JP2008247636A - Method and device for hydrogen production and carbon dioxide recovery - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the efficiency while suppressing increase in a system cost when hydrogen production and carbon dioxide recovery are simultaneously carried out from a carbon-containing fuel as a source material. <P>SOLUTION: The method of hydrogen production and carbon dioxide recovery for producing hydrogen as well as recovering carbon dioxide from a carbon-containing fuel includes steps of: reforming the carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide; separating the hydrogen-containing gas into a first hydrogen enriched gas and a PSA (pressure swing adsorption) offgas by using a pressure swing adsorption device; separating the PSA offgas into a carbon dioxide enriched gas and a carbon dioxide separation membrane offgas by using a carbon dioxide separation membrane; and separating the carbon dioxide separation membrane offgas into a second hydrogen enriched gas and a hydrogen separation membrane offgas by using a hydrogen separation membrane. A device for carrying out the above method is also disclosed. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、化石燃料類などの含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する方法および装置に関する。   The present invention relates to a method and apparatus for producing hydrogen from carbon-containing fuels such as fossil fuels and recovering carbon dioxide.

水素は将来のエネルギー媒体として期待され、製造、貯蔵・輸送、利用など広い技術分野において活発な研究開発が行われている。水素をエネルギー媒体として用いる利点としては、高いエネルギー利用効率の他、燃焼後の排出物が水だけであることが挙げられる。   Hydrogen is expected as a future energy medium, and active research and development is being carried out in a wide range of technical fields such as production, storage / transport, and utilization. Advantages of using hydrogen as an energy medium include not only high energy utilization efficiency but also only water after combustion.

現状一次エネルギーの約80%は石油、石炭、天然ガスなど化石燃料で占められ、今後再生可能エネルギーの利用増などにより漸減するにしてもその割合は高いまま推移すると予想されている。従って水素の製造において、一次エネルギー源として化石燃料を原料とするルートの重要性は当面下がることはないと言える。   Currently, about 80% of primary energy is occupied by fossil fuels such as oil, coal, and natural gas, and even if it gradually decreases due to increased use of renewable energy, the ratio is expected to remain high. Therefore, in the production of hydrogen, it can be said that the importance of the route using fossil fuel as a primary energy source will not be reduced for the time being.

しかし、化石燃料のように炭素を含有する燃料を用いて水素を製造する場合、CO2が排出される。 However, when hydrogen is produced using a fuel containing carbon such as fossil fuel, CO 2 is emitted.

地球温暖化を防止する上でCO2の排出削減は喫緊の課題と言われている。このような状況の中で、化石燃料から水素を製造する際に副生するCO2を分離・回収する技術はCO2排出削減と水素社会の早期実現を両立させるものとして重要である。 Reduction of CO 2 emissions is said to be an urgent issue in preventing global warming. Under such circumstances, a technology for separating and recovering CO 2 produced as a by-product when hydrogen is produced from fossil fuel is important as achieving both CO 2 emission reduction and early realization of a hydrogen society.

化石燃料などの含炭素燃料を原料として水素を製造するに当たり、CO2を分離する方法は従来から知られている。 In producing hydrogen using a carbon-containing fuel such as fossil fuel as a raw material, a method for separating CO 2 has been conventionally known.

このような方法のうちの第1の方法として、化石燃料を原料に水蒸気改質およびシフト反応を経て製造される水素、CO、CO2、メタンの混合物から圧力スウィング吸着(PSA)装置で高純度水素を得る一方、不純物を含むオフガスから化学吸収法によりCO2を高純度化し、分離・回収する方法を挙げることができる。しかし、有機アミン溶液を吸収液として用いる化学吸収法ではCO2の回収工程すなわち吸収液の再生工程において多大なエネルギーを要するなど、水素製造のエネルギー効率の点で優れているとは言えない。 Among these methods, the first method is high-purity using a pressure swing adsorption (PSA) device from a mixture of hydrogen, CO, CO 2 , and methane, which is produced through fossil fuel as a raw material through steam reforming and shift reaction. While obtaining hydrogen, there can be mentioned a method in which CO 2 is highly purified from offgas containing impurities by a chemical absorption method, and separated and recovered. However, the chemical absorption method using an organic amine solution as an absorbing solution cannot be said to be excellent in terms of energy efficiency of hydrogen production, for example, a great amount of energy is required in the CO 2 recovery step, that is, the absorbing solution regeneration step.

第2の方法として、特許文献1には、2段の精製装置でそれぞれのガスを精製分離するプロセスにおいて、第一段目にCO2濃縮装置を配置しCO2を主成分とするガス流を得、第二段目に配置したPSAにより前記CO2濃縮装置から排出されるCO2濃度を減じたガスを処理することで高純度水素を得ると共に、各段から得られるCO2を富化させたガス流からCO2を液化分離する方法が開示されている。しかし、水素を分離する前の水素を多量に含むガスからCO2を除去するため、CO2回収装置として極めて高い選択性を持ち、一般にエネルギー消費量の大きい方法を採用せざるを得なくなりエネルギー効率が悪化する傾向がある。 As a second method, in Patent Document 1, in a process of refining and separating each gas by a two-stage purifier, a CO 2 concentrator is arranged in the first stage and a gas flow mainly composed of CO 2 is generated. The high purity hydrogen is obtained by treating the gas with reduced CO 2 concentration discharged from the CO 2 concentrator by the PSA arranged in the second stage, and the CO 2 obtained from each stage is enriched. A method for liquefying and separating CO 2 from a gas stream is disclosed. However, since CO 2 is removed from a gas containing a large amount of hydrogen before separating hydrogen, it has to have a very high selectivity as a CO 2 recovery device and generally has to adopt a method with large energy consumption. Tend to get worse.

第3の方法として、特許文献2および3には、PSAなどの水素精製装置で高純度水素を製造すると共に、CO2、水素などを含むオフガスを燃焼した上でCO2を回収するプロセスが開示されている。しかし、この方法は水素をまだ多く含む水素精製装置オフガスを燃焼してしまうため水素収率が低下する上に、燃焼に空気を用いた場合には窒素が混入するためCO2回収の負荷が増大する。一方、燃焼に純酸素を用いることもできるがこの場合には純酸素の製造に多大なエネルギーを消費しエネルギー効率が悪化する傾向がある。 As a third method, Patent Documents 2 and 3 disclose a process for producing high-purity hydrogen using a hydrogen purifier such as PSA and recovering CO 2 after burning off gas containing CO 2 , hydrogen, and the like. Has been. However, this method burns off the hydrogen purifier off-gas that still contains a large amount of hydrogen, resulting in a decrease in hydrogen yield. In addition, when air is used for combustion, nitrogen is mixed, increasing the load of CO 2 recovery. To do. On the other hand, pure oxygen can also be used for combustion, but in this case, a great amount of energy is consumed in the production of pure oxygen and the energy efficiency tends to deteriorate.

第4の方法として、特許文献4には吸着選択性が異なる複数の吸着塔を有したシリアル構成のPSAを用いた方法が開示されている。しかし、この方法は吸収−再生のサイクルが極めて煩雑であるためシステムコストの上昇を抑えることが難しい。   As a fourth method, Patent Document 4 discloses a method using a PSA having a serial configuration having a plurality of adsorption towers having different adsorption selectivity. However, this method has a very complicated absorption-regeneration cycle, and it is difficult to suppress an increase in system cost.

第5の方法として、特許文献5および6にはPSAオフガスから膜を用いて水素を分離しこれをPSA入り口にリサイクルすることで再利用する方法が記載されている。しかし、これらの文献ではCO2は回収されることなく廃棄されるのみであり、濃縮方法などその処理方法についての記載はなされていない。
特表2004−519538号公報 特開2004−292240号公報 特開2003−81605号公報 米国特許第4、913、709号公報 米国特許第4、229、188号公報 米国特許第5、435、836号公報
As a fifth method, Patent Documents 5 and 6 describe a method of separating hydrogen from a PSA offgas using a membrane and recycling it by recycling it to the PSA inlet. However, in these documents, CO 2 is only discarded without being recovered, and there is no description about the processing method such as a concentration method.
Special table 2004-519538 gazette JP 2004-292240 A JP 2003-81605 A U.S. Pat. No. 4,913,709 U.S. Pat. No. 4,229,188 U.S. Pat. No. 5,435,836

前述のように、高純度の水素と貯留に適した高濃度のCO2を併産する方法においては、さらなる改善の余地があった。 As described above, there is room for further improvement in the method of co-producing high-purity hydrogen and high-concentration CO 2 suitable for storage.

