JP2007261909A - 水素精製装置の運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】雰囲気温度の変化に伴う水素ガスの純度と回収率の低下を抑制し、雰囲気温度の変化にかかわらず、常に高純度の水素ガスを高い回収率で精製することのできる水素精製装置の運転方法。
【解決手段】複数の吸着塔１，２，３において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製し、洗浄工程において洗浄用水素ガスを使用して洗浄する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法で、吸着塔１，２，３の外部の雰囲気温度を検知し、その検知した雰囲気温度に基づいて洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製し、前記洗浄工程において洗浄用水素ガスを使用して洗浄する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法に関する。

このような水素精製装置では、吸着塔内の吸着剤が、水素リッチガスから不純物を吸着除去して高純度の水素ガスに精製するのであるが、吸着剤の吸着性能は温度により変化し、そのため、雰囲気温度の変化が水素ガスの純度と水素ガスの回収率に悪影響を及ぼすことが知られている。
このような問題を解消する方法として、従来、雰囲気温度による影響が大きな昇圧工程に着目し、昇圧工程において昇圧用ガスの流量を制御する流量制御法が知られている。しかし、この流量制御法では、水素ガスの回収率が未だ安定せず、特に雰囲気温度が高い場合には、水素ガスの純度が低下するという問題がある。

そこで、従来、吸着工程において精製される水素ガスの温度を検知し、その検知温度に基づいて、検知温度が高い場合には工程のサイクル時間を短くし、検知温度が低い場合には工程のサイクル時間を長くして、水素ガスの純度と回収率を安定化する運転方法が提案された（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−３５５５１９号公報

本発明は、上述した各従来技術とは異なる観点、具体的には、洗浄工程に着目したもので、その目的は、雰囲気温度の変化に伴う水素ガスの純度と回収率の低下を抑制し、雰囲気温度の変化にかかわらず、常に高純度の水素ガスを高い回収率で精製することのできる水素精製装置の運転方法を提供することにある。

本発明の第１の特徴構成は、複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製し、前記洗浄工程において洗浄用水素ガスを使用して洗浄する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法であって、前記吸着塔の外部の雰囲気温度を検知し、その検知した雰囲気温度に基づいて前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御するところにある。

本発明の第１の特徴構成によれば、吸着塔の外部の雰囲気温度を検知し、その検知した雰囲気温度に基づいて洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御する。
具体的には、吸着塔の外部の雰囲気温度が高い場合、吸着剤の吸着性能が低下するとともに、吸着した不純物の脱離も良好に行われず、その状態で水素ガスの精製を続行すると、水素ガスの純度が低下する。
本発明では、雰囲気温度が高い場合、洗浄用水素ガスの流量を増加させるように制御するので、不純物の洗浄が所望どおりに行われ、その結果、水素ガスの純度の低下を抑制することができる。
逆に、雰囲気温度が低い場合には、洗浄用水素ガスの流量を低減させるように制御するので、水素ガスを高純度に維持しながら、洗浄用に使用する水素ガスの低減によって水素ガスの回収率の低下を抑制することができる。

本発明の第２の特徴構成は、前記水素リッチガスの温度を検知し、その検知した水素リッチガス温度を加味して前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御するところにある。

本発明の第２の特徴構成によれば、水素精製装置に供給される水素リッチガスの温度を検知し、その検知した水素リッチガス温度を加味して、具体的には、水素リッチガス温度が高い場合には、洗浄用水素ガスの流量を増加させるように、水素リッチガス温度が低い場合には、洗浄用水素ガスの流量を低減させるように制御するので、上述した雰囲気温度に加えて水素リッチガスの温度変化も加味した状態で、水素ガスの純度と回収率の低下を抑制することができる。

本発明の第３の特徴構成は、前記吸着工程において精製される水素ガスの温度を検知し、その検知した水素ガス温度を加味して前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御するところにある。

本発明の第３の特徴構成によれば、吸着工程において精製される水素ガスの温度を検知し、その検知した水素ガス温度を加味して、具体的には、精製される水素ガス温度が高い場合には、洗浄用水素ガスの流量を増加させるように、水素ガス温度が低い場合には、洗浄用水素ガスの流量を低減させるように制御するので、上述した雰囲気温度に加えて、場合によっては、水素リッチガスの温度変化を加味した上で、精製される水素ガスの温度変化も加味した状態で、水素ガスの純度と回収率の低下を抑制することができる。

