JP2008133144A - 水素製造システム及びこれを用いた排熱回収方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排熱回収を可能とし、ボイラでの燃料消費量を削減することにより、排熱回収効率を向上させた水素製造システム及びこれを用いた排熱回収方法を提供する。
【解決手段】本実施例に係る水素製造システム１０Ａは、炭化水素を主成分とする原料ガスＧ中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器１０１と、脱硫された前記原料ガスＧ中の炭化水素を改質触媒により改質し、生成された水素のみを選択的に分離して取り出す水素製造装置１０５とを有する水素製造システムにおいて、前記脱硫器１０１から前記水素製造装置１０５に前記原料ガスＧを送給する原料ガス供給ラインＬ_1-1に前記原料ガスＧを加湿する加湿器１１Ａを有し、前記水素製造装置１０５で生成された水素を前記加湿器１１Ａに送給する水素供給ラインＬ_4-1を有してなるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、炭化水素を含有する原料ガスから水素を製造する水素製造装置に用いられ、排熱回収効率を向上させた水素製造システム及びこれを用いた排熱回収方法に関する。

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を用いた水素製造システムの開発が進められており、水素を得る方法の一つとしてＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式を用いて、原料として例えばナフサ、ＬＰＧ、製油所オフガス、天然ガス等の炭化水素から吸着剤の吸着力の差と圧力変動を利用し、水素以外の不純物を除去して水素のみを得る方法がある。

また、水素を得る他の方法として、水素製造用反応管内に設けた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）のみを水素分離膜モジュールに内蔵された水素分離膜を用いて回収することで、高純度の水素（Ｈ₂）を製造する方法がある。

従来の水素分離膜を用いた水素製造装置を有する水素製造システムの一例として、従来の水素製造システムを図１０に示す。図１０は、従来の水素製造システムの構成を示す構成図である。図１０に示すように、従来の水素製造システム１００は、炭化水素を主成分とする原料ガスＧ中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器１０１と、スチーム１０２を供給するボイラ１０３と、前記脱硫器１０１において脱硫された前記原料ガスＧと前記スチーム１０２との混合ガス１０４中の前記原料ガスＧに含まれる炭化水素から水素（Ｈ₂）を生成し、生成された水素（Ｈ₂）のみを回収する水素製造装置１０５とからなるものである。この水素製造装置１０５は、前記混合ガス１０４中の前記原料ガスＧに含まれる炭化水素を改質触媒により改質し水素を生成する改質器１０６と、生成された水素のみが透過可能な水素分離膜１０７と、前記改質器１０６を加熱する燃焼炉１０８とからなるものである。

前記脱硫器１０１において前記原料ガスＧ中の硫黄成分が除去された前記原料ガスＧは、原料ガス供給ラインＬ₁を介して送給され、スチーム供給ラインＬ₂を介して送給された前記スチーム１０２と混合する。この混合したガスは、混合ガス１０４として、混合ガス供給ラインＬ₃を介して前記水素製造装置１０５に送給される。そして、前記水素製造装置１０５内に送給された前記混合ガス１０４中の前記原料ガスＧは、前記改質器１０６内の前記改質触媒によって水素（Ｈ₂）を生成し、前記水素分離膜１０７によって生成された水素（Ｈ₂）のみを分離し、水素供給ラインＬ₄を介して送給された水素（Ｈ₂）を回収することにより、高純度の水素（Ｈ₂）を得るようにしている。

また、未反応の前記原料ガスＧはオフガス１０９として前記水素製造装置１０５から排出され、前記水素製造装置１０５において燃焼された燃焼ガスは燃焼排ガス１１０として、排出される。

また、空気供給部１１１から供給される空気１１２第一の空気供給ラインＬ₅を介して前記ボイラ１０３に送給され、この空気１１２と外部から供給される水とにより前記ボイラ１０３で前記スチーム１０２を発生させるようにしている。

図１０に示すような前記水素分離膜１０７を用いて水素を回収する方式を採用している従来の水素製造システム１００は、ＰＳＡ方式を採用している水素製造システムに比べ排熱の回収効率が向上し、補助動力の削減が可能である。そのため、従来の水素製造システム１００は、水素の製造をする際、ＰＳＡ方式を採用する水素製造システムに比べシステム効率が例えば１０％程度良くすることができる（特許文献１を参照）。

特開２００５−１５２６２号公報

しかし、前記スチーム１０２を発生する前記ボイラ１０３は燃料消費量が大きく、システム効率は十分には良くないため、更にシステム効率の向上を図る上でシステム効率向上の妨げとなる、という問題がある。

また、図１０に示すような従来の水素製造システム１００は、前記水素製造装置１０５から排出されるオフガス、燃焼排ガス、又は水素冷却器及びオフガス冷却器等の冷却器から排出される冷却水の排熱の回収が十分でない、という問題がある。

本発明は、前記問題に鑑み、排熱回収を可能とし、ボイラでの燃料消費量を削減することにより、排熱回収効率を向上させた水素製造システム及びこれを用いた排熱回収方法を提供することにある。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、炭化水素を主成分とする原料ガス中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫された前記原料ガス中の炭化水素を改質触媒により改質し、生成された水素のみを選択的に分離して取り出す水素製造装置とを有する水素製造システムにおいて、前記脱硫器から前記水素製造装置に前記原料ガスを送給する原料ガス供給ラインに前記原料ガスを加湿する加湿器を介装してなることを特徴とする水素製造システムにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記加湿器の熱源が、前記水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置から排出される未反応のオフガス、前記水素製造装置から排出される燃焼排ガス、熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものであることを特徴とする水素製造システムにある。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記水素製造装置で生成された水素を前記加湿器の熱源として供給する水素供給ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

