JP2008069017A - Method for producing hydrogen - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique to efficiently produce hydrogen in low temperature gasification advantageous to small-scale gasification device. <P>SOLUTION: A method for producing hydrogen comprises a first heat exchanging means 105 using a gas product 104 generated by reacting an organic material 101 with steam 103 in a reaction medium 102 as a high-temperature heat source, a second heat exchanging means 107 using a gas product 106 after heat exchanging in the first heat exchanging means 105 as a high-temperature heat source, and a hydrogen separation means 110 to separate hydrogen from a gas product 109, wherein the gas product 109 which moves to the hydrogen separation means 110 from the second heat exchanging means 107 is used as a low-temperature heat source of the first heat exchanging means 105. Tar and the like are removed by condensation in the second heat exchanging means 107, and the cooled gas product 109 is reheated in the first heat exchanging means 105 and supplied to the hydrogen separation means 110, thereby capable of suppressing the temperature reduction of the hydrogen separation means 110 and efficiently separating hydrogen to produce high concentration hydrogen. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、石炭やバイオマス等の有機物を原料として、エネルギー的に効率良く水素を製造する方法に関するものである。   The present invention relates to a method for efficiently producing hydrogen using organic materials such as coal and biomass as raw materials.

石炭やバイオマス等の有機物を利用価値の高いガス、液体および固体に転換できる新利用技術として急速熱分解法が開発されており、石炭を例にとると、873〜1273Kの無酸化雰囲気で前記石炭を熱分解すると、炭化水素、一酸化炭素、水素等からなる可燃性ガス、化学原料となるタールおよびチャーを生成することが知られている。   Rapid pyrolysis has been developed as a new utilization technology that can convert organic matter such as coal and biomass into gases, liquids and solids with high utility value. For example, when coal is used, the coal can be used in a non-oxidizing atmosphere of 873 to 1273K. It is known that when pyrolyzing is produced, a combustible gas composed of hydrocarbon, carbon monoxide, hydrogen and the like, and tar and char as chemical raw materials are produced.

これら熱分解生成物のうちのチャーを、サイクロン等で高温可燃ガスから分離した後に、リサイクルしてガス化炉内で酸素およびスチームによってガス化し、その高温ガス中に石炭を吹き込み、熱分解する方法が特許文献1に記載されている。   A method in which char among these pyrolysis products is separated from high-temperature combustible gas with a cyclone, etc., recycled, gasified with oxygen and steam in a gasification furnace, coal is blown into the high-temperature gas, and pyrolysis is performed Is described in Patent Document 1.

一方、サイクロン通過後の高温可燃性ガス中には、タール蒸気、残チャーやフライアッシュ等の固形粉が存在するが、これらはベンチュリースクラバーのようなオリフィスおよび水スプレー除塵により、固形粉と一部凝縮されたタールの混合物として回収される。さらに、残ったタール蒸気は、例えば特許文献2、特許文献3、特許文献4等に記されているように、水スプレーによる直接冷却または水冷管や水冷壁による間接冷却により凝縮され、液体混合物として回収される。   On the other hand, in high-temperature flammable gas after passing through the cyclone, there are solid powders such as tar vapor, residual char and fly ash, and these are partially mixed with solid powder by orifice and water spray dust removal such as Venturi scrubber. It is recovered as a condensed tar mixture. Further, the remaining tar vapor is condensed by direct cooling by water spray or by indirect cooling by a water-cooled tube or a water-cooled wall as described in Patent Document 2, Patent Document 3, Patent Document 4, etc., for example, as a liquid mixture Collected.

このように、急速熱分解された生成物のうち、固体成分のチャーをサイクロン等で分離してガス化炉へリサイクルし、ここでガス化して石炭熱分解反応の熱源とする方法は、熱分解生成物を効率的に活用することにより、高い熱効率が得られる。しかし、通常、熱分解石炭の40〜60%はチャーとなるが、ガス化に必要なチャーの量は、生成チャーの一部に過ぎず、残りは別の用途、例えば固体燃料等に活用される。   In this way, among the rapidly pyrolyzed products, the solid component char is separated by a cyclone or the like and recycled to the gasification furnace, where it is gasified and used as a heat source for the coal pyrolysis reaction. By using the product efficiently, high thermal efficiency can be obtained. However, usually 40-60% of pyrolysis coal is char, but the amount of char required for gasification is only a part of the generated char, and the rest is used for other purposes such as solid fuel. The

一方、前記チャーを分離した後のガス中には、タール蒸気およびサイクロンで未回収の微細なチャー、フライアッシュ等の固形粉が含まれており、ベンチュリースクラバー等により固形粉と一部凝縮されたタールとの混合物、即ちタールスラッジが回収される。この混合物は、可燃成分が高いために燃料として利用可能であるが、アッシュ成分が高いためにアッシュの処理が必要になること、および重質タールとの混合物であるために固化しやすく、保存やハンドリングが難しいこと等の課題があり、かかることから従来、その利用先は、産廃処理用燃料等の付加価値の低い利用先に限定されていた。   On the other hand, the gas after separating the char contains fine powders such as tar char and cyclone unrecovered, and solid powders such as fly ash, which are partially condensed with the solid powders by a venturi scrubber or the like. A mixture with tar, ie tar sludge, is recovered. This mixture can be used as a fuel because of its high combustible component, but it must be treated with ash because of its high ash component, and it is easy to solidify because it is a mixture with heavy tar. Since there are problems such as difficulty in handling, conventionally, its use has been limited to low value-added uses such as industrial waste treatment fuel.