本発明による水素精製装置の運転方法について、その実施の形態を図面に基づいて説明する。
この水素精製装置は、吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから高純度の水素ガスを精製する圧力スイング吸着法による水素精製装置で、図１に示すように、第１から第３までの３つの吸着塔１，２，３を備え、各吸着塔１，２，３は、水素リッチガス供給路４に対してそれぞれ供給用分岐路４ａ，４ｂ，４ｃを介して互いに並列に接続され、各供給用分岐路４ａ，４ｂ，４ｃには、それぞれ供給用電磁弁５ａ，５ｂ，５ｃが設けられている。
水素リッチガス供給路４からは、例えば、１３Ａなどの都市ガスを原料とし、昇圧した都市ガスから硫黄分をｐｐｂレベルにまで除去し、水蒸気改質用の触媒によって水素リッチガスに改質するとともに、変成用の触媒によって水素リッチガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に変成し、さらに、余分な水分を除去した後の水素リッチガスが供給される。

各吸着塔１，２，３には、加圧下において水素リッチガスから水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着除去して高純度の水素ガスを精製する吸着剤が収容されている。それら吸着塔１，２，３は、水素ガス排出路６に対してそれぞれ排出用分岐路６ａ，６ｂ，６ｃを介して互いに並列に接続され、各排出用分岐路６ａ，６ｂ，６ｃにそれぞれ排出用電磁弁７ａ，７ｂ，７ｃが設けられ、水素ガス排出路６には高純度の水素ガスを貯蔵する水素ガス貯蔵タンク８が接続されている。
さらに、それら吸着塔１，２，３は、均圧用分岐路９ａ，９ｂ，９ｃを介して均圧路９に互いに並列に接続され、各均圧用分岐路９ａ，９ｂ，９ｃにはそれぞれ均圧用電磁弁１０ａ，１０ｂ，１０ｃが設けられている。そして、均圧路９の端部は、第３吸着塔３における排出用分岐路６ｃとの接続箇所より下流側において水素ガス排出路６に接続され、その接続箇所より上流側の均圧路９には昇圧・洗浄用電磁弁１０ｄが設けられている。

各吸着塔１，２，３の供給用分岐路４ａ，４ｂ，４ｃには、それぞれオフガス用分岐路１１ａ，１１ｂ，１１ｃが接続され、各オフガス用分岐路１１ａ，１１ｂ，１１ｃにそれぞれオフガス電磁弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられて、それらオフガス用分岐路１１ａ，１１ｂ，１１ｃがオフガス排出路１１に互いに並列に接続され、オフガス排出路１１にオフガスタンク１３が接続されている。
このような構成からなる水素精製装置は、その作動の全てが制御手段１４により自動制御され、後述する洗浄工程において使用される洗浄用水素ガスの流量が、吸着塔１，２，３の外部の雰囲気温度、水素リッチガスの温度、および、水素ガスの温度に基づいて制御されるように構成されている。そのため、吸着塔１，２，３の外部近傍に雰囲気温度検出センサＳ１が、水素リッチガス供給路４に水素リッチガス温度センサＳ２が、また、水素ガス排出路６に水素ガス温度センサＳ３が設けられ、各センサＳ１，Ｓ２，Ｓ３からの信号が制御手段１４に入力されるように構成されている。

つぎに、この圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法につき、図２の運転工程図と図３の運転説明図を参照しながら説明する。
水素リッチガス供給路４からの水素リッチガスは、第１〜第３の吸着塔１，２，３のいずれかに供給されて高純度の水素ガスに精製される。
例えば、第１吸着塔１において精製される場合であれば、図３の（イ）に示すように、供給用電磁弁５ａの開弁によって第１吸着塔１に水素リッチガスが供給され、加圧下においてその水素リッチガス中に含まれる水、二酸化炭素、一酸化炭素、メタン、窒素などの不純物を吸着剤に吸着させて高純度の水素ガスを精製する吸着工程を実行し、精製された高純度の水素ガスは、排出用電磁弁７ａの開弁に伴って排出用分岐路６ａと水素ガス排出路６を通って水素ガス貯蔵タンク８へ送られて貯蔵される。

この第１吸着塔１における吸着工程実行の際、第２吸着塔２においては、均圧用電磁弁１０ｂ，１０ｃの開弁に伴って均圧工程が実行され、その後、均圧用電磁弁１０ｂ，１０ｃが閉弁されるとともに、排出用電磁弁７ｂが開弁されて、図３の（ロ）に示すように、第１吸着塔１からの高純度の水素ガスが供給されて昇圧工程が実行される。
第３吸着塔３においては、上述した均圧工程が終了した後、オフガス電磁弁１２ｃの開弁に伴って減圧工程が実行され、減圧下において吸着剤に吸着された不純物が脱離されて取り除かれ、その不純物を含むオフガスがオフガス用分岐路１１ｃとオフガス排出路１１を通ってオフガスタンク１３に貯蔵される。その後、図３の（ハ）に示すように、第１吸着塔１からの高純度の水素ガスが、洗浄用水素ガスとして第３吸着塔３に供給されて洗浄工程が実行され、減圧下において吸着剤に吸着された不純物を脱離させて水素ガスで洗浄し、その洗浄工程の実行により発生したオフガスもオフガスタンク１３に貯蔵される。