本発明の目的は、含炭素燃料を原料として水素製造と二酸化炭素の回収を同時に実施するに際し、システムコストの上昇を抑えることができ、より効率的な方法および装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a more efficient method and apparatus capable of suppressing an increase in system cost when simultaneously performing hydrogen production and carbon dioxide recovery using a carbon-containing fuel as a raw material.

本発明により、含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収方法であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造工程;
圧力スウィング吸着装置を用いて、該水素含有ガスを、水素が富化されたガスである第一の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスであるPSAオフガスとに分離するPSA工程;
二酸化炭素分離膜を用いて、該PSAオフガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素膜分離工程;および、
水素分離膜を用いて、該二酸化炭素分離膜オフガスを、水素が富化されたガスである第二の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスである水素分離膜オフガスとに分離する水素膜分離工程
を有する水素製造および二酸化炭素回収方法が提供される。
According to the present invention, a hydrogen production and carbon dioxide recovery method for producing hydrogen from a carbon-containing fuel and recovering carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production process for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
Using a pressure swing adsorption apparatus, the hydrogen-containing gas is separated into a first hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a PSA offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen. PSA process;
Using a carbon dioxide separation membrane, the PSA offgas is converted into a carbon dioxide enriched gas which is a gas enriched with carbon dioxide and a carbon dioxide separation membrane offgas which is a gas enriched with components other than carbon dioxide. A carbon dioxide membrane separation step to separate; and
Using a hydrogen separation membrane, the carbon dioxide separation membrane off-gas is divided into a second hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen, and a hydrogen separation membrane off-gas that is a gas enriched with components other than hydrogen. A hydrogen production and carbon dioxide recovery method having a hydrogen membrane separation step of separating into two is provided.

上記方法が、前記二酸化炭素富化ガスを液化して、液化二酸化炭素を得る工程を有することが好ましい。   Preferably, the method includes a step of liquefying the carbon dioxide-enriched gas to obtain liquefied carbon dioxide.

上記方法が、前記第二の水素富化ガスを、前記水素含有ガス製造工程またはPSA工程にリサイクルする工程を有することが好ましい。   The method preferably includes a step of recycling the second hydrogen-enriched gas to the hydrogen-containing gas production step or the PSA step.

上記方法において、前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上であることが好ましい。   In the above method, the ratio α of the carbon dioxide permeability coefficient to the hydrogen permeability coefficient of the carbon dioxide separation membrane is preferably 5 or more.

本発明により、含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収装置であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造装置;
該水素含有ガスを、水素が富化されたガスである第一の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスであるPSAオフガスとに分離する圧力スウィング吸着装置;
該PSAオフガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素分離膜;および、
該二酸化炭素分離膜オフガスを、水素が富化されたガスである第二の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスである水素分離膜オフガスとに分離する水素分離膜
を有する水素製造および二酸化炭素回収装置が提供される。
According to the present invention, a hydrogen production and carbon dioxide recovery device for producing hydrogen from a carbon-containing fuel and recovering carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production apparatus for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
A pressure swing adsorption device for separating the hydrogen-containing gas into a first hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a PSA offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen;
A carbon dioxide separation membrane that separates the PSA offgas into a carbon dioxide enriched gas that is a gas enriched with carbon dioxide and a carbon dioxide separation membrane offgas that is a gas enriched with components other than carbon dioxide; and ,
A hydrogen separation membrane that separates the carbon dioxide separation membrane offgas into a second hydrogen enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a hydrogen separation membrane offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen; A hydrogen production and carbon dioxide recovery apparatus is provided.

上記装置が、前記二酸化炭素富化ガスを液化して、液化二酸化炭素を得る二酸化炭素液化装置を有することが好ましい。   It is preferable that the apparatus has a carbon dioxide liquefying apparatus that liquefies the carbon dioxide-enriched gas to obtain liquefied carbon dioxide.

上記装置が、前記第二の水素富化ガスを、前記水素含有ガス製造工程またはPSA工程にリサイクルするリサイクルラインを有することが好ましい。   It is preferable that the apparatus has a recycle line for recycling the second hydrogen-enriched gas to the hydrogen-containing gas production process or the PSA process.

上記装置において、前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上であることが好ましい。   In the above apparatus, the ratio α of the carbon dioxide permeability coefficient to the hydrogen permeability coefficient of the carbon dioxide separation membrane is preferably 5 or more.

本発明によれば、含炭素燃料を原料として水素製造と二酸化炭素の回収を同時に実施するに際し、システムコストの上昇を抑えることができ、より効率的な方法および装置が提供される。   According to the present invention, when hydrogen production and carbon dioxide recovery are simultaneously performed using a carbon-containing fuel as a raw material, an increase in system cost can be suppressed, and a more efficient method and apparatus are provided.

特に断らない限り本明細書では圧力は絶対圧力を意味し、ガス組成に係る%は水蒸気を除外して計算したモル%を意味する。   Unless otherwise specified, in this specification, pressure means absolute pressure, and% relating to gas composition means mol% calculated excluding water vapor.

〔含炭素燃料〕
本発明において、水素製造の原料としては、炭素を含有する燃料である含炭素燃料を用いる。含炭素燃料としては、炭素を含有し、改質によって水素含有ガスを製造可能な物質から適宜選んで使用することができる。
[Carbon-containing fuel]
In the present invention, a carbon-containing fuel that is a fuel containing carbon is used as a raw material for hydrogen production. As the carbon-containing fuel, carbon can be appropriately selected from substances that can produce a hydrogen-containing gas by reforming.

含炭素燃料の例として、化石燃料類を挙げることができる。化石燃料類とは石油、石炭、天然ガスなど化石資源を原料として製造され得る燃料を意味し、ガス状、液状、固体状のいずれの形態でもあり得る。具体的には、メタン、エタン、プロパン、天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、ガソリン、灯油、軽油、重油などの炭化水素類を例とすることができるが、天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、灯油が特に好ましく用いられる。さらに、含炭素燃料としてはメタノール、ジメチルエーテル、エタノールなど化石燃料類から製造可能で酸素原子を分子中に含む含酸素化合物類も好適に使用できる。また、炭化水素類、含酸素化合物類に関わらず生物資源から得られたエタノールなど、化石資源から必ずしも製造されたものではなくても使用することができる。   Examples of carbon-containing fuels include fossil fuels. The fossil fuels mean fuels that can be produced using fossil resources such as petroleum, coal, and natural gas as raw materials, and can be in any of gaseous, liquid, and solid forms. Specific examples include hydrocarbons such as methane, ethane, propane, natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha, gasoline, kerosene, light oil, and heavy oil. Natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha, Kerosene is particularly preferably used. Furthermore, as the carbon-containing fuel, oxygen-containing compounds that can be produced from fossil fuels such as methanol, dimethyl ether, and ethanol and contain oxygen atoms in the molecule can be suitably used. Moreover, it can be used even if it was not necessarily manufactured from fossil resources, such as ethanol obtained from biological resources irrespective of hydrocarbons and oxygenated compounds.

〔水素含有ガス製造工程〕
水素含有ガス製造工程においては、上記含炭素燃料の改質反応を行い、水素と二酸化炭素を少なくとも含有する水素含有ガスを製造する。
[Hydrogen-containing gas production process]
In the hydrogen-containing gas production process, the carbon-containing fuel is reformed to produce a hydrogen-containing gas containing at least hydrogen and carbon dioxide.

改質反応の方法としては水蒸気改質法、オートサーマル改質法、部分酸化法など公知の改質方法を採ることができるが、空気中の窒素が混入しない方法が後段の精製工程が容易となるため好ましい。従って、水蒸気改質法、または純酸素を酸化剤とするオートサーマル改質法もしくは部分酸化法が好ましく採用され、水蒸気改質法が特に好ましく採用できる。   As a reforming reaction method, a known reforming method such as a steam reforming method, an autothermal reforming method, or a partial oxidation method can be adopted, but a method in which nitrogen in the air is not mixed facilitates the subsequent purification process. Therefore, it is preferable. Therefore, a steam reforming method, or an autothermal reforming method or a partial oxidation method using pure oxygen as an oxidizing agent is preferably employed, and a steam reforming method can be particularly preferably employed.