第４の発明は、第３の発明において、前記水素供給ラインに、空気供給部より供給される空気と熱交換する第一の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システムにある。

第５の発明は、第４の発明において、前記空気供給部より供給される空気、又は前記第一の熱交換部において熱交換された空気をボイラに供給する第一の空気供給ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

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、前記水素製造装置から排出される未反応の前記オフガスを前記加湿器の熱源として供給するオフガス供給ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

第７の発明は、第６の発明において、前記オフガス供給ラインに、空気供給部より供給される空気と熱交換する第二の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システムにある。

第８の発明は、第６又は第７の発明において、前記空気供給部より供給される空気、又は前記第二の熱交換部において熱交換された空気を前記水素製造装置に供給する第二の空気供給ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

第９の発明は、第６乃至第８の発明の何れか一つにおいて、前記加湿器から排出される前記オフガスを前記水素製造装置に供給するオフガス回収ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

第１０の発明は、第１乃至第９の発明の何れか一つにおいて、前記水素製造装置から排出された燃焼排ガスを前記加湿器の熱源として供給する燃焼排ガス供給ラインを有することを特徴とする水素製造システムにある。

第１１の発明は、第１０の発明において、前記燃焼排ガス供給ラインに、前記原料ガスとボイラより供給されるスチームとの混合ガスと熱交換する第三の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システムにある。

第１２の発明は、第１至第１１の発明の何れか一つにおいて、前記水素製造装置で生成された水素と熱交換する第四の熱交換部に介装され、熱交換された熱交換水を前記加湿器の水供給源及び熱源として供給する熱交換水供給ラインを有してなることを特徴とする水素製造システムにある。

第１３の発明は、第１乃至第１２の発明の何れか一つの水素製造システムを用いて、前記水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置から排出される未反応のオフガス、又は前記水素製造装置から排出される燃焼排ガス、熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものから排熱の回収を行なうことを特徴とする排熱回収方法。

本発明によれば、前記原料ガスを前記水素製造装置に送給する前記原料ガス供給ラインに前記原料ガスを加湿する加湿器を有することにより、スチームを発生させるボイラの負荷を軽減することができる。
また、前記加湿器の熱源に、前記水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置において排出される前記オフガス、又は前記燃焼排ガス、前記熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものを用いることにより、前記水素製造装置において発生する排熱を有効に回収することができる。

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。

本発明による実施例に係る水素製造システムについて、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システム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システム１０Ａは、炭化水素を主成分とする原料ガスＧ中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器１０１と、脱硫された前記原料ガスＧ中の炭化水素を改質触媒により改質し、生成された水素のみを選択的に分離して取り出す水素製造装置１０５とを有する水素製造システムにおいて、前記脱硫器１０１から前記水素製造装置１０５に前記原料ガスＧを送給する原料ガス供給ラインＬ_1-1に前記原料ガスＧを加湿する加湿器１１Ａを介装し、前記水素製造装置１０５で生成された水素を前記加湿器１１Ａの熱源として送給する水素供給ラインＬ_4-1を有してなるものである。

即ち、本実施例に係る水素製造システム１０Ａは、前記加湿器１１Ａの熱源に、前記水素製造装置１０５において生成された水素を用い、前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給し、前記原料ガスＧを加湿してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記原料ガス供給ラインＬ_1-1に前記原料ガスＧ中の硫黄成分を除去する前記脱硫器１０１を介装し、炭化水素を主成分とする前記原料ガスＧ中に含まれる硫黄分を除去するようにしている。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記脱硫器１０１で硫黄分が除去された前記原料ガスＧを加湿する前記加湿器１１Ａを設けている。前記脱硫器１０１において前記原料ガスＧ中に含まれる硫黄分が除去された後、前記原料ガスＧは前記原料ガス供給ラインＬ_1-1を介して前記加湿器１１Ａに送給するようにしている。

ここで、前記加湿器１１Ａの構造について、図２を用いて説明する。
図２は、前記加湿器１１Ａの構造を示す概略図である。図２に示すように、前記加湿器１１Ａは二重管構造となっており、水供給部１２より水供給ラインＬ₆を介して供給される水１３を溜めると共に原料ガス供給ラインＬ_1-1を介して供給される前記原料ガスＧを前記水１３と接触させる本体１４と、その本体１４の側面を囲むように形成された外管１５とからなるものである。また、前記本体１４は、該本体１４内下部に、供給されたガスを細かい気泡に分散し、前記本体１４内に均一に前記原料ガスＧを流すガス分散板１６と、前記本体１４内上部に、ガス中に含まれるミスト等を捕集するデミスタ１７とからなるものである。また、前記水１３としては例えばイオン交換水等を用いることができる。

前記水素製造装置１０５から前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給された水素は、前記本体１４と外管１５との間に形成される空間を通過し、前記原料ガスＧと熱交換し、加温するようにしている。そして、前記加湿器１１Ａと熱交換された水素は、前記水素排出ラインＬ_4-2を介して前記加湿器１１Ａの外に排出されるようにしている。

前記原料ガス供給ラインＬ_1-1を介して前記本体１４内に供給された前記原料ガスＧは、前記水供給ラインＬ₆を介して前記本体１４内に供給された前記水１３と気液混合するようにしている。このとき、前記本体１４内の前記ガス分散板１６により、前記本体１４内に均一に前記原料ガスＧの気泡を細かく分散し、前記原料ガスＧと前記水１３との接触面積を上昇させるようにしている。これにより、前記原料ガスＧ中に水分を効率良く含ませるようにすることができる。