また、ベンチュリースクラバー後に回収されたタールは、酸素含有量が多い若い石炭を急速熱分解する場合においては、石炭中の高分子物質の解離が十分に進まないため、複雑な高沸点成分の割合が多く、しかも微細な固形分も混入するものであった。そのため、従来、タール混合物から有効成分を蒸留により分離した残りについては化学原料となり得ず、前述と同様な利用先に限定されていた。   Also, the tar recovered after the venturi scrubber does not sufficiently dissociate the high-molecular-weight substances in the coal when rapid coal pyrolysis of young coal with a high oxygen content. In addition, many fine solids were also mixed. Therefore, conventionally, the remainder obtained by separating the active ingredient from the tar mixture by distillation cannot be a chemical raw material, and has been limited to the same usage as described above.

このように、従来の方法は、熱分解生成物を必ずしも有効に活用されていないところがあり、何らかの改善策が求められるものであった。   As described above, the conventional method does not always effectively utilize the thermal decomposition product, and some improvement measures are required.

そこで、最近では、石炭の急速熱分解において生成したチャー、スラッジおよびタールの蒸留残さを効率的に利用するための方法として、特許文献5に示された技術がある。   Therefore, recently, as a method for efficiently utilizing the distillation residue of char, sludge and tar generated in rapid pyrolysis of coal, there is a technique disclosed in Patent Document 5.

しかし、廃棄物系のバイオマスを原料とし、前記バイオマスの発生元においてガスを発電用燃料として利用する分散型のガス化発電用のガス化方法としては、精製されたタールやチャーではなく、外部利用可能なガスとして排出することが求められている。   However, as a gasification method for distributed gasification power generation that uses waste biomass as a raw material and uses gas as a fuel for power generation at the source of the biomass, it is not purified tar or char but external use It is required to discharge as possible gas.

ところが、生成ガスを凝縮することによって得られるタールや固形粉のように、一度エネルギーをかけられて低分子化された炭化水素を含んでいる物質を、外部利用可能なガスとするには、一度エネルギーをかけられているので、さらにガスまで低分子化するには低エネルギーでよいが、利用可能な排出ガスを得る場合には、必ずしも効率的ではない。   However, in order to make a substance containing hydrocarbons that have once been energized and reduced in molecular weight, such as tar and solid powder obtained by condensing the product gas, to be a gas that can be used externally, Since energy is applied, low energy may be used to further reduce the molecular weight of the gas, but it is not always efficient when obtaining usable exhaust gas.

つまり、ガス化に適した物質をガス化し、燃焼用に適した物質を燃焼することで高効率に熱源として利用可能な排出ガスを得ることが求められており、その方法として、石炭のガス化による水素製造を目的として、NEDO(新エネルギー産業技術総合開発機構)で開発しつつある、微粉炭気流搬送一室二段旋回流方式のHYCOL(噴流層石炭ガス化技術)プロセスがある。   In other words, it is required to gasify a material suitable for gasification and burn a material suitable for combustion to obtain an exhaust gas that can be used as a heat source with high efficiency. There is a HYCOL (entrained bed coal gasification technology) process that is being developed by NEDO (New Energy Industrial Technology Development Organization) with a pulverized coal air current carrying one-chamber two-stage swirl flow system.

しかし、このプロセスは、1773〜2073Kという高温で、10〜30気圧という高圧下で操作されるため、長期間にわたる連続運転での安全性を考えると解決すべき多くの問題点があり、実用化は極めて困難であることが予測される。   However, since this process is operated at a high temperature of 1773 to 2073 K and a high pressure of 10 to 30 atm, there are many problems to be solved in view of safety in continuous operation over a long period of time. Is expected to be extremely difficult.

また、特許文献6には、比較的低温(1023〜1073K)、常圧下で長期間安定に操業できるものとして、石炭を熱分解し、タール等と分離されたチャーをガス化原料とし、かつ熱供給媒体として蓄熱性のセラミック粒子を使用したドラフトチューブ付噴流層型ガス化装置が開示されている。   Patent Document 6 describes that char can be pyrolyzed, char separated from tar and the like as a gasification raw material, and heated with a relatively low temperature (1023 to 1073 K) and normal pressure for a long period of time. A spouted bed type gasifier with a draft tube using heat storage ceramic particles as a supply medium is disclosed.

しかしながら、かかるガス化装置においては、ガスの主成分として水素を得ることは可能であるが、この混合ガスには、一酸化炭素も高濃度で含まれているため、燃料電池に用いることは困難であり、一酸化炭素濃度を10ppm程度まで低減することが好ましい。   However, in such a gasifier, it is possible to obtain hydrogen as a main component of the gas. However, since this mixed gas contains carbon monoxide at a high concentration, it is difficult to use it in a fuel cell. It is preferable to reduce the carbon monoxide concentration to about 10 ppm.

