JP2008133143A - Apparatus and method for producing hydrogen - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、都市ガス等の炭化水素とスチームとを原料として水素を製造する水素製造装置及び水素製造方法に関する。 The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method for producing hydrogen using hydrocarbons such as city gas and steam as raw materials.
都市ガスなどの炭化水素とスチームとを原料として水素を生成する水素製造装置の開発が進められており、水素を得る方法の一つとして水素製造用反応管内の改質触媒上で水蒸気改質反応とCOシフト反応により水素(H2)を生成し、生成された水素(H2)のみを回収することで、高純度の水素(H2)を製造する水素製造装置が用いられている。 Development of a hydrogen production system that produces hydrogen using hydrocarbons such as city gas and steam as raw materials is underway, and steam reforming reaction on a reforming catalyst in a hydrogen production reaction tube is one way to obtain hydrogen. and it generates the hydrogen (H 2) by CO shift reaction, only the generated hydrogen (H 2) by the recovering, hydrogen production apparatus is used for producing high-purity hydrogen (H 2).
従来の水素製造装置の一例として、従来の水素製造装置を図5に示す。図5は、従来の水素製造装置の構成(左)と水素製造用反応管内でのガス温度と触媒の活性状態(右)を示す図である。図5中左側図に示すように、従来の水素製造装置100は、水素製造装置本体100a内に水素製造用反応管101と、燃焼室102とを有してなるものである。前記水素製造用反応管101は、都市ガス等の炭化水素からなる原料ガスGに水蒸気発生装置103から供給されるスチーム104を混合した混合ガス105を前記水素製造用反応管101内に供給する原料ガス供給管106と、前記水素製造用反応管101内に送給された前記混合ガス105中の前記原料ガスGを予備改質する予備改質触媒が充填された予備改質触媒部107と、前記原料ガスG中の炭化水素や含酸素炭化水素を改質触媒部108において転化して水素(H2)を生成し、生成された水素(H2)のみが通過可能な水素分離膜109aを有する水素分離膜モジュール109と、前記水素分離膜109aを通過した水素(H2)を回収する水素抜出し管110と、未反応の前記原料ガスGやオフガス111を回収するオフガス排出管112とからなる。また、前記燃焼室102には、前記燃焼室102に供給される燃焼ガス中の炭化水素又は含酸素炭化水素を燃焼するバーナー113が設けられている。
As an example of a conventional hydrogen production apparatus, a conventional hydrogen production apparatus is shown in FIG. FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional hydrogen production apparatus (left), a gas temperature in a hydrogen production reaction tube, and an active state of a catalyst (right). As shown in the left side view of FIG. 5, a conventional hydrogen production apparatus 100 includes a hydrogen production reaction tube 101 and a combustion chamber 102 in a hydrogen production apparatus main body 100a. The hydrogen production reaction tube 101 is a raw material that supplies, into the hydrogen production reaction tube 101, a mixed
このバーナー113によって、燃焼された高温の燃焼ガスは前記水素製造用反応管101を通過する時、前記水素製造用反応管100の外壁に接触し、前記水素製造用反応管101を加熱することにより、改質触媒部108が前記原料ガスG中の炭化水素を改質するのに適正な温度としている。
By the
また、前記水素製造用反応管101内に送給された前記混合ガス105は、前記水素製造用反応管101内の前記燃焼室102側に設けた前記予備改質触媒部107で、予め、前記原料ガスG中のメタンやメタノールなどの炭化水素の一部を予備改質して水素に転化し、前記予備改質触媒部107の上部側に設置している前記水素分離膜109aの入口の水素分圧を上昇させる。そして、前記改質触媒部108によって前記原料ガスG中の炭化水素を水蒸気改質反応とCOシフト反応により、主に水素と二酸化炭素を生成し、前記水素分離膜109aから生成された水素(H2)を選択的に分離し有効に回収している。
Further, the mixed
また、前記水素分離膜モジュール109の温度は、改質触媒部108及び予備改質触媒部107の触媒の寿命及び水素透過性能の面から500〜550℃に制御することが好ましい。高温になりやすい前記水素製造用反応管101の前記燃焼室102側の温度は、水蒸気改質反応による吸熱で温度を下げることができるため、水素分離膜モジュール109の局部加熱を抑制し、前記水素製造用反応管101内の温度を均一に保持し、前記水素製造用反応管101の耐熱性向上を図るようにしている(例えば、特許文献1参照)。
In addition, the temperature of the hydrogen
ここで、前記予備改質触媒部107出口の前記原料ガスGの組成は、ほぼガス温度における平衡組成に達している。 Here, the composition of the raw material gas G at the outlet of the pre-reforming catalyst unit 107 has almost reached the equilibrium composition at the gas temperature.
例えば、図5中右側図に示すように、前記予備改質触媒部107の出口ではガス温度が例えば550℃の時に平衡組成に達している。そして、水蒸気改質反応の進行により更に改質反応が進行し、吸熱により温度が低下する。そのため、前記水素分離膜109aの入口部分において水蒸気改質反応による吸熱により十分な吸熱量が得られるようにするためには、前記水素分離膜109aの入口部での前記原料ガスGのガス温度は、550℃以下、好ましくは500〜530℃に制御する必要がある。 For example, as shown in the right side of FIG. 5, the equilibrium composition is reached at the outlet of the pre-reforming catalyst unit 107 when the gas temperature is, for example, 550 ° C. Then, the reforming reaction further proceeds as the steam reforming reaction proceeds, and the temperature decreases due to the endotherm. Therefore, in order to obtain a sufficient endothermic amount by the endothermic reaction by the steam reforming reaction at the inlet portion of the hydrogen separation membrane 109a, the gas temperature of the source gas G at the inlet portion of the hydrogen separation membrane 109a is It is necessary to control the temperature to 550 ° C. or lower, preferably 500 to 530 ° C.