まず、含炭素燃料として天然ガス、液化石油ガス、ナフサ、灯油など炭化水素類を用いる場合について述べる。この時、水蒸気改質法においては、炭化水素類と水を好ましくは300℃〜1000℃、より好ましくは400℃〜900℃の温度、好ましくは0.1MPa〜10MPa、より好ましくは0.2MPa〜2MPaの圧力にて反応させ、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンを含む改質ガスに分解する。使用水蒸気量は、S/C(含炭素燃料中の炭素原子のモル数に対する水蒸気モル数の比)が好ましくは2〜10、より好ましくは2.5〜7の範囲で設定される。この時、後段のPSAの駆動に必要な圧力を超える圧力で改質反応を実施すると改質ガスを改めて昇圧する必要がなく好ましい。こうして得られる改質ガスの組成は温度、圧力などに依存し、通常、水素65〜75%、一酸化炭素5〜20%、二酸化炭素5〜20%、メタン0.5〜10%程度であるが、炭素−炭素結合を有する炭化水素はできる限り残存しないような条件を選択することが好ましい。   First, the case where hydrocarbons such as natural gas, liquefied petroleum gas, naphtha and kerosene are used as the carbon-containing fuel will be described. At this time, in the steam reforming method, the hydrocarbons and water are preferably at a temperature of 300 ° C. to 1000 ° C., more preferably 400 ° C. to 900 ° C., preferably 0.1 MPa to 10 MPa, more preferably 0.2 MPa to The reaction is carried out at a pressure of 2 MPa, and it is decomposed into a reformed gas containing hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, and methane. S / C (ratio of the number of moles of water vapor to the number of moles of carbon atoms in the carbon-containing fuel) is preferably set in the range of 2 to 10, more preferably 2.5 to 7. At this time, it is preferable to perform the reforming reaction at a pressure exceeding the pressure necessary for driving the subsequent stage PSA because it is not necessary to pressurize the reformed gas again. The composition of the reformed gas thus obtained depends on temperature, pressure, etc., and is usually 65 to 75% hydrogen, 5 to 20% carbon monoxide, 5 to 20% carbon dioxide, and 0.5 to 10% methane. However, it is preferable to select conditions so that hydrocarbons having a carbon-carbon bond do not remain as much as possible.

上記水蒸気改質反応には通常、触媒が用いられる。その触媒としては公知の水蒸気改質触媒を用いることができる。この触媒の例として、ニッケル、ルテニウム、ロジウム、白金など周期律表8族、9族および10族の金属を挙げることができるが、その選択に際しては原料、反応条件などを総合的に考慮して適宜決定できる。オートサーマル改質法、部分酸化法についても、これらの改質方法に使用可能な公知の触媒から適宜選んで採用することができる。   A catalyst is usually used for the steam reforming reaction. As the catalyst, a known steam reforming catalyst can be used. Examples of the catalyst include metals of Group 8, Group 9 and Group 10 such as nickel, ruthenium, rhodium and platinum. It can be determined as appropriate. The autothermal reforming method and the partial oxidation method can be appropriately selected from known catalysts that can be used for these reforming methods.

水素製造工程で用いる水素製造装置は、改質反応を行う改質器を有する。また、さらに水素収率を向上させるために、改質器の後段にシフト反応器を配置した水素製造装置を用いることもできる。シフト反応器では、改質器で得られた改質ガス中のCOと水蒸気を反応させ、CO2と水素に転化する。必要であればシフト反応器の前段に水蒸気注入口を設け水蒸気を追加することができる。シフト反応器に用いる触媒としては、鉄・クロム系、銅・亜鉛系、白金などの貴金属系など、公知のシフト反応触媒を用いることができる。シフト反応器の反応温度は通常200℃〜500℃の範囲で適宜設定される。反応圧力には特に制限はないが、前記改質反応で用いた圧力付近で実施するのが簡便であり、有利である。 The hydrogen production apparatus used in the hydrogen production process has a reformer that performs a reforming reaction. Further, in order to further improve the hydrogen yield, a hydrogen production apparatus in which a shift reactor is arranged at the rear stage of the reformer can be used. In the shift reactor, CO and steam in the reformed gas obtained in the reformer are reacted and converted to CO 2 and hydrogen. If necessary, steam can be added by providing a steam inlet before the shift reactor. As the catalyst used in the shift reactor, known shift reaction catalysts such as iron / chromium, copper / zinc, and noble metals such as platinum can be used. The reaction temperature of the shift reactor is appropriately set in the range of usually 200 ° C to 500 ° C. Although there is no restriction | limiting in particular in the reaction pressure, It is simple and advantageous to implement near the pressure used by the said reforming reaction.

一方、含炭素燃料としてメタノール、ジメチルエーテル、エタノールなど含酸素化合物類を用いる場合にも上記と同様の方法を適用できる。特に、メタノールやジメチルエーテルを用いる場合には、触媒として銅−亜鉛系触媒などを用いて一酸化炭素平衡濃度が低い400℃以下、好ましくは350℃以下で改質反応を行うことで、シフト反応器が無くても優れた水素収率を達成することも可能である。この場合において水蒸気改質法を適用する場合、好ましくはS/Cが1.5〜4、より好ましくは1.5〜2.5の範囲で水蒸気量は設定される。   On the other hand, when using oxygen-containing compounds such as methanol, dimethyl ether and ethanol as the carbon-containing fuel, the same method as described above can be applied. In particular, when methanol or dimethyl ether is used, a shift reactor is obtained by performing a reforming reaction at a low carbon monoxide equilibrium concentration of 400 ° C. or lower, preferably 350 ° C. or lower, using a copper-zinc catalyst as a catalyst. It is also possible to achieve an excellent hydrogen yield without the presence of hydrogen. In this case, when the steam reforming method is applied, the amount of steam is preferably set in the range of S / C of 1.5 to 4, more preferably 1.5 to 2.5.

水素含有ガス製造工程からは、例えば、水素65〜80%、一酸化炭素0.2〜3%、二酸化炭素10〜35%、メタン0〜10%を含むガスを得ることができる。   From the hydrogen-containing gas production step, for example, a gas containing 65 to 80% hydrogen, 0.2 to 3% carbon monoxide, 10 to 35% carbon dioxide, and 0 to 10% methane can be obtained.

なお、含炭素燃料に硫黄分が含まれる場合、硫黄分による触媒被毒を防止するために、含炭素燃料を脱硫したうえで改質器に供給することができる。   When the carbon-containing fuel contains a sulfur content, the carbon-containing fuel can be desulfurized and supplied to the reformer in order to prevent catalyst poisoning due to the sulfur content.

〔PSA工程〕
PSA工程では、水素含有ガス製造工程で製造した水素含有ガスを、好ましくは脱水処理をした上で、圧力スウィング吸着装置すなわちPSA(Pressure Swing Adsorption)装置に導入し、水素が富化されたガス(第一の水素富化ガス)と、水素以外の成分が富化されたガス(PSAオフガス)とに分離する。
[PSA process]
In the PSA process, the hydrogen-containing gas produced in the hydrogen-containing gas production process is preferably dehydrated and then introduced into a pressure swing adsorption apparatus, that is, a PSA (Pressure Swing Adsorption) apparatus to enrich the hydrogen-enriched gas ( The first hydrogen-enriched gas is separated into a gas enriched with components other than hydrogen (PSA off-gas).

PSA法とは混合ガスから特定ガスを選別分離する方法の一つであって、混合ガスを比較的高い圧力で吸着剤を充填した吸着塔に導入し特定成分を吸着剤に吸着させることで、吸着ガス成分と非吸着ガス成分とに分離し、ついで、吸着系の圧力を下げ、必要であればパージガスを用いることによって吸着剤に吸着した吸着物(吸着ガス成分)を脱離させる方法である。工業的には一般に、吸着剤を充填した塔を複数個設けたPSA装置を用い、それぞれの吸着塔において、昇圧、吸着、脱圧、洗浄の一連の操作を繰り返すことにより装置全体としては連続的に分離回収を可能としたものが使用される。   The PSA method is one of the methods for selectively separating a specific gas from a mixed gas. By introducing the mixed gas into an adsorption tower filled with an adsorbent at a relatively high pressure and adsorbing the specific component to the adsorbent, This is a method in which the adsorbed material adsorbed on the adsorbent (adsorbed gas component) is desorbed by separating the adsorbed gas component and the non-adsorbed gas component, then lowering the pressure of the adsorption system and using a purge gas if necessary. . In general, in general, a PSA apparatus provided with a plurality of towers filled with an adsorbent is used, and in each of the adsorption towers, a series of operations of pressurization, adsorption, depressurization, and washing are repeated, so that the entire apparatus is continuous. Those that enable separation and recovery are used.

PSA塔内に充填する吸着剤には、活性炭、ゼオライトなど、吸着によって水素と水素以外の成分とを分離可能な公知の充填剤を適宜使用できる。PSAの運転圧力はサイクルの段階により変化するが、最も高い圧力で運転される吸着時は好ましくは0.5MPa〜10MPa、より好ましくは1MPa〜5MPaの範囲である。   As the adsorbent packed in the PSA tower, a known filler capable of separating hydrogen and components other than hydrogen by adsorption, such as activated carbon and zeolite, can be used as appropriate. The operating pressure of PSA varies depending on the stage of the cycle, but it is preferably in the range of 0.5 MPa to 10 MPa, more preferably 1 MPa to 5 MPa at the time of adsorption operated at the highest pressure.