このことに鑑み、石炭に水蒸気および酸素を作用させて水素と一酸化炭素を主成分とする混合ガスを製造し、水素分離透過膜を有する改質装置により、混合ガスから水素を高純度で分離する発明が開示されている(例えば、特許文献7参照)。   In view of this, water and oxygen are allowed to act on coal to produce a mixed gas mainly composed of hydrogen and carbon monoxide, and hydrogen is separated from the mixed gas with high purity by a reformer having a hydrogen separation and permeable membrane. The invention is disclosed (for example, see Patent Document 7).

図3は、従来の水素製造システムを示す概略説明図で、上記特許文献7に示されるものである。   FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a conventional hydrogen production system, which is shown in Patent Document 7 described above.

図3において、石炭のガス化は、ガス化炉1に石炭、スチーム及び酸素を供給して行われるものである。ガス化炉1では、一例として温度1300〜1400℃、圧力50〜60kg/cmの高温高圧状態で石炭にスチーム及び酸素を作用させ、ガス化した可燃性ガスを得る。この可燃性ガスは、温度1350℃、圧力65kg/cm程度に高圧・高温を維持しており、ライン2による改質装置3に移送される。 In FIG. 3, coal gasification is performed by supplying coal, steam, and oxygen to the gasification furnace 1. In the gasification furnace 1, as an example, steam and oxygen are allowed to act on coal in a high temperature and high pressure state of a temperature of 1300 to 1400 ° C. and a pressure of 50 to 60 kg / cm 2 to obtain a gasified combustible gas. This combustible gas maintains a high pressure and a high temperature at a temperature of 1350 ° C. and a pressure of about 65 kg / cm 2 , and is transferred to the reformer 3 by the line 2.

改質装置3において、高温・高圧の可燃性ガスは、天然ガス4の改質のための熱源として用いられる。すなわち、改質装置3において、前記した水素分離透過膜を用いて天然ガスから水素ガスを生成するが、この反応は吸熱反応である。   In the reformer 3, the high-temperature and high-pressure combustible gas is used as a heat source for reforming the natural gas 4. That is, in the reformer 3, hydrogen gas is generated from natural gas using the hydrogen separation / permeation membrane described above, and this reaction is an endothermic reaction.

改質装置3の加熱源として使用された可燃性ガスは、450℃程度に冷却された後、ライン5を経て脱硫装置6に移送され、硫化水素、SOX等が除去される。   The combustible gas used as the heating source of the reformer 3 is cooled to about 450 ° C. and then transferred to the desulfurizer 6 via the line 5 to remove hydrogen sulfide, SOX, and the like.

脱硫処理がなされた可燃性ガスは、ライン7によりガスタービン発電装置を構成する燃焼器8に導かれる。   The combustible gas that has been subjected to the desulfurization treatment is led to a combustor 8 that constitutes a gas turbine power generation device via a line 7.

なお、改質装置3から水素を分離した残りのオフガス9には、COや未反応天然ガス、水素、CO、スチーム等が含まれるので、このオフガスを改質装置3から直接ライン9を経て燃焼器8に移送し、燃料として使用することも可能であり、かかる場合は、燃料効率の向上にも役立つ。 The remaining off-gas 9 from which hydrogen has been separated from the reformer 3 includes CO 2 , unreacted natural gas, hydrogen, CO, steam, and the like. This off-gas is directly passed from the reformer 3 via the line 9. It can be transferred to the combustor 8 and used as fuel. In such a case, it is also useful for improving fuel efficiency.

燃焼器8では、可燃性ガスを燃焼させることにより、高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。この燃焼ガスはライン10を経てガスタービン11に導かれ、ガスタービン11を回転する。この回転力は、燃焼器8に圧縮空気を供給する空気コンプレッサ12によって一部使用され、残りは発電機13により電力に変換される。   The combustor 8 generates high-temperature and high-pressure combustion gas by burning combustible gas. The combustion gas is guided to the gas turbine 11 through the line 10 and rotates the gas turbine 11. This rotational force is partially used by an air compressor 12 that supplies compressed air to the combustor 8, and the rest is converted into electric power by a generator 13.

ガスタービン11を回転させた後、ここから排出される燃焼廃ガスは、ガスタービン11を回転させた後もなお温度450〜650℃と高温を維持しており、ライン14を経て廃熱回収ボイラ15に送られる。その後、煙突16より大気に放出される。   The combustion waste gas discharged from the gas turbine 11 after rotating the gas turbine 11 is maintained at a high temperature of 450 to 650 ° C. even after the gas turbine 11 is rotated, and the waste heat recovery boiler passes through the line 14. 15 is sent. Then, it is emitted from the chimney 16 to the atmosphere.

廃熱回収ボイラ15内には、改質装置17が設置され、高温の燃焼廃ガスにより加熱される。改質装置17では、改質装置3と同様に天然ガス4を改質させ、水素分離透過膜の作用で高純度水素を生成する。   A reformer 17 is installed in the waste heat recovery boiler 15 and is heated by high-temperature combustion waste gas. In the reformer 17, the natural gas 4 is reformed as in the reformer 3, and high-purity hydrogen is generated by the action of the hydrogen separation and permeable membrane.

