JP2007246304A - 水素製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素濃度の誤検出による装置の停止を抑制して生産性を向上させた水素製造装置を提供することにある。
【解決手段】炭化水素ガス１およびスチームを原料とし、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマ６と、水素分離型リフォーマ６に第１配管１２を介して連結され、水素分離型リフォーマ６にて製造された水素を吸引する水素吸引手段１３とを有する水素製造装置２０であって、第１配管１２に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段１６を設けて、露点温度計測手段１６により計測された計測温度が所定温度より高いときにインターロックするようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素製造装置に関する。

水素製造装置として、例えば、図５に示すような水素分離型リフォーマを用いた水素製造装置６０がある（例えば、特許文献１を参照）。この装置６０では、ボイラ６１にて生成された水蒸気やメタンやメタノール等の炭化水素６２からなる原料ガスをリフォーマ６３にて水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により主に水素と二酸化炭素に分解し、発生した水素をリフォーマ６１に内蔵された水素分離膜６４に透過させて選択的に分離するようにしている。

水素分離膜６４にて区画された透過部６５は、減圧水素ライン６６を介して水素吸引ユニット６７に接続される。透過部６５に溜められた水素は、水素吸引ユニット６７により吸引される。水素吸引ユニット６７に吸引された水素は、水素高圧圧縮ユニット６９により３０ＭＰａまで圧縮されて系外に排出されている。減圧水素ライン６６では、水素の圧力は０．０３Ｍｐａ〜０．０４ＭＰａとなっており、加圧水素ライン６８では、水素の圧力は０．５ＭＰａ程度となる。なお、前記水素の濃度は、９９．９９９９％である。

加圧水素ライン６８には、防爆型酸素濃度計７０が一つ設置されており、水素製造装置６０が運転している時には、加圧水素ライン６８内の水素中酸素濃度が常時計測されている。このように水素中酸素濃度を計測することで、熱膨張による配管の継手部のずれや配管自体の劣化などによる空気の漏れ込みを把握して、水素製造装置６０の故障を回避するようにしている。また、水素製造装置６０が停止している時には、配管および機器の気密検査が実施されており、配管および機器への空気も漏れ込みを把握して、水素製造装置６０の故障を回避するようにしている。

特開２００４−３５２５２７号公報

しかしながら、上述した一つの酸素濃度計７０における酸素濃度を計測する計測部が酸化されたり、加圧水素ライン６８へのガスの流入量が変化したりして、酸素濃度計７０にて誤検出したときや、酸素濃度計７０自体が故障したときにも、水素製造装置６０を停止しなければならなかった。

このような水素製造装置６０に対して気密検査を実施しても、室温レベルにて実施されるため、装置を運転しているときの高温時のみの空気漏れ込みを検出できない可能性があり、故障箇所の特定および復旧に多大な時間を要してしまい、生産性が低下してしまう可能性があった。

そこで、本発明は、前述した問題に鑑み提案されたもので、酸素濃度の誤検出による装置の停止を抑制して生産性を向上させた水素製造装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決する第１の発明に係る水素製造装置は、炭化水素ガスおよびスチームを原料とし、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマと、前記水素分離型リフォーマに第１配管を介して連結され、前記水素分離型リフォーマにて製造された水素を吸引する水素吸引手段とを有する水素製造装置であって、前記第１配管に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段を設けて、前記露点温度計測手段により計測された計測温度が所定温度より高いときにインターロックするようにしたことを特徴とする。
本考案におけるインターロックは、水素製造装置の全停止、水素の製造停止（スタンバイ運転）、水素の加圧停止（補機停止）および警報作動（停止なし）等の運転モードの変更を表す。
前記露点温度計測手段としては、静電容量式の露点温度計測手段および鏡面冷却式の露点温度計測手段が挙げられる。

上述した課題を解決する第２の発明に係る水素製造装置は、炭化水素ガスおよびスチームを原料とし、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマと、前記水素分離型リフォーマに第１配管を介して連結され、前記水素分離型リフォーマにて製造された水素を吸引する水素吸引手段と、前記水素吸引手段に第２配管を介して連結され、前記水素吸引手段に吸引された水素を圧縮して排出する水素圧縮手段とを有する水素製造装置であって、前記第１配管に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段を設ける一方、前記第２配管に酸素濃度を計測する第１および第２酸素濃度計測手段を設けて、前記露点温度計測手段で計測した温度が所定温度より高い、且つ前記第１または第２酸素濃度計測手段で計測した酸素濃度が所定酸素濃度より高いときにインターロックし、または、前記第１および第２酸素濃度計測手段で計測した酸素濃度が前記所定濃度より高いときにインターロックするようにしたことを特徴とする。