PSA法では、通常水素は上記非吸着ガス成分に相当し、吸着剤には吸着されずにPSA塔を通過する。従って、PSA装置導入圧力に近い圧力の第一の水素富化ガスを得ることができる。第一の水素富化ガスを製品水素とすることができる。   In the PSA method, hydrogen normally corresponds to the non-adsorbed gas component and passes through the PSA tower without being adsorbed by the adsorbent. Therefore, the first hydrogen-enriched gas having a pressure close to the PSA apparatus introduction pressure can be obtained. The first hydrogen-enriched gas can be product hydrogen.

第一の水素富化ガスの水素純度は好ましくは99%以上、より好ましくは99.9%以上、さらに好ましくは99.99%以上である。さらに、製品水素は燃料電池自動車に用いることができる水素であることが好ましく、この場合その水素純度は通常99.99%以上が好ましい他、露点や他の不純物に対する要請も満足することが求められることがある。従って、必要に応じて、第一の水素富化ガスを、さらに水分除去などの処理に付すことができる。さらに、製品水素は、燃料電池自動車への充填、あるいは水素ステーションへの輸送・貯蔵に適した形態である高圧水素あるいは液体水素などに変換することもできる。   The hydrogen purity of the first hydrogen-enriched gas is preferably 99% or more, more preferably 99.9% or more, and further preferably 99.99% or more. Further, the product hydrogen is preferably hydrogen that can be used in a fuel cell vehicle. In this case, the hydrogen purity is usually preferably 99.99% or more, and the dew point and other requirements for impurities are required to be satisfied. Sometimes. Therefore, if necessary, the first hydrogen-enriched gas can be further subjected to a treatment such as moisture removal. Further, the product hydrogen can be converted into high-pressure hydrogen or liquid hydrogen, which is in a form suitable for filling in a fuel cell vehicle or transporting and storing in a hydrogen station.

PSAオフガスは、吸着塔に吸着した成分の脱着工程すなわち吸着塔を再生する工程で得られる。この時なるべく高いCO2濃度のオフガスを得るために、吸着塔を減圧(大気圧未満の圧力)にして脱着操作を行うこともできる。脱着工程の前に吸着塔を高濃度の二酸化炭素を含むガスで洗浄することもPSAオフガス中の二酸化炭素濃度を上げるためには有効である。 The PSA offgas is obtained in a process of desorbing components adsorbed on the adsorption tower, that is, a process of regenerating the adsorption tower. At this time, in order to obtain an off-gas having as high a CO 2 concentration as possible, the desorption operation can be performed by reducing the pressure of the adsorption tower (pressure less than atmospheric pressure). Washing the adsorption tower with a gas containing a high concentration of carbon dioxide before the desorption step is also effective for increasing the carbon dioxide concentration in the PSA offgas.

PSAオフガスの圧力は、PSA装置への水素含有ガスの導入圧力より低下し、好ましくは0.01〜0.5MPa、より好ましくは0.1〜0.2MPaである。PSAオフガスは、例えば水素20〜60%、一酸化炭素0.5〜10%、二酸化炭素30〜70%、メタン1〜15%を含有する。   The pressure of the PSA offgas is lower than the pressure for introducing the hydrogen-containing gas into the PSA apparatus, and is preferably 0.01 to 0.5 MPa, more preferably 0.1 to 0.2 MPa. The PSA offgas contains, for example, 20 to 60% hydrogen, 0.5 to 10% carbon monoxide, 30 to 70% carbon dioxide, and 1 to 15% methane.

〔二酸化炭素膜分離工程〕
本発明では、PSAオフガス中に含まれる二酸化炭素を貯留に適した形で回収可能とする。そこで二酸化炭素膜分離工程では二酸化炭素を選択的に透過する膜を用いて、PSAオフガスを、二酸化炭素が富化されたガス(二酸化炭素富化ガス)と、この膜を透過しなかった、二酸化炭素以外の成分が富化された二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する。
[CO2 membrane separation process]
In the present invention, carbon dioxide contained in the PSA offgas can be recovered in a form suitable for storage. Therefore, in the carbon dioxide membrane separation step, a membrane that selectively permeates carbon dioxide is used, and PSA off-gas is transformed into a gas enriched with carbon dioxide (carbon dioxide-enriched gas) and the carbon dioxide that has not permeated through the membrane. Separation into carbon dioxide separation membrane off-gas enriched with components other than carbon.

上述のようにPSAオフガスの圧力は低下しているので、二酸化炭素膜分離工程に導入される前にPSAオフガスを昇圧することが好ましい。昇圧後の圧力、すなわち二酸化炭素分離膜供給側の圧力は好ましくは0.2〜2MPa、より好ましくは0.2〜1MPaの範囲に設定される。   As described above, since the pressure of the PSA offgas is lowered, it is preferable to increase the pressure of the PSA offgas before being introduced into the carbon dioxide membrane separation step. The pressure after the pressure increase, that is, the pressure on the carbon dioxide separation membrane supply side is preferably set in the range of 0.2 to 2 MPa, more preferably 0.2 to 1 MPa.

二酸化炭素分離膜としては、CO2を選択的に透過させることのできる公知の膜から適宜選んで採用することができる。その例としては、PowelらJounal of Membrane Science、276、1−49(2006)に記載されるような高分子素材膜、平成15年度 二酸化炭素固定化・有効利用技術等対策事業・地球環境国際研究推進事業・分子ゲート機能CO2分離膜の基盤技術研究開発成果報告書に記載されるようなデンドリマー膜、WO2006/050531号公報に記載されるようなアミン基含有膜、あるいはゼオライト膜を始めとする無機素材膜、などを挙げることができる。 As the carbon dioxide separation membrane, a known membrane that can selectively permeate CO 2 can be appropriately selected and employed. Examples include polymer membranes such as those described in Powel et al., Journal of Membrane Science, 276, 1-49 (2006), FY 2003 carbon dioxide fixation / effective utilization technology countermeasure business, global environment international research, etc. Promotion business, molecular gate function CO 2 separation membrane basic technology R & D report, dendrimer membrane, amine group-containing membrane, or zeolite membrane as described in WO2006 / 0505051 An inorganic material film etc. can be mentioned.

二酸化炭素の分離効率の観点から、二酸化炭素分離膜については、膜の水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比(透過係数比)αは5以上が好ましく、10以上がより好ましく、20以上がさらに好ましい。   From the viewpoint of carbon dioxide separation efficiency, the ratio of the carbon dioxide permeability coefficient to the hydrogen permeability coefficient (permeability coefficient ratio) α of the membrane is preferably 5 or more, more preferably 10 or more, and further preferably 20 or more. preferable.

ここで、前記CO2と水素の透過係数比αは次式で定義されるものである。 Here, the CO 2 and hydrogen permeability coefficient ratio α is defined by the following equation.

Figure 2008247636
Figure 2008247636

ただし、各成分の透過係数は、各成分のガスの透過速度をQ、供給側圧力(分圧)をp1、透過側圧力(分圧)をp2、膜面積をA、膜厚をLとした時、次式で定義されるものである。   However, the permeation coefficient of each component is Q for the gas permeation rate of each component, p1 for the supply side pressure (partial pressure), p2 for the permeation side pressure (partial pressure), A for the membrane area, and L for the film thickness. Is defined by the following equation.

Figure 2008247636
Figure 2008247636

どのような素材を用いる場合にも分離膜の形状には特に制限はなく、板状、筒状、中空糸状など任意の形状を選択することができる。   No matter what material is used, the shape of the separation membrane is not particularly limited, and any shape such as a plate shape, a cylindrical shape, or a hollow fiber shape can be selected.

二酸化炭素膜分離工程における透過側の圧力は供給側圧力より低圧に設定され、大気圧以下とすることもでき、好ましくは0MPa〜0.5MPa、より好ましくは0.001〜0.2MPaの範囲で選択される。   The pressure on the permeate side in the carbon dioxide membrane separation step is set to be lower than the supply side pressure, and can be set to atmospheric pressure or lower, preferably in the range of 0 MPa to 0.5 MPa, more preferably 0.001 to 0.2 MPa. Selected.

膜分離の実施温度は使用する膜素材に適した温度に設定される。   The temperature at which the membrane separation is performed is set to a temperature suitable for the membrane material to be used.