また、前記本体１４内の前記水１３の量は、液面調節計１８により計測され、図示しない制御装置（ＣＰＵ）により、本体１４内に供給する前記水１３の量を調整するようにしている。即ち、前記本体１４内の前記水１３の水量が多い場合には、前記水１３の量を調整する弁Ｖを絞り前記水供給ラインＬ₆から供給される前記水１３の量を少なくするようにしている。また、前記本体１４内の前記水１３の水量が少ない場合には、前記弁Ｖを開いて前記水供給ラインＬ₆から供給される前記水１３の量を多くし、前記本体１４内の前記水１３の量を調整し制御するようにしている。

そして、水分を含んだ前記原料ガスＧは、前記デミスタ１７において前記原料ガスＧ中のミスト、例えば前記脱硫器１０１で除去しきれなかった硫黄分のミスト等を捕集するようにしている。これにより、前記水素製造装置１０５にミスト等が前記原料ガスＧと共に供給され、前記改質器１０６内に設けられている改質触媒の触媒性能の低下を防止することができる。

このとき、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給された水素の温度が例えば５００℃の時、前記加湿器１１Ａの前記本体１４内の前記原料ガスＧを含む前記水１３の温度は例えば１４０℃まで上昇させることができる。また、前記加湿器１１Ａの外に排出される前記水素排出ラインＬ_4-2の水素の温度は例えば２１８℃にまで低下させることができる。

よって、前記加湿器１１Ａにおいて前記原料ガスＧを加湿することにより、前記原料ガスＧ中に水分を含ませることができるため、前記原料ガスＧに前記スチーム１０２を供給するために要する前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記水素製造装置１０５において生成される水素は例えば５００℃と高温であるため、生成される水素を水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａに送給し、前記加湿器１１Ａの熱源として用いることにより、前記水素製造装置１０５で生成された前記水素から発生する排熱を有効に回収することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記水素製造装置１０５において生成された水素を前記加湿器１１Ａで熱交換した後、水素を冷却するようにすることにより、図示しない水素冷却器等での水素を冷却するために要する負荷を軽減することができる。このため、前記図示しない水素冷却器のコンパクト化を図ることができる。

また、前記加湿器１１Ａから排出され原料ガス供給ラインＬ_1-2を介して送給された前記原料ガスＧは、スチーム供給ラインＬ₂を介して送給された前記スチーム１０２と混合し、前記混合ガス１０４となる。そして、前記混合ガス１０４は混合ガス供給ラインＬ₃を介して前記水素製造装置１０５に送給されるようにしている。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記水素製造装置１０５は、前記原料ガスＧを水素に改質する改質触媒を有する改質器１０６と、水素のみを選択的に透過させる水素分離膜１０７と、前記改質器１０６を加熱する燃焼炉１０８とを有してなるものである。前記原料ガスＧと前記スチーム１０２との前記混合ガス１０４を前記改質器１０６内の前記改質触媒により改質して水素を生成させ、前記水素分離膜１０７によって生成した水素のみを選択的に取り出すようにしている。また、前記燃焼炉１０８は、該燃焼炉１０８内に供給される燃焼ガスや前記原料ガスＧを燃焼し、高温の燃焼排ガス１１０により前記改質器１０６を加熱するようにしている。

本実施例に係る水素製造システム１０Ａのように、前記加湿器１１Ａとスチーム供給ラインＬ₂を介して送給される前記スチーム１０２とにより前記原料ガスＧには水分を給水することができる。このため、前記ボイラ１０３が故障した場合等のおいても、前記加湿器１１Ａにおいて水分を含有した前記原料ガスＧを常に前記水素製造装置１０５に送給することができるため、前記改質器１０６内の前記改質触媒のコーキングを防止し、前記改質触媒の劣化を防止することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａでは、前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給された水素は、前記加湿器１１Ａにおいて前記原料ガスＧと熱交換した後、水素は前記水素排出ラインＬ_4-2を介して回収される。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ａの他の構成について図３に示す。
図３は、本実施例に係る水素製造システム１０Ａの他の構成を示す概略図である。図３に示すように、本実施例に係る水素製造システム１０Ｂは、前記水素製造装置１０５で生成された水素を前記加湿器１１Ａに送給する前記水素供給ラインＬ_4-1に空気供給部１１１より供給される空気１１２と熱交換する第一の熱交換器２０を介装してなるものである。

本実施例では、前記第一の熱交換器２０によって、前記空気供給部１１１より供給される前記空気１１２を前記水素製造装置１０５で生成された水素と熱交換し、加熱した前記空気１１２を前記ボイラ１０３に供給することにより、前記ボイラ１０３において燃焼するために要する前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。

また、前記ボイラ１０３では前記ボイラ１０３から排出される燃焼排ガス熱を前記ボイラ１０３に供給する図示しない給水に熱回収することで前記ボイラ１０３でのボイラ効率を高めている。このため、前記第一の熱交換器２０を通し加温していない前記空気１１２を前記ボイラ１０３に供給すると、前記ボイラ１０３の燃焼排ガス熱で加熱された図示しない給水の加熱効率を妨げる可能性がある。

よって、前記第一の熱交換器２０で加温された前記空気１１２を前記ボイラ１０３に供給することで、前記第一の熱交換器２０を通さずに前記空気１１２を前記ボイラ１０３に供給する場合に比べ、前記ボイラ１０３の燃焼排ガス熱で加熱された図示しない給水の加熱効率を妨げることなく、前記ボイラ１０３に前記空気１１２を供給することができる。この結果、前記ボイラ１０３での給水の加熱効率を更に向上させ、前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。