しかしながら、実際の前記水素製造装置100の運転では、前記水素製造用反応管101毎に温度や流量にばらつきがあり、前記バーナー113からの直接の輻射伝熱により前記混合ガス105のガス温度が例えば550℃を超える場合も発生し、前記水素製造用反応管101の下部の前記予備改質触媒部107の異常な発熱を防止することができず、予備改質触媒及び前記改質触媒部108の触媒が失活し易く、劣化を防止することができない、という問題がある。
However, in the actual operation of the hydrogen production apparatus 100, the temperature and flow rate vary for each of the hydrogen production reaction tubes 101, and the gas temperature of the mixed
また、前記バーナー113からの輻射伝熱等により予備改質触媒部107の予備改質触媒層の活性が低下した場合、前記水素製造用反応管101から前記予備改質触媒を抜き出して新規に交換することが容易ではない、という問題もある。
Further, when the activity of the pre-reforming catalyst layer of the pre-reforming catalyst unit 107 is reduced due to radiant heat transfer from the
本発明は、前記問題に鑑み、水素製造用反応管への直接の輻射熱を抑止し、簡易な構成とした水素製造装置及び水素製造方法を提供することを課題とする。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a hydrogen production apparatus and a hydrogen production method that have a simple configuration by suppressing direct radiant heat to a hydrogen production reaction tube.
上述した課題を解決するための本発明の第1の発明は、水素製造装置本体内に設けられ、原料ガスを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部を内部に有し、前記原料ガスを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管と、前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 The first invention of the present invention for solving the above-described problem has a pre-reforming catalyst portion provided in the hydrogen production apparatus main body and having a pre-reforming catalyst for pre-reforming the raw material gas, A hydrogen production reaction tube that reforms the raw material gas into hydrogen and collects only the produced hydrogen, a combustion section that is provided in the hydrogen production apparatus main body and heats the hydrogen production reaction tube, and the hydrogen production The hydrogen production apparatus is characterized in that it comprises a steam generating section that is provided in the apparatus main body and generates steam for supplying the raw material gas.
第2の発明は、第1の発明において、前記燃焼部が、前記水素製造用反応管内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 According to a second invention, in the first invention, the combustion section is provided to face the preliminary reforming catalyst section disposed in the hydrogen production reaction tube, and the steam generation section is used for the hydrogen production. The hydrogen producing apparatus is provided between a reaction tube and the combustion section.
第3の発明は、第1の発明において、前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the hydrogen production apparatus according to the first aspect, wherein the steam generation unit and the combustion unit are provided via the hydrogen production reaction tube and a partition wall. .
第4の発明は、第1乃至第3の発明の何れか一つにおいて、前記予備改質触媒部が、前記水素製造用反応管の外側に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 A fourth invention is characterized in that, in any one of the first to third inventions, the preliminary reforming catalyst section is provided outside the reaction tube for hydrogen production. In production equipment.
第5の発明は、第3又は第4の発明において、前記燃焼部から前記スチーム発生部に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパーを有してなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 A fifth aspect of the invention relates to the hydrogen production according to the third or fourth aspect of the invention, comprising a damper that controls the flow rate of the combustion gas supplied from the combustion section to the steam generation section. In the device.
第6の発明は、第1乃至第5の発明の何れか一つにおいて、前記水素製造用反応管が、前記原料ガスを水素に改質する改質触媒部と、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜モジュールとからなるものであることを特徴とする水素製造装置にある。 According to a sixth invention, in any one of the first to fifth inventions, the reaction tube for producing hydrogen selectively reforms the raw material gas into hydrogen, and selectively transmits only hydrogen. And a hydrogen separation membrane module having a hydrogen separation membrane.
第7の発明は、第1乃至第6の発明の何れか一つの水素製造装置を用いて水素の製造を行なうことを特徴とする水素製造方法にある。 According to a seventh aspect of the invention, there is provided a hydrogen production method characterized in that hydrogen is produced using any one of the hydrogen production apparatuses according to the first to sixth aspects.
本発明によれば、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に前記スチーム発生部を設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。また、前記水素製造装置本体内でスチームを発生させると共に、前記水素製造用反応管内の前記原料ガスGを加熱することができるため、装置を簡易な構成としコンパクトとすることができると共に、供給される前記原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、装置の熱効率を改善することができる。 According to the present invention, by providing the steam generation unit between the hydrogen production reaction tube and the combustion unit, the hydrogen production reaction tube and the preliminary reforming catalyst unit directly from the combustion unit. Radiant heat transfer can be suppressed. In addition, since steam can be generated in the hydrogen production apparatus main body and the source gas G in the hydrogen production reaction tube can be heated, the apparatus can be made simple and compact and supplied. Since the raw material gas and water can be efficiently heated, the thermal efficiency of the apparatus can be improved.