このようにして二酸化炭素富化ガスとして二酸化炭素を回収することができる。回収された二酸化炭素富化ガスは、このまま地中に注入するなどして貯留することもできるが、好ましくは、CO2液化工程にて処理され液化CO2が生産される。従って二酸化炭素富化ガスのCO2濃度はCO2液化工程の順調な操業が容易になるように高めることが好ましく、その濃度は好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上である。CO2濃度が70%以上の場合、液化工程に際して必要なエネルギーを小さくすることができ、また、回収される液化CO2の割合を高くすることができる。 In this way, carbon dioxide can be recovered as the carbon dioxide-enriched gas. The recovered carbon dioxide-enriched gas can be stored by being injected into the ground as it is, but is preferably processed in a CO 2 liquefaction step to produce liquefied CO 2 . Therefore, it is preferable to increase the CO 2 concentration of the carbon dioxide-enriched gas so as to facilitate the smooth operation of the CO 2 liquefaction process, and the concentration is preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and still more preferably 90%. % Or more. When the CO 2 concentration is 70% or more, the energy required for the liquefaction step can be reduced, and the ratio of recovered liquefied CO 2 can be increased.

なお、二酸化炭素富化ガスに含まれる二酸化炭素以外の成分は、例えば、水素0.5〜20%、一酸化炭素0.01〜5%、メタン0.01〜5%程度である。また、二酸化炭素分離膜オフガスには、例えば、水素40〜80%、二酸化炭素5〜50%、一酸化炭素0〜20%、メタン0〜20%が含まれる。   The components other than carbon dioxide contained in the carbon dioxide-enriched gas are, for example, about 0.5 to 20% hydrogen, 0.01 to 5% carbon monoxide, and about 0.01 to 5% methane. The carbon dioxide separation membrane off-gas includes, for example, hydrogen 40 to 80%, carbon dioxide 5 to 50%, carbon monoxide 0 to 20%, and methane 0 to 20%.

CO2液化の方法としては、ジュールトムソン効果を利用する方法、圧縮しながら外部冷熱により冷却する方法など公知のCO2液化方法を適宜採用できる。二酸化炭素液化装置としても、これら公知のCO2液化方法によって二酸化炭素を液化することのできる公知の装置を適宜選んで用いることができる。こうして得られた液化CO2は陸上輸送、海上輸送あるいはパイプラインなど適当な方法で貯留場所に輸送した上で、地中あるいは海中に隔離することができるし、あるいは高いCO2濃度を持つので化学品合成など種々の原料として利用もできる。CO2液化工程から得られるオフガス(液化しなかったガス)にはまだ水素、メタンなど燃焼可能なガスが含まれるので、改質器バーナーに送付して燃料として用いることができる。 As a CO 2 liquefaction method, a known CO 2 liquefaction method such as a method using the Joule-Thompson effect or a method of cooling by external cold heat while compressing can be appropriately employed. As the carbon dioxide liquefying apparatus, a known apparatus capable of liquefying carbon dioxide by these known CO 2 liquefaction methods can be appropriately selected and used. The liquefied CO 2 obtained in this way can be sequestered in the ground or sea after being transported to a storage location by an appropriate method such as land transport, sea transport or pipeline, or it has a high CO 2 concentration and is therefore chemically It can also be used as various raw materials such as product synthesis. Since the off-gas (gas that has not been liquefied) obtained from the CO 2 liquefaction step still contains combustible gases such as hydrogen and methane, it can be sent to the reformer burner and used as fuel.

〔水素膜分離工程〕
水素膜分離工程においては、上記二酸化炭素分離膜オフガスから、水素を選択的に透過する膜を用いて、水素が富化されたガス(第二の水素富化ガス)と、この膜を透過しなかった、水素以外の成分が富化されたガス(水素分離膜オフガス)とに分離する。二酸化炭素分離膜オフガスは二酸化炭素分離膜を透過しなかったガスなので、二酸化炭素膜分離工程における圧力低下は小さい。従って、二酸化炭素分離膜オフガスを水素膜分離工程に導入するに際し改めて昇圧する必要はないので、余分なエネルギーを消費することなしに水素の濃縮を実施できる。つまり、エネルギーロスを抑えつつ、水素の更なる有効利用を図ることができ、水素収率を向上させることができる。水素膜分離工程における供給側圧力は、二酸化炭素膜分離工程における供給側圧力と同程度とすることができる。
[Hydrogen membrane separation process]
In the hydrogen membrane separation step, a hydrogen-enriched gas (second hydrogen-enriched gas) is permeated through this membrane using a membrane that selectively permeates hydrogen from the carbon dioxide separation membrane off-gas. It is separated into a gas enriched with components other than hydrogen (hydrogen separation membrane off-gas). Since the carbon dioxide separation membrane off-gas is a gas that has not permeated the carbon dioxide separation membrane, the pressure drop in the carbon dioxide membrane separation step is small. Therefore, it is not necessary to increase the pressure again when introducing the carbon dioxide separation membrane off-gas into the hydrogen membrane separation step, so that hydrogen can be concentrated without consuming excess energy. That is, further effective use of hydrogen can be achieved while suppressing energy loss, and the hydrogen yield can be improved. The supply side pressure in the hydrogen membrane separation step can be set to the same level as the supply side pressure in the carbon dioxide membrane separation step.

水素膜分離工程に使用する水素分離膜としては、水素を選択的に透過させることが可能な公知の膜を適宜選んで採用することができる。水素分離膜としては、パラジウムなどの金属膜、ポリイミドなどの高分子膜、多孔質シリカ、ゼオライト、多孔質炭素などの多孔質膜などを例とすることができる。操作のしやすさ、コストなどの観点から高分子膜が好ましく使用される。   As the hydrogen separation membrane used in the hydrogen membrane separation step, a known membrane capable of selectively permeating hydrogen can be appropriately selected and employed. Examples of the hydrogen separation membrane include metal membranes such as palladium, polymer membranes such as polyimide, porous membranes such as porous silica, zeolite, and porous carbon. From the viewpoints of ease of operation and cost, a polymer film is preferably used.

水素分離膜については、CO2と水素の透過係数比αは好ましくは0〜0.5、より好ましくは0〜0.3、さらに好ましくは0〜0.15である。 For the hydrogen separation membrane, the CO 2 and hydrogen permeability coefficient ratio α is preferably 0 to 0.5, more preferably 0 to 0.3, and even more preferably 0 to 0.15.

どのような素材を用いる場合にも分離膜の形状には特に制限はなく、板状、筒状、中空糸状など任意の形状を選択することができる。   No matter what material is used, the shape of the separation membrane is not particularly limited, and any shape such as a plate shape, a cylindrical shape, or a hollow fiber shape can be selected.

水素膜分離工程における透過側の圧力は供給側圧力より低圧に設定され、大気圧以下とすることもでき、好ましくは0MPa〜0.5MPa、より好ましくは0.001〜0.1MPaの範囲で選択される。   The pressure on the permeate side in the hydrogen membrane separation step is set to a pressure lower than the supply side pressure, and can be set to atmospheric pressure or lower, preferably 0 MPa to 0.5 MPa, more preferably 0.001 to 0.1 MPa. Is done.

膜分離の実施温度は使用する膜素材に適した温度に設定され、例えばパラジウム膜であれば250〜500℃、ポリイミド膜であれば室温〜150℃程度が好適である。   The temperature at which the membrane separation is performed is set to a temperature suitable for the membrane material to be used. For example, about 250 to 500 ° C. for a palladium membrane and about room temperature to about 150 ° C. for a polyimide membrane.

第二の水素富化ガスには、例えば、水素50〜97%、二酸化炭素3〜40%、一酸化炭素0〜10%、メタン0〜10%が含まれる。一方、水素分離膜オフガスには、例えば、水素1〜30%、二酸化炭素30〜60%、一酸化炭素1〜20%、メタン1〜20%が含まれる。   Examples of the second hydrogen-enriched gas include 50 to 97% hydrogen, 3 to 40% carbon dioxide, 0 to 10% carbon monoxide, and 0 to 10% methane. On the other hand, the hydrogen separation membrane off-gas includes, for example, 1-30% hydrogen, 30-60% carbon dioxide, 1-20% carbon monoxide, and 1-20% methane.

水素分離膜オフガスは、水素製造工程の改質器のバーナーに供給して燃料として用いることができる。   The hydrogen separation membrane off-gas can be supplied to a reformer burner in the hydrogen production process and used as a fuel.