このとき、本実施例に係る水素製造システム１０Ｂでは、前記第一の熱交換器２０において前記空気１１２と熱交換した後、前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給された水素の温度が例えば１００℃の時、前記加湿器１１Ａの本体内の前記原料ガスＧを含む前記水１３の温度を例えば７０℃に上昇させることができる。また、前記加湿器１１Ａの外に排出される前記水素排出ラインＬ_4-2の温度は例えば７４℃にまで低下させることができる。

従って、本実施例によれば、前記原料ガス供給ラインＬ_1-1に前記加湿器１１Ａを介装し、前記原料ガスＧを加湿することにより、前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。また、前記水素製造装置１０５において生成された水素を前記加湿器１１Ａの熱源に用いることにより、前記原料ガスＧを加温し、前記水素製造装置１０５で生成された水素から発生する排熱を回収することができる。また、前記水素を冷却するために要する負荷を軽減することができるため、図示しない水素冷却器のコンパクト化を図ることができる。また、常に水分を含有した前記原料ガスＧを前記水素製造装置１０５に送給することができるため、前記改質器１０６内の改質触媒のコーキングを防止し、改質触媒の劣化を防止することができる。

本実施例においては、前記ボイラ１０３からの前記スチーム１０２の供給量は、前記加湿器１１Ａで検出される前記水１３の温度と前記加湿器１１Ａ内の圧力に基づいて調整され、前記水供給部１２より前記加湿器１１Ａに供給される水量に応じ、圧力制御するようにしてもよいが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、本実施例においては、前記水素製造装置１０５に備えられた前記燃焼炉１０８で図示しない前記燃焼ガスを燃焼することにより前記水素製造装置１０５内の前記改質器１０６及び前記水素製造装置１０５内に送給される前記原料ガスＧを加熱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、前記改質器１０６において排出される未反応ガスや反応により生じた他の成分を含むガス等のオフガス１０９も前記改質器１０６及び前記原料ガスＧを加熱するための熱源として用いるようにしてもよい。

また、本実施例においては、前記原料ガス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。

本発明による実施例２に係る水素製造システムについて、図４を参照して説明する。
図４は、本実施例に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造システムは、実施例１に係る水素製造システム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システム１０Ｃは、図１に示す水素製造システム１０Ａの前記水素供給ラインＬ_4-1及び前記水素排出ラインＬ_4-2を除き、前記水素製造装置１０５から排出された未反応の前記オフガス１０９を前記加湿器１１Ａの熱源として送給するオフガス供給ラインＬ_7-1を更に有してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｃは、前記加湿器１１Ａの熱源に、前記水素製造装置１０５から排出される未反応の前記オフガス１０９を用い、前記オフガス供給ラインＬ_7-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給し、前記原料ガスＧを加湿してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｃでは、前記加湿器１１Ａの構造は、図１に示す水素製造システム１０Ａの前記加湿器１１Ａの構造と同様のものであるため、説明は省略する。

前記加湿器１１Ａにおいて前記原料ガスＧを加湿することにより、前記原料ガスＧ中に水分を含ませることができるため、前記原料ガスＧに前記スチーム１０２を供給するために要する前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｃでは、前記水素製造装置１０５から排出される未反応の前記オフガス１０９は例えば１５０℃であるため、前記オフガス１０９をオフガス供給ラインＬ_7-1を介して前記加湿器１１Ａに送給し、前記加湿器１１Ａの熱源として用いることにより、前記水素製造装置１０５から排出される前記オフガス１０９から発生する排熱を有効に回収することができる。

更に、前記オフガス１０９は蒸気を多量に含有しているため、その凝縮熱を前記加湿器１１Ａにおいて回収することもできる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｃでは、前記加湿器１１Ａから排出される前記オフガス１０９を前記水素製造装置１０５に供給するオフガス回収ラインＬ_7-2を設けるようにしている。

前記加湿器１１Ａから排出される前記オフガス１０９を前記オフガス回収ラインＬ_7-2を介して前記水素製造装置１０５の前記燃焼炉１０８に供給することにより、前記燃焼炉１０８での燃焼ガスの熱源として用いることができる。

これにより、前記水素製造装置１０５での燃料消費量を削減することができる。また、前記水素製造装置１０５から排出される前記オフガス１０９を冷却するためにオフガス冷却器を設ける必要がないため、前記オフガス１０９を冷却するために要する熱量を削減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｃでは、前記オフガス供給ラインＬ_7-1に、前記空気供給部１１１より供給される前記空気１１２と熱交換する第二の熱交換器３０を介装し、該第二の熱交換器３０において熱交換された前記空気１１２を前記水素製造装置１０５の前記燃焼炉１０８に供給する第二の空気供給ラインＬ₈を有するようにしている。

前記空気供給部１１１より供給される前記空気１１２を前記第二の熱交換器３０において前記オフガス１０９で加温した後、前記燃焼炉１０８に送給することにより、前記燃焼炉１０８において燃焼ガスを燃焼するために要する熱量を軽減することができる。

また、前記第二の熱交換器３０と熱交換した前記空気１１２は、前記燃焼炉１０８に代えて前記ボイラ１０３に供給するようにしてもよい。また、両方に供給するようにしてもよい。