上述した課題を解決する第３の発明に係る水素製造装置は、第１または第２の発明に記載された水素製造装置であって、前記所定温度が−２３℃であることを特徴とする。

第１の発明に係る水素製造装置によれば、第１配管に露点温度計測手段を設けたことで、水素中の水分濃度を計測してこの計測値から酸素濃度を算出することができるので、酸素濃度計を使用した場合に起こる計測部の酸化による故障および誤検出が回避され、これらに起因した水素製造装置の停止が回避される。その結果、水素製造装置の生産性を向上させることができる。また、前記第１配管への空気漏れ込みによる後流機器のトラブルの発生を防止することができる。また、前記第１配管にて計測しているので、空気漏れ込みによる水素濃度の低下を早く検出することができる。さらに、水素製造装置の停止による非定常な運転が無くなり、水素分離型リフォーマや各機器の耐久性が向上する。

第２の発明に係る水素製造装置によれば、第１配管に露点温度計測手段を設ける一方、第２配管に第１および第２酸素濃度計測手段を設け、前記第１配管および前記第２配管への空気の漏れ込みを判定するようにしたので、前記露点温度計測手段および前記第１，第２酸素濃度計測手段の単体故障や単体誤検出による水素製造装置の停止をなくすことができる。その結果、水素製造装置の生産性を向上させることができる。また、前記第１配管への空気漏れ込みによる後流機器のトラブルの発生を防止することができる。また、前記第１配管にて計測しているので、空気漏れ込みによる水素濃度の低下を早く検出することができる。さらに、水素製造装置の停止による非定常な運転が無くなり、水素分離型リフォーマや各機器の耐久性が向上する。

第３の発明に係る水素製造装置によれば、第１および第２の発明に記載された水素製造装置と同様な作用効果を奏する他、水素と酸素とが混合した際に爆発しない状態の上限となる酸素濃度の４分の１である１．３％（１３０００ｐｐｍ）となり、水素と酸素との混合による爆発を回避することができる。

以下に、本発明に係る水素製造装置を実施するための最良の形態を実施例に基づき具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置の概略図である。図２は、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置が有する露点計による水素中水分露点温度と水素中酸素濃度換算値との関係を示すグラフであり、図２中実線は大気１０℃における漏れ込み酸素濃度を示し、図２中破線は大気３０℃における漏れ込み酸素濃度を示す。

本発明の第１の実施例に係る水素製造装置２０は、図１に示すように、水素改質反応に用いる炭化水素ガス１の一部を空気２と共に導入して燃焼させ、水３を加熱してスチームを製造するボイラ４と、制御弁５を介して供給された前記スチームおよび原料ガスである炭化水素ガス１が混合予熱器１７（熱交換器）へ送られて混合ガスとなり、この混合ガスが導入され、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマ６とを有する。水素分離型リフォーマ６は反応管を有し、この反応管内には、前記水蒸気改質反応および前記ＣＯシフト反応を行う改質触媒７が充填される。改質触媒７に接して配置される水素分離膜８により、反応管内に水素透過部９が区画される。反応管の外側には、燃焼部１０および燃焼ガス通路１１が設けられる。

このような水素分離型リフォーマ６では、改質触媒７において水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により生成した水素ガスは、水素分離膜８を通過して水素透過部９に抜き出される。水素透過部９は、減圧水素ライン１２（第１配管）を介して水素吸引ユニット１３（水素吸引手段）に接続される。水素吸引ユニット１３は、加圧水素ライン１４（第２配管）を介して水素高圧圧縮ユニット１５（水素圧縮手段）に接続される。よって、水素透過部９に溜まった水素は、減圧水素ライン１２を介して水素吸引ユニット１３に吸引され、水素吸引ユニット１３に吸引された水素は加圧水素ライン１４を介して、水素高圧圧縮ユニット１５に導入される。水素圧縮ユニット１５にて水素が圧縮されて、系外に排出される。なお、減圧水素ライン１２には、冷却水２５を通す熱交換器２６が介在され、この熱交換器２６により、水素ガスが適切な温度まで冷却される。

水素製造工程にて生じるオフガス１８は、空気２により熱交換器１９にて熱交換され、さらに冷却水２１により熱交換器２２にて冷却された後、水成分２３とガス成分とに気液分離され、ガス成分のみが水素分離型リフォーマ６の燃焼部１０に供給されて、水素製造工程における燃焼に用いられる。なお、炭化水素１は水素分離型リフォーマ６の燃焼部１０に制御弁２４を介して導入される。