なお、天然ガス4は、廃熱回収ボイラ15で予め加温された水18と共に、ライン19及び20を経て改質装置3及び17に移送される。改質装置3及び17で生成された水素は、ライン21、ライン22を経て燃料電池23に供給され、発電に使用される。   The natural gas 4 is transferred to the reformers 3 and 17 through the lines 19 and 20 together with the water 18 preheated in the waste heat recovery boiler 15. Hydrogen produced by the reformers 3 and 17 is supplied to the fuel cell 23 via the lines 21 and 22 and used for power generation.

また、改質装置17から水素を分離した残りのオフガスには、COや未反応天然ガス、水素、CO、スチーム等が含まれるので、ライン24を経て燃焼器8の燃料として使用するものである。
特開平4−122897号公報 特開平7−82564号公報 特開平7−82565号公報 特開平7−268355号公報 特開2000−239671号公報 特開平2−286788号公報 特許第3453218号公報
Further, the remaining off-gas from which hydrogen is separated from the reformer 17 includes CO 2 , unreacted natural gas, hydrogen, CO, steam, and the like, and is used as fuel for the combustor 8 via the line 24. is there.
Japanese Patent Laid-Open No. 4-122897 JP 7-82564 A JP-A-7-82565 JP 7-268355 A JP 2000-239671 A JP-A-2-286788 Japanese Patent No. 3453218

しかしながら、上記システムは、ガス化炉1の運転条件が、温度1300〜1400℃、圧力50〜60kg/cmの高温高圧状態であり、発生する可燃性ガスも温度1350℃、圧力65kg/cm程度に高圧・高温である。 However, the system operating conditions the gasifier 1, a temperature 1300-1400 ° C., a high-temperature high-pressure state of the pressure 50~60kg / cm 2, the combustible gases generated even if the temperature 1350 ° C., a pressure 65 kg / cm 2 High pressure and high temperature.

このため、ガス化炉1には、十分な耐熱耐圧設計および安全装置が必要である。一日の石炭消費量が数10トン規模の比較的大規模なプラントではこれらの対策を施し、安全確保することは可能であるが、電力消費場所で発電を行う分散型発電システムを想定した小規模ガス化装置にとって、上記の厳しい運転条件に耐え得る設計では、ガス化炉1の内容積に対して大きな外寸法となってしまい、小型化が困難である。   For this reason, the gasification furnace 1 needs a sufficient heat and pressure resistant design and safety device. In a relatively large plant with a daily coal consumption of several tens of tons, these measures can be taken to ensure safety, but a small-scale power generation system that generates power at a place where electricity is consumed is assumed. For a scale gasifier, a design that can withstand the above-mentioned severe operating conditions results in a large outer dimension with respect to the internal volume of the gasification furnace 1, and it is difficult to reduce the size.

このような理由から、小規模ガス化装置では、低温低圧の運転条件が好ましいが、一般に化学反応は温度依存性があり、ガス化炉1を低温化することで反応性が鈍化し、未改質のタールが増加するため、可燃性ガスの回収率が低下することに加えて、改質装置3内の水素分離膜表面等に前記タールが付着して分離性能が悪化するという課題がある。   For these reasons, low-temperature and low-pressure operating conditions are preferable for small-scale gasifiers. However, in general, chemical reactions are temperature-dependent, and by reducing the temperature of the gasification furnace 1, the reactivity becomes slow and unmodified. Since the quality tar is increased, there is a problem that the tar is attached to the surface of the hydrogen separation membrane in the reformer 3 and the separation performance is deteriorated in addition to the reduction in the recovery rate of the combustible gas.

このことから、小規模ガス化装置に有利な低温ガス化においても、水素を効率良く製造する技術が求められていた。   For this reason, a technique for efficiently producing hydrogen has been demanded even in low-temperature gasification advantageous for a small-scale gasification apparatus.

上記課題を解決するために本発明は、有機物と水蒸気を熱化学的に反応させることによって発生したガス生成物を、第1の熱交換手段の高温熱源とし、また、前記第1の熱交換手段により熱交換した後の前記ガス生成物を、第2の熱交換手段の高温熱源とし、そして、前記第2の熱交換手段により熱交換した後の前記ガス生成物から水素を分離する水素分離手段を設け、前記第1の熱交換手段の低温熱源を、前記第2の熱交換手段から前記水素分離手段に移動する前記ガス生成物としたものである。   In order to solve the above problem, the present invention uses a gas product generated by thermochemical reaction of an organic substance and water vapor as a high-temperature heat source of the first heat exchange means, and the first heat exchange means. Hydrogen gas separation means for separating the hydrogen from the gas product after the heat exchange by the second heat exchange means, using the gas product after the heat exchange by the second heat exchange means as the high temperature heat source of the second heat exchange means And the low-temperature heat source of the first heat exchange means is the gas product that moves from the second heat exchange means to the hydrogen separation means.

かかることにより、比較的低温で操作される反応手段から発生したガス生成物に含まれる未分解タールは、第2の熱交換手段で凝縮除去され、そして、低温になったガス生成物を第1の熱交換手段で再度加熱して高温にし、その高温になったガス生成物を、水素分離手段に供給することができるので、水素分離手段の温度低下が抑制でき、分離性能を維持することができる。   As a result, the undecomposed tar contained in the gas product generated from the reaction means operated at a relatively low temperature is condensed and removed by the second heat exchange means, and the low-temperature gas product is converted into the first product. The heat product is heated again to a high temperature, and the gas product at the high temperature can be supplied to the hydrogen separation means, so that the temperature drop of the hydrogen separation means can be suppressed and the separation performance can be maintained. it can.