また、本実施例のように、前記加湿器１１Ａと前記スチーム供給ラインＬ₂を介して送給される前記スチーム１０２とにより前記原料ガスＧに水分を給水することができる。このため、前記ボイラ１０３が故障した場合等のおいても、前記加湿器１１Ａにおいて水分を含有した前記原料ガスＧを常に前記水素製造装置１０５に送給することができるため、前記改質器１０６内の改質触媒のコーキングを防止し、改質触媒の劣化を防止することができる。

このとき、本実施例に係る水素製造システム１０Ｃでは、前記水素供給ラインＬ_4-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給されたオフガス１０９の温度が例えば１５０℃の時、前記加湿器１１Ａの本体内の前記原料ガスＧを含む前記水１３の温度は例えば１２０℃に上昇させることができる。また、前記加湿器１１Ａの外に排出される前記オフガス回収ラインＬ_7-2の温度は例えば１３５℃にまで低下させることができる。

従って、本実施例によれば、前記水素製造装置１０５から排出される未反応の前記オフガス１０９を前記加湿器１１Ａの熱源に用いることにより、前記水素製造装置１０５から排出される前記オフガス１０９から発生する排熱を有効に回収することができる。また、前記加湿器１１Ａから排出される前記オフガス１０９を前記オフガス回収ラインＬ_7-2を介して前記水素製造装置１０５内の前記燃焼炉１０８に供給することにより、燃焼ガスの熱源として用いることができるため、前記水素製造装置１０５での燃料消費量を削減することができる。また、図示しないオフガス冷却器を設ける必要がないため、前記オフガス１０９を冷却するために要する熱量を削減することができる。また、前記第二の熱交換器３０を設けることにより加温した前記空気１１２を前記燃焼炉１０８に送給することができるため、前記燃焼炉１０８において燃焼ガスを燃焼するために要する熱量を軽減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｃは、実施例１に係る水素製造システム１０Ａ又は１０Ｂと組み合わせるようにしても良い。実施例１の水素製造システム１０Ａと組み合わせ、前記水素製造装置１０５で生成される水素及び前記水素製造装置１０５から排出される未反応の前記オフガス１０９を前記加湿器１１Ａの熱源に用いることにより、前記原料ガスＧを加湿すると共に、前記水素製造装置１０５において発生した排熱を更に有効に回収することができる。

更に、実施例１に係る水素製造システム１０Ｂと組み合わせ、前記第一の熱交換器２０において加熱された前記空気１１２を前記燃焼炉１０８に供給するようにしてもよい。

本発明による実施例３に係る水素製造システムについて、図５を参照して説明する。
図５は、本実施例に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造システムは、実施例１に係る水素製造システム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５に示すように、本実施例に係る水素製造装置システム１０Ｄは、図１に示す水素製造システム１０Ａの前記水素供給ラインＬ_4-1及び前記水素排出ラインＬ_4-2を除き、前記水素製造装置１０５から排出される燃焼排ガス１１０を前記加湿器１１Ａの熱源として供給する燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を更に有してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｄは、前記加湿器１１Ａの熱源に、前記水素製造装置１０５から排出される燃焼排ガス１１０を用い、前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給し、前記原料ガスＧを加温してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｄでは、前記加湿器１１Ａの構造は、図１に示す水素製造システム１０Ａの前記加湿器１１Ａの構造と同様のものであるため、説明は省略する。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｄでは、前記加湿器１１Ａにおいて前記原料ガスＧを加湿することにより、前記原料ガスＧ中に水分を含ませることができるため、前記原料ガスＧに前記スチーム１０２を供給するために要する前記ボイラ１０３の負荷を軽減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄでは、前記原料ガス供給ラインＬ_1-1を介して前記加湿器１１Ａ内に供給された前記原料ガスＧは、前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を介して前記加湿器１１Ａ内に供給された前記燃焼排ガス１１０と熱交換される。よって、前記燃焼排ガス１１０の熱を前記加湿器１１Ａの熱源として用いることにより、前記水素製造装置１０５で発生する前記燃焼排ガス１１０から発生する排熱を有効に回収することができる。

このとき、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄでは、前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給される前記燃焼排ガス１１０の温度が例えば２２５℃の時、前記加湿器１１Ａ本体内の前記原料ガスＧを含む前記水１３の温度は例えば１２０℃に上昇させることができる。また、前記加湿器１１Ａの外に排出される前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-2の前記燃焼排ガス１１０の温度は例えば１３５℃にまで低下させることができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄは、前記燃焼排ガス１１０の温度変化に対する前記加湿器１１Ａ内の前記水１３の温度変化が大きく熱交換率が良いため、実施例１及び実施例２の水素製造システムに比べて、最も効率よく熱交換を行なうことができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄは、前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1に、前記混合ガス１０４と熱交換する第三の熱交換器４０を介装するようにしている。

前記混合ガス１０４を記第三の熱交換器４０において加温した後、前記水素製造装置１０５に送給することにより、前記水素製造装置１０５において前記混合ガス１０４を加熱するのに要する熱量を軽減することができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄでは、前記加湿器１１Ａから排出される前記燃焼排ガス１１０を前記水素製造装置１０５に供給し、前記水素製造装置１０５内の燃焼炉１０８において燃焼ガスの熱源として用いるようにしても良い。この結果、前記水素製造装置１０５での燃料消費量を削減することができる。

また、本実施例のように、前記加湿器１１Ａと前記スチーム供給ラインＬ₂を介して送給される前記スチーム１０２とにより前記原料ガスＧに水分を給水することができるため、前記ボイラ１０３が故障した場合等のおいても、前記加湿器１１Ａにおいて水分を含有した前記原料ガスＧを常に前記水素製造装置１０５に送給することができるため、前記改質器１０６内の改質触媒のコーキングを防止し、改質触媒の劣化を防止することができる。