また、前記スチーム発生部及び前記燃焼部を前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。また、前記水素製造装置本体内でスチームを発生させると共に、前記水素製造用反応管内の前記原料ガスGを加熱することができるため、装置を簡易な構成としコンパクトとすることができると共に、供給される前記原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、装置の熱効率を改善することができる。 Further, by providing the steam generating part and the combustion part via the hydrogen production reaction pipe and a partition wall, direct radiation transmission from the combustion part to the hydrogen production reaction pipe and the pre-reforming catalyst part. Heat can be suppressed. In addition, since steam can be generated in the hydrogen production apparatus main body and the source gas G in the hydrogen production reaction tube can be heated, the apparatus can be made simple and compact and supplied. Since the raw material gas and water can be efficiently heated, the thermal efficiency of the apparatus can be improved.
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
本発明による実施例1に係る水素製造装置について、図面を参照して説明する。
図1は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
図1に示すように、本実施例に係る水素製造装置10Aは、水素製造装置本体100a内に設けられ、原料ガスGを予備改質する予備改質触媒を有する予備改質触媒部107を内部に有し、前記原料ガスGを水素に改質し、生成された水素のみを回収する水素製造用反応管101と、前記水素製造装置本体100aに設けられ、前記水素製造用反応管101を加熱するバーナー113と、前記水素製造装置本体100a内に設けられ、前記原料ガスGに供給するためのスチーム11を発生するスチーム発生部12とからなるものであり、前記バーナー113が、前記水素製造用反応管101内に配される前記予備改質触媒部107と対向して設けられ、前記スチーム発生部12が、前記水素製造用反応管101と前記バーナー113との間に設けられてなるものである。
また、前記スチーム発生部12及び前記バーナー113は、前記水素製造用反応管101の下方の燃焼室102に設けられている。
A hydrogen production apparatus according to Example 1 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a hydrogen production apparatus according to the present embodiment.
As shown in FIG. 1, a hydrogen production apparatus 10A according to this embodiment includes a preliminary reforming catalyst unit 107 that is provided in a hydrogen production apparatus main body 100a and has a preliminary reforming catalyst that preliminarily reforms a raw material gas G. The hydrogen production reaction tube 101 that reforms the raw material gas G into hydrogen and collects only the produced hydrogen, and the hydrogen production apparatus main body 100a are provided to heat the hydrogen production reaction tube 101. And a steam generator 12 that is provided in the hydrogen production apparatus main body 100a and generates
The steam generator 12 and the
本実施例に係る水素製造装置10Aは、前記スチーム発生部12において発生した前記スチーム11を前記原料ガスGと混合した前記混合ガス105を前記水素製造用反応管101に送給する。そして、前記水素製造用反応管101内の前記予備改質触媒部107で、例えば500〜550℃の所定の温度で、予め、前記原料ガスG中の炭化水素の一部を予備改質して水素に転化する。その後、例えば図5に示すような前記改質触媒部108を用いて水素を生成し、生成された水素(H2)のみを選択的に回収するようにしている。
The hydrogen production apparatus 10 </ b> A according to this embodiment supplies the mixed
本実施例に係る水素製造装置10Aのように、前記水素製造用反応管101内の下方に前記予備改質触媒部107を設けている場合、前記バーナー113は前記水素製造用反応管101内に配される前記予備改質触媒部107と対向する向きである前記水素製造用反応管101の下方に設けられるようにしている。この時、前記水素製造用反応管101と前記バーナー113との間に前記スチーム発生部12を設けることにより、前記水素製造用反応管101の下方への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管101内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、予備改質触媒の劣化を防止することができる。
When the preliminary reforming catalyst unit 107 is provided below the hydrogen production reaction tube 101 as in the hydrogen production apparatus 10A according to the present embodiment, the
また、本実施例に係る水素製造装置10Aは、図5に示すような従来の水素製造装置100のように、水蒸気発生装置103でスチーム104を発生させるためのボイラを設ける必要はなく、前記燃焼室102内の前記バーナー113のみにより、前記スチーム11を発生させると共に、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105を加熱することができる。このため、本実施例に係る水素製造装置10Aは、装置をコンパクト化することができる。
Further, unlike the conventional hydrogen production apparatus 100 shown in FIG. 5, the hydrogen production apparatus 10A according to the present embodiment does not need to be provided with a boiler for generating the steam 104 in the steam generation apparatus 103, and the combustion The
また、本実施例に係る水素製造装置10Aでは、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記スチーム11となる前記水13を加熱するための前記燃焼室102は一つで足り、前記バーナー113で前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13をまとめて加熱することができる。よって、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13を効率良く加熱することができるため、装置全体の熱効率を改善することができる。
In the hydrogen production apparatus 10A according to the present embodiment, only one combustion chamber 102 for heating the
このように、本実施例によれば、前記水素製造用反応管101と前記バーナー113との間に前記スチーム発生部12を設けることにより、前記水素製造用反応管101への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管101内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記バーナー113のみにより、前記スチーム11を発生させると共に、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができると共に、装置全体の熱効率を改善することができる。
Thus, according to the present embodiment, by providing the steam generating section 12 between the hydrogen production reaction tube 101 and the
また、本実施例においては、前記水素製造用反応管101は、水素を発生させる方法として図5に示すような前記原料ガスGを水素に改質する前記改質触媒部108と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜109aを有する前記水素分離膜モジュール109とからなるものを用いることができるが、本発明はこれに限定されるものではなく、水素を生成し、生成された水素のみを回収することができる装置であればよい。
Further, in the present embodiment, the hydrogen production reaction tube 101 uses the reforming catalyst section 108 for reforming the source gas G to hydrogen as shown in FIG. The hydrogen
また、本実施例においては、原料ガスGは炭化水素を含有する原料ガスであればよく、都市ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、LPガス、天然ガス、その他二種類以上の炭化水素の混合物を含有する炭化水素ガスを用いるようにしてもよい。 In the present embodiment, the raw material gas G may be a raw material gas containing hydrocarbons, such as city gas, methane, ethane, propane, butane, LP gas, natural gas, and a mixture of two or more other hydrocarbons. Hydrocarbon gas containing may be used.