本発明によれば、上記特許文献7に記載される従来技術と比べると、石炭やバイオマス等の有機物の水蒸気ガス化反応を低温で行い、ガス生成物に含まれるタール等が増加しても、このガス流を一旦冷却して凝縮除去するものである。さらに、この冷却操作により温度が低下したガス生成物を、冷却前に自身が有していた熱を利用して再度加熱し、水素分離器に供給することにより、分離性能を低下させることなく、水素に富んだガスを回収することができる。   According to the present invention, compared with the prior art described in Patent Document 7, the steam gasification reaction of organic matter such as coal and biomass is performed at a low temperature, and even if tar and the like contained in the gas product increase, This gas flow is once cooled and condensed and removed. Furthermore, the gas product whose temperature has been lowered by this cooling operation is heated again using the heat that it had before cooling, and is supplied to the hydrogen separator without reducing the separation performance. A gas rich in hydrogen can be recovered.

請求項1に記載の発明は、有機物と水蒸気を熱化学的に反応させる反応手段と、前記反応手段から発生するガス生成物を高温熱源とする第1の熱交換手段と、前記第1の熱交換手段で熱交換した後の前記ガス生成物を高温熱源とする第2の熱交換手段と、前記第2の熱交換手段で熱交換した後の前記ガス生成物から水素を分離する水素分離手段を備え、前記第1の熱交換手段の低温熱源を、前記第2の熱交換手段から前記水素分離手段に移動する前記ガス生成物としたものである。   The invention according to claim 1 is a reaction means for thermochemically reacting an organic substance and water vapor, a first heat exchange means using a gas product generated from the reaction means as a high-temperature heat source, and the first heat. A second heat exchanging means using the gas product after exchanging heat by the exchanging means as a high-temperature heat source; and a hydrogen separating means for separating hydrogen from the gas product after exchanging heat by the second heat exchanging means. The low-temperature heat source of the first heat exchange means is the gas product that moves from the second heat exchange means to the hydrogen separation means.

かかることにより、比較的低温で操作される前記反応手段から発生するガス生成物に含まれた未分解タールは、前記第2の熱交換手段で凝縮除去される。   Thus, undecomposed tar contained in the gas product generated from the reaction means operated at a relatively low temperature is condensed and removed by the second heat exchange means.

そして、低温になったガス生成物は、前記第1の熱交換手段で冷却前に自身が有していた熱によって再度加熱され、高温になる。このようにして高温になったガス生成物を、前記水素分離手段に供給することができるので、前記水素分離手段の温度低下が抑制でき、分離性能を維持することができる。このため、ガス生成物から効率良く水素を分離し、高濃度の水素を製造することができる。   And the gas product which became low temperature is again heated by the heat which self had before cooling by the said 1st heat exchange means, and becomes high temperature. Thus, since the gas product which became high temperature can be supplied to the said hydrogen separation means, the temperature fall of the said hydrogen separation means can be suppressed, and separation performance can be maintained. For this reason, hydrogen can be efficiently separated from the gas product, and high-concentration hydrogen can be produced.

請求項2に記載の発明は、前記反応手段の温度を、700℃から1000℃の範囲としたものである。   In the invention according to claim 2, the temperature of the reaction means is in the range of 700 ° C to 1000 ° C.

かかることにより、比較的低温でありながら、ガス生成物中に含まれるタールを極力抑制できる。このため、ガス生成物の収率が増加し、それに伴い水素発生量も増加するので、高濃度な水素をさらに多く製造することができる。   As a result, tar contained in the gas product can be suppressed as much as possible while the temperature is relatively low. For this reason, since the yield of a gas product increases and the amount of hydrogen generation increases accordingly, more highly concentrated hydrogen can be produced.

請求項3に記載の発明は、前記第2の熱交換手段の低温熱源温度を、水蒸気の凝縮温度以下としたものである。   According to a third aspect of the present invention, the low temperature heat source temperature of the second heat exchanging means is not higher than the condensation temperature of water vapor.

かかることにより、ガス生成物中に含まれるタールだけでなく、水蒸気も凝縮除去できる。このため、燃料として価値のない水蒸気濃度を低減できるので、ガス生成物中の水素濃度を相対的に向上することができる。その結果、水素分離手段において、さらに効率良く水素を分離し、高濃度な水素を製造することができる。   As a result, not only the tar contained in the gas product but also water vapor can be condensed and removed. For this reason, since the water vapor | steam density | concentration which is not valuable as a fuel can be reduced, the hydrogen density | concentration in a gas product can be improved relatively. As a result, the hydrogen separation means can separate hydrogen more efficiently and produce high-concentration hydrogen.

請求項4に記載の発明は、前記第2の熱交換手段の低温熱源を水とし、前記第2の熱交換手段で加熱された前記水から前記反応手段に供給する水蒸気を発生させる蒸気発生手段を備えたものである。   Invention of Claim 4 makes the low-temperature heat source of the said 2nd heat exchange means water, and the steam generation means to generate | occur | produce the water vapor | steam supplied to the said reaction means from the said water heated by the said 2nd heat exchange means It is equipped with.