減圧水素ライン１２に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段である露点計１６が接続される。露点計１６としては、静電容量式の露点計および鏡面冷却式の露点計が挙げられる。この露点計１６により、水素中の水分濃度が常時計測される。ここで、水素中水分濃度と酸素濃度換算値は、図２に示す相関関係があることを発明者らは経験的に見出している。図２中一点破線で囲まれる領域Ａは、安全上の濃度範囲、すなわち、水素と酸素とが混合した際に爆発しない状態の上限となる酸素濃度の４分の１となる１．３％（１３０００ｐｐｍ）以下となる領域である。

よって、露点計１６により計測された露点温度が−２３℃より低い場合には、水素製造装置２０は運用し続けられる。また、露点計１６により計測された露点温度が−２３℃より高くなった場合には、水素製造装置２０が停止される。その結果、水素と酸素との混合による爆発を回避することができる。ただし、計器類の誤差、外乱等を考慮し、露点温度が、−４５℃（水分濃度７１ｐｐｍ、大気温度１０℃での酸素濃度換算値１２００ｐｐｍ）より高くなった場合に警報装置を作動させ、水素製造装置２０を水素の製造および水素の加圧が停止されるようインターロックさせても良い。

また、得られる水素中、好ましい水分濃度以下とするには、−６０℃（水分濃度１０ｐｐｍ、大気温度１０℃で酸素濃度換算値１８０ｐｐｍ）以下、更に好ましい酸素濃度以下とするには、−９０℃（水分濃度０．１ｐｐｍ、大気温度１０℃での酸素濃度換算値約２ｐｐｍ）より高くなった場合には、警報装置を作動させても良い。この場合、必ずしも水素製造装置をインターロック停止させる必要はないが、このような範囲にて水素製造装置２０を運用することで、水素と酸素との混合による爆発を回避することができ、水素中の水分濃度、酸素濃度の上昇を知ることができ、そのための対策をとることができる。

したがって、本発明の第１の実施例に係る水素製造装置２０によれば、減圧水素ライン１２に露点計１６を設けたことで、水素ガス中の水分濃度を計測してこの計測値から酸素濃度を算出することができるので、露点計１６の計測部の酸化による故障および誤検出が回避され、これらに起因した水素製造装置の停止が回避される。その結果、水素製造装置２０の生産性を向上させることができる。また、減圧水素ライン１２への空気漏れ込みによる後流機器のトラブル、特に、後流の水素高圧圧縮ユニット１５による爆発等の重大事故の発生を防止することができる。また、減圧水素ライン１２にて計測しているので、空気漏れ込みによる水素濃度の低下を早く検出することができる。さらに、水素製造装置２０の停止による非定常な運転が無くなり、改質触媒７および各機器の耐久性が向上する。

以下に、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置について、図を用いて具体的に説明する。第２の実施例に係る水素製造装置は、上述した第１の実施例に係る水素製造装置における加圧水素ラインに酸素温度計を追加したものであり、これ以外は第１の実施例に係る水素製造装置と同じ構造を有する。よって、同一機器には同一符号を付記し、その説明を省略する。

図３は、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置の概略図であり、図４は、その制御フローを示す図である。

本発明の第２の実施例に係る水素製造装置４０は、図３に示すように、加圧水素ライン１４に図示しない開閉バルブを介して、酸素濃度を計測する第１，第２酸素濃度計４１，４２が設けられる。

上述した装置４０は、図４に示す制御フローにて運転される。この図に示すように、最初に、ステップＳ１にて、水素製造装置４０を通常運転させる。続いて、ステップＳ２に進み、露点計１６による水素中水分露点温度の判定が行われる。露点計１６により計測された計測温度Ｔ１が所定温度Ｔより高い場合には、ステップＳ３に進む。計測温度Ｔ１が所定温度Ｔより低い場合には、ステップＳ６に進む。なお、所定温度Ｔとして、例えば−２３℃が挙げられる。

ステップＳ３にて、第１酸素濃度計４１による酸素濃度の判定が行われる。第１酸素濃度計４１により計測された第１計測酸素濃度Ｍ１が所定濃度Ｍより高い場合には、ステップＳ４に進み、インターロックにより、水素の製造および水素の加圧が停止される。第１計測濃度Ｍ１が所定濃度Ｍより低い場合には、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５にて、第２酸素濃度計４２による酸素濃度の判定が行われる。第２酸素濃度計４２により計測された第２計測酸素濃度Ｍ２が所定濃度Ｍより高い場合には、ステップＳ４に進み、インターロックにより、水素の製造および水素の加圧が停止される。第２計測酸素濃度Ｍ２が所定濃度Ｍより低い場合には、ステップＳ９に進む。

ステップＳ６にて、第１酸素濃度計４１による酸素濃度の判定が行われる。第１酸素濃度計４１により計測された第１計測酸素濃度Ｍ１が所定濃度Ｍより高い場合には、ステップＳ７に進む。第１計測濃度Ｍ１が所定濃度Ｍより低い場合には、ステップＳ９に進む。