一方、第二の水素富化ガスは比較的高い水素濃度を持つので、これを回収すべく、適宜昇圧したうえで、PSA工程の上流側にリサイクルすることができる。このために第二の水素富化ガス(水素分離膜の透過側出口ガス)をPSA装置の入口にリサイクルするリサイクルラインを用いることができる。このことにより水素の収率を向上させることができる。また、第二の水素富化ガスを、水素製造工程の上流側に環流すれば、第二の水素富化ガス中のメタンを水素に転化することもできる。このために、第二の水素富化ガスを水素製造装置の入口、特には改質器の入口にリサイクルするリサイクルラインを用いることができる。   On the other hand, since the second hydrogen-enriched gas has a relatively high hydrogen concentration, it can be recycled to the upstream side of the PSA process after being appropriately pressurized to recover it. For this purpose, a recycling line for recycling the second hydrogen-enriched gas (permeation side outlet gas of the hydrogen separation membrane) to the inlet of the PSA apparatus can be used. This can improve the yield of hydrogen. Moreover, if the second hydrogen-enriched gas is circulated upstream of the hydrogen production process, methane in the second hydrogen-enriched gas can be converted to hydrogen. For this purpose, it is possible to use a recycling line for recycling the second hydrogen-enriched gas to the inlet of the hydrogen production apparatus, in particular to the inlet of the reformer.

本発明によれば第二の水素富化ガスを得る際に改めて昇圧する必要がない。これは前述のCO2分離膜でCO2を分離する際高めた圧力を有効利用するためである。このためほとんどエネルギーを消費することなく比較的高純度の水素が得られる。このように比較的高い水素濃度を持つ第二の水素富化ガスの用途は、水素含有ガス製造工程やPSA工程にリサイクルすることに限られず、水素源として適宜利用することができる。例えば、別のプラントにおいて水素源として用いることで第二の水素富化ガスを有効利用することもできる。このようなプラントとしてはオレフィン、ケトン、アルデヒド、ニトロ基など不飽和有機化合物の水素化反応や水素化脱硫反応などを行うプラントを挙げることができる。 According to the present invention, there is no need to increase the pressure again when obtaining the second hydrogen-enriched gas. This is because the increased pressure is effectively utilized when CO 2 is separated by the aforementioned CO 2 separation membrane. For this reason, relatively high-purity hydrogen can be obtained with little energy consumption. Thus, the use of the second hydrogen-enriched gas having a relatively high hydrogen concentration is not limited to recycling to the hydrogen-containing gas production process and the PSA process, and can be appropriately used as a hydrogen source. For example, the second hydrogen-enriched gas can be effectively used by using it as a hydrogen source in another plant. Examples of such a plant include a plant that performs a hydrogenation reaction or hydrodesulfurization reaction of an unsaturated organic compound such as an olefin, a ketone, an aldehyde, or a nitro group.

〔プロセス〕
以下図面を用いて本発明を実施するに好適なプロセスについて説明するが、本発明はこれによって限定されるものではない。
〔process〕
Hereinafter, processes suitable for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited thereto.

図1に示すように、水素製造装置1は、改質器1−1と、改質器の下流に接続されたシフト反応器1−2を有する。改質器には改質反応管1−1aと、これを外側から加熱するためのバーナー1−1bが備わる。含炭素燃料がライン100から改質器、特には改質反応管に供給される。改質反応に必要な水蒸気や酸素なども適宜改質器に供給される(不図示)。含炭素燃料が液体や固体である場合には、含炭素燃料を適宜予め気化することができる。必要に応じて含炭素燃料を脱硫器(不図示)で脱硫した後に改質器に供給することもできる。   As shown in FIG. 1, the hydrogen production apparatus 1 has a reformer 1-1 and a shift reactor 1-2 connected downstream of the reformer. The reformer is provided with a reforming reaction tube 1-1a and a burner 1-1b for heating it from the outside. Carbon-containing fuel is supplied from a line 100 to a reformer, particularly a reforming reaction tube. Water vapor, oxygen and the like necessary for the reforming reaction are also appropriately supplied to the reformer (not shown). When the carbon-containing fuel is liquid or solid, the carbon-containing fuel can be appropriately vaporized in advance. If necessary, the carbon-containing fuel can be supplied to the reformer after being desulfurized by a desulfurizer (not shown).

含炭素燃料は改質反応管の内部で改質され、改質器から改質ガスが排出される(ライン101)。シフト反応器では、改質ガス中のCOと水蒸気がCO2と水素に転換される。 The carbon-containing fuel is reformed inside the reforming reaction tube, and the reformed gas is discharged from the reformer (line 101). In the shift reactor, CO and water vapor in the reformed gas are converted into CO 2 and hydrogen.

水素製造装置から得られる水素含有ガス(ライン102)は、ライン103を経てPSA装置2に供給される。具体的には、水素含有ガスは吸着工程を行っているPSA塔に投入され、水素含有ガスに含まれる水素以外の成分が吸着剤に吸着され、第一の水素富化ガスが製品水素として取り出される(ライン104)。一方、再生工程を行っているPSA塔からはPSAオフガスが排出され(ライン105)、昇圧機3で昇圧された後、二酸化炭素分離膜4に供給される(ライン106)。   The hydrogen-containing gas (line 102) obtained from the hydrogen production apparatus is supplied to the PSA apparatus 2 via the line 103. Specifically, the hydrogen-containing gas is put into a PSA tower that is performing an adsorption process, components other than hydrogen contained in the hydrogen-containing gas are adsorbed by the adsorbent, and the first hydrogen-enriched gas is taken out as product hydrogen. (Line 104). On the other hand, the PSA off-gas is discharged from the PSA tower performing the regeneration process (line 105), and after being pressurized by the booster 3, is supplied to the carbon dioxide separation membrane 4 (line 106).

二酸化炭素分離膜を透過したガスとして二酸化炭素富化ガス(ライン108)が得られ、これが昇圧機6で昇圧されて二酸化炭素液化装置7に供給される(ライン109)。二酸化炭素分離膜を透過せずに排出された二酸化炭素分離膜オフガス(ライン107)は、水素分離膜5に供給される。水素分離膜を透過したガスとして第二の水素富化ガスが得られ、これはライン111、昇圧機8、ライン112を経てPSA装置にリサイクルされる。水素分離膜を透過せずに排出された水素分離膜オフガス(ライン121)は、ライン122を経て改質器のバーナー1−1bに燃料として供給される。   Carbon dioxide-enriched gas (line 108) is obtained as gas that has permeated the carbon dioxide separation membrane, and this is pressurized by the booster 6 and supplied to the carbon dioxide liquefier 7 (line 109). The carbon dioxide separation membrane off-gas (line 107) discharged without passing through the carbon dioxide separation membrane is supplied to the hydrogen separation membrane 5. A second hydrogen-enriched gas is obtained as the gas that has permeated through the hydrogen separation membrane, and is recycled to the PSA device via the line 111, the booster 8, and the line 112. The hydrogen separation membrane off-gas (line 121) discharged without passing through the hydrogen separation membrane is supplied as fuel to the burner 1-1b of the reformer via the line 122.

二酸化炭素液化装置から製品液化二酸化炭素が回収される(ライン110)。二酸化炭素液化装置から排出された、液化しなかったガス(ライン123)は、水素分離膜オフガスと合流してライン122からバーナー1−1bに供給される。   Product liquefied carbon dioxide is recovered from the carbon dioxide liquefier (line 110). The non-liquefied gas (line 123) discharged from the carbon dioxide liquefier joins the hydrogen separation membrane off-gas and is supplied from the line 122 to the burner 1-1b.

ライン122から供給されるガス中の可燃分がバーナー1−1bにて燃焼し、ライン124から燃焼ガスが排気される。この燃焼熱は改質反応管を加熱するために利用される。   The combustible component in the gas supplied from the line 122 is burned by the burner 1-1b, and the combustion gas is exhausted from the line 124. This combustion heat is used to heat the reforming reaction tube.

本発明によれば、化石燃料類等の含炭素燃料を原料として、高純度水素の製造と並行して貯留に適した形態の二酸化炭素を製造するに際し、消費エネルギーを抑えることができる。また水素収率を向上させることができる。しかも比較的簡易な装置で水素製造および二酸化炭素回収を行うことができ、システムコストの上昇を抑えることもできる。従って本発明は水素社会の実現および地球温暖化の防止のために貢献するものである。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, when manufacturing carbon dioxide of the form suitable for storage using carbon-containing fuels, such as fossil fuels, as a raw material in parallel with manufacture of high purity hydrogen, energy consumption can be suppressed. In addition, the hydrogen yield can be improved. In addition, hydrogen production and carbon dioxide recovery can be performed with a relatively simple apparatus, and an increase in system cost can be suppressed. Accordingly, the present invention contributes to the realization of a hydrogen society and the prevention of global warming.