また、本実施例においては、前記予備改質触媒部107が前記水素製造用反応管101内の下方に配されてなるものあるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記水素製造用反応管101内の側方に配置するようにしてもよい。 Further, in this embodiment, the pre-reforming catalyst unit 107 is arranged below the hydrogen production reaction tube 101, but the present invention is not limited to this, and the hydrogen production You may make it arrange | position to the side in the reaction tube 101 for an object.
本発明による実施例2に係る水素製造装置について、図2を参照して説明する。
図2は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造装置は、実施例1に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図2に示すように、本実施例に係る水素製造装置10Bは、図1に示す実施例1に係る水素製造装置10Aの前記スチーム発生部12及び前記バーナー113が、前記水素製造用反応管101と隔壁20を介して前記水素製造用反応管101の側方に設けられてなるものである。また、前記バーナー113から前記スチーム発生部12に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパー21を有してなるものである。
図中、符号22−1は、前記スチーム発生部12に供給される燃焼ガスのガス温度を測定する第一の温度計であり、符号22−2は、前記スチーム発生部12から放出される燃焼ガスのガス温度を測定する第二の温度計であり、符号22−3は、前記予備改質触媒部107の予備改質触媒での混合ガス105のガス温度を測定する第三の温度計を各々図示する。
A hydrogen production apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating the configuration of the hydrogen production apparatus according to the present embodiment.
Since the hydrogen production apparatus according to the present embodiment is the same as the configuration of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
As shown in FIG. 2, the hydrogen production apparatus 10 </ b> B according to the present embodiment is configured such that the steam generation unit 12 and the
In the figure, reference numeral 22-1 is a first thermometer for measuring the gas temperature of the combustion gas supplied to the steam generator 12, and reference numeral 22-2 is a combustion released from the steam generator 12. Reference numeral 22-3 denotes a third thermometer for measuring the gas temperature of the
本実施例に係る水素製造装置10Bは、実施例1に係る水素製造装置10Aと同様に、前記スチーム発生部12において発生した前記スチーム11を前記原料ガスGと混合した前記混合ガス105を前記水素製造用反応管101に送給する。そして、前記水素製造用反応管101内の前記予備改質触媒部107で、例えば500〜550℃の所定の温度で、予め、前記原料ガスG中の炭化水素の一部を予備改質して水素に転化する。その後、例えば図5に示すような前記改質触媒部108を用いて水素を生成し、生成された水素(H2)のみを選択的に回収するようにしている。
Similarly to the hydrogen production apparatus 10A according to the first embodiment, the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment uses the
本実施例に係る水素製造装置10Bは、前記スチーム発生部12及び前記バーナー113を前記水素製造用反応管101と前記隔壁20を介して前記水素製造用反応管101の側方に設けることにより、前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。このため、前記水素製造用反応管101に供給される前記混合ガス105のガス温度の上昇を防ぐことができ、前記水素製造用反応管101内の触媒の触媒温度を例えば500〜550℃に制御することができる。この結果、前記水素製造用反応管101内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、触媒の劣化を防止することができる。
In the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment, the steam generation unit 12 and the
また、本実施例に係る水素製造装置10Bは、前記燃焼室12内の前記バーナー113から前記スチーム発生部12に流れる燃焼ガスの流量を制御する前記ダンパー21を設けることにより、燃焼ガスの流量を制御することができる。このため、前記スチーム発生部12で発生するガス温度の調整を行なうことで、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度を調整することができる。
Further, the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment provides the
このため、例えば前記水13を供給しても前記スチーム11の発生量を調整することができない場合や、前記水素製造用反応管101の温度が高い場合等には、前記ダンパー21を開閉し、燃焼ガスの流量を制御することにより、前記スチーム発生部12から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行ない、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度を調整することができる。
For this reason, for example, when the amount of the generated
また、本実施例に係る水素製造装置10Bでは、前記スチーム発生部12に供給される燃焼ガスのガス温度を測定する第一の温度計22−1と、前記スチーム発生部12から放出される燃焼ガスのガス温度を測定する第二の温度計22−2と、前記予備改質触媒部107の予備改質触媒での混合ガス105のガス温度を測定する第三の温度計22−3とを有するようにしている。
Further, in the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment, the first thermometer 22-1 for measuring the gas temperature of the combustion gas supplied to the steam generation unit 12, and the combustion released from the steam generation unit 12 A second thermometer 22-2 for measuring the gas temperature of the gas, and a third thermometer 22-3 for measuring the gas temperature of the
前記第一の温度計22−1で前記バーナー113から供給される燃焼ガスのガス温度を検知することにより、前記ダンパー21で燃焼ガスの流量を制御するようにしている。そして、前記第二の温度計22−2で前記スチーム発生部12から排出される燃焼ガスのガス温度を検知することにより、前記スチーム発生部12で発生するガス温度を調整するようにしている。そして、前記第三の温度計22−3で前記水素製造用反応管101内入口部でのガス温度を検知することにより、前記水素製造用反応管101に供給されるガス温度を調整するようにしている。
The
よって、前記水素製造用反応管101が、例えば前記原料ガスGを水素に改質する前記改質触媒部108と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜109aを有する前記水素分離膜モジュール109とからなるものである場合、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度を調整し、前記改質触媒部108に用いられる改質触媒の温度を例えば500〜550℃に制御することができる。
Accordingly, the hydrogen separation membrane module includes the hydrogen production reaction tube 101 having, for example, the reforming catalyst unit 108 that reforms the source gas G into hydrogen, and the hydrogen separation membrane 109a that selectively transmits only hydrogen. 109, the gas temperature of the