従って、本実施例によれば、前記水素製造装置１０５から排出される前記燃焼排ガス１１０を前記加湿器１１Ａの熱源に用いることにより、前記原料ガスＧを加湿し、前記水素製造装置１０５で発生する前記燃焼排ガス１１０から発生する排熱を回収することができる。また、前記第三の熱交換器４０において前記燃焼排ガス１１０と前記混合ガス１０４とを熱交換することにより、前記水素製造装置１０５において前記混合ガス１０４を加熱するのに要する熱量を軽減することができる。

また、本実施例では、加湿器の構造として前記加湿器１１Ａを用いているが、本発明は限定されるものではなく、他の構造の加湿器を用いるようにしてもよい。

前記加湿器の他の構造について、図６を参照して説明する。
図６は、前記加湿器の他の構造を示す概略図である。図６に示すように、前記加湿器１１Ｂは、前記加湿器１１Ｂ内の底部を通過する前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1が螺旋状に形成されている。前記燃焼排ガス１１０が前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を介して前記加湿器１１Ｂ底部を通過する際に前記原料ガスＧと熱交換するようにしている。

前記加湿器１１Ｂ内の底部で前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を螺旋状に形成することにより、前記加湿器１１Ｂ内での前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1の水との接触面積を増大させることができるため、前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1を介して前記水１３と前記燃焼排ガス１１０とを有効に熱交換することができる。

また、本実施例では、前記加湿器１１Ｂ内の底部を通過する前記燃焼排ガス供給ラインＬ_9-1の形状を螺旋状に形成しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、棒状等であっても良い。

また、この前記加湿器１１Ｂは、本実施例に限定されるものではなく、実施例１、２においても用いることができる。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｄは、実施例１又は実施例２の水素製造システムと組み合わせるようにしても良い。

二つの水素製造システムを組み合わせた水素製造システムについて、図７を参照して説明する。
図７は、二つの水素製造システムを組み合わせた水素製造システムの構成を示す概略図である。図７に示すように、水素製造システム１０Ｅは、実施例２の水素製造システム１０Ｃと実施例３の水素製造システム１０Ｄとを組み合わせたものである。実施例２の水素製造システム１０Ｃと実施例３の水素製造システム１０Ｄとを組み合わせ、前記水素製造装置１０５から排出される未反応の前記オフガス１０９及び前記燃焼排ガス１１０を前記加湿器１１Ａの熱源に用いることにより、前記原料ガスＧを加湿し、前記水素製造装置１０５において発生した排熱の回収が可能である。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｅは、実施例２の水素製造システム１０Ｃに代えて実施例１の水素製造システム１０Ａ、１０Ｂと組み合わせるようにしても良い。

本発明による実施例４に係る水素製造システムについて、図８を参照して説明する。
図８は、本実施例に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。
本実施例に係る水素製造システムは、実施例１乃至実施例４に係る水素製造システム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８に示すように、本実施例に係る水素製造システム１０Ｆは、図１に示す水素製造システム１０Ａの前記水素供給ラインＬ_4-1が前記加湿器１１Ａに送給されず、系外に排出されるようにし、前記水素製造装置１０５で生成された水素と冷却水供給部５０から排出される冷却水５１とを熱交換する第四の熱交換器５２に介装され、前記冷却水５１が熱交換された熱交換水５３を加湿器１１Ｃの水供給源及び熱源として供給する熱交換水供給ラインＬ_10-1を有してなるものである。

本実施例に係る水素製造システム１０Ｆは、前記加湿器１１Ｃの水供給源及び熱源に、前記冷却水供給部５０から排出される冷却水５１を前記第四の熱交換器５２において前記水素製造装置１０５で生成された水素と熱交換した熱交換水５３を用い、前記熱交換水供給ラインＬ_10-1を介して前記加湿器１１Ｃ内に送給し、前記原料ガスＧを加湿してなるものである。

また、本実施例に係る水素製造システム１０Ｆでは、前記加湿器１１Ａに代えて前記加湿器１１Ｃを用いている。
前記加湿器１１Ｃの構造について、図９を参照して説明する。
図９は、前記加湿器１１Ｃの構造を示す概略図である。図９に示すように、前記加湿器１１Ｃは、前記熱交換水供給ラインＬ_10-1を介して送給される前記熱交換水５３を前記加湿器１１Ｃ内に供給し、前記原料ガスＧの加湿用の水として用いるようにしている。また、前記加湿器１１Ｃ内には、該前記加湿器１１Ｃ内下部に供給されたガスを細かい気泡にする前記ガス分散板１６と、前記本体１４内上部にガス中に含まれるミスト等を捕集する前記デミスタ１７とからなるものである。

よって、前記冷却水５１を前記第四の熱交換器５２において加温した後、前記加湿器１１Ｃに送給することにより、前記原料ガスＧの水供給源にすると共に、前記加湿器１１Ｃの熱源に用いることができる。

このとき、本実施例に係る水素製造システム１０Ｆでは、前記第四の熱交換器５２において前記空気１１２と熱交換した後、前記熱交換水供給ラインＬ_10-1を介して前記加湿器１１Ａ内に送給された水素の温度が例えば１５０℃の時、前記加湿器１１Ｃの本体内の前記原料ガスＧを含む前記水１３の温度は例えば１２０℃に上昇させることができる。また、前記加湿器１１Ｃの外に排出される熱交換水排出ラインＬ_10-2の温度は例えば１３５℃にまで低下させることができる。