本発明によって、例えば燃料電池自動車の燃料として供給可能な純度を持つ高純度水素を得ることができる。一方、二酸化炭素は地中貯留、海洋貯留に適した形態である液化二酸化炭素の形で回収するに好適な濃度にすることができる。   According to the present invention, for example, high-purity hydrogen having a purity that can be supplied as fuel for a fuel cell vehicle can be obtained. On the other hand, carbon dioxide can have a concentration suitable for recovery in the form of liquefied carbon dioxide, which is a form suitable for underground storage and ocean storage.

〔実施例1〕
図1に示した構成のプロセスにつき、熱物質収支をとった。ナフサ215kg/h(ライン100)と水蒸気946kg/h(不図示)をNi系触媒を充填し出口温度830℃、圧力2MPaにて水蒸気改質反応を行う改質器1−1に供給し、引き続くFe−Cr系触媒を充填し入口温度360℃出口温度425℃にてシフト反応を行うシフト反応器1−2により、総流量54.2kmol/h、CO2濃度20.5%、水素濃度72.4%、圧力2MPaの混合ガス(ライン102)を得る。これを脱水器(不図示)により脱水した後、PSA装置2により純度99.99%の高純度水素を35.8kmol/hの流量にて得る(ライン104)。一方、PSAオフガスであるCO2濃度52%、水素濃度30%の混合ガス(ライン105)を圧縮機3で1MPaにまで昇圧し、CO2/水素の透過係数比αが30の膜を備えるCO2分離膜4に導入する。CO2分離膜の透過側ガス(ライン108)はCO2濃度94%であり、これは圧縮機6で約8MPaにまで加圧された後、CO2液化装置7に送入され、8.1kmol/hの液化CO2流(ライン110)を得る。CO2分離膜の非透過側ガス(ライン107)はそのままの圧力にてCO2/水素の透過係数比αが0.11のポリイミド膜を備えた水素分離膜5に導入する。水素分離膜の透過側に水素濃度91%、0.1MPaのガス(ライン111)を3.5kmol/hにて得、これは圧縮機8を経てPSA装置2の上流にリサイクルする。一方、前記水素分離膜の非透過側ガス(ライン121)およびCO2液化装置のオフガス(ライン123)を合わせたガス流(ライン122)は改質器バーナー1−1bに送られ改質器燃料として利用される。このプロセスの圧縮機で消費されるエネルギーは12.0kW/kmol−回収CO2、シフト反応器出口ガス(ライン102)中に含まれるCO2量を基準とした時の、液化CO2としての二酸化炭素回収率は71%である。
[Example 1]
A thermal mass balance was taken for the process having the configuration shown in FIG. Naphtha 215 kg / h (line 100) and steam 946 kg / h (not shown) are supplied to a reformer 1-1 which is charged with a Ni-based catalyst and performs a steam reforming reaction at an outlet temperature of 830 ° C. and a pressure of 2 MPa. The total flow rate was 54.2 kmol / h, the CO 2 concentration was 20.5%, and the hydrogen concentration was 72. 2 by the shift reactor 1-2 in which the Fe—Cr catalyst was charged and the shift reaction was performed at an inlet temperature of 360 ° C. and an outlet temperature of 425 ° C. A mixed gas (line 102) of 4% and pressure 2 MPa is obtained. This is dehydrated by a dehydrator (not shown), and then high-purity hydrogen having a purity of 99.99% is obtained at a flow rate of 35.8 kmol / h by the PSA apparatus 2 (line 104). On the other hand, a PSA off-gas mixed gas (line 105) having a CO 2 concentration of 52% and a hydrogen concentration of 30% is pressurized to 1 MPa by the compressor 3 and is provided with a membrane having a CO 2 / hydrogen permeability coefficient ratio α of 30. 2 Introduce into the separation membrane 4. The permeate side gas (line 108) of the CO 2 separation membrane has a CO 2 concentration of 94%, which is pressurized to about 8 MPa by the compressor 6 and then sent to the CO 2 liquefier 7 to be 8.1 kmol. A liquefied CO 2 stream of / h (line 110) is obtained. CO 2 non-permeate side gas separation membrane (line 107) is introduced into the hydrogen separation membrane 5 which permeability coefficient ratio of CO 2 / hydrogen α is provided with a polyimide film of 0.11 at unchanged pressure. A gas having a hydrogen concentration of 91% and a pressure of 0.1 MPa (line 111) is obtained at 3.5 kmol / h on the permeate side of the hydrogen separation membrane, and this is recycled upstream of the PSA device 2 via the compressor 8. On the other hand, the gas flow (line 122), which is a combination of the non-permeate side gas (line 121) of the hydrogen separation membrane and the off gas (line 123) of the CO 2 liquefier, is sent to the reformer burner 1-1b and reformer fuel. Used as The energy consumed by the compressor of this process is 12.0 kW / kmol-recovered CO 2 , and CO 2 as liquefied CO 2 based on the amount of CO 2 contained in the shift reactor outlet gas (line 102). The carbon recovery rate is 71%.

二酸化炭素分離膜の透過係数比α、高純度水素回収量、二酸化炭素回収量、および回収された液化二酸化炭素1kmolあたりの圧縮機の消費エネルギー(合計)を表1に示す。熱物質収支を表4に示す。   Table 1 shows the permeability coefficient ratio α of the carbon dioxide separation membrane, the high-purity hydrogen recovery amount, the carbon dioxide recovery amount, and the energy consumption (total) of the compressor per 1 kmol of the recovered liquefied carbon dioxide. Table 4 shows the thermal mass balance.

〔実施例2〜4〕
CO2分離膜装置4に使用する膜(透過係数比α)を変化させた以外は実施例1と同様に熱物質収支をとった。二酸化炭素分離膜の透過係数比α、高純度水素回収量、二酸化炭素回収量および圧縮機の消費エネルギー(合計)を表1に示す。
[Examples 2 to 4]
The heat and mass balance was taken in the same manner as in Example 1 except that the membrane (permeation coefficient ratio α) used for the CO 2 separation membrane device 4 was changed. Table 1 shows the permeability coefficient ratio α of the carbon dioxide separation membrane, the amount of high purity hydrogen recovered, the amount of carbon dioxide recovered, and the energy consumption (total) of the compressor.

Figure 2008247636
Figure 2008247636

〔比較例1〕
水素分離膜およびCO2分離膜を用いずPSAオフガス(ライン105)を直接CO2液化装置7にて圧縮液化した以外は実施例1と同様にして熱物質収支をとった。その結果、圧縮機で消費されるエネルギーは41kW/kmol−CO2であり、液化CO2としてのCO2回収率は35%に過ぎなかった。
[Comparative Example 1]
A thermal mass balance was obtained in the same manner as in Example 1 except that the PSA offgas (line 105) was directly compressed and liquefied by the CO 2 liquefier 7 without using the hydrogen separation membrane and the CO 2 separation membrane. As a result, the energy consumed by the compressor was 41 kW / kmol-CO 2 , and the CO 2 recovery rate as liquefied CO 2 was only 35%.

〔比較例2〕
CO2分離膜を用いず、昇圧されたPSAオフガス(ライン106)を水素分離膜5に供給し、水素分離膜の非透過側ガス(ライン121)を直接CO2液化装置7にて圧縮液化した(第二の水素富化ガスである水素分離膜透過ガスは昇圧してPSA装置にリサイクルする)。これ以外は実施例1と同様にして熱物質収支をとった。その結果、圧縮機で消費されるエネルギーは33kW/kmol−CO2であり、液化CO2としてのCO2回収率は39%に過ぎなかった。
[Comparative Example 2]
Without using the CO 2 separation membrane, the pressurized PSA off-gas (line 106) was supplied to the hydrogen separation membrane 5, and the non-permeate side gas (line 121) of the hydrogen separation membrane was directly compressed and liquefied by the CO 2 liquefier 7. (The hydrogen permeation membrane permeation gas, which is the second hydrogen-enriched gas, is pressurized and recycled to the PSA device). Except for this, the heat and mass balance was obtained in the same manner as in Example 1. As a result, the energy consumed by the compressor was 33 kW / kmol-CO 2 , and the CO 2 recovery rate as liquefied CO 2 was only 39%.