その後、第１吸着塔１においては、均圧工程、減圧工程、洗浄工程が実行され、減圧工程と洗浄工程時に発生したオフガスがオフガスタンク１３に貯蔵され、そのとき、第２吸着塔２は吸着工程にあり、第３吸着塔３は均圧工程から昇圧工程にある。
その後、第１吸着塔１においては、均圧工程、昇圧工程が実行され、第２吸着塔２においては、均圧工程、減圧工程、洗浄工程が実行され、そのとき、第３吸着塔３においては、吸着工程が実行される。
各吸着塔１，２，３において、このような各工程が繰り返し実行されて、水素リッチガスから高純度の水素ガスが連続的に精製され、洗浄工程においては、精製された高純度の水素ガスが洗浄用水素ガスとして使用され、オフガスタンク１３に貯蔵されたオフガスは、例えば、図外のバーナへ供給されてバーナの燃料に供される。

このような水素精製装置の運転は、全て制御手段１４による制御下において実行されるのであり、それに加えて、本発明による水素精製装置では、雰囲気温度検出センサＳ１による検知温度が制御手段１４に入力され、その検知した雰囲気温度に基づいて洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量が制御される。
具体的には、雰囲気温度検出センサＳ１による検知温度が予め定められた基準温度より高い場合、洗浄用水素ガスの流量を増加させるように制御し、検知温度が基準温度より低い場合、洗浄用水素ガスの流量を低減させるように制御する。
それに加えて、水素リッチガス温度センサＳ２と水素ガス温度センサＳ３による検知温度も制御手段１４に入力され、水素リッチガス温度センサＳ２による水素リッチガス温度が予め決められた基準温度より高い場合や水素ガス温度センサＳ３による水素ガス温度が予め決められた基準温度より高い場合には、洗浄用水素ガスの流量を増加させるように、逆に、水素リッチガス温度が基準温度より低い場合や水素ガス温度が基準温度より低い場合には、洗浄用水素ガスの流量を低減させるように制御するので、水素ガスの純度と回収率の低下を抑制することができる。

〔別実施形態〕
（１）先の実施形態では、合計３つの吸着塔１，２，３を備えた水素製造装置を例示して説明したが、吸着塔の塔数は任意であり、２つ以上の吸着塔を備えた水素製造装置であれば適用可能である。

（２）先の実施形態では、雰囲気温度検出センサＳ１に加えて、水素リッチガス温度センサＳ２と水素ガス温度センサＳ３を設けた例を示したが、少なくとも雰囲気温度検出センサＳ１を備え、その雰囲気温度検出センサＳ１による検出温度に基づいて洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御するように構成すれば、本発明の目的を達成することができる。

水素精製装置を示す概略構成図 水素精製装置の運転状態を示す工程図 水素精製装置の運転状態を示す説明図

符号の説明

１，２，３ 吸着塔
４ 水素リッチガス供給路
６ 水素ガス排出路
９ 均圧路
１１ オフガス排出路
１４ 制御手段
Ｓ１ 雰囲気温度検出センサ
Ｓ２ 水素リッチガス温度センサ
Ｓ３ 水素ガス温度センサ

Claims (3)

1. 複数の吸着塔において吸着、均圧、減圧、洗浄、昇圧の各工程を繰り返しながら、水素リッチガスから水素ガスを精製し、前記洗浄工程において洗浄用水素ガスを使用して洗浄する圧力スイング吸着法による水素精製装置の運転方法であって、
   前記吸着塔の外部の雰囲気温度を検知し、その検知した雰囲気温度に基づいて前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御する水素精製装置の運転方法。
2. 前記水素リッチガスの温度を検知し、その検知した水素リッチガス温度を加味して前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御する請求項１に記載の水素精製装置の運転方法。
3. 前記吸着工程において精製される水素ガスの温度を検知し、その検知した水素ガス温度を加味して前記洗浄工程で使用する洗浄用水素ガスの流量を制御する請求項１または２に記載の水素精製装置の運転方法。

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