ステップＳ７にて、第２酸素濃度計４２による酸素濃度の判定が行われる。第２酸素濃度計４２により計測された第２計測酸素濃度Ｍ２が所定濃度Ｍより高い場合には、ステップＳ８に進み、インターロックにより、水素の製造および水素の加圧が停止される。第２計測濃度Ｍ２が所定濃度Ｍより低い場合には、ステップＳ９に進む。

ステップＳ９にて、露点計１６または第１，第２酸素濃度計４１，４２が校正され、ステップＳ１に進み、水素製造装置４０は通常運転される。

すなわち、この装置４０では、露点計１６による計測温度Ｔ１が所定温度Ｔより高い、且つ第１または第２酸素濃度計４１，４２による第１または第２計測酸素濃度Ｍ１またはＭ２が所定濃度Ｍより高い場合、または、第１および第２酸素濃度計４１，４２による第１および第２計測酸素濃度Ｍ１およびＭ２が所定濃度Ｍより高い場合、インターロックにより、水素の製造および水素の加圧が停止される。

したがって、本発明の第２の実施例に係る水素製造装置４０によれば、上述した本発明の第１の実施例に係る水素製造装置２０と同様な作用効果を奏する他、減圧水素ライン１２に設けた露点計１６、および加圧水素ライン１４に設けた第１，第２酸素濃度計４１，４２により、減圧水素ライン１２および加圧水素ライン１４への空気の漏れ込みを判定することができるので、露点計１６および第１，第２酸素濃度計４１，４２の単体故障や単体誤検出による水素製造装置４０の停止をなくすことができる。その結果、水素製造装置４０の生産性を向上させることができる。

なお、上記では、加圧水素ライン１４に第１および第２酸素濃度計４１，４２を設けた水素製造装置４０を用いて説明したが、加圧水素ラインに第１酸素濃度計のみを設けるようにしても良い。この場合は、ステップＳ５，Ｓ７が省略される。また、加圧水素ラインに酸素濃度計と露点計を設けるようにしても良く、このような水素製造装置でも上記第２の実施例に係る水素製造装置４０と同様な作用効果を奏する。

本発明は、水素製造装置に利用することが可能である。

本発明の第１の実施例に係る水素製造装置の概略図である。 本発明の第１の実施例に係る水素製造装置が有する露点計による水素中水分露点温度と水素中酸素濃度換算値との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施例に係る水素製造装置の概略図である。 本発明の第２の実施例に係る水素製造装置の制御フローを示す図である。 従来の水素製造装置の概略図である。

符号の説明

１ 炭化水素ガス
２ 空気
３ 水
４ ボイラ
５ 制御弁
６ 水素分離型リフォーマ
７ 改質触媒
８ 水素分離膜
９ 水素透過部
１０ 燃焼部
１１ 燃焼ガス通路
１２ 減圧水素ライン
１３ 水素吸引ユニット
１４ 加圧水素ライン
１５ 水素高圧圧縮ユニット
１６ 露点計
２０ 水素製造装置
４０ 水素製造装置
４１ 第１酸素濃度計
４２ 第２酸素濃度計

Claims (3)

1. 炭化水素ガスおよびスチームを原料とし、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマと、前記水素分離型リフォーマに第１配管を介して連結され、前記水素分離型リフォーマにて製造された水素を吸引する水素吸引手段とを有する水素製造装置であって、
   前記第１配管に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段を設けて、前記露点温度計測手段により計測された計測温度が所定温度より高いときにインターロックするようにした
   ことを特徴とする水素製造装置。
2. 炭化水素ガスおよびスチームを原料とし、水蒸気改質反応およびＣＯシフト反応により水素を製造する水素分離型リフォーマと、前記水素分離型リフォーマに第１配管を介して連結され、前記水素分離型リフォーマにて製造された水素を吸引する水素吸引手段と、前記水素吸引手段に第２配管を介して連結され、前記水素吸引手段に吸引された水素を圧縮して排出する水素圧縮手段とを有する水素製造装置であって、
   前記第１配管に水素中水分露点温度を計測する露点温度計測手段を設ける一方、
   前記第２配管に酸素濃度を計測する第１および第２酸素濃度計測手段を設けて、
   前記露点温度計測手段で計測した温度が所定温度より高い、且つ前記第１または第２酸素濃度計測手段で計測した酸素濃度が所定酸素濃度より高いときにインターロックし、
   または、前記第１および第２酸素濃度計測手段で計測した酸素濃度が前記所定濃度より高いときにインターロックするようにした
   ことを特徴とする水素製造装置。
3. 請求項１または請求項２に記載された水素製造装置であって、
   前記所定温度が−２３℃である
   ことを特徴とする水素製造装置。

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