また、本実施例に係る水素製造装置10Bは、前記燃焼室102内の前記バーナー113のみにより、前記スチーム11を発生させると共に、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができる。
Further, the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment generates the
また、本実施例に係る水素製造装置10Bでは、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記スチーム11となる前記水13をまとめて加熱することができるため、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13を効率良く加熱することができ、装置全体の熱効率を改善することができる。
Further, in the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment, the
このように、本実施例によれば、前記スチーム発生部12及び前記バーナー113が、前記水素製造用反応管101と前記隔壁20を介して前記水素製造用反応管101の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管101への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管101内の触媒の劣化を防止することができる。
また、前記ダンパー21で前記バーナー113から前記スチーム発生部12に流れる燃焼ガスの流量を制御することにより、燃焼ガスの流量を制御することができるため、前記スチーム発生部12から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行ない、前記水素製造用反応管101内の温度を調整することができる。
Thus, according to the present embodiment, the steam generating unit 12 and the
Further, since the flow rate of the combustion gas can be controlled by controlling the flow rate of the combustion gas flowing from the
また、本実施例に係る水素製造装置10Bにおいては、前記予備改質触媒部107が前記水素製造用反応管101内の下方に配されてなるものあるが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記隔壁20では、前記バーナー113からの熱を抑制しきれない場合もあるため、前記予備改質触媒部107を前記水素製造用反応管101内の側方に配置するようにしてもよい。
Further, in the hydrogen production apparatus 10B according to the present embodiment, the pre-reforming catalyst unit 107 is disposed below the reaction tube 101 for hydrogen production, but the present invention is limited to this. Instead, the
また、本実施例において用いられている前記隔壁20は、前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を防止するようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば前記燃焼室102内の前記バーナー113からの燃焼ガスが流通する連通口を有するようにしても良い。
Further, the
本発明による実施例3に係る水素製造装置について、図3を参照して説明する。
図3は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造装置は、実施例1に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図3に示すように、本実施例に係る水素製造装置10Cは、図1に示す実施例1に係る水素製造装置10Aの前記予備改質触媒部107が、前記水素製造用反応管101の外側に設けられなるものである。また、前記水素製造用反応管101と前記スチーム発生部12との間に前記予備改質触媒部107を設けるようにしている。
A hydrogen production apparatus according to Example 3 of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the configuration of the hydrogen production apparatus according to the present embodiment.
Since the hydrogen production apparatus according to the present embodiment is the same as the configuration of the hydrogen production apparatus according to the first embodiment, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
As shown in FIG. 3, the hydrogen production apparatus 10 </ b> C according to the present embodiment is such that the pre-reforming catalyst unit 107 of the hydrogen production apparatus 10 </ b> A according to the first embodiment shown in FIG. Is provided. Further, the preliminary reforming catalyst unit 107 is provided between the hydrogen production reaction tube 101 and the steam generating unit 12.
本実施例に係る水素製造装置10Cは、前記スチーム発生部12において発生した前記スチーム11を前記原料ガスGと混合した前記混合ガス105を予備改質触媒部107において、例えば500〜550℃の所定の温度まで予備改質を行った後、前記水素製造用反応管101に所定の温度の前記混合ガス105を供給するようにしている。
In the hydrogen producing apparatus 10C according to the present embodiment, the
本実施例に係る水素製造装置10Cのように、前記水素製造用反応管101と前記スチーム発生部12との間に前記予備改質触媒部107を設けることにより、前記水素製造用反応管101への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管101内に配置した改質触媒の急激な温度上昇を防ぐことができ、触媒の劣化を防止することができる。
Like the hydrogen production apparatus 10 </ b> C according to the present embodiment, by providing the preliminary reforming catalyst unit 107 between the hydrogen production reaction tube 101 and the steam generation unit 12, the hydrogen production reaction tube 101 is provided. The direct radiant heat transfer from the
また、図5に示すような従来の水素製造装置100では、前記予備改質触媒部107において前記原料ガスG中のCO2を分解すると共に、前記水素分離膜モジュール109の入口の水素分圧を上昇させ、前記予備改質触媒部107の混合ガス出口温度を前記水素分離膜モジュール109入口の理想温度である約550℃となるように調製している。しかし、本実施例に係る水素製造装置10Cでは、前記バーナー113からの直接の輻射伝熱で前記予備改質触媒部107の混合ガス105の入口温度が高温となって、前記水素製造用反応管101内の触媒を失活させることはない。
Further, in the conventional hydrogen production apparatus 100 as shown in FIG. 5, the preliminary reforming catalyst unit 107 decomposes CO 2 in the raw material gas G, and sets the hydrogen partial pressure at the inlet of the hydrogen
また、前記予備改質触媒部107を前記水素製造用反応管101の外側に分離して設けることにより、前記予備改質触媒部107の予備改質触媒が失活しても、予備改質触媒を容易に交換することができる。 Further, by providing the preliminary reforming catalyst portion 107 separately outside the hydrogen production reaction tube 101, even if the preliminary reforming catalyst of the preliminary reforming catalyst portion 107 is deactivated, the preliminary reforming catalyst is provided. Can be easily replaced.
