装置と、
この膜分離装置からの膜分離製品ガスを加圧し、第１の水素製品ガスとする圧縮機と、
ＰＳＡ製品ガスの残部と膜分離排ガスとを混合して第２の水素製品ガスとする第１の管路を備えたことを特徴とする水素精製装置である。

請求項５にかかる発明は、上記水素ＰＳＡ装置からのＰＳＡ排ガスを導入して、これを燃料として発電し、その電力を水素ＰＳＡ装置および圧縮機のいずれか一方もしくは両方に供給する水素発電装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の水素精製装置である。
請求項６にかかる発明は、水素含有原料ガスの一部をＰＳＡ製品ガスの残部に混合する管路を、さらに備えたことを特徴とする請求項４または５記載の水素精製装置である。

本発明によれば、水素純度の異なる２種の高純度水素ガスを低純度水素ガスから高収率で得ることができる。また、精製に際して系外に排出される排ガスが少なく、しかもこの排ガスは発電に利用することも可能であり、これから発生する電力を精製装置の可動電力に利用することでランニングコストを低減することができる。また、設備費用を比較的安価に抑えることもできる。

図１は、本発明の水素精製装置の第１の例を示すものである。この例の精製装置を用いて水素を精製する方法の具体例を以下に説明する。
水素純度９０〜９５％の水素含有原料ガスが、管２１から水素ＰＳＡ装置２２に供給される。ここでの水素含有原料ガスとしては、例えばメタン、プロパン、ブタン、液化石油ガス、天然ガスなどのガスを精製した際に発生するオフガス、石油を精製した際に発生するオフガス、石油化学プラントから発生するオフガスなどが用いられるが、これに限られるものでもない。

水素ＰＳＡ装置２２は、２塔以上の吸着塔を備え、吸着、脱着を交互に繰り返して水素を精製する周知のＰＳＡ装置が用いられ、吸着塔にはアルミナ、活性炭、モレキュラーシーブスなどの吸着剤が充填されている。
水素ＰＳＡ装置２２では、水素が濃縮されたＰＳＡ製品ガスと、水素が希釈されたＰＳＡ排ガスが分離され、ＰＳＡ製品ガスは管２３に導出され、ＰＳＡ排ガスは管２４に導出される。

水素ＰＳＡ装置２２における運転条件は、後述する低高純度水素と高高純度水素との中間の水素純度、例えば９９．９５％のＰＳＡ製品ガスが得られるように設定されている。
管２４に導出されたＰＳＡ排ガスは、水素ガス発電装置２５に送られてこれの燃料とされる。
管２３に導出された水素純度９９．９５％のＰＳＡ製品ガスはここで分岐され、その一部が膜分離装置２６に送られる。ＰＳＡ製品ガスの残部は、管２７、流量調整弁２８を経て管２９に送られる。

膜分離装置２６は、水素の透過性が他のガスよりも高い分離膜を備えた周知の装置であり、ここに導入されたＰＳＡ製品ガスの一部はさらにその水素が精製されて水素純度９９．９９９％の膜分離製品ガスとして管３０に導出され、さらに圧縮機３１に送られ、ここで２０ＭＰａ程度に加圧されて、高高純度水素の第１の水素製品ガスとして第１の供給先に供給される。
この際、膜分離装置２６における運転条件は、膜分離製品ガスの水素純度が９９．９９９％の高高純度水素となるように設定されている。

膜分離装置２６から管３２に導出される水素純度約９８％の排ガスは、管２９に合流され、管２９を流れるＰＳＡ製品ガスの残部と混合され、ＰＳＡ製品ガスの混合量を流量調節弁２８で調整することで、水素純度９９．９％の低高純度水素の第２の水素製品ガスとなって、第２の供給先に供給される。

水素ガス発電装置２５は、水素含有ガスを燃料とするエンジンを備え、このエンジンで発電機を回転させて発電するものである。この水素ガス発電装置２５では、ここに導入された水素純度約７９％のＰＳＡ排ガスを燃料として発電が行われ、その発電電力は３４００ｋＷ程度得られ、水素ＰＳＡ装置２２および圧縮機３１のいずれか一方もしくは両方の稼動電力の一部または全部に使用される。

この精製方法では、プロセス全体が最も効率良くなるように低高純度水素と高高純度水素が得られるよう水素ＰＳＡ装置２２と膜分離装置２６の運転条件が設定されるようになっている。
なお、この例では、水素ガス発電装置２５を備えているが、本発明では必ずしもこの発電装置２５は必須とするものではなく、ＰＳＡ装置２２からのＰＳＡ排ガスを他の装置に送って有効利用することも可能である。

このような精製方法にあっては、水素ＰＳＡ装置２２からのＰＳＡ排ガスと膜分離装置２６からの膜分離排ガスがすべて有効に回収、再利用されるため、無駄がないものとなり、ランニングコストの低減が可能となる。
また、水素ＰＳＡ装置２２からのＰＳＡ製品ガスの水素純度を高高純度水素と低高純度水素ガスとの中間の純度としているので、ＰＳＡ製品ガスの残部と膜分離排ガスとを混合するだけで、簡単に低高純度水素ガスを得ることができる。