かかることにより、前記第2の熱交換手段で高温熱源であるガス生成物および水蒸気が有する熱が低温熱源の水に移動し、これを基にして前記蒸気発生手段で水蒸気を生成し、前記反応手段に供給するので、多くの熱を系内で有効利用できる。このため、外部からの投入エネルギーを低減し、さらに効率良く高濃度な水素を製造することができる。   As a result, the gas product that is the high-temperature heat source and the heat of the water vapor move to the water of the low-temperature heat source in the second heat exchange means, and based on this, water vapor is generated by the steam generation means, and the reaction Since it is supplied to the means, a lot of heat can be effectively used in the system. For this reason, the input energy from the outside can be reduced, and high-concentration hydrogen can be produced more efficiently.

請求項5に記載の発明は、前記水素分離手段により水素が分離されたガス生成物の残留物の可燃成分を燃焼させ、その燃焼熱を前記高温熱源とし、さらに、前記第1の熱交換手段から前記水素分離手段に移動する前記ガス生成物を低温熱源とする第3の熱交換手段を備えたものである。   According to a fifth aspect of the present invention, the combustible component of the residue of the gas product from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation means is burned, the combustion heat is used as the high-temperature heat source, and the first heat exchange means A third heat exchange means using the gas product moving to the hydrogen separation means as a low-temperature heat source is provided.

かかることにより、水素分離後のガス生成物に含まれる燃焼熱を有効に利用し、水素分離手段に供給されるガス生成物を高温にすることができる。このようにして高温になったガス生成物を、前記水素分離手段に供給することができるので、水素分離手段の温度低下が抑制でき、分離性能を維持することができる。このため、ガス生成物からさらに効率良く水素を分離し、高濃度な水素を製造することができる。   Thus, the combustion heat contained in the gas product after hydrogen separation can be effectively used, and the gas product supplied to the hydrogen separation means can be heated to a high temperature. Thus, since the gas product which became high temperature can be supplied to the said hydrogen separation means, the temperature fall of a hydrogen separation means can be suppressed and separation performance can be maintained. For this reason, hydrogen can be more efficiently separated from the gas product, and high-concentration hydrogen can be produced.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。また、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Further, the present invention is not limited to the embodiments.

(実施の形態1)
図1は、本実施の形態1における水素製造方法の工程を説明するフロー図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a flowchart for explaining the steps of the hydrogen production method according to the first embodiment.

図1に示すように、有機物101は、石炭や厨芥、木屑、汚泥等のいわゆるバイオマスである。反応手段102では、有機物101と水蒸気103とが反応し、その結果、水素、メタン、一酸化炭素、二酸化炭素、エチレン等を主成分とするガス生成物104が生成される。   As shown in FIG. 1, the organic substance 101 is so-called biomass such as coal, firewood, wood chips, and sludge. In the reaction means 102, the organic substance 101 reacts with the water vapor 103, and as a result, a gas product 104 mainly composed of hydrogen, methane, carbon monoxide, carbon dioxide, ethylene, etc. is generated.

また、前記反応による副産物として凝縮性のタールも生成される。そこで、このタールも水蒸気103と反応させて、できる限りガス生成物104の収率を上げるべく、反応手段102を、700℃から1000℃の範囲で運転することが好ましい。   In addition, condensable tar is also produced as a byproduct from the reaction. Therefore, it is preferable to operate the reaction means 102 in the range of 700 ° C. to 1000 ° C. so that the tar reacts with the water vapor 103 to increase the yield of the gas product 104 as much as possible.

反応手段102から排出直後のガス生成物104の温度は、反応手段102と同等の温度にあり、第1の熱交換手段105の高温熱源として利用される。   The temperature of the gas product 104 immediately after being discharged from the reaction means 102 is equal to that of the reaction means 102 and is used as a high-temperature heat source for the first heat exchange means 105.

そして、第1の熱交換手段105を通過後のガス生成物106は、第2の熱交換手段107に供給される。第2の熱交換手段107では、ガス生成物106とともに流入するタールおよび余剰な水蒸気103が高温熱源であり、この高温熱源を低温熱源と熱交換することにより、凝縮性のタールおよび水蒸気103が凝縮し、これらがガス生成物106から分離、除去される。   The gas product 106 after passing through the first heat exchange means 105 is supplied to the second heat exchange means 107. In the second heat exchanging means 107, the tar and surplus steam 103 flowing together with the gas product 106 are the high-temperature heat source, and the condensable tar and the steam 103 are condensed by exchanging the heat with the low-temperature heat source. These are then separated from the gas product 106 and removed.

ここで、水蒸気103の凝縮温度は系内圧力に依存するが、小規模ガス化装置を想定した場合、常圧であることが好ましいので、低温熱源として100℃以下の冷媒(冷却水)108を用いるとよい。   Here, the condensing temperature of the water vapor 103 depends on the system pressure, but when assuming a small-scale gasifier, it is preferable to use a normal pressure, so that a refrigerant (cooling water) 108 of 100 ° C. or lower is used as a low-temperature heat source. Use it.