また、本実施例に係る水素製造装置10Cは、図5に示すような従来の水素製造装置100のように、水蒸気発生装置103でスチーム104を発生させるためのボイラを設ける必要はなく、前記燃焼室102内の前記バーナー113のみにより、前記スチーム11を発生させると共に、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105を加熱することができる。このため、本実施例に係る水素製造装置10Cは、装置をコンパクト化することができる。
Further, unlike the conventional hydrogen production apparatus 100 shown in FIG. 5, the hydrogen production apparatus 10C according to the present embodiment does not need to be provided with a boiler for generating the steam 104 in the steam generation apparatus 103, and the combustion The
また、本実施例に係る水素製造装置10Cでは、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記スチーム11となる前記水13を加熱するための前記燃焼室102は一つで足り、前記バーナー113で前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13をまとめて加熱することができる。よって、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13を効率良く加熱することができるため、装置全体の熱効率を改善することができる。
In the hydrogen production apparatus 10C according to the present embodiment, only one combustion chamber 102 for heating the
このように、本実施例によれば、前記水素製造用反応管101と前記水素製造用反応管101の下方に設けた前記バーナー113との間に前記スチーム発生部12を設けることにより、前記水素製造用反応管101及び前記予備改質触媒部107への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管101内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記予備改質触媒部107を前記水素製造用反応管101の外側に分離して設けているため、予備改質触媒を容易に交換することができる。
As described above, according to this embodiment, the hydrogen generating reaction tube 101 and the
本発明による実施例4に係る水素製造装置について、図面を参照して説明する。
図4は、本実施例に係る水素製造装置の構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造用反応管は、実施例1乃至実施例3に係る水素製造装置の構成と同様であるため、同一部材には同一の符号を付して重複した説明は省略する。
図4に示すように、本実施例に係る水素製造装置10Dは、図2に示す実施例2に係る水素製造装置10Bの前記予備改質触媒部107が、前記水素製造用反応管101の外側に設けられてなるものである。
A hydrogen production apparatus according to Embodiment 4 of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the configuration of the hydrogen production apparatus according to the present embodiment.
The reaction tube for hydrogen production according to the present embodiment is the same as the configuration of the hydrogen production apparatus according to Embodiments 1 to 3, and therefore, the same members are denoted by the same reference numerals and redundant description is omitted.
As shown in FIG. 4, the hydrogen production apparatus 10 </ b> D according to this embodiment is configured such that the preliminary reforming catalyst unit 107 of the hydrogen production apparatus 10 </ b> B according to the second embodiment shown in FIG. It is provided.
本実施例に係る水素製造装置10Dは、前記スチーム発生部12において発生した前記スチーム11を前記原料ガスGと混合した前記混合ガス105により、前記予備改質触媒部107において例えば500〜550℃の所定の温度まで予備改質を行った後、前記水素製造用反応管101に所定の温度の前記混合ガス105を供給するようにしている。
The hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment uses, for example, 500 to 550 ° C. in the pre-reforming catalyst unit 107 by the
本実施例に係る水素製造装置10Dのように、前記スチーム発生部12及び前記バーナー113が、前記水素製造用反応管101と前記隔壁20を介して前記水素製造用反応管101の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管101への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができる。これにより、前記水素製造用反応管101内における触媒の急激な温度上昇を防ぐことができる。
As in the hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment, the steam generation unit 12 and the
また、本実施例に係る水素製造装置10Dでは、前記ダンパー21を設けることにより、例えば前記水13を供給しても前記スチーム11の発生量を調整することができない場合、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度が高い場合等には、前記ダンパー21を開閉し、燃焼ガスの流量を制御することができる。このため、前記スチーム発生部12から放出される燃焼ガスのガス温度の調整を行なうことで、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度を調整することができる。
Further, in the hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment, when the
よって、前記水素製造用反応管101が、例えば前記原料ガスGを水素に改質する前記改質触媒部108と、水素のみを選択的に透過する前記水素分離膜109aとを有する前記水素分離膜モジュール109とからなるものである場合、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105のガス温度を調整し、前記改質触媒部108に用いられる改質触媒の温度を例えば500〜550℃に制御することができる。
Therefore, the hydrogen separation membrane includes the hydrogen production reaction tube 101 including, for example, the reforming catalyst unit 108 that reforms the source gas G into hydrogen, and the hydrogen separation membrane 109a that selectively permeates only hydrogen. In the case of the
ここで、前記水素製造用反応管101に、図5に示すような従来の水素製造装置100の前記水素製造用反応管101の前記水素分離膜モジュール109が配置されている場合の前記水素分離膜モジュール109での反応による温度変化について説明する。
Here, the hydrogen separation membrane in the case where the hydrogen
原料ガスに13Aガスと前記水素製造用反応管101の出口ガス(CH4、CO、CO2、H2、H2O)を用い、10.6Nm3/hの流量で、S/Cを3mol/molとして、0.8MPa・Gの圧力で行なった。
また、前記予備改質触媒部107の出口での前記混合ガス105の混合ガス出口温度Tpを600℃とし、前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105の混合ガス入口温度Tmを550℃とし、前記混合ガス105中のCH4、CO、CO2、H2、H2Oのそれぞれの熱量を表1に示す。
Using 13A gas as the source gas and the outlet gas (CH 4 , CO, CO 2 , H 2 , H 2 O) of the hydrogen production reaction tube 101, S / C was 3 mol at a flow rate of 10.6 Nm 3 / h. / Mol as a pressure of 0.8 MPa · G.