図２は、本発明の精製装置の第２の例を示すもので、この例では、水素含有原料ガスの一部を管２１から管３２に分岐し、流量調整弁３３を通って、管２７を流れるＰＳＡ製品ガスに合流させるようになっている以外は先の例と同様である。
このものでは、水素含有原料ガスのＰＳＡ製品ガスへの混合率を流量調節弁３３によって変化させることにより、低高純度水素ガスの水素純度を調整することが可能である。
なお、この例でも、水素ガス発電装置２５を備えているが、先の例と同様に、この発電装置２５は必須とするものではなく、ＰＳＡ装置２２からのＰＳＡ排ガスを他の装置に送って有効利用することも可能である。

以下、具体例を示す。
（実施例）
図２に示した本発明の精製装置を用いて水素の精製を行った。水素ＰＳＡ装置２２での圧力損失を５０ｋＰａ、膜分離装置２６での圧力損失を５０ｋＰａ、水素ＰＳＡ装置２２での収率を８０％、膜分離装置２６での収率を７０％とし、水素純度９５％の水素含有原料ガスを用い、第１の水素製品ガスとして水素純度９９．９９９％のものを流量１０００Ｎｍ^３／時間で得るようにした。
図２に示した（１）ないし（１１）の各位置におけるガスの流量（Ｎｍ^３／時間）、純度（％）、圧力（ＭＰａ）の値を表１に示した。

（従来例１）
図３に示した従来の精製装置を用いて水素の精製を行った。水素ＰＳＡ装置１での圧力損失を５０ｋＰａ、水素ＰＳＡ装置１での収率を７０％、水素純度９５％の水素含有原料ガスを用い、第１の水素製品ガスとして水素純度９９．９９９％のものを流量１０００Ｎｍ^３／時間で得るようにした。
図３に示した（１）ないし（１１）の各位置におけるガスの流量（Ｎｍ^３／時間、純度（％）、圧力（ＭＰａ）の値を表２に示した。

（従来例２）
図６に示した従来の精製装置を用いて水素の精製を行った。水素ＰＳＡ装置８での圧力損失を５０ｋＰａ、膜分離装置９での圧力損失を５０ｋＰａ、水素ＰＳＡ装置での収率を８０％、膜分離装置での収率を７０％とし、水素純度９５％の水素含有原料ガスを用いた。第１の水素製品ガスとして水素純度９９．９９９％のものを流量１０００Ｎｍ^３／時間で得るようにした。
図６に示した（１）ないし（１０）の各位置におけるガスの流量（Ｎｍ^３／時間）、純度（％）、圧力（ＭＰａ）の値を表３に示した。

表１ないし表３に記載の結果を比較することにより、実施例のものでは、従来例１、２のものに比べて、同じ流量の第１の水素製品ガスおよび第２の水素製品ガスを得るために必要な水素含有原料ガスの流量が最も少ないことが解り、高収率であることが理解できる。

本発明の水素精製装置の第１の例を示す概略構成図である。 本発明の水素精製装置の第２の例を示す概略構成図である。 従来の水素精製方法の第１の例を示す概略構成図である。 従来の水素精製方法の第２の例を示す概略構成図である。 従来の水素精製方法の第３の例を示す概略構成図である。 従来の水素精製方法の第４の例を示す概略構成図である。

符号の説明

２２・・・水素ＰＳＡ装置、２５・・・水素ガス発電装置、２６・・・膜分離装置、３１・・・圧縮機、２７、３２・・・管

Claims (6)

1. 水素含有原料ガスを水素ＰＳＡ装置に送り込んで、水素を濃縮したＰＳＡ製品ガスとＰＳＡ排ガスとを得たのち、ＰＳＡ製品ガスの一部を膜分離装置に送り込んでさらに水素を濃縮した膜分離製品ガスと膜分離排ガスとにし、膜分離製品ガスを圧縮機で加圧して、第１の水素製品ガスとし、
   ＰＳＡ製品ガスの残部を膜分離排ガスと混合して、第２の水素製品ガスとし、
   ＰＳＡ製品ガスの水素純度が、第１の水素製品ガスの水素純度と第２の水素製品ガスの水素純度との中間の純度となるように、ＰＳＡ装置の運転条件を設定することを特徴とする水素精製方法。
2. ＰＳＡ排ガスを水素ガス発電装置に供給して、これを燃料として発電を行い、発電された電力を水素ＰＳＡ装置および圧縮機のいずれか一方もしくは両方の稼働電力として使用することを特徴とする請求項１記載の水素精製方法。
3. 水素含有原料ガスの一部をＰＳＡ製品ガスの残部に混合して第２の水素製品ガスの水素純度を調整することを特徴とする請求項１または２記載の水素精製方法。
4. 水素含有原料ガスを導入し、水素が濃縮されたＰＳＡ製品ガスとＰＳＡ排ガスとを導出する水素ＰＳＡ装置と、
   この水素ＰＳＡ装置からのＰＳＡ製品ガスの一部を導入し、水素がさらに濃縮された膜分離製品ガスと膜分離排ガスとを導出する膜分離装置と、
   この膜分離装置からの膜分離製品ガスを加圧し、第１の水素製品ガスとする圧縮機と、
   ＰＳＡ製品ガスの残部と膜分離排ガスとを混合して第２の水素製品ガスとする管路を備えたことを特徴とする水素精製装置。
5. 上記水素ＰＳＡ装置からのＰＳＡ排ガスを導入して、これを燃料として発電し、その電力を水素ＰＳＡ装置および圧縮機のいずれか一方もしくは両方に供給する水素発電装置を備えたことを特徴とする請求項４記載の水素精製装置。
6. 水素含有原料ガスの一部をＰＳＡ製品ガスの残部に混合する管路を、さらに備えたことを特徴とする請求項４または５記載の水素精製装置
   

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