ガス生成物106は、第2の熱交換手段107において冷却水108によって冷却され、ここで凝縮性の不純物が低減し、浄化された状態となる。この時点でガス生成物109は水素を含んだ混合ガスとなり、水素分離手段110へ供給される。そして、水素分離手段110で水素のみを分離することにより、燃料ガスとして高純度水素111が製造される。   The gas product 106 is cooled by the cooling water 108 in the second heat exchange means 107, where condensable impurities are reduced and the gas product 106 is purified. At this time, the gas product 109 becomes a mixed gas containing hydrogen and is supplied to the hydrogen separation means 110. Then, only hydrogen is separated by the hydrogen separation means 110, whereby high purity hydrogen 111 is produced as a fuel gas.

水素分離手段110は、パラジウム等の水素透過性能に秀でた金属膜を用いることが好ましい。また、このような金属膜の水素透過性能は、一般的に温度依存性があるため、第2の熱交換手段107で冷却されたガス生成物109を、そのまま水素分離手段110に供給することは水素分離性能の低下を招く恐れがある。   The hydrogen separation means 110 is preferably a metal film having excellent hydrogen permeation performance such as palladium. In addition, since the hydrogen permeation performance of such a metal membrane is generally temperature-dependent, it is not possible to supply the gas product 109 cooled by the second heat exchange means 107 to the hydrogen separation means 110 as it is. There is a risk of deteriorating hydrogen separation performance.

しかしながら、本実施の形態1においては、ガス生成物109を、第2の熱交換手段107から水素分離手段110へ供給する間において、第2の熱交換手段107で冷却水108によって冷却されたものの、第1の熱交換手段105にて加熱され、約500℃の温度となるため、この温度上昇により水素分離手段110の水素分離性能は維持される。その結果、高純度水素111を製造することができ、この高純度水素111を燃料電池112に供給することにより発電が可能となる。   However, in the first embodiment, the gas product 109 is cooled by the cooling water 108 in the second heat exchange means 107 while the gas product 109 is supplied from the second heat exchange means 107 to the hydrogen separation means 110. Since it is heated by the first heat exchange means 105 and reaches a temperature of about 500 ° C., the hydrogen separation performance of the hydrogen separation means 110 is maintained by this temperature rise. As a result, high-purity hydrogen 111 can be produced, and power can be generated by supplying the high-purity hydrogen 111 to the fuel cell 112.

このように、700℃から1000℃のような比較的低温の範囲で、石炭やバイオマス等の有機物101を水蒸気103と反応させてガス生成物104を生成し、含有されるタールや水蒸気等の不純物を取り除いて浄化した後、高純度水素111を製造することができる。また、系内圧力はほぼ常圧であるため、小規模ガス化装置でも重厚な構造や安全設計をすることなく、効率良く水素を製造することができる。   Thus, in a relatively low temperature range such as 700 ° C. to 1000 ° C., an organic substance 101 such as coal or biomass reacts with the water vapor 103 to generate the gas product 104, and impurities such as tar and water vapor are contained. After removing and purifying, high purity hydrogen 111 can be produced. In addition, since the system pressure is almost normal pressure, hydrogen can be efficiently produced even in a small-scale gasifier without a heavy structure and safety design.

なお、有機物101として石炭やバイオマス等の固形物だけでなく、都市ガスやプロパンガスおよびアルコール類等を用いても差し支えない。   In addition, as organic substance 101, not only solid substances, such as coal and biomass, but city gas, propane gas, alcohols, etc. may be used.

また、ガス生成物104の回収率を向上させるべく、反応手段102にニッケルや活性アルミナ等の炭化水素の分解機能を有する触媒を投入しても良い。   Further, in order to improve the recovery rate of the gas product 104, a catalyst having a hydrocarbon decomposition function such as nickel or activated alumina may be added to the reaction means 102.

(実施の形態2)
図2は、本実施の形態2における水素製造方法の工程を説明するフロー図で、図1と同様の構成要素については、同一の符号を付し、ここでは、先の実施の形態1と相違する内容を中心に説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 2 is a flowchart for explaining the steps of the hydrogen production method according to the second embodiment. Components similar to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and here, different from those in the first embodiment. The contents will be mainly described.

図2において、ガス生成物104の不純物であるタールおよび余剰水蒸気103を凝縮除去するべく、第2の熱交換手段107の低温熱源として水201が供給される。第2の熱交換手段107における熱交換により、エンタルピーが増加した水201は、蒸気発生器202で加熱されて水蒸気103になる。   In FIG. 2, water 201 is supplied as a low-temperature heat source for the second heat exchange means 107 in order to condense and remove tar and excess water vapor 103 as impurities of the gas product 104. The water 201 whose enthalpy has increased by the heat exchange in the second heat exchange means 107 is heated by the steam generator 202 to become the water vapor 103.

一方、第2の熱交換手段107で冷却されたガス生成物109は、第1の熱交換手段105で加熱された後、第3の熱交換手段203で再加熱される。このときの熱源は、水素分離手段110で水素が分離された後のガス生成物204に含まれるメタン等の可燃成分の燃焼熱であり、空気205と混合されて第3の熱交換手段203で燃焼されたときに発生するものである。   On the other hand, the gas product 109 cooled by the second heat exchange means 107 is heated by the first heat exchange means 105 and then reheated by the third heat exchange means 203. The heat source at this time is the combustion heat of combustible components such as methane contained in the gas product 204 after the hydrogen is separated by the hydrogen separation means 110, and is mixed with the air 205 to be mixed by the third heat exchange means 203. It occurs when burned.