Further, the mixed gas outlet temperature T p of the
前記水素分離膜モジュール109内の前記改質触媒部108での反応は、以下の式(1)の正反応と、式(2)の逆反応とによる平衡反応で行なわれている。また、式(1)の正反応は吸熱反応であり、式(2)の逆反応は発熱反応である。
CH4 + 2H2O → CO2 + 4H2 ・・・(1)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O ・・・(2)
The reaction at the reforming catalyst unit 108 in the hydrogen
CH 4 + 2H 2 O → CO 2 + 4H 2 (1)
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O (2)
前記予備改質触媒部107の出口での前記混合ガス105の前記混合ガス出口温度Tpと、前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105の前記混合ガス入口温度Tmとが等しければ、水素(H2)が抜けた分、式(1)の正反応である吸熱反応が更に進行することになるため、水素を製造することと共に、前記改質触媒部108での前記混合ガス105のガス温度を例えば550℃を越えないようにすることができる。
The mixed gas outlet temperature T p of the
また、前記予備改質触媒部107の出口での前記混合ガス105の前記混合ガス出口温度Tpが前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105の前記混合ガス入口温度Tmより高い場合には、逆反応である発熱反応が進行し、発熱することになるため、前記水素分離膜モジュール109での前記混合ガス105のガス温度が上昇することになる。
Further, the mixed gas outlet temperature T p of the
前記水素分離膜モジュール109では、表1に示すように、前記予備改質触媒部107の出口での前記混合ガス105の前記混合ガス出口温度Tpが例えば600℃で、前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105の前記混合ガス入口温度Tmが例えば550℃の場合、前記混合ガス105中に含まれるCO、CO2は下記式(3)、式(4)との反応が進行し、CH4を生成し、発熱することになる。
CO + 3H2 → CH4 + H2O −164.63kJ/mol ・・・(3)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O −241.82kJ/mol ・・・(4)
In the hydrogen
CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O -164.63kJ / mol ··· (3)
CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 O−241.82 kJ / mol (4)
この時、COが例えば23.71mol/h減少し、CO2が例えば28.94mol/h減少し、例えば2.68kW発熱することになる。この発熱によって、前記混合ガス105が加熱されて、前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105のガス温度である前記混合ガス入口温度Tmが例えば550℃を超えることになる。
At this time, CO is reduced by, for example, 23.71 mol / h, and CO 2 is reduced by, for example, 28.94 mol / h, and, for example, 2.68 kW is generated. Due to this heat generation, the
従って、前記水素分離膜モジュール109内の改質触媒部108の触媒温度が例えば550℃を超えないようにするためには、前記予備改質触媒部107の出口での前記混合ガス105の前記混合ガス出口温度Tpと前記水素分離膜モジュール109の入口での前記混合ガス105の前記混合ガス入口温度Tmとが等しくなるようにし、前記ダンパー21によってバーナー113からの燃焼ガスの風量を調整する必要がある。
Therefore, in order to prevent the catalyst temperature of the reforming catalyst unit 108 in the hydrogen
また、本実施例に係る水素製造装置10Dでは、前記予備改質触媒部107を前記水素製造用反応管101の外側に分離して設けることにより、前記予備改質触媒部107の予備改質触媒が失活しても、予備改質触媒を容易に交換することができる。 Further, in the hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment, the preliminary reforming catalyst unit 107 is separately provided outside the hydrogen production reaction tube 101, so that the preliminary reforming catalyst of the preliminary reforming catalyst unit 107 is provided. Even if the catalyst is deactivated, the pre-reforming catalyst can be easily replaced.