従って、本実施例によれば、前記冷却水供給部５０から排出される冷却水５１を前記第四の熱交換器５２において前記水素製造装置１０５において生成される水素と熱交換した後、熱交換水供給ラインＬ_10-1を介して前記加湿器１１Ｃに送給することにより、前記原料ガスＧを加湿する共に、前記加湿器１１Ｃの熱源にも用いることができる。

また、本実施例においては、前記冷却水供給部５０としては、例えばオフガス冷却器又は水素冷却器等があるが、これに限定されるものではない。

また、本実施例においては、前記第四の熱交換器５２を前記熱交換水供給ラインＬ_10-1に介装しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、前記第四の熱交換器５２を介装しなくても良い。

また、本実施例では、水素製造装置１０５において生成された水素を用いて前記冷却水５１と熱交換し加温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、前記水素製造装置１０５において排出される未反応の前記オフガス１０９、又は前記水素製造装置１０５から排出される前記燃焼排ガス１１０の何れか一つ又はこれらを組み合わせて前記冷却水５１と熱交換し加温するようにしてもよい。

実施例１〜実施例４においては、前記水素製造装置１０５として、前記改質器１０６内で改質触媒により生成された水素を前記水素分離膜１０７により回収する装置を用いて説明したが、本発明はこれらには限定されるものではく、例えば炭化水素を改質し、水素を選択的に取り出すことができる装置であれば、他の装置を用いるようにしてもよい。

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。

［試験例］
次に、これら実施例１〜実施例４に係る水素製造システムを用いて、加湿器によって原料ガス中に含まれた水蒸気量から水素製造システム全体における排熱の回収割合について検討した試験結果について説明する。

試験例１は、図１に示す実施例１に係る水素製造システム１０Ａを用いて行なった試験結果であり、試験例２は、図３に示す実施例１に係る他の水素製造システム１０Ｂを用いて行なった試験結果であり、試験例３は、図４に示す実施例２に係る水素製造システム１０Ｃを用いて行なった試験結果であり、試験例４は、図５に示す実施例３に係る水素製造システム１０Ｄを用いて行なった試験結果であり、試験例５は、図４に示す実施例２に係る水素製造システム１０Ｃと図５に示す実施例３に係る水素製造システム１０Ｄと組み合わせた図７に示す水素製造システム１０Ｅを用いて行なった試験結果であり、試験例６は、図８に示す実施例４に係る水素製造システム１０Ｆを用いて行なった試験結果である。

試験例１〜６の前記加湿器の熱源のある方の熱源側として前記加湿器に供給した熱源と、その流量と、前記加湿器に供給された熱源の入口ガス温度と、その出口ガス温度とを表１に示す。

また、前記加湿器の加湿器の水、原料ガスのある方の加湿器内側として前記加湿器内の水の温度と、前記加湿器内の圧力と、前記加湿器に供給した原料ガスとして用いた都市ガスの１３Ａの流量と、前記加湿器によって１３Ａ中に含まれた水蒸気量とを表１に示す。
また、試験例１〜６においてシステム全体の水蒸気量に対する前記加湿器によって１３Ａ中に含まれた水蒸気量の排熱回収割合を表１に示す。
尚、試験例１〜６で、排熱回収割合を算出する際、実際に水素製造システムを運転するために必要な水蒸気量は例えば３０ｋｇ／ｈ程度である。そのため、試験例１〜６では水素製造システム全体の水蒸気量を３０ｋｇ／ｈとし、この時に前記加湿器によって１３Ａ中に含まれた水蒸気量から排熱回収割合を算出した。

また、本試験例で前記加湿器に供給した熱源は、水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置から排出される未反応のオフガス、又は前記水素製造装置から排出される燃焼排ガス、熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたもの何れかを用いて行なった。

表１より、実施例１に係る水素製造システム１０Ａを用いて行なった試験例１では、前記加湿器で発生した水蒸気量は０．２７ｋｇ／ｈであり、この時の排熱回収割合は、０．９１８３６７％であった。

また、実施例１に係る水素製造システム１０Ｂを用いて行なった試験例２では、前記加湿器で発生した水蒸気量は４．７９ｋｇ／ｈであり、この時の排熱回収割合は、１６．３％であった。

試験例１と試験例２とは共に実施例１に係る水素製造システムを用いたものであるが、
試験例１の水蒸気量の方が試験例２の水蒸気量より大きい値を示した。これは、実施例１に係る水素製造システム１０Ａを用いて行なった試験例１では、水素製造装置１０５で生成された水素を空気と熱交換することなく直接前記加湿器１１Ａに供給しているため、前記加湿器内の１３Ａは高温の水素と熱交換することができたため、１３Ａガス中により多量の水分を含有することができるためである。

また、実施例２に係る水素製造システム１０Ｃを用いて行なった試験例３と、実施例３に係る水素製造システム１０Ｄを用いて行なった試験例４とでは、前記加湿器で発生した水蒸気量は何れも２．１ｋｇ／ｈであり、この時の排熱回収割合は何れも７．１４２８６％であった。このことから、約７．１４％程度ボイラでの燃焼を削減することができることが確認された。

また、実施例２に係る水素製造システム１０Ｃと実施例３に係る水素製造システム１０Ｄとを組み合わせて行なった試験例５では、前記加湿器で発生した水蒸気量は４．２０ｋｇ／ｈであり、この時の排熱回収割合は１４．３％であった。このことから、他の試験例に比べてボイラでの燃焼量を最も削減することができることが確認された