〔比較例3〜6〕
実施例1〜4ではPSAオフガスをまずCO2分離膜に導入し、続いてCO2分離膜オフガスを水素分離膜に導入し、水素分離膜の透過ガスはPSA原料としてリサイクルした。ここでは、水素分離膜を用いず従って水素分離膜の透過ガスをPSA原料としてリサイクルすることも行わなかった。CO2分離膜オフガス(ライン107)をバーナー1−1bに燃料として供給した。その他は実施例1と同様に実施した。このとき、CO2分離膜の透過係数比αを表2に示すように変化させ、比較例3〜6とした。その結果を表2に示す。比較例3〜6は、実施例1〜4と比較して、水素収量が劣っていることがわかる。
[Comparative Examples 3 to 6]
Was first introduced into the CO 2 separation membrane in Examples 1 to 4 In PSA offgas, subsequently CO 2 separation membrane off-gas introduced into the hydrogen separation membrane, permeate gas of the hydrogen separation membrane was recycled as PSA material. Here, no hydrogen separation membrane was used, and therefore, the permeation gas of the hydrogen separation membrane was not recycled as a PSA raw material. A CO 2 separation membrane off gas (line 107) was supplied as fuel to the burner 1-1b. Others were carried out in the same manner as in Example 1. At this time, the permeability coefficient ratio α of the CO 2 separation membrane was changed as shown in Table 2 to obtain Comparative Examples 3 to 6. The results are shown in Table 2. It turns out that Comparative Examples 3-6 is inferior in hydrogen yield compared with Examples 1-4.

Figure 2008247636
Figure 2008247636

〔実施例5〜8〕
水素分離膜の透過ガスをPSA装置の上流にリサイクルする代わりに有効利用のために外部に取り出した以外は実施例1と同様にして熱物質収支を取った。このとき、CO2分離膜の透過係数比αを表3に示すように変化させ、実施例5〜8とした。その結果を表3に示す。
[Examples 5 to 8]
Instead of recycling the permeated gas of the hydrogen separation membrane upstream of the PSA apparatus, a thermal mass balance was obtained in the same manner as in Example 1 except that it was taken out for effective use. At this time, the permeability coefficient ratio α of the CO 2 separation membrane was changed as shown in Table 3 to obtain Examples 5 to 8. The results are shown in Table 3.

実施例5〜8で得られた第二の水素富化ガスの組成を有するガスをメタノール溶媒,Pt/C触媒(カーボン粒子に白金を担持させた触媒)を含むイタコン酸ジメチルの溶液にバブリングしたところ、メチルコハク酸ジメチルの生成が確認され、第二の水素富化ガスがオレフィンの水素化に使用可能であることがわかった。   The gas having the composition of the second hydrogen-enriched gas obtained in Examples 5 to 8 was bubbled into a solution of dimethyl itaconate containing a methanol solvent and a Pt / C catalyst (a catalyst having platinum supported on carbon particles). However, production of dimethyl methyl succinate was confirmed and it was found that the second hydrogen-enriched gas could be used for olefin hydrogenation.

Figure 2008247636
Figure 2008247636

Figure 2008247636
Figure 2008247636

本発明は、高純度の水素を製造するとともに、高濃度の二酸化炭素を回収するために好適に用いられる。製造した水素は燃料電池などの燃料として好適であり、回収した二酸化炭素は地中や海中に貯留するに好適である。また、副生物として比較的高純度の水素を得ることもできこれは有機化合物の水素化など合成反応に用いることができる。   The present invention is suitably used for producing high-purity hydrogen and recovering high-concentration carbon dioxide. The produced hydrogen is suitable as a fuel for a fuel cell or the like, and the recovered carbon dioxide is suitable for storage in the ground or in the sea. In addition, relatively high purity hydrogen can be obtained as a by-product, which can be used for synthesis reactions such as hydrogenation of organic compounds.

本発明を実施することのできる装置の例の概要を説明するためのフロー図である。It is a flowchart for demonstrating the outline | summary of the example of the apparatus which can implement this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1:水素製造装置
1−1:改質器
1−1a:改質反応管
1−1b:バーナー
1−2:シフト反応器
2:PSA装置
3:昇圧機
4:二酸化炭素分離膜
5:水素分離膜
6:昇圧機
7:二酸化炭素液化装置
8:昇圧機
1: Hydrogen production apparatus 1-1: Reformer 1-1a: Reformation reaction tube 1-1b: Burner 1-2: Shift reactor 2: PSA apparatus 3: Booster 4: Carbon dioxide separation membrane 5: Hydrogen separation Membrane 6: Booster 7: Carbon dioxide liquefier 8: Booster

Claims (8)

含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収方法であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造工程;
圧力スウィング吸着装置を用いて、該水素含有ガスを、水素が富化されたガスである第一の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスであるPSAオフガスとに分離するPSA工程;
二酸化炭素分離膜を用いて、該PSAオフガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素膜分離工程;および、
水素分離膜を用いて、該二酸化炭素分離膜オフガスを、水素が富化されたガスである第二の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスである水素分離膜オフガスとに分離する水素膜分離工程
を有する水素製造および二酸化炭素回収方法。
A hydrogen production and carbon dioxide recovery method for producing hydrogen from a carbon-containing fuel and collecting carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production process for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
Using a pressure swing adsorption apparatus, the hydrogen-containing gas is separated into a first hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a PSA offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen. PSA process;
Using a carbon dioxide separation membrane, the PSA offgas is converted into a carbon dioxide enriched gas which is a gas enriched with carbon dioxide and a carbon dioxide separation membrane offgas which is a gas enriched with components other than carbon dioxide. A carbon dioxide membrane separation step to separate; and
Using a hydrogen separation membrane, the carbon dioxide separation membrane off-gas is divided into a second hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen, and a hydrogen separation membrane off-gas that is a gas enriched with components other than hydrogen. A hydrogen production and carbon dioxide recovery method comprising a hydrogen membrane separation step for separating the carbon dioxide into two.
前記二酸化炭素富化ガスを液化して、液化二酸化炭素を得る工程を有する請求項1記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising liquefying the carbon dioxide-enriched gas to obtain liquefied carbon dioxide. 前記第二の水素富化ガスを、前記水素含有ガス製造工程またはPSA工程にリサイクルする工程を有する請求項1または2記載の方法。   The method according to claim 1, further comprising a step of recycling the second hydrogen-enriched gas to the hydrogen-containing gas production step or the PSA step. 前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上である請求項1から3の何れか一項記載の方法。   The method according to any one of claims 1 to 3, wherein a ratio α of a carbon dioxide permeability coefficient to a hydrogen permeability coefficient of the carbon dioxide separation membrane is 5 or more. 含炭素燃料から水素を製造するとともに二酸化炭素を回収する水素製造および二酸化炭素回収装置であって、
含炭素燃料を改質して水素と二酸化炭素を含有する水素含有ガスを得る水素含有ガス製造装置;
該水素含有ガスを、水素が富化されたガスである第一の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスであるPSAオフガスとに分離する圧力スウィング吸着装置;
該PSAオフガスを、二酸化炭素が富化されたガスである二酸化炭素富化ガスと、二酸化炭素以外の成分が富化されたガスである二酸化炭素分離膜オフガスとに分離する二酸化炭素分離膜;および、
該二酸化炭素分離膜オフガスを、水素が富化されたガスである第二の水素富化ガスと、水素以外の成分が富化されたガスである水素分離膜オフガスとに分離する水素分離膜
を有する水素製造および二酸化炭素回収装置。
A hydrogen production and carbon dioxide recovery device for producing hydrogen from carbon-containing fuel and recovering carbon dioxide,
A hydrogen-containing gas production apparatus for reforming a carbon-containing fuel to obtain a hydrogen-containing gas containing hydrogen and carbon dioxide;
A pressure swing adsorption device for separating the hydrogen-containing gas into a first hydrogen-enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a PSA offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen;
A carbon dioxide separation membrane that separates the PSA offgas into a carbon dioxide enriched gas that is a gas enriched with carbon dioxide and a carbon dioxide separation membrane offgas that is a gas enriched with components other than carbon dioxide; and ,
A hydrogen separation membrane that separates the carbon dioxide separation membrane offgas into a second hydrogen enriched gas that is a gas enriched with hydrogen and a hydrogen separation membrane offgas that is a gas enriched with components other than hydrogen; Having hydrogen production and carbon dioxide recovery equipment.
前記二酸化炭素富化ガスを液化して、液化二酸化炭素を得る二酸化炭素液化装置を有する請求項5記載の装置。   The apparatus according to claim 5, further comprising a carbon dioxide liquefying apparatus that liquefies the carbon dioxide-enriched gas to obtain liquefied carbon dioxide. 前記第二の水素富化ガスを、前記水素含有ガス製造工程またはPSA工程にリサイクルするリサイクルラインを有する請求項5または6記載の方法。   The method according to claim 5 or 6, further comprising a recycle line for recycling the second hydrogen-enriched gas to the hydrogen-containing gas production process or the PSA process. 前記二酸化炭素分離膜の、水素透過係数に対する二酸化炭素透過係数の比αが、5以上である請求項5から7の何れか一項記載の装置。   The device according to any one of claims 5 to 7, wherein a ratio α of a carbon dioxide permeability coefficient to a hydrogen permeability coefficient of the carbon dioxide separation membrane is 5 or more.
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