また、本実施例に係る水素製造装置10Dは、前記燃焼室102内の前記バーナー113のみにより、前記スチーム11を発生させると共に、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105を加熱することができるため、装置をコンパクト化することができる。
Further, the hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment generates the
また、本実施例に係る水素製造装置10Dでは、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記スチーム11となる前記水13を一度にまとめて加熱することができるため、前記水素製造用反応管101内の前記混合ガス105及び前記水13を効率良く加熱することができ、装置全体の熱効率を改善することができる。
Further, in the hydrogen production apparatus 10D according to the present embodiment, the
このように、本実施例によれば、前記スチーム発生部12及び前記バーナー113が、前記水素製造用反応管101と隔壁20を介して前記水素製造用反応管101の側方に設けることにより、前記水素製造用反応管101への前記バーナー113からの直接の輻射伝熱を抑制することができるため、前記水素製造用反応管101内の触媒の劣化を防止することができる。また、前記予備改質触媒部107を前記水素製造用反応管101の外側に分離して設けているため、予備改質触媒を容易に交換することができる。
Thus, according to the present embodiment, the steam generation unit 12 and the
以上、本発明の実施例について述べたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。 As mentioned above, although the Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation and change are possible based on the technical idea of this invention.
以上のように、本発明に係る水素製造装置及び水素製造方法は、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に前記スチーム発生部を設けることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができると共に、供給される原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、触媒の耐久性が向上し、簡易な構成でコンパクトとし、熱効率の良い水素製造装置に用いて適している。 As described above, in the hydrogen production apparatus and the hydrogen production method according to the present invention, the steam generation unit is provided between the hydrogen production reaction tube and the combustion unit, so that the hydrogen production reaction tube and the preliminary production method are provided. The direct heat transfer from the combustion section to the reforming catalyst section can be suppressed and the supplied raw material gas and water can be efficiently heated, so that the durability of the catalyst is improved and simplified. It is compact with a simple structure and suitable for use in a hydrogen production apparatus with good thermal efficiency.
また、前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられることにより、前記水素製造用反応管及び前記予備改質触媒部107への前記燃焼部からの直接の輻射伝熱を抑制することができると共に、供給される原料ガス及び水を効率良く加熱することができるため、触媒の耐久性が向上し、簡易な構成でコンパクトとし、熱効率の良い水素製造装置に用いて適している。 In addition, since the steam generation unit and the combustion unit are provided via the hydrogen production reaction tube and a partition wall, the hydrogen production reaction tube and the preliminary reforming catalyst unit 107 directly from the combustion unit. As well as being able to suppress the radiant heat transfer, the supplied raw material gas and water can be efficiently heated, so the durability of the catalyst is improved, the structure is simple and compact, and the hydrogen production apparatus has high thermal efficiency. Suitable for use in.
10A〜10D 水素製造装置
11 スチーム
12 スチーム発生部
13 水
20 隔壁
21 ダンパー
22−1 第一の温度計
22−2 第二の温度計
22−3 第三の温度計
G 原料ガス
100a 水素製造装置本体
101 水素製造用反応管
102 燃焼室
105 混合ガス
107 予備改質触媒部
113 バーナー
Tm 混合ガス入口温度
Tp 混合ガス出口温度
10A to 10D
Claims (7)
前記水素製造装置本体に設けられ、前記水素製造用反応管を加熱する燃焼部と、
前記水素製造装置本体内に設けられ、前記原料ガスに供給するためのスチームを発生するスチーム発生部とからなるものであることを特徴とする水素製造装置。 It has a pre-reforming catalyst part that has a pre-reforming catalyst that pre-reforms the raw material gas inside the main body of the hydrogen production device, reforms the raw material gas into hydrogen, and collects only the generated hydrogen. A reaction tube for hydrogen production,
A combustion section provided in the hydrogen production apparatus main body, for heating the hydrogen production reaction tube;
A hydrogen production apparatus comprising: a steam generation unit that is provided in the hydrogen production apparatus main body and generates steam for supplying the raw material gas.
前記燃焼部が、前記水素製造用反応管内に配される前記予備改質触媒部と対向して設けられ、
前記スチーム発生部が、前記水素製造用反応管と前記燃焼部との間に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。 In claim 1,
The combustion section is provided opposite to the pre-reforming catalyst section disposed in the hydrogen production reaction tube;
The hydrogen production apparatus, wherein the steam generation part is provided between the hydrogen production reaction tube and the combustion part.
前記スチーム発生部及び前記燃焼部が、前記水素製造用反応管と隔壁を介して設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。 In claim 1,
The hydrogen production apparatus, wherein the steam generation unit and the combustion unit are provided through the hydrogen production reaction tube and a partition wall.
前記予備改質触媒部が、前記水素製造用反応管の外側に設けられてなるものであることを特徴とする水素製造装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3,
The hydrogen production apparatus according to claim 1, wherein the pre-reforming catalyst section is provided outside the reaction tube for hydrogen production.
前記燃焼部から前記スチーム発生部に供給される燃焼ガスの流量を制御するダンパーを有してなるものであることを特徴とする水素製造装置。 In claim 3 or 4,
2. A hydrogen production apparatus comprising a damper for controlling a flow rate of combustion gas supplied from the combustion section to the steam generation section.
前記水素製造用反応管が、前記原料ガスを水素に改質する改質触媒部と、水素のみを選択的に透過する水素分離膜を有する水素分離膜モジュールとからなるものであることを特徴とする水素製造装置。 In any one of Claims 1 thru | or 5,
The hydrogen production reaction tube comprises a reforming catalyst section for reforming the raw material gas into hydrogen and a hydrogen separation membrane module having a hydrogen separation membrane that selectively permeates only hydrogen. To produce hydrogen.
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