このように、一連の水素製造過程において、余剰な水蒸気103が有する凝縮潜熱やガス生成物204が有する熱量の一部を有効に利用することにより、小規模ガス化装置に有利で、低温の反応温度でも効率良く水素を製造することができる。   As described above, in a series of hydrogen production processes, by effectively utilizing a part of the latent heat of condensation of the excess steam 103 and the amount of heat of the gas product 204, it is advantageous for a small-scale gasifier and a low-temperature reaction. Hydrogen can be efficiently produced even at a temperature.

以上のように、本発明にかかる水素製造方法は、燃料電池用の燃料である水素を石炭やバイオマスから小規模でも高効率に製造し、発電が可能となる。このため、ホテル、飲食店、住宅等電力消費地で水素製造が可能となり、送電によるロスが少ない分散型電源の普及に貢献できる。   As described above, the hydrogen production method according to the present invention makes it possible to produce hydrogen, which is fuel for fuel cells, from coal or biomass with high efficiency even on a small scale, and to generate power. For this reason, hydrogen can be produced in power consuming areas such as hotels, restaurants, and houses, which can contribute to the spread of distributed power sources with less loss due to power transmission.

本発明の実施の形態1における水素製造方法の工程を説明するフロー図Flow chart illustrating the steps of the hydrogen production method in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施の形態2における水素製造方法の工程を説明するフロー図Flow chart illustrating the steps of the hydrogen production method according to Embodiment 2 of the present invention 従来技術を示す水素製造システムの概略説明図Schematic illustration of a hydrogen production system showing conventional technology

符号の説明Explanation of symbols

101 有機物
102 反応手段
103 水蒸気
104 ガス生成物
105 第1の熱交換手段
106 ガス生成物
107 第2の熱交換手段
108 冷却水
109 ガス生成物
110 水素分離手段
201 水
202 蒸気発生手段
203 第3の熱交換手段
204 ガス生成物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Organic substance 102 Reaction means 103 Water vapor 104 Gas product 105 1st heat exchange means 106 Gas product 107 2nd heat exchange means 108 Cooling water 109 Gas product 110 Hydrogen separation means 201 Water 202 Steam generation means 203 3rd Heat exchange means 204 Gas product

Claims (5)

有機物と水蒸気を熱化学的に反応させる反応手段と、前記反応手段から発生するガス生成物を高温熱源とする第1の熱交換手段と、前記第1の熱交換手段で熱交換した後の前記ガス生成物を高温熱源とする第2の熱交換手段と、前記第2の熱交換手段で熱交換した後の前記ガス生成物から水素を分離する水素分離手段を備え、前記第1の熱交換手段の低温熱源を、前記第2の熱交換手段から前記水素分離手段に移動する前記ガス生成物とした水素製造方法。   Reaction means for thermochemical reaction of organic matter and water vapor, first heat exchange means using a gas product generated from the reaction means as a high-temperature heat source, and the heat exchange after the first heat exchange means A second heat exchange means using a gas product as a high-temperature heat source; and a hydrogen separation means for separating hydrogen from the gas product after heat exchange by the second heat exchange means. A hydrogen production method in which the low temperature heat source of the means is the gas product that moves from the second heat exchange means to the hydrogen separation means. 前記反応手段の温度を、700℃から1000℃の範囲とした請求項1に記載の水素製造方法。   The method for producing hydrogen according to claim 1, wherein the temperature of the reaction means is in the range of 700 ° C to 1000 ° C. 前記第2の熱交換手段の低温熱源温度を、水蒸気の凝縮温度以下とした請求項1または2に記載の水素製造方法。   The hydrogen production method according to claim 1 or 2, wherein a low temperature heat source temperature of the second heat exchange means is set to be equal to or lower than a condensation temperature of water vapor. 前記第2の熱交換手段の低温熱源を水とし、前記第2の熱交換手段で加熱された前記水から前記反応手段に供給する水蒸気を発生させる蒸気発生手段を備えた請求項1から3のいずれか一項に記載の水素製造方法。   The low-temperature heat source of the second heat exchange means is water, and steam generation means for generating water vapor to be supplied to the reaction means from the water heated by the second heat exchange means is provided. The method for producing hydrogen according to any one of the above. 前記水素分離手段により水素が分離されたガス生成物の残留物の可燃成分を燃焼させ、その燃焼熱を前記高温熱源とし、さらに、前記第1の熱交換手段から前記水素分離手段に移動する前記ガス生成物を低温熱源とする第3の熱交換手段を備えた請求項1から4のいずれか一項に記載の水素製造方法。   Combusting the combustible component of the residue of the gas product from which hydrogen has been separated by the hydrogen separation means, using the combustion heat as the high-temperature heat source, and further moving from the first heat exchange means to the hydrogen separation means The hydrogen production method according to any one of claims 1 to 4, further comprising third heat exchange means using the gas product as a low-temperature heat source.
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