また、実施例４に係る水素製造システム１０Ｅを用いて行なった試験例６では、前記加湿器で発生した水蒸気量は０．１ｋｇ／ｈであり、この時の排熱の回収効率は０．３４０１３６％であった。

以上のように、本発明に係る水素製造システム及びこれを用いた排熱回収方法は、前記脱硫器から原料ガスを前記水素製造装置に送給する原料ガス供給ラインに加湿器を介装することにより、ボイラの負荷を軽減することができ、前記加湿器の熱源に、前記水素製造装置において生成された水素、オフガス、燃焼排ガス、冷却水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものを用いることで、前記水素製造装置において発生した排熱を有効に回収することができるため、排熱回収効率を向上させた水素製造システムに用いて適している。

本発明の実施例１に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。 加湿器の構造を示す概略図である。 本発明の実施例１に係る水素製造システムの他の構成を示す概略図である。 本発明の実施例２に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施例３に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。 加湿器の他の構造を示す概略図である。 本発明の実施例３に係る水素製造システムの他の構成を示す概略図である。 本発明の実施例４に係る水素製造システムの構成を示す概略図である。 加湿器の他の構造を示す概略図である。 従来の水素製造システムの構成を示す概略図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｅ 水素製造システム
１１Ａ〜１１Ｃ 加湿器
１２ 水供給部
１３ 水
１４ 本体
１５ 外管
１６ ガス分散板
１７ デミスタ
１８ 液面調節計
２０ 第一の熱交換器
３０ 第二の熱交換部
４０ 第三の熱交換器
５０ 冷却水供給部
５１ 冷却水
５２ 第四の熱交換器
５３ 熱交換水
Ｇ 原料ガス
１０１ 脱硫器
１０２ スチーム
１０３ ボイラ
１０４ 混合ガス
１０５ 水素製造装置
１０６ 改質器
１０７ 水素分離膜
１０８ 燃焼炉
１０９ オフガス
１１０ 燃焼排ガス
１１１ 空気供給部
１１２ 空気
Ｌ_1-1 原料ガス供給ライン
Ｌ_1-2 原料ガス供給ライン
Ｌ₂ スチーム供給ライン
Ｌ₃ 混合ガス供給ライン
Ｌ_4-1 水素供給ライン
Ｌ_4-2 水素排出ライン
Ｌ₅ 第一の空気供給ライン
Ｌ₆ 水供給ライン
Ｌ_7-1 オフガス供給ライン
Ｌ_7-2 オフガス回収ライン
Ｌ₈ 第二の空気供給ライン
Ｌ_9-1 燃焼排ガス供給ライン
Ｌ_9-2 燃焼排ガス供給ライン
Ｌ_10-1 熱交換水供給ライン
Ｌ_10-2 熱交換水排出ライン
Ｖ 弁

Claims (13)

1. 炭化水素を主成分とする原料ガス中に含まれる硫黄分を除去する脱硫器と、脱硫された前記原料ガス中の炭化水素を改質触媒により改質し、生成された水素のみを選択的に分離して取り出す水素製造装置とを有する水素製造システムにおいて、
   前記脱硫器から前記水素製造装置に前記原料ガスを送給する原料ガス供給ラインに前記原料ガスを加湿する加湿器を介装してなることを特徴とする水素製造システム。
2. 請求項１において、
   前記加湿器の熱源が、前記水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置から排出される未反応のオフガス、前記水素製造装置から排出される燃焼排ガス、熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものであることを特徴とする水素製造システム。
3. 請求項１又は２において、
   前記水素製造装置で生成された水素を前記加湿器の熱源として供給する水素供給ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
4. 請求項３において、
   前記水素供給ラインに、空気供給部より供給される空気と熱交換する第一の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システム。
5. 請求項４において、
   前記空気供給部より供給される空気、又は前記第一の熱交換部において熱交換された空気をボイラに供給する第一の空気供給ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
6. 請求項１乃至５の何れか一つにおいて、
   前記水素製造装置から排出される未反応の前記オフガスを前記加湿器の熱源として供給するオフガス供給ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
7. 請求項６において、
   前記オフガス供給ラインに、空気供給部より供給される空気と熱交換する第二の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システム。
8. 請求項６又は７において、
   前記空気供給部より供給される空気、又は前記第二の熱交換部において熱交換された空気を前記水素製造装置に供給する第二の空気供給ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
9. 請求項６乃至８の何れか一つにおいて、
   前記加湿器から排出される前記オフガスを前記水素製造装置に供給するオフガス回収ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
10. 請求項１乃至９の何れか一つにおいて、
    前記水素製造装置から排出された燃焼排ガスを前記加湿器の熱源として供給する燃焼排ガス供給ラインを有することを特徴とする水素製造システム。
11. 請求項１０において、
    前記燃焼排ガス供給ラインに、前記原料ガスとボイラより供給されるスチームとの混合ガスと熱交換する第三の熱交換部を介装してなることを特徴とする水素製造システム。
12. 請求項１乃至１１の何れか一つにおいて、
    前記水素製造装置で生成された水素と熱交換する第四の熱交換部に介装され、熱交換された熱交換水を前記加湿器の水供給源及び熱源として供給する熱交換水供給ラインを有してなることを特徴とする水素製造システム。
13. 請求項１乃至１２の何れか一つの水素製造システムを用いて、前記水素製造装置において生成された水素、前記水素製造装置から排出される未反応のオフガス、又は前記水素製造装置から排出される燃焼排ガス、熱交換された熱交換水の何れか一つ又はこれらを組み合わせたものから排熱の回収を行なうことを特徴とする排熱回